laboratorio n1 _ mn136

Laboratorio N°1: Parámetros Geométricos y constructivos en un MCI – 2015-1

ÍNDICE:

1. Objetivos ………………………………………………………………………... 2

2. Fundamento Teórico ……………………………………………………………. 2

3. Procedimiento Experimental ……………………………………………………. 2

4. Cálculos realizados y Fórmulas empleadas ……………………………………... 2

5. Instrumentos y/o equipos utilizados …………………………………………….. 2

6. Resultados obtenidos ……………………………………………………………. 2

7. Conclusiones y observaciones …………………………………………………... 2

8. Cuestionario ……………………………………………………………………... 2

9. Bibliografía ……………………………………………………………………… 2

Laboratorio de Motores de Combustión Interna Página 1

PARTES CONSTITUTIVAS BÁSICAS

PISTÓN

PTO. MUERTOSUPERIOR

PTO. MUERTOINFERIOR

BIELA

CIGÜEÑAL

VÁLVULA DE ADMISIÓNVÁLVULA DE ESCAPE

BUJÍA

CÁMARA DE COMBUSTIÓN

CICLO OPERATIVO DEL MOTOR 4-TIEMPOS, ENCENDIDO POR CHISPA

ADMISIÓN COMPRESIÓN EXPANSIÓN ESCAPE


1. Objetivos.

- Reconocer las partes y sistemas de un Motor de Combustión Interna (MCI)- Determinación y comparación de la Relación de compresión ideal y real (ε y ε’).- Comprobación del orden de encendido.- Correcto uso del algoritmo recurrente de Euler para los cálculos de los parámetros

establecidos para éste laboratorio.

2. Fundamento Teórico.

Principio de funcionamiento de un motorUn motor es un dispositivo que mediante la combustión de una mezcla de aire - combustible dentro de un cilindro, se transforma energía química almacenada en el combustible en energía mecánica. Las partes básicas constitutivas del motor son:

El motor realiza cuatro ciclos operativos (gasolina, Daihatsu):



En el período de admisión, por la válvula de admisión ingresa una mezcla de aire - combustible en proporciones cercanas a la estequiométrica para el combustible dado. El aire entra a través de un filtro de aire, y la cantidad es regulada por una mariposa comandada por el acelerador. El combustible es introducido por los inyectores ubicados en cercanía a la válvula de admisión. La central electrónica del motor determina mediante sensores sus exigencias, calcula la cantidad de combustible que debe inyectar y realiza la inyección en el momento apropiado. Luego de la admisión, la válvula se cierra y el pistón comienza el período de compresión. El pistón comprime la mezcla, elevando su temperatura y logrando la evaporación total del combustible de la mezcla. Unos grados antes de llegar al punto muerto superior, la mezcla es encendida por una chispa generada en la bujía. En este momento, comienza la combustión. Una vez que el pistón llega al punto muerto superior, debe alcanzar su pico máximo de presión. De esta manera, la mezcla de gases de combustión a elevada temperatura y presión empujan al pistón, realizando trabajo mecánico. Este es el proceso de expansión Luego de llegar al punto muerto inferior, comienza el proceso de escape. La válvula de escape se abre y el pistón evacua los gases remanentes de la combustión y al llegar al punto muerto superior, el ciclo comienza nuevamente.PARTES FUNDAMENTALES DEL MOTOR

Desde el punto de vista estructural, el cuerpo de un motor de explosión o de gasolina se compone de tres secciones principales:

1. Culata2. Bloque3. Cárter

Partes principales en las que se divide un motor de. Gasolina

LA CULATA

La culata constituye una pieza de hierro fundido (o de aluminio en algunos motores), que va colocada encima del bloque del motor. Su función es sellar la parte superior de los cilindros para evitar pérdidas de compresión y salida inapropiada de los gases de escape.

En la culata se encuentran situadas las válvulas de admisión y de escape, así como las bujías. Posee, además, dos conductos internos: uno conectado al múltiple de admisión (para permitir que la mezcla aire-combustible penetre en la cámara de combustión del cilindro) y otro conectado al múltiple de escape (para permitir que los gases producidos por la combustión sean expulsados al



medio ambiente). Posee, además, otros conductos que permiten la circulación de agua para su refresco.

EL BLOQUE

En el bloque están ubicados los cilindros con sus respectivas camisas, que son barrenos o cavidades practicadas en el mismo, por cuyo interior se desplazan los pistones. Estos últimos se consideran el corazón del motor.

La cantidad de cilindros que puede contener un motor es variable, así como la forma de su disposición en el bloque. Existen motores de uno o de varios cilindros, aunque la mayoría de los coches o automóviles utilizan motores con bloques de cuatro, cinco, seis, ocho y doce cilindros, incluyendo algunos coches pequeños que emplean sólo tres.

El bloque del motor debe poseer rigidez, poco peso y poca dimensión, de acuerdo con la potencia que desarrolle.

Las disposiciones más frecuentes en motores de gasolina: En línea En “V” Planos con los cilindros opuestos

Diferente disposición de los cilindros en el bloque de los motores de gasolina:1.- En línea. 2.- En "V". 3.- Plano de cilindros opuestos.

EL CÁRTER

El cárter es el lugar donde se deposita el aceite lubricante que permite lubricar el cigüeñal, los pistones, el árbol de levas y otros mecanismos móviles del motor.

Durante el tiempo de funcionamiento del motor una bomba de aceite extrae el lubricante del cárter y lo envía a los mecanismos que requieren lubricación.



Existen también algunos tipos de motores que en lugar de una bomba de aceite emplean el propio cigüeñal, sumergido parcialmente dentro del aceite del cárter, para lubricar “por salpicadura” el mismo cigüeñal, los pistones y el árbol de levas.

RELOJ COMPARADORUn reloj comparador o comparador de cuadrante es un instrumento de medición de dimensiones que se utiliza para comparar cotas mediante la medición indirecta del desplazamiento de una punta de contacto esférica cuando el aparato está fijo en un soporte. En la esfera del reloj comparador hay dos manecillas, la de menor tamaño indica los milímetros, y la mayor las centésimas de milímetro, primero se mira la manecilla pequeña y luego la mayor, Cuando la aguja esté entre dos divisiones se toma la más próxima, redondeando la medida a la resolución del instrumento:

En la figura se pueden observar varios relojes. El primero indica 0 mm y en el segundo la lectura será 0,26 mm si bien el valor exacto es mayor (0,263 mm según se indica), la lectura nunca debe de darse con mayor precisión de la resolución que tenga el instrumento. En el tercer reloj la lectura será de 1,33 mm.

ORDEN DE ENCENDIDOViene a ser la secuencia sucesiva de los proceso de trabajo del motor durante un ciclo completo. Este orden de encendido depende del tipo de motor (de dos o cuatro tiempo), del número de cilindros y de la disposicón de los mismos (en línea, en V, etc). Por ejemplo para el caso de los motores de cuatro cilindros, cuatro tiempos y en línea, el orden de encendido es el siguiente: 1 – 2 – 4 – 3 o 1 – 3 – 4 – 2.Para cada tipo de motor, dependiendo de los factores antes señalados, existe uno yo más órdenes de encendido que aseguran el funcionamiento uniforme del motor.

Cilindros del motor



0° 1 2 3 4

180°

Expansión

Escape

Comprensión

Admisión

360°

Escape

Admisión

Expansión

Compresión

540°

Admisión

Compresión

Escape

Expansión

720°

Compresión

Expansión

Admisión

Escape

Orden de encendido de un motor de 4 tipos y en línea

3. Procedimiento Experimental.

1. Sacar los pernos de la culata.2. Destapar la culata del monoblock.3. Girar el cigüeñal hasta que el embolo del primer cilindro ocupe su posición del PMS.4. Continuar girando el cigüeñal hasta que el embolo ocupe su posición del PMI.5. Con el vernier medir el diámetro interior del cilindro del motor.6. Medir la carrera del pistón desde el PMS hasta el PMI con ayuda del vernier.7. Determinar el volumen muerto (volumen de la cámara de combustión) usando aceite. 8. Volver a girar el cigüeñal y observar el momento en que se abre la válvula de

admisión; medir el de avance de la apertura de la válvula de admisión.9. Proceder del mismo modo para determinar el ángulo de retraso del cierre de la válvula

e admisión.10. Estando el embolo del primer cilindro en su carrera de expansión observar el momento

en que se abre la válvula de escape; medir el adelanto de dicha apertura respecto al PMI

11. Continuar el giro del cigüeñal siguiendo el proceso de escape (la válvula de escape debe permanecer abierta); observar el momento en que se cierra la válvula de escape, medir el retraso del cierre respecto al PMS.



12. Volver a colocar la culata, los pernos de culata y los balancines.

4. Cálculos realizados y fórmulas empleadas.

- Cilindrada unitaria (Vh) :

Vh= π× D2

4× S

- Cilindrada (VH) :

V H=Zx V h

- Relación de compresión (ε):

ε=Vh+VcVc

- Velocidad instantánea del émbolo (Ve):

Ve = d Se

dt.dφdφ

=ωr (senφ+ λ2

sen2φ)

- Relación de compresión real (ε):

φ=180 °+φCVA

Sk=R [1+ LR

−cosφ−√( LR )

2

−sen2 φ]V h

' =Sk ( π D2

4 )ε '=1+

V h'

V c

5. Instrumentos y/o equipos utilizados.

- Vernier- Palanca.- Aceite de motor- Llaves hexagonales 12, 13 y 14 mm.- Dado hexagonal 20 mm.- Suple para la palanca.- Desarmador.- Nivelador.- Algunos tacos para nivelar la culata.



- Aguja de Nivel.

Figura. Instrumentos utilizados

6. Resultados Obtenidos

Parámetros a obtener:

D, S, Vh, Vc, z, VH, S90º, S90ºn, ε, ángulos AVA, CVA, AVE, CVE, traslapo, R, L, e, λ, k, orden de encendido.

Los datos obtenidos en la experiencia son:

- Diámetro del pistón (D) : 76.20 mm < > 7.62 cm- Carrera(S) : 72.10 mm < > 7.21 cm- Numero de cilindros (i) : 3- Cilindrada unitaria (Vh) :

Vh= π× D2

4× S=( 76.20

2 )2

× π ×72.10=328802.4831mm3

Vh=328.8025 cm3

- Cilindrada (VH):

V H=i x V h→ 3 x328.8025=986.4075 cm3

- Volumen muerto (Vc) : Vc = V1 + V2 +V3Dónde:


Desarmador

Vernier

Nivel

Dado

Llaves hexagonales


V1 = Volumen de hendidura de pistón: h = 0.15 mm, d = 48.5 mm

V1 ¿( 48.502 )

2

× π× 0.15=277.1179mm3

V2 = Volumen de la cámara de combustión del pistón= 35 ml

V2 = 35000 mm3

V3 = Volumen de la culataEspesor empaque de culata = 1.3 mmEspesor que sobresale el pistón al nivel

del block en PMS = 0.7 mm

V3 = ( 77.502 )

2

× π ×0.60=2830.3786 mm3

Vc=277.1179+35000+2830.3786=35107.4965 mm3

Vc=38.1075 cm3

- Relación de compresión(ε) :

ε=Vh+VcVc

=328.8025+38.107538.1075

=9.62

- Sentido de Giro: Horario (visto de frente)

- Orden de Encendido:Giramos la volante hasta que la primera válvula volviera a repetir el ciclo, según las variaciones de estas válvulas observamos que el orden era 1-2-3.

- Ángulos de apertura y cierre de válvulas:La volante poseía 110 dientes en toda la cremallera, por lo tanto cada diente equivale a 36/11°.

Angulo de apertura de válvula. Admisión (α AVA):

La V.A. numero 1 se empieza a abrir 8 dientes antes del PMS.∴α AVA=26.18 °

Angulo de cierre de válvula. Admisión (α CVA):

La V.A. numero 1 se empieza a cerrar 19 dientes después del PMI.∴αCVA=68.18 °

Angulo de apertura de válvula. Escape (α AVE):

La V.E. número 1 se empieza a abrir 26 dientes antes del PMI.∴α AVE=85.09 °



Angulo de cierre de válvula. Escape (α CVE):

La V.E. número 1 se empieza a cerrar 3.5 dientes después del PMS.∴αCVE=11.45°

Traslapo:α AVA+αCVE=37.63 °

Diagrama Circular de distribución de fases (admisión y escape)

Cálculos de Longitud de biela, relación lambda, descentrado absoluto y relativo.

Radio de la biela (R) : R = S/2 = 36.05 mm Giro horario (S90) : 41.7 mm Giro antihorario (S-90) : 42.0 mm

Figura. GUI en MatLab para el cálculo de parámetros


ADMISION

CIERRE


Longitud de la biela (L) : L = 115.011 mm (El cálculo de L se desarrolla en matlab - GUI, revisar Anexo A)

Descentrado absoluto(e) : e = 1.6401 mm (El cálculo de E se desarrolla en matlab - GUI, revisar Anexo A)

Descentrado relativo (k) : k = e/R = 1.6401/36.05 = 0.0455 λ = R/L = 36.05/115.011 = 0.3134

Relación de compresión real (ε ')

φ=180 °+φCVA

Sk=R [1+ LR

−cosφ−√( LR )

2

−sen2 φ]V h

' =Sk ( π D2

4 )ε '=1+

V h'

V c

φ=180 °+68.18 °=248.18 °

Sk=36.05[1+ 115.01136.05

−cos (248.18 °)−√( 115.01136.05 )

2

−sen2(248.18 ° )]Sk=54.4265 mm

V h' =54.4265∗( π∗(76.20 )2

4 )=247553.9203mm3≠247.554 cm3

ε '=1+ 247.55438.1075

=7.496

ε '=7.496

7. Conclusiones y observaciones

Conclusiones:

- Al inicio de la elaboración del laboratorio se reconocieron las diferentes partes del motor asignado (de DAIHATSU CV20).

- Se logró obtener las relaciones de compresión ideal pedidas, siendo:

ε=9.62 y ε '=7.496



- Luego de la previa identificación del sentido de giro por parte de los ayudantes, también se comprobó éste, mediante el procedimiento explicado en el cuestionario, pregunta 2.

-

Observaciones:

- La relación de compresión obtenida es mayor a la habitual hallada, lo cual induce a que se cometió un error a la hora de calcular el volumen muerto del sistema.

8. Cuestionario

1. Explicar las diferencias, si las hubiesen, entre los parámetros obtenidos en el laboratorio y los datos de fábrica.

2. ¿Se puede determinar el sentido de giro del motor solamente observando el movimiento de las válvulas de admisión y escape al girar el cigüeñal?

Si, lo primero que se tiene que hacer es ubicarse en la parte delantera del motor, con referencia al 1er cilindro (opuesto al volante), después identificar las válvulas de admisión (proviene del carburador) y de escape (poco más quemadas producto de la emisión de gases). Hacer un traslape de válvulas y girar la volante. Observar si el 1ro que presiona es la válvula de escape entonces el giro de la volante es correcto, de lo contrario será en sentido inverso.

3. Explicar brevemente qué es la sincronización variable de válvulas.

4. ¿Por qué es importante regular correctamente la luz de las válvulas? ¿Qué sucede cuando la luz de válvulas es excesiva o insuficiente?

El ajuste de válvulas hay que hacerlo de forma periódica y consiste en ajustar la holgura existente entre las válvulas y el árbol de levas. Esta holgura sirve para conseguir un perfecto ajuste entre los elementos de la distribución cuando el motor está caliente. El sistema de accionamiento de la distribución tiene que compensar las dilataciones que sufren sus elementos cuando aumenta la temperatura de funcionamiento. El sistema de distribución se encuentra alojado en una de las zonas más calientes del motor y las dilataciones en parte de sus componentes son



considerables. La holgura compensa las dilataciones de las piezas, de forma que desaparece completamente cuando el motor está caliente.

Holgura insuficienteSi la holgura es insuficiente, las válvulas se quedan abiertas durante su funcionamiento. La válvula no se apoya en su asiento y no se cierra completamente la cámara de combustión. Se producen fugas de compresión y el rendimiento del motor desciende. El principal problema ocurre por la falta de refrigeración de la válvula que no transmite a través de su asiento el calor que recoge de la combustión y de los gases quemados. La válvula se calienta tanto que se funde su material y cae caliente sobre el pistón de aluminio perforándolo. Esta situación se detecta por la pérdida de prestaciones del motor.

Holgura excesivaUna holgura excesiva origina ruido de golpeteo en la zona de la culata del motor. El ruido proviene del sistema de accionamiento de las válvulas que en vez de abrirlas suavemente, las golpea. La holgura excesiva anula el perfil suave de la leva y la válvula comienza a abrirse con el perfil de apertura rápida, lo que origina el golpe. Cuando el motor se calienta, la holgura no desaparece del todo y se pierde un poco de alzada de la válvula, además de reducir su tiempo de apertura. La holgura excesiva se detecta por el ruido de golpeteo que se produce en la culata. Al acelerar, el golpeteo se produce más rápidamente hasta que lo ahoga el ruido de funcionamiento del motor.

En nuestro caso:Tenemos 0.20 mm de luz.

5. ¿Por qué las válvulas de admisión y escape se abren antes y después y se cierran después de los puntos muertos respectivos?

6. ¿Para qué sirve el traslapo o cruce de válvulas?

El traslapo de las válvulas es el proceso en el que las válvulas de escape y admisión estarán abiertas. Esta apertura simultánea contribuye con el proceso de llenado, además se aprovecha para soplar la cámara de combustión con el aire a presión que entra en el cilindro.El traslapo puede depender de la calibración de las válvulas, se sabe que cada motor tiene una calibración que da el fabricante, si uno modifica dicha calibración puede haber variación en el traslapo.

7. ¿Por qué algunos fabricantes diseñan motores con descentrado o excentricidad? ¿Para qué sirve el descentrado? (Utilice un diagrama de cuerpo libre de la biela) (ver Dante Giacosa)



8. Calcular y graficar como varían el desplazamiento y la velocidad instantáneos en función del ángulo de giro del cigüeñal, es decir, graficar las siguientes funciones (asuma la velocidad de rotación nominal y los demás parámetros necesarios del motor designado) (considere que el motor es centrado).

S=f (φ ) y V=f (φ)

Tomando los siguientes datos: S = 72.10 mm R = 36.05 mm L = 115.011 mm 𝜆 = 0.3134 Asumiendo: ω = 5500 RPM < > 575.9586 rev/s Análisis para un giro completo de la Manivela φ ϵ [0 - 2π].

Teniendo el siguiente esquema:

Figura. Diagrama Esquemático del Mecanismo Biela – Manivela

Obtenemos:

1. Ecuación de Posición del Cilindro:

S=R∗[ (1−cos ( φ ) )+ λ2

sin2 φ]Tomando 9 muestras:

Smax=72.10 mm

2. Ecuación de Velocidad del Cilindro:


Figura. Gráfico de la Ecuación de Posición del cilindro para 1 giro de la Manivela.

ϕ(rad) S (mm)

0 0π/4 10.6372π/2 36.20673π/4 61.6196

π 72.105π/4 61.61963π/2 36.20677π/4 10.63722π 0


V=ωR∗(sin (φ )+ λ2

sin (2 φ))Tomando 9 muestras:

ϕ(rad) V (m/s)

0 0π/4 17.936π/2 20.7633π/4 11.427

π 17.4575π/4 -11.4273π/2 -20.7637π/4 -17.9362π 0

V max=21.683 m /s

9. Demostrar que en los primeros noventa grados de giro del cigüeñal (comenzando del punto muerto superior), el pistón de un motor centrado desciende.

S+90 ° ≈S2+ R2

2 L

Figura. Esquema Biela - Manivela


Figura. Gráfico de la Ecuación de Velocidad del cilindro para 1 giro de la Manivela.

Sabemos: L2=X 2+R2 y X=√ L2−R2

También: S 90=L+R−X

S 90=L+R−√ L2−R2 , multiplicando por 2L

2 L∗S 90=2 L2+2 LR−2 L√L2−R2 ;

Usando la identidad: √a± b ≈√a ±b

D(a) ,

D(a): Derivada de “a”

Entonces: 2 L∗S 90 ≈ 2 L2+2 LR−2 L∗(L− R2

2 L ) Simplificando y agrupando:

S 90 ≈ R+ R2

2 L

Si: S=2R

Finalmente queda:

S 90 ≈S2+ R2

2 L


10. Comprobar que el valor numérico de la velocidad máxima del pistón del motor asignado se alcanza aproximadamente cuando, en el recorrido del pistón, la biela es tangente a la manivela; y que aproximadamente la velocidad máxima se puede calcular con la fórmula:

V max ≈ R .( 2 πn60 )√1+λ2

Cuando el ángulo es: φ ≈ arctan (1/ λ)

Calcular la velocidad máxima y el ángulo exacto donde esta se alcanza derivando la

función V=f (φ) y haciéndola cero.

9. Bibliografía.

Libro referencia:- Motores de Automóviles, M.S. Jóvaj.

Páginas Web:- http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/cleto_o_ja/capitulo3.pdf - http://www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/motores/temas/

cinematica_y_dinamica.pdf- http://univirtual.utp.edu.co/pandora/recursos/1000/1206/1206.pdf - http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/oscilaciones/biela/biela.htm - http://es.slideshare.net/robles666/sistema-biela-manivela - http://www.aficionadosalamecanica.net/distribucion_variable.htm - http://www.ina.ac.cr/mecanica_de_vehiculos/SISTEMAS%20DE

%20DISTRIBUCION%20VARIABLE.pdf-


http://www.ina.ac.cr/mecanica_de_vehiculos/SISTEMAS%20DE%20DISTRIBUCION%20VARIABLE.pdf

http://www.ina.ac.cr/mecanica_de_vehiculos/SISTEMAS%20DE%20DISTRIBUCION%20VARIABLE.pdf

http://www.aficionadosalamecanica.net/distribucion_variable.htm

http://es.slideshare.net/robles666/sistema-biela-manivela

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/oscilaciones/biela/biela.htm

http://univirtual.utp.edu.co/pandora/recursos/1000/1206/1206.pdf

http://www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/motores/temas/cinematica_y_dinamica.pdf

http://www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/motores/temas/cinematica_y_dinamica.pdf

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/cleto_o_ja/capitulo3.pdf

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