Post on 30-Oct-2020
INSTITUTO TECNOLOacuteGICO DE PACHUCA
ANAacuteLISIS POR SOBRECALENTAMIENTO DE LA
BIELA DE UN MOTOR DE COMBUSTIOacuteN INTERNA
ENCENDIDO POR CHISPA
TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN INGENIERIacuteA MECAacuteNICA
PRESENTA ING ARTURO SERRANO SERRANO
DIRECTOR DE TESIS DR CELERINO RESEacuteNDIZ ROSAS
SINODALES DR ABDIEL GOacuteMEZ MERCADO
DR LUIS MANUEL PALACIOS PINEDA
102 Paacuteginas
Pachuca de Soto Hidalgo noviembre de 2018
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
I
DEDICATORIAS
Dedico el presente trabajo con todo mi carintildeo a la memoria de mis padres Elena y Merced pues la
mejor herencia percibida se plasma en la formacioacuten profesional legado de la visioacuten que siempre
tuvieron que el mejor camino para el logro de nuestras metas es la educacioacuten Tambieacuten en memoria
de mi hermana Margarita por la dedicacioacuten e iacutempetu incondicional por parte de ella Y toda mi
familia por estar siempre presentes
Ademaacutes a todas las personas que de manera directa o indirectamente contribuyeron a el logro de
esta meta profesional y personal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
II
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a la Fundacioacuten Telmex por darme la oportunidad de formar parte de tan distinguida
organizacioacuten y por el apoyo recibido durante el periodo de permanencia del programa de posgrado
de maestriacutea
Asiacute mismo reconozco el apoyo recibido por medio del Instituto Tecnoloacutegico de Pachuca y por ende
del Tecnoloacutegico Nacional de Meacutexico y al Consejo de Posgrado por su paciencia y dedicacioacuten en
especial al Dr Celerino por su comprensioacuten y amistad incondicional
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
III
IacuteNDICE DE CONTENIDO
DEDICATORIAS I
AGRADECIMIENTOS II
IacuteNDICE DE CONTENIDO III
IacuteNDICE DE FIGURAS VI
IacuteNDICE DE TABLAS VII
RESUMEN VIII
ABSTRACT IX
INTRODUCCIOacuteN 1
1 Planteamiento del problema 1
1 Propoacutesito de la investigacioacuten 2
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten 3
3 Objetivos 4
31 Objetivo general 4
32 Objetivos especiacuteficos 4
4 Alcances 4
5 Organizacioacuten del estudio 5
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE 6
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 10
21 Conceptualizacioacuten del motor 10
22 Clasificacioacuten de motores 11
221 Motores eleacutectricos 11
222 Motores teacutermicos 12
223 Motores hiacutebridos 12
224 Motores de combustioacuten externa 13
23 Motores de combustioacuten interna 14
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna 15
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna 16
24 Conceptualizacioacuten de la biela 16
241 Elementos de una biela 17
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela 18
243 Fallas en las bielas del motor 19
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IV
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten 19
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal 21
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes 22
271 Clasificacioacuten de los cojinetes 23
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos 25
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos 25
29 Sistema de encendido 27
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa 27
292 Ventajas de la inyeccioacuten directa 28
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa 28
294 Descripcioacuten del proceso de encendido 29
495 Componentes del sistema de encendido 30
210 Sobrecalentamiento 30
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor 32
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor 33
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor 33
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico 34
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA 36
31 Enfoque de la investigacioacuten 36
32 Alcance de la investigacioacuten 37
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis 38
34 Disentildeo de la investigacioacuten 39
35 Seleccioacuten de la muestra 40
36 Recoleccioacuten de datos 41
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos 42
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS 43
41 Generalidades 43
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T 44
421 Aplicaciones del 18T 44
43 Anaacutelisis de datos 45
431 Anaacutelisis cinemaacutetico 45
432 Anaacutelisis cineacutetico 48
433 Anaacutelisis termodinaacutemico 50
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
V
434 Temperatura real de combustioacuten 59
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten 64
44 Simulacioacuten 66
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN 70
51 Conclusiones relativas a los objetivos 70
52 Aportaciones originales 72
53 Recomendaciones para futuros estudios 72
REFERENCIAS 74
ANEXOS 80
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS 91
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VI
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 1Estado del arte 9
Figura 2 Motor eleacutectrico 11
Figura3 Motor hiacutebrido 12
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas) 13
Figura 5 Motor de combustioacuten interna 14
Figura 6Biela 17
Figura 7 Partes de la biela 18
Figura8 Pistoacuten 19
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela 20
Figura 10Ciguentildeal 21
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal 22
Figura 12Cojinetes 22
Figura 13Cojinetes de friccioacuten 24
Figura 14Cojinetes de rodamiento 24
Figura 15Motor de cuatro tiempos 25
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos 26
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa 27
Figura18 Sistema de encendido 29
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo 36
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna 43
Figura 21VW Golf 44
Figura 22 Nomenclatura 45
Figura 23 Desplazamiento 46
Figura 24Velocidad del pistoacuten 47
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten 47
Figura 26Fuerzas alternativas 48
Figura 27 Fuerzas en la biela 49
Figura 28Diagrama par-motor 49
Figura 29Par-motor de explosioacuten 50
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen 51
Figura 31 Eficiencia teacutermica 53
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor 55
Figura 33Modelo de malla 66
Figura 34Distribucioacuten de temperatura 67
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural 67
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela 68
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela 68
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela 69
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VII
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Conceptualizacioacuten de variable 39
Tabla 2 Caracteriacutesticas del motor 40
Tabla 3 Porcentaje de composicioacuten quiacutemica del acero usado 41
Tabla 4 Tratamiento teacutermico y propiedades mecaacutenicas 41
Tabla 5 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica 56
Tabla 6 Valores de entalpiacutea para mezcla pobre 57
Tabla 7 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica 57
Tabla 8 Valores de entalpiacutea para mezcla rica 58
Tabla 9 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla teoacuterica real 60
Tabla 10 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica real 61
Tabla 11 entalpia de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla pobre real 62
Tabla 12 Valores de entalpiacuteas para mezcla pobre real 62
Tabla 13 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica real 64
Tabla 14 Valores de entalpiacuteas para mezcla rica real 64
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VIII
RESUMEN
Esta investigacioacuten es de tipo y alcance exploratorio descriptivo correlacional y explicativo con un
enfoque mecaacutenico y cuantitativo Que tiene la finalidad de identificar las fallas en una biela que es
una parte moacutevil de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido
por chispa (ECH) accionado con octano Mediante el anaacutelisis del comportamiento teacutermico y
estructural del objeto de estudio de esta investigacioacuten con base en los tres posibles diagramas para
mezclas de aire combustible estequiomeacutetrica rica y pobre y mediante el anaacutelisis de transferencia
de calor por conveccioacuten se determina el coeficiente correspondiente para cuando la biela es
sometida a sobrecalentamiento Subsecuentemente se realizaron los anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico
con base caracteriacutesticas del motor VW Golf MK4 Gti 18T utilizando el software de MATLAB
Posteriormente se generoacute la geometriacutea de la biela con dimensiones reales en el software
SOLIDWORKS por uacuteltimo se simulo el comportamiento y reaccioacuten la biela tanto para un flujo
teacutermico transitorio como estructural en ANSYS Los resultados obtenidos muestran que los
esfuerzos y deformaciones en la biela en comparacioacuten con los liacutemites de cedencia del material se
encuentran dentro de los liacutemites permisibles ademaacutes de la identificacioacuten de los puntos vulnerables
a una posible falla o fractura
Palabras clave biela motor de combustioacuten interna sobrecalentamiento termo-estaacutetico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IX
ABSTRACT
This research is of type and scope exploratory descriptive correlational and explanatory with
a mechanical and quantitative approach Which has the purpose of identifying the faults in a
connecting rod that is a moving part of a four-stroke internal combustion engine and four cylinders
ignition by spark powered by octane When analyzing the thermal and structural behavior of the
object of study of this research based on the three possible diagrams for combustible air mixtures
stoichiometric rich and poor and by analysis of heat transfer by convection the corresponding
coefficient is determined for when the connecting rod is subjected to overheating Subsequently
kinetic and kinematic analyzes were performed based on the characteristics of the VW Golf MK4
Gti 18T engine using the MATLAB software Following the geometry of the connecting rod with
real dimensions was generated in the SOLIDWORKS software Finally the behavior and reaction
of the connecting rod were simulated both for transient and structural thermal flow in ANSYS
The results obtained show that the efforts and the deformations in the connecting rod in
comparison with the performance limits of the material are within the permissible limits in
addition to the identification of the vulnerable points before a possible failure or fracture
Keywords connecting rod internal combustion engine overheating thermo-static
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
1
INTRODUCCIOacuteN
Los motores de combustioacuten interna son los maacutes usados en los automoacuteviles los cuales en
ocasiones presentan fallas mecaacutenicas tan diversas como la cantidad de componentes del motor
Diferentes autores han determinado dentro de la diversidad de problemas relacionados con la biela
del motor los siguientes la fatiga el pasador que conecta a la biela del pistoacuten el cual recibe una
gran cantidad de desgaste el motor revolucionado el agua que ingresa al cilindro del motor en el
momento de la chispa la cual puede ocasionar que la biela se doble y deformaciones de la biela por
sobrecalentamiento por ello es importante que el sistema de lubricacioacuten se encuentre en buen
estado Asociado a esto es importante que se verifique el tratamiento teacutermico de los ciguumlentildeales de
tal forma que se tenga una resistencia adecuada Que en caso de presentarse alguno de estos
problemas la reparacioacuten del motor implica no solo la reposicioacuten de la biela sino de todas las piezas
afectas e incluso el cambio o restitucioacuten completa del motor
1 Planteamiento del problema
Preferentemente cuando se realiza la reparacioacuten de un motor de auto se debe comprobar el
estado de todas las piezas moacuteviles y fijas antes de la realizacioacuten de un trabajo de verificacioacuten pero
en la mayoriacutea de ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa revisioacuten de su estado
Una biela es un elemento fundamental en el funcionamiento de un motor ya que trasforma la
energiacutea quiacutemica generada por la combustioacuten en una energiacutea cineacutetica siendo el enlace entre la
absorcioacuten de la energiacutea mecaacutenica por lo que la biela es el elemento maacutes tensionado de un motor
y su correcto disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes Por lo anterior la biela es robusta en su
disentildeo pero a la vez debe ser lo maacutes ligera posible para reducir la inercia y soportar los esfuerzos
mecaacutenicos a los que se encuentra sometida [1]
La biela soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del
ciguumlentildeal hacia arriba un trabajo realmente duro el que realiza la biela Se construye de acero
forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al material aguantar ese inmenso
trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta conseguir la forma de la biela
[2]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
2
Asociado a esto al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentan desgastes excesivos y prematuros los cuales pueden ocasionar una falla es por esto
importante considerar un buen sistema de lubricacioacuten durante el funcionamiento del motor La
temperatura en la caacutemara de combustioacuten debe ser superior a los 2000 degK siendo eacutesta una
temperatura instantaacutenea pues disminuye durante el tiempo de expansioacuten y escape de gases Es por
lo tanto necesario disipar el calor producido en la explosioacuten y si el sistema no funciona
correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como consecuencia
deformaciones importantes por sobrecalentamiento [3]
Una biela arqueada o retorcida sobre su eje provoca un ruido en el motor y este arqueamiento es
ocasionado por un diaacutemetro excesivo en el pie o cabeza de la biela o por un peso inadecuado del
elemento [4] En la rectificacioacuten de un motor de combustioacuten interna se rectifican 21 brazos de biela
en un mes lo que significa que estos elementos no son cambiados ya que los brazos de biela estaacuten
disentildeados para tener una vida infinita y estaacute sometido a millones de repeticiones de ciclos de carga
[5]
Es pertinente mencionar que con relacioacuten a las fallas mecaacutenicas de los motores relacionadas a la
biela de un motor se han encontrado investigaciones realizadas en diversos paiacuteses como Ecuador
Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico las cuales se detallan en apartados posteriores Que
conjuntamente a la constante evolucioacuten tecnoloacutegica de la ingenieriacutea en general y el disentildeo
mecaacutenico en particular se decidioacute analizar cuaacuteles son los factores que influyen en el
comportamiento de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) Se
plantea entonces el siguiente problema de investigacioacuten
iquestCuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor de VW1 Golf MK4 Gti
18 T
1 Propoacutesito de la investigacioacuten
El propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar y analizar el comportamiento
termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) que
1 VW Agencia de Autos VolksWagen
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
3
es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico La finalidad es identificar las
fallas de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros
encendido por chispa accionado por gasolina que sirva de apoyo para el buen funcionamiento de
la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten
Frecuentemente la reparacioacuten de un auto depende del cuidado y buen mantenimiento que se deacute
al vehiacuteculo caso contrario esto va influir en el desgaste anticipado de los elementos fijos y moacuteviles
de un motor Ademaacutes en muchas ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa
revisioacuten de su estado o de un anaacutelisis de sus propiedades mecaacutenicas Por tales razones la
justificacioacuten de la presente investigacioacuten estaacute basado en diferentes aspectos los cuales se describen
a continuacioacuten
Conveniencia Reparar el motor tiene varias fases y las fallas tienen diferentes consecuencias
por lo cual hay que hacer un buen diagnoacutestico en cada una de sus piezas principalmente en las
bielas sin embargo no se conoce especiacuteficamente cuales son los problemas que origina la
falla de esta pieza El resultado esperado para la presente investigacioacuten seraacute realizar un anaacutelisis
termo-estaacutetico que permitiraacute identificar los esfuerzos y deformaciones para tomar decisiones
acertadas y precauciones de riesgo que puede generar el sobrecalentamiento del motor
Implicacioacuten praacutectica El analizar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un
motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa
permitiraacute determinar la fuerza axial para posteriormente identificar la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica Con estos datos junto con la simulacioacuten de la geometriacutea estaacutetica y
estructural de la biela permitiraacuten identificar posibles deformaciones Los resultados podraacuten
confirmar su aplicabilidad ya que ayudaraacuten a tomar precauciones importantes para que el
motor tenga un excelente funcionamiento evitando riesgos fatales que pueden extenderse a la
destruccioacuten total del motor Se evidenciaraacute la necesidad de maacutes investigaciones destacaacutendose
los beneficios de la simulacioacuten poniendo en evidencia su relevancia social y su practicidad
Finalmente este estudio participa en el avance positivo en el campo de la ingenieriacutea mecaacutenica
Relevancia Social Al tener una posible solucioacuten aproximada mediante el anaacutelisis del
elemento finito el anaacutelisis estructural de la fuerza sobre la biela y la realizacioacuten de la
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
4
simulacioacuten para esfuerzos y deformaciones se podraacuten tener productos de calidad a menor
costo mejorar los procesos existentes y tambieacuten estudiar fallos de un componente estructural
o un equipo teniendo un impacto positivo debido a que permitiraacute que el motor de combustioacuten
interna tenga menos dantildeos
Valor Teoacuterico La elaboracioacuten del trabajo de investigacioacuten traeraacute como beneficio
herramientas metodoloacutegicas para estudios relacionados con las ciencias exactas
contribuyendo con aportes significativos a la aplicacioacuten de la teoriacutea de motores de combustioacuten
interna lo que permitiraacute el enriquecimiento de la ingenieriacutea mecaacutenica
3 Objetivos
31 Objetivo general
Analizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor VW Golf MK4
Gti 18T
32 Objetivos especiacuteficos
Identificar el comportamiento termo - estaacutetico de la biela en un motor de combustioacuten interna
de 4 tiempos y 4 cilindros encendido por chispa
Determinacioacuten de la fuerza axial que actuacutea en una biela en un motor VW Golf MK4 Gti 18T
Obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiomeacutetrica
Identificar posibles deformaciones de la biela con base en la simulacioacuten de su geometriacutea
estaacutetica y estructural
Elaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de un motor VW Golf MK4 Gti 18T
4 Alcances
La investigacioacuten se realizoacute en una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos
y cuatro cilindros encendido por chispa
Se trabajaron las etapas de anaacutelisis termo - estaacutetico y determinacioacuten de la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica dentro de la caacutemara del cilindro
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
5
Para la realizacioacuten de estas etapas se utilizoacute el software SolidWorks para generar la geometriacutea
real de la biela Se utilizoacute asiacute mismo ANSYS para la simulacioacuten estaacutetica estructural para
identificar esfuerzos y deformaciones de la biela
5 Organizacioacuten del estudio
El desarrollo de esta investigacioacuten comprende cinco capiacutetulos los cuales se describen a
continuacioacuten
Capiacutetulo 1 Estado del Arte la descripcioacuten de las investigaciones relacioacuten a las fallas
mecaacutenicas de los motores relacionadas a la biela de un motor relacionadas en diversos paiacuteses
como Ecuador Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico
Capiacutetulo 2 Marco Teoacuterico se desarrolla inicialmente el marco conceptual sobre las bielas los
componentes de las bielas anaacutelisis estaacutetico y teacutermico motor de combustioacuten haciendo eacutenfasis en
el disentildeo mecaacutenico de una biela
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea se abordan los aspectos metodoloacutegicos de la investigacioacuten como son
enfoque alcance formulacioacuten de hipoacutetesis disentildeo seleccioacuten de la muestra recoleccioacuten de datos
y el procesamiento y anaacutelisis de datos
Capiacutetulo 4 Anaacutelisis e interpretacioacuten de Resultados se analizan e interpretan los resultados
obtenidos en las pruebas de simulacioacuten
Capiacutetulo 5 Conclusiones y Recomendaciones se presentan las conclusiones
recomendaciones y aportaciones de la experiencia adquirida durante la investigacioacuten realizada
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
6
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE
Como ya se mencionoacute anteriormente el propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar
y analizar el comportamiento termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa (ECH) que es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico
Y con la finalidad de identificar las fallas de la biela y que estos resultados sirvan de apoyo para el
buen funcionamiento de la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
Resultado de la buacutesqueda sobre las investigaciones relacionadas con el propoacutesito de esta
investigacioacuten Se encontroacute que en Ecuador Reyes Cantildeizares y Villacres [6] realizaron un estudio
el cual consistioacute en analizar un brazo de biela de un motor que ha alcanzado el kilometraje
necesario para una reparacioacuten y no presenta ninguna falla en su estructura y comparar los
resultados con el brazo de una biela nueva Para desarrollar este anaacutelisis realizaron un ensayo de
traccioacuten bajo la norma ASTM con el fin de obtener los valores del liacutemite de fluencia y la resistencia
a la traccioacuten del material del que estaacute hecho el elemento A partir de los resultados obtenidos los
valores praacutecticos de las propiedades mecaacutenicas de los brazos de biela cumplen con los datos
teoacutericos del tipo de material del cual estaacuten fabricadas A su vez se demostroacute que el brazo de biela
de un vehiacuteculo con un recorrido de 1197599 km mejoroacute su estructura y sus propiedades
mecaacutenicas debido a la temperatura de los ciclos de trabajo del motor que van entre los 800 y 950
degC Los resultados mostraron que las propiedades mecaacutenicas del elemento mejoraron con el tiempo
y con la temperatura de funcionamiento del motor debido al tratamiento teacutermico de normalizacioacuten
A partir de los anaacutelisis realizados se determinoacute que el brazo de biela usado se encuentra en
condiciones oacuteptimas para ser utilizado en una reparacioacuten de motor asegurando asiacute el adecuado
funcionamiento y evitando el reemplazo del elemento lo que dio como resultado un ahorro
econoacutemico
Estudios elaborados en Brasil por Valdeacutez et al [7] indican que los motores de combustioacuten
interna son los maacutes usuales en los automoacuteviles y sirven para producir fuerza Entre los problemas
que se han encontrado son las fallas de las bielas relacionadas con otras fallas y especiacuteficamente
de los ciguumlentildeales los cuales fueron analizados dando un incorrecto rectificado de los muntildeones
produciendo alta generacioacuten de calor sobre las superficies en contacto originando pequentildeas fisuras
por fatiga teacutermica El valor de dureza promedio obtenido del nuacutecleo del ciguumlentildeal fue de 26 puntos
en la escala Rockwell C que equivale aproximadamente a 255 puntos en la escala Brinell y a una
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
7
resistencia de 85 kgmm2 Se concluye que el tratamiento teacutermico de bonificado realizado sobre el
ciguumlentildeal se desarrolloacute fuera de las normas obtenieacutendose una resistencia menor al liacutemite miacutenimo
recomendado De los resultados del anaacutelisis metalograacutefico se pudo identificar la presencia de
austenita retenida cuya proporcioacuten afecta inversamente la dureza y la resistencia final En los
resultados que se obtuvieron los autores mencionan que es necesario realizar un tratamiento
teacutermico de endurecimiento superficial como la nitruracioacuten Tambieacuten recomiendan estudiar la
bitaacutecora del tratamiento teacutermico utilizado en la produccioacuten del ciguumlentildeal con el fin de identificar
la etapa del tratamiento teacutermico que presenta el problema [8]
De igual forma indagaciones elaboradas en Argentina por Cravino et Al [9] mencionan que
existen diversos problemas cuando llegan a tener fallas las bielas de un motor por lo que los
autores mencionan que analizaron las dificultades desde el punto de vista dimensional metaluacutergico
y mecaacutenico a fin de determinar las causas probables de dichas fallas Seguacuten los resultados
obtenidos el material de la biela corresponde a un acero del tipo SAE 1141 que no concuerda con
el requerido por el fabricante No se encontraron defectos microestructurales o superficiales en el
material asociados con la falla La superficie de fractura presenta un comienzo deacutebil que finaliza
con las caracteriacutesticas fibrosas de un proceso duacutectil La causa probable de la falla del componente
se atribuye a una sobrecarga que produjo superacioacuten en el liacutemite elaacutestico del material y que
posteriormente dio lugar al pandeo plaacutestico del componente variando su geometriacutea y
fracturaacutendose totalmente Esta falla se debioacute a que el elemento estuvo sometido a un esfuerzo
mayor al que corresponderiacutea en condiciones normales de funcionamiento
Estudios realizados en Espantildea por Gonzaacutelez [10] mencionan que la naturaleza de las fuerzas que
afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de inercia En la
investigacioacuten sobre el disentildeo de una biela el autor utilizoacute el software de aplicacioacuten Working Model
que ayudoacute para el anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico mediante la simulacioacuten La finalidad fue calcular
las fuerzas aplicadas en la cabeza y el pie de la biela para posteriormente hacer un anaacutelisis de
elementos finitos que definieran los esfuerzos En los resultados obtenidos se logroacute disminuir la
longitud de la biela la cual permitioacute compactar maacutes el motor y reducir su peso De esta forma el
consumo y las emisiones del motor seraacuten menores que es uno de los grandes objetivos actualmente
de la industria automoviliacutestica Al realizar la simulacioacuten para el pandeo de la biela se aplicoacute un
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
8
valor de α2=2 obteniendo una carga criacutetica de pandeo de 3799522 N por lo que la carga para
evitar el fenoacutemeno de pandeo es σpandeo3 = 15663 MPa Con estos datos el autor afirma que la
biela no va a sufrir pandeo en ninguacuten caso considerando ademaacutes que el cuerpo estaacute
sobredimensionado
Aunado a lo anterior investigaciones realizadas en Meacutexico por Espinoza indican que las fallas
de los autos se deben al kilometraje recorrido de los cuales causan desgastes inevitables para el
motor provocando todo tipo de fallas incluyendo los de las bielas Los propietarios de los
vehiacuteculos necesitan por lo tanto recurrir a expertos que reparen los vehiacuteculos y garanticen su
funcionamiento [11] En el Estado de Meacutexico en especial en la zona de Texcoco se cuenta con
talleres que se encargan de la reparacioacuten de vehiacuteculos en general Eacutestos aun cuando ofrecen el
servicio de reparacioacuten de motores no trabajan directamente con este tipo de especiacutefico de
reparacioacuten sino que acuden a talleres especializados en rectificacioacuten para remediar los dantildeos
internos en los mismos Muchas veces no se dedican a la reparacioacuten de fallas de bielas debido a
que existen muchos factores que influyen en este tipo de descompostura En los motores la
principal fuente de energiacutea es la gasolina que es el combustible empleado con mayor frecuencia
por lo tanto es importante la calidad de ella para el oacuteptimo funcionamiento [12]
De igual forma Riesco et al [13] en estudios realizados en Hidalgo para comparar los modelos
de transferencia de calor y duracioacuten de la combustioacuten en el comportamiento de los ciclos
termodinaacutemicos de los motores de combustioacuten interna alternativos Dentro de los resultados
obtenidos los autores mencionan que los ciclos de aire estaacutendar con leyes de quemado permiten
tener resultados maacutes aproximados a los reales que los ciclos teoacutericos de aire estaacutendar Esto se debe
principalmente a que con los meacutetodos de simulacioacuten se toman en cuenta las peacuterdidas de energiacutea
por refrigeracioacuten y no se supone que la adicioacuten de calor se realice a presioacuten o volumen constante
sino que su velocidad se controla mediante expresiones empiacutericas Los resultados muestran que la
eleccioacuten tanto del modelo de transferencia de calor como el de la duracioacuten de la combustioacuten es
muy subjetiva y debido a que los sistemas de los motores se cambian contantemente se deberaacuten
ajustar las constantes que aparecen en dichos modelos para cada motor en particular
2 Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente a PMS 3 Inestabilidad elaacutestica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos y que se manifiesta por la aparicioacuten de
desplazamientos importantes transversales a la direccioacuten principal e compresioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
9
Figura 1Estado del arte
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
10
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
Un auto estaacute compuesto por diferentes piezas entre las cuales se encuentran filtro de aire
carburador distribuidor bomba de gasolina bobina de encendido filtro de aceite bomba de aceite
caacuterter aceite lubricante toma de aceite cables de alta tensioacuten de bujiacuteas bujiacutea balanciacuten muelle de
vaacutelvula vaacutelvula de escape vaacutelvula de admisioacuten lumbrera de admisioacuten caacutemara de combustioacuten
varilla empujadora aacuterbol de levas aros de pistoacuten pistoacuten biela buloacuten ciguumlentildeal muacuteltiple de escape
refrigeracioacuten del motor varilla medidora de aceite volante y motor de arranque
21 Conceptualizacioacuten del motor
La palabra motor proviene del latiacuten motoris que significa mover y en lo que se refiere a
automoacuteviles estos se encuentran disentildeados por varios elementos entre los cuales se encuentran los
motores el cual da vida a un auto sin eacutel no hay movimiento Un automoacutevil utiliza una fuente de
energiacutea mecaacutenica para poder moverse la cual se obtiene mediante una transformacioacuten de otros tipos
de energiacutea dentro del motor como la eleacutectrica de combustioacuten o la combinacioacuten de ambas
Seguacuten Renzo [14] el motor de un auto es un motor de combustioacuten interna el cual obtiene energiacutea
mecaacutenica desde la energiacutea quiacutemica que se genera cuando explota el combustible en el interior El
motor estaacute formado por un conjunto de caacutemaras de combustioacuten llamadas cilindros dentro de las
cuales se producen sus cuatro tiempos de funcionamiento admisioacuten compresioacuten explosioacuten y
escape
Para Fersainz [15] un motor es una maacutequina que convierte el calor producido por la explosioacuten
(en el caso de los de gasolina) o la combustioacuten (en el caso de dieacutesel) del combustible en un
movimiento con suficiente fuerza para que las ruedas giren y el vehiacuteculo pueda desplazarse El
autor menciona que en los motores convencionales los autos se ponen en movimiento debido a
una chispa que se genera en la mezcla de vapor de combustible y aire comprimido dentro de un
cilindro sellado haciendo que la mezcla se queme raacutepidamente y proporciona energiacutea
Se puede concluir que un motor es una maacutequina compuesta por varios elementos el cual puede
proporcionar energiacutea utilizando alguacuten tipo de combustible para que tenga un funcionamiento
adecuado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
11
22 Clasificacioacuten de motores
Existen diferentes tipos de motores entre los cuales se encuentran los eleacutectricos los teacutermicos
eacutestos se subdividen en motores de combustioacuten externa e interna y los hiacutebridos Los cuales se
describen a continuacioacuten
221 Motores eleacutectricos
En este tipo de autos el combustible utilizado es la electricidad Eacutesta se convierte en energiacutea
mecaacutenica mediante una interaccioacuten entre campos magneacuteticos opuestos generados por imanes y un
conductor de electricidad Debido a una constante atraccioacuten y repulsioacuten magneacutetica entre ellos se
produce una rotacioacuten continua dentro del motor generando energiacutea necesaria para el movimiento
del vehiacuteculo [16] La figura 2 muestra un motor eleacutectrico
Para Enriquez [17] los motores eleacutectricos representan los caballos de batalla de la industria y
del movimiento en general Su uso se da ademaacutes en hospitales escuelas edificios de oficinas y
centros comerciales en donde se usan para aplicaciones en suministro de agua calefaccioacuten
enfriamiento y muchas otras rutinas de trabajo Estos motores son usados en los automoacuteviles
modernos aunque son maacutes complejos que el simple cableado eleacutectrico y se usan en casi todos los
aspectos operativos del automoacutevil [18]
Un motor eleacutectrico transforma la energiacutea eleacutectrica en energiacutea mecaacutenica para impulsar el
funcionamiento de una maacutequina [19]
Figura 2 Motor eleacutectrico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
12
Se puede concluir que un motor eleacutectrico es una maacutequina que tiene la capacidad de transformar
energiacutea eleacutectrica en mecaacutenica de tal forma que permita el movimiento de un vehiacuteculo Su tamantildeo
y su volumen es reducido y su potencia puede ser alta
222 Motores teacutermicos
Los motores teacutermicos son maacutequinas que tienen por objeto transformar energiacutea caloriacutefica en
energiacutea mecaacutenica directamente utilizable [20] Eacutestos se clasifican en motores de combustioacuten
externa y motores de combustioacuten interna los cuales se describen en las secciones 224 y 23
respectivamente
223 Motores hiacutebridos
Un sistema hiacutebrido se basa en una fuente de combustioacuten interna de gasolina combinado con un
motor eleacutectrico para propulsar el vehiacuteculo tal como se visualiza en la figura 3
Este tipo de motor reduce las emisiones y aumenta la eficiencia de combustible Los vehiacuteculos
hiacutebridos utilizan la energiacutea mucho maacutes eficientemente que los sistemas de gasolina convencionales
[19] Se denomina motor hiacutebrido a un vehiacuteculo en el cual la energiacutea eleacutectrica que lo impulsa
proviene de bateriacuteas y de un motor de combustioacuten interna que mueve un generador Entre sus
ventajas se encuentran 1) su autonomiacutea ya que eacutesta depende del combustible almacenado en el
tanque 2) tiene un alto y uniforme rendimiento incluso a bajas temperaturas 3) el motor de
combustioacuten interna funciona bajo un estrecho margen de carga y velocidad lo que incrementa su
eficiencia [21]
Figura3 Motor hiacutebrido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
13
Para Chang [22] un motor hiacutebrido es aquel que combina un motor de combustioacuten interna y un
motor eleacutectrico los cuales tienen una mayor eficiencia energeacutetica y esto se debe a que este tipo de
motores son maacutes pequentildeos y por lo tanto consumen poca energiacutea
Por lo expuesto anteriormente se puede decir que un motor hiacutebrido es aquel que tiene una
combinacioacuten de un motor de combustioacuten interna y un motor eleacutectrico Esta combinacioacuten optimiza
su funcionamiento para un mejor rendimiento
224 Motores de combustioacuten externa
En la figura 4 se muestra un ejemplo de motor de combustioacuten externa Al igual que los motores
de combustioacuten interna son motores teacutermicos en los cuales el motor alcanza un estado teacutermico
mayor mediante la transmisioacuten de energiacutea teacutermica [23]
Su principal funcioacuten es hacer trabajo mecaacutenico a expensas de la expansioacuten y contraccioacuten de un
gas en un recinto cerrado El motor cuenta con un desplazador que hace que el gas pase de la zona
friacutea a la zona caliente y luego a la zona friacutea nuevamente producieacutendose consecuentemente su
tendencia a la expansioacuten y su posterior contraccioacuten [24]
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
14
Los motores de combustioacuten externa seguacuten Meza [24] son maacutequinas que realizan una conversioacuten
de energiacutea caloriacutefica en energiacutea mecaacutenica El rendimiento teacutermico de estos los motores se ve
limitado por varios factores principalmente por la peacuterdida de energiacutea por la friccioacuten y la
refrigeracioacuten
23 Motores de combustioacuten interna
Un motor de combustioacuten interna es un motor teacutermico en el cual se produce una combustioacuten del
fluido del motor transformando la energiacutea quiacutemica en teacutermica a partir de la cual se obtiene energiacutea
mecaacutenica Un ejemplo de este tipo de motor se aprecia en la figura 5
Estos motores tienen como principal fuente de energiacutea la gasolina Eacuteste es el combustible
empleado con mayor frecuencia por lo que es importante su calidad para un oacuteptimo
funcionamiento Un buen combustible debe tener un octanage aceptable ya que la gasolina debe
explotar dentro del cilindro para generar el movimiento del pistoacuten [26]
Este tipo de motores transforma el calor generado por el combustible ya sea dieacutesel o gasolina
en movimiento mecaacutenico del automoacutevil Durante este proceso el oxiacutegeno del aire se mezcla con el
combustible y hace que este uacuteltimo explote (en el caso de la gasolina) generando gases cuya fuerza
de expansioacuten teacutermica acciona sobre el pistoacuten que a su vez empuja el ciguumlentildeal y hace que eacuteste
ponga en movimiento las ruedas del automoacutevil [28]
Figura 5 Motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
15
Seguacuten Creus [29] un motor de combustioacuten interna utiliza la energiacutea interna del combustible para
que el motor realice un trabajo Dichos motores son ampliamente utilizados como fuentes de
alimentacioacuten en lugares de difiacutecil acceso Sin embargo los motores de combustioacuten interna de
dieacutesel tienen un rango de fallo por cada antildeo de explotacioacuten de entre 25 a 50
Se conoce como motores de combustioacuten interna (o endoteacutermicos) alternativos a cualquier tipo de
maacutequinas que a partir de energiacutea quiacutemica sean capaces de convertirla y obtener energiacutea mecaacutenica
para su uso El arranque de los motores se lleva a cabo en su caacutemara interna y sucede al momento
de ser encendido [20]
El motor de combustioacuten interna es la unidad energeacutetica y motriz de los medios de transporte
maacutequinas y equipos que se utilizan en actividades de diversas ramas de la economiacutea [30]
Se puede decir que un motor de combustioacuten interna es aquel que es capaz de convertir la energiacutea
quiacutemica en mecaacutenica para que se pueda utilizar de manera oacuteptima
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna
La clasificacioacuten de los motores puede ser extensa esto debido al disentildeo y mecanismos
mecaacutenicos A continuacioacuten se describen algunas clasificaciones
Respecto a la forma de los cilindros Su distribucioacuten puede ser en ldquoVrdquo o ldquoen liacuteneardquo esto
depende de la cantidad de cilindros existentes los cuales van en funcioacuten de la potencia del
motor Normalmente los motores de automoacuteviles son de 4 o 6 cilindros distribuidos en ldquoVrdquo
Referente a la forma de refrigeracioacuten Pueden ser refrigerados por liacutequido que normalmente
es agua donde el calor es evacuado al radiador del auto Tambieacuten pueden ser refrigerados por
aire donde se necesita de un ventilador que ayude a circular el aire alrededor del motor
Concerniente a las caras de los pistones Los motores convencionales utilizan una cara activa
de los pistones que se conocen como pistones de simple efecto Son aquellos que se
encuentran en contacto con el fluido activo y recibe el impacto de la energiacutea quiacutemica De igual
forma existen motores que utilizan los pistones de doble efecto los cuales funcionan en dos
direcciones y usan dos cilindros con dos pistones y dos bielas conectados a su respectivo
ciguumlentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
16
Respecto a la presioacuten del aire a la caacutemara de combustioacuten En las maacutequinas convencionales
el aire de la atmoacutesfera entra directamente a la caacutemara y la presioacuten es la atmosfeacuterica Dichos
motores usan un comprensor que se encargan de comprimir el fluido antes de conducirlo al
interior del motor
Referente a la introduccioacuten de combustible a la caacutemara interna Se clasifican en motores
de inyeccioacuten y carburacioacuten en estos uacuteltimos se mezclan los fluidos operantes para
posteriormente introducirlo a la caacutemara por medio de una vaacutelvula reguladora
Concerniente al ciclo operativo Se refiere a la cantidad de operaciones que el fluido activo
ejecuta en el cilindro La duracioacuten del ciclo la mide el pistoacuten
Respecto al tipo de encendido Esta clasificacioacuten radica en el modo de encendido con el ciclo
termodinaacutemico con el que opera la maacutequina [28]
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna
Los elementos de un motor de combustioacuten interna son biela pistoacuten y ciguumlentildeal los cuales se
describen en los siguientes apartados
24 Conceptualizacioacuten de la biela
La biela es el elemento del motor encargado de transmitir al ciguumlentildeal la presioacuten de los gases que
actuacutea sobre el pistoacuten Es un elemento de difiacutecil lubricacioacuten y es una parte criacutetica del motor por lo
que su disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes [31] Por lo general las bielas se fabrican de acero
templado aunque en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio
[32] tal como se muestra en la figura 6
Para Morillo Ibaquingo amp Benavides [33] una biela es un elemento mecaacutenico que conecta el
pistoacuten al ciguumlentildeal Sirve ademaacutes para transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
transformando esta fuerza de lineal a rotativa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
17
Figura 6Biela
Para Alzalluacute [34] por o tro lado la biela se encuentra intercalada entre el pistoacuten y el ciguumlentildeal
Soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del ciguumlentildeal hacia
arriba Se construyen de acero forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al
material aguantar ese inmenso trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta
conseguir la forma de la biela Su cuerpo adopta una forma de ldquodoble Trdquo
Las bielas estaacuten sometidas en su trabajo a esfuerzos de compresioacuten traccioacuten y tambieacuten de flexioacuten
muy grandes y por ello se fabrican con materiales resistentes pero a la vez han de ser lo maacutes
ligeros posibles Generalmente estaacuten fabricadas de acero con silicio manganeso y cromo Son
perforadas es decir se les crea un conducto por donde circula el aceite bajo presioacuten desde la
cabeza hasta el pasador con el fin de lograr una buena lubricacioacuten [27]
241 Elementos de una biela
En la figura 7 como puede apreciarse estaacute conformada por el pie que es el extremo que va
unido al buloacuten que a su vez va enganchado en el ciguumlentildeal Este es el extremo maacutes pequentildeo de la
biela El Cuerpo es la zona central de la biela que debe soportar la mayor parte de los esfuerzos
pero al estar en continuo movimiento tambieacuten debe de ser ligero por ello se suele construir con
forma de doble T
La Cabeza igual que el Pie y Cuerpo es la parte que va unida al ciguumlentildeal A diferencia del pie la
cabeza va dividida en dos mitades una de ellas unida al cuerpo y la otra (sombrerete) separada de
eacuteste requirieacutendose dos tornillos para unirse a eacutel Estaacuten tambieacuten el casquillo o cojinete Tornillos
de dilatacioacuten y vaacutestago de biela Por lo general las bielas se fabrican de acero templado aunque
en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio [35]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
18
Figura 7 Partes de la biela
La biela es la pieza que estaacute encargada de transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela
Los metales de los que estaacuten hechas las bielas deben reunir diversas caracteriacutesticas las cuales se
describen a continuacioacuten
Resistencia a la fatiga La firmeza que recubre a la biela debe ser mayor que la presioacuten de la
carga dinaacutemica en la peliacutecula del aceite mayor de las cargas de explosiones en la caacutemara de
combustioacuten y mayor que las cargas por inercia de las masas rotantes
Conformidad El casquillo del metal de la biela debe tener la geometriacutea exacta para mantener
el aceite en un nivel consistente con la resistencia a la fatiga de la aleacioacuten
Compatibilidad Es la resistencia que tiene el material de las diferentes aacutereas de unioacuten
Resistencia a la corrosioacuten El lubricante debe tener un determinado grado de acidez que
corroeraacute la superficie del material por lo que el metal de la biela debe ser capaz de resistir lo
mejor posible este efecto
Incrustabilidad En el aceite de los motores se encuentran partiacuteculas de basura que la
superficie del metal de la biela debe ser capaz de aceptar con el menor dantildeo posible [36]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
19
243 Fallas en las bielas del motor
Existen diferentes circunstancias por las que puede fallar una biela en un motor entre las cuales se
encuentran
Fatiga Es una falla de las bielas rotas y aunque la estructura de las bielas de motor estaacute hecha
para resistir las altas fatigas producto de las altas revoluciones en el motor esto no duraraacute para
siempre
Pasador El pasador que conecta la biela al pistoacuten recibe una gran cantidad de desgaste Si
este pasador suelta la varilla de conexioacuten ya no estaraacute conectada al motor lo que resulta en un
problema para eacutel
Motor revolucionado Un motor revolucionado es la principal causa de falla de las varillas
de conexioacuten de los motores nuevos y de alto rendimiento
Agua en el motor Si entra mucha agua en el cilindro en el momento de la chispa la biela se
puede doblar o romper [37]
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten
El pistoacuten es el encargado de darle la fuerza generada por la explosioacuten a la biela para que ella
haga el resto y debido a los esfuerzos tanto de friccioacuten como de calor a los que estaacute sometido el
pistoacuten se fabrica con materiales muy resistentes al calor y al esfuerzo fiacutesico pero siempre
empleando materiales ligeros para aumentar su velocidad faacutecilmente y poder alcanzar regiacutemenes
de rotacioacuten elevados [38] Los pistones se fabrican de aluminio silicio niacutequel y magnesio [39] un
ejemplo de pistoacuten se muestra en la figura 8
Figura8 Pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
20
Seguacuten Gontildei amp Rojas [40] se denomina pistoacuten a uno de los elementos baacutesicos del motor de
combustioacuten interna Se trata de una pieza que se ajusta al interior de las paredes del cilindro
mediante aros flexibles llamados anillos Efectuacutea movimientos obligando al fluido que ocupa el
cilindro a modificar su presioacuten y volumen
Un pistoacuten estaacute constituido por partes cabeza arcos y cubos del perno La funcioacuten del pistoacuten es
cerrar y obturar la caacutemara de combustioacuten interna asiacute como recibir la fuerza causa en la combustioacuten
a traveacutes de la biela y transmitirla al ciguumlentildeal como fuerza de torsioacuten tambieacuten transmite el calor
producido por los gases de combustioacuten hacia las paredes del cilindro para que sean refrigeradas por
el lubricante El pistoacuten se desplaza raacutepidamente por el interior de los cilindros el cual tiene
segmentos los cuales consiguen la estanquidad necesaria entre el pistoacuten y las paredes del cilindro
De este modo se evita que parte del gas comprimido se escape hacia la parte inferior del motor Por
ese motivo el pistoacuten debe estar fabricado de un material ligero y resistente a la vez Atravesando el
pistoacuten se observa un orificio pasante A traveacutes de este orificio el pistoacuten se une a la biela por
mediacioacuten de un buloacuten de acero [41]
El pie de la biela es el que la une al pistoacuten por medio del buloacuten el cuerpo por su parte asegura la
rigidez de la pieza y la cabeza gira sobre el codo del ciguumlentildeal como puede apreciarse en la figura
9
Los pistones del motor mantienen un movimiento constante hacia arriba y hacia abajo mientras
que el ciguumlentildeal genera un movimiento circular de modo que el auto puede avanzar Los pistones
de un motor se mueven arriba y abajo por el ciguumlentildeal dentro de los cilindros en el motor Las
explosiones que ocurren en estos cilindros de empuje contra los pistones permiten llevarlos de
vuelta y comenzar el ciclo otra vez Los pistones estaacuten conectados al ciguumlentildeal para asegurar que se
mueva con ellos y mantener sus movimientos regulados [42]
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
21
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal
En la figura 10 se aprecia el ciguumlentildeal encargado de transformar el movimiento de la biela en
movimiento rotatorio o circular Junto con el pistoacuten y la biela se considera la pieza maacutes importante
del motor Es una pieza que ha de soportar grandes esfuerzos por eso se construye de materiales
muy resistentes para que puedan aguantar cualquier movimiento sin romperse
El ciguumlentildeal es un aacuterbol de transmisioacuten que junto con las bielas transforma el movimiento
alternativo en circular o viceversa Consiste en un conjunto de manivelas una de ellas llamada
muntildeequilla y dos brazos que acaban en el eje giratorio del ciguumlentildeal Los ciguumlentildeales se utilizan en
los motores de combustioacuten de los automoacuteviles donde el movimiento lineal de los pistones dentro
de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del ciguumlentildeal
que a su vez se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia El ciguumlentildeal
es un elemento estructural del motor [43]
Para Aacutelvarez [42] el ciguumlentildeal estaacute situado en el motor de un vehiacuteculo y convierte la fuerza creada
por los pistones del motor El ciguumlentildeal estaacute conectado a todos los pistones en el motor y el volante
En la figura 11 se puede observar la articulacioacuten de la biela el pistoacuten y el ciguumlentildeal donde el
movimiento es rotativo para su adecuado funcionamiento Estos tres elementos no pueden
funcionar en forma separada
Figura 10Ciguentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
22
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal
Debido a los impulsos provocados por los pistones se presentan diferentes vibraciones
determinadas por el nuacutemero de revoluciones las cuales pueden provocar la rotura del ciguumlentildeal y
ruido excesivo en el motor Su funcioacuten es impulsar la fuerza de cada uno de los cilindros a traveacutes
del mecanismo de las bielas Estaacuten fabricados con materiales de acero cementado templado y con
aleaciones de niacutequel y cromo Estos materiales permiten tener un tratamiento teacutermico
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes
Desde hace tiempo la ingenieriacutea automotriz se ha enfocado en el disentildeo y la fabricacioacuten de
superficies que permitan reducir la friccioacuten principalmente en los cojinetes [364546]
Los cojinetes son los encargados de unir la biela con el ciguumlentildeal para evitar que haya rozamiento
entre ellos y evitar peacuterdidas de potencia y averiacuteos Tienen forma de media luna tal como se aprecia
en la figura 12 y se colocan entre el ciguumlentildeal y la cabeza de las bielas Estos deben ser construidos
con gran precisioacuten pues cualquier mala elaboracioacuten puede impactar en el funcionamiento del
motor
Figura 12Cojinetes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
23
Seguacuten Suaacuterez [47] los cojinetes son punto de apoyo de ejes para sostener su peso guiarlos en su
rotacioacuten y evitar deslizamientos Van colocados directamente en el bastidor de la pieza y los
cojinetes trabajan en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal
De acuerdo con Suaacuterez Toro amp Veacutelez [48] los cojinetes son que piezas de metal que descansan
y giran en cualquier eje de un motor Son dispositivos que se colocan entre la porcioacuten fija y la
porcioacuten giratoria de un motor y sirven para reducir al miacutenimo la friccioacuten entre ambas Los cojinetes
se fabrican con pequentildeas esferas metaacutelicas sin embargo no garantizan una vida uacutetil extensa El
rendimiento de los cojinetes es afectado por las condiciones de velocidad materiales en contacto
temperatura lubricacioacuten tipo de carga entre otros
271 Clasificacioacuten de los cojinetes
Los cojinetes se clasifican por friccioacuten o deslizamiento y de rodamiento Eacutestos se explican a
continuacioacuten
Cojinetes de friccioacuten o deslizamiento El cojinete de friccioacuten estaacute compuesto por dos pistas
una interior y otra exterior Eacutestas tienen contacto directo por medio de deslizamiento o friccioacuten
La reduccioacuten del rozamiento se realiza seguacuten la seleccioacuten de materiales y lubricantes Los
lubricantes tienen la funcioacuten de crear una peliacutecula deslizante que separe los dos materiales o
evite el contacto directo Para Veacutelez [49] los cojinetes de friccioacuten son aquellas piezas que
entre mayor es la friccioacuten es maacutes difiacutecil el movimiento entre los dos objetos En el caso de
maacutequinas la friccioacuten ocasiona el desgaste de las piezas
Seguacuten Arias [50] los cojinetes de friccioacuten son puntos de apoyo de ejes y aacuterboles para sostener
su peso guiarlos en su rotacioacuten y evitar deslizamientos Van montados en soportes para
facilitar su montaje tal como se aprecia en la figura13 Mientras que para Espitia [51] es el
elemento mecaacutenico capaz de soportar los gorrones de los ejes giratorios que se caracteriza por
un reducido coeficiente de rozamiento asiacute como por la posibilidad de ser lubricado
constantemente Otra caracteriacutestica importante reside en el hecho de que el material del
cojinete debe ser maacutes blando que el eje para evitar el deterioro de eacuteste en el caso de una
lubricacioacuten defectuosa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
24
Figura 13Cojinetes de friccioacuten
Cojinetes de rodamiento Es un elemento mecaacutenico que reduce la friccioacuten entre un eje y las
piezas conectadas a eacuteste por medio de rodadura el cual sirve de apoyo y facilita su
desplazamiento Los elementos de rodadura pueden ser bolas o rodillos son piezas que
requieren facilitar la ejecucioacuten de rigurosos tratamientos teacutermicos para obtener piezas de gran
resistencia al desgaste y a la fatiga Se caracterizan por ser de escaso rozamiento sobre todo
en el arranque por tener mayor velocidad admisible y un menor consumo de lubricante Para
Meacuterida [52] los cojinetes de rodamiento son elementos mecaacutenicos que aseguran un enlace
moacutevil entre dos elementos de un mecanismo uno de los cuales se encuentra en rotacioacuten con
respecto al otro Su funcioacuten principal es la rotacioacuten relativa de dichos elementos bajo carga
con precisioacuten y con un rozamiento miacutenimo
Seguacuten Galicia [53] estos tipos de cojinetes estaacuten constituidos por dos anillos rodantes
separados entre siacute por unos cuerpos tambieacuten rodantes interpuestos entre eacutestos cuya forma
variacutea seguacuten su uso pudiendo ser de diferentes formas bolas rodillos ciliacutendricos agujas etc
En ellos el gorroacuten del aacuterbol y la superficie de rodadura del soporte estaacuten separados por
elementos rodantes de forma que con el giro del gorroacuten o del cojinete se genera un
movimiento de rodadura y no de deslizamiento tal como se muestra en la figura 14
Figura 14Cojinetes de rodamiento
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
25
Seguacuten Jaramillo [54] cerca de 40 de la energiacutea total transformada por un motor de combustioacuten
interna de un automoacutevil se disipa como trabajo de las fuerzas de friccioacuten La disminucioacuten de las
peacuterdidas por friccioacuten es un factor clave para lograr un mejor uso de los combustibles y la proteccioacuten
del medio ambiente El sistema anillo-pistoacuten-camisa responde por peacuterdidas equivalentes a 50 o
60 del total de las peacuterdidas por friccioacuten en un motor de estos
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos
En la figura 15 se puede observar la estructura baacutesica de un motor de cuatro tiempos el cuaacutel es
conocido por motor OTTO [55] Se usa como maacutequina motriz en automoacuteviles comerciales consta
de un ciclo de cuatro procesos los cuales se describen a continuacioacuten
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos
Como se mencionoacute anteriormente el ciclo consta de cuatro tiempos El primer tiempo
corresponde al de admisioacuten que es el momento que el pistoacuten estaacute en el punto maacutes alto conocido
como Punto Muerto Superior (PMS) Posteriormente la vaacutelvula de admisioacuten se abre y el propio
pistoacuten por el vaciacuteo que se crea dentro del cilindro aspira la mezcla (aire y combustible) hasta llegar
al punto maacutes bajo del cilindro del Punto Muerto Inferior (PMI)
El segundo tiempo se refiere a la compresioacuten donde el pistoacuten se encuentra en el punto maacutes bajo
(PMI) En este momento la vaacutelvula de admisioacuten se cierra y el pistoacuten empieza a ascender
comprimiendo la mezcla hasta llegar al punto maacutes alto del cilindro (PMS)
Figura 15Motor de cuatro tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
26
Respecto al tercer tiempo que concierne a la expansioacuten una vez que se ha comprimido la mezcla
la bujiacutea hace saltar una chispa y enciende la mezcla aumentando la presioacuten en el cilindro y
haciendo descender el pistoacuten hacia el punto maacutes bajo (PMI)
En el cuarto tiempo que corresponde al escape de gases es cuando el pistoacuten llega al punto maacutes
bajo (PMI) se abre la vaacutelvula de escape y el pistoacuten empieza a ascender empujando los gases
quemados hacia el exterior En el momento que llega al punto maacutes alto (PMS) la vaacutelvula de escape
se cierra En la figura 16 se muestra el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa basado en el ciclo Otto de cuatro tiempos o fases importantes admisioacuten
compresioacuten explosioacuten y escape [56]
Otto propuso cuatro principios del motor de cuatro tiempos que son maacuteximo volumen del
cilindro con miacutenima superficie de paredes maacutexima velocidad de trabajo posible maacutexima relacioacuten
de expansioacuten posible y maacutexima presioacuten posible al comienzo de la expansioacuten
En los motores de cuatro tiempos el pistoacuten sube y baja cuatro veces en el interior del cilindro
para realizar el ciclo completo La distribucioacuten se compone de vaacutelvulas que se abren y cierran
totalmente sincronizadas con el movimiento del pistoacuten Cuando el pistoacuten desciende el cilindro se
llena de aire y gasolina para lo cual la vaacutelvula de admisioacuten permanece abierta Posteriormente
despueacutes de producirse la explosioacuten en el interior del cilindro la vaacutelvula de escape se abre para que
los humos procedentes de la explosioacuten puedan salir hacia el tubo de escape del automoacutevil En este
tipo de motores se requiere de dos vaacutelvulas por cada cilindro
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
27
29 Sistema de encendido
El sistema de encendido es el encargado de encender la mezcla de aire y de combustible en el
momento que se requiera Para esta investigacioacuten el sistema de encendido es por inyeccioacuten directa
de gasolina o por chispa que son aquellos que inyectan la gasolina directamente dentro del cilindro
Este sistema permite un mayor control de la mezcla y por tanto del comportamiento del motor En
los motores de gasolina la mezcla se enciende gracias a la bujiacutea que proporciona una chispa lo
suficientemente potente como para comenzar la reaccioacuten El propio sistema de encendido tiene que
controlar el momento en el que la chispa ha de saltar para que se encienda la mezcla y sea lo maacutes
eficaz y factible posible La combustioacuten se realiza en el momento en que el pistoacuten estaacute en el punto
maacutes alto (PMS) de esta manera la mezcla se empieza a encender
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa
La caracteriacutestica principal de la inyeccioacuten directa de gasolina es que la mezcla se produce dentro
de la caacutemara de combustioacuten Durante la admisioacuten soacutelo entra aire por la (s) vaacutelvula (s) de admisioacuten
la gasolina es inyectada directamente en la caacutemara de combustioacuten por inyectores de alta presioacuten
[57] tal como se aprecia en la figura 17
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
28
292 Ventajas de la inyeccioacuten directa
Existen ventajas cuando se usa el encendido por chispa las cuales se describen a continuacioacuten
La gasolina se evapora directamente dentro del cilindro absorbiendo el calor del aire contenido
en eacuteste reduciendo la temperatura de la mezcla en la caacutemara de combustioacuten lo que disminuye
el riesgo de autoencendido e incrementa el rendimiento y la potencia
Ayuda a aumentar el rendimiento inyectando la gasolina directamente en el cilindro
Con respecto a la prevencioacuten del autoencendido la mayor contribucioacuten de la inyeccioacuten directa
de gasolina es cuando el motor trabaja en carga estratificada y por tanto no inflamable lo que
evita el autoencendido
Eficiencia en el periodo de admisioacuten debido a que soacutelo entra aire al cilindro inyectando la
gasolina despueacutes
Disminucioacuten del consumo de gasolina si se tiene poca gasolina el motor puede llegar a
funcionar esto permite que el motor aporte la energiacutea requerida con un aporte de gasolina
sustancialmente menor Esta disminucioacuten del consumo de gasolina disminuye tambieacuten de
emisiones de 1198621198742 Este contaminante es un producto del proceso de combustioacuten que soacutelo puede
reducirse disminuyendo el consumo de gasolina
Mejor rendimiento del motor debido a que la mezcla que se encuentra cerca de las paredes es
escasa y la temperatura de los gases de combustioacuten es mucho menor por lo que las peacuterdidas
por calor cedido a las paredes del cilindro tambieacuten se ven reducidas [58]
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa
Estos motores de encendido por chispa o inyeccioacuten directa tienen tambieacuten algunas desventajas
las cuales son
Se requiere de una bomba de alta presioacuten para proveer la gasolina a los inyectores con la
presioacuten requerida Eacutesta bomba toma la gasolina del depoacutesito y la alimenta regulando su presioacuten
de salida
Los inyectores deben ser aptos para resistir las altas presiones para inyectar gasolina
directamente en el cilindro y tambieacuten deben soportar las condiciones de la caacutemara de
combustioacuten tanto las altas temperaturas como las altas presiones derivadas de la combustioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
29
El sistema de encendido debe ser capaz de suministrar maacutes energiacutea debido a que el chorro de
gasolina puede impactar directamente con la bujiacutea mojaacutendola o la chispa apagarse debido a las
fuertes corrientes de aire y necesitar una segunda chispa
Se requiere de una sonda lambda de banda ancha que permita medir las variaciones en la carga
estratificada
Se necesita que la Unidad de Control de Motor (ECU) tenga mayor potencia de caacutelculo para
administrar las sentildeales que recibe y las salidas de control pues el motor tiene distintos modos
de operacioacuten y la ECU debe ser capaz de administrar las sentildeales que recibe para cada uno de
ellos y procesar las oacuterdenes en consecuencia
La cabeza del pistoacuten tiene que ser redisentildeada para que cuando el motor trabaja con carga
estratificada dirija la nube de mezcla rica en gasolina correctamente hacia la bujiacutea [59]
294 Descripcioacuten del proceso de encendido
Para encender el motor de gasolina se necesita una chispa entre los dos electrodos de la bujiacutea
para producir la temperatura necesaria para que la mezcla encienda para lo cual se requieren
tensiones muy altas En la figura 18 se aprecia que en el momento en que se pone en contacto la
llave de arranque se cierra el circuito y la bateriacutea comienza a entregar voltaje el cual es muy bajo
ya que corresponde a 12 voltios Para incrementarlo entre los electrodos de las bujiacuteas la bobina
con ayuda del ruptor consigue cambiar a 30000 voltios Esta tensioacuten es enviada al delco donde
se encuentra el distribuidor giratorio que reparte la tensioacuten a la bujiacutea correspondiente [60]
Figura18 Sistema de encendido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
30
495 Componentes del sistema de encendido
El sistema de encendido en motores de gasolina tiene los elementos que se describen a
continuacioacuten
Alternador es un dispositivo que se acciona directamente por el motor que se encarga de
generar corriente para cargar bateriacutea Al estar directamente accionado por el motor si se suben
las revoluciones del motor tambieacuten aumenta la corriente generada
Bateriacutea Es la encargada de suministrar la energiacutea eleacutectrica para que circule hacia la bujiacutea
Dicha energiacutea viene dada por la reaccioacuten quiacutemica del plomo y aacutecido sulfuacuterico
Bobina Se encarga de transformar la baja tensioacuten que proviene de la bateriacutea en una tensioacuten
alta para hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea la cual consta de dos filamentos
enrollados Cuando el primero recibe la corriente de la bateriacutea el ruptor interrumpe la corriente
que pasa por eacuteste entonces al filamento secundario se le induce una corriente maacutes alta capaz
de hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea y encender la mezcla
Ruptor Se encuentra situado dentro del distribuidor y se encarga de interrumpir
perioacutedicamente la corriente en el filamento primario de la bobina para que la corriente sea
inducida en el secundario Esta interrupcioacuten es en base a la apertura de dos contactos los cuales
son comandados por una leva accionado por y a la misma velocidad que el aacuterbol de levas
Distribuidor Es el encargado de repartir la alta tensioacuten a la bujiacutea en cada momento Va
centrado en el delco donde tambieacuten se situacutea el ruptor y los reguladores de encendido
Bujiacutea Es el elemento que se encarga de hacer saltar la chispa para que encienda la mezcla de
aire y gasolina Estaacute recubierta de un aislante para disipar el calor generado en la caacutemara de
combustioacuten ya que estaacute lsquoen contacto directo con las explosiones
210 Sobrecalentamiento
El sobrecalentamiento del motor es la condicioacuten en la cual la temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y si se mantiene mucho tiempo llega a producir dantildeos graves en el
motor como torceduras y roturas de vaacutelvulas brazos de biela soplado de empaques torceduras de
culatas roturas de pistones etc
El tiempo de calentamiento de los motores modernos es prolongado sobre todo cuando las
condiciones ambientales son desfavorables y cuando la calefaccioacuten del motor se enciende Durante
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
31
el calentamiento del motor la vaporizacioacuten del combustible se dificulta y el catalizador no funciona
a plenitud por esto la reduccioacuten del tiempo de calentamiento del motor es esencial Para lo cual es
necesario reducir el volumen de refrigerante la masa del motor mejorar el aislamiento del motor
emplear sistemas calentadores adicionales emplear una unidad electroacutenica de control para
manipular la termodinaacutemica del motor y de esta misma manera controlar el desempentildeo teacutermico
todas estas medidas serviraacuten para reducir el tiempo del calentamiento y ayudaraacuten a un mejor
funcionamiento del motor [61]
El sobrecalentamiento del motor puede ser causado por cualquier cosa que disminuya la
capacidad del sistema de refrigeracioacuten para absorber transportar y disipar el calor Por lo tanto
los motores pueden sobrecalentarse por una variedad de razones Algunas se deben a que el
termostato se encuentre en mal estado debido a que es una vaacutelvula que abre y cierra conforme se
encuentre la temperatura del motor Es decir el refrigerante del motor caliente pasa a traveacutes del
radiador cuando el termostato estaacute en posicioacuten abierta Cuando se encuentra en posicioacuten cerrada el
refrigerante se queda en el motor y raacutepidamente se calienta ocasionando un sobrecalentamiento
del motor
De igual forma el tener un radiador con fugas u obstrucciones conduce a elevadas temperaturas
del motor y sobrecalentamiento del mismo Asiacute como el tener mangueras con agujeros hace que se
produzcan fugas o se interrumpa el flujo del refrigerante Tambieacuten un ventilador con oscilacioacuten
libre y teniendo un aspa rota no puede mantener una velocidad adecuada lo que origina
sobrecalentamiento del motor
En los motores de combustioacuten interna modernos soacutelo una tercera aparte de la energiacutea interna se
convierte en trabajo uacutetil Las dos terceras partes restantes de la energiacutea se transforman en calor a
peacuterdida evacuadas por el sistema de escape el sistema de enfriamiento y calor radiado y rechazado
por conveccioacuten a traveacutes de las partes soacutelidas del motor El sobrecalentamiento durante el ciclo
completo del motor genera una distribucioacuten de energiacutea dentro de la caacutemara de combustioacuten En
general el calor se transporta hacia la culata la camisa los puertos de escape y el pistoacuten el cual
estaacute ligado a la biela la cual si tiene defectos acabaraacute por destruir el motor [61]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
32
Es por tanto importante estar pendiente de la temperatura a la cual estaacute trabajando el motor
debido a que un sobrecalentamiento puede provocar dantildeos serios empezando por la ruptura del
empaque la deformacioacuten de los cilindros y desgaste en los anillos Estaacuten tambieacuten los dantildeos en los
codos del ciguumlentildeal y la biela Esta uacuteltima ya que se encuentra sometida a fuerzas axiales de
compresioacuten convirtieacutendola en el elemento maacutes tensionado dentro del motor Estaacute ademaacutes expuesta
a cargas producto de la presioacuten generada en la caacutemara de combustioacuten y por la alta friccioacuten entre
los elementos deslizantes Al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentaraacuten desgastes excesivos y prematuros que pueden ocasionar una falla Si este sistema no
funciona correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como
consecuencia deformaciones importantes por sobrecalentamiento [62]
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor
La cinemaacutetica proviene del griego κινεω kineo que significa movimiento Estudia las leyes del
movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo originan y se limita esencialmente al
estudio de la trayectoria en funcioacuten del tiempo [63] La cinemaacutetica se ocupa de aspectos del
movimiento aparte de considerar masa y fuerza Un anaacutelisis cinemaacutetico simula el movimiento de
mecanismos por lo que cumple los requisitos de los perfiles de los motores cinemaacuteticos y de
cualquier conexioacuten de unioacuten por leva en ranura o por engranajes Este tipo de anaacutelisis se usa para
obtener informacioacuten sobre la posicioacuten velocidad y aceleracioacuten de entidades geomeacutetricas y
conexiones interferencia entre componentes las curvas trazadas del movimiento del mecanismo y
los envolventes de movimiento que capturan el movimiento del mecanismo como una pieza
Seguacuten Forno [64] la cinemaacutetica analiza los factores de tiempo y espacio del movimiento de un
sistema es decir describe el movimiento de los cuerpos en teacuterminos de tiempo desplazamiento
velocidad aceleracioacuten y tiempo de desplazamiento
Para Suaacuterez [65] el anaacutelisis cinemaacutetico se utiliza para evaluar el movimiento del mecanismo
gobernado por motores cinemaacuteticos Se puede utilizar cualquier motor cinemaacutetico de eje de
movimiento con un perfil lo que produciraacute una aceleracioacuten finita
Las fuerzas que afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de
inercia Una vez conocidas las fuerzas de combustioacuten en el pistoacuten se usa software especializado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
33
que ayuda en el calculoacute del anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico integrando las fuerzas de inercia
debidas a la masa de cada componente del mecanismo biela-manivela [66]
Para realizar este anaacutelisis es necesario considerar las masas de cada una de las piezas asiacute como
el reacutegimen de giro Esto permitiraacute realizar la simulacioacuten y calcular las fuerzas aplicadas en la cabeza
y el pie de la biela para poder luego hacer un anaacutelisis de elementos finitos que definan los
esfuerzos En el capiacutetulo III se describen la pieza construida a traveacutes del Software de aplicacioacuten
SOLIDWORKS
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor
El anaacutelisis cineacutetico estudia las fuerzas que provocan que un sistema se mueva es decir que
produzcan o cambien el movimiento de un objeto El estudio de las fuerzas que inducen el
movimiento parte desde un movimiento lineal o angular El anaacutelisis cineacutetico puede ser de tipo lineal
o angular El primero involucra la descripcioacuten de un movimiento en liacutenea recta Por otro lado la
cinemaacutetica angular se refiere a la descripcioacuten de un movimiento alrededor de un aacutengulo fijo [64]
El anaacutelisis cineacutetico es cuando un cuerpo estaacute en reposo para acelerarlo hasta una cierta velocidad
y se necesita un determinado trabajo [67] Esa energiacutea que se obtiene en la aceleracioacuten es
conservada por el cuerpo como energiacutea cineacutetica hasta que modifique su velocidad
Concretamente se llama cineacutetica o cinemaacutetica a la especialidad de la fiacutesica centrada en el anaacutelisis
del movimiento dejando de lado el estudio de las fuerzas que lo originan La cineacutetica en este
marco suele estudiar la trayectoria de un cuerpo en movimiento en funcioacuten del tiempo [68]
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor
La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama transferencia de calor la cual se produce
siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se
ponen en contacto hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las
temperaturas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
34
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se usoacute en el software ANSYS el cual permitioacute realizar el
anaacutelisis teacutermico que consiste en la aplicacioacuten del meacutetodo de elementos finitos para calcular la
distribucioacuten de temperatura en una estructura soacutelida en este caso la biela de un motor de
combustioacuten interna Con dicho anaacutelisis se resolvioacute el problema de la transferencia teacutermica
conjugada que involucra el caacutelculo de la simulacioacuten de la conduccioacuten conveccioacuten e irradiacioacuten
teacutermica [66]
Los procesos de los motores de combustioacuten interna son complejos para poder realizar un anaacutelisis
completo de los mismos por lo que se requiere el usoacute de procesos teoacutericos para realizar caacutelculos
Eacutestos son denominados modelos matemaacuteticos para los cuales se usa simulacioacuten herramienta de
gran apoyo para estudiar el comportamiento de los motores de combustioacuten interna desde el punto
de vista termodinaacutemico Con estos softwares de apoyo es posible estudiar la influencia de
determinados paraacutemetros como son la geometriacutea operacioacuten y combustioacuten en las prestaciones de
un motor [69]
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico
La simulacioacuten permite examinar el comportamiento del modelo en condiciones de operacioacuten
reales Ayuda a evaluar las caracteriacutesticas estructurales y el perfil teacutermico proporciona tambieacuten
potentes herramientas para examinar el rendimiento de los mecanismos Sirve para reflejar las
fuerzas materiales y condiciones de liacutemite a las que se veraacute sometido el modelo real para adaptarlo
mejor a criterios de disentildeo especiacuteficos
Existen diversos Softwares de aplicacioacuten para diferentes fines como es el caso de CAD que
sirve para disentildear modelos en tercera dimensioacuten (3D) que posteriormente se analizan por el
meacutetodo de elementos finitos Tal es el caso del software CATIA que es uno de los maacutes utilizados
actualmente en la industria para encontrar paraacutemetros como las dimensiones de diaacutemetro del pistoacuten
longitud de la biela ancho de biela diaacutemetros interiores de cabeza y pie espesores de cabeza y
pie ancho y alto de la seccioacuten tipo I y diaacutemetro de los tornillos de fijacioacuten Tanto el CAD y CATIA
son simuladores que permiten determinar lo antes mencionado
Tambieacuten existe el Software ANSYS que sirve para disentildear analizar y simular partes de piezas
sometidas a fenoacutemenos fiacutesicos usadas en ingenieriacutea y disentildeo mecaacutenico Ayuda a resolver
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
35
problemas fiacutesicos como problemas de esfuerzos teacutermicos fluidos vibracioacuten y otras Dentro de este
software se encuentra la seccioacuten de Anaacutelisis Mecaacutenico que sirve para resolver situaciones muy
particulares en disentildeo mecaacutenico como elementos estructurales lineales no lineales y anaacutelisis
dinaacutemico Con este moacutedulo se puede evaluar el comportamiento asignar materiales y resolver
ecuaciones elaborar anaacutelisis teacutermicos acoplamientos fiacutesicos que involucren acuacutestica elementos
piezoeleacutectricos e interaccioacuten teacutermica con eleacutectrica El software ANSYS se usoacute para este proyecto
Asiacute mismo es necesario sentildealar que para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el
software MATLAB herramienta matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para
la representacioacuten de datos matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor Los resultados
de MATLAB junto con el Software ANSYS permiten predecir coacutemo se comporta y reacciona la
biela en su entorno real Posteriormente se importa la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
y se realizan el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico por medio de la simulacioacuten
De igual forma se emplea para esta investigacioacuten el software SOLIDWORKS que se usa para
el disentildeo mecaacutenico con el que se crea geometriacutea en tercera dimensioacuten (3D) usando paraacutemetros
soacutelidos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
36
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA
La metodologiacutea de la investigacioacuten se define como la disciplina que se encarga del estudio criacutetico
de los procedimientos y medios aplicados por los seres humanos que permiten alcanzar y crear el
conocimiento en el campo de la investigacioacuten cientiacutefica Representa la forma en la que se va a
organizar el proceso de la investigacioacuten de examinar los resultados y de presentar posibles
soluciones al problema Toda investigacioacuten a desarrollar debe llevar un orden loacutegico La
metodologiacutea de la presente investigacioacuten estaacute basada en la propuesta de los autores Hernaacutendez
Fernaacutendez y Baptista [70] ya que tiene un enfoque bastante amplio y flexible que se puede adaptar
de manera general a los requerimientos y alcances del estudio cubriendo los puntos esenciales que
guiacutean el disentildeo y elaboracioacuten de la investigacioacuten Los pasos seguidos se muestran en la figura19
31 Enfoque de la investigacioacuten
Existen dos enfoques dentro de la investigacioacuten el cuantitativo y el cualitativo Hernaacutendez [70]
define a la investigacioacuten cuantitativa como aquella investigacioacuten que utiliza la recoleccioacuten de datos
para comprobar una hipoacutetesis con base a una medicioacuten numeacuterica para establecer un anaacutelisis
estadiacutestico con el propoacutesito de conocer la tendencia del comportamiento y la aprobacioacuten de teoriacuteas
El desarrollo de esta investigacioacuten tuvo un enfoque cuantitativo el cual seguacuten Fernaacutendez [71] se
fundamenta en un esquema deductivo y loacutegico que busca formular preguntas de investigacioacuten e
hipoacutetesis para posteriormente probarlas
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
37
Esta investigacioacuten parte del enfoque mecaacutenico propuesto por diferentes autores que hacen
referencia a los diferentes motores que existen asiacute como los elementos que lo conforman La
finalidad es identificar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten
interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa asiacute como determinar la fuerza
axial de la biela Tambieacuten obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de
combustioacuten estequiomeacutetrica y simular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela para identificar
posibles deformaciones y posteriormente realizar el anaacutelisis cinemaacutetico del motor
32 Alcance de la investigacioacuten
El alcance de esta investigacioacuten es exploratoria correlacional descriptiva y explicativa Al
respecto Fernaacutendez et [71] al se establece que ldquolos estudios exploratorios se realizan cuando el
objetivo consiste en examinar un tema poco estudiadordquo en este caso los factores que influyen en
el sobrecalentamiento de una biela
El alcance correlacional tiene como finalidad establecer una relacioacuten entre dos o maacutes variables
[70] y referente a esta investigacioacuten se llevoacute a cabo la correlacioacuten de variables del calor liberado
en la caacutemara de combustioacuten y el sobrecalentamiento del motor Esta correlacioacuten implica una
relacioacuten causal entre dichas variables ya sea de forma positiva o en forma negativa y una relacioacuten
causal implica que un evento es consecuencia de otro que le antecede y que sin eacuteste el uacuteltimo no
se presentaraacute
La investigacioacuten tambieacuten es descriptiva puesto que se describen los fenoacutemenos alcanzados en el
transcurso de todo el proceso Busca especificar propiedades caracteriacutesticas y rasgos importantes
de cualquier fenoacutemeno que se analice [71] en este caso la relacioacuten de compresioacuten presioacuten
atmosfeacuterica aacuterea del pistoacuten presioacuten atmosfeacuterica dentro de la caacutemara de combustioacuten presioacuten que
detona la mezcla dentro de la caacutemara de combustioacuten fuerza temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
y geometriacutea de la biela En este sentido en esta investigacioacuten se describieron las variables antes
mencionadas mismas que se especifican en el capiacutetulo cuatro detallando sus propiedades y
caracteriacutesticas
De igual forma la investigacioacuten tiene un alcance explicativo derivado de que seguacuten Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Bautista mencionan que estaacute orientada a la comprobacioacuten de hipoacutetesis las cuales
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
38
sirven para el anaacutelisis de variables [71] que se expresan con hechos verificables para que el
investigador tenga la capacidad de anaacutelisis y siacutentesis para su interpretacioacuten En el desarrollo de este
trabajo la hipoacutetesis establecida se encuentra en el apartado 33 del presente capiacutetulo y los resultados
obtenidos se explican en el capiacutetulo cuatro donde se explican los fenoacutemenos hallados entre
variables describiendo por queacute ocurrieron dichos eventos y en queacute condiciones se manifestaron
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis
En toda investigacioacuten es importante plantear variables ya que eacutestas permiten relacionar algunos
conceptos que hacen referencia a las caracteriacutesticas que se van a estudiar Para Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Baptista [70] una variable es una propiedad que puede fluctuar y cuya variacioacuten es
susceptible de medirse u observarse Las variables adquieren valor para la investigacioacuten cientiacutefica
cuando llegan a relacionarse con otras variables es decir si forman parte de una hipoacutetesis o una
teoriacutea Y una variable independiente se refiere a ldquoaquella donde el investigador puede manipular
ciertos efectos en otras palabras supone la causa del fenoacutemeno estudiadordquo Y la variable
dependiente implica ldquoel efecto producido por la variable independiente es decir representa lo que
se quiere determinar en forma directa en la investigacioacutenrdquo
La hipoacutetesis planteada en este trabajo es una hipoacutetesis correlacional donde si alguna de las
variables sufre alguna modificacioacuten esto afectaraacute a otras variables correspondientes A
continuacioacuten se muestra la hipoacutetesis de la presente investigacioacuten
Hipoacutetesis nula
H01 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten influye en el sobrecalentamiento
de un motor de combustioacuten interna
Variables
Variables independientes Calor liberado en la caacutemara de
Combustioacuten
Variable dependiente Sobrecalentamiento del motor
Ya identificadas las variables es necesario establecer la operacionalidad de las mismas y
con base a lo anterior se observa en la tabla 1 la clasificacioacuten de las mismas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
39
TABLA 1 CONCEPTUALIZACIOacuteN DE VARIABLE
Variable Definicioacuten Conceptual Indicadores
Calor liberado en la
caacutemara de
combustioacuten
Se refiere a la quema de combustible
suministrados por el motor de
combustioacuten interna de tal manera
que el aire se expanda y acelere para
proporcionar una corriente de gas
uniformemente calentada en todas las
condiciones requeridas por el motor
de combustioacuten interna Esta tarea
debe realizarse con la miacutenima peacuterdida
de presioacuten y con la maacutexima liberacioacuten
de calor para el limitado espacio
disponible [31]
Reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten
Sobrecalentamiento
del motor
Es la condicioacuten en la cual la
temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y llega
a producir dantildeos graves en el motor
como torceduras y roturas de
vaacutelvulas brazos de biela soplado de
empaques torceduras de culatas y
roturas de pistones [41]
Lubricacioacuten deficiente
Fallo en sistema de
enfriamiento
Hipoacutetesis alterna
HA1 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten no influye en el
sobrecalentamiento de un motor de combustioacuten interna
34 Disentildeo de la investigacioacuten
El tipo de disentildeo que se usoacute fue el no experimental donde la investigacioacuten que se realiza se hace
sin la manipulacioacuten deliberada de las variables y donde se observan los fenoacutemenos para
posteriormente analizarlos en este caso el calor liberado en la caacutemara de combustioacuten y el
sobrecalentamiento del motor donde dichas variables estaacuten relacionadas con diferentes elementos
que son la combustioacuten estequiomeacutetrica presioacuten atmosfeacuterica fuerza de la biela y geometriacutea de la
biela Estos elementos sirvieron para poder realizar el anaacutelisis cineacutetico cinemaacutetico y teacutermico por
transferencia de calor motivo de la presente investigacioacuten
A su vez es una investigacioacuten transaccional donde se recolectaron los datos en un momento y
tiempo uacutenico permitieacutendose describir las variables anteriormente mencionadas El propoacutesito fue
describir las variables y analizar su incidencia e interrelacioacuten en un momento dado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
40
Por otra parte este trabajo se basoacute en un disentildeo no experimental con la informacioacuten derivada
basada en datos primarios obtenidos directamente de la realidad En el desarrollo de la presente
investigacioacuten la informacioacuten se obtuvo mediante el modelado mecaacutenico el cual ayudoacute a predecir
el comportamiento y reaccioacuten de la biela en su entorno real
35 Seleccioacuten de la muestra
El desarrollo de esta investigacioacuten se realizoacute tomando como objeto de estudio a un motor VW
Golf MK4 Gti 18T En la tabla 2 se muestran las especificaciones de este motor
Se utilizoacute un acero SAE 4340 de medio carbono aleado con Cr-Ni-Mo debido a que posee buena
resistencia a la fatiga alta templabilidad excelente tenacidad regular maquinabilidad y baja
soldabilidad Es apto para piezas y herramientas de grandes exigencias mecaacutenicas Se usa para los
maacutes altos esfuerzos estaacuteticos y dinaacutemicos en piezas como ciguumlentildeales bielas cardanes pintildeones
pernos y tornillos de alta resistencia engranajes para maacutequinas discos de freno barras de torsioacuten
y aacuterboles de transmisioacuten [72] En la tabla 3 se muestran las composiciones quiacutemicas
TABLA 2 CARACTERIacuteSTICAS DEL MOTOR
Variable Definicioacuten Conceptual
Motor V 4
Combustible Gasolina
Alimentacioacuten MPI
Situacioacuten Transversal
Cilindrada 1781 cm3
Diaacutemetro por carrera 810 x 864 mm
Vaacutelvulas 16 vaacutelvulas
Sobrealimentacioacuten Turbo + Intercooler
Relacioacuten de Comprensioacuten 95
Potencia 210 PS or 207 bhp o 154 kw 5700 rmp
Par maacuteximo 300 Nm o 221 lbft 2700 rpm
Caja de cambios 6 velocidades manual
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
41
TABLA 3 PORCENTAJE DE COMPOSICIOacuteN QUIacuteMICA DEL ACERO USADO
De igual forma en la tabla 4 se pueden apreciar las caracteriacutesticas del tratamiento teacutermico y las
propiedades mecaacutenicas que se deben tener para cumplir con lo establecido para el procedimiento
36 Recoleccioacuten de datos
Para el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico se emplea la simulacioacuten con ANSYS y poder predecir coacutemo
se comporta y reacciona la biela en su entorno real El software SOLIDWORKS se emplea para
incorporar la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
TABLA 4 TRATAMIENTO TEacuteRMICO Y PROPIEDADES MECAacuteNICAS
Tratamiento teacutermico
(Valores en 0C)
Propiedades mecaacutenicas
Forjado 850 - 1100 Bonificado
Normalizado 870 - 900 Resistencia a la
traccioacuten
95 ndash 105 kgfmm2
Revenido 530 - 670 Liacutemite de fluencia 60 ndash 74 kgfmm2
Recocido 750 - 850 Dureza (HB) 280 - 340
Templado Aceite 840 - 880 Elongacioacuten 10 ndash 18
Composicioacuten quiacutemica ()
C 038 ndash 043
Mn 060 ndash 080
Si 015 ndash 035
P 0035 Maacutex
S 004 Maacutex
Cr 070 ndash 090
Ni 165 ndash 200
Mo 020 ndash 030
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
42
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el software de MATLAB herramienta
matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para la representacioacuten de datos
matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor El objetivo de dicho anaacutelisis fue
identificar la falla de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro
cilindros encendido por chispa accionado por gasolina cuando por diversas causas alcanza
temperaturas elevadas generando esfuerzos y deformaciones superiores a los liacutemites de cedencia
del material Para este anaacutelisis se determinoacute la fuerza axial generadora del maacuteximo torque aplicado
al ciguumlentildeal del motor Como se trata de un motor alternativo el movimiento parte desde el punto
muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) recorriendo el pistoacuten una longitud de
carrera C=2r por cada vuelta del ciguumlentildeal Ya que se trata de un motor de cuatro tiempos el
ciguumlentildeal daraacute dos vueltas por ciclo termodinaacutemico [73] En este caso se consideroacute solamente un
punto donde la biela es normal a la manivela que es donde se produce el maacuteximo toque Se hizo el
anaacutelisis el elemento finito (FEA por su siglas en ingles Finite Element Analysis ) para obtener una
solucioacuten aproximada a este problema de ingenieriacutea para obtener un producto de calidad a menor
costo mejorando asiacute procesos existentes o para estudiar fallos de eacuteste componente estructural El
anaacutelisis teacutermico por transferencia de calor cineacutetico y cinemaacutetico se describe en el capiacutetulo 4 del
presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
43
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Generalidades
Los motores de los autos principalmente los de combustioacuten interna (MCI) son motores donde
los gases generados en la reaccioacuten exoteacutermica resultan de un proceso de combustioacuten que empuja
al pistoacuten desplazaacutendolo en el interior de un cilindro y haciendo girar al ciguumlentildeal El funcionamiento
ciacuteclico de estos motores suele tener fallas constantes debido a muacuteltiples factores entre los cuales
destacan problemas con los cojinetes fallas en las bielas pistoacuten ciguumlentildeal entre otros
El arranque de los motores de combustioacuten se lleva a cabo en su caacutemara interna en donde se forma
el fluido activo Esta caacutemara forma parte de un cilindro dentro del cual se mueve un pistoacuten mismo
que forma parte del mecanismo en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal Y para que un motor
tenga un buen funcionamiento es necesario tener una buena lubricacioacuten refrigeracioacuten y suministro
de energiacutea eleacutectrica tal como se aprecia en la figura 20
La lubricacioacuten debe mantener engrasados los mecanismos moacuteviles tambieacuten sirve como
refrigerante al absorber el calor disipado Su principal funcioacuten radica en la aplicacioacuten de un manto
superficial de aceite recubriendo asiacute los elementos moacuteviles El sistema refrigerante es el que
mantiene una temperatura constante del motor durante su funcionamiento y lo hace mediante la
eliminacioacuten de exceso de calor que se pudiera generar en su funcionamiento Gracias a la energiacutea
eleacutectrica funcionan los dispositivos tales como las bombas hidraacuteulicas agua refrigerante los
cuales provocan el flujo que hace posible la circulacioacuten de los fluidos a lo largo de los ductos
correspondientes
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
44
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se consideroacute el auto VW Golf [74] tal como se aprecia
en la figura 21
Este auto tiene un motor MK4 GTI 18T de cuatro cilindros con turbocompresor formalmente
conocido como el 18 20VT R4 e informalmente conocido simplemente como el 18T Se ha
utilizado en casi todas las aplicaciones de cuatro cilindros de VW Utiliza un bloque de motor de
hierro fundido y culata de aluminio con doble aacuterbol de levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte
de la fuerza inherente de este motor viene del uso de un ciguumlentildeal de acero forjado a troque dividido
en bielas forjadas y pistones forjados Su potencia es de 150 caballos de fuerza a 5800 rpm Su
principal caracteriacutestica es su sistema de turbo y de induccioacuten Utiliza un turbocompresor de VW
de origen algo equivalente a un Garrett T30
421 Aplicaciones del 18T
El 18T se ha utilizado en casi todos los autos que tienen cuatro cilindros de VW como son VW
Polo GTI Golf MkIV Bora Jetta New Beetle S Passat B5 y Sagitar Desde Audi que es la marca
de lujo de VW el motor tambieacuten se ha trasladado a los modelos en esa divisioacuten incluyendo la A3
A4 A6 y TT Quattro Sport Otros fabricantes de automoacuteviles en utilizar el 18T han sido el
fabricante espantildeol SEAT (en el Leon Mk1 Cupra R y Toledo) y Skoda para su edicioacuten limitada
Octavia VRS
Figura 21VW Golf
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
45
El 18T utiliza un bloque de motor de hierro fundido y una culata de aluminio con doble aacuterbol de
levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte de la fuerza inherente de este motor se debe al uso de un
ciguumlentildeal de acero forjado a troquel bielas ldquoSplit forjadordquo y pistones Mahle forjado El 18T ha
llegado en docenas de diferentes configuraciones desde que se ofrecioacute por primera vez con
potencias que van desde 150 caballos de fuerza a 5800 rpm (en la mayoriacutea de los polos Golf
hoteles escarabajos y Passat) hasta 236 caballos de fuerza a 5700 rpm para el Audi TT Quattro
Sports
En lo que respecta a la induccioacuten aparte de su cabeza la principal caracteriacutestica del 18T es su
sistema turbo e induccioacuten El turbo alimenta uno de los pocos verdaderos colectores de admisioacuten
de longitud variable en el mercado de hoy A bajas revoluciones el aire fluye a traveacutes de un
conjunto de tubos de colada la ingesta de largas y delgadas para mejorar el par a bajo reacutegimen y
la facilidad de conduccioacuten A altas revoluciones una solapa se abre para conectar gran espacio
abierto del colector de admisioacuten (plenum) casi directamente a la culata sin pasar por los tubos y
aumentar el poder de gama alta
43 Anaacutelisis de datos
431 Anaacutelisis cinemaacutetico
El movimiento alterno del pistoacuten se transforma en movimiento circular continuo del eje mediante
el sistema biela-manivela Para efectos de caacutelculo el movimiento circular de la manivela se
considera uniforme sin error apreciable En la figura 22 se muestra la nomenclatura que se utilizoacute
en este anaacutelisis [73]
Figura 22 Nomenclatura
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
46
Donde
L=Longitud de la biela
r=Radio de la manivela
C=Carrera del pistoacuten
x=Deslizamiento del pistoacuten referido al PMS
α=Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente al PMS
β= Aacutengulo que forma el eje de la biela con el del cilindro
I Desplazamiento
De acuerdo a la geometriacutea del motor y como muestra la figura 22 se obtiene la ecuacioacuten para el
desplazamiento (x) correspondiente entre el PMS y PMI donde λ es un paraacutemetro de la relacioacuten
del radio a la longitud de la biela (Ver Anexo I) la cual es
119909 = 119903 ((1 minus cos prop) + 119871(1 minus radic1 minus 12058221199041198901198992 prop))
Donde λ =119903
119871 119902119906119890 119903119890119901119903119890119904119890119899119905119886 119906119899119886 119903119890119897119886119888119894oacute119899 119886119897119890119886119905119900119903119894119886
Si la biela fuera de longitud infinita (λ=0) se desplazariacutea mantenieacutendose siempre paralela a siacute
misma por lo que tendriacuteamos la expresioacuten simplificada
119909 = 119903(1 minus cos prop)
Se utilizoacute el software MATLAB para graficar coacutemo se comporta el sistema del punto muerto
superior al punto muerto inferior correspondiente a los 360 grados del movimiento de la Manivela
Se obtiene la figura 23 misma que se muestra a continuacioacuten
Figura 23 Desplazamiento
Des
pla
zam
ien
to d
el p
istoacute
n e
n m
etro
s
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
47
II Velocidad
Para obtener la ecuacioacuten de la velocidad se derivoacute la ecuacioacuten de desplazamiento (ver Anexo II)
guardaacutendola en una nueva variable (V) lo que se puede apreciar en la figura 24
Figura 24Velocidad del pistoacuten
III Aceleracioacuten
Para obtener la ecuacioacuten de la aceleracioacuten se derivoacute la ecuacioacuten de velocidad (Ver Anexo III)
asignando su valor a una nueva variable (A) la cual se muestra en la figura 25
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten
Vel
oci
dad
del
pis
toacuten
(m
s)
Angulo de manivela en grados
Ace
lera
cioacute
n d
el p
istoacute
n (
ms
2)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
48
432 Anaacutelisis cineacutetico
I Fuerzas alternativas de inercia
Conociendo las leyes que regulan el movimiento del conjunto biela manivela resulta faacutecil
obtener una relacioacuten de las fuerzas que generan dicho movimiento En efecto las partes dotadas de
movimiento alternativo estaacuten sometidas a fuerzas de inercia calculadas por medio de la segunda
ley de Newton que expresada en funcioacuten de la segunda derivada del desplazamiento dan como
resultado
119865 = minus119898 lowast 1205962 lowast 119903 (cos 120572 + 120582 lowast cos 2120572)
La primera y segunda parte de la ecuacioacuten representan respectivamente las fuerzas alternativas
de primero y segundo orden (ver Anexo IV) En la ecuacioacuten anterior ldquomrdquo corresponde a la masa de
la biela que para la muestra seleccionada tiene un valor de 066 kg se muestra en la figura 26
Figura 26Fuerzas alternativas
La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten cinemaacutetica En la figura 27
se puede observar el movimiento al considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante el
proceso de expansioacuten De este resultado se obtiene la fuerza maacutexima para posteriormente
considerarla en el anaacutelisis estaacutetico de la simulacioacuten en el software de ANSYS Los resultados se
encuentran en el Anexo V y en la figura 27 se aprecia la representacioacuten graacutefica del anaacutelisis de la
biela Este anaacutelisis se hizo mediante el software de MATLAB
Fu
erza
s al
tern
ativ
as (
N)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
49
Figura 27 Fuerzas en la biela
II Diagrama par-motor
La fuerza resultante que actuacutea sobre el pistoacuten corresponde a la suma de las fuerzas alternativas
de inercia y de la correspondiente a la presioacuten del gas durante la explosioacuten Eacutesta equilibrada por la
fuerza de reaccioacuten en la biela y variacutea en cada posicioacuten del movimiento La figura 28 muestra el
diagrama par motor que se utiliza para este anaacutelisis La nomenclatura es la misma que se utilizoacute en
el anaacutelisis cinemaacutetico con la inclusioacuten de las fuerzas [73]
Figura 28Diagrama par-motor
Angulo de manivela en grados
Fu
erza
en
la
bie
la (
N)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
50
Figura 29Par-motor de explosioacuten
Nuevamente mediante el software MATLAB se realiza el anaacutelisis de movimiento durante el
proceso de expansioacuten de 360deg a 540deg debido a que se trata de un motor de 4 tiempos lo que implica
que el ciguumlentildeal gire dos vueltas correspondieacutendole a la primera vuelta la admisioacuten y compresioacuten
(Ver Anexo VI) lo cual se aprecia en la figura 29
El punto maacuteximo de esta graacutefica representa un par-motor de 311 N-m que se aproxima al par
motor que el fabricante ofrece para este motor seleccionado como muestra Es importante
considerar que a este punto le corresponde un aacutengulo de 388deg equivalente a 28deg a partir del punto
muerto superior y seraacute considerado para obtener la fuerza axial en la biela de su correspondiente
graacutefica
433 Anaacutelisis termodinaacutemico
I Eficiencia del ciclo Otto ideal
La figura 30 muestra el ciclo en un diagrama P-v La eficiencia o rendimiento del ciclo es la
relacioacuten entre el trabajo neto y la cantidad de calor que entra al sistema [75]
Par
-mo
tor
(N
m)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
51
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen
Es decir
119890119900119905119905119900 =119882119899119890119905119900
119902119890119899119905
Por primera ley de la termodinaacutemica
119882119899119890119905119900 = 119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
Considerando calores especiacuteficos constantes
119890119900119905119905119900 =119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119862119907(1198794 minus 1198791)
119862119907(1198793 minus 1198792)= 1 minus
(1198794 minus 1198791)
(1198793 minus 1198792)
Para el proceso 1-2 compresioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987511198811119896 = 11987521198812
119896 there41198752
1198751= (
1199071
1199072)
119896
= 119903119896
Doacutende r= la relacioacuten de compresioacuten definida como 119903 =1199071
1199072
Para el mismo proceso la ecuacioacuten de los gases ideales es
11987511199071
1198791=
11987521199072
1198792 there4
1198752
1198751=
1199072
1199071∙
1198792
1198791= 119903
1198792
1198791= 119903119896
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
52
Realizando la igualacioacuten se obtiene la temperatura para el estado dos del ciclo
1198792 = 1198791119903119896minus1
De manera similar para el proceso 3-4 de expansioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987531198813119896 = 11987541198814
119896 there41198753
1198754= (
1199074
1199073)
119896
= 119903119896
Y la ecuacioacuten correspondiente de los gases ideales es
11987531199073
1198793=
11987541199074
1198794there4
1198753
1198754=
1199074
1199073∙
1198793
1198794= 119903
1198793
1198794= 119903119896
Realizando la igualacioacuten correspondiente se obtiene la temperatura para el estado 3 del ciclo
1198793 = 1198794119903119896minus1
Con las relaciones de temperatura para los estados 2 y 3 se obtiene la eficiencia del ciclo Otto
en funcioacuten de la relacioacuten de compresioacuten
119890119900119905119905119900 = 1 minus1198794 minus 1198791
1198794119903119896minus1 minus 1198791119903119896minus1= 1 minus
1198794 minus 1198791
119903119896minus1(1198794 minus 1198791)
119890 = 1 minus1
119903119896minus1
Para el anaacutelisis de la muestra seleccionada le corresponde una relacioacuten de compresioacuten de r=95
obtenieacutendose una eficiencia teacutermica del 60
119890 = 1 minus1
9514minus1= 06
En la figura 31 se muestra un referente de la eficiencia teacutermica en funcioacuten de la relacioacuten de
compresioacuten para un motor Otto y Diesel [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
53
Figura 31 Eficiencia teacutermica
II Temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
Cuanto maacutes pequentildea es la perdida de calor tanto mayor resulta el aumento de la temperatura En
el caso liacutemite que no haya peacuterdida de calor hacia los alrededores (Q=0) la temperatura de los
productos alcanzaraacute un maacuteximo conocido como temperatura de flama adiabaacutetica o combustioacuten
adiabaacutetica
La temperatura de flama adiabaacutetica de un proceso de combustioacuten de flujo estacionario se
determina aplicando la primera ley de la termodinaacutemica considerando la caacutemara de combustioacuten
como un volumen de control totalmente aislado (adiabaacutetico) con la siguiente ecuacioacuten
119867119901119903119900119889 = 119867119903119890119886119888119905
sum 119873119901(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg) = sum 119873119903(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg)
Doacutende Np= nuacutemero de moles de los productos
Nr = nuacutemero de moles de los reactivos
ℎ119891= entalpiacutea de formacioacuten
ℎ minus ℎdeg= variacioacuten de entalpiacutea
Una vez que se especifican los reactivos y los estados resulta faacutecil determinar las entalpiacuteas de
los reactivos Sin embargo debido a que la temperatura de los productos no se conoce antes de los
caacutelculos el caacutelculo de la entalpia de los productos no es directa Por consiguiente la determinacioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
54
de la temperatura de flama adiabaacutetica requiere el uso de una teacutecnica iterativa a menos que se
disponga de ecuaciones para los cambios de entalpiacutea sensible de los productos de combustioacuten
La temperatura de flama adiabaacutetica se determina luego a partir de estos dos resultados mediante
interpolacioacuten Cuando el oxidante es aire los gases producto se componen principalmente de N2 y
una buena primera suposicioacuten para la temperatura de flama adiabaacutetica se obtiene tratando todos
los gases productos como N2 En las caacutemaras de combustioacuten la temperatura maacutexima a la que se
puede llegar esta limitada por condiciones metaluacutergicas [75] Se analizaron los tres tipos de mezcla
para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla teoacuterica o estequiomeacutetrica
mezcla pobre y mezcla rica
II1 Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El modelo utilizado para los tres tipos de mezcla es una caacutemara de combustioacuten en la cual se
simula la inyeccioacuten de combustible octano 119862811986718 con las cantidades de aire suministrado siendo la
composicioacuten quiacutemica del aire de 1198742 + 3761198732 lo que equivale a 79 de N2 y 21 de O2 Tanto el
combustible como el aire se consideran como los reactivos y los gases de escape como productos
tal como se aprecia en la figura 32
La ecuacioacuten teoacuterica para este caso es
119862811986718 + 119908(1198742 + 3761198732) rarr 1198831198621198742 + 1198841198672119874 + 1198851198732
Doacutende W X Y Z representan los coeficientes estequiomeacutetricos determinaacutendose por balanceo
de los elementos quiacutemicos de la ecuacioacuten
119862 8 = 119883
119867 18 = 2119884 there4 119884 = 9
119874 2119882 = 2119883 + 119884 there4 119882 = 125
119873 376(2)119882 = 2119885 there4 119885 = 47
Se obtiene asiacute la ecuacioacuten estequiomeacutetrica balanceada
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
55
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos y considerando un proceso
adiabaacutetico se obtiene la ecuacioacuten para los tres tipos de mezcla
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ)
Donde
ℎ119891298= Entalpiacutea de deformacioacuten durante la reaccioacuten
∆ℎ= Variacioacuten de la entalpiacutea con respecto al estado de referencia
Los valores de entalpiacuteas para esta reaccioacuten se obtienen de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y
A-26 [75] Para este caso resulta
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9324] + 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]
+47[0 + ℎ1198732minus 8669] = 1[minus249950 + 0] minus 125[0 + 0] minus 47[0 + 0]
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 47ℎ1198732
= 5646081
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realiza iterativamente proponiendo como inicio que toda la
energiacutea es absorbida por el N2 ya que es el elemento que posee el mayor nuacutemero de moles
64ℎ1198732= 5646081
ℎ1198732= 88220015
119896119869
119896119898119900119897
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de temperatura aproximado de
119879 = 2650deg119870
Y tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen los valores
que se muestran en la tabla 5
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
56
TABLA 5 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA
Temperatura T=2600degK T=2450degK T=2200degK
Sustancia h(kJkmol)
8CO2 1099592 1025752 903512
9H2O 1028457 955647 836460
47N2 4072550 3814003 3385880
6130599 5795402 5125852
Interpolando los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2450degK y 2200degK se
obtiene la temperatura 119879 = 239424deg119870
II2 Mezcla pobre (110 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Ecuacioacuten real (10 exceso de aire) es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 1251198742 + 5171198732
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
Sustituyendo los valores de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y A-26 [75] se obtiene
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364]
kJ
kmol1198621198742
+ 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]kJ
kmol1198671198742
+125[0 + ℎ1198732minus 8682]
kJ
kmol1198742
+ 517[0 + ℎ1198732minus 8669]
kJ
kmol1198732
= 1[minus249950 + 0]kJ
kmol119862811986718
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 125ℎ1198742
517ℎ1198732= 56976778119896119869119896119898119900119897
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno
6995ℎ1198732= 56976778
ℎ1198732= 8145357827
119870119869
119870119898119900119897
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
57
TABLA 6 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA POBRE
Temperatura T=2400degK T=2450degK T=2200degK T=2250degK
Sustancia h(kJkmol)
8 CO2 1001216 1025752 903512 927872
9 H2O 931572 955647 836460 860058
125 02 1039675 106390 94355 9674625
517 N2 4100844 41954033 3724468 38183552
61376055 62831923 5558795 570303145
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2500deg119870
Nuevamente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen
los valores que se muestran en la tabla 6
Realizando la interpolacioacuten de los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2200degK
y 2250degK se obtiene la temperatura 119879 = 2248144deg119870
II3 Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es la siguiente
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
La ecuacioacuten real (85 de aire) es
119862811986718 + 10625(1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 91198672119874 + 375119862119874 + 39951198732
Aplicando la primera ley de la termodinaacutemica para sistemas reactivos y adiabaacutetico se obtiene
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
TABLA 7 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA
Sustancia hf h 298 degk
KJKmol
C₈H₁₈ -249950 -----
O₂ 0 8682
N₂ 0 8669
H₂O -241820 9904
CO₂ -393520 9364
CO -110530 8669
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
58
Posteriormente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se
obtienen los valores que se muestran en la tabla 7
Y sustituyendo los valores en la foacutermula antes mencionada se obtienen los resultados siguientes
425 (minus393520 + ℎ119862119874₂ minus 9364) + 375 (minus110530 + ℎ119862119874 minus 8669) + (minus 241820
+ ℎ119867₂119874 minus 9904) + 3995 (0 + ℎ119873₂ minus 8669) ndash 1(minus 249950
+ 0) ndash 10625 (0 + 0) ndash 3995 (0 + 0) = 0
425 ℎ119862119874₂ + 375 ℎ119862119874 + 9 ℎ119867₂119874 + 3995 ℎ119873₂ = 45211458
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno 5695 ℎ119873₂ = 45211458
ℎ119873₂ = 7938798 = 79388 kJkmol
De la tabla A-18 [75] de propiedades del nitroacutegeno se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2400deg119870
Tabulando los valores correspondientes de la entalpiacutea a la temperatura indicada se muestran en
la tabla 8
Interpolando entre los valores de 2300degK y 2200degK se obtiene la temperatura para esta
mezcla 119879 = 2223305deg119870
TABLA 8 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA RICA
Temperatura T=2400 T=2300 T=2200
Sustancia h(KJKmol)
425 Co₂ 531896 50589875 47999075
375 Co₂ 30005625 28629375 272580
9 H₂O 931572 883791 836460
3995 N₂ 3168834 30232562 2877998
sum 493235825 46992397 446702875
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
59
434 Temperatura real de combustioacuten
Las temperaturas de combustioacuten adiabaacutetica obtenidas en el apartado que aborda el tema de la
temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para los tres tipos de mezclas reflejan un paraacutemetro
cuantitativo sin embargo no es posible que el motor alcance dichos valores Esto es debido a la
Segunda Ley de la Termodinaacutemica en su postulado de Kelvin Plank refirieacutendose precisamente al
rendimiento del motor que de acuerdo a la relacioacuten de compresioacuten establecida se determinoacute que
es de 60 Este valor equivale al maacuteximo rendimiento posible con el cual se determinaraacute la
temperatura real del motor para los tres tipos de mezclas Eacutesta temperatura seraacute considerada para
el anaacutelisis de transferencia de calor en la biela
I Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El poder caloriacutefico del combustible representa la cantidad de calor liberado cuando se quema por
completo en un proceso de flujo estacionario En este anaacutelisis se considera el poder caloriacutefico
inferior debido a que el agua en los productos se considera en fase de vapor correspondieacutendole un
valor de 44430 kJkmol [75]
Involucrando una eficiencia de 60 se determina la cantidad de calor real utilizado en los tres
diagramas y mediante el anaacutelisis de estequiometria se obtiene la temperatura real correspondiente
al maacuteximo valor del ciclo en el proceso de explosioacuten
El anaacutelisis parte de la ecuacioacuten teoacuterica (100 de aire) para los tres tipos de mezclas que se
analizan en este apartado
De acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica para esta reaccioacuten de combustioacuten la
ecuacioacuten de la cantidad de calor liberado es
minus 119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
El valor de 119876119903119890119886119897 se determina al involucrar el rendimiento de 60 del poder caloriacutefico del
combustible y a la vez multiplicaacutendolo por la masa molar del combustible de 114231 kgkmol
obteniendo un valor de 3045170119896119869
119896119898119900119897
Los valores de ℎ119891deg y ℎ de los componentes a 298degK son los que se muestran en la tabla 9 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
60
TABLA 9 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Sustancia 119945 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948
kjkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119925120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 47(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten en funcioacuten de las entalpiacuteas de los elementos de los
productos que se resuelve por el meacutetodo iterativo
8ℎ 1198621198742
+ 9 ℎ1198671198742+47ℎ1198732
=2600911 kJkmol
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero total
de moles lo que produce 2600911 119896119869
(8 + 9 + 47) 119896119898119900119897= 4063923
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido correspondieacutendole un valor de T=131374degK A partir de este valor
se proponen valores inferiores y posteriormente realizar una interpolacioacuten lineal como se muestra
en la tabla 10 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
61
TABLA 10 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Temperatura T=1180degK T=1200degK T=1220degK
Sustancia h(KJKmol)
120790 119914119926120784 421792 430784 439816
120791 119919120784119926 391581 399420 407304
120786120789 119925120784 1696888 1728519 1760244
Total 2510261 2558723 2607364
Interpolando entre las temperaturas de 1200degK y 1220degK se obtiene que la temperatura real de
combustioacuten es T = 1217347 degK
II Mezcla pobre (110 aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten con 10 de exceso de aire es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 1251198742 + 91198672119874 + 5171198732
La ecuacioacuten de combustioacuten de acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
Los valores de las entalpiacuteas ℎ119891deg + ℎ de las sustancias a T= 298degK son los que se muestran en la
tabla 11 [75]
Sustituyendo valores correspondientes en la ecuacioacuten se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 125(0 + ℎ1198742minus 8682)
kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 517(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
62
TABLA 11 ENTALPIA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA POBRE REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119926120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten
8ℎ1198621198742+125 ℎ1198742
+ 9 ℎ1198671198742+517ℎ1198732
=26525078 kJ
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de
moles lo que produce
26525078 119896119869
(8 + 125 + 9 + 517) 119896119898119900119897= 379200543
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido siendo T=1240degK Nuevamente se propondraacuten valores inferiores a
la temperatura obtenida para obtener la entalpiacutea correspondiente a cada sustancia por
interpolacioacuten lineal obtener el resultado correcto Se muestran los valores de la tabla 12 [75]
La interpolacioacuten entre las temperaturas de 1160degK y 1140degK da el resultado de la temperatura
real para esta mezcla 119879 = 11515385deg119870
TABLA 12 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA POBRE REAL
Temperatura T=1200degK T=1160degK T=1140degK T=1120degK
Sustancia h(kJkmol)
120790119914119926120784 430784 412816 403872 394952
120783 120784120787119926120784 4805875 4627875 453925 445075
120791119919120784119926 399420 383778 376020 327384
120787120783 120789119925120784 19013709 1831731 1797092 17625564
Total 277963365 267460375 26223765 25293999
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
63
III Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten incompleta genera la aparicioacuten de monoacutexido de carbono (CO)
en los productos
119862811986718 + 10625 (1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 375119862119900 + 91198672119874 + 39951198732
De la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg)
Los valores de ℎ119891deg + ℎ de los componentes a la temperatura de 298degK son los que se muestran
en la tabla 13 [75]
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 425(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 375(minus110530 + ℎ119862119900 minus 8669)kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 3995(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
425ℎ1198621198742+375 ℎ119862119900 + 9 ℎ1198671198742+3995ℎ1198732
=14759758 kJkmol
Eacutesta debe resolverse por iteraciones sucesivas Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el
lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de moles obtenieacutendose 14759758 kJ
(425 + 375 + 9 + 3995) 119896119898119900119897= 25917
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente a esta entalpia
la temperatura aproximada siendo T=870degK Realizando un procedimiento similar a las mezclas
anteriores se obtiene la tabla 14 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
64
TABLA 13 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 8682
119925120784 0 8669
119914119926120784 -393520 9364
Co -110530 8669
119919120784119926 -241820 9904
TABLA 14 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA RICA REAL
Temperatura T=860degK T=850degK T=840degK T=830degK T=820degK
Sustancia h(KJKmol)
120786 120784120787119914119926120784 150008 14778525 14556675 1433525 141151
120785 120789120787119914119926 96630 954225 94215 9301125 9181125
120791119919120784119926 272160 268614 265086 261558 258048
120785120791 120791120787119925120784 10231195 10104154 9977113 9850871 9724629
Total 15419175 152223715 150257905 148300885 146347315
Interpolando entre las temperaturas de 830degK y 820degK se obtiene una temperatura de
combustioacuten para esta mezcla de 119879 = 8264deg119870
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten
En el apartado 433 se determinoacute una cantidad de calor liberado por la reaccioacuten quiacutemica de
combustioacuten de Q = 3045170 kJkmol = 26658 kJkg Esta energiacutea en forma de calor se tomaraacute en
cuenta para calcular el coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
Para este anaacutelisis se considera un modo de transferencia de calor por conveccioacuten entre un soacutelido
y un gas adyacente Seguacuten Cengel entre maacutes raacutepido es el movimiento de un fluido mayor es la
transferencia de calor por conveccioacuten [76]
De acuerdo con la ley de Newton del enfriamiento esta forma de transferencia de calor se expresa
mediante la ecuacioacuten honoriacutefica de este autor
119888119900119899119907 = ℎ119860119904( 119879119904 minus 119879infin )
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
65
Doacutende
h = coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
As = aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la
transferencia de calor
Ts = temperatura de la superficie
Tinfin = temperatura de los gases de combustioacuten
Para determinar el aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la conveccioacuten se considera un
cilindro con las dimensiones de la muestra seleccionada con un tamantildeo de 81 mm de diaacutemetro por
864 mm de carrera entonces
As = πDL = π(81 cm)(864 cm) = 2198612cm2 = 2198612x10-4 m2
Es necesario determinar la rapidez o tasa de transferencia de calor para lo cual se determina la
relacioacuten aire combustible para una mezcla con 85 de aire
119903119886119888frasl =
119898119886
119898119888=
119873119886
119873119888
119872119886
119872119888=
(10625)(426)(2897)
114231= 115
119896119892119886119894119903119890
119896119892119888119900119898119887
Doacutende
Na Nc corresponden al nuacutemero de moles del aire y el combustible respectivamente
Ma Mc son la masa molar del aire y la mezcla respectivamente
Desplazamiento por cilindro = V1 ndash V2 = 1800 cm34 = 450 cm3
Relacioacuten de compresioacuten r = 95 =V1V2
Resolviendo se obtiene un volumen inicial V1 = 502941 cm3
Utilizando condiciones iniciales presioacuten de 100 kPa y temperatura de 298degK Mediante la
ecuacioacuten de estado se determina la masa de aire
ma = 11987511198811119872
1198771199061198791
= (100)(5029411990910minus4)(2897)
(8314)(298)= 0000588 k119892
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
66
Con la relacioacuten aire combustible se determina la masa del combustible
119898119888 = 119898119886
119903119886119888=
0000588
115= 000005113 k119892
El calor total liberado durante la combustioacuten es
119876 = 119902119898119888 = 26658119896119869
119896119892(000005113 119896119892) = 1363035 119896119869
El flujo de calor por cilindro para una velocidad del motor de 2700 rpm es
119876 = 1363035119870119869 (1
2119888119894119888119897119900119904
119903119890119907
) (2700119903119890119907
119898119894119899) (1
119898119894119899
60 119904 ) = 306682 119896119882
Esta es la cantidad de flujo de calor que se considera para determinar el coeficiente de
transferencia de calor por conveccioacuten de la siguiente forma
ℎ = 119888119900119899119907
119860119904 ( 119879119904minus119879infin )=
306682 119882
(219861211990910minus41198982)(25minus5533)deg119862= 26398355 119882
1198982deg119862frasl
44 Simulacioacuten
Durante el presente anaacutelisis la geometriacutea de la biela fue elaborada en Solid Works para
posteriormente importarla al software de ANSYS en la simulacioacuten correspondiente Se selecciona
un modelo de malla refinado tal como se muestra en la figura 33 para una solucioacuten precisa y con
resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico - transitorio y estructural
Figura 33Modelo de malla
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
67
Se inicia con un anaacutelisis teacutermico transitorio tomando en cuenta los datos de la muestra del motor
seleccionado asiacute como tambieacuten los resultados obtenidos en el anaacutelisis teacutermico de combustioacuten y por
transferencia de calor El tiempo transitorio se determina con la velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira 2 revoluciones por ciclo termodinaacutemico resultando ser de
004444 segundos El primer resultado muestra la distribucioacuten de temperatura mediante la
transferencia de calor por conveccioacuten tal como se visualiza en la figura 34
Figura 34Distribucioacuten de temperatura
El segundo anaacutelisis es una simulacioacuten estaacutetica estructural vinculada con el anaacutelisis teacutermico
transitorio como se aprecia en la figura 35
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
68
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural es necesario saber la fuerza axial que actuacutea sobre la biela para
lo cual durante el anaacutelisis cineacutetico realizado en el software de Matlab se obtuvieron resultados del
par-motor durante el movimiento de la biela del PMS al PMI El par maacuteximo o torque se obtiene a
los 28deg a parir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de 15380 N Es
importante mencionar que el fabricante estima un par maacuteximo de 300 Nm a 2700 rpm y el
software de Matlab arroja un resultado de 310 Nm La distribucioacuten de temperatura es importada
para el anaacutelisis teacutermico estructural tal como se aprecia en la figura 36
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela
Mediante simulacioacuten final del anaacutelisis de flujo teacutermico-transitorio y estaacutetico-estructural se
obtienen resultados de los esfuerzos principales de Von Mises tal como se visualiza en la figura
37
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
69
Un paraacutemetro comparativo es la resistencia a la cedencia del material recomendado para la
fabricacioacuten de la biela Se utilizoacute para este caso un acero 4140 con una resistencia de 470 MPa
(recosido) y de 862 MPa (normalizado) Durante este tiempo la biela resiste con toda seguridad
el impacto de carga y temperatura Sin embargo la realidad es que normalmente el motor se
mantiene acelerado por maacutes tiempo Por ejemplo considerando que el motor trabaje durante un
minuto a la velocidad de 2700 rpm la solucioacuten que se obtiene mediante ANSYS resulta muy
considerable ya que el sobrecalentamiento se genera por estas causas La solucioacuten obtenida se
muestra en la figura 38
Definitivamente el esfuerzo maacuteximo rebasa el liacutemite de cedencia del material esto implica que
en alguacuten momento la parte maacutes vulnerable de la biela estaraacute propensa a sufrir alguna fractura lo
que comuacutenmente se conoce como ldquodesbielarrdquo el motor Esto es lo que genera mantener un motor
revolucionado aunque tambieacuten existen otras causas que contribuyen al sobrecalentamiento como
un sistema deficiente de lubricacioacuten y enfriamiento que en otro caso pueden considerarse motivo
de una investigacioacuten especiacutefica
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
70
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN
51 Conclusiones relativas a los objetivos
Cumplimiento del Objetivo general ldquoAnalizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas
de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro y cuatro cilindros encendido por chispardquo
A partir de los nuevos conocimientos obtenidos en esta investigacioacuten se puede dar por cumplido
el objetivo general teniendo en cuenta los siguientes elementos
Se realizoacute el anaacutelisis de los elementos que ocasionan la falla en un motor de cuatro tiempos
esto mediante el anaacutelisis cinemaacutetico donde se consideroacute el desplazamiento conforme a la
geometriacutea del motor y la velocidad tomando en cuenta el desplazamiento De igual forma se
tomoacute en cuenta la aceleracioacuten y se realzoacute el anaacutelisis cineacutetico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoIdentificar el comportamiento termo estaacutetico de una
biela en un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por
chispardquo
A eacuteste respecto se identificoacute el comportamiento termo estaacutetico mediante las leyes de la
termodinaacutemica para la eficiencia de un motor Otto ideal asiacute como la comprensioacuten isentroacuteprica
la relacioacuten de comprensioacuten y gases obtenieacutendose la eficiencia teacutermica del ciclo Otto
correspondiente al 60
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoDeterminar la fuerza axial de una biela en un motor de
combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Mediante el anaacutelisis cineacutetico y de las fuerzas alternativas de inercia se da por cumplido el
objetivo especiacutefico La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten
cinemaacutetica Tambieacuten es necesario considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante
el proceso de expansioacuten pues de este resultado se obtiene la fuerza maacutexima que actuacutea sobre el
pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
71
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoObtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para
una reaccioacuten de combustioacuten estequiometricardquo
Mediante el anaacutelisis teacutermico y transferencia de calor se obtuvo la temperatura de flama
adiabaacutetica a partir de los resultados mediante interpolacioacuten Se analizaron los tres tipos de
mezcla para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla estequiomeacutetrica
una mezcla pobre y una mezcla rica En el caso de la mezcla al 100 de aire se obtuvo una
estequiomeacutetrica balanceada donde se hizo la tabulacioacuten de la entalpiacutea con su correspondiente
sustancia al igual que la mezcla pobre obtenieacutendose una temperatura de 119879 = 2248144deg119870
Referente a la mezcla rica se realizoacute la interpolacioacuten entre los valores de 2300degK y 2200degK
resultando una temperatura para esta mezcla de 119879 = 2223305deg119870 por lo que se da por
cumplido este objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoSimular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela
para identificar posibles deformacionesrdquo
Se realizoacute la simulacioacuten con un modelo de malla refinado en el Software de Aplicacioacuten Solid
Works donde posteriormente se importoacute al software ANSYS Se inicioacute con el anaacutelisis teacutermico
transitorio El tiempo transitorio se determina con una velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
Tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira dos revoluciones por ciclo termodinaacutemico este tiempo
resulta ser de 004444 segundos El primer resultado mostroacute la distribucioacuten de temperatura
mediante la transferencia de calor por conveccioacuten
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural se usoacute el software de MATLAB El par maacuteximo
corresponde a 28deg a partir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de
15380 N Es importante mencionar que el fabricante estimoacute un par maacuteximo de 300 Nm a 2700
rpm mientras que el software de MATLAB arrojoacute un resultado de 310 Nm Por lo que se da
por cumplido el objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoElaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de
un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
72
Respecto al anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico se encontroacute que para la fabricacioacuten de la biela es
recomendable la resistencia de la cedencia es decir un acero 4140 con una resistencia de 470
MPa (recosido) y de 862 MPa (normalizado) Con estos paraacutemetros la biela resistiraacute con toda
seguridad el impacto de carga y temperatura
52 Aportaciones originales
La presente investigacioacuten tiene cuatro aportaciones las cuales se describen a continuacioacuten
Un primer aporte de esta investigacioacuten consistioacute en haber realizado un anaacutelisis cinemaacutetico
considerando el desplazamiento la velocidad y aceleracioacuten lo cual fue el objeto de estudio
para producir cambios en la biela de un motor VW Golf MK4 GTI 18T Respecto a la revisioacuten
de las fuentes primarias se encontraron los fundamentos teoacutericos necesarios para la
elaboracioacuten de dicha investigacioacuten que al ser analizado y aplicado dio un diagnoacutestico de la
situacioacuten actual de las fallas de una biela
Una segunda aportacioacuten fue el haber realizado el anaacutelisis estaacutetico estructural para saber la
fuerza axial que actuacutea sobre la biela Para esto durante el anaacutelisis cineacutetico se utilizoacute el software
de MATLAB con el que se obtuvieron resultados del par-motor durante el movimiento de la
biela del PMS al PMI
La tercera aportacioacuten de esta investigacioacuten consistioacute en realizar un anaacutelisis teacutermico por
transferencia de calor para poder identificar la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
considerando tres tipos de mezcla que son 100 de aire mezcla pobre y mezcla rica Asiacute como
la determinacioacuten de la temperatura real de combustioacuten y sus mezclas correspondientes para
obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiometrica
La cuarta aportacioacuten de esta investigacioacuten fue la generacioacuten de la geometriacutea de la biela usando
el software en Solid Works posteriormente importada al software de ANSYS la obtencioacuten de
una solucioacuten precisa y con resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico transitorio y estructural
|
53 Recomendaciones para futuros estudios
Se recomienda para futuros estudios profundizar en la temaacutetica de mecaacutenica Los problemas que
deja abiertos esta investigacioacuten para futuros estudios son los siguientes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
73
Se evidencia la necesidad de que las empresas dedicadas a la fabricacioacuten de piezas mecaacutenicas
establezcan paraacutemetros y realicen simulaciones adecuadas de las piezas que conforman los
autos para que no tengan fallas en un futuro
Se recomienda realizar investigaciones en el aacuterea de mecaacutenica que deacute seguimiento a las liacuteneas
de investigacioacuten de termo fluidos y disentildeo implementando un laboratorio de pruebas de
motores de combustioacuten interna que aunado a la simulacioacuten los resultados seriacutean maacutes eficientes
Difusioacuten de los resultados de esta investigacioacuten con la presentacioacuten de los mismo en congresos
y revistas
Finalmente se recomienda realizar investigaciones correspondientes a las fallas mecaacutenicas
diferentes a las abordadas en este estudio en relacioacuten con los motores de combustioacuten interna y
los factores que inciden negativamente
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
74
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Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
80
ANEXOS
ANEXO I
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y utilizando la nomenclatura de la figura 22 se determinaron el
desplazamiento velocidad y aceleracioacuten correspondientes por medio del software de MATLAB
El anaacutelisis completo corresponde al movimiento alternativo durante un ciclo termodinaacutemico
DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN
Programa para determinar el desplazamiento ldquoxrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de
360 grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
81
ANEXO II
VELOCIDAD DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la velocidad ldquovrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
82
ANEXO III
ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la aceleracioacuten ldquoardquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
83
ANEXO IV
FUERZAS ALTERNATIVAS
En el anaacutelisis cineacutetico las fuerzas alternativas representan parte de la carga que actuacutea en el
pistoacuten considerando la aceleracioacuten del mismo en la segunda ley de Newton Se utilizoacute el
software de MATLAB durante este anaacutelisis
Programa para determinar las fuerzas alternativas de primer orden y segundo orden durante un
movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
84
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL DESPLAZAMIENTO
LA VELOCIDAD LA ACELERACIOacuteN Y FUERZAS ALTERNATIVAS DE INERCIA ES
syms x
Longitud de la Biela
L=144
Radio De La Manivela
r=0432
Carrera Del Piston
C=2r
Angulo entre eje de la biela con Cilindro (beta)
b=0
lamda=rL
________DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Deslizamiento angular de la Manivela (alpha)
a = 0pi184pi
Desplazamineto del Piston
x=r(1-cos(a))+L((1-(lamda^2)(sin(a))^2))^12
x=r(1-cos(a))
y=010720
subplot(221)
plot(yx)
ylabel(Desplazamiento Del Piston (m))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________VELOCIDAD DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Velocidad del Piston
V=diff (x)
y=010710
subplot(222)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
85
plot(yV)
ylabel(Velocidad Del Piston (ms))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Aceleracioacuten del Piston
A=diff (V)
y=010700
subplot(223)
plot(yA)
ylabel(Aceleracioacuten Del Piston (ms^2))
xlabel(GRADOS)
grid on
Masa
m=660
Revoluciones Por Minuto
n=2700
Velocidad Angular
W=(2pin)60
lamda=rL
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE PRIMER ORDEN_________
F1=m(W^2)rcos(a)biela de longitud infinita
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE SEGUNDO ORDEN_________
F2=m(W^2)rlamdacos(2a)biela de longitud infinita
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
86
F2=m(W^2)r(cos(a)+lamdacos(2a))biela de longitud finita
y=010720
subplot(224)
plot(yF1r-yF2b-)
ylabel(Fuerzas Alternativos (N))
xlabel(GRADOS)
legend(Fza Inercia 1deg Orden Fza Inercia 2deg Orden)
grid on
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
87
ANEXO V
ANAacuteLISIS DE LA FUERZA EN LA BIELA
Programa para determinar la fuerza durante el movimiento alternativo del pistoacuten
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA LA FUERZA EN LA
BIELA ES
Diagrama Par-Motor
function[F]=Fbexplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00432
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
88
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Fb=F(1-(lambda^2)(sin(alphar))^2)^05
plot(alphaFb)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Fuerza en la Biela N))
title(Fb Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
89
ANEXO VI
DIAGRAMA PAR-MOTOR
Programa para determinar el par-motor durante el movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
90
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL PAR-MOTOR ES
Diagrama Par-Motor
function[Mt1]=ParMotorExplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00437
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Mt1=Fr(sin(alphar))+(((lambdasin(alphar)))cos(alphar))(sqrt(1-
lambda^2((sin(alphar))^2)))
plot(alphaMt1)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Par Motor(Nm))
title(Par Motor Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
91
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
92
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
I
DEDICATORIAS
Dedico el presente trabajo con todo mi carintildeo a la memoria de mis padres Elena y Merced pues la
mejor herencia percibida se plasma en la formacioacuten profesional legado de la visioacuten que siempre
tuvieron que el mejor camino para el logro de nuestras metas es la educacioacuten Tambieacuten en memoria
de mi hermana Margarita por la dedicacioacuten e iacutempetu incondicional por parte de ella Y toda mi
familia por estar siempre presentes
Ademaacutes a todas las personas que de manera directa o indirectamente contribuyeron a el logro de
esta meta profesional y personal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
II
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a la Fundacioacuten Telmex por darme la oportunidad de formar parte de tan distinguida
organizacioacuten y por el apoyo recibido durante el periodo de permanencia del programa de posgrado
de maestriacutea
Asiacute mismo reconozco el apoyo recibido por medio del Instituto Tecnoloacutegico de Pachuca y por ende
del Tecnoloacutegico Nacional de Meacutexico y al Consejo de Posgrado por su paciencia y dedicacioacuten en
especial al Dr Celerino por su comprensioacuten y amistad incondicional
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
III
IacuteNDICE DE CONTENIDO
DEDICATORIAS I
AGRADECIMIENTOS II
IacuteNDICE DE CONTENIDO III
IacuteNDICE DE FIGURAS VI
IacuteNDICE DE TABLAS VII
RESUMEN VIII
ABSTRACT IX
INTRODUCCIOacuteN 1
1 Planteamiento del problema 1
1 Propoacutesito de la investigacioacuten 2
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten 3
3 Objetivos 4
31 Objetivo general 4
32 Objetivos especiacuteficos 4
4 Alcances 4
5 Organizacioacuten del estudio 5
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE 6
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 10
21 Conceptualizacioacuten del motor 10
22 Clasificacioacuten de motores 11
221 Motores eleacutectricos 11
222 Motores teacutermicos 12
223 Motores hiacutebridos 12
224 Motores de combustioacuten externa 13
23 Motores de combustioacuten interna 14
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna 15
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna 16
24 Conceptualizacioacuten de la biela 16
241 Elementos de una biela 17
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela 18
243 Fallas en las bielas del motor 19
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IV
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten 19
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal 21
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes 22
271 Clasificacioacuten de los cojinetes 23
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos 25
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos 25
29 Sistema de encendido 27
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa 27
292 Ventajas de la inyeccioacuten directa 28
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa 28
294 Descripcioacuten del proceso de encendido 29
495 Componentes del sistema de encendido 30
210 Sobrecalentamiento 30
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor 32
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor 33
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor 33
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico 34
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA 36
31 Enfoque de la investigacioacuten 36
32 Alcance de la investigacioacuten 37
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis 38
34 Disentildeo de la investigacioacuten 39
35 Seleccioacuten de la muestra 40
36 Recoleccioacuten de datos 41
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos 42
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS 43
41 Generalidades 43
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T 44
421 Aplicaciones del 18T 44
43 Anaacutelisis de datos 45
431 Anaacutelisis cinemaacutetico 45
432 Anaacutelisis cineacutetico 48
433 Anaacutelisis termodinaacutemico 50
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
V
434 Temperatura real de combustioacuten 59
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten 64
44 Simulacioacuten 66
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN 70
51 Conclusiones relativas a los objetivos 70
52 Aportaciones originales 72
53 Recomendaciones para futuros estudios 72
REFERENCIAS 74
ANEXOS 80
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS 91
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VI
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 1Estado del arte 9
Figura 2 Motor eleacutectrico 11
Figura3 Motor hiacutebrido 12
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas) 13
Figura 5 Motor de combustioacuten interna 14
Figura 6Biela 17
Figura 7 Partes de la biela 18
Figura8 Pistoacuten 19
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela 20
Figura 10Ciguentildeal 21
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal 22
Figura 12Cojinetes 22
Figura 13Cojinetes de friccioacuten 24
Figura 14Cojinetes de rodamiento 24
Figura 15Motor de cuatro tiempos 25
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos 26
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa 27
Figura18 Sistema de encendido 29
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo 36
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna 43
Figura 21VW Golf 44
Figura 22 Nomenclatura 45
Figura 23 Desplazamiento 46
Figura 24Velocidad del pistoacuten 47
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten 47
Figura 26Fuerzas alternativas 48
Figura 27 Fuerzas en la biela 49
Figura 28Diagrama par-motor 49
Figura 29Par-motor de explosioacuten 50
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen 51
Figura 31 Eficiencia teacutermica 53
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor 55
Figura 33Modelo de malla 66
Figura 34Distribucioacuten de temperatura 67
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural 67
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela 68
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela 68
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela 69
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VII
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Conceptualizacioacuten de variable 39
Tabla 2 Caracteriacutesticas del motor 40
Tabla 3 Porcentaje de composicioacuten quiacutemica del acero usado 41
Tabla 4 Tratamiento teacutermico y propiedades mecaacutenicas 41
Tabla 5 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica 56
Tabla 6 Valores de entalpiacutea para mezcla pobre 57
Tabla 7 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica 57
Tabla 8 Valores de entalpiacutea para mezcla rica 58
Tabla 9 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla teoacuterica real 60
Tabla 10 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica real 61
Tabla 11 entalpia de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla pobre real 62
Tabla 12 Valores de entalpiacuteas para mezcla pobre real 62
Tabla 13 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica real 64
Tabla 14 Valores de entalpiacuteas para mezcla rica real 64
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VIII
RESUMEN
Esta investigacioacuten es de tipo y alcance exploratorio descriptivo correlacional y explicativo con un
enfoque mecaacutenico y cuantitativo Que tiene la finalidad de identificar las fallas en una biela que es
una parte moacutevil de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido
por chispa (ECH) accionado con octano Mediante el anaacutelisis del comportamiento teacutermico y
estructural del objeto de estudio de esta investigacioacuten con base en los tres posibles diagramas para
mezclas de aire combustible estequiomeacutetrica rica y pobre y mediante el anaacutelisis de transferencia
de calor por conveccioacuten se determina el coeficiente correspondiente para cuando la biela es
sometida a sobrecalentamiento Subsecuentemente se realizaron los anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico
con base caracteriacutesticas del motor VW Golf MK4 Gti 18T utilizando el software de MATLAB
Posteriormente se generoacute la geometriacutea de la biela con dimensiones reales en el software
SOLIDWORKS por uacuteltimo se simulo el comportamiento y reaccioacuten la biela tanto para un flujo
teacutermico transitorio como estructural en ANSYS Los resultados obtenidos muestran que los
esfuerzos y deformaciones en la biela en comparacioacuten con los liacutemites de cedencia del material se
encuentran dentro de los liacutemites permisibles ademaacutes de la identificacioacuten de los puntos vulnerables
a una posible falla o fractura
Palabras clave biela motor de combustioacuten interna sobrecalentamiento termo-estaacutetico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IX
ABSTRACT
This research is of type and scope exploratory descriptive correlational and explanatory with
a mechanical and quantitative approach Which has the purpose of identifying the faults in a
connecting rod that is a moving part of a four-stroke internal combustion engine and four cylinders
ignition by spark powered by octane When analyzing the thermal and structural behavior of the
object of study of this research based on the three possible diagrams for combustible air mixtures
stoichiometric rich and poor and by analysis of heat transfer by convection the corresponding
coefficient is determined for when the connecting rod is subjected to overheating Subsequently
kinetic and kinematic analyzes were performed based on the characteristics of the VW Golf MK4
Gti 18T engine using the MATLAB software Following the geometry of the connecting rod with
real dimensions was generated in the SOLIDWORKS software Finally the behavior and reaction
of the connecting rod were simulated both for transient and structural thermal flow in ANSYS
The results obtained show that the efforts and the deformations in the connecting rod in
comparison with the performance limits of the material are within the permissible limits in
addition to the identification of the vulnerable points before a possible failure or fracture
Keywords connecting rod internal combustion engine overheating thermo-static
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
1
INTRODUCCIOacuteN
Los motores de combustioacuten interna son los maacutes usados en los automoacuteviles los cuales en
ocasiones presentan fallas mecaacutenicas tan diversas como la cantidad de componentes del motor
Diferentes autores han determinado dentro de la diversidad de problemas relacionados con la biela
del motor los siguientes la fatiga el pasador que conecta a la biela del pistoacuten el cual recibe una
gran cantidad de desgaste el motor revolucionado el agua que ingresa al cilindro del motor en el
momento de la chispa la cual puede ocasionar que la biela se doble y deformaciones de la biela por
sobrecalentamiento por ello es importante que el sistema de lubricacioacuten se encuentre en buen
estado Asociado a esto es importante que se verifique el tratamiento teacutermico de los ciguumlentildeales de
tal forma que se tenga una resistencia adecuada Que en caso de presentarse alguno de estos
problemas la reparacioacuten del motor implica no solo la reposicioacuten de la biela sino de todas las piezas
afectas e incluso el cambio o restitucioacuten completa del motor
1 Planteamiento del problema
Preferentemente cuando se realiza la reparacioacuten de un motor de auto se debe comprobar el
estado de todas las piezas moacuteviles y fijas antes de la realizacioacuten de un trabajo de verificacioacuten pero
en la mayoriacutea de ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa revisioacuten de su estado
Una biela es un elemento fundamental en el funcionamiento de un motor ya que trasforma la
energiacutea quiacutemica generada por la combustioacuten en una energiacutea cineacutetica siendo el enlace entre la
absorcioacuten de la energiacutea mecaacutenica por lo que la biela es el elemento maacutes tensionado de un motor
y su correcto disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes Por lo anterior la biela es robusta en su
disentildeo pero a la vez debe ser lo maacutes ligera posible para reducir la inercia y soportar los esfuerzos
mecaacutenicos a los que se encuentra sometida [1]
La biela soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del
ciguumlentildeal hacia arriba un trabajo realmente duro el que realiza la biela Se construye de acero
forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al material aguantar ese inmenso
trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta conseguir la forma de la biela
[2]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
2
Asociado a esto al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentan desgastes excesivos y prematuros los cuales pueden ocasionar una falla es por esto
importante considerar un buen sistema de lubricacioacuten durante el funcionamiento del motor La
temperatura en la caacutemara de combustioacuten debe ser superior a los 2000 degK siendo eacutesta una
temperatura instantaacutenea pues disminuye durante el tiempo de expansioacuten y escape de gases Es por
lo tanto necesario disipar el calor producido en la explosioacuten y si el sistema no funciona
correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como consecuencia
deformaciones importantes por sobrecalentamiento [3]
Una biela arqueada o retorcida sobre su eje provoca un ruido en el motor y este arqueamiento es
ocasionado por un diaacutemetro excesivo en el pie o cabeza de la biela o por un peso inadecuado del
elemento [4] En la rectificacioacuten de un motor de combustioacuten interna se rectifican 21 brazos de biela
en un mes lo que significa que estos elementos no son cambiados ya que los brazos de biela estaacuten
disentildeados para tener una vida infinita y estaacute sometido a millones de repeticiones de ciclos de carga
[5]
Es pertinente mencionar que con relacioacuten a las fallas mecaacutenicas de los motores relacionadas a la
biela de un motor se han encontrado investigaciones realizadas en diversos paiacuteses como Ecuador
Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico las cuales se detallan en apartados posteriores Que
conjuntamente a la constante evolucioacuten tecnoloacutegica de la ingenieriacutea en general y el disentildeo
mecaacutenico en particular se decidioacute analizar cuaacuteles son los factores que influyen en el
comportamiento de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) Se
plantea entonces el siguiente problema de investigacioacuten
iquestCuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor de VW1 Golf MK4 Gti
18 T
1 Propoacutesito de la investigacioacuten
El propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar y analizar el comportamiento
termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) que
1 VW Agencia de Autos VolksWagen
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
3
es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico La finalidad es identificar las
fallas de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros
encendido por chispa accionado por gasolina que sirva de apoyo para el buen funcionamiento de
la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten
Frecuentemente la reparacioacuten de un auto depende del cuidado y buen mantenimiento que se deacute
al vehiacuteculo caso contrario esto va influir en el desgaste anticipado de los elementos fijos y moacuteviles
de un motor Ademaacutes en muchas ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa
revisioacuten de su estado o de un anaacutelisis de sus propiedades mecaacutenicas Por tales razones la
justificacioacuten de la presente investigacioacuten estaacute basado en diferentes aspectos los cuales se describen
a continuacioacuten
Conveniencia Reparar el motor tiene varias fases y las fallas tienen diferentes consecuencias
por lo cual hay que hacer un buen diagnoacutestico en cada una de sus piezas principalmente en las
bielas sin embargo no se conoce especiacuteficamente cuales son los problemas que origina la
falla de esta pieza El resultado esperado para la presente investigacioacuten seraacute realizar un anaacutelisis
termo-estaacutetico que permitiraacute identificar los esfuerzos y deformaciones para tomar decisiones
acertadas y precauciones de riesgo que puede generar el sobrecalentamiento del motor
Implicacioacuten praacutectica El analizar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un
motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa
permitiraacute determinar la fuerza axial para posteriormente identificar la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica Con estos datos junto con la simulacioacuten de la geometriacutea estaacutetica y
estructural de la biela permitiraacuten identificar posibles deformaciones Los resultados podraacuten
confirmar su aplicabilidad ya que ayudaraacuten a tomar precauciones importantes para que el
motor tenga un excelente funcionamiento evitando riesgos fatales que pueden extenderse a la
destruccioacuten total del motor Se evidenciaraacute la necesidad de maacutes investigaciones destacaacutendose
los beneficios de la simulacioacuten poniendo en evidencia su relevancia social y su practicidad
Finalmente este estudio participa en el avance positivo en el campo de la ingenieriacutea mecaacutenica
Relevancia Social Al tener una posible solucioacuten aproximada mediante el anaacutelisis del
elemento finito el anaacutelisis estructural de la fuerza sobre la biela y la realizacioacuten de la
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
4
simulacioacuten para esfuerzos y deformaciones se podraacuten tener productos de calidad a menor
costo mejorar los procesos existentes y tambieacuten estudiar fallos de un componente estructural
o un equipo teniendo un impacto positivo debido a que permitiraacute que el motor de combustioacuten
interna tenga menos dantildeos
Valor Teoacuterico La elaboracioacuten del trabajo de investigacioacuten traeraacute como beneficio
herramientas metodoloacutegicas para estudios relacionados con las ciencias exactas
contribuyendo con aportes significativos a la aplicacioacuten de la teoriacutea de motores de combustioacuten
interna lo que permitiraacute el enriquecimiento de la ingenieriacutea mecaacutenica
3 Objetivos
31 Objetivo general
Analizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor VW Golf MK4
Gti 18T
32 Objetivos especiacuteficos
Identificar el comportamiento termo - estaacutetico de la biela en un motor de combustioacuten interna
de 4 tiempos y 4 cilindros encendido por chispa
Determinacioacuten de la fuerza axial que actuacutea en una biela en un motor VW Golf MK4 Gti 18T
Obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiomeacutetrica
Identificar posibles deformaciones de la biela con base en la simulacioacuten de su geometriacutea
estaacutetica y estructural
Elaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de un motor VW Golf MK4 Gti 18T
4 Alcances
La investigacioacuten se realizoacute en una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos
y cuatro cilindros encendido por chispa
Se trabajaron las etapas de anaacutelisis termo - estaacutetico y determinacioacuten de la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica dentro de la caacutemara del cilindro
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
5
Para la realizacioacuten de estas etapas se utilizoacute el software SolidWorks para generar la geometriacutea
real de la biela Se utilizoacute asiacute mismo ANSYS para la simulacioacuten estaacutetica estructural para
identificar esfuerzos y deformaciones de la biela
5 Organizacioacuten del estudio
El desarrollo de esta investigacioacuten comprende cinco capiacutetulos los cuales se describen a
continuacioacuten
Capiacutetulo 1 Estado del Arte la descripcioacuten de las investigaciones relacioacuten a las fallas
mecaacutenicas de los motores relacionadas a la biela de un motor relacionadas en diversos paiacuteses
como Ecuador Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico
Capiacutetulo 2 Marco Teoacuterico se desarrolla inicialmente el marco conceptual sobre las bielas los
componentes de las bielas anaacutelisis estaacutetico y teacutermico motor de combustioacuten haciendo eacutenfasis en
el disentildeo mecaacutenico de una biela
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea se abordan los aspectos metodoloacutegicos de la investigacioacuten como son
enfoque alcance formulacioacuten de hipoacutetesis disentildeo seleccioacuten de la muestra recoleccioacuten de datos
y el procesamiento y anaacutelisis de datos
Capiacutetulo 4 Anaacutelisis e interpretacioacuten de Resultados se analizan e interpretan los resultados
obtenidos en las pruebas de simulacioacuten
Capiacutetulo 5 Conclusiones y Recomendaciones se presentan las conclusiones
recomendaciones y aportaciones de la experiencia adquirida durante la investigacioacuten realizada
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
6
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE
Como ya se mencionoacute anteriormente el propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar
y analizar el comportamiento termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa (ECH) que es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico
Y con la finalidad de identificar las fallas de la biela y que estos resultados sirvan de apoyo para el
buen funcionamiento de la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
Resultado de la buacutesqueda sobre las investigaciones relacionadas con el propoacutesito de esta
investigacioacuten Se encontroacute que en Ecuador Reyes Cantildeizares y Villacres [6] realizaron un estudio
el cual consistioacute en analizar un brazo de biela de un motor que ha alcanzado el kilometraje
necesario para una reparacioacuten y no presenta ninguna falla en su estructura y comparar los
resultados con el brazo de una biela nueva Para desarrollar este anaacutelisis realizaron un ensayo de
traccioacuten bajo la norma ASTM con el fin de obtener los valores del liacutemite de fluencia y la resistencia
a la traccioacuten del material del que estaacute hecho el elemento A partir de los resultados obtenidos los
valores praacutecticos de las propiedades mecaacutenicas de los brazos de biela cumplen con los datos
teoacutericos del tipo de material del cual estaacuten fabricadas A su vez se demostroacute que el brazo de biela
de un vehiacuteculo con un recorrido de 1197599 km mejoroacute su estructura y sus propiedades
mecaacutenicas debido a la temperatura de los ciclos de trabajo del motor que van entre los 800 y 950
degC Los resultados mostraron que las propiedades mecaacutenicas del elemento mejoraron con el tiempo
y con la temperatura de funcionamiento del motor debido al tratamiento teacutermico de normalizacioacuten
A partir de los anaacutelisis realizados se determinoacute que el brazo de biela usado se encuentra en
condiciones oacuteptimas para ser utilizado en una reparacioacuten de motor asegurando asiacute el adecuado
funcionamiento y evitando el reemplazo del elemento lo que dio como resultado un ahorro
econoacutemico
Estudios elaborados en Brasil por Valdeacutez et al [7] indican que los motores de combustioacuten
interna son los maacutes usuales en los automoacuteviles y sirven para producir fuerza Entre los problemas
que se han encontrado son las fallas de las bielas relacionadas con otras fallas y especiacuteficamente
de los ciguumlentildeales los cuales fueron analizados dando un incorrecto rectificado de los muntildeones
produciendo alta generacioacuten de calor sobre las superficies en contacto originando pequentildeas fisuras
por fatiga teacutermica El valor de dureza promedio obtenido del nuacutecleo del ciguumlentildeal fue de 26 puntos
en la escala Rockwell C que equivale aproximadamente a 255 puntos en la escala Brinell y a una
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
7
resistencia de 85 kgmm2 Se concluye que el tratamiento teacutermico de bonificado realizado sobre el
ciguumlentildeal se desarrolloacute fuera de las normas obtenieacutendose una resistencia menor al liacutemite miacutenimo
recomendado De los resultados del anaacutelisis metalograacutefico se pudo identificar la presencia de
austenita retenida cuya proporcioacuten afecta inversamente la dureza y la resistencia final En los
resultados que se obtuvieron los autores mencionan que es necesario realizar un tratamiento
teacutermico de endurecimiento superficial como la nitruracioacuten Tambieacuten recomiendan estudiar la
bitaacutecora del tratamiento teacutermico utilizado en la produccioacuten del ciguumlentildeal con el fin de identificar
la etapa del tratamiento teacutermico que presenta el problema [8]
De igual forma indagaciones elaboradas en Argentina por Cravino et Al [9] mencionan que
existen diversos problemas cuando llegan a tener fallas las bielas de un motor por lo que los
autores mencionan que analizaron las dificultades desde el punto de vista dimensional metaluacutergico
y mecaacutenico a fin de determinar las causas probables de dichas fallas Seguacuten los resultados
obtenidos el material de la biela corresponde a un acero del tipo SAE 1141 que no concuerda con
el requerido por el fabricante No se encontraron defectos microestructurales o superficiales en el
material asociados con la falla La superficie de fractura presenta un comienzo deacutebil que finaliza
con las caracteriacutesticas fibrosas de un proceso duacutectil La causa probable de la falla del componente
se atribuye a una sobrecarga que produjo superacioacuten en el liacutemite elaacutestico del material y que
posteriormente dio lugar al pandeo plaacutestico del componente variando su geometriacutea y
fracturaacutendose totalmente Esta falla se debioacute a que el elemento estuvo sometido a un esfuerzo
mayor al que corresponderiacutea en condiciones normales de funcionamiento
Estudios realizados en Espantildea por Gonzaacutelez [10] mencionan que la naturaleza de las fuerzas que
afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de inercia En la
investigacioacuten sobre el disentildeo de una biela el autor utilizoacute el software de aplicacioacuten Working Model
que ayudoacute para el anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico mediante la simulacioacuten La finalidad fue calcular
las fuerzas aplicadas en la cabeza y el pie de la biela para posteriormente hacer un anaacutelisis de
elementos finitos que definieran los esfuerzos En los resultados obtenidos se logroacute disminuir la
longitud de la biela la cual permitioacute compactar maacutes el motor y reducir su peso De esta forma el
consumo y las emisiones del motor seraacuten menores que es uno de los grandes objetivos actualmente
de la industria automoviliacutestica Al realizar la simulacioacuten para el pandeo de la biela se aplicoacute un
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
8
valor de α2=2 obteniendo una carga criacutetica de pandeo de 3799522 N por lo que la carga para
evitar el fenoacutemeno de pandeo es σpandeo3 = 15663 MPa Con estos datos el autor afirma que la
biela no va a sufrir pandeo en ninguacuten caso considerando ademaacutes que el cuerpo estaacute
sobredimensionado
Aunado a lo anterior investigaciones realizadas en Meacutexico por Espinoza indican que las fallas
de los autos se deben al kilometraje recorrido de los cuales causan desgastes inevitables para el
motor provocando todo tipo de fallas incluyendo los de las bielas Los propietarios de los
vehiacuteculos necesitan por lo tanto recurrir a expertos que reparen los vehiacuteculos y garanticen su
funcionamiento [11] En el Estado de Meacutexico en especial en la zona de Texcoco se cuenta con
talleres que se encargan de la reparacioacuten de vehiacuteculos en general Eacutestos aun cuando ofrecen el
servicio de reparacioacuten de motores no trabajan directamente con este tipo de especiacutefico de
reparacioacuten sino que acuden a talleres especializados en rectificacioacuten para remediar los dantildeos
internos en los mismos Muchas veces no se dedican a la reparacioacuten de fallas de bielas debido a
que existen muchos factores que influyen en este tipo de descompostura En los motores la
principal fuente de energiacutea es la gasolina que es el combustible empleado con mayor frecuencia
por lo tanto es importante la calidad de ella para el oacuteptimo funcionamiento [12]
De igual forma Riesco et al [13] en estudios realizados en Hidalgo para comparar los modelos
de transferencia de calor y duracioacuten de la combustioacuten en el comportamiento de los ciclos
termodinaacutemicos de los motores de combustioacuten interna alternativos Dentro de los resultados
obtenidos los autores mencionan que los ciclos de aire estaacutendar con leyes de quemado permiten
tener resultados maacutes aproximados a los reales que los ciclos teoacutericos de aire estaacutendar Esto se debe
principalmente a que con los meacutetodos de simulacioacuten se toman en cuenta las peacuterdidas de energiacutea
por refrigeracioacuten y no se supone que la adicioacuten de calor se realice a presioacuten o volumen constante
sino que su velocidad se controla mediante expresiones empiacutericas Los resultados muestran que la
eleccioacuten tanto del modelo de transferencia de calor como el de la duracioacuten de la combustioacuten es
muy subjetiva y debido a que los sistemas de los motores se cambian contantemente se deberaacuten
ajustar las constantes que aparecen en dichos modelos para cada motor en particular
2 Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente a PMS 3 Inestabilidad elaacutestica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos y que se manifiesta por la aparicioacuten de
desplazamientos importantes transversales a la direccioacuten principal e compresioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
9
Figura 1Estado del arte
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
10
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
Un auto estaacute compuesto por diferentes piezas entre las cuales se encuentran filtro de aire
carburador distribuidor bomba de gasolina bobina de encendido filtro de aceite bomba de aceite
caacuterter aceite lubricante toma de aceite cables de alta tensioacuten de bujiacuteas bujiacutea balanciacuten muelle de
vaacutelvula vaacutelvula de escape vaacutelvula de admisioacuten lumbrera de admisioacuten caacutemara de combustioacuten
varilla empujadora aacuterbol de levas aros de pistoacuten pistoacuten biela buloacuten ciguumlentildeal muacuteltiple de escape
refrigeracioacuten del motor varilla medidora de aceite volante y motor de arranque
21 Conceptualizacioacuten del motor
La palabra motor proviene del latiacuten motoris que significa mover y en lo que se refiere a
automoacuteviles estos se encuentran disentildeados por varios elementos entre los cuales se encuentran los
motores el cual da vida a un auto sin eacutel no hay movimiento Un automoacutevil utiliza una fuente de
energiacutea mecaacutenica para poder moverse la cual se obtiene mediante una transformacioacuten de otros tipos
de energiacutea dentro del motor como la eleacutectrica de combustioacuten o la combinacioacuten de ambas
Seguacuten Renzo [14] el motor de un auto es un motor de combustioacuten interna el cual obtiene energiacutea
mecaacutenica desde la energiacutea quiacutemica que se genera cuando explota el combustible en el interior El
motor estaacute formado por un conjunto de caacutemaras de combustioacuten llamadas cilindros dentro de las
cuales se producen sus cuatro tiempos de funcionamiento admisioacuten compresioacuten explosioacuten y
escape
Para Fersainz [15] un motor es una maacutequina que convierte el calor producido por la explosioacuten
(en el caso de los de gasolina) o la combustioacuten (en el caso de dieacutesel) del combustible en un
movimiento con suficiente fuerza para que las ruedas giren y el vehiacuteculo pueda desplazarse El
autor menciona que en los motores convencionales los autos se ponen en movimiento debido a
una chispa que se genera en la mezcla de vapor de combustible y aire comprimido dentro de un
cilindro sellado haciendo que la mezcla se queme raacutepidamente y proporciona energiacutea
Se puede concluir que un motor es una maacutequina compuesta por varios elementos el cual puede
proporcionar energiacutea utilizando alguacuten tipo de combustible para que tenga un funcionamiento
adecuado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
11
22 Clasificacioacuten de motores
Existen diferentes tipos de motores entre los cuales se encuentran los eleacutectricos los teacutermicos
eacutestos se subdividen en motores de combustioacuten externa e interna y los hiacutebridos Los cuales se
describen a continuacioacuten
221 Motores eleacutectricos
En este tipo de autos el combustible utilizado es la electricidad Eacutesta se convierte en energiacutea
mecaacutenica mediante una interaccioacuten entre campos magneacuteticos opuestos generados por imanes y un
conductor de electricidad Debido a una constante atraccioacuten y repulsioacuten magneacutetica entre ellos se
produce una rotacioacuten continua dentro del motor generando energiacutea necesaria para el movimiento
del vehiacuteculo [16] La figura 2 muestra un motor eleacutectrico
Para Enriquez [17] los motores eleacutectricos representan los caballos de batalla de la industria y
del movimiento en general Su uso se da ademaacutes en hospitales escuelas edificios de oficinas y
centros comerciales en donde se usan para aplicaciones en suministro de agua calefaccioacuten
enfriamiento y muchas otras rutinas de trabajo Estos motores son usados en los automoacuteviles
modernos aunque son maacutes complejos que el simple cableado eleacutectrico y se usan en casi todos los
aspectos operativos del automoacutevil [18]
Un motor eleacutectrico transforma la energiacutea eleacutectrica en energiacutea mecaacutenica para impulsar el
funcionamiento de una maacutequina [19]
Figura 2 Motor eleacutectrico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
12
Se puede concluir que un motor eleacutectrico es una maacutequina que tiene la capacidad de transformar
energiacutea eleacutectrica en mecaacutenica de tal forma que permita el movimiento de un vehiacuteculo Su tamantildeo
y su volumen es reducido y su potencia puede ser alta
222 Motores teacutermicos
Los motores teacutermicos son maacutequinas que tienen por objeto transformar energiacutea caloriacutefica en
energiacutea mecaacutenica directamente utilizable [20] Eacutestos se clasifican en motores de combustioacuten
externa y motores de combustioacuten interna los cuales se describen en las secciones 224 y 23
respectivamente
223 Motores hiacutebridos
Un sistema hiacutebrido se basa en una fuente de combustioacuten interna de gasolina combinado con un
motor eleacutectrico para propulsar el vehiacuteculo tal como se visualiza en la figura 3
Este tipo de motor reduce las emisiones y aumenta la eficiencia de combustible Los vehiacuteculos
hiacutebridos utilizan la energiacutea mucho maacutes eficientemente que los sistemas de gasolina convencionales
[19] Se denomina motor hiacutebrido a un vehiacuteculo en el cual la energiacutea eleacutectrica que lo impulsa
proviene de bateriacuteas y de un motor de combustioacuten interna que mueve un generador Entre sus
ventajas se encuentran 1) su autonomiacutea ya que eacutesta depende del combustible almacenado en el
tanque 2) tiene un alto y uniforme rendimiento incluso a bajas temperaturas 3) el motor de
combustioacuten interna funciona bajo un estrecho margen de carga y velocidad lo que incrementa su
eficiencia [21]
Figura3 Motor hiacutebrido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
13
Para Chang [22] un motor hiacutebrido es aquel que combina un motor de combustioacuten interna y un
motor eleacutectrico los cuales tienen una mayor eficiencia energeacutetica y esto se debe a que este tipo de
motores son maacutes pequentildeos y por lo tanto consumen poca energiacutea
Por lo expuesto anteriormente se puede decir que un motor hiacutebrido es aquel que tiene una
combinacioacuten de un motor de combustioacuten interna y un motor eleacutectrico Esta combinacioacuten optimiza
su funcionamiento para un mejor rendimiento
224 Motores de combustioacuten externa
En la figura 4 se muestra un ejemplo de motor de combustioacuten externa Al igual que los motores
de combustioacuten interna son motores teacutermicos en los cuales el motor alcanza un estado teacutermico
mayor mediante la transmisioacuten de energiacutea teacutermica [23]
Su principal funcioacuten es hacer trabajo mecaacutenico a expensas de la expansioacuten y contraccioacuten de un
gas en un recinto cerrado El motor cuenta con un desplazador que hace que el gas pase de la zona
friacutea a la zona caliente y luego a la zona friacutea nuevamente producieacutendose consecuentemente su
tendencia a la expansioacuten y su posterior contraccioacuten [24]
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
14
Los motores de combustioacuten externa seguacuten Meza [24] son maacutequinas que realizan una conversioacuten
de energiacutea caloriacutefica en energiacutea mecaacutenica El rendimiento teacutermico de estos los motores se ve
limitado por varios factores principalmente por la peacuterdida de energiacutea por la friccioacuten y la
refrigeracioacuten
23 Motores de combustioacuten interna
Un motor de combustioacuten interna es un motor teacutermico en el cual se produce una combustioacuten del
fluido del motor transformando la energiacutea quiacutemica en teacutermica a partir de la cual se obtiene energiacutea
mecaacutenica Un ejemplo de este tipo de motor se aprecia en la figura 5
Estos motores tienen como principal fuente de energiacutea la gasolina Eacuteste es el combustible
empleado con mayor frecuencia por lo que es importante su calidad para un oacuteptimo
funcionamiento Un buen combustible debe tener un octanage aceptable ya que la gasolina debe
explotar dentro del cilindro para generar el movimiento del pistoacuten [26]
Este tipo de motores transforma el calor generado por el combustible ya sea dieacutesel o gasolina
en movimiento mecaacutenico del automoacutevil Durante este proceso el oxiacutegeno del aire se mezcla con el
combustible y hace que este uacuteltimo explote (en el caso de la gasolina) generando gases cuya fuerza
de expansioacuten teacutermica acciona sobre el pistoacuten que a su vez empuja el ciguumlentildeal y hace que eacuteste
ponga en movimiento las ruedas del automoacutevil [28]
Figura 5 Motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
15
Seguacuten Creus [29] un motor de combustioacuten interna utiliza la energiacutea interna del combustible para
que el motor realice un trabajo Dichos motores son ampliamente utilizados como fuentes de
alimentacioacuten en lugares de difiacutecil acceso Sin embargo los motores de combustioacuten interna de
dieacutesel tienen un rango de fallo por cada antildeo de explotacioacuten de entre 25 a 50
Se conoce como motores de combustioacuten interna (o endoteacutermicos) alternativos a cualquier tipo de
maacutequinas que a partir de energiacutea quiacutemica sean capaces de convertirla y obtener energiacutea mecaacutenica
para su uso El arranque de los motores se lleva a cabo en su caacutemara interna y sucede al momento
de ser encendido [20]
El motor de combustioacuten interna es la unidad energeacutetica y motriz de los medios de transporte
maacutequinas y equipos que se utilizan en actividades de diversas ramas de la economiacutea [30]
Se puede decir que un motor de combustioacuten interna es aquel que es capaz de convertir la energiacutea
quiacutemica en mecaacutenica para que se pueda utilizar de manera oacuteptima
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna
La clasificacioacuten de los motores puede ser extensa esto debido al disentildeo y mecanismos
mecaacutenicos A continuacioacuten se describen algunas clasificaciones
Respecto a la forma de los cilindros Su distribucioacuten puede ser en ldquoVrdquo o ldquoen liacuteneardquo esto
depende de la cantidad de cilindros existentes los cuales van en funcioacuten de la potencia del
motor Normalmente los motores de automoacuteviles son de 4 o 6 cilindros distribuidos en ldquoVrdquo
Referente a la forma de refrigeracioacuten Pueden ser refrigerados por liacutequido que normalmente
es agua donde el calor es evacuado al radiador del auto Tambieacuten pueden ser refrigerados por
aire donde se necesita de un ventilador que ayude a circular el aire alrededor del motor
Concerniente a las caras de los pistones Los motores convencionales utilizan una cara activa
de los pistones que se conocen como pistones de simple efecto Son aquellos que se
encuentran en contacto con el fluido activo y recibe el impacto de la energiacutea quiacutemica De igual
forma existen motores que utilizan los pistones de doble efecto los cuales funcionan en dos
direcciones y usan dos cilindros con dos pistones y dos bielas conectados a su respectivo
ciguumlentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
16
Respecto a la presioacuten del aire a la caacutemara de combustioacuten En las maacutequinas convencionales
el aire de la atmoacutesfera entra directamente a la caacutemara y la presioacuten es la atmosfeacuterica Dichos
motores usan un comprensor que se encargan de comprimir el fluido antes de conducirlo al
interior del motor
Referente a la introduccioacuten de combustible a la caacutemara interna Se clasifican en motores
de inyeccioacuten y carburacioacuten en estos uacuteltimos se mezclan los fluidos operantes para
posteriormente introducirlo a la caacutemara por medio de una vaacutelvula reguladora
Concerniente al ciclo operativo Se refiere a la cantidad de operaciones que el fluido activo
ejecuta en el cilindro La duracioacuten del ciclo la mide el pistoacuten
Respecto al tipo de encendido Esta clasificacioacuten radica en el modo de encendido con el ciclo
termodinaacutemico con el que opera la maacutequina [28]
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna
Los elementos de un motor de combustioacuten interna son biela pistoacuten y ciguumlentildeal los cuales se
describen en los siguientes apartados
24 Conceptualizacioacuten de la biela
La biela es el elemento del motor encargado de transmitir al ciguumlentildeal la presioacuten de los gases que
actuacutea sobre el pistoacuten Es un elemento de difiacutecil lubricacioacuten y es una parte criacutetica del motor por lo
que su disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes [31] Por lo general las bielas se fabrican de acero
templado aunque en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio
[32] tal como se muestra en la figura 6
Para Morillo Ibaquingo amp Benavides [33] una biela es un elemento mecaacutenico que conecta el
pistoacuten al ciguumlentildeal Sirve ademaacutes para transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
transformando esta fuerza de lineal a rotativa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
17
Figura 6Biela
Para Alzalluacute [34] por o tro lado la biela se encuentra intercalada entre el pistoacuten y el ciguumlentildeal
Soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del ciguumlentildeal hacia
arriba Se construyen de acero forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al
material aguantar ese inmenso trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta
conseguir la forma de la biela Su cuerpo adopta una forma de ldquodoble Trdquo
Las bielas estaacuten sometidas en su trabajo a esfuerzos de compresioacuten traccioacuten y tambieacuten de flexioacuten
muy grandes y por ello se fabrican con materiales resistentes pero a la vez han de ser lo maacutes
ligeros posibles Generalmente estaacuten fabricadas de acero con silicio manganeso y cromo Son
perforadas es decir se les crea un conducto por donde circula el aceite bajo presioacuten desde la
cabeza hasta el pasador con el fin de lograr una buena lubricacioacuten [27]
241 Elementos de una biela
En la figura 7 como puede apreciarse estaacute conformada por el pie que es el extremo que va
unido al buloacuten que a su vez va enganchado en el ciguumlentildeal Este es el extremo maacutes pequentildeo de la
biela El Cuerpo es la zona central de la biela que debe soportar la mayor parte de los esfuerzos
pero al estar en continuo movimiento tambieacuten debe de ser ligero por ello se suele construir con
forma de doble T
La Cabeza igual que el Pie y Cuerpo es la parte que va unida al ciguumlentildeal A diferencia del pie la
cabeza va dividida en dos mitades una de ellas unida al cuerpo y la otra (sombrerete) separada de
eacuteste requirieacutendose dos tornillos para unirse a eacutel Estaacuten tambieacuten el casquillo o cojinete Tornillos
de dilatacioacuten y vaacutestago de biela Por lo general las bielas se fabrican de acero templado aunque
en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio [35]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
18
Figura 7 Partes de la biela
La biela es la pieza que estaacute encargada de transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela
Los metales de los que estaacuten hechas las bielas deben reunir diversas caracteriacutesticas las cuales se
describen a continuacioacuten
Resistencia a la fatiga La firmeza que recubre a la biela debe ser mayor que la presioacuten de la
carga dinaacutemica en la peliacutecula del aceite mayor de las cargas de explosiones en la caacutemara de
combustioacuten y mayor que las cargas por inercia de las masas rotantes
Conformidad El casquillo del metal de la biela debe tener la geometriacutea exacta para mantener
el aceite en un nivel consistente con la resistencia a la fatiga de la aleacioacuten
Compatibilidad Es la resistencia que tiene el material de las diferentes aacutereas de unioacuten
Resistencia a la corrosioacuten El lubricante debe tener un determinado grado de acidez que
corroeraacute la superficie del material por lo que el metal de la biela debe ser capaz de resistir lo
mejor posible este efecto
Incrustabilidad En el aceite de los motores se encuentran partiacuteculas de basura que la
superficie del metal de la biela debe ser capaz de aceptar con el menor dantildeo posible [36]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
19
243 Fallas en las bielas del motor
Existen diferentes circunstancias por las que puede fallar una biela en un motor entre las cuales se
encuentran
Fatiga Es una falla de las bielas rotas y aunque la estructura de las bielas de motor estaacute hecha
para resistir las altas fatigas producto de las altas revoluciones en el motor esto no duraraacute para
siempre
Pasador El pasador que conecta la biela al pistoacuten recibe una gran cantidad de desgaste Si
este pasador suelta la varilla de conexioacuten ya no estaraacute conectada al motor lo que resulta en un
problema para eacutel
Motor revolucionado Un motor revolucionado es la principal causa de falla de las varillas
de conexioacuten de los motores nuevos y de alto rendimiento
Agua en el motor Si entra mucha agua en el cilindro en el momento de la chispa la biela se
puede doblar o romper [37]
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten
El pistoacuten es el encargado de darle la fuerza generada por la explosioacuten a la biela para que ella
haga el resto y debido a los esfuerzos tanto de friccioacuten como de calor a los que estaacute sometido el
pistoacuten se fabrica con materiales muy resistentes al calor y al esfuerzo fiacutesico pero siempre
empleando materiales ligeros para aumentar su velocidad faacutecilmente y poder alcanzar regiacutemenes
de rotacioacuten elevados [38] Los pistones se fabrican de aluminio silicio niacutequel y magnesio [39] un
ejemplo de pistoacuten se muestra en la figura 8
Figura8 Pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
20
Seguacuten Gontildei amp Rojas [40] se denomina pistoacuten a uno de los elementos baacutesicos del motor de
combustioacuten interna Se trata de una pieza que se ajusta al interior de las paredes del cilindro
mediante aros flexibles llamados anillos Efectuacutea movimientos obligando al fluido que ocupa el
cilindro a modificar su presioacuten y volumen
Un pistoacuten estaacute constituido por partes cabeza arcos y cubos del perno La funcioacuten del pistoacuten es
cerrar y obturar la caacutemara de combustioacuten interna asiacute como recibir la fuerza causa en la combustioacuten
a traveacutes de la biela y transmitirla al ciguumlentildeal como fuerza de torsioacuten tambieacuten transmite el calor
producido por los gases de combustioacuten hacia las paredes del cilindro para que sean refrigeradas por
el lubricante El pistoacuten se desplaza raacutepidamente por el interior de los cilindros el cual tiene
segmentos los cuales consiguen la estanquidad necesaria entre el pistoacuten y las paredes del cilindro
De este modo se evita que parte del gas comprimido se escape hacia la parte inferior del motor Por
ese motivo el pistoacuten debe estar fabricado de un material ligero y resistente a la vez Atravesando el
pistoacuten se observa un orificio pasante A traveacutes de este orificio el pistoacuten se une a la biela por
mediacioacuten de un buloacuten de acero [41]
El pie de la biela es el que la une al pistoacuten por medio del buloacuten el cuerpo por su parte asegura la
rigidez de la pieza y la cabeza gira sobre el codo del ciguumlentildeal como puede apreciarse en la figura
9
Los pistones del motor mantienen un movimiento constante hacia arriba y hacia abajo mientras
que el ciguumlentildeal genera un movimiento circular de modo que el auto puede avanzar Los pistones
de un motor se mueven arriba y abajo por el ciguumlentildeal dentro de los cilindros en el motor Las
explosiones que ocurren en estos cilindros de empuje contra los pistones permiten llevarlos de
vuelta y comenzar el ciclo otra vez Los pistones estaacuten conectados al ciguumlentildeal para asegurar que se
mueva con ellos y mantener sus movimientos regulados [42]
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
21
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal
En la figura 10 se aprecia el ciguumlentildeal encargado de transformar el movimiento de la biela en
movimiento rotatorio o circular Junto con el pistoacuten y la biela se considera la pieza maacutes importante
del motor Es una pieza que ha de soportar grandes esfuerzos por eso se construye de materiales
muy resistentes para que puedan aguantar cualquier movimiento sin romperse
El ciguumlentildeal es un aacuterbol de transmisioacuten que junto con las bielas transforma el movimiento
alternativo en circular o viceversa Consiste en un conjunto de manivelas una de ellas llamada
muntildeequilla y dos brazos que acaban en el eje giratorio del ciguumlentildeal Los ciguumlentildeales se utilizan en
los motores de combustioacuten de los automoacuteviles donde el movimiento lineal de los pistones dentro
de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del ciguumlentildeal
que a su vez se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia El ciguumlentildeal
es un elemento estructural del motor [43]
Para Aacutelvarez [42] el ciguumlentildeal estaacute situado en el motor de un vehiacuteculo y convierte la fuerza creada
por los pistones del motor El ciguumlentildeal estaacute conectado a todos los pistones en el motor y el volante
En la figura 11 se puede observar la articulacioacuten de la biela el pistoacuten y el ciguumlentildeal donde el
movimiento es rotativo para su adecuado funcionamiento Estos tres elementos no pueden
funcionar en forma separada
Figura 10Ciguentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
22
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal
Debido a los impulsos provocados por los pistones se presentan diferentes vibraciones
determinadas por el nuacutemero de revoluciones las cuales pueden provocar la rotura del ciguumlentildeal y
ruido excesivo en el motor Su funcioacuten es impulsar la fuerza de cada uno de los cilindros a traveacutes
del mecanismo de las bielas Estaacuten fabricados con materiales de acero cementado templado y con
aleaciones de niacutequel y cromo Estos materiales permiten tener un tratamiento teacutermico
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes
Desde hace tiempo la ingenieriacutea automotriz se ha enfocado en el disentildeo y la fabricacioacuten de
superficies que permitan reducir la friccioacuten principalmente en los cojinetes [364546]
Los cojinetes son los encargados de unir la biela con el ciguumlentildeal para evitar que haya rozamiento
entre ellos y evitar peacuterdidas de potencia y averiacuteos Tienen forma de media luna tal como se aprecia
en la figura 12 y se colocan entre el ciguumlentildeal y la cabeza de las bielas Estos deben ser construidos
con gran precisioacuten pues cualquier mala elaboracioacuten puede impactar en el funcionamiento del
motor
Figura 12Cojinetes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
23
Seguacuten Suaacuterez [47] los cojinetes son punto de apoyo de ejes para sostener su peso guiarlos en su
rotacioacuten y evitar deslizamientos Van colocados directamente en el bastidor de la pieza y los
cojinetes trabajan en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal
De acuerdo con Suaacuterez Toro amp Veacutelez [48] los cojinetes son que piezas de metal que descansan
y giran en cualquier eje de un motor Son dispositivos que se colocan entre la porcioacuten fija y la
porcioacuten giratoria de un motor y sirven para reducir al miacutenimo la friccioacuten entre ambas Los cojinetes
se fabrican con pequentildeas esferas metaacutelicas sin embargo no garantizan una vida uacutetil extensa El
rendimiento de los cojinetes es afectado por las condiciones de velocidad materiales en contacto
temperatura lubricacioacuten tipo de carga entre otros
271 Clasificacioacuten de los cojinetes
Los cojinetes se clasifican por friccioacuten o deslizamiento y de rodamiento Eacutestos se explican a
continuacioacuten
Cojinetes de friccioacuten o deslizamiento El cojinete de friccioacuten estaacute compuesto por dos pistas
una interior y otra exterior Eacutestas tienen contacto directo por medio de deslizamiento o friccioacuten
La reduccioacuten del rozamiento se realiza seguacuten la seleccioacuten de materiales y lubricantes Los
lubricantes tienen la funcioacuten de crear una peliacutecula deslizante que separe los dos materiales o
evite el contacto directo Para Veacutelez [49] los cojinetes de friccioacuten son aquellas piezas que
entre mayor es la friccioacuten es maacutes difiacutecil el movimiento entre los dos objetos En el caso de
maacutequinas la friccioacuten ocasiona el desgaste de las piezas
Seguacuten Arias [50] los cojinetes de friccioacuten son puntos de apoyo de ejes y aacuterboles para sostener
su peso guiarlos en su rotacioacuten y evitar deslizamientos Van montados en soportes para
facilitar su montaje tal como se aprecia en la figura13 Mientras que para Espitia [51] es el
elemento mecaacutenico capaz de soportar los gorrones de los ejes giratorios que se caracteriza por
un reducido coeficiente de rozamiento asiacute como por la posibilidad de ser lubricado
constantemente Otra caracteriacutestica importante reside en el hecho de que el material del
cojinete debe ser maacutes blando que el eje para evitar el deterioro de eacuteste en el caso de una
lubricacioacuten defectuosa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
24
Figura 13Cojinetes de friccioacuten
Cojinetes de rodamiento Es un elemento mecaacutenico que reduce la friccioacuten entre un eje y las
piezas conectadas a eacuteste por medio de rodadura el cual sirve de apoyo y facilita su
desplazamiento Los elementos de rodadura pueden ser bolas o rodillos son piezas que
requieren facilitar la ejecucioacuten de rigurosos tratamientos teacutermicos para obtener piezas de gran
resistencia al desgaste y a la fatiga Se caracterizan por ser de escaso rozamiento sobre todo
en el arranque por tener mayor velocidad admisible y un menor consumo de lubricante Para
Meacuterida [52] los cojinetes de rodamiento son elementos mecaacutenicos que aseguran un enlace
moacutevil entre dos elementos de un mecanismo uno de los cuales se encuentra en rotacioacuten con
respecto al otro Su funcioacuten principal es la rotacioacuten relativa de dichos elementos bajo carga
con precisioacuten y con un rozamiento miacutenimo
Seguacuten Galicia [53] estos tipos de cojinetes estaacuten constituidos por dos anillos rodantes
separados entre siacute por unos cuerpos tambieacuten rodantes interpuestos entre eacutestos cuya forma
variacutea seguacuten su uso pudiendo ser de diferentes formas bolas rodillos ciliacutendricos agujas etc
En ellos el gorroacuten del aacuterbol y la superficie de rodadura del soporte estaacuten separados por
elementos rodantes de forma que con el giro del gorroacuten o del cojinete se genera un
movimiento de rodadura y no de deslizamiento tal como se muestra en la figura 14
Figura 14Cojinetes de rodamiento
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
25
Seguacuten Jaramillo [54] cerca de 40 de la energiacutea total transformada por un motor de combustioacuten
interna de un automoacutevil se disipa como trabajo de las fuerzas de friccioacuten La disminucioacuten de las
peacuterdidas por friccioacuten es un factor clave para lograr un mejor uso de los combustibles y la proteccioacuten
del medio ambiente El sistema anillo-pistoacuten-camisa responde por peacuterdidas equivalentes a 50 o
60 del total de las peacuterdidas por friccioacuten en un motor de estos
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos
En la figura 15 se puede observar la estructura baacutesica de un motor de cuatro tiempos el cuaacutel es
conocido por motor OTTO [55] Se usa como maacutequina motriz en automoacuteviles comerciales consta
de un ciclo de cuatro procesos los cuales se describen a continuacioacuten
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos
Como se mencionoacute anteriormente el ciclo consta de cuatro tiempos El primer tiempo
corresponde al de admisioacuten que es el momento que el pistoacuten estaacute en el punto maacutes alto conocido
como Punto Muerto Superior (PMS) Posteriormente la vaacutelvula de admisioacuten se abre y el propio
pistoacuten por el vaciacuteo que se crea dentro del cilindro aspira la mezcla (aire y combustible) hasta llegar
al punto maacutes bajo del cilindro del Punto Muerto Inferior (PMI)
El segundo tiempo se refiere a la compresioacuten donde el pistoacuten se encuentra en el punto maacutes bajo
(PMI) En este momento la vaacutelvula de admisioacuten se cierra y el pistoacuten empieza a ascender
comprimiendo la mezcla hasta llegar al punto maacutes alto del cilindro (PMS)
Figura 15Motor de cuatro tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
26
Respecto al tercer tiempo que concierne a la expansioacuten una vez que se ha comprimido la mezcla
la bujiacutea hace saltar una chispa y enciende la mezcla aumentando la presioacuten en el cilindro y
haciendo descender el pistoacuten hacia el punto maacutes bajo (PMI)
En el cuarto tiempo que corresponde al escape de gases es cuando el pistoacuten llega al punto maacutes
bajo (PMI) se abre la vaacutelvula de escape y el pistoacuten empieza a ascender empujando los gases
quemados hacia el exterior En el momento que llega al punto maacutes alto (PMS) la vaacutelvula de escape
se cierra En la figura 16 se muestra el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa basado en el ciclo Otto de cuatro tiempos o fases importantes admisioacuten
compresioacuten explosioacuten y escape [56]
Otto propuso cuatro principios del motor de cuatro tiempos que son maacuteximo volumen del
cilindro con miacutenima superficie de paredes maacutexima velocidad de trabajo posible maacutexima relacioacuten
de expansioacuten posible y maacutexima presioacuten posible al comienzo de la expansioacuten
En los motores de cuatro tiempos el pistoacuten sube y baja cuatro veces en el interior del cilindro
para realizar el ciclo completo La distribucioacuten se compone de vaacutelvulas que se abren y cierran
totalmente sincronizadas con el movimiento del pistoacuten Cuando el pistoacuten desciende el cilindro se
llena de aire y gasolina para lo cual la vaacutelvula de admisioacuten permanece abierta Posteriormente
despueacutes de producirse la explosioacuten en el interior del cilindro la vaacutelvula de escape se abre para que
los humos procedentes de la explosioacuten puedan salir hacia el tubo de escape del automoacutevil En este
tipo de motores se requiere de dos vaacutelvulas por cada cilindro
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
27
29 Sistema de encendido
El sistema de encendido es el encargado de encender la mezcla de aire y de combustible en el
momento que se requiera Para esta investigacioacuten el sistema de encendido es por inyeccioacuten directa
de gasolina o por chispa que son aquellos que inyectan la gasolina directamente dentro del cilindro
Este sistema permite un mayor control de la mezcla y por tanto del comportamiento del motor En
los motores de gasolina la mezcla se enciende gracias a la bujiacutea que proporciona una chispa lo
suficientemente potente como para comenzar la reaccioacuten El propio sistema de encendido tiene que
controlar el momento en el que la chispa ha de saltar para que se encienda la mezcla y sea lo maacutes
eficaz y factible posible La combustioacuten se realiza en el momento en que el pistoacuten estaacute en el punto
maacutes alto (PMS) de esta manera la mezcla se empieza a encender
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa
La caracteriacutestica principal de la inyeccioacuten directa de gasolina es que la mezcla se produce dentro
de la caacutemara de combustioacuten Durante la admisioacuten soacutelo entra aire por la (s) vaacutelvula (s) de admisioacuten
la gasolina es inyectada directamente en la caacutemara de combustioacuten por inyectores de alta presioacuten
[57] tal como se aprecia en la figura 17
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
28
292 Ventajas de la inyeccioacuten directa
Existen ventajas cuando se usa el encendido por chispa las cuales se describen a continuacioacuten
La gasolina se evapora directamente dentro del cilindro absorbiendo el calor del aire contenido
en eacuteste reduciendo la temperatura de la mezcla en la caacutemara de combustioacuten lo que disminuye
el riesgo de autoencendido e incrementa el rendimiento y la potencia
Ayuda a aumentar el rendimiento inyectando la gasolina directamente en el cilindro
Con respecto a la prevencioacuten del autoencendido la mayor contribucioacuten de la inyeccioacuten directa
de gasolina es cuando el motor trabaja en carga estratificada y por tanto no inflamable lo que
evita el autoencendido
Eficiencia en el periodo de admisioacuten debido a que soacutelo entra aire al cilindro inyectando la
gasolina despueacutes
Disminucioacuten del consumo de gasolina si se tiene poca gasolina el motor puede llegar a
funcionar esto permite que el motor aporte la energiacutea requerida con un aporte de gasolina
sustancialmente menor Esta disminucioacuten del consumo de gasolina disminuye tambieacuten de
emisiones de 1198621198742 Este contaminante es un producto del proceso de combustioacuten que soacutelo puede
reducirse disminuyendo el consumo de gasolina
Mejor rendimiento del motor debido a que la mezcla que se encuentra cerca de las paredes es
escasa y la temperatura de los gases de combustioacuten es mucho menor por lo que las peacuterdidas
por calor cedido a las paredes del cilindro tambieacuten se ven reducidas [58]
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa
Estos motores de encendido por chispa o inyeccioacuten directa tienen tambieacuten algunas desventajas
las cuales son
Se requiere de una bomba de alta presioacuten para proveer la gasolina a los inyectores con la
presioacuten requerida Eacutesta bomba toma la gasolina del depoacutesito y la alimenta regulando su presioacuten
de salida
Los inyectores deben ser aptos para resistir las altas presiones para inyectar gasolina
directamente en el cilindro y tambieacuten deben soportar las condiciones de la caacutemara de
combustioacuten tanto las altas temperaturas como las altas presiones derivadas de la combustioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
29
El sistema de encendido debe ser capaz de suministrar maacutes energiacutea debido a que el chorro de
gasolina puede impactar directamente con la bujiacutea mojaacutendola o la chispa apagarse debido a las
fuertes corrientes de aire y necesitar una segunda chispa
Se requiere de una sonda lambda de banda ancha que permita medir las variaciones en la carga
estratificada
Se necesita que la Unidad de Control de Motor (ECU) tenga mayor potencia de caacutelculo para
administrar las sentildeales que recibe y las salidas de control pues el motor tiene distintos modos
de operacioacuten y la ECU debe ser capaz de administrar las sentildeales que recibe para cada uno de
ellos y procesar las oacuterdenes en consecuencia
La cabeza del pistoacuten tiene que ser redisentildeada para que cuando el motor trabaja con carga
estratificada dirija la nube de mezcla rica en gasolina correctamente hacia la bujiacutea [59]
294 Descripcioacuten del proceso de encendido
Para encender el motor de gasolina se necesita una chispa entre los dos electrodos de la bujiacutea
para producir la temperatura necesaria para que la mezcla encienda para lo cual se requieren
tensiones muy altas En la figura 18 se aprecia que en el momento en que se pone en contacto la
llave de arranque se cierra el circuito y la bateriacutea comienza a entregar voltaje el cual es muy bajo
ya que corresponde a 12 voltios Para incrementarlo entre los electrodos de las bujiacuteas la bobina
con ayuda del ruptor consigue cambiar a 30000 voltios Esta tensioacuten es enviada al delco donde
se encuentra el distribuidor giratorio que reparte la tensioacuten a la bujiacutea correspondiente [60]
Figura18 Sistema de encendido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
30
495 Componentes del sistema de encendido
El sistema de encendido en motores de gasolina tiene los elementos que se describen a
continuacioacuten
Alternador es un dispositivo que se acciona directamente por el motor que se encarga de
generar corriente para cargar bateriacutea Al estar directamente accionado por el motor si se suben
las revoluciones del motor tambieacuten aumenta la corriente generada
Bateriacutea Es la encargada de suministrar la energiacutea eleacutectrica para que circule hacia la bujiacutea
Dicha energiacutea viene dada por la reaccioacuten quiacutemica del plomo y aacutecido sulfuacuterico
Bobina Se encarga de transformar la baja tensioacuten que proviene de la bateriacutea en una tensioacuten
alta para hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea la cual consta de dos filamentos
enrollados Cuando el primero recibe la corriente de la bateriacutea el ruptor interrumpe la corriente
que pasa por eacuteste entonces al filamento secundario se le induce una corriente maacutes alta capaz
de hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea y encender la mezcla
Ruptor Se encuentra situado dentro del distribuidor y se encarga de interrumpir
perioacutedicamente la corriente en el filamento primario de la bobina para que la corriente sea
inducida en el secundario Esta interrupcioacuten es en base a la apertura de dos contactos los cuales
son comandados por una leva accionado por y a la misma velocidad que el aacuterbol de levas
Distribuidor Es el encargado de repartir la alta tensioacuten a la bujiacutea en cada momento Va
centrado en el delco donde tambieacuten se situacutea el ruptor y los reguladores de encendido
Bujiacutea Es el elemento que se encarga de hacer saltar la chispa para que encienda la mezcla de
aire y gasolina Estaacute recubierta de un aislante para disipar el calor generado en la caacutemara de
combustioacuten ya que estaacute lsquoen contacto directo con las explosiones
210 Sobrecalentamiento
El sobrecalentamiento del motor es la condicioacuten en la cual la temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y si se mantiene mucho tiempo llega a producir dantildeos graves en el
motor como torceduras y roturas de vaacutelvulas brazos de biela soplado de empaques torceduras de
culatas roturas de pistones etc
El tiempo de calentamiento de los motores modernos es prolongado sobre todo cuando las
condiciones ambientales son desfavorables y cuando la calefaccioacuten del motor se enciende Durante
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
31
el calentamiento del motor la vaporizacioacuten del combustible se dificulta y el catalizador no funciona
a plenitud por esto la reduccioacuten del tiempo de calentamiento del motor es esencial Para lo cual es
necesario reducir el volumen de refrigerante la masa del motor mejorar el aislamiento del motor
emplear sistemas calentadores adicionales emplear una unidad electroacutenica de control para
manipular la termodinaacutemica del motor y de esta misma manera controlar el desempentildeo teacutermico
todas estas medidas serviraacuten para reducir el tiempo del calentamiento y ayudaraacuten a un mejor
funcionamiento del motor [61]
El sobrecalentamiento del motor puede ser causado por cualquier cosa que disminuya la
capacidad del sistema de refrigeracioacuten para absorber transportar y disipar el calor Por lo tanto
los motores pueden sobrecalentarse por una variedad de razones Algunas se deben a que el
termostato se encuentre en mal estado debido a que es una vaacutelvula que abre y cierra conforme se
encuentre la temperatura del motor Es decir el refrigerante del motor caliente pasa a traveacutes del
radiador cuando el termostato estaacute en posicioacuten abierta Cuando se encuentra en posicioacuten cerrada el
refrigerante se queda en el motor y raacutepidamente se calienta ocasionando un sobrecalentamiento
del motor
De igual forma el tener un radiador con fugas u obstrucciones conduce a elevadas temperaturas
del motor y sobrecalentamiento del mismo Asiacute como el tener mangueras con agujeros hace que se
produzcan fugas o se interrumpa el flujo del refrigerante Tambieacuten un ventilador con oscilacioacuten
libre y teniendo un aspa rota no puede mantener una velocidad adecuada lo que origina
sobrecalentamiento del motor
En los motores de combustioacuten interna modernos soacutelo una tercera aparte de la energiacutea interna se
convierte en trabajo uacutetil Las dos terceras partes restantes de la energiacutea se transforman en calor a
peacuterdida evacuadas por el sistema de escape el sistema de enfriamiento y calor radiado y rechazado
por conveccioacuten a traveacutes de las partes soacutelidas del motor El sobrecalentamiento durante el ciclo
completo del motor genera una distribucioacuten de energiacutea dentro de la caacutemara de combustioacuten En
general el calor se transporta hacia la culata la camisa los puertos de escape y el pistoacuten el cual
estaacute ligado a la biela la cual si tiene defectos acabaraacute por destruir el motor [61]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
32
Es por tanto importante estar pendiente de la temperatura a la cual estaacute trabajando el motor
debido a que un sobrecalentamiento puede provocar dantildeos serios empezando por la ruptura del
empaque la deformacioacuten de los cilindros y desgaste en los anillos Estaacuten tambieacuten los dantildeos en los
codos del ciguumlentildeal y la biela Esta uacuteltima ya que se encuentra sometida a fuerzas axiales de
compresioacuten convirtieacutendola en el elemento maacutes tensionado dentro del motor Estaacute ademaacutes expuesta
a cargas producto de la presioacuten generada en la caacutemara de combustioacuten y por la alta friccioacuten entre
los elementos deslizantes Al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentaraacuten desgastes excesivos y prematuros que pueden ocasionar una falla Si este sistema no
funciona correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como
consecuencia deformaciones importantes por sobrecalentamiento [62]
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor
La cinemaacutetica proviene del griego κινεω kineo que significa movimiento Estudia las leyes del
movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo originan y se limita esencialmente al
estudio de la trayectoria en funcioacuten del tiempo [63] La cinemaacutetica se ocupa de aspectos del
movimiento aparte de considerar masa y fuerza Un anaacutelisis cinemaacutetico simula el movimiento de
mecanismos por lo que cumple los requisitos de los perfiles de los motores cinemaacuteticos y de
cualquier conexioacuten de unioacuten por leva en ranura o por engranajes Este tipo de anaacutelisis se usa para
obtener informacioacuten sobre la posicioacuten velocidad y aceleracioacuten de entidades geomeacutetricas y
conexiones interferencia entre componentes las curvas trazadas del movimiento del mecanismo y
los envolventes de movimiento que capturan el movimiento del mecanismo como una pieza
Seguacuten Forno [64] la cinemaacutetica analiza los factores de tiempo y espacio del movimiento de un
sistema es decir describe el movimiento de los cuerpos en teacuterminos de tiempo desplazamiento
velocidad aceleracioacuten y tiempo de desplazamiento
Para Suaacuterez [65] el anaacutelisis cinemaacutetico se utiliza para evaluar el movimiento del mecanismo
gobernado por motores cinemaacuteticos Se puede utilizar cualquier motor cinemaacutetico de eje de
movimiento con un perfil lo que produciraacute una aceleracioacuten finita
Las fuerzas que afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de
inercia Una vez conocidas las fuerzas de combustioacuten en el pistoacuten se usa software especializado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
33
que ayuda en el calculoacute del anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico integrando las fuerzas de inercia
debidas a la masa de cada componente del mecanismo biela-manivela [66]
Para realizar este anaacutelisis es necesario considerar las masas de cada una de las piezas asiacute como
el reacutegimen de giro Esto permitiraacute realizar la simulacioacuten y calcular las fuerzas aplicadas en la cabeza
y el pie de la biela para poder luego hacer un anaacutelisis de elementos finitos que definan los
esfuerzos En el capiacutetulo III se describen la pieza construida a traveacutes del Software de aplicacioacuten
SOLIDWORKS
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor
El anaacutelisis cineacutetico estudia las fuerzas que provocan que un sistema se mueva es decir que
produzcan o cambien el movimiento de un objeto El estudio de las fuerzas que inducen el
movimiento parte desde un movimiento lineal o angular El anaacutelisis cineacutetico puede ser de tipo lineal
o angular El primero involucra la descripcioacuten de un movimiento en liacutenea recta Por otro lado la
cinemaacutetica angular se refiere a la descripcioacuten de un movimiento alrededor de un aacutengulo fijo [64]
El anaacutelisis cineacutetico es cuando un cuerpo estaacute en reposo para acelerarlo hasta una cierta velocidad
y se necesita un determinado trabajo [67] Esa energiacutea que se obtiene en la aceleracioacuten es
conservada por el cuerpo como energiacutea cineacutetica hasta que modifique su velocidad
Concretamente se llama cineacutetica o cinemaacutetica a la especialidad de la fiacutesica centrada en el anaacutelisis
del movimiento dejando de lado el estudio de las fuerzas que lo originan La cineacutetica en este
marco suele estudiar la trayectoria de un cuerpo en movimiento en funcioacuten del tiempo [68]
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor
La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama transferencia de calor la cual se produce
siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se
ponen en contacto hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las
temperaturas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
34
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se usoacute en el software ANSYS el cual permitioacute realizar el
anaacutelisis teacutermico que consiste en la aplicacioacuten del meacutetodo de elementos finitos para calcular la
distribucioacuten de temperatura en una estructura soacutelida en este caso la biela de un motor de
combustioacuten interna Con dicho anaacutelisis se resolvioacute el problema de la transferencia teacutermica
conjugada que involucra el caacutelculo de la simulacioacuten de la conduccioacuten conveccioacuten e irradiacioacuten
teacutermica [66]
Los procesos de los motores de combustioacuten interna son complejos para poder realizar un anaacutelisis
completo de los mismos por lo que se requiere el usoacute de procesos teoacutericos para realizar caacutelculos
Eacutestos son denominados modelos matemaacuteticos para los cuales se usa simulacioacuten herramienta de
gran apoyo para estudiar el comportamiento de los motores de combustioacuten interna desde el punto
de vista termodinaacutemico Con estos softwares de apoyo es posible estudiar la influencia de
determinados paraacutemetros como son la geometriacutea operacioacuten y combustioacuten en las prestaciones de
un motor [69]
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico
La simulacioacuten permite examinar el comportamiento del modelo en condiciones de operacioacuten
reales Ayuda a evaluar las caracteriacutesticas estructurales y el perfil teacutermico proporciona tambieacuten
potentes herramientas para examinar el rendimiento de los mecanismos Sirve para reflejar las
fuerzas materiales y condiciones de liacutemite a las que se veraacute sometido el modelo real para adaptarlo
mejor a criterios de disentildeo especiacuteficos
Existen diversos Softwares de aplicacioacuten para diferentes fines como es el caso de CAD que
sirve para disentildear modelos en tercera dimensioacuten (3D) que posteriormente se analizan por el
meacutetodo de elementos finitos Tal es el caso del software CATIA que es uno de los maacutes utilizados
actualmente en la industria para encontrar paraacutemetros como las dimensiones de diaacutemetro del pistoacuten
longitud de la biela ancho de biela diaacutemetros interiores de cabeza y pie espesores de cabeza y
pie ancho y alto de la seccioacuten tipo I y diaacutemetro de los tornillos de fijacioacuten Tanto el CAD y CATIA
son simuladores que permiten determinar lo antes mencionado
Tambieacuten existe el Software ANSYS que sirve para disentildear analizar y simular partes de piezas
sometidas a fenoacutemenos fiacutesicos usadas en ingenieriacutea y disentildeo mecaacutenico Ayuda a resolver
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
35
problemas fiacutesicos como problemas de esfuerzos teacutermicos fluidos vibracioacuten y otras Dentro de este
software se encuentra la seccioacuten de Anaacutelisis Mecaacutenico que sirve para resolver situaciones muy
particulares en disentildeo mecaacutenico como elementos estructurales lineales no lineales y anaacutelisis
dinaacutemico Con este moacutedulo se puede evaluar el comportamiento asignar materiales y resolver
ecuaciones elaborar anaacutelisis teacutermicos acoplamientos fiacutesicos que involucren acuacutestica elementos
piezoeleacutectricos e interaccioacuten teacutermica con eleacutectrica El software ANSYS se usoacute para este proyecto
Asiacute mismo es necesario sentildealar que para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el
software MATLAB herramienta matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para
la representacioacuten de datos matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor Los resultados
de MATLAB junto con el Software ANSYS permiten predecir coacutemo se comporta y reacciona la
biela en su entorno real Posteriormente se importa la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
y se realizan el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico por medio de la simulacioacuten
De igual forma se emplea para esta investigacioacuten el software SOLIDWORKS que se usa para
el disentildeo mecaacutenico con el que se crea geometriacutea en tercera dimensioacuten (3D) usando paraacutemetros
soacutelidos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
36
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA
La metodologiacutea de la investigacioacuten se define como la disciplina que se encarga del estudio criacutetico
de los procedimientos y medios aplicados por los seres humanos que permiten alcanzar y crear el
conocimiento en el campo de la investigacioacuten cientiacutefica Representa la forma en la que se va a
organizar el proceso de la investigacioacuten de examinar los resultados y de presentar posibles
soluciones al problema Toda investigacioacuten a desarrollar debe llevar un orden loacutegico La
metodologiacutea de la presente investigacioacuten estaacute basada en la propuesta de los autores Hernaacutendez
Fernaacutendez y Baptista [70] ya que tiene un enfoque bastante amplio y flexible que se puede adaptar
de manera general a los requerimientos y alcances del estudio cubriendo los puntos esenciales que
guiacutean el disentildeo y elaboracioacuten de la investigacioacuten Los pasos seguidos se muestran en la figura19
31 Enfoque de la investigacioacuten
Existen dos enfoques dentro de la investigacioacuten el cuantitativo y el cualitativo Hernaacutendez [70]
define a la investigacioacuten cuantitativa como aquella investigacioacuten que utiliza la recoleccioacuten de datos
para comprobar una hipoacutetesis con base a una medicioacuten numeacuterica para establecer un anaacutelisis
estadiacutestico con el propoacutesito de conocer la tendencia del comportamiento y la aprobacioacuten de teoriacuteas
El desarrollo de esta investigacioacuten tuvo un enfoque cuantitativo el cual seguacuten Fernaacutendez [71] se
fundamenta en un esquema deductivo y loacutegico que busca formular preguntas de investigacioacuten e
hipoacutetesis para posteriormente probarlas
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
37
Esta investigacioacuten parte del enfoque mecaacutenico propuesto por diferentes autores que hacen
referencia a los diferentes motores que existen asiacute como los elementos que lo conforman La
finalidad es identificar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten
interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa asiacute como determinar la fuerza
axial de la biela Tambieacuten obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de
combustioacuten estequiomeacutetrica y simular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela para identificar
posibles deformaciones y posteriormente realizar el anaacutelisis cinemaacutetico del motor
32 Alcance de la investigacioacuten
El alcance de esta investigacioacuten es exploratoria correlacional descriptiva y explicativa Al
respecto Fernaacutendez et [71] al se establece que ldquolos estudios exploratorios se realizan cuando el
objetivo consiste en examinar un tema poco estudiadordquo en este caso los factores que influyen en
el sobrecalentamiento de una biela
El alcance correlacional tiene como finalidad establecer una relacioacuten entre dos o maacutes variables
[70] y referente a esta investigacioacuten se llevoacute a cabo la correlacioacuten de variables del calor liberado
en la caacutemara de combustioacuten y el sobrecalentamiento del motor Esta correlacioacuten implica una
relacioacuten causal entre dichas variables ya sea de forma positiva o en forma negativa y una relacioacuten
causal implica que un evento es consecuencia de otro que le antecede y que sin eacuteste el uacuteltimo no
se presentaraacute
La investigacioacuten tambieacuten es descriptiva puesto que se describen los fenoacutemenos alcanzados en el
transcurso de todo el proceso Busca especificar propiedades caracteriacutesticas y rasgos importantes
de cualquier fenoacutemeno que se analice [71] en este caso la relacioacuten de compresioacuten presioacuten
atmosfeacuterica aacuterea del pistoacuten presioacuten atmosfeacuterica dentro de la caacutemara de combustioacuten presioacuten que
detona la mezcla dentro de la caacutemara de combustioacuten fuerza temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
y geometriacutea de la biela En este sentido en esta investigacioacuten se describieron las variables antes
mencionadas mismas que se especifican en el capiacutetulo cuatro detallando sus propiedades y
caracteriacutesticas
De igual forma la investigacioacuten tiene un alcance explicativo derivado de que seguacuten Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Bautista mencionan que estaacute orientada a la comprobacioacuten de hipoacutetesis las cuales
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
38
sirven para el anaacutelisis de variables [71] que se expresan con hechos verificables para que el
investigador tenga la capacidad de anaacutelisis y siacutentesis para su interpretacioacuten En el desarrollo de este
trabajo la hipoacutetesis establecida se encuentra en el apartado 33 del presente capiacutetulo y los resultados
obtenidos se explican en el capiacutetulo cuatro donde se explican los fenoacutemenos hallados entre
variables describiendo por queacute ocurrieron dichos eventos y en queacute condiciones se manifestaron
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis
En toda investigacioacuten es importante plantear variables ya que eacutestas permiten relacionar algunos
conceptos que hacen referencia a las caracteriacutesticas que se van a estudiar Para Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Baptista [70] una variable es una propiedad que puede fluctuar y cuya variacioacuten es
susceptible de medirse u observarse Las variables adquieren valor para la investigacioacuten cientiacutefica
cuando llegan a relacionarse con otras variables es decir si forman parte de una hipoacutetesis o una
teoriacutea Y una variable independiente se refiere a ldquoaquella donde el investigador puede manipular
ciertos efectos en otras palabras supone la causa del fenoacutemeno estudiadordquo Y la variable
dependiente implica ldquoel efecto producido por la variable independiente es decir representa lo que
se quiere determinar en forma directa en la investigacioacutenrdquo
La hipoacutetesis planteada en este trabajo es una hipoacutetesis correlacional donde si alguna de las
variables sufre alguna modificacioacuten esto afectaraacute a otras variables correspondientes A
continuacioacuten se muestra la hipoacutetesis de la presente investigacioacuten
Hipoacutetesis nula
H01 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten influye en el sobrecalentamiento
de un motor de combustioacuten interna
Variables
Variables independientes Calor liberado en la caacutemara de
Combustioacuten
Variable dependiente Sobrecalentamiento del motor
Ya identificadas las variables es necesario establecer la operacionalidad de las mismas y
con base a lo anterior se observa en la tabla 1 la clasificacioacuten de las mismas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
39
TABLA 1 CONCEPTUALIZACIOacuteN DE VARIABLE
Variable Definicioacuten Conceptual Indicadores
Calor liberado en la
caacutemara de
combustioacuten
Se refiere a la quema de combustible
suministrados por el motor de
combustioacuten interna de tal manera
que el aire se expanda y acelere para
proporcionar una corriente de gas
uniformemente calentada en todas las
condiciones requeridas por el motor
de combustioacuten interna Esta tarea
debe realizarse con la miacutenima peacuterdida
de presioacuten y con la maacutexima liberacioacuten
de calor para el limitado espacio
disponible [31]
Reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten
Sobrecalentamiento
del motor
Es la condicioacuten en la cual la
temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y llega
a producir dantildeos graves en el motor
como torceduras y roturas de
vaacutelvulas brazos de biela soplado de
empaques torceduras de culatas y
roturas de pistones [41]
Lubricacioacuten deficiente
Fallo en sistema de
enfriamiento
Hipoacutetesis alterna
HA1 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten no influye en el
sobrecalentamiento de un motor de combustioacuten interna
34 Disentildeo de la investigacioacuten
El tipo de disentildeo que se usoacute fue el no experimental donde la investigacioacuten que se realiza se hace
sin la manipulacioacuten deliberada de las variables y donde se observan los fenoacutemenos para
posteriormente analizarlos en este caso el calor liberado en la caacutemara de combustioacuten y el
sobrecalentamiento del motor donde dichas variables estaacuten relacionadas con diferentes elementos
que son la combustioacuten estequiomeacutetrica presioacuten atmosfeacuterica fuerza de la biela y geometriacutea de la
biela Estos elementos sirvieron para poder realizar el anaacutelisis cineacutetico cinemaacutetico y teacutermico por
transferencia de calor motivo de la presente investigacioacuten
A su vez es una investigacioacuten transaccional donde se recolectaron los datos en un momento y
tiempo uacutenico permitieacutendose describir las variables anteriormente mencionadas El propoacutesito fue
describir las variables y analizar su incidencia e interrelacioacuten en un momento dado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
40
Por otra parte este trabajo se basoacute en un disentildeo no experimental con la informacioacuten derivada
basada en datos primarios obtenidos directamente de la realidad En el desarrollo de la presente
investigacioacuten la informacioacuten se obtuvo mediante el modelado mecaacutenico el cual ayudoacute a predecir
el comportamiento y reaccioacuten de la biela en su entorno real
35 Seleccioacuten de la muestra
El desarrollo de esta investigacioacuten se realizoacute tomando como objeto de estudio a un motor VW
Golf MK4 Gti 18T En la tabla 2 se muestran las especificaciones de este motor
Se utilizoacute un acero SAE 4340 de medio carbono aleado con Cr-Ni-Mo debido a que posee buena
resistencia a la fatiga alta templabilidad excelente tenacidad regular maquinabilidad y baja
soldabilidad Es apto para piezas y herramientas de grandes exigencias mecaacutenicas Se usa para los
maacutes altos esfuerzos estaacuteticos y dinaacutemicos en piezas como ciguumlentildeales bielas cardanes pintildeones
pernos y tornillos de alta resistencia engranajes para maacutequinas discos de freno barras de torsioacuten
y aacuterboles de transmisioacuten [72] En la tabla 3 se muestran las composiciones quiacutemicas
TABLA 2 CARACTERIacuteSTICAS DEL MOTOR
Variable Definicioacuten Conceptual
Motor V 4
Combustible Gasolina
Alimentacioacuten MPI
Situacioacuten Transversal
Cilindrada 1781 cm3
Diaacutemetro por carrera 810 x 864 mm
Vaacutelvulas 16 vaacutelvulas
Sobrealimentacioacuten Turbo + Intercooler
Relacioacuten de Comprensioacuten 95
Potencia 210 PS or 207 bhp o 154 kw 5700 rmp
Par maacuteximo 300 Nm o 221 lbft 2700 rpm
Caja de cambios 6 velocidades manual
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
41
TABLA 3 PORCENTAJE DE COMPOSICIOacuteN QUIacuteMICA DEL ACERO USADO
De igual forma en la tabla 4 se pueden apreciar las caracteriacutesticas del tratamiento teacutermico y las
propiedades mecaacutenicas que se deben tener para cumplir con lo establecido para el procedimiento
36 Recoleccioacuten de datos
Para el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico se emplea la simulacioacuten con ANSYS y poder predecir coacutemo
se comporta y reacciona la biela en su entorno real El software SOLIDWORKS se emplea para
incorporar la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
TABLA 4 TRATAMIENTO TEacuteRMICO Y PROPIEDADES MECAacuteNICAS
Tratamiento teacutermico
(Valores en 0C)
Propiedades mecaacutenicas
Forjado 850 - 1100 Bonificado
Normalizado 870 - 900 Resistencia a la
traccioacuten
95 ndash 105 kgfmm2
Revenido 530 - 670 Liacutemite de fluencia 60 ndash 74 kgfmm2
Recocido 750 - 850 Dureza (HB) 280 - 340
Templado Aceite 840 - 880 Elongacioacuten 10 ndash 18
Composicioacuten quiacutemica ()
C 038 ndash 043
Mn 060 ndash 080
Si 015 ndash 035
P 0035 Maacutex
S 004 Maacutex
Cr 070 ndash 090
Ni 165 ndash 200
Mo 020 ndash 030
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
42
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el software de MATLAB herramienta
matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para la representacioacuten de datos
matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor El objetivo de dicho anaacutelisis fue
identificar la falla de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro
cilindros encendido por chispa accionado por gasolina cuando por diversas causas alcanza
temperaturas elevadas generando esfuerzos y deformaciones superiores a los liacutemites de cedencia
del material Para este anaacutelisis se determinoacute la fuerza axial generadora del maacuteximo torque aplicado
al ciguumlentildeal del motor Como se trata de un motor alternativo el movimiento parte desde el punto
muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) recorriendo el pistoacuten una longitud de
carrera C=2r por cada vuelta del ciguumlentildeal Ya que se trata de un motor de cuatro tiempos el
ciguumlentildeal daraacute dos vueltas por ciclo termodinaacutemico [73] En este caso se consideroacute solamente un
punto donde la biela es normal a la manivela que es donde se produce el maacuteximo toque Se hizo el
anaacutelisis el elemento finito (FEA por su siglas en ingles Finite Element Analysis ) para obtener una
solucioacuten aproximada a este problema de ingenieriacutea para obtener un producto de calidad a menor
costo mejorando asiacute procesos existentes o para estudiar fallos de eacuteste componente estructural El
anaacutelisis teacutermico por transferencia de calor cineacutetico y cinemaacutetico se describe en el capiacutetulo 4 del
presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
43
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Generalidades
Los motores de los autos principalmente los de combustioacuten interna (MCI) son motores donde
los gases generados en la reaccioacuten exoteacutermica resultan de un proceso de combustioacuten que empuja
al pistoacuten desplazaacutendolo en el interior de un cilindro y haciendo girar al ciguumlentildeal El funcionamiento
ciacuteclico de estos motores suele tener fallas constantes debido a muacuteltiples factores entre los cuales
destacan problemas con los cojinetes fallas en las bielas pistoacuten ciguumlentildeal entre otros
El arranque de los motores de combustioacuten se lleva a cabo en su caacutemara interna en donde se forma
el fluido activo Esta caacutemara forma parte de un cilindro dentro del cual se mueve un pistoacuten mismo
que forma parte del mecanismo en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal Y para que un motor
tenga un buen funcionamiento es necesario tener una buena lubricacioacuten refrigeracioacuten y suministro
de energiacutea eleacutectrica tal como se aprecia en la figura 20
La lubricacioacuten debe mantener engrasados los mecanismos moacuteviles tambieacuten sirve como
refrigerante al absorber el calor disipado Su principal funcioacuten radica en la aplicacioacuten de un manto
superficial de aceite recubriendo asiacute los elementos moacuteviles El sistema refrigerante es el que
mantiene una temperatura constante del motor durante su funcionamiento y lo hace mediante la
eliminacioacuten de exceso de calor que se pudiera generar en su funcionamiento Gracias a la energiacutea
eleacutectrica funcionan los dispositivos tales como las bombas hidraacuteulicas agua refrigerante los
cuales provocan el flujo que hace posible la circulacioacuten de los fluidos a lo largo de los ductos
correspondientes
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
44
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se consideroacute el auto VW Golf [74] tal como se aprecia
en la figura 21
Este auto tiene un motor MK4 GTI 18T de cuatro cilindros con turbocompresor formalmente
conocido como el 18 20VT R4 e informalmente conocido simplemente como el 18T Se ha
utilizado en casi todas las aplicaciones de cuatro cilindros de VW Utiliza un bloque de motor de
hierro fundido y culata de aluminio con doble aacuterbol de levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte
de la fuerza inherente de este motor viene del uso de un ciguumlentildeal de acero forjado a troque dividido
en bielas forjadas y pistones forjados Su potencia es de 150 caballos de fuerza a 5800 rpm Su
principal caracteriacutestica es su sistema de turbo y de induccioacuten Utiliza un turbocompresor de VW
de origen algo equivalente a un Garrett T30
421 Aplicaciones del 18T
El 18T se ha utilizado en casi todos los autos que tienen cuatro cilindros de VW como son VW
Polo GTI Golf MkIV Bora Jetta New Beetle S Passat B5 y Sagitar Desde Audi que es la marca
de lujo de VW el motor tambieacuten se ha trasladado a los modelos en esa divisioacuten incluyendo la A3
A4 A6 y TT Quattro Sport Otros fabricantes de automoacuteviles en utilizar el 18T han sido el
fabricante espantildeol SEAT (en el Leon Mk1 Cupra R y Toledo) y Skoda para su edicioacuten limitada
Octavia VRS
Figura 21VW Golf
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
45
El 18T utiliza un bloque de motor de hierro fundido y una culata de aluminio con doble aacuterbol de
levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte de la fuerza inherente de este motor se debe al uso de un
ciguumlentildeal de acero forjado a troquel bielas ldquoSplit forjadordquo y pistones Mahle forjado El 18T ha
llegado en docenas de diferentes configuraciones desde que se ofrecioacute por primera vez con
potencias que van desde 150 caballos de fuerza a 5800 rpm (en la mayoriacutea de los polos Golf
hoteles escarabajos y Passat) hasta 236 caballos de fuerza a 5700 rpm para el Audi TT Quattro
Sports
En lo que respecta a la induccioacuten aparte de su cabeza la principal caracteriacutestica del 18T es su
sistema turbo e induccioacuten El turbo alimenta uno de los pocos verdaderos colectores de admisioacuten
de longitud variable en el mercado de hoy A bajas revoluciones el aire fluye a traveacutes de un
conjunto de tubos de colada la ingesta de largas y delgadas para mejorar el par a bajo reacutegimen y
la facilidad de conduccioacuten A altas revoluciones una solapa se abre para conectar gran espacio
abierto del colector de admisioacuten (plenum) casi directamente a la culata sin pasar por los tubos y
aumentar el poder de gama alta
43 Anaacutelisis de datos
431 Anaacutelisis cinemaacutetico
El movimiento alterno del pistoacuten se transforma en movimiento circular continuo del eje mediante
el sistema biela-manivela Para efectos de caacutelculo el movimiento circular de la manivela se
considera uniforme sin error apreciable En la figura 22 se muestra la nomenclatura que se utilizoacute
en este anaacutelisis [73]
Figura 22 Nomenclatura
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
46
Donde
L=Longitud de la biela
r=Radio de la manivela
C=Carrera del pistoacuten
x=Deslizamiento del pistoacuten referido al PMS
α=Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente al PMS
β= Aacutengulo que forma el eje de la biela con el del cilindro
I Desplazamiento
De acuerdo a la geometriacutea del motor y como muestra la figura 22 se obtiene la ecuacioacuten para el
desplazamiento (x) correspondiente entre el PMS y PMI donde λ es un paraacutemetro de la relacioacuten
del radio a la longitud de la biela (Ver Anexo I) la cual es
119909 = 119903 ((1 minus cos prop) + 119871(1 minus radic1 minus 12058221199041198901198992 prop))
Donde λ =119903
119871 119902119906119890 119903119890119901119903119890119904119890119899119905119886 119906119899119886 119903119890119897119886119888119894oacute119899 119886119897119890119886119905119900119903119894119886
Si la biela fuera de longitud infinita (λ=0) se desplazariacutea mantenieacutendose siempre paralela a siacute
misma por lo que tendriacuteamos la expresioacuten simplificada
119909 = 119903(1 minus cos prop)
Se utilizoacute el software MATLAB para graficar coacutemo se comporta el sistema del punto muerto
superior al punto muerto inferior correspondiente a los 360 grados del movimiento de la Manivela
Se obtiene la figura 23 misma que se muestra a continuacioacuten
Figura 23 Desplazamiento
Des
pla
zam
ien
to d
el p
istoacute
n e
n m
etro
s
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
47
II Velocidad
Para obtener la ecuacioacuten de la velocidad se derivoacute la ecuacioacuten de desplazamiento (ver Anexo II)
guardaacutendola en una nueva variable (V) lo que se puede apreciar en la figura 24
Figura 24Velocidad del pistoacuten
III Aceleracioacuten
Para obtener la ecuacioacuten de la aceleracioacuten se derivoacute la ecuacioacuten de velocidad (Ver Anexo III)
asignando su valor a una nueva variable (A) la cual se muestra en la figura 25
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten
Vel
oci
dad
del
pis
toacuten
(m
s)
Angulo de manivela en grados
Ace
lera
cioacute
n d
el p
istoacute
n (
ms
2)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
48
432 Anaacutelisis cineacutetico
I Fuerzas alternativas de inercia
Conociendo las leyes que regulan el movimiento del conjunto biela manivela resulta faacutecil
obtener una relacioacuten de las fuerzas que generan dicho movimiento En efecto las partes dotadas de
movimiento alternativo estaacuten sometidas a fuerzas de inercia calculadas por medio de la segunda
ley de Newton que expresada en funcioacuten de la segunda derivada del desplazamiento dan como
resultado
119865 = minus119898 lowast 1205962 lowast 119903 (cos 120572 + 120582 lowast cos 2120572)
La primera y segunda parte de la ecuacioacuten representan respectivamente las fuerzas alternativas
de primero y segundo orden (ver Anexo IV) En la ecuacioacuten anterior ldquomrdquo corresponde a la masa de
la biela que para la muestra seleccionada tiene un valor de 066 kg se muestra en la figura 26
Figura 26Fuerzas alternativas
La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten cinemaacutetica En la figura 27
se puede observar el movimiento al considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante el
proceso de expansioacuten De este resultado se obtiene la fuerza maacutexima para posteriormente
considerarla en el anaacutelisis estaacutetico de la simulacioacuten en el software de ANSYS Los resultados se
encuentran en el Anexo V y en la figura 27 se aprecia la representacioacuten graacutefica del anaacutelisis de la
biela Este anaacutelisis se hizo mediante el software de MATLAB
Fu
erza
s al
tern
ativ
as (
N)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
49
Figura 27 Fuerzas en la biela
II Diagrama par-motor
La fuerza resultante que actuacutea sobre el pistoacuten corresponde a la suma de las fuerzas alternativas
de inercia y de la correspondiente a la presioacuten del gas durante la explosioacuten Eacutesta equilibrada por la
fuerza de reaccioacuten en la biela y variacutea en cada posicioacuten del movimiento La figura 28 muestra el
diagrama par motor que se utiliza para este anaacutelisis La nomenclatura es la misma que se utilizoacute en
el anaacutelisis cinemaacutetico con la inclusioacuten de las fuerzas [73]
Figura 28Diagrama par-motor
Angulo de manivela en grados
Fu
erza
en
la
bie
la (
N)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
50
Figura 29Par-motor de explosioacuten
Nuevamente mediante el software MATLAB se realiza el anaacutelisis de movimiento durante el
proceso de expansioacuten de 360deg a 540deg debido a que se trata de un motor de 4 tiempos lo que implica
que el ciguumlentildeal gire dos vueltas correspondieacutendole a la primera vuelta la admisioacuten y compresioacuten
(Ver Anexo VI) lo cual se aprecia en la figura 29
El punto maacuteximo de esta graacutefica representa un par-motor de 311 N-m que se aproxima al par
motor que el fabricante ofrece para este motor seleccionado como muestra Es importante
considerar que a este punto le corresponde un aacutengulo de 388deg equivalente a 28deg a partir del punto
muerto superior y seraacute considerado para obtener la fuerza axial en la biela de su correspondiente
graacutefica
433 Anaacutelisis termodinaacutemico
I Eficiencia del ciclo Otto ideal
La figura 30 muestra el ciclo en un diagrama P-v La eficiencia o rendimiento del ciclo es la
relacioacuten entre el trabajo neto y la cantidad de calor que entra al sistema [75]
Par
-mo
tor
(N
m)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
51
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen
Es decir
119890119900119905119905119900 =119882119899119890119905119900
119902119890119899119905
Por primera ley de la termodinaacutemica
119882119899119890119905119900 = 119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
Considerando calores especiacuteficos constantes
119890119900119905119905119900 =119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119862119907(1198794 minus 1198791)
119862119907(1198793 minus 1198792)= 1 minus
(1198794 minus 1198791)
(1198793 minus 1198792)
Para el proceso 1-2 compresioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987511198811119896 = 11987521198812
119896 there41198752
1198751= (
1199071
1199072)
119896
= 119903119896
Doacutende r= la relacioacuten de compresioacuten definida como 119903 =1199071
1199072
Para el mismo proceso la ecuacioacuten de los gases ideales es
11987511199071
1198791=
11987521199072
1198792 there4
1198752
1198751=
1199072
1199071∙
1198792
1198791= 119903
1198792
1198791= 119903119896
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
52
Realizando la igualacioacuten se obtiene la temperatura para el estado dos del ciclo
1198792 = 1198791119903119896minus1
De manera similar para el proceso 3-4 de expansioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987531198813119896 = 11987541198814
119896 there41198753
1198754= (
1199074
1199073)
119896
= 119903119896
Y la ecuacioacuten correspondiente de los gases ideales es
11987531199073
1198793=
11987541199074
1198794there4
1198753
1198754=
1199074
1199073∙
1198793
1198794= 119903
1198793
1198794= 119903119896
Realizando la igualacioacuten correspondiente se obtiene la temperatura para el estado 3 del ciclo
1198793 = 1198794119903119896minus1
Con las relaciones de temperatura para los estados 2 y 3 se obtiene la eficiencia del ciclo Otto
en funcioacuten de la relacioacuten de compresioacuten
119890119900119905119905119900 = 1 minus1198794 minus 1198791
1198794119903119896minus1 minus 1198791119903119896minus1= 1 minus
1198794 minus 1198791
119903119896minus1(1198794 minus 1198791)
119890 = 1 minus1
119903119896minus1
Para el anaacutelisis de la muestra seleccionada le corresponde una relacioacuten de compresioacuten de r=95
obtenieacutendose una eficiencia teacutermica del 60
119890 = 1 minus1
9514minus1= 06
En la figura 31 se muestra un referente de la eficiencia teacutermica en funcioacuten de la relacioacuten de
compresioacuten para un motor Otto y Diesel [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
53
Figura 31 Eficiencia teacutermica
II Temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
Cuanto maacutes pequentildea es la perdida de calor tanto mayor resulta el aumento de la temperatura En
el caso liacutemite que no haya peacuterdida de calor hacia los alrededores (Q=0) la temperatura de los
productos alcanzaraacute un maacuteximo conocido como temperatura de flama adiabaacutetica o combustioacuten
adiabaacutetica
La temperatura de flama adiabaacutetica de un proceso de combustioacuten de flujo estacionario se
determina aplicando la primera ley de la termodinaacutemica considerando la caacutemara de combustioacuten
como un volumen de control totalmente aislado (adiabaacutetico) con la siguiente ecuacioacuten
119867119901119903119900119889 = 119867119903119890119886119888119905
sum 119873119901(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg) = sum 119873119903(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg)
Doacutende Np= nuacutemero de moles de los productos
Nr = nuacutemero de moles de los reactivos
ℎ119891= entalpiacutea de formacioacuten
ℎ minus ℎdeg= variacioacuten de entalpiacutea
Una vez que se especifican los reactivos y los estados resulta faacutecil determinar las entalpiacuteas de
los reactivos Sin embargo debido a que la temperatura de los productos no se conoce antes de los
caacutelculos el caacutelculo de la entalpia de los productos no es directa Por consiguiente la determinacioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
54
de la temperatura de flama adiabaacutetica requiere el uso de una teacutecnica iterativa a menos que se
disponga de ecuaciones para los cambios de entalpiacutea sensible de los productos de combustioacuten
La temperatura de flama adiabaacutetica se determina luego a partir de estos dos resultados mediante
interpolacioacuten Cuando el oxidante es aire los gases producto se componen principalmente de N2 y
una buena primera suposicioacuten para la temperatura de flama adiabaacutetica se obtiene tratando todos
los gases productos como N2 En las caacutemaras de combustioacuten la temperatura maacutexima a la que se
puede llegar esta limitada por condiciones metaluacutergicas [75] Se analizaron los tres tipos de mezcla
para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla teoacuterica o estequiomeacutetrica
mezcla pobre y mezcla rica
II1 Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El modelo utilizado para los tres tipos de mezcla es una caacutemara de combustioacuten en la cual se
simula la inyeccioacuten de combustible octano 119862811986718 con las cantidades de aire suministrado siendo la
composicioacuten quiacutemica del aire de 1198742 + 3761198732 lo que equivale a 79 de N2 y 21 de O2 Tanto el
combustible como el aire se consideran como los reactivos y los gases de escape como productos
tal como se aprecia en la figura 32
La ecuacioacuten teoacuterica para este caso es
119862811986718 + 119908(1198742 + 3761198732) rarr 1198831198621198742 + 1198841198672119874 + 1198851198732
Doacutende W X Y Z representan los coeficientes estequiomeacutetricos determinaacutendose por balanceo
de los elementos quiacutemicos de la ecuacioacuten
119862 8 = 119883
119867 18 = 2119884 there4 119884 = 9
119874 2119882 = 2119883 + 119884 there4 119882 = 125
119873 376(2)119882 = 2119885 there4 119885 = 47
Se obtiene asiacute la ecuacioacuten estequiomeacutetrica balanceada
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
55
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos y considerando un proceso
adiabaacutetico se obtiene la ecuacioacuten para los tres tipos de mezcla
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ)
Donde
ℎ119891298= Entalpiacutea de deformacioacuten durante la reaccioacuten
∆ℎ= Variacioacuten de la entalpiacutea con respecto al estado de referencia
Los valores de entalpiacuteas para esta reaccioacuten se obtienen de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y
A-26 [75] Para este caso resulta
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9324] + 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]
+47[0 + ℎ1198732minus 8669] = 1[minus249950 + 0] minus 125[0 + 0] minus 47[0 + 0]
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 47ℎ1198732
= 5646081
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realiza iterativamente proponiendo como inicio que toda la
energiacutea es absorbida por el N2 ya que es el elemento que posee el mayor nuacutemero de moles
64ℎ1198732= 5646081
ℎ1198732= 88220015
119896119869
119896119898119900119897
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de temperatura aproximado de
119879 = 2650deg119870
Y tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen los valores
que se muestran en la tabla 5
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
56
TABLA 5 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA
Temperatura T=2600degK T=2450degK T=2200degK
Sustancia h(kJkmol)
8CO2 1099592 1025752 903512
9H2O 1028457 955647 836460
47N2 4072550 3814003 3385880
6130599 5795402 5125852
Interpolando los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2450degK y 2200degK se
obtiene la temperatura 119879 = 239424deg119870
II2 Mezcla pobre (110 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Ecuacioacuten real (10 exceso de aire) es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 1251198742 + 5171198732
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
Sustituyendo los valores de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y A-26 [75] se obtiene
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364]
kJ
kmol1198621198742
+ 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]kJ
kmol1198671198742
+125[0 + ℎ1198732minus 8682]
kJ
kmol1198742
+ 517[0 + ℎ1198732minus 8669]
kJ
kmol1198732
= 1[minus249950 + 0]kJ
kmol119862811986718
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 125ℎ1198742
517ℎ1198732= 56976778119896119869119896119898119900119897
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno
6995ℎ1198732= 56976778
ℎ1198732= 8145357827
119870119869
119870119898119900119897
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
57
TABLA 6 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA POBRE
Temperatura T=2400degK T=2450degK T=2200degK T=2250degK
Sustancia h(kJkmol)
8 CO2 1001216 1025752 903512 927872
9 H2O 931572 955647 836460 860058
125 02 1039675 106390 94355 9674625
517 N2 4100844 41954033 3724468 38183552
61376055 62831923 5558795 570303145
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2500deg119870
Nuevamente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen
los valores que se muestran en la tabla 6
Realizando la interpolacioacuten de los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2200degK
y 2250degK se obtiene la temperatura 119879 = 2248144deg119870
II3 Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es la siguiente
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
La ecuacioacuten real (85 de aire) es
119862811986718 + 10625(1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 91198672119874 + 375119862119874 + 39951198732
Aplicando la primera ley de la termodinaacutemica para sistemas reactivos y adiabaacutetico se obtiene
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
TABLA 7 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA
Sustancia hf h 298 degk
KJKmol
C₈H₁₈ -249950 -----
O₂ 0 8682
N₂ 0 8669
H₂O -241820 9904
CO₂ -393520 9364
CO -110530 8669
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
58
Posteriormente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se
obtienen los valores que se muestran en la tabla 7
Y sustituyendo los valores en la foacutermula antes mencionada se obtienen los resultados siguientes
425 (minus393520 + ℎ119862119874₂ minus 9364) + 375 (minus110530 + ℎ119862119874 minus 8669) + (minus 241820
+ ℎ119867₂119874 minus 9904) + 3995 (0 + ℎ119873₂ minus 8669) ndash 1(minus 249950
+ 0) ndash 10625 (0 + 0) ndash 3995 (0 + 0) = 0
425 ℎ119862119874₂ + 375 ℎ119862119874 + 9 ℎ119867₂119874 + 3995 ℎ119873₂ = 45211458
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno 5695 ℎ119873₂ = 45211458
ℎ119873₂ = 7938798 = 79388 kJkmol
De la tabla A-18 [75] de propiedades del nitroacutegeno se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2400deg119870
Tabulando los valores correspondientes de la entalpiacutea a la temperatura indicada se muestran en
la tabla 8
Interpolando entre los valores de 2300degK y 2200degK se obtiene la temperatura para esta
mezcla 119879 = 2223305deg119870
TABLA 8 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA RICA
Temperatura T=2400 T=2300 T=2200
Sustancia h(KJKmol)
425 Co₂ 531896 50589875 47999075
375 Co₂ 30005625 28629375 272580
9 H₂O 931572 883791 836460
3995 N₂ 3168834 30232562 2877998
sum 493235825 46992397 446702875
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
59
434 Temperatura real de combustioacuten
Las temperaturas de combustioacuten adiabaacutetica obtenidas en el apartado que aborda el tema de la
temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para los tres tipos de mezclas reflejan un paraacutemetro
cuantitativo sin embargo no es posible que el motor alcance dichos valores Esto es debido a la
Segunda Ley de la Termodinaacutemica en su postulado de Kelvin Plank refirieacutendose precisamente al
rendimiento del motor que de acuerdo a la relacioacuten de compresioacuten establecida se determinoacute que
es de 60 Este valor equivale al maacuteximo rendimiento posible con el cual se determinaraacute la
temperatura real del motor para los tres tipos de mezclas Eacutesta temperatura seraacute considerada para
el anaacutelisis de transferencia de calor en la biela
I Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El poder caloriacutefico del combustible representa la cantidad de calor liberado cuando se quema por
completo en un proceso de flujo estacionario En este anaacutelisis se considera el poder caloriacutefico
inferior debido a que el agua en los productos se considera en fase de vapor correspondieacutendole un
valor de 44430 kJkmol [75]
Involucrando una eficiencia de 60 se determina la cantidad de calor real utilizado en los tres
diagramas y mediante el anaacutelisis de estequiometria se obtiene la temperatura real correspondiente
al maacuteximo valor del ciclo en el proceso de explosioacuten
El anaacutelisis parte de la ecuacioacuten teoacuterica (100 de aire) para los tres tipos de mezclas que se
analizan en este apartado
De acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica para esta reaccioacuten de combustioacuten la
ecuacioacuten de la cantidad de calor liberado es
minus 119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
El valor de 119876119903119890119886119897 se determina al involucrar el rendimiento de 60 del poder caloriacutefico del
combustible y a la vez multiplicaacutendolo por la masa molar del combustible de 114231 kgkmol
obteniendo un valor de 3045170119896119869
119896119898119900119897
Los valores de ℎ119891deg y ℎ de los componentes a 298degK son los que se muestran en la tabla 9 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
60
TABLA 9 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Sustancia 119945 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948
kjkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119925120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 47(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten en funcioacuten de las entalpiacuteas de los elementos de los
productos que se resuelve por el meacutetodo iterativo
8ℎ 1198621198742
+ 9 ℎ1198671198742+47ℎ1198732
=2600911 kJkmol
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero total
de moles lo que produce 2600911 119896119869
(8 + 9 + 47) 119896119898119900119897= 4063923
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido correspondieacutendole un valor de T=131374degK A partir de este valor
se proponen valores inferiores y posteriormente realizar una interpolacioacuten lineal como se muestra
en la tabla 10 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
61
TABLA 10 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Temperatura T=1180degK T=1200degK T=1220degK
Sustancia h(KJKmol)
120790 119914119926120784 421792 430784 439816
120791 119919120784119926 391581 399420 407304
120786120789 119925120784 1696888 1728519 1760244
Total 2510261 2558723 2607364
Interpolando entre las temperaturas de 1200degK y 1220degK se obtiene que la temperatura real de
combustioacuten es T = 1217347 degK
II Mezcla pobre (110 aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten con 10 de exceso de aire es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 1251198742 + 91198672119874 + 5171198732
La ecuacioacuten de combustioacuten de acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
Los valores de las entalpiacuteas ℎ119891deg + ℎ de las sustancias a T= 298degK son los que se muestran en la
tabla 11 [75]
Sustituyendo valores correspondientes en la ecuacioacuten se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 125(0 + ℎ1198742minus 8682)
kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 517(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
62
TABLA 11 ENTALPIA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA POBRE REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119926120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten
8ℎ1198621198742+125 ℎ1198742
+ 9 ℎ1198671198742+517ℎ1198732
=26525078 kJ
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de
moles lo que produce
26525078 119896119869
(8 + 125 + 9 + 517) 119896119898119900119897= 379200543
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido siendo T=1240degK Nuevamente se propondraacuten valores inferiores a
la temperatura obtenida para obtener la entalpiacutea correspondiente a cada sustancia por
interpolacioacuten lineal obtener el resultado correcto Se muestran los valores de la tabla 12 [75]
La interpolacioacuten entre las temperaturas de 1160degK y 1140degK da el resultado de la temperatura
real para esta mezcla 119879 = 11515385deg119870
TABLA 12 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA POBRE REAL
Temperatura T=1200degK T=1160degK T=1140degK T=1120degK
Sustancia h(kJkmol)
120790119914119926120784 430784 412816 403872 394952
120783 120784120787119926120784 4805875 4627875 453925 445075
120791119919120784119926 399420 383778 376020 327384
120787120783 120789119925120784 19013709 1831731 1797092 17625564
Total 277963365 267460375 26223765 25293999
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
63
III Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten incompleta genera la aparicioacuten de monoacutexido de carbono (CO)
en los productos
119862811986718 + 10625 (1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 375119862119900 + 91198672119874 + 39951198732
De la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg)
Los valores de ℎ119891deg + ℎ de los componentes a la temperatura de 298degK son los que se muestran
en la tabla 13 [75]
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 425(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 375(minus110530 + ℎ119862119900 minus 8669)kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 3995(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
425ℎ1198621198742+375 ℎ119862119900 + 9 ℎ1198671198742+3995ℎ1198732
=14759758 kJkmol
Eacutesta debe resolverse por iteraciones sucesivas Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el
lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de moles obtenieacutendose 14759758 kJ
(425 + 375 + 9 + 3995) 119896119898119900119897= 25917
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente a esta entalpia
la temperatura aproximada siendo T=870degK Realizando un procedimiento similar a las mezclas
anteriores se obtiene la tabla 14 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
64
TABLA 13 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 8682
119925120784 0 8669
119914119926120784 -393520 9364
Co -110530 8669
119919120784119926 -241820 9904
TABLA 14 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA RICA REAL
Temperatura T=860degK T=850degK T=840degK T=830degK T=820degK
Sustancia h(KJKmol)
120786 120784120787119914119926120784 150008 14778525 14556675 1433525 141151
120785 120789120787119914119926 96630 954225 94215 9301125 9181125
120791119919120784119926 272160 268614 265086 261558 258048
120785120791 120791120787119925120784 10231195 10104154 9977113 9850871 9724629
Total 15419175 152223715 150257905 148300885 146347315
Interpolando entre las temperaturas de 830degK y 820degK se obtiene una temperatura de
combustioacuten para esta mezcla de 119879 = 8264deg119870
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten
En el apartado 433 se determinoacute una cantidad de calor liberado por la reaccioacuten quiacutemica de
combustioacuten de Q = 3045170 kJkmol = 26658 kJkg Esta energiacutea en forma de calor se tomaraacute en
cuenta para calcular el coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
Para este anaacutelisis se considera un modo de transferencia de calor por conveccioacuten entre un soacutelido
y un gas adyacente Seguacuten Cengel entre maacutes raacutepido es el movimiento de un fluido mayor es la
transferencia de calor por conveccioacuten [76]
De acuerdo con la ley de Newton del enfriamiento esta forma de transferencia de calor se expresa
mediante la ecuacioacuten honoriacutefica de este autor
119888119900119899119907 = ℎ119860119904( 119879119904 minus 119879infin )
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
65
Doacutende
h = coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
As = aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la
transferencia de calor
Ts = temperatura de la superficie
Tinfin = temperatura de los gases de combustioacuten
Para determinar el aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la conveccioacuten se considera un
cilindro con las dimensiones de la muestra seleccionada con un tamantildeo de 81 mm de diaacutemetro por
864 mm de carrera entonces
As = πDL = π(81 cm)(864 cm) = 2198612cm2 = 2198612x10-4 m2
Es necesario determinar la rapidez o tasa de transferencia de calor para lo cual se determina la
relacioacuten aire combustible para una mezcla con 85 de aire
119903119886119888frasl =
119898119886
119898119888=
119873119886
119873119888
119872119886
119872119888=
(10625)(426)(2897)
114231= 115
119896119892119886119894119903119890
119896119892119888119900119898119887
Doacutende
Na Nc corresponden al nuacutemero de moles del aire y el combustible respectivamente
Ma Mc son la masa molar del aire y la mezcla respectivamente
Desplazamiento por cilindro = V1 ndash V2 = 1800 cm34 = 450 cm3
Relacioacuten de compresioacuten r = 95 =V1V2
Resolviendo se obtiene un volumen inicial V1 = 502941 cm3
Utilizando condiciones iniciales presioacuten de 100 kPa y temperatura de 298degK Mediante la
ecuacioacuten de estado se determina la masa de aire
ma = 11987511198811119872
1198771199061198791
= (100)(5029411990910minus4)(2897)
(8314)(298)= 0000588 k119892
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
66
Con la relacioacuten aire combustible se determina la masa del combustible
119898119888 = 119898119886
119903119886119888=
0000588
115= 000005113 k119892
El calor total liberado durante la combustioacuten es
119876 = 119902119898119888 = 26658119896119869
119896119892(000005113 119896119892) = 1363035 119896119869
El flujo de calor por cilindro para una velocidad del motor de 2700 rpm es
119876 = 1363035119870119869 (1
2119888119894119888119897119900119904
119903119890119907
) (2700119903119890119907
119898119894119899) (1
119898119894119899
60 119904 ) = 306682 119896119882
Esta es la cantidad de flujo de calor que se considera para determinar el coeficiente de
transferencia de calor por conveccioacuten de la siguiente forma
ℎ = 119888119900119899119907
119860119904 ( 119879119904minus119879infin )=
306682 119882
(219861211990910minus41198982)(25minus5533)deg119862= 26398355 119882
1198982deg119862frasl
44 Simulacioacuten
Durante el presente anaacutelisis la geometriacutea de la biela fue elaborada en Solid Works para
posteriormente importarla al software de ANSYS en la simulacioacuten correspondiente Se selecciona
un modelo de malla refinado tal como se muestra en la figura 33 para una solucioacuten precisa y con
resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico - transitorio y estructural
Figura 33Modelo de malla
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
67
Se inicia con un anaacutelisis teacutermico transitorio tomando en cuenta los datos de la muestra del motor
seleccionado asiacute como tambieacuten los resultados obtenidos en el anaacutelisis teacutermico de combustioacuten y por
transferencia de calor El tiempo transitorio se determina con la velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira 2 revoluciones por ciclo termodinaacutemico resultando ser de
004444 segundos El primer resultado muestra la distribucioacuten de temperatura mediante la
transferencia de calor por conveccioacuten tal como se visualiza en la figura 34
Figura 34Distribucioacuten de temperatura
El segundo anaacutelisis es una simulacioacuten estaacutetica estructural vinculada con el anaacutelisis teacutermico
transitorio como se aprecia en la figura 35
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
68
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural es necesario saber la fuerza axial que actuacutea sobre la biela para
lo cual durante el anaacutelisis cineacutetico realizado en el software de Matlab se obtuvieron resultados del
par-motor durante el movimiento de la biela del PMS al PMI El par maacuteximo o torque se obtiene a
los 28deg a parir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de 15380 N Es
importante mencionar que el fabricante estima un par maacuteximo de 300 Nm a 2700 rpm y el
software de Matlab arroja un resultado de 310 Nm La distribucioacuten de temperatura es importada
para el anaacutelisis teacutermico estructural tal como se aprecia en la figura 36
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela
Mediante simulacioacuten final del anaacutelisis de flujo teacutermico-transitorio y estaacutetico-estructural se
obtienen resultados de los esfuerzos principales de Von Mises tal como se visualiza en la figura
37
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
69
Un paraacutemetro comparativo es la resistencia a la cedencia del material recomendado para la
fabricacioacuten de la biela Se utilizoacute para este caso un acero 4140 con una resistencia de 470 MPa
(recosido) y de 862 MPa (normalizado) Durante este tiempo la biela resiste con toda seguridad
el impacto de carga y temperatura Sin embargo la realidad es que normalmente el motor se
mantiene acelerado por maacutes tiempo Por ejemplo considerando que el motor trabaje durante un
minuto a la velocidad de 2700 rpm la solucioacuten que se obtiene mediante ANSYS resulta muy
considerable ya que el sobrecalentamiento se genera por estas causas La solucioacuten obtenida se
muestra en la figura 38
Definitivamente el esfuerzo maacuteximo rebasa el liacutemite de cedencia del material esto implica que
en alguacuten momento la parte maacutes vulnerable de la biela estaraacute propensa a sufrir alguna fractura lo
que comuacutenmente se conoce como ldquodesbielarrdquo el motor Esto es lo que genera mantener un motor
revolucionado aunque tambieacuten existen otras causas que contribuyen al sobrecalentamiento como
un sistema deficiente de lubricacioacuten y enfriamiento que en otro caso pueden considerarse motivo
de una investigacioacuten especiacutefica
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
70
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN
51 Conclusiones relativas a los objetivos
Cumplimiento del Objetivo general ldquoAnalizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas
de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro y cuatro cilindros encendido por chispardquo
A partir de los nuevos conocimientos obtenidos en esta investigacioacuten se puede dar por cumplido
el objetivo general teniendo en cuenta los siguientes elementos
Se realizoacute el anaacutelisis de los elementos que ocasionan la falla en un motor de cuatro tiempos
esto mediante el anaacutelisis cinemaacutetico donde se consideroacute el desplazamiento conforme a la
geometriacutea del motor y la velocidad tomando en cuenta el desplazamiento De igual forma se
tomoacute en cuenta la aceleracioacuten y se realzoacute el anaacutelisis cineacutetico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoIdentificar el comportamiento termo estaacutetico de una
biela en un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por
chispardquo
A eacuteste respecto se identificoacute el comportamiento termo estaacutetico mediante las leyes de la
termodinaacutemica para la eficiencia de un motor Otto ideal asiacute como la comprensioacuten isentroacuteprica
la relacioacuten de comprensioacuten y gases obtenieacutendose la eficiencia teacutermica del ciclo Otto
correspondiente al 60
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoDeterminar la fuerza axial de una biela en un motor de
combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Mediante el anaacutelisis cineacutetico y de las fuerzas alternativas de inercia se da por cumplido el
objetivo especiacutefico La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten
cinemaacutetica Tambieacuten es necesario considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante
el proceso de expansioacuten pues de este resultado se obtiene la fuerza maacutexima que actuacutea sobre el
pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
71
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoObtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para
una reaccioacuten de combustioacuten estequiometricardquo
Mediante el anaacutelisis teacutermico y transferencia de calor se obtuvo la temperatura de flama
adiabaacutetica a partir de los resultados mediante interpolacioacuten Se analizaron los tres tipos de
mezcla para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla estequiomeacutetrica
una mezcla pobre y una mezcla rica En el caso de la mezcla al 100 de aire se obtuvo una
estequiomeacutetrica balanceada donde se hizo la tabulacioacuten de la entalpiacutea con su correspondiente
sustancia al igual que la mezcla pobre obtenieacutendose una temperatura de 119879 = 2248144deg119870
Referente a la mezcla rica se realizoacute la interpolacioacuten entre los valores de 2300degK y 2200degK
resultando una temperatura para esta mezcla de 119879 = 2223305deg119870 por lo que se da por
cumplido este objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoSimular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela
para identificar posibles deformacionesrdquo
Se realizoacute la simulacioacuten con un modelo de malla refinado en el Software de Aplicacioacuten Solid
Works donde posteriormente se importoacute al software ANSYS Se inicioacute con el anaacutelisis teacutermico
transitorio El tiempo transitorio se determina con una velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
Tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira dos revoluciones por ciclo termodinaacutemico este tiempo
resulta ser de 004444 segundos El primer resultado mostroacute la distribucioacuten de temperatura
mediante la transferencia de calor por conveccioacuten
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural se usoacute el software de MATLAB El par maacuteximo
corresponde a 28deg a partir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de
15380 N Es importante mencionar que el fabricante estimoacute un par maacuteximo de 300 Nm a 2700
rpm mientras que el software de MATLAB arrojoacute un resultado de 310 Nm Por lo que se da
por cumplido el objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoElaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de
un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
72
Respecto al anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico se encontroacute que para la fabricacioacuten de la biela es
recomendable la resistencia de la cedencia es decir un acero 4140 con una resistencia de 470
MPa (recosido) y de 862 MPa (normalizado) Con estos paraacutemetros la biela resistiraacute con toda
seguridad el impacto de carga y temperatura
52 Aportaciones originales
La presente investigacioacuten tiene cuatro aportaciones las cuales se describen a continuacioacuten
Un primer aporte de esta investigacioacuten consistioacute en haber realizado un anaacutelisis cinemaacutetico
considerando el desplazamiento la velocidad y aceleracioacuten lo cual fue el objeto de estudio
para producir cambios en la biela de un motor VW Golf MK4 GTI 18T Respecto a la revisioacuten
de las fuentes primarias se encontraron los fundamentos teoacutericos necesarios para la
elaboracioacuten de dicha investigacioacuten que al ser analizado y aplicado dio un diagnoacutestico de la
situacioacuten actual de las fallas de una biela
Una segunda aportacioacuten fue el haber realizado el anaacutelisis estaacutetico estructural para saber la
fuerza axial que actuacutea sobre la biela Para esto durante el anaacutelisis cineacutetico se utilizoacute el software
de MATLAB con el que se obtuvieron resultados del par-motor durante el movimiento de la
biela del PMS al PMI
La tercera aportacioacuten de esta investigacioacuten consistioacute en realizar un anaacutelisis teacutermico por
transferencia de calor para poder identificar la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
considerando tres tipos de mezcla que son 100 de aire mezcla pobre y mezcla rica Asiacute como
la determinacioacuten de la temperatura real de combustioacuten y sus mezclas correspondientes para
obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiometrica
La cuarta aportacioacuten de esta investigacioacuten fue la generacioacuten de la geometriacutea de la biela usando
el software en Solid Works posteriormente importada al software de ANSYS la obtencioacuten de
una solucioacuten precisa y con resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico transitorio y estructural
|
53 Recomendaciones para futuros estudios
Se recomienda para futuros estudios profundizar en la temaacutetica de mecaacutenica Los problemas que
deja abiertos esta investigacioacuten para futuros estudios son los siguientes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
73
Se evidencia la necesidad de que las empresas dedicadas a la fabricacioacuten de piezas mecaacutenicas
establezcan paraacutemetros y realicen simulaciones adecuadas de las piezas que conforman los
autos para que no tengan fallas en un futuro
Se recomienda realizar investigaciones en el aacuterea de mecaacutenica que deacute seguimiento a las liacuteneas
de investigacioacuten de termo fluidos y disentildeo implementando un laboratorio de pruebas de
motores de combustioacuten interna que aunado a la simulacioacuten los resultados seriacutean maacutes eficientes
Difusioacuten de los resultados de esta investigacioacuten con la presentacioacuten de los mismo en congresos
y revistas
Finalmente se recomienda realizar investigaciones correspondientes a las fallas mecaacutenicas
diferentes a las abordadas en este estudio en relacioacuten con los motores de combustioacuten interna y
los factores que inciden negativamente
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
74
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Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
80
ANEXOS
ANEXO I
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y utilizando la nomenclatura de la figura 22 se determinaron el
desplazamiento velocidad y aceleracioacuten correspondientes por medio del software de MATLAB
El anaacutelisis completo corresponde al movimiento alternativo durante un ciclo termodinaacutemico
DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN
Programa para determinar el desplazamiento ldquoxrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de
360 grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
81
ANEXO II
VELOCIDAD DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la velocidad ldquovrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
82
ANEXO III
ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la aceleracioacuten ldquoardquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
83
ANEXO IV
FUERZAS ALTERNATIVAS
En el anaacutelisis cineacutetico las fuerzas alternativas representan parte de la carga que actuacutea en el
pistoacuten considerando la aceleracioacuten del mismo en la segunda ley de Newton Se utilizoacute el
software de MATLAB durante este anaacutelisis
Programa para determinar las fuerzas alternativas de primer orden y segundo orden durante un
movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
84
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL DESPLAZAMIENTO
LA VELOCIDAD LA ACELERACIOacuteN Y FUERZAS ALTERNATIVAS DE INERCIA ES
syms x
Longitud de la Biela
L=144
Radio De La Manivela
r=0432
Carrera Del Piston
C=2r
Angulo entre eje de la biela con Cilindro (beta)
b=0
lamda=rL
________DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Deslizamiento angular de la Manivela (alpha)
a = 0pi184pi
Desplazamineto del Piston
x=r(1-cos(a))+L((1-(lamda^2)(sin(a))^2))^12
x=r(1-cos(a))
y=010720
subplot(221)
plot(yx)
ylabel(Desplazamiento Del Piston (m))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________VELOCIDAD DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Velocidad del Piston
V=diff (x)
y=010710
subplot(222)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
85
plot(yV)
ylabel(Velocidad Del Piston (ms))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Aceleracioacuten del Piston
A=diff (V)
y=010700
subplot(223)
plot(yA)
ylabel(Aceleracioacuten Del Piston (ms^2))
xlabel(GRADOS)
grid on
Masa
m=660
Revoluciones Por Minuto
n=2700
Velocidad Angular
W=(2pin)60
lamda=rL
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE PRIMER ORDEN_________
F1=m(W^2)rcos(a)biela de longitud infinita
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE SEGUNDO ORDEN_________
F2=m(W^2)rlamdacos(2a)biela de longitud infinita
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
86
F2=m(W^2)r(cos(a)+lamdacos(2a))biela de longitud finita
y=010720
subplot(224)
plot(yF1r-yF2b-)
ylabel(Fuerzas Alternativos (N))
xlabel(GRADOS)
legend(Fza Inercia 1deg Orden Fza Inercia 2deg Orden)
grid on
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
87
ANEXO V
ANAacuteLISIS DE LA FUERZA EN LA BIELA
Programa para determinar la fuerza durante el movimiento alternativo del pistoacuten
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA LA FUERZA EN LA
BIELA ES
Diagrama Par-Motor
function[F]=Fbexplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00432
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
88
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Fb=F(1-(lambda^2)(sin(alphar))^2)^05
plot(alphaFb)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Fuerza en la Biela N))
title(Fb Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
89
ANEXO VI
DIAGRAMA PAR-MOTOR
Programa para determinar el par-motor durante el movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
90
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL PAR-MOTOR ES
Diagrama Par-Motor
function[Mt1]=ParMotorExplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00437
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Mt1=Fr(sin(alphar))+(((lambdasin(alphar)))cos(alphar))(sqrt(1-
lambda^2((sin(alphar))^2)))
plot(alphaMt1)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Par Motor(Nm))
title(Par Motor Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
91
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
92
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
II
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a la Fundacioacuten Telmex por darme la oportunidad de formar parte de tan distinguida
organizacioacuten y por el apoyo recibido durante el periodo de permanencia del programa de posgrado
de maestriacutea
Asiacute mismo reconozco el apoyo recibido por medio del Instituto Tecnoloacutegico de Pachuca y por ende
del Tecnoloacutegico Nacional de Meacutexico y al Consejo de Posgrado por su paciencia y dedicacioacuten en
especial al Dr Celerino por su comprensioacuten y amistad incondicional
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
III
IacuteNDICE DE CONTENIDO
DEDICATORIAS I
AGRADECIMIENTOS II
IacuteNDICE DE CONTENIDO III
IacuteNDICE DE FIGURAS VI
IacuteNDICE DE TABLAS VII
RESUMEN VIII
ABSTRACT IX
INTRODUCCIOacuteN 1
1 Planteamiento del problema 1
1 Propoacutesito de la investigacioacuten 2
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten 3
3 Objetivos 4
31 Objetivo general 4
32 Objetivos especiacuteficos 4
4 Alcances 4
5 Organizacioacuten del estudio 5
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE 6
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 10
21 Conceptualizacioacuten del motor 10
22 Clasificacioacuten de motores 11
221 Motores eleacutectricos 11
222 Motores teacutermicos 12
223 Motores hiacutebridos 12
224 Motores de combustioacuten externa 13
23 Motores de combustioacuten interna 14
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna 15
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna 16
24 Conceptualizacioacuten de la biela 16
241 Elementos de una biela 17
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela 18
243 Fallas en las bielas del motor 19
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IV
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten 19
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal 21
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes 22
271 Clasificacioacuten de los cojinetes 23
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos 25
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos 25
29 Sistema de encendido 27
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa 27
292 Ventajas de la inyeccioacuten directa 28
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa 28
294 Descripcioacuten del proceso de encendido 29
495 Componentes del sistema de encendido 30
210 Sobrecalentamiento 30
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor 32
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor 33
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor 33
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico 34
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA 36
31 Enfoque de la investigacioacuten 36
32 Alcance de la investigacioacuten 37
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis 38
34 Disentildeo de la investigacioacuten 39
35 Seleccioacuten de la muestra 40
36 Recoleccioacuten de datos 41
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos 42
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS 43
41 Generalidades 43
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T 44
421 Aplicaciones del 18T 44
43 Anaacutelisis de datos 45
431 Anaacutelisis cinemaacutetico 45
432 Anaacutelisis cineacutetico 48
433 Anaacutelisis termodinaacutemico 50
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
V
434 Temperatura real de combustioacuten 59
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten 64
44 Simulacioacuten 66
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN 70
51 Conclusiones relativas a los objetivos 70
52 Aportaciones originales 72
53 Recomendaciones para futuros estudios 72
REFERENCIAS 74
ANEXOS 80
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS 91
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VI
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 1Estado del arte 9
Figura 2 Motor eleacutectrico 11
Figura3 Motor hiacutebrido 12
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas) 13
Figura 5 Motor de combustioacuten interna 14
Figura 6Biela 17
Figura 7 Partes de la biela 18
Figura8 Pistoacuten 19
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela 20
Figura 10Ciguentildeal 21
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal 22
Figura 12Cojinetes 22
Figura 13Cojinetes de friccioacuten 24
Figura 14Cojinetes de rodamiento 24
Figura 15Motor de cuatro tiempos 25
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos 26
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa 27
Figura18 Sistema de encendido 29
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo 36
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna 43
Figura 21VW Golf 44
Figura 22 Nomenclatura 45
Figura 23 Desplazamiento 46
Figura 24Velocidad del pistoacuten 47
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten 47
Figura 26Fuerzas alternativas 48
Figura 27 Fuerzas en la biela 49
Figura 28Diagrama par-motor 49
Figura 29Par-motor de explosioacuten 50
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen 51
Figura 31 Eficiencia teacutermica 53
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor 55
Figura 33Modelo de malla 66
Figura 34Distribucioacuten de temperatura 67
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural 67
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela 68
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela 68
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela 69
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VII
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Conceptualizacioacuten de variable 39
Tabla 2 Caracteriacutesticas del motor 40
Tabla 3 Porcentaje de composicioacuten quiacutemica del acero usado 41
Tabla 4 Tratamiento teacutermico y propiedades mecaacutenicas 41
Tabla 5 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica 56
Tabla 6 Valores de entalpiacutea para mezcla pobre 57
Tabla 7 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica 57
Tabla 8 Valores de entalpiacutea para mezcla rica 58
Tabla 9 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla teoacuterica real 60
Tabla 10 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica real 61
Tabla 11 entalpia de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla pobre real 62
Tabla 12 Valores de entalpiacuteas para mezcla pobre real 62
Tabla 13 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica real 64
Tabla 14 Valores de entalpiacuteas para mezcla rica real 64
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VIII
RESUMEN
Esta investigacioacuten es de tipo y alcance exploratorio descriptivo correlacional y explicativo con un
enfoque mecaacutenico y cuantitativo Que tiene la finalidad de identificar las fallas en una biela que es
una parte moacutevil de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido
por chispa (ECH) accionado con octano Mediante el anaacutelisis del comportamiento teacutermico y
estructural del objeto de estudio de esta investigacioacuten con base en los tres posibles diagramas para
mezclas de aire combustible estequiomeacutetrica rica y pobre y mediante el anaacutelisis de transferencia
de calor por conveccioacuten se determina el coeficiente correspondiente para cuando la biela es
sometida a sobrecalentamiento Subsecuentemente se realizaron los anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico
con base caracteriacutesticas del motor VW Golf MK4 Gti 18T utilizando el software de MATLAB
Posteriormente se generoacute la geometriacutea de la biela con dimensiones reales en el software
SOLIDWORKS por uacuteltimo se simulo el comportamiento y reaccioacuten la biela tanto para un flujo
teacutermico transitorio como estructural en ANSYS Los resultados obtenidos muestran que los
esfuerzos y deformaciones en la biela en comparacioacuten con los liacutemites de cedencia del material se
encuentran dentro de los liacutemites permisibles ademaacutes de la identificacioacuten de los puntos vulnerables
a una posible falla o fractura
Palabras clave biela motor de combustioacuten interna sobrecalentamiento termo-estaacutetico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IX
ABSTRACT
This research is of type and scope exploratory descriptive correlational and explanatory with
a mechanical and quantitative approach Which has the purpose of identifying the faults in a
connecting rod that is a moving part of a four-stroke internal combustion engine and four cylinders
ignition by spark powered by octane When analyzing the thermal and structural behavior of the
object of study of this research based on the three possible diagrams for combustible air mixtures
stoichiometric rich and poor and by analysis of heat transfer by convection the corresponding
coefficient is determined for when the connecting rod is subjected to overheating Subsequently
kinetic and kinematic analyzes were performed based on the characteristics of the VW Golf MK4
Gti 18T engine using the MATLAB software Following the geometry of the connecting rod with
real dimensions was generated in the SOLIDWORKS software Finally the behavior and reaction
of the connecting rod were simulated both for transient and structural thermal flow in ANSYS
The results obtained show that the efforts and the deformations in the connecting rod in
comparison with the performance limits of the material are within the permissible limits in
addition to the identification of the vulnerable points before a possible failure or fracture
Keywords connecting rod internal combustion engine overheating thermo-static
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
1
INTRODUCCIOacuteN
Los motores de combustioacuten interna son los maacutes usados en los automoacuteviles los cuales en
ocasiones presentan fallas mecaacutenicas tan diversas como la cantidad de componentes del motor
Diferentes autores han determinado dentro de la diversidad de problemas relacionados con la biela
del motor los siguientes la fatiga el pasador que conecta a la biela del pistoacuten el cual recibe una
gran cantidad de desgaste el motor revolucionado el agua que ingresa al cilindro del motor en el
momento de la chispa la cual puede ocasionar que la biela se doble y deformaciones de la biela por
sobrecalentamiento por ello es importante que el sistema de lubricacioacuten se encuentre en buen
estado Asociado a esto es importante que se verifique el tratamiento teacutermico de los ciguumlentildeales de
tal forma que se tenga una resistencia adecuada Que en caso de presentarse alguno de estos
problemas la reparacioacuten del motor implica no solo la reposicioacuten de la biela sino de todas las piezas
afectas e incluso el cambio o restitucioacuten completa del motor
1 Planteamiento del problema
Preferentemente cuando se realiza la reparacioacuten de un motor de auto se debe comprobar el
estado de todas las piezas moacuteviles y fijas antes de la realizacioacuten de un trabajo de verificacioacuten pero
en la mayoriacutea de ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa revisioacuten de su estado
Una biela es un elemento fundamental en el funcionamiento de un motor ya que trasforma la
energiacutea quiacutemica generada por la combustioacuten en una energiacutea cineacutetica siendo el enlace entre la
absorcioacuten de la energiacutea mecaacutenica por lo que la biela es el elemento maacutes tensionado de un motor
y su correcto disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes Por lo anterior la biela es robusta en su
disentildeo pero a la vez debe ser lo maacutes ligera posible para reducir la inercia y soportar los esfuerzos
mecaacutenicos a los que se encuentra sometida [1]
La biela soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del
ciguumlentildeal hacia arriba un trabajo realmente duro el que realiza la biela Se construye de acero
forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al material aguantar ese inmenso
trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta conseguir la forma de la biela
[2]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
2
Asociado a esto al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentan desgastes excesivos y prematuros los cuales pueden ocasionar una falla es por esto
importante considerar un buen sistema de lubricacioacuten durante el funcionamiento del motor La
temperatura en la caacutemara de combustioacuten debe ser superior a los 2000 degK siendo eacutesta una
temperatura instantaacutenea pues disminuye durante el tiempo de expansioacuten y escape de gases Es por
lo tanto necesario disipar el calor producido en la explosioacuten y si el sistema no funciona
correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como consecuencia
deformaciones importantes por sobrecalentamiento [3]
Una biela arqueada o retorcida sobre su eje provoca un ruido en el motor y este arqueamiento es
ocasionado por un diaacutemetro excesivo en el pie o cabeza de la biela o por un peso inadecuado del
elemento [4] En la rectificacioacuten de un motor de combustioacuten interna se rectifican 21 brazos de biela
en un mes lo que significa que estos elementos no son cambiados ya que los brazos de biela estaacuten
disentildeados para tener una vida infinita y estaacute sometido a millones de repeticiones de ciclos de carga
[5]
Es pertinente mencionar que con relacioacuten a las fallas mecaacutenicas de los motores relacionadas a la
biela de un motor se han encontrado investigaciones realizadas en diversos paiacuteses como Ecuador
Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico las cuales se detallan en apartados posteriores Que
conjuntamente a la constante evolucioacuten tecnoloacutegica de la ingenieriacutea en general y el disentildeo
mecaacutenico en particular se decidioacute analizar cuaacuteles son los factores que influyen en el
comportamiento de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) Se
plantea entonces el siguiente problema de investigacioacuten
iquestCuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor de VW1 Golf MK4 Gti
18 T
1 Propoacutesito de la investigacioacuten
El propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar y analizar el comportamiento
termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) que
1 VW Agencia de Autos VolksWagen
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
3
es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico La finalidad es identificar las
fallas de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros
encendido por chispa accionado por gasolina que sirva de apoyo para el buen funcionamiento de
la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten
Frecuentemente la reparacioacuten de un auto depende del cuidado y buen mantenimiento que se deacute
al vehiacuteculo caso contrario esto va influir en el desgaste anticipado de los elementos fijos y moacuteviles
de un motor Ademaacutes en muchas ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa
revisioacuten de su estado o de un anaacutelisis de sus propiedades mecaacutenicas Por tales razones la
justificacioacuten de la presente investigacioacuten estaacute basado en diferentes aspectos los cuales se describen
a continuacioacuten
Conveniencia Reparar el motor tiene varias fases y las fallas tienen diferentes consecuencias
por lo cual hay que hacer un buen diagnoacutestico en cada una de sus piezas principalmente en las
bielas sin embargo no se conoce especiacuteficamente cuales son los problemas que origina la
falla de esta pieza El resultado esperado para la presente investigacioacuten seraacute realizar un anaacutelisis
termo-estaacutetico que permitiraacute identificar los esfuerzos y deformaciones para tomar decisiones
acertadas y precauciones de riesgo que puede generar el sobrecalentamiento del motor
Implicacioacuten praacutectica El analizar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un
motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa
permitiraacute determinar la fuerza axial para posteriormente identificar la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica Con estos datos junto con la simulacioacuten de la geometriacutea estaacutetica y
estructural de la biela permitiraacuten identificar posibles deformaciones Los resultados podraacuten
confirmar su aplicabilidad ya que ayudaraacuten a tomar precauciones importantes para que el
motor tenga un excelente funcionamiento evitando riesgos fatales que pueden extenderse a la
destruccioacuten total del motor Se evidenciaraacute la necesidad de maacutes investigaciones destacaacutendose
los beneficios de la simulacioacuten poniendo en evidencia su relevancia social y su practicidad
Finalmente este estudio participa en el avance positivo en el campo de la ingenieriacutea mecaacutenica
Relevancia Social Al tener una posible solucioacuten aproximada mediante el anaacutelisis del
elemento finito el anaacutelisis estructural de la fuerza sobre la biela y la realizacioacuten de la
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
4
simulacioacuten para esfuerzos y deformaciones se podraacuten tener productos de calidad a menor
costo mejorar los procesos existentes y tambieacuten estudiar fallos de un componente estructural
o un equipo teniendo un impacto positivo debido a que permitiraacute que el motor de combustioacuten
interna tenga menos dantildeos
Valor Teoacuterico La elaboracioacuten del trabajo de investigacioacuten traeraacute como beneficio
herramientas metodoloacutegicas para estudios relacionados con las ciencias exactas
contribuyendo con aportes significativos a la aplicacioacuten de la teoriacutea de motores de combustioacuten
interna lo que permitiraacute el enriquecimiento de la ingenieriacutea mecaacutenica
3 Objetivos
31 Objetivo general
Analizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor VW Golf MK4
Gti 18T
32 Objetivos especiacuteficos
Identificar el comportamiento termo - estaacutetico de la biela en un motor de combustioacuten interna
de 4 tiempos y 4 cilindros encendido por chispa
Determinacioacuten de la fuerza axial que actuacutea en una biela en un motor VW Golf MK4 Gti 18T
Obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiomeacutetrica
Identificar posibles deformaciones de la biela con base en la simulacioacuten de su geometriacutea
estaacutetica y estructural
Elaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de un motor VW Golf MK4 Gti 18T
4 Alcances
La investigacioacuten se realizoacute en una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos
y cuatro cilindros encendido por chispa
Se trabajaron las etapas de anaacutelisis termo - estaacutetico y determinacioacuten de la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica dentro de la caacutemara del cilindro
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
5
Para la realizacioacuten de estas etapas se utilizoacute el software SolidWorks para generar la geometriacutea
real de la biela Se utilizoacute asiacute mismo ANSYS para la simulacioacuten estaacutetica estructural para
identificar esfuerzos y deformaciones de la biela
5 Organizacioacuten del estudio
El desarrollo de esta investigacioacuten comprende cinco capiacutetulos los cuales se describen a
continuacioacuten
Capiacutetulo 1 Estado del Arte la descripcioacuten de las investigaciones relacioacuten a las fallas
mecaacutenicas de los motores relacionadas a la biela de un motor relacionadas en diversos paiacuteses
como Ecuador Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico
Capiacutetulo 2 Marco Teoacuterico se desarrolla inicialmente el marco conceptual sobre las bielas los
componentes de las bielas anaacutelisis estaacutetico y teacutermico motor de combustioacuten haciendo eacutenfasis en
el disentildeo mecaacutenico de una biela
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea se abordan los aspectos metodoloacutegicos de la investigacioacuten como son
enfoque alcance formulacioacuten de hipoacutetesis disentildeo seleccioacuten de la muestra recoleccioacuten de datos
y el procesamiento y anaacutelisis de datos
Capiacutetulo 4 Anaacutelisis e interpretacioacuten de Resultados se analizan e interpretan los resultados
obtenidos en las pruebas de simulacioacuten
Capiacutetulo 5 Conclusiones y Recomendaciones se presentan las conclusiones
recomendaciones y aportaciones de la experiencia adquirida durante la investigacioacuten realizada
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
6
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE
Como ya se mencionoacute anteriormente el propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar
y analizar el comportamiento termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa (ECH) que es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico
Y con la finalidad de identificar las fallas de la biela y que estos resultados sirvan de apoyo para el
buen funcionamiento de la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
Resultado de la buacutesqueda sobre las investigaciones relacionadas con el propoacutesito de esta
investigacioacuten Se encontroacute que en Ecuador Reyes Cantildeizares y Villacres [6] realizaron un estudio
el cual consistioacute en analizar un brazo de biela de un motor que ha alcanzado el kilometraje
necesario para una reparacioacuten y no presenta ninguna falla en su estructura y comparar los
resultados con el brazo de una biela nueva Para desarrollar este anaacutelisis realizaron un ensayo de
traccioacuten bajo la norma ASTM con el fin de obtener los valores del liacutemite de fluencia y la resistencia
a la traccioacuten del material del que estaacute hecho el elemento A partir de los resultados obtenidos los
valores praacutecticos de las propiedades mecaacutenicas de los brazos de biela cumplen con los datos
teoacutericos del tipo de material del cual estaacuten fabricadas A su vez se demostroacute que el brazo de biela
de un vehiacuteculo con un recorrido de 1197599 km mejoroacute su estructura y sus propiedades
mecaacutenicas debido a la temperatura de los ciclos de trabajo del motor que van entre los 800 y 950
degC Los resultados mostraron que las propiedades mecaacutenicas del elemento mejoraron con el tiempo
y con la temperatura de funcionamiento del motor debido al tratamiento teacutermico de normalizacioacuten
A partir de los anaacutelisis realizados se determinoacute que el brazo de biela usado se encuentra en
condiciones oacuteptimas para ser utilizado en una reparacioacuten de motor asegurando asiacute el adecuado
funcionamiento y evitando el reemplazo del elemento lo que dio como resultado un ahorro
econoacutemico
Estudios elaborados en Brasil por Valdeacutez et al [7] indican que los motores de combustioacuten
interna son los maacutes usuales en los automoacuteviles y sirven para producir fuerza Entre los problemas
que se han encontrado son las fallas de las bielas relacionadas con otras fallas y especiacuteficamente
de los ciguumlentildeales los cuales fueron analizados dando un incorrecto rectificado de los muntildeones
produciendo alta generacioacuten de calor sobre las superficies en contacto originando pequentildeas fisuras
por fatiga teacutermica El valor de dureza promedio obtenido del nuacutecleo del ciguumlentildeal fue de 26 puntos
en la escala Rockwell C que equivale aproximadamente a 255 puntos en la escala Brinell y a una
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
7
resistencia de 85 kgmm2 Se concluye que el tratamiento teacutermico de bonificado realizado sobre el
ciguumlentildeal se desarrolloacute fuera de las normas obtenieacutendose una resistencia menor al liacutemite miacutenimo
recomendado De los resultados del anaacutelisis metalograacutefico se pudo identificar la presencia de
austenita retenida cuya proporcioacuten afecta inversamente la dureza y la resistencia final En los
resultados que se obtuvieron los autores mencionan que es necesario realizar un tratamiento
teacutermico de endurecimiento superficial como la nitruracioacuten Tambieacuten recomiendan estudiar la
bitaacutecora del tratamiento teacutermico utilizado en la produccioacuten del ciguumlentildeal con el fin de identificar
la etapa del tratamiento teacutermico que presenta el problema [8]
De igual forma indagaciones elaboradas en Argentina por Cravino et Al [9] mencionan que
existen diversos problemas cuando llegan a tener fallas las bielas de un motor por lo que los
autores mencionan que analizaron las dificultades desde el punto de vista dimensional metaluacutergico
y mecaacutenico a fin de determinar las causas probables de dichas fallas Seguacuten los resultados
obtenidos el material de la biela corresponde a un acero del tipo SAE 1141 que no concuerda con
el requerido por el fabricante No se encontraron defectos microestructurales o superficiales en el
material asociados con la falla La superficie de fractura presenta un comienzo deacutebil que finaliza
con las caracteriacutesticas fibrosas de un proceso duacutectil La causa probable de la falla del componente
se atribuye a una sobrecarga que produjo superacioacuten en el liacutemite elaacutestico del material y que
posteriormente dio lugar al pandeo plaacutestico del componente variando su geometriacutea y
fracturaacutendose totalmente Esta falla se debioacute a que el elemento estuvo sometido a un esfuerzo
mayor al que corresponderiacutea en condiciones normales de funcionamiento
Estudios realizados en Espantildea por Gonzaacutelez [10] mencionan que la naturaleza de las fuerzas que
afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de inercia En la
investigacioacuten sobre el disentildeo de una biela el autor utilizoacute el software de aplicacioacuten Working Model
que ayudoacute para el anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico mediante la simulacioacuten La finalidad fue calcular
las fuerzas aplicadas en la cabeza y el pie de la biela para posteriormente hacer un anaacutelisis de
elementos finitos que definieran los esfuerzos En los resultados obtenidos se logroacute disminuir la
longitud de la biela la cual permitioacute compactar maacutes el motor y reducir su peso De esta forma el
consumo y las emisiones del motor seraacuten menores que es uno de los grandes objetivos actualmente
de la industria automoviliacutestica Al realizar la simulacioacuten para el pandeo de la biela se aplicoacute un
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
8
valor de α2=2 obteniendo una carga criacutetica de pandeo de 3799522 N por lo que la carga para
evitar el fenoacutemeno de pandeo es σpandeo3 = 15663 MPa Con estos datos el autor afirma que la
biela no va a sufrir pandeo en ninguacuten caso considerando ademaacutes que el cuerpo estaacute
sobredimensionado
Aunado a lo anterior investigaciones realizadas en Meacutexico por Espinoza indican que las fallas
de los autos se deben al kilometraje recorrido de los cuales causan desgastes inevitables para el
motor provocando todo tipo de fallas incluyendo los de las bielas Los propietarios de los
vehiacuteculos necesitan por lo tanto recurrir a expertos que reparen los vehiacuteculos y garanticen su
funcionamiento [11] En el Estado de Meacutexico en especial en la zona de Texcoco se cuenta con
talleres que se encargan de la reparacioacuten de vehiacuteculos en general Eacutestos aun cuando ofrecen el
servicio de reparacioacuten de motores no trabajan directamente con este tipo de especiacutefico de
reparacioacuten sino que acuden a talleres especializados en rectificacioacuten para remediar los dantildeos
internos en los mismos Muchas veces no se dedican a la reparacioacuten de fallas de bielas debido a
que existen muchos factores que influyen en este tipo de descompostura En los motores la
principal fuente de energiacutea es la gasolina que es el combustible empleado con mayor frecuencia
por lo tanto es importante la calidad de ella para el oacuteptimo funcionamiento [12]
De igual forma Riesco et al [13] en estudios realizados en Hidalgo para comparar los modelos
de transferencia de calor y duracioacuten de la combustioacuten en el comportamiento de los ciclos
termodinaacutemicos de los motores de combustioacuten interna alternativos Dentro de los resultados
obtenidos los autores mencionan que los ciclos de aire estaacutendar con leyes de quemado permiten
tener resultados maacutes aproximados a los reales que los ciclos teoacutericos de aire estaacutendar Esto se debe
principalmente a que con los meacutetodos de simulacioacuten se toman en cuenta las peacuterdidas de energiacutea
por refrigeracioacuten y no se supone que la adicioacuten de calor se realice a presioacuten o volumen constante
sino que su velocidad se controla mediante expresiones empiacutericas Los resultados muestran que la
eleccioacuten tanto del modelo de transferencia de calor como el de la duracioacuten de la combustioacuten es
muy subjetiva y debido a que los sistemas de los motores se cambian contantemente se deberaacuten
ajustar las constantes que aparecen en dichos modelos para cada motor en particular
2 Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente a PMS 3 Inestabilidad elaacutestica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos y que se manifiesta por la aparicioacuten de
desplazamientos importantes transversales a la direccioacuten principal e compresioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
9
Figura 1Estado del arte
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
10
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
Un auto estaacute compuesto por diferentes piezas entre las cuales se encuentran filtro de aire
carburador distribuidor bomba de gasolina bobina de encendido filtro de aceite bomba de aceite
caacuterter aceite lubricante toma de aceite cables de alta tensioacuten de bujiacuteas bujiacutea balanciacuten muelle de
vaacutelvula vaacutelvula de escape vaacutelvula de admisioacuten lumbrera de admisioacuten caacutemara de combustioacuten
varilla empujadora aacuterbol de levas aros de pistoacuten pistoacuten biela buloacuten ciguumlentildeal muacuteltiple de escape
refrigeracioacuten del motor varilla medidora de aceite volante y motor de arranque
21 Conceptualizacioacuten del motor
La palabra motor proviene del latiacuten motoris que significa mover y en lo que se refiere a
automoacuteviles estos se encuentran disentildeados por varios elementos entre los cuales se encuentran los
motores el cual da vida a un auto sin eacutel no hay movimiento Un automoacutevil utiliza una fuente de
energiacutea mecaacutenica para poder moverse la cual se obtiene mediante una transformacioacuten de otros tipos
de energiacutea dentro del motor como la eleacutectrica de combustioacuten o la combinacioacuten de ambas
Seguacuten Renzo [14] el motor de un auto es un motor de combustioacuten interna el cual obtiene energiacutea
mecaacutenica desde la energiacutea quiacutemica que se genera cuando explota el combustible en el interior El
motor estaacute formado por un conjunto de caacutemaras de combustioacuten llamadas cilindros dentro de las
cuales se producen sus cuatro tiempos de funcionamiento admisioacuten compresioacuten explosioacuten y
escape
Para Fersainz [15] un motor es una maacutequina que convierte el calor producido por la explosioacuten
(en el caso de los de gasolina) o la combustioacuten (en el caso de dieacutesel) del combustible en un
movimiento con suficiente fuerza para que las ruedas giren y el vehiacuteculo pueda desplazarse El
autor menciona que en los motores convencionales los autos se ponen en movimiento debido a
una chispa que se genera en la mezcla de vapor de combustible y aire comprimido dentro de un
cilindro sellado haciendo que la mezcla se queme raacutepidamente y proporciona energiacutea
Se puede concluir que un motor es una maacutequina compuesta por varios elementos el cual puede
proporcionar energiacutea utilizando alguacuten tipo de combustible para que tenga un funcionamiento
adecuado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
11
22 Clasificacioacuten de motores
Existen diferentes tipos de motores entre los cuales se encuentran los eleacutectricos los teacutermicos
eacutestos se subdividen en motores de combustioacuten externa e interna y los hiacutebridos Los cuales se
describen a continuacioacuten
221 Motores eleacutectricos
En este tipo de autos el combustible utilizado es la electricidad Eacutesta se convierte en energiacutea
mecaacutenica mediante una interaccioacuten entre campos magneacuteticos opuestos generados por imanes y un
conductor de electricidad Debido a una constante atraccioacuten y repulsioacuten magneacutetica entre ellos se
produce una rotacioacuten continua dentro del motor generando energiacutea necesaria para el movimiento
del vehiacuteculo [16] La figura 2 muestra un motor eleacutectrico
Para Enriquez [17] los motores eleacutectricos representan los caballos de batalla de la industria y
del movimiento en general Su uso se da ademaacutes en hospitales escuelas edificios de oficinas y
centros comerciales en donde se usan para aplicaciones en suministro de agua calefaccioacuten
enfriamiento y muchas otras rutinas de trabajo Estos motores son usados en los automoacuteviles
modernos aunque son maacutes complejos que el simple cableado eleacutectrico y se usan en casi todos los
aspectos operativos del automoacutevil [18]
Un motor eleacutectrico transforma la energiacutea eleacutectrica en energiacutea mecaacutenica para impulsar el
funcionamiento de una maacutequina [19]
Figura 2 Motor eleacutectrico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
12
Se puede concluir que un motor eleacutectrico es una maacutequina que tiene la capacidad de transformar
energiacutea eleacutectrica en mecaacutenica de tal forma que permita el movimiento de un vehiacuteculo Su tamantildeo
y su volumen es reducido y su potencia puede ser alta
222 Motores teacutermicos
Los motores teacutermicos son maacutequinas que tienen por objeto transformar energiacutea caloriacutefica en
energiacutea mecaacutenica directamente utilizable [20] Eacutestos se clasifican en motores de combustioacuten
externa y motores de combustioacuten interna los cuales se describen en las secciones 224 y 23
respectivamente
223 Motores hiacutebridos
Un sistema hiacutebrido se basa en una fuente de combustioacuten interna de gasolina combinado con un
motor eleacutectrico para propulsar el vehiacuteculo tal como se visualiza en la figura 3
Este tipo de motor reduce las emisiones y aumenta la eficiencia de combustible Los vehiacuteculos
hiacutebridos utilizan la energiacutea mucho maacutes eficientemente que los sistemas de gasolina convencionales
[19] Se denomina motor hiacutebrido a un vehiacuteculo en el cual la energiacutea eleacutectrica que lo impulsa
proviene de bateriacuteas y de un motor de combustioacuten interna que mueve un generador Entre sus
ventajas se encuentran 1) su autonomiacutea ya que eacutesta depende del combustible almacenado en el
tanque 2) tiene un alto y uniforme rendimiento incluso a bajas temperaturas 3) el motor de
combustioacuten interna funciona bajo un estrecho margen de carga y velocidad lo que incrementa su
eficiencia [21]
Figura3 Motor hiacutebrido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
13
Para Chang [22] un motor hiacutebrido es aquel que combina un motor de combustioacuten interna y un
motor eleacutectrico los cuales tienen una mayor eficiencia energeacutetica y esto se debe a que este tipo de
motores son maacutes pequentildeos y por lo tanto consumen poca energiacutea
Por lo expuesto anteriormente se puede decir que un motor hiacutebrido es aquel que tiene una
combinacioacuten de un motor de combustioacuten interna y un motor eleacutectrico Esta combinacioacuten optimiza
su funcionamiento para un mejor rendimiento
224 Motores de combustioacuten externa
En la figura 4 se muestra un ejemplo de motor de combustioacuten externa Al igual que los motores
de combustioacuten interna son motores teacutermicos en los cuales el motor alcanza un estado teacutermico
mayor mediante la transmisioacuten de energiacutea teacutermica [23]
Su principal funcioacuten es hacer trabajo mecaacutenico a expensas de la expansioacuten y contraccioacuten de un
gas en un recinto cerrado El motor cuenta con un desplazador que hace que el gas pase de la zona
friacutea a la zona caliente y luego a la zona friacutea nuevamente producieacutendose consecuentemente su
tendencia a la expansioacuten y su posterior contraccioacuten [24]
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
14
Los motores de combustioacuten externa seguacuten Meza [24] son maacutequinas que realizan una conversioacuten
de energiacutea caloriacutefica en energiacutea mecaacutenica El rendimiento teacutermico de estos los motores se ve
limitado por varios factores principalmente por la peacuterdida de energiacutea por la friccioacuten y la
refrigeracioacuten
23 Motores de combustioacuten interna
Un motor de combustioacuten interna es un motor teacutermico en el cual se produce una combustioacuten del
fluido del motor transformando la energiacutea quiacutemica en teacutermica a partir de la cual se obtiene energiacutea
mecaacutenica Un ejemplo de este tipo de motor se aprecia en la figura 5
Estos motores tienen como principal fuente de energiacutea la gasolina Eacuteste es el combustible
empleado con mayor frecuencia por lo que es importante su calidad para un oacuteptimo
funcionamiento Un buen combustible debe tener un octanage aceptable ya que la gasolina debe
explotar dentro del cilindro para generar el movimiento del pistoacuten [26]
Este tipo de motores transforma el calor generado por el combustible ya sea dieacutesel o gasolina
en movimiento mecaacutenico del automoacutevil Durante este proceso el oxiacutegeno del aire se mezcla con el
combustible y hace que este uacuteltimo explote (en el caso de la gasolina) generando gases cuya fuerza
de expansioacuten teacutermica acciona sobre el pistoacuten que a su vez empuja el ciguumlentildeal y hace que eacuteste
ponga en movimiento las ruedas del automoacutevil [28]
Figura 5 Motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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Seguacuten Creus [29] un motor de combustioacuten interna utiliza la energiacutea interna del combustible para
que el motor realice un trabajo Dichos motores son ampliamente utilizados como fuentes de
alimentacioacuten en lugares de difiacutecil acceso Sin embargo los motores de combustioacuten interna de
dieacutesel tienen un rango de fallo por cada antildeo de explotacioacuten de entre 25 a 50
Se conoce como motores de combustioacuten interna (o endoteacutermicos) alternativos a cualquier tipo de
maacutequinas que a partir de energiacutea quiacutemica sean capaces de convertirla y obtener energiacutea mecaacutenica
para su uso El arranque de los motores se lleva a cabo en su caacutemara interna y sucede al momento
de ser encendido [20]
El motor de combustioacuten interna es la unidad energeacutetica y motriz de los medios de transporte
maacutequinas y equipos que se utilizan en actividades de diversas ramas de la economiacutea [30]
Se puede decir que un motor de combustioacuten interna es aquel que es capaz de convertir la energiacutea
quiacutemica en mecaacutenica para que se pueda utilizar de manera oacuteptima
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna
La clasificacioacuten de los motores puede ser extensa esto debido al disentildeo y mecanismos
mecaacutenicos A continuacioacuten se describen algunas clasificaciones
Respecto a la forma de los cilindros Su distribucioacuten puede ser en ldquoVrdquo o ldquoen liacuteneardquo esto
depende de la cantidad de cilindros existentes los cuales van en funcioacuten de la potencia del
motor Normalmente los motores de automoacuteviles son de 4 o 6 cilindros distribuidos en ldquoVrdquo
Referente a la forma de refrigeracioacuten Pueden ser refrigerados por liacutequido que normalmente
es agua donde el calor es evacuado al radiador del auto Tambieacuten pueden ser refrigerados por
aire donde se necesita de un ventilador que ayude a circular el aire alrededor del motor
Concerniente a las caras de los pistones Los motores convencionales utilizan una cara activa
de los pistones que se conocen como pistones de simple efecto Son aquellos que se
encuentran en contacto con el fluido activo y recibe el impacto de la energiacutea quiacutemica De igual
forma existen motores que utilizan los pistones de doble efecto los cuales funcionan en dos
direcciones y usan dos cilindros con dos pistones y dos bielas conectados a su respectivo
ciguumlentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
16
Respecto a la presioacuten del aire a la caacutemara de combustioacuten En las maacutequinas convencionales
el aire de la atmoacutesfera entra directamente a la caacutemara y la presioacuten es la atmosfeacuterica Dichos
motores usan un comprensor que se encargan de comprimir el fluido antes de conducirlo al
interior del motor
Referente a la introduccioacuten de combustible a la caacutemara interna Se clasifican en motores
de inyeccioacuten y carburacioacuten en estos uacuteltimos se mezclan los fluidos operantes para
posteriormente introducirlo a la caacutemara por medio de una vaacutelvula reguladora
Concerniente al ciclo operativo Se refiere a la cantidad de operaciones que el fluido activo
ejecuta en el cilindro La duracioacuten del ciclo la mide el pistoacuten
Respecto al tipo de encendido Esta clasificacioacuten radica en el modo de encendido con el ciclo
termodinaacutemico con el que opera la maacutequina [28]
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna
Los elementos de un motor de combustioacuten interna son biela pistoacuten y ciguumlentildeal los cuales se
describen en los siguientes apartados
24 Conceptualizacioacuten de la biela
La biela es el elemento del motor encargado de transmitir al ciguumlentildeal la presioacuten de los gases que
actuacutea sobre el pistoacuten Es un elemento de difiacutecil lubricacioacuten y es una parte criacutetica del motor por lo
que su disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes [31] Por lo general las bielas se fabrican de acero
templado aunque en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio
[32] tal como se muestra en la figura 6
Para Morillo Ibaquingo amp Benavides [33] una biela es un elemento mecaacutenico que conecta el
pistoacuten al ciguumlentildeal Sirve ademaacutes para transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
transformando esta fuerza de lineal a rotativa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
17
Figura 6Biela
Para Alzalluacute [34] por o tro lado la biela se encuentra intercalada entre el pistoacuten y el ciguumlentildeal
Soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del ciguumlentildeal hacia
arriba Se construyen de acero forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al
material aguantar ese inmenso trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta
conseguir la forma de la biela Su cuerpo adopta una forma de ldquodoble Trdquo
Las bielas estaacuten sometidas en su trabajo a esfuerzos de compresioacuten traccioacuten y tambieacuten de flexioacuten
muy grandes y por ello se fabrican con materiales resistentes pero a la vez han de ser lo maacutes
ligeros posibles Generalmente estaacuten fabricadas de acero con silicio manganeso y cromo Son
perforadas es decir se les crea un conducto por donde circula el aceite bajo presioacuten desde la
cabeza hasta el pasador con el fin de lograr una buena lubricacioacuten [27]
241 Elementos de una biela
En la figura 7 como puede apreciarse estaacute conformada por el pie que es el extremo que va
unido al buloacuten que a su vez va enganchado en el ciguumlentildeal Este es el extremo maacutes pequentildeo de la
biela El Cuerpo es la zona central de la biela que debe soportar la mayor parte de los esfuerzos
pero al estar en continuo movimiento tambieacuten debe de ser ligero por ello se suele construir con
forma de doble T
La Cabeza igual que el Pie y Cuerpo es la parte que va unida al ciguumlentildeal A diferencia del pie la
cabeza va dividida en dos mitades una de ellas unida al cuerpo y la otra (sombrerete) separada de
eacuteste requirieacutendose dos tornillos para unirse a eacutel Estaacuten tambieacuten el casquillo o cojinete Tornillos
de dilatacioacuten y vaacutestago de biela Por lo general las bielas se fabrican de acero templado aunque
en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio [35]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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Figura 7 Partes de la biela
La biela es la pieza que estaacute encargada de transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela
Los metales de los que estaacuten hechas las bielas deben reunir diversas caracteriacutesticas las cuales se
describen a continuacioacuten
Resistencia a la fatiga La firmeza que recubre a la biela debe ser mayor que la presioacuten de la
carga dinaacutemica en la peliacutecula del aceite mayor de las cargas de explosiones en la caacutemara de
combustioacuten y mayor que las cargas por inercia de las masas rotantes
Conformidad El casquillo del metal de la biela debe tener la geometriacutea exacta para mantener
el aceite en un nivel consistente con la resistencia a la fatiga de la aleacioacuten
Compatibilidad Es la resistencia que tiene el material de las diferentes aacutereas de unioacuten
Resistencia a la corrosioacuten El lubricante debe tener un determinado grado de acidez que
corroeraacute la superficie del material por lo que el metal de la biela debe ser capaz de resistir lo
mejor posible este efecto
Incrustabilidad En el aceite de los motores se encuentran partiacuteculas de basura que la
superficie del metal de la biela debe ser capaz de aceptar con el menor dantildeo posible [36]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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243 Fallas en las bielas del motor
Existen diferentes circunstancias por las que puede fallar una biela en un motor entre las cuales se
encuentran
Fatiga Es una falla de las bielas rotas y aunque la estructura de las bielas de motor estaacute hecha
para resistir las altas fatigas producto de las altas revoluciones en el motor esto no duraraacute para
siempre
Pasador El pasador que conecta la biela al pistoacuten recibe una gran cantidad de desgaste Si
este pasador suelta la varilla de conexioacuten ya no estaraacute conectada al motor lo que resulta en un
problema para eacutel
Motor revolucionado Un motor revolucionado es la principal causa de falla de las varillas
de conexioacuten de los motores nuevos y de alto rendimiento
Agua en el motor Si entra mucha agua en el cilindro en el momento de la chispa la biela se
puede doblar o romper [37]
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten
El pistoacuten es el encargado de darle la fuerza generada por la explosioacuten a la biela para que ella
haga el resto y debido a los esfuerzos tanto de friccioacuten como de calor a los que estaacute sometido el
pistoacuten se fabrica con materiales muy resistentes al calor y al esfuerzo fiacutesico pero siempre
empleando materiales ligeros para aumentar su velocidad faacutecilmente y poder alcanzar regiacutemenes
de rotacioacuten elevados [38] Los pistones se fabrican de aluminio silicio niacutequel y magnesio [39] un
ejemplo de pistoacuten se muestra en la figura 8
Figura8 Pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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Seguacuten Gontildei amp Rojas [40] se denomina pistoacuten a uno de los elementos baacutesicos del motor de
combustioacuten interna Se trata de una pieza que se ajusta al interior de las paredes del cilindro
mediante aros flexibles llamados anillos Efectuacutea movimientos obligando al fluido que ocupa el
cilindro a modificar su presioacuten y volumen
Un pistoacuten estaacute constituido por partes cabeza arcos y cubos del perno La funcioacuten del pistoacuten es
cerrar y obturar la caacutemara de combustioacuten interna asiacute como recibir la fuerza causa en la combustioacuten
a traveacutes de la biela y transmitirla al ciguumlentildeal como fuerza de torsioacuten tambieacuten transmite el calor
producido por los gases de combustioacuten hacia las paredes del cilindro para que sean refrigeradas por
el lubricante El pistoacuten se desplaza raacutepidamente por el interior de los cilindros el cual tiene
segmentos los cuales consiguen la estanquidad necesaria entre el pistoacuten y las paredes del cilindro
De este modo se evita que parte del gas comprimido se escape hacia la parte inferior del motor Por
ese motivo el pistoacuten debe estar fabricado de un material ligero y resistente a la vez Atravesando el
pistoacuten se observa un orificio pasante A traveacutes de este orificio el pistoacuten se une a la biela por
mediacioacuten de un buloacuten de acero [41]
El pie de la biela es el que la une al pistoacuten por medio del buloacuten el cuerpo por su parte asegura la
rigidez de la pieza y la cabeza gira sobre el codo del ciguumlentildeal como puede apreciarse en la figura
9
Los pistones del motor mantienen un movimiento constante hacia arriba y hacia abajo mientras
que el ciguumlentildeal genera un movimiento circular de modo que el auto puede avanzar Los pistones
de un motor se mueven arriba y abajo por el ciguumlentildeal dentro de los cilindros en el motor Las
explosiones que ocurren en estos cilindros de empuje contra los pistones permiten llevarlos de
vuelta y comenzar el ciclo otra vez Los pistones estaacuten conectados al ciguumlentildeal para asegurar que se
mueva con ellos y mantener sus movimientos regulados [42]
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal
En la figura 10 se aprecia el ciguumlentildeal encargado de transformar el movimiento de la biela en
movimiento rotatorio o circular Junto con el pistoacuten y la biela se considera la pieza maacutes importante
del motor Es una pieza que ha de soportar grandes esfuerzos por eso se construye de materiales
muy resistentes para que puedan aguantar cualquier movimiento sin romperse
El ciguumlentildeal es un aacuterbol de transmisioacuten que junto con las bielas transforma el movimiento
alternativo en circular o viceversa Consiste en un conjunto de manivelas una de ellas llamada
muntildeequilla y dos brazos que acaban en el eje giratorio del ciguumlentildeal Los ciguumlentildeales se utilizan en
los motores de combustioacuten de los automoacuteviles donde el movimiento lineal de los pistones dentro
de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del ciguumlentildeal
que a su vez se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia El ciguumlentildeal
es un elemento estructural del motor [43]
Para Aacutelvarez [42] el ciguumlentildeal estaacute situado en el motor de un vehiacuteculo y convierte la fuerza creada
por los pistones del motor El ciguumlentildeal estaacute conectado a todos los pistones en el motor y el volante
En la figura 11 se puede observar la articulacioacuten de la biela el pistoacuten y el ciguumlentildeal donde el
movimiento es rotativo para su adecuado funcionamiento Estos tres elementos no pueden
funcionar en forma separada
Figura 10Ciguentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal
Debido a los impulsos provocados por los pistones se presentan diferentes vibraciones
determinadas por el nuacutemero de revoluciones las cuales pueden provocar la rotura del ciguumlentildeal y
ruido excesivo en el motor Su funcioacuten es impulsar la fuerza de cada uno de los cilindros a traveacutes
del mecanismo de las bielas Estaacuten fabricados con materiales de acero cementado templado y con
aleaciones de niacutequel y cromo Estos materiales permiten tener un tratamiento teacutermico
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes
Desde hace tiempo la ingenieriacutea automotriz se ha enfocado en el disentildeo y la fabricacioacuten de
superficies que permitan reducir la friccioacuten principalmente en los cojinetes [364546]
Los cojinetes son los encargados de unir la biela con el ciguumlentildeal para evitar que haya rozamiento
entre ellos y evitar peacuterdidas de potencia y averiacuteos Tienen forma de media luna tal como se aprecia
en la figura 12 y se colocan entre el ciguumlentildeal y la cabeza de las bielas Estos deben ser construidos
con gran precisioacuten pues cualquier mala elaboracioacuten puede impactar en el funcionamiento del
motor
Figura 12Cojinetes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
23
Seguacuten Suaacuterez [47] los cojinetes son punto de apoyo de ejes para sostener su peso guiarlos en su
rotacioacuten y evitar deslizamientos Van colocados directamente en el bastidor de la pieza y los
cojinetes trabajan en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal
De acuerdo con Suaacuterez Toro amp Veacutelez [48] los cojinetes son que piezas de metal que descansan
y giran en cualquier eje de un motor Son dispositivos que se colocan entre la porcioacuten fija y la
porcioacuten giratoria de un motor y sirven para reducir al miacutenimo la friccioacuten entre ambas Los cojinetes
se fabrican con pequentildeas esferas metaacutelicas sin embargo no garantizan una vida uacutetil extensa El
rendimiento de los cojinetes es afectado por las condiciones de velocidad materiales en contacto
temperatura lubricacioacuten tipo de carga entre otros
271 Clasificacioacuten de los cojinetes
Los cojinetes se clasifican por friccioacuten o deslizamiento y de rodamiento Eacutestos se explican a
continuacioacuten
Cojinetes de friccioacuten o deslizamiento El cojinete de friccioacuten estaacute compuesto por dos pistas
una interior y otra exterior Eacutestas tienen contacto directo por medio de deslizamiento o friccioacuten
La reduccioacuten del rozamiento se realiza seguacuten la seleccioacuten de materiales y lubricantes Los
lubricantes tienen la funcioacuten de crear una peliacutecula deslizante que separe los dos materiales o
evite el contacto directo Para Veacutelez [49] los cojinetes de friccioacuten son aquellas piezas que
entre mayor es la friccioacuten es maacutes difiacutecil el movimiento entre los dos objetos En el caso de
maacutequinas la friccioacuten ocasiona el desgaste de las piezas
Seguacuten Arias [50] los cojinetes de friccioacuten son puntos de apoyo de ejes y aacuterboles para sostener
su peso guiarlos en su rotacioacuten y evitar deslizamientos Van montados en soportes para
facilitar su montaje tal como se aprecia en la figura13 Mientras que para Espitia [51] es el
elemento mecaacutenico capaz de soportar los gorrones de los ejes giratorios que se caracteriza por
un reducido coeficiente de rozamiento asiacute como por la posibilidad de ser lubricado
constantemente Otra caracteriacutestica importante reside en el hecho de que el material del
cojinete debe ser maacutes blando que el eje para evitar el deterioro de eacuteste en el caso de una
lubricacioacuten defectuosa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
24
Figura 13Cojinetes de friccioacuten
Cojinetes de rodamiento Es un elemento mecaacutenico que reduce la friccioacuten entre un eje y las
piezas conectadas a eacuteste por medio de rodadura el cual sirve de apoyo y facilita su
desplazamiento Los elementos de rodadura pueden ser bolas o rodillos son piezas que
requieren facilitar la ejecucioacuten de rigurosos tratamientos teacutermicos para obtener piezas de gran
resistencia al desgaste y a la fatiga Se caracterizan por ser de escaso rozamiento sobre todo
en el arranque por tener mayor velocidad admisible y un menor consumo de lubricante Para
Meacuterida [52] los cojinetes de rodamiento son elementos mecaacutenicos que aseguran un enlace
moacutevil entre dos elementos de un mecanismo uno de los cuales se encuentra en rotacioacuten con
respecto al otro Su funcioacuten principal es la rotacioacuten relativa de dichos elementos bajo carga
con precisioacuten y con un rozamiento miacutenimo
Seguacuten Galicia [53] estos tipos de cojinetes estaacuten constituidos por dos anillos rodantes
separados entre siacute por unos cuerpos tambieacuten rodantes interpuestos entre eacutestos cuya forma
variacutea seguacuten su uso pudiendo ser de diferentes formas bolas rodillos ciliacutendricos agujas etc
En ellos el gorroacuten del aacuterbol y la superficie de rodadura del soporte estaacuten separados por
elementos rodantes de forma que con el giro del gorroacuten o del cojinete se genera un
movimiento de rodadura y no de deslizamiento tal como se muestra en la figura 14
Figura 14Cojinetes de rodamiento
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
25
Seguacuten Jaramillo [54] cerca de 40 de la energiacutea total transformada por un motor de combustioacuten
interna de un automoacutevil se disipa como trabajo de las fuerzas de friccioacuten La disminucioacuten de las
peacuterdidas por friccioacuten es un factor clave para lograr un mejor uso de los combustibles y la proteccioacuten
del medio ambiente El sistema anillo-pistoacuten-camisa responde por peacuterdidas equivalentes a 50 o
60 del total de las peacuterdidas por friccioacuten en un motor de estos
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos
En la figura 15 se puede observar la estructura baacutesica de un motor de cuatro tiempos el cuaacutel es
conocido por motor OTTO [55] Se usa como maacutequina motriz en automoacuteviles comerciales consta
de un ciclo de cuatro procesos los cuales se describen a continuacioacuten
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos
Como se mencionoacute anteriormente el ciclo consta de cuatro tiempos El primer tiempo
corresponde al de admisioacuten que es el momento que el pistoacuten estaacute en el punto maacutes alto conocido
como Punto Muerto Superior (PMS) Posteriormente la vaacutelvula de admisioacuten se abre y el propio
pistoacuten por el vaciacuteo que se crea dentro del cilindro aspira la mezcla (aire y combustible) hasta llegar
al punto maacutes bajo del cilindro del Punto Muerto Inferior (PMI)
El segundo tiempo se refiere a la compresioacuten donde el pistoacuten se encuentra en el punto maacutes bajo
(PMI) En este momento la vaacutelvula de admisioacuten se cierra y el pistoacuten empieza a ascender
comprimiendo la mezcla hasta llegar al punto maacutes alto del cilindro (PMS)
Figura 15Motor de cuatro tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
26
Respecto al tercer tiempo que concierne a la expansioacuten una vez que se ha comprimido la mezcla
la bujiacutea hace saltar una chispa y enciende la mezcla aumentando la presioacuten en el cilindro y
haciendo descender el pistoacuten hacia el punto maacutes bajo (PMI)
En el cuarto tiempo que corresponde al escape de gases es cuando el pistoacuten llega al punto maacutes
bajo (PMI) se abre la vaacutelvula de escape y el pistoacuten empieza a ascender empujando los gases
quemados hacia el exterior En el momento que llega al punto maacutes alto (PMS) la vaacutelvula de escape
se cierra En la figura 16 se muestra el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa basado en el ciclo Otto de cuatro tiempos o fases importantes admisioacuten
compresioacuten explosioacuten y escape [56]
Otto propuso cuatro principios del motor de cuatro tiempos que son maacuteximo volumen del
cilindro con miacutenima superficie de paredes maacutexima velocidad de trabajo posible maacutexima relacioacuten
de expansioacuten posible y maacutexima presioacuten posible al comienzo de la expansioacuten
En los motores de cuatro tiempos el pistoacuten sube y baja cuatro veces en el interior del cilindro
para realizar el ciclo completo La distribucioacuten se compone de vaacutelvulas que se abren y cierran
totalmente sincronizadas con el movimiento del pistoacuten Cuando el pistoacuten desciende el cilindro se
llena de aire y gasolina para lo cual la vaacutelvula de admisioacuten permanece abierta Posteriormente
despueacutes de producirse la explosioacuten en el interior del cilindro la vaacutelvula de escape se abre para que
los humos procedentes de la explosioacuten puedan salir hacia el tubo de escape del automoacutevil En este
tipo de motores se requiere de dos vaacutelvulas por cada cilindro
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
27
29 Sistema de encendido
El sistema de encendido es el encargado de encender la mezcla de aire y de combustible en el
momento que se requiera Para esta investigacioacuten el sistema de encendido es por inyeccioacuten directa
de gasolina o por chispa que son aquellos que inyectan la gasolina directamente dentro del cilindro
Este sistema permite un mayor control de la mezcla y por tanto del comportamiento del motor En
los motores de gasolina la mezcla se enciende gracias a la bujiacutea que proporciona una chispa lo
suficientemente potente como para comenzar la reaccioacuten El propio sistema de encendido tiene que
controlar el momento en el que la chispa ha de saltar para que se encienda la mezcla y sea lo maacutes
eficaz y factible posible La combustioacuten se realiza en el momento en que el pistoacuten estaacute en el punto
maacutes alto (PMS) de esta manera la mezcla se empieza a encender
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa
La caracteriacutestica principal de la inyeccioacuten directa de gasolina es que la mezcla se produce dentro
de la caacutemara de combustioacuten Durante la admisioacuten soacutelo entra aire por la (s) vaacutelvula (s) de admisioacuten
la gasolina es inyectada directamente en la caacutemara de combustioacuten por inyectores de alta presioacuten
[57] tal como se aprecia en la figura 17
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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292 Ventajas de la inyeccioacuten directa
Existen ventajas cuando se usa el encendido por chispa las cuales se describen a continuacioacuten
La gasolina se evapora directamente dentro del cilindro absorbiendo el calor del aire contenido
en eacuteste reduciendo la temperatura de la mezcla en la caacutemara de combustioacuten lo que disminuye
el riesgo de autoencendido e incrementa el rendimiento y la potencia
Ayuda a aumentar el rendimiento inyectando la gasolina directamente en el cilindro
Con respecto a la prevencioacuten del autoencendido la mayor contribucioacuten de la inyeccioacuten directa
de gasolina es cuando el motor trabaja en carga estratificada y por tanto no inflamable lo que
evita el autoencendido
Eficiencia en el periodo de admisioacuten debido a que soacutelo entra aire al cilindro inyectando la
gasolina despueacutes
Disminucioacuten del consumo de gasolina si se tiene poca gasolina el motor puede llegar a
funcionar esto permite que el motor aporte la energiacutea requerida con un aporte de gasolina
sustancialmente menor Esta disminucioacuten del consumo de gasolina disminuye tambieacuten de
emisiones de 1198621198742 Este contaminante es un producto del proceso de combustioacuten que soacutelo puede
reducirse disminuyendo el consumo de gasolina
Mejor rendimiento del motor debido a que la mezcla que se encuentra cerca de las paredes es
escasa y la temperatura de los gases de combustioacuten es mucho menor por lo que las peacuterdidas
por calor cedido a las paredes del cilindro tambieacuten se ven reducidas [58]
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa
Estos motores de encendido por chispa o inyeccioacuten directa tienen tambieacuten algunas desventajas
las cuales son
Se requiere de una bomba de alta presioacuten para proveer la gasolina a los inyectores con la
presioacuten requerida Eacutesta bomba toma la gasolina del depoacutesito y la alimenta regulando su presioacuten
de salida
Los inyectores deben ser aptos para resistir las altas presiones para inyectar gasolina
directamente en el cilindro y tambieacuten deben soportar las condiciones de la caacutemara de
combustioacuten tanto las altas temperaturas como las altas presiones derivadas de la combustioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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El sistema de encendido debe ser capaz de suministrar maacutes energiacutea debido a que el chorro de
gasolina puede impactar directamente con la bujiacutea mojaacutendola o la chispa apagarse debido a las
fuertes corrientes de aire y necesitar una segunda chispa
Se requiere de una sonda lambda de banda ancha que permita medir las variaciones en la carga
estratificada
Se necesita que la Unidad de Control de Motor (ECU) tenga mayor potencia de caacutelculo para
administrar las sentildeales que recibe y las salidas de control pues el motor tiene distintos modos
de operacioacuten y la ECU debe ser capaz de administrar las sentildeales que recibe para cada uno de
ellos y procesar las oacuterdenes en consecuencia
La cabeza del pistoacuten tiene que ser redisentildeada para que cuando el motor trabaja con carga
estratificada dirija la nube de mezcla rica en gasolina correctamente hacia la bujiacutea [59]
294 Descripcioacuten del proceso de encendido
Para encender el motor de gasolina se necesita una chispa entre los dos electrodos de la bujiacutea
para producir la temperatura necesaria para que la mezcla encienda para lo cual se requieren
tensiones muy altas En la figura 18 se aprecia que en el momento en que se pone en contacto la
llave de arranque se cierra el circuito y la bateriacutea comienza a entregar voltaje el cual es muy bajo
ya que corresponde a 12 voltios Para incrementarlo entre los electrodos de las bujiacuteas la bobina
con ayuda del ruptor consigue cambiar a 30000 voltios Esta tensioacuten es enviada al delco donde
se encuentra el distribuidor giratorio que reparte la tensioacuten a la bujiacutea correspondiente [60]
Figura18 Sistema de encendido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
30
495 Componentes del sistema de encendido
El sistema de encendido en motores de gasolina tiene los elementos que se describen a
continuacioacuten
Alternador es un dispositivo que se acciona directamente por el motor que se encarga de
generar corriente para cargar bateriacutea Al estar directamente accionado por el motor si se suben
las revoluciones del motor tambieacuten aumenta la corriente generada
Bateriacutea Es la encargada de suministrar la energiacutea eleacutectrica para que circule hacia la bujiacutea
Dicha energiacutea viene dada por la reaccioacuten quiacutemica del plomo y aacutecido sulfuacuterico
Bobina Se encarga de transformar la baja tensioacuten que proviene de la bateriacutea en una tensioacuten
alta para hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea la cual consta de dos filamentos
enrollados Cuando el primero recibe la corriente de la bateriacutea el ruptor interrumpe la corriente
que pasa por eacuteste entonces al filamento secundario se le induce una corriente maacutes alta capaz
de hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea y encender la mezcla
Ruptor Se encuentra situado dentro del distribuidor y se encarga de interrumpir
perioacutedicamente la corriente en el filamento primario de la bobina para que la corriente sea
inducida en el secundario Esta interrupcioacuten es en base a la apertura de dos contactos los cuales
son comandados por una leva accionado por y a la misma velocidad que el aacuterbol de levas
Distribuidor Es el encargado de repartir la alta tensioacuten a la bujiacutea en cada momento Va
centrado en el delco donde tambieacuten se situacutea el ruptor y los reguladores de encendido
Bujiacutea Es el elemento que se encarga de hacer saltar la chispa para que encienda la mezcla de
aire y gasolina Estaacute recubierta de un aislante para disipar el calor generado en la caacutemara de
combustioacuten ya que estaacute lsquoen contacto directo con las explosiones
210 Sobrecalentamiento
El sobrecalentamiento del motor es la condicioacuten en la cual la temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y si se mantiene mucho tiempo llega a producir dantildeos graves en el
motor como torceduras y roturas de vaacutelvulas brazos de biela soplado de empaques torceduras de
culatas roturas de pistones etc
El tiempo de calentamiento de los motores modernos es prolongado sobre todo cuando las
condiciones ambientales son desfavorables y cuando la calefaccioacuten del motor se enciende Durante
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
31
el calentamiento del motor la vaporizacioacuten del combustible se dificulta y el catalizador no funciona
a plenitud por esto la reduccioacuten del tiempo de calentamiento del motor es esencial Para lo cual es
necesario reducir el volumen de refrigerante la masa del motor mejorar el aislamiento del motor
emplear sistemas calentadores adicionales emplear una unidad electroacutenica de control para
manipular la termodinaacutemica del motor y de esta misma manera controlar el desempentildeo teacutermico
todas estas medidas serviraacuten para reducir el tiempo del calentamiento y ayudaraacuten a un mejor
funcionamiento del motor [61]
El sobrecalentamiento del motor puede ser causado por cualquier cosa que disminuya la
capacidad del sistema de refrigeracioacuten para absorber transportar y disipar el calor Por lo tanto
los motores pueden sobrecalentarse por una variedad de razones Algunas se deben a que el
termostato se encuentre en mal estado debido a que es una vaacutelvula que abre y cierra conforme se
encuentre la temperatura del motor Es decir el refrigerante del motor caliente pasa a traveacutes del
radiador cuando el termostato estaacute en posicioacuten abierta Cuando se encuentra en posicioacuten cerrada el
refrigerante se queda en el motor y raacutepidamente se calienta ocasionando un sobrecalentamiento
del motor
De igual forma el tener un radiador con fugas u obstrucciones conduce a elevadas temperaturas
del motor y sobrecalentamiento del mismo Asiacute como el tener mangueras con agujeros hace que se
produzcan fugas o se interrumpa el flujo del refrigerante Tambieacuten un ventilador con oscilacioacuten
libre y teniendo un aspa rota no puede mantener una velocidad adecuada lo que origina
sobrecalentamiento del motor
En los motores de combustioacuten interna modernos soacutelo una tercera aparte de la energiacutea interna se
convierte en trabajo uacutetil Las dos terceras partes restantes de la energiacutea se transforman en calor a
peacuterdida evacuadas por el sistema de escape el sistema de enfriamiento y calor radiado y rechazado
por conveccioacuten a traveacutes de las partes soacutelidas del motor El sobrecalentamiento durante el ciclo
completo del motor genera una distribucioacuten de energiacutea dentro de la caacutemara de combustioacuten En
general el calor se transporta hacia la culata la camisa los puertos de escape y el pistoacuten el cual
estaacute ligado a la biela la cual si tiene defectos acabaraacute por destruir el motor [61]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
32
Es por tanto importante estar pendiente de la temperatura a la cual estaacute trabajando el motor
debido a que un sobrecalentamiento puede provocar dantildeos serios empezando por la ruptura del
empaque la deformacioacuten de los cilindros y desgaste en los anillos Estaacuten tambieacuten los dantildeos en los
codos del ciguumlentildeal y la biela Esta uacuteltima ya que se encuentra sometida a fuerzas axiales de
compresioacuten convirtieacutendola en el elemento maacutes tensionado dentro del motor Estaacute ademaacutes expuesta
a cargas producto de la presioacuten generada en la caacutemara de combustioacuten y por la alta friccioacuten entre
los elementos deslizantes Al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentaraacuten desgastes excesivos y prematuros que pueden ocasionar una falla Si este sistema no
funciona correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como
consecuencia deformaciones importantes por sobrecalentamiento [62]
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor
La cinemaacutetica proviene del griego κινεω kineo que significa movimiento Estudia las leyes del
movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo originan y se limita esencialmente al
estudio de la trayectoria en funcioacuten del tiempo [63] La cinemaacutetica se ocupa de aspectos del
movimiento aparte de considerar masa y fuerza Un anaacutelisis cinemaacutetico simula el movimiento de
mecanismos por lo que cumple los requisitos de los perfiles de los motores cinemaacuteticos y de
cualquier conexioacuten de unioacuten por leva en ranura o por engranajes Este tipo de anaacutelisis se usa para
obtener informacioacuten sobre la posicioacuten velocidad y aceleracioacuten de entidades geomeacutetricas y
conexiones interferencia entre componentes las curvas trazadas del movimiento del mecanismo y
los envolventes de movimiento que capturan el movimiento del mecanismo como una pieza
Seguacuten Forno [64] la cinemaacutetica analiza los factores de tiempo y espacio del movimiento de un
sistema es decir describe el movimiento de los cuerpos en teacuterminos de tiempo desplazamiento
velocidad aceleracioacuten y tiempo de desplazamiento
Para Suaacuterez [65] el anaacutelisis cinemaacutetico se utiliza para evaluar el movimiento del mecanismo
gobernado por motores cinemaacuteticos Se puede utilizar cualquier motor cinemaacutetico de eje de
movimiento con un perfil lo que produciraacute una aceleracioacuten finita
Las fuerzas que afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de
inercia Una vez conocidas las fuerzas de combustioacuten en el pistoacuten se usa software especializado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
33
que ayuda en el calculoacute del anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico integrando las fuerzas de inercia
debidas a la masa de cada componente del mecanismo biela-manivela [66]
Para realizar este anaacutelisis es necesario considerar las masas de cada una de las piezas asiacute como
el reacutegimen de giro Esto permitiraacute realizar la simulacioacuten y calcular las fuerzas aplicadas en la cabeza
y el pie de la biela para poder luego hacer un anaacutelisis de elementos finitos que definan los
esfuerzos En el capiacutetulo III se describen la pieza construida a traveacutes del Software de aplicacioacuten
SOLIDWORKS
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor
El anaacutelisis cineacutetico estudia las fuerzas que provocan que un sistema se mueva es decir que
produzcan o cambien el movimiento de un objeto El estudio de las fuerzas que inducen el
movimiento parte desde un movimiento lineal o angular El anaacutelisis cineacutetico puede ser de tipo lineal
o angular El primero involucra la descripcioacuten de un movimiento en liacutenea recta Por otro lado la
cinemaacutetica angular se refiere a la descripcioacuten de un movimiento alrededor de un aacutengulo fijo [64]
El anaacutelisis cineacutetico es cuando un cuerpo estaacute en reposo para acelerarlo hasta una cierta velocidad
y se necesita un determinado trabajo [67] Esa energiacutea que se obtiene en la aceleracioacuten es
conservada por el cuerpo como energiacutea cineacutetica hasta que modifique su velocidad
Concretamente se llama cineacutetica o cinemaacutetica a la especialidad de la fiacutesica centrada en el anaacutelisis
del movimiento dejando de lado el estudio de las fuerzas que lo originan La cineacutetica en este
marco suele estudiar la trayectoria de un cuerpo en movimiento en funcioacuten del tiempo [68]
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor
La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama transferencia de calor la cual se produce
siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se
ponen en contacto hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las
temperaturas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
34
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se usoacute en el software ANSYS el cual permitioacute realizar el
anaacutelisis teacutermico que consiste en la aplicacioacuten del meacutetodo de elementos finitos para calcular la
distribucioacuten de temperatura en una estructura soacutelida en este caso la biela de un motor de
combustioacuten interna Con dicho anaacutelisis se resolvioacute el problema de la transferencia teacutermica
conjugada que involucra el caacutelculo de la simulacioacuten de la conduccioacuten conveccioacuten e irradiacioacuten
teacutermica [66]
Los procesos de los motores de combustioacuten interna son complejos para poder realizar un anaacutelisis
completo de los mismos por lo que se requiere el usoacute de procesos teoacutericos para realizar caacutelculos
Eacutestos son denominados modelos matemaacuteticos para los cuales se usa simulacioacuten herramienta de
gran apoyo para estudiar el comportamiento de los motores de combustioacuten interna desde el punto
de vista termodinaacutemico Con estos softwares de apoyo es posible estudiar la influencia de
determinados paraacutemetros como son la geometriacutea operacioacuten y combustioacuten en las prestaciones de
un motor [69]
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico
La simulacioacuten permite examinar el comportamiento del modelo en condiciones de operacioacuten
reales Ayuda a evaluar las caracteriacutesticas estructurales y el perfil teacutermico proporciona tambieacuten
potentes herramientas para examinar el rendimiento de los mecanismos Sirve para reflejar las
fuerzas materiales y condiciones de liacutemite a las que se veraacute sometido el modelo real para adaptarlo
mejor a criterios de disentildeo especiacuteficos
Existen diversos Softwares de aplicacioacuten para diferentes fines como es el caso de CAD que
sirve para disentildear modelos en tercera dimensioacuten (3D) que posteriormente se analizan por el
meacutetodo de elementos finitos Tal es el caso del software CATIA que es uno de los maacutes utilizados
actualmente en la industria para encontrar paraacutemetros como las dimensiones de diaacutemetro del pistoacuten
longitud de la biela ancho de biela diaacutemetros interiores de cabeza y pie espesores de cabeza y
pie ancho y alto de la seccioacuten tipo I y diaacutemetro de los tornillos de fijacioacuten Tanto el CAD y CATIA
son simuladores que permiten determinar lo antes mencionado
Tambieacuten existe el Software ANSYS que sirve para disentildear analizar y simular partes de piezas
sometidas a fenoacutemenos fiacutesicos usadas en ingenieriacutea y disentildeo mecaacutenico Ayuda a resolver
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
35
problemas fiacutesicos como problemas de esfuerzos teacutermicos fluidos vibracioacuten y otras Dentro de este
software se encuentra la seccioacuten de Anaacutelisis Mecaacutenico que sirve para resolver situaciones muy
particulares en disentildeo mecaacutenico como elementos estructurales lineales no lineales y anaacutelisis
dinaacutemico Con este moacutedulo se puede evaluar el comportamiento asignar materiales y resolver
ecuaciones elaborar anaacutelisis teacutermicos acoplamientos fiacutesicos que involucren acuacutestica elementos
piezoeleacutectricos e interaccioacuten teacutermica con eleacutectrica El software ANSYS se usoacute para este proyecto
Asiacute mismo es necesario sentildealar que para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el
software MATLAB herramienta matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para
la representacioacuten de datos matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor Los resultados
de MATLAB junto con el Software ANSYS permiten predecir coacutemo se comporta y reacciona la
biela en su entorno real Posteriormente se importa la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
y se realizan el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico por medio de la simulacioacuten
De igual forma se emplea para esta investigacioacuten el software SOLIDWORKS que se usa para
el disentildeo mecaacutenico con el que se crea geometriacutea en tercera dimensioacuten (3D) usando paraacutemetros
soacutelidos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
36
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA
La metodologiacutea de la investigacioacuten se define como la disciplina que se encarga del estudio criacutetico
de los procedimientos y medios aplicados por los seres humanos que permiten alcanzar y crear el
conocimiento en el campo de la investigacioacuten cientiacutefica Representa la forma en la que se va a
organizar el proceso de la investigacioacuten de examinar los resultados y de presentar posibles
soluciones al problema Toda investigacioacuten a desarrollar debe llevar un orden loacutegico La
metodologiacutea de la presente investigacioacuten estaacute basada en la propuesta de los autores Hernaacutendez
Fernaacutendez y Baptista [70] ya que tiene un enfoque bastante amplio y flexible que se puede adaptar
de manera general a los requerimientos y alcances del estudio cubriendo los puntos esenciales que
guiacutean el disentildeo y elaboracioacuten de la investigacioacuten Los pasos seguidos se muestran en la figura19
31 Enfoque de la investigacioacuten
Existen dos enfoques dentro de la investigacioacuten el cuantitativo y el cualitativo Hernaacutendez [70]
define a la investigacioacuten cuantitativa como aquella investigacioacuten que utiliza la recoleccioacuten de datos
para comprobar una hipoacutetesis con base a una medicioacuten numeacuterica para establecer un anaacutelisis
estadiacutestico con el propoacutesito de conocer la tendencia del comportamiento y la aprobacioacuten de teoriacuteas
El desarrollo de esta investigacioacuten tuvo un enfoque cuantitativo el cual seguacuten Fernaacutendez [71] se
fundamenta en un esquema deductivo y loacutegico que busca formular preguntas de investigacioacuten e
hipoacutetesis para posteriormente probarlas
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
37
Esta investigacioacuten parte del enfoque mecaacutenico propuesto por diferentes autores que hacen
referencia a los diferentes motores que existen asiacute como los elementos que lo conforman La
finalidad es identificar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten
interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa asiacute como determinar la fuerza
axial de la biela Tambieacuten obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de
combustioacuten estequiomeacutetrica y simular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela para identificar
posibles deformaciones y posteriormente realizar el anaacutelisis cinemaacutetico del motor
32 Alcance de la investigacioacuten
El alcance de esta investigacioacuten es exploratoria correlacional descriptiva y explicativa Al
respecto Fernaacutendez et [71] al se establece que ldquolos estudios exploratorios se realizan cuando el
objetivo consiste en examinar un tema poco estudiadordquo en este caso los factores que influyen en
el sobrecalentamiento de una biela
El alcance correlacional tiene como finalidad establecer una relacioacuten entre dos o maacutes variables
[70] y referente a esta investigacioacuten se llevoacute a cabo la correlacioacuten de variables del calor liberado
en la caacutemara de combustioacuten y el sobrecalentamiento del motor Esta correlacioacuten implica una
relacioacuten causal entre dichas variables ya sea de forma positiva o en forma negativa y una relacioacuten
causal implica que un evento es consecuencia de otro que le antecede y que sin eacuteste el uacuteltimo no
se presentaraacute
La investigacioacuten tambieacuten es descriptiva puesto que se describen los fenoacutemenos alcanzados en el
transcurso de todo el proceso Busca especificar propiedades caracteriacutesticas y rasgos importantes
de cualquier fenoacutemeno que se analice [71] en este caso la relacioacuten de compresioacuten presioacuten
atmosfeacuterica aacuterea del pistoacuten presioacuten atmosfeacuterica dentro de la caacutemara de combustioacuten presioacuten que
detona la mezcla dentro de la caacutemara de combustioacuten fuerza temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
y geometriacutea de la biela En este sentido en esta investigacioacuten se describieron las variables antes
mencionadas mismas que se especifican en el capiacutetulo cuatro detallando sus propiedades y
caracteriacutesticas
De igual forma la investigacioacuten tiene un alcance explicativo derivado de que seguacuten Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Bautista mencionan que estaacute orientada a la comprobacioacuten de hipoacutetesis las cuales
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
38
sirven para el anaacutelisis de variables [71] que se expresan con hechos verificables para que el
investigador tenga la capacidad de anaacutelisis y siacutentesis para su interpretacioacuten En el desarrollo de este
trabajo la hipoacutetesis establecida se encuentra en el apartado 33 del presente capiacutetulo y los resultados
obtenidos se explican en el capiacutetulo cuatro donde se explican los fenoacutemenos hallados entre
variables describiendo por queacute ocurrieron dichos eventos y en queacute condiciones se manifestaron
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis
En toda investigacioacuten es importante plantear variables ya que eacutestas permiten relacionar algunos
conceptos que hacen referencia a las caracteriacutesticas que se van a estudiar Para Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Baptista [70] una variable es una propiedad que puede fluctuar y cuya variacioacuten es
susceptible de medirse u observarse Las variables adquieren valor para la investigacioacuten cientiacutefica
cuando llegan a relacionarse con otras variables es decir si forman parte de una hipoacutetesis o una
teoriacutea Y una variable independiente se refiere a ldquoaquella donde el investigador puede manipular
ciertos efectos en otras palabras supone la causa del fenoacutemeno estudiadordquo Y la variable
dependiente implica ldquoel efecto producido por la variable independiente es decir representa lo que
se quiere determinar en forma directa en la investigacioacutenrdquo
La hipoacutetesis planteada en este trabajo es una hipoacutetesis correlacional donde si alguna de las
variables sufre alguna modificacioacuten esto afectaraacute a otras variables correspondientes A
continuacioacuten se muestra la hipoacutetesis de la presente investigacioacuten
Hipoacutetesis nula
H01 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten influye en el sobrecalentamiento
de un motor de combustioacuten interna
Variables
Variables independientes Calor liberado en la caacutemara de
Combustioacuten
Variable dependiente Sobrecalentamiento del motor
Ya identificadas las variables es necesario establecer la operacionalidad de las mismas y
con base a lo anterior se observa en la tabla 1 la clasificacioacuten de las mismas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
39
TABLA 1 CONCEPTUALIZACIOacuteN DE VARIABLE
Variable Definicioacuten Conceptual Indicadores
Calor liberado en la
caacutemara de
combustioacuten
Se refiere a la quema de combustible
suministrados por el motor de
combustioacuten interna de tal manera
que el aire se expanda y acelere para
proporcionar una corriente de gas
uniformemente calentada en todas las
condiciones requeridas por el motor
de combustioacuten interna Esta tarea
debe realizarse con la miacutenima peacuterdida
de presioacuten y con la maacutexima liberacioacuten
de calor para el limitado espacio
disponible [31]
Reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten
Sobrecalentamiento
del motor
Es la condicioacuten en la cual la
temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y llega
a producir dantildeos graves en el motor
como torceduras y roturas de
vaacutelvulas brazos de biela soplado de
empaques torceduras de culatas y
roturas de pistones [41]
Lubricacioacuten deficiente
Fallo en sistema de
enfriamiento
Hipoacutetesis alterna
HA1 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten no influye en el
sobrecalentamiento de un motor de combustioacuten interna
34 Disentildeo de la investigacioacuten
El tipo de disentildeo que se usoacute fue el no experimental donde la investigacioacuten que se realiza se hace
sin la manipulacioacuten deliberada de las variables y donde se observan los fenoacutemenos para
posteriormente analizarlos en este caso el calor liberado en la caacutemara de combustioacuten y el
sobrecalentamiento del motor donde dichas variables estaacuten relacionadas con diferentes elementos
que son la combustioacuten estequiomeacutetrica presioacuten atmosfeacuterica fuerza de la biela y geometriacutea de la
biela Estos elementos sirvieron para poder realizar el anaacutelisis cineacutetico cinemaacutetico y teacutermico por
transferencia de calor motivo de la presente investigacioacuten
A su vez es una investigacioacuten transaccional donde se recolectaron los datos en un momento y
tiempo uacutenico permitieacutendose describir las variables anteriormente mencionadas El propoacutesito fue
describir las variables y analizar su incidencia e interrelacioacuten en un momento dado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
40
Por otra parte este trabajo se basoacute en un disentildeo no experimental con la informacioacuten derivada
basada en datos primarios obtenidos directamente de la realidad En el desarrollo de la presente
investigacioacuten la informacioacuten se obtuvo mediante el modelado mecaacutenico el cual ayudoacute a predecir
el comportamiento y reaccioacuten de la biela en su entorno real
35 Seleccioacuten de la muestra
El desarrollo de esta investigacioacuten se realizoacute tomando como objeto de estudio a un motor VW
Golf MK4 Gti 18T En la tabla 2 se muestran las especificaciones de este motor
Se utilizoacute un acero SAE 4340 de medio carbono aleado con Cr-Ni-Mo debido a que posee buena
resistencia a la fatiga alta templabilidad excelente tenacidad regular maquinabilidad y baja
soldabilidad Es apto para piezas y herramientas de grandes exigencias mecaacutenicas Se usa para los
maacutes altos esfuerzos estaacuteticos y dinaacutemicos en piezas como ciguumlentildeales bielas cardanes pintildeones
pernos y tornillos de alta resistencia engranajes para maacutequinas discos de freno barras de torsioacuten
y aacuterboles de transmisioacuten [72] En la tabla 3 se muestran las composiciones quiacutemicas
TABLA 2 CARACTERIacuteSTICAS DEL MOTOR
Variable Definicioacuten Conceptual
Motor V 4
Combustible Gasolina
Alimentacioacuten MPI
Situacioacuten Transversal
Cilindrada 1781 cm3
Diaacutemetro por carrera 810 x 864 mm
Vaacutelvulas 16 vaacutelvulas
Sobrealimentacioacuten Turbo + Intercooler
Relacioacuten de Comprensioacuten 95
Potencia 210 PS or 207 bhp o 154 kw 5700 rmp
Par maacuteximo 300 Nm o 221 lbft 2700 rpm
Caja de cambios 6 velocidades manual
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
41
TABLA 3 PORCENTAJE DE COMPOSICIOacuteN QUIacuteMICA DEL ACERO USADO
De igual forma en la tabla 4 se pueden apreciar las caracteriacutesticas del tratamiento teacutermico y las
propiedades mecaacutenicas que se deben tener para cumplir con lo establecido para el procedimiento
36 Recoleccioacuten de datos
Para el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico se emplea la simulacioacuten con ANSYS y poder predecir coacutemo
se comporta y reacciona la biela en su entorno real El software SOLIDWORKS se emplea para
incorporar la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
TABLA 4 TRATAMIENTO TEacuteRMICO Y PROPIEDADES MECAacuteNICAS
Tratamiento teacutermico
(Valores en 0C)
Propiedades mecaacutenicas
Forjado 850 - 1100 Bonificado
Normalizado 870 - 900 Resistencia a la
traccioacuten
95 ndash 105 kgfmm2
Revenido 530 - 670 Liacutemite de fluencia 60 ndash 74 kgfmm2
Recocido 750 - 850 Dureza (HB) 280 - 340
Templado Aceite 840 - 880 Elongacioacuten 10 ndash 18
Composicioacuten quiacutemica ()
C 038 ndash 043
Mn 060 ndash 080
Si 015 ndash 035
P 0035 Maacutex
S 004 Maacutex
Cr 070 ndash 090
Ni 165 ndash 200
Mo 020 ndash 030
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
42
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el software de MATLAB herramienta
matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para la representacioacuten de datos
matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor El objetivo de dicho anaacutelisis fue
identificar la falla de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro
cilindros encendido por chispa accionado por gasolina cuando por diversas causas alcanza
temperaturas elevadas generando esfuerzos y deformaciones superiores a los liacutemites de cedencia
del material Para este anaacutelisis se determinoacute la fuerza axial generadora del maacuteximo torque aplicado
al ciguumlentildeal del motor Como se trata de un motor alternativo el movimiento parte desde el punto
muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) recorriendo el pistoacuten una longitud de
carrera C=2r por cada vuelta del ciguumlentildeal Ya que se trata de un motor de cuatro tiempos el
ciguumlentildeal daraacute dos vueltas por ciclo termodinaacutemico [73] En este caso se consideroacute solamente un
punto donde la biela es normal a la manivela que es donde se produce el maacuteximo toque Se hizo el
anaacutelisis el elemento finito (FEA por su siglas en ingles Finite Element Analysis ) para obtener una
solucioacuten aproximada a este problema de ingenieriacutea para obtener un producto de calidad a menor
costo mejorando asiacute procesos existentes o para estudiar fallos de eacuteste componente estructural El
anaacutelisis teacutermico por transferencia de calor cineacutetico y cinemaacutetico se describe en el capiacutetulo 4 del
presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
43
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Generalidades
Los motores de los autos principalmente los de combustioacuten interna (MCI) son motores donde
los gases generados en la reaccioacuten exoteacutermica resultan de un proceso de combustioacuten que empuja
al pistoacuten desplazaacutendolo en el interior de un cilindro y haciendo girar al ciguumlentildeal El funcionamiento
ciacuteclico de estos motores suele tener fallas constantes debido a muacuteltiples factores entre los cuales
destacan problemas con los cojinetes fallas en las bielas pistoacuten ciguumlentildeal entre otros
El arranque de los motores de combustioacuten se lleva a cabo en su caacutemara interna en donde se forma
el fluido activo Esta caacutemara forma parte de un cilindro dentro del cual se mueve un pistoacuten mismo
que forma parte del mecanismo en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal Y para que un motor
tenga un buen funcionamiento es necesario tener una buena lubricacioacuten refrigeracioacuten y suministro
de energiacutea eleacutectrica tal como se aprecia en la figura 20
La lubricacioacuten debe mantener engrasados los mecanismos moacuteviles tambieacuten sirve como
refrigerante al absorber el calor disipado Su principal funcioacuten radica en la aplicacioacuten de un manto
superficial de aceite recubriendo asiacute los elementos moacuteviles El sistema refrigerante es el que
mantiene una temperatura constante del motor durante su funcionamiento y lo hace mediante la
eliminacioacuten de exceso de calor que se pudiera generar en su funcionamiento Gracias a la energiacutea
eleacutectrica funcionan los dispositivos tales como las bombas hidraacuteulicas agua refrigerante los
cuales provocan el flujo que hace posible la circulacioacuten de los fluidos a lo largo de los ductos
correspondientes
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
44
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se consideroacute el auto VW Golf [74] tal como se aprecia
en la figura 21
Este auto tiene un motor MK4 GTI 18T de cuatro cilindros con turbocompresor formalmente
conocido como el 18 20VT R4 e informalmente conocido simplemente como el 18T Se ha
utilizado en casi todas las aplicaciones de cuatro cilindros de VW Utiliza un bloque de motor de
hierro fundido y culata de aluminio con doble aacuterbol de levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte
de la fuerza inherente de este motor viene del uso de un ciguumlentildeal de acero forjado a troque dividido
en bielas forjadas y pistones forjados Su potencia es de 150 caballos de fuerza a 5800 rpm Su
principal caracteriacutestica es su sistema de turbo y de induccioacuten Utiliza un turbocompresor de VW
de origen algo equivalente a un Garrett T30
421 Aplicaciones del 18T
El 18T se ha utilizado en casi todos los autos que tienen cuatro cilindros de VW como son VW
Polo GTI Golf MkIV Bora Jetta New Beetle S Passat B5 y Sagitar Desde Audi que es la marca
de lujo de VW el motor tambieacuten se ha trasladado a los modelos en esa divisioacuten incluyendo la A3
A4 A6 y TT Quattro Sport Otros fabricantes de automoacuteviles en utilizar el 18T han sido el
fabricante espantildeol SEAT (en el Leon Mk1 Cupra R y Toledo) y Skoda para su edicioacuten limitada
Octavia VRS
Figura 21VW Golf
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
45
El 18T utiliza un bloque de motor de hierro fundido y una culata de aluminio con doble aacuterbol de
levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte de la fuerza inherente de este motor se debe al uso de un
ciguumlentildeal de acero forjado a troquel bielas ldquoSplit forjadordquo y pistones Mahle forjado El 18T ha
llegado en docenas de diferentes configuraciones desde que se ofrecioacute por primera vez con
potencias que van desde 150 caballos de fuerza a 5800 rpm (en la mayoriacutea de los polos Golf
hoteles escarabajos y Passat) hasta 236 caballos de fuerza a 5700 rpm para el Audi TT Quattro
Sports
En lo que respecta a la induccioacuten aparte de su cabeza la principal caracteriacutestica del 18T es su
sistema turbo e induccioacuten El turbo alimenta uno de los pocos verdaderos colectores de admisioacuten
de longitud variable en el mercado de hoy A bajas revoluciones el aire fluye a traveacutes de un
conjunto de tubos de colada la ingesta de largas y delgadas para mejorar el par a bajo reacutegimen y
la facilidad de conduccioacuten A altas revoluciones una solapa se abre para conectar gran espacio
abierto del colector de admisioacuten (plenum) casi directamente a la culata sin pasar por los tubos y
aumentar el poder de gama alta
43 Anaacutelisis de datos
431 Anaacutelisis cinemaacutetico
El movimiento alterno del pistoacuten se transforma en movimiento circular continuo del eje mediante
el sistema biela-manivela Para efectos de caacutelculo el movimiento circular de la manivela se
considera uniforme sin error apreciable En la figura 22 se muestra la nomenclatura que se utilizoacute
en este anaacutelisis [73]
Figura 22 Nomenclatura
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
46
Donde
L=Longitud de la biela
r=Radio de la manivela
C=Carrera del pistoacuten
x=Deslizamiento del pistoacuten referido al PMS
α=Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente al PMS
β= Aacutengulo que forma el eje de la biela con el del cilindro
I Desplazamiento
De acuerdo a la geometriacutea del motor y como muestra la figura 22 se obtiene la ecuacioacuten para el
desplazamiento (x) correspondiente entre el PMS y PMI donde λ es un paraacutemetro de la relacioacuten
del radio a la longitud de la biela (Ver Anexo I) la cual es
119909 = 119903 ((1 minus cos prop) + 119871(1 minus radic1 minus 12058221199041198901198992 prop))
Donde λ =119903
119871 119902119906119890 119903119890119901119903119890119904119890119899119905119886 119906119899119886 119903119890119897119886119888119894oacute119899 119886119897119890119886119905119900119903119894119886
Si la biela fuera de longitud infinita (λ=0) se desplazariacutea mantenieacutendose siempre paralela a siacute
misma por lo que tendriacuteamos la expresioacuten simplificada
119909 = 119903(1 minus cos prop)
Se utilizoacute el software MATLAB para graficar coacutemo se comporta el sistema del punto muerto
superior al punto muerto inferior correspondiente a los 360 grados del movimiento de la Manivela
Se obtiene la figura 23 misma que se muestra a continuacioacuten
Figura 23 Desplazamiento
Des
pla
zam
ien
to d
el p
istoacute
n e
n m
etro
s
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
47
II Velocidad
Para obtener la ecuacioacuten de la velocidad se derivoacute la ecuacioacuten de desplazamiento (ver Anexo II)
guardaacutendola en una nueva variable (V) lo que se puede apreciar en la figura 24
Figura 24Velocidad del pistoacuten
III Aceleracioacuten
Para obtener la ecuacioacuten de la aceleracioacuten se derivoacute la ecuacioacuten de velocidad (Ver Anexo III)
asignando su valor a una nueva variable (A) la cual se muestra en la figura 25
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten
Vel
oci
dad
del
pis
toacuten
(m
s)
Angulo de manivela en grados
Ace
lera
cioacute
n d
el p
istoacute
n (
ms
2)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
48
432 Anaacutelisis cineacutetico
I Fuerzas alternativas de inercia
Conociendo las leyes que regulan el movimiento del conjunto biela manivela resulta faacutecil
obtener una relacioacuten de las fuerzas que generan dicho movimiento En efecto las partes dotadas de
movimiento alternativo estaacuten sometidas a fuerzas de inercia calculadas por medio de la segunda
ley de Newton que expresada en funcioacuten de la segunda derivada del desplazamiento dan como
resultado
119865 = minus119898 lowast 1205962 lowast 119903 (cos 120572 + 120582 lowast cos 2120572)
La primera y segunda parte de la ecuacioacuten representan respectivamente las fuerzas alternativas
de primero y segundo orden (ver Anexo IV) En la ecuacioacuten anterior ldquomrdquo corresponde a la masa de
la biela que para la muestra seleccionada tiene un valor de 066 kg se muestra en la figura 26
Figura 26Fuerzas alternativas
La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten cinemaacutetica En la figura 27
se puede observar el movimiento al considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante el
proceso de expansioacuten De este resultado se obtiene la fuerza maacutexima para posteriormente
considerarla en el anaacutelisis estaacutetico de la simulacioacuten en el software de ANSYS Los resultados se
encuentran en el Anexo V y en la figura 27 se aprecia la representacioacuten graacutefica del anaacutelisis de la
biela Este anaacutelisis se hizo mediante el software de MATLAB
Fu
erza
s al
tern
ativ
as (
N)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
49
Figura 27 Fuerzas en la biela
II Diagrama par-motor
La fuerza resultante que actuacutea sobre el pistoacuten corresponde a la suma de las fuerzas alternativas
de inercia y de la correspondiente a la presioacuten del gas durante la explosioacuten Eacutesta equilibrada por la
fuerza de reaccioacuten en la biela y variacutea en cada posicioacuten del movimiento La figura 28 muestra el
diagrama par motor que se utiliza para este anaacutelisis La nomenclatura es la misma que se utilizoacute en
el anaacutelisis cinemaacutetico con la inclusioacuten de las fuerzas [73]
Figura 28Diagrama par-motor
Angulo de manivela en grados
Fu
erza
en
la
bie
la (
N)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
50
Figura 29Par-motor de explosioacuten
Nuevamente mediante el software MATLAB se realiza el anaacutelisis de movimiento durante el
proceso de expansioacuten de 360deg a 540deg debido a que se trata de un motor de 4 tiempos lo que implica
que el ciguumlentildeal gire dos vueltas correspondieacutendole a la primera vuelta la admisioacuten y compresioacuten
(Ver Anexo VI) lo cual se aprecia en la figura 29
El punto maacuteximo de esta graacutefica representa un par-motor de 311 N-m que se aproxima al par
motor que el fabricante ofrece para este motor seleccionado como muestra Es importante
considerar que a este punto le corresponde un aacutengulo de 388deg equivalente a 28deg a partir del punto
muerto superior y seraacute considerado para obtener la fuerza axial en la biela de su correspondiente
graacutefica
433 Anaacutelisis termodinaacutemico
I Eficiencia del ciclo Otto ideal
La figura 30 muestra el ciclo en un diagrama P-v La eficiencia o rendimiento del ciclo es la
relacioacuten entre el trabajo neto y la cantidad de calor que entra al sistema [75]
Par
-mo
tor
(N
m)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
51
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen
Es decir
119890119900119905119905119900 =119882119899119890119905119900
119902119890119899119905
Por primera ley de la termodinaacutemica
119882119899119890119905119900 = 119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
Considerando calores especiacuteficos constantes
119890119900119905119905119900 =119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119862119907(1198794 minus 1198791)
119862119907(1198793 minus 1198792)= 1 minus
(1198794 minus 1198791)
(1198793 minus 1198792)
Para el proceso 1-2 compresioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987511198811119896 = 11987521198812
119896 there41198752
1198751= (
1199071
1199072)
119896
= 119903119896
Doacutende r= la relacioacuten de compresioacuten definida como 119903 =1199071
1199072
Para el mismo proceso la ecuacioacuten de los gases ideales es
11987511199071
1198791=
11987521199072
1198792 there4
1198752
1198751=
1199072
1199071∙
1198792
1198791= 119903
1198792
1198791= 119903119896
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
52
Realizando la igualacioacuten se obtiene la temperatura para el estado dos del ciclo
1198792 = 1198791119903119896minus1
De manera similar para el proceso 3-4 de expansioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987531198813119896 = 11987541198814
119896 there41198753
1198754= (
1199074
1199073)
119896
= 119903119896
Y la ecuacioacuten correspondiente de los gases ideales es
11987531199073
1198793=
11987541199074
1198794there4
1198753
1198754=
1199074
1199073∙
1198793
1198794= 119903
1198793
1198794= 119903119896
Realizando la igualacioacuten correspondiente se obtiene la temperatura para el estado 3 del ciclo
1198793 = 1198794119903119896minus1
Con las relaciones de temperatura para los estados 2 y 3 se obtiene la eficiencia del ciclo Otto
en funcioacuten de la relacioacuten de compresioacuten
119890119900119905119905119900 = 1 minus1198794 minus 1198791
1198794119903119896minus1 minus 1198791119903119896minus1= 1 minus
1198794 minus 1198791
119903119896minus1(1198794 minus 1198791)
119890 = 1 minus1
119903119896minus1
Para el anaacutelisis de la muestra seleccionada le corresponde una relacioacuten de compresioacuten de r=95
obtenieacutendose una eficiencia teacutermica del 60
119890 = 1 minus1
9514minus1= 06
En la figura 31 se muestra un referente de la eficiencia teacutermica en funcioacuten de la relacioacuten de
compresioacuten para un motor Otto y Diesel [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
53
Figura 31 Eficiencia teacutermica
II Temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
Cuanto maacutes pequentildea es la perdida de calor tanto mayor resulta el aumento de la temperatura En
el caso liacutemite que no haya peacuterdida de calor hacia los alrededores (Q=0) la temperatura de los
productos alcanzaraacute un maacuteximo conocido como temperatura de flama adiabaacutetica o combustioacuten
adiabaacutetica
La temperatura de flama adiabaacutetica de un proceso de combustioacuten de flujo estacionario se
determina aplicando la primera ley de la termodinaacutemica considerando la caacutemara de combustioacuten
como un volumen de control totalmente aislado (adiabaacutetico) con la siguiente ecuacioacuten
119867119901119903119900119889 = 119867119903119890119886119888119905
sum 119873119901(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg) = sum 119873119903(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg)
Doacutende Np= nuacutemero de moles de los productos
Nr = nuacutemero de moles de los reactivos
ℎ119891= entalpiacutea de formacioacuten
ℎ minus ℎdeg= variacioacuten de entalpiacutea
Una vez que se especifican los reactivos y los estados resulta faacutecil determinar las entalpiacuteas de
los reactivos Sin embargo debido a que la temperatura de los productos no se conoce antes de los
caacutelculos el caacutelculo de la entalpia de los productos no es directa Por consiguiente la determinacioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
54
de la temperatura de flama adiabaacutetica requiere el uso de una teacutecnica iterativa a menos que se
disponga de ecuaciones para los cambios de entalpiacutea sensible de los productos de combustioacuten
La temperatura de flama adiabaacutetica se determina luego a partir de estos dos resultados mediante
interpolacioacuten Cuando el oxidante es aire los gases producto se componen principalmente de N2 y
una buena primera suposicioacuten para la temperatura de flama adiabaacutetica se obtiene tratando todos
los gases productos como N2 En las caacutemaras de combustioacuten la temperatura maacutexima a la que se
puede llegar esta limitada por condiciones metaluacutergicas [75] Se analizaron los tres tipos de mezcla
para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla teoacuterica o estequiomeacutetrica
mezcla pobre y mezcla rica
II1 Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El modelo utilizado para los tres tipos de mezcla es una caacutemara de combustioacuten en la cual se
simula la inyeccioacuten de combustible octano 119862811986718 con las cantidades de aire suministrado siendo la
composicioacuten quiacutemica del aire de 1198742 + 3761198732 lo que equivale a 79 de N2 y 21 de O2 Tanto el
combustible como el aire se consideran como los reactivos y los gases de escape como productos
tal como se aprecia en la figura 32
La ecuacioacuten teoacuterica para este caso es
119862811986718 + 119908(1198742 + 3761198732) rarr 1198831198621198742 + 1198841198672119874 + 1198851198732
Doacutende W X Y Z representan los coeficientes estequiomeacutetricos determinaacutendose por balanceo
de los elementos quiacutemicos de la ecuacioacuten
119862 8 = 119883
119867 18 = 2119884 there4 119884 = 9
119874 2119882 = 2119883 + 119884 there4 119882 = 125
119873 376(2)119882 = 2119885 there4 119885 = 47
Se obtiene asiacute la ecuacioacuten estequiomeacutetrica balanceada
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
55
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos y considerando un proceso
adiabaacutetico se obtiene la ecuacioacuten para los tres tipos de mezcla
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ)
Donde
ℎ119891298= Entalpiacutea de deformacioacuten durante la reaccioacuten
∆ℎ= Variacioacuten de la entalpiacutea con respecto al estado de referencia
Los valores de entalpiacuteas para esta reaccioacuten se obtienen de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y
A-26 [75] Para este caso resulta
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9324] + 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]
+47[0 + ℎ1198732minus 8669] = 1[minus249950 + 0] minus 125[0 + 0] minus 47[0 + 0]
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 47ℎ1198732
= 5646081
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realiza iterativamente proponiendo como inicio que toda la
energiacutea es absorbida por el N2 ya que es el elemento que posee el mayor nuacutemero de moles
64ℎ1198732= 5646081
ℎ1198732= 88220015
119896119869
119896119898119900119897
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de temperatura aproximado de
119879 = 2650deg119870
Y tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen los valores
que se muestran en la tabla 5
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
56
TABLA 5 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA
Temperatura T=2600degK T=2450degK T=2200degK
Sustancia h(kJkmol)
8CO2 1099592 1025752 903512
9H2O 1028457 955647 836460
47N2 4072550 3814003 3385880
6130599 5795402 5125852
Interpolando los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2450degK y 2200degK se
obtiene la temperatura 119879 = 239424deg119870
II2 Mezcla pobre (110 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Ecuacioacuten real (10 exceso de aire) es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 1251198742 + 5171198732
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
Sustituyendo los valores de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y A-26 [75] se obtiene
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364]
kJ
kmol1198621198742
+ 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]kJ
kmol1198671198742
+125[0 + ℎ1198732minus 8682]
kJ
kmol1198742
+ 517[0 + ℎ1198732minus 8669]
kJ
kmol1198732
= 1[minus249950 + 0]kJ
kmol119862811986718
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 125ℎ1198742
517ℎ1198732= 56976778119896119869119896119898119900119897
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno
6995ℎ1198732= 56976778
ℎ1198732= 8145357827
119870119869
119870119898119900119897
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
57
TABLA 6 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA POBRE
Temperatura T=2400degK T=2450degK T=2200degK T=2250degK
Sustancia h(kJkmol)
8 CO2 1001216 1025752 903512 927872
9 H2O 931572 955647 836460 860058
125 02 1039675 106390 94355 9674625
517 N2 4100844 41954033 3724468 38183552
61376055 62831923 5558795 570303145
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2500deg119870
Nuevamente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen
los valores que se muestran en la tabla 6
Realizando la interpolacioacuten de los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2200degK
y 2250degK se obtiene la temperatura 119879 = 2248144deg119870
II3 Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es la siguiente
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
La ecuacioacuten real (85 de aire) es
119862811986718 + 10625(1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 91198672119874 + 375119862119874 + 39951198732
Aplicando la primera ley de la termodinaacutemica para sistemas reactivos y adiabaacutetico se obtiene
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
TABLA 7 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA
Sustancia hf h 298 degk
KJKmol
C₈H₁₈ -249950 -----
O₂ 0 8682
N₂ 0 8669
H₂O -241820 9904
CO₂ -393520 9364
CO -110530 8669
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
58
Posteriormente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se
obtienen los valores que se muestran en la tabla 7
Y sustituyendo los valores en la foacutermula antes mencionada se obtienen los resultados siguientes
425 (minus393520 + ℎ119862119874₂ minus 9364) + 375 (minus110530 + ℎ119862119874 minus 8669) + (minus 241820
+ ℎ119867₂119874 minus 9904) + 3995 (0 + ℎ119873₂ minus 8669) ndash 1(minus 249950
+ 0) ndash 10625 (0 + 0) ndash 3995 (0 + 0) = 0
425 ℎ119862119874₂ + 375 ℎ119862119874 + 9 ℎ119867₂119874 + 3995 ℎ119873₂ = 45211458
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno 5695 ℎ119873₂ = 45211458
ℎ119873₂ = 7938798 = 79388 kJkmol
De la tabla A-18 [75] de propiedades del nitroacutegeno se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2400deg119870
Tabulando los valores correspondientes de la entalpiacutea a la temperatura indicada se muestran en
la tabla 8
Interpolando entre los valores de 2300degK y 2200degK se obtiene la temperatura para esta
mezcla 119879 = 2223305deg119870
TABLA 8 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA RICA
Temperatura T=2400 T=2300 T=2200
Sustancia h(KJKmol)
425 Co₂ 531896 50589875 47999075
375 Co₂ 30005625 28629375 272580
9 H₂O 931572 883791 836460
3995 N₂ 3168834 30232562 2877998
sum 493235825 46992397 446702875
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
59
434 Temperatura real de combustioacuten
Las temperaturas de combustioacuten adiabaacutetica obtenidas en el apartado que aborda el tema de la
temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para los tres tipos de mezclas reflejan un paraacutemetro
cuantitativo sin embargo no es posible que el motor alcance dichos valores Esto es debido a la
Segunda Ley de la Termodinaacutemica en su postulado de Kelvin Plank refirieacutendose precisamente al
rendimiento del motor que de acuerdo a la relacioacuten de compresioacuten establecida se determinoacute que
es de 60 Este valor equivale al maacuteximo rendimiento posible con el cual se determinaraacute la
temperatura real del motor para los tres tipos de mezclas Eacutesta temperatura seraacute considerada para
el anaacutelisis de transferencia de calor en la biela
I Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El poder caloriacutefico del combustible representa la cantidad de calor liberado cuando se quema por
completo en un proceso de flujo estacionario En este anaacutelisis se considera el poder caloriacutefico
inferior debido a que el agua en los productos se considera en fase de vapor correspondieacutendole un
valor de 44430 kJkmol [75]
Involucrando una eficiencia de 60 se determina la cantidad de calor real utilizado en los tres
diagramas y mediante el anaacutelisis de estequiometria se obtiene la temperatura real correspondiente
al maacuteximo valor del ciclo en el proceso de explosioacuten
El anaacutelisis parte de la ecuacioacuten teoacuterica (100 de aire) para los tres tipos de mezclas que se
analizan en este apartado
De acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica para esta reaccioacuten de combustioacuten la
ecuacioacuten de la cantidad de calor liberado es
minus 119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
El valor de 119876119903119890119886119897 se determina al involucrar el rendimiento de 60 del poder caloriacutefico del
combustible y a la vez multiplicaacutendolo por la masa molar del combustible de 114231 kgkmol
obteniendo un valor de 3045170119896119869
119896119898119900119897
Los valores de ℎ119891deg y ℎ de los componentes a 298degK son los que se muestran en la tabla 9 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
60
TABLA 9 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Sustancia 119945 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948
kjkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119925120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 47(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten en funcioacuten de las entalpiacuteas de los elementos de los
productos que se resuelve por el meacutetodo iterativo
8ℎ 1198621198742
+ 9 ℎ1198671198742+47ℎ1198732
=2600911 kJkmol
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero total
de moles lo que produce 2600911 119896119869
(8 + 9 + 47) 119896119898119900119897= 4063923
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido correspondieacutendole un valor de T=131374degK A partir de este valor
se proponen valores inferiores y posteriormente realizar una interpolacioacuten lineal como se muestra
en la tabla 10 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
61
TABLA 10 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Temperatura T=1180degK T=1200degK T=1220degK
Sustancia h(KJKmol)
120790 119914119926120784 421792 430784 439816
120791 119919120784119926 391581 399420 407304
120786120789 119925120784 1696888 1728519 1760244
Total 2510261 2558723 2607364
Interpolando entre las temperaturas de 1200degK y 1220degK se obtiene que la temperatura real de
combustioacuten es T = 1217347 degK
II Mezcla pobre (110 aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten con 10 de exceso de aire es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 1251198742 + 91198672119874 + 5171198732
La ecuacioacuten de combustioacuten de acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
Los valores de las entalpiacuteas ℎ119891deg + ℎ de las sustancias a T= 298degK son los que se muestran en la
tabla 11 [75]
Sustituyendo valores correspondientes en la ecuacioacuten se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 125(0 + ℎ1198742minus 8682)
kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 517(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
62
TABLA 11 ENTALPIA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA POBRE REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119926120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten
8ℎ1198621198742+125 ℎ1198742
+ 9 ℎ1198671198742+517ℎ1198732
=26525078 kJ
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de
moles lo que produce
26525078 119896119869
(8 + 125 + 9 + 517) 119896119898119900119897= 379200543
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido siendo T=1240degK Nuevamente se propondraacuten valores inferiores a
la temperatura obtenida para obtener la entalpiacutea correspondiente a cada sustancia por
interpolacioacuten lineal obtener el resultado correcto Se muestran los valores de la tabla 12 [75]
La interpolacioacuten entre las temperaturas de 1160degK y 1140degK da el resultado de la temperatura
real para esta mezcla 119879 = 11515385deg119870
TABLA 12 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA POBRE REAL
Temperatura T=1200degK T=1160degK T=1140degK T=1120degK
Sustancia h(kJkmol)
120790119914119926120784 430784 412816 403872 394952
120783 120784120787119926120784 4805875 4627875 453925 445075
120791119919120784119926 399420 383778 376020 327384
120787120783 120789119925120784 19013709 1831731 1797092 17625564
Total 277963365 267460375 26223765 25293999
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
63
III Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten incompleta genera la aparicioacuten de monoacutexido de carbono (CO)
en los productos
119862811986718 + 10625 (1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 375119862119900 + 91198672119874 + 39951198732
De la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg)
Los valores de ℎ119891deg + ℎ de los componentes a la temperatura de 298degK son los que se muestran
en la tabla 13 [75]
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 425(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 375(minus110530 + ℎ119862119900 minus 8669)kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 3995(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
425ℎ1198621198742+375 ℎ119862119900 + 9 ℎ1198671198742+3995ℎ1198732
=14759758 kJkmol
Eacutesta debe resolverse por iteraciones sucesivas Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el
lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de moles obtenieacutendose 14759758 kJ
(425 + 375 + 9 + 3995) 119896119898119900119897= 25917
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente a esta entalpia
la temperatura aproximada siendo T=870degK Realizando un procedimiento similar a las mezclas
anteriores se obtiene la tabla 14 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
64
TABLA 13 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 8682
119925120784 0 8669
119914119926120784 -393520 9364
Co -110530 8669
119919120784119926 -241820 9904
TABLA 14 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA RICA REAL
Temperatura T=860degK T=850degK T=840degK T=830degK T=820degK
Sustancia h(KJKmol)
120786 120784120787119914119926120784 150008 14778525 14556675 1433525 141151
120785 120789120787119914119926 96630 954225 94215 9301125 9181125
120791119919120784119926 272160 268614 265086 261558 258048
120785120791 120791120787119925120784 10231195 10104154 9977113 9850871 9724629
Total 15419175 152223715 150257905 148300885 146347315
Interpolando entre las temperaturas de 830degK y 820degK se obtiene una temperatura de
combustioacuten para esta mezcla de 119879 = 8264deg119870
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten
En el apartado 433 se determinoacute una cantidad de calor liberado por la reaccioacuten quiacutemica de
combustioacuten de Q = 3045170 kJkmol = 26658 kJkg Esta energiacutea en forma de calor se tomaraacute en
cuenta para calcular el coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
Para este anaacutelisis se considera un modo de transferencia de calor por conveccioacuten entre un soacutelido
y un gas adyacente Seguacuten Cengel entre maacutes raacutepido es el movimiento de un fluido mayor es la
transferencia de calor por conveccioacuten [76]
De acuerdo con la ley de Newton del enfriamiento esta forma de transferencia de calor se expresa
mediante la ecuacioacuten honoriacutefica de este autor
119888119900119899119907 = ℎ119860119904( 119879119904 minus 119879infin )
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
65
Doacutende
h = coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
As = aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la
transferencia de calor
Ts = temperatura de la superficie
Tinfin = temperatura de los gases de combustioacuten
Para determinar el aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la conveccioacuten se considera un
cilindro con las dimensiones de la muestra seleccionada con un tamantildeo de 81 mm de diaacutemetro por
864 mm de carrera entonces
As = πDL = π(81 cm)(864 cm) = 2198612cm2 = 2198612x10-4 m2
Es necesario determinar la rapidez o tasa de transferencia de calor para lo cual se determina la
relacioacuten aire combustible para una mezcla con 85 de aire
119903119886119888frasl =
119898119886
119898119888=
119873119886
119873119888
119872119886
119872119888=
(10625)(426)(2897)
114231= 115
119896119892119886119894119903119890
119896119892119888119900119898119887
Doacutende
Na Nc corresponden al nuacutemero de moles del aire y el combustible respectivamente
Ma Mc son la masa molar del aire y la mezcla respectivamente
Desplazamiento por cilindro = V1 ndash V2 = 1800 cm34 = 450 cm3
Relacioacuten de compresioacuten r = 95 =V1V2
Resolviendo se obtiene un volumen inicial V1 = 502941 cm3
Utilizando condiciones iniciales presioacuten de 100 kPa y temperatura de 298degK Mediante la
ecuacioacuten de estado se determina la masa de aire
ma = 11987511198811119872
1198771199061198791
= (100)(5029411990910minus4)(2897)
(8314)(298)= 0000588 k119892
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
66
Con la relacioacuten aire combustible se determina la masa del combustible
119898119888 = 119898119886
119903119886119888=
0000588
115= 000005113 k119892
El calor total liberado durante la combustioacuten es
119876 = 119902119898119888 = 26658119896119869
119896119892(000005113 119896119892) = 1363035 119896119869
El flujo de calor por cilindro para una velocidad del motor de 2700 rpm es
119876 = 1363035119870119869 (1
2119888119894119888119897119900119904
119903119890119907
) (2700119903119890119907
119898119894119899) (1
119898119894119899
60 119904 ) = 306682 119896119882
Esta es la cantidad de flujo de calor que se considera para determinar el coeficiente de
transferencia de calor por conveccioacuten de la siguiente forma
ℎ = 119888119900119899119907
119860119904 ( 119879119904minus119879infin )=
306682 119882
(219861211990910minus41198982)(25minus5533)deg119862= 26398355 119882
1198982deg119862frasl
44 Simulacioacuten
Durante el presente anaacutelisis la geometriacutea de la biela fue elaborada en Solid Works para
posteriormente importarla al software de ANSYS en la simulacioacuten correspondiente Se selecciona
un modelo de malla refinado tal como se muestra en la figura 33 para una solucioacuten precisa y con
resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico - transitorio y estructural
Figura 33Modelo de malla
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
67
Se inicia con un anaacutelisis teacutermico transitorio tomando en cuenta los datos de la muestra del motor
seleccionado asiacute como tambieacuten los resultados obtenidos en el anaacutelisis teacutermico de combustioacuten y por
transferencia de calor El tiempo transitorio se determina con la velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira 2 revoluciones por ciclo termodinaacutemico resultando ser de
004444 segundos El primer resultado muestra la distribucioacuten de temperatura mediante la
transferencia de calor por conveccioacuten tal como se visualiza en la figura 34
Figura 34Distribucioacuten de temperatura
El segundo anaacutelisis es una simulacioacuten estaacutetica estructural vinculada con el anaacutelisis teacutermico
transitorio como se aprecia en la figura 35
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
68
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural es necesario saber la fuerza axial que actuacutea sobre la biela para
lo cual durante el anaacutelisis cineacutetico realizado en el software de Matlab se obtuvieron resultados del
par-motor durante el movimiento de la biela del PMS al PMI El par maacuteximo o torque se obtiene a
los 28deg a parir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de 15380 N Es
importante mencionar que el fabricante estima un par maacuteximo de 300 Nm a 2700 rpm y el
software de Matlab arroja un resultado de 310 Nm La distribucioacuten de temperatura es importada
para el anaacutelisis teacutermico estructural tal como se aprecia en la figura 36
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela
Mediante simulacioacuten final del anaacutelisis de flujo teacutermico-transitorio y estaacutetico-estructural se
obtienen resultados de los esfuerzos principales de Von Mises tal como se visualiza en la figura
37
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
69
Un paraacutemetro comparativo es la resistencia a la cedencia del material recomendado para la
fabricacioacuten de la biela Se utilizoacute para este caso un acero 4140 con una resistencia de 470 MPa
(recosido) y de 862 MPa (normalizado) Durante este tiempo la biela resiste con toda seguridad
el impacto de carga y temperatura Sin embargo la realidad es que normalmente el motor se
mantiene acelerado por maacutes tiempo Por ejemplo considerando que el motor trabaje durante un
minuto a la velocidad de 2700 rpm la solucioacuten que se obtiene mediante ANSYS resulta muy
considerable ya que el sobrecalentamiento se genera por estas causas La solucioacuten obtenida se
muestra en la figura 38
Definitivamente el esfuerzo maacuteximo rebasa el liacutemite de cedencia del material esto implica que
en alguacuten momento la parte maacutes vulnerable de la biela estaraacute propensa a sufrir alguna fractura lo
que comuacutenmente se conoce como ldquodesbielarrdquo el motor Esto es lo que genera mantener un motor
revolucionado aunque tambieacuten existen otras causas que contribuyen al sobrecalentamiento como
un sistema deficiente de lubricacioacuten y enfriamiento que en otro caso pueden considerarse motivo
de una investigacioacuten especiacutefica
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
70
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN
51 Conclusiones relativas a los objetivos
Cumplimiento del Objetivo general ldquoAnalizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas
de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro y cuatro cilindros encendido por chispardquo
A partir de los nuevos conocimientos obtenidos en esta investigacioacuten se puede dar por cumplido
el objetivo general teniendo en cuenta los siguientes elementos
Se realizoacute el anaacutelisis de los elementos que ocasionan la falla en un motor de cuatro tiempos
esto mediante el anaacutelisis cinemaacutetico donde se consideroacute el desplazamiento conforme a la
geometriacutea del motor y la velocidad tomando en cuenta el desplazamiento De igual forma se
tomoacute en cuenta la aceleracioacuten y se realzoacute el anaacutelisis cineacutetico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoIdentificar el comportamiento termo estaacutetico de una
biela en un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por
chispardquo
A eacuteste respecto se identificoacute el comportamiento termo estaacutetico mediante las leyes de la
termodinaacutemica para la eficiencia de un motor Otto ideal asiacute como la comprensioacuten isentroacuteprica
la relacioacuten de comprensioacuten y gases obtenieacutendose la eficiencia teacutermica del ciclo Otto
correspondiente al 60
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoDeterminar la fuerza axial de una biela en un motor de
combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Mediante el anaacutelisis cineacutetico y de las fuerzas alternativas de inercia se da por cumplido el
objetivo especiacutefico La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten
cinemaacutetica Tambieacuten es necesario considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante
el proceso de expansioacuten pues de este resultado se obtiene la fuerza maacutexima que actuacutea sobre el
pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
71
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoObtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para
una reaccioacuten de combustioacuten estequiometricardquo
Mediante el anaacutelisis teacutermico y transferencia de calor se obtuvo la temperatura de flama
adiabaacutetica a partir de los resultados mediante interpolacioacuten Se analizaron los tres tipos de
mezcla para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla estequiomeacutetrica
una mezcla pobre y una mezcla rica En el caso de la mezcla al 100 de aire se obtuvo una
estequiomeacutetrica balanceada donde se hizo la tabulacioacuten de la entalpiacutea con su correspondiente
sustancia al igual que la mezcla pobre obtenieacutendose una temperatura de 119879 = 2248144deg119870
Referente a la mezcla rica se realizoacute la interpolacioacuten entre los valores de 2300degK y 2200degK
resultando una temperatura para esta mezcla de 119879 = 2223305deg119870 por lo que se da por
cumplido este objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoSimular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela
para identificar posibles deformacionesrdquo
Se realizoacute la simulacioacuten con un modelo de malla refinado en el Software de Aplicacioacuten Solid
Works donde posteriormente se importoacute al software ANSYS Se inicioacute con el anaacutelisis teacutermico
transitorio El tiempo transitorio se determina con una velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
Tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira dos revoluciones por ciclo termodinaacutemico este tiempo
resulta ser de 004444 segundos El primer resultado mostroacute la distribucioacuten de temperatura
mediante la transferencia de calor por conveccioacuten
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural se usoacute el software de MATLAB El par maacuteximo
corresponde a 28deg a partir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de
15380 N Es importante mencionar que el fabricante estimoacute un par maacuteximo de 300 Nm a 2700
rpm mientras que el software de MATLAB arrojoacute un resultado de 310 Nm Por lo que se da
por cumplido el objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoElaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de
un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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Respecto al anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico se encontroacute que para la fabricacioacuten de la biela es
recomendable la resistencia de la cedencia es decir un acero 4140 con una resistencia de 470
MPa (recosido) y de 862 MPa (normalizado) Con estos paraacutemetros la biela resistiraacute con toda
seguridad el impacto de carga y temperatura
52 Aportaciones originales
La presente investigacioacuten tiene cuatro aportaciones las cuales se describen a continuacioacuten
Un primer aporte de esta investigacioacuten consistioacute en haber realizado un anaacutelisis cinemaacutetico
considerando el desplazamiento la velocidad y aceleracioacuten lo cual fue el objeto de estudio
para producir cambios en la biela de un motor VW Golf MK4 GTI 18T Respecto a la revisioacuten
de las fuentes primarias se encontraron los fundamentos teoacutericos necesarios para la
elaboracioacuten de dicha investigacioacuten que al ser analizado y aplicado dio un diagnoacutestico de la
situacioacuten actual de las fallas de una biela
Una segunda aportacioacuten fue el haber realizado el anaacutelisis estaacutetico estructural para saber la
fuerza axial que actuacutea sobre la biela Para esto durante el anaacutelisis cineacutetico se utilizoacute el software
de MATLAB con el que se obtuvieron resultados del par-motor durante el movimiento de la
biela del PMS al PMI
La tercera aportacioacuten de esta investigacioacuten consistioacute en realizar un anaacutelisis teacutermico por
transferencia de calor para poder identificar la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
considerando tres tipos de mezcla que son 100 de aire mezcla pobre y mezcla rica Asiacute como
la determinacioacuten de la temperatura real de combustioacuten y sus mezclas correspondientes para
obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiometrica
La cuarta aportacioacuten de esta investigacioacuten fue la generacioacuten de la geometriacutea de la biela usando
el software en Solid Works posteriormente importada al software de ANSYS la obtencioacuten de
una solucioacuten precisa y con resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico transitorio y estructural
|
53 Recomendaciones para futuros estudios
Se recomienda para futuros estudios profundizar en la temaacutetica de mecaacutenica Los problemas que
deja abiertos esta investigacioacuten para futuros estudios son los siguientes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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Se evidencia la necesidad de que las empresas dedicadas a la fabricacioacuten de piezas mecaacutenicas
establezcan paraacutemetros y realicen simulaciones adecuadas de las piezas que conforman los
autos para que no tengan fallas en un futuro
Se recomienda realizar investigaciones en el aacuterea de mecaacutenica que deacute seguimiento a las liacuteneas
de investigacioacuten de termo fluidos y disentildeo implementando un laboratorio de pruebas de
motores de combustioacuten interna que aunado a la simulacioacuten los resultados seriacutean maacutes eficientes
Difusioacuten de los resultados de esta investigacioacuten con la presentacioacuten de los mismo en congresos
y revistas
Finalmente se recomienda realizar investigaciones correspondientes a las fallas mecaacutenicas
diferentes a las abordadas en este estudio en relacioacuten con los motores de combustioacuten interna y
los factores que inciden negativamente
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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ANEXOS
ANEXO I
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y utilizando la nomenclatura de la figura 22 se determinaron el
desplazamiento velocidad y aceleracioacuten correspondientes por medio del software de MATLAB
El anaacutelisis completo corresponde al movimiento alternativo durante un ciclo termodinaacutemico
DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN
Programa para determinar el desplazamiento ldquoxrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de
360 grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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ANEXO II
VELOCIDAD DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la velocidad ldquovrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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ANEXO III
ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la aceleracioacuten ldquoardquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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ANEXO IV
FUERZAS ALTERNATIVAS
En el anaacutelisis cineacutetico las fuerzas alternativas representan parte de la carga que actuacutea en el
pistoacuten considerando la aceleracioacuten del mismo en la segunda ley de Newton Se utilizoacute el
software de MATLAB durante este anaacutelisis
Programa para determinar las fuerzas alternativas de primer orden y segundo orden durante un
movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL DESPLAZAMIENTO
LA VELOCIDAD LA ACELERACIOacuteN Y FUERZAS ALTERNATIVAS DE INERCIA ES
syms x
Longitud de la Biela
L=144
Radio De La Manivela
r=0432
Carrera Del Piston
C=2r
Angulo entre eje de la biela con Cilindro (beta)
b=0
lamda=rL
________DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Deslizamiento angular de la Manivela (alpha)
a = 0pi184pi
Desplazamineto del Piston
x=r(1-cos(a))+L((1-(lamda^2)(sin(a))^2))^12
x=r(1-cos(a))
y=010720
subplot(221)
plot(yx)
ylabel(Desplazamiento Del Piston (m))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________VELOCIDAD DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Velocidad del Piston
V=diff (x)
y=010710
subplot(222)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
85
plot(yV)
ylabel(Velocidad Del Piston (ms))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Aceleracioacuten del Piston
A=diff (V)
y=010700
subplot(223)
plot(yA)
ylabel(Aceleracioacuten Del Piston (ms^2))
xlabel(GRADOS)
grid on
Masa
m=660
Revoluciones Por Minuto
n=2700
Velocidad Angular
W=(2pin)60
lamda=rL
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE PRIMER ORDEN_________
F1=m(W^2)rcos(a)biela de longitud infinita
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE SEGUNDO ORDEN_________
F2=m(W^2)rlamdacos(2a)biela de longitud infinita
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
86
F2=m(W^2)r(cos(a)+lamdacos(2a))biela de longitud finita
y=010720
subplot(224)
plot(yF1r-yF2b-)
ylabel(Fuerzas Alternativos (N))
xlabel(GRADOS)
legend(Fza Inercia 1deg Orden Fza Inercia 2deg Orden)
grid on
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
87
ANEXO V
ANAacuteLISIS DE LA FUERZA EN LA BIELA
Programa para determinar la fuerza durante el movimiento alternativo del pistoacuten
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA LA FUERZA EN LA
BIELA ES
Diagrama Par-Motor
function[F]=Fbexplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00432
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
88
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Fb=F(1-(lambda^2)(sin(alphar))^2)^05
plot(alphaFb)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Fuerza en la Biela N))
title(Fb Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
89
ANEXO VI
DIAGRAMA PAR-MOTOR
Programa para determinar el par-motor durante el movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
90
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL PAR-MOTOR ES
Diagrama Par-Motor
function[Mt1]=ParMotorExplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00437
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Mt1=Fr(sin(alphar))+(((lambdasin(alphar)))cos(alphar))(sqrt(1-
lambda^2((sin(alphar))^2)))
plot(alphaMt1)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Par Motor(Nm))
title(Par Motor Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
91
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
92
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
III
IacuteNDICE DE CONTENIDO
DEDICATORIAS I
AGRADECIMIENTOS II
IacuteNDICE DE CONTENIDO III
IacuteNDICE DE FIGURAS VI
IacuteNDICE DE TABLAS VII
RESUMEN VIII
ABSTRACT IX
INTRODUCCIOacuteN 1
1 Planteamiento del problema 1
1 Propoacutesito de la investigacioacuten 2
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten 3
3 Objetivos 4
31 Objetivo general 4
32 Objetivos especiacuteficos 4
4 Alcances 4
5 Organizacioacuten del estudio 5
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE 6
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 10
21 Conceptualizacioacuten del motor 10
22 Clasificacioacuten de motores 11
221 Motores eleacutectricos 11
222 Motores teacutermicos 12
223 Motores hiacutebridos 12
224 Motores de combustioacuten externa 13
23 Motores de combustioacuten interna 14
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna 15
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna 16
24 Conceptualizacioacuten de la biela 16
241 Elementos de una biela 17
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela 18
243 Fallas en las bielas del motor 19
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IV
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten 19
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal 21
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes 22
271 Clasificacioacuten de los cojinetes 23
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos 25
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos 25
29 Sistema de encendido 27
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa 27
292 Ventajas de la inyeccioacuten directa 28
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa 28
294 Descripcioacuten del proceso de encendido 29
495 Componentes del sistema de encendido 30
210 Sobrecalentamiento 30
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor 32
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor 33
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor 33
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico 34
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA 36
31 Enfoque de la investigacioacuten 36
32 Alcance de la investigacioacuten 37
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis 38
34 Disentildeo de la investigacioacuten 39
35 Seleccioacuten de la muestra 40
36 Recoleccioacuten de datos 41
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos 42
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS 43
41 Generalidades 43
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T 44
421 Aplicaciones del 18T 44
43 Anaacutelisis de datos 45
431 Anaacutelisis cinemaacutetico 45
432 Anaacutelisis cineacutetico 48
433 Anaacutelisis termodinaacutemico 50
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
V
434 Temperatura real de combustioacuten 59
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten 64
44 Simulacioacuten 66
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN 70
51 Conclusiones relativas a los objetivos 70
52 Aportaciones originales 72
53 Recomendaciones para futuros estudios 72
REFERENCIAS 74
ANEXOS 80
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS 91
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VI
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 1Estado del arte 9
Figura 2 Motor eleacutectrico 11
Figura3 Motor hiacutebrido 12
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas) 13
Figura 5 Motor de combustioacuten interna 14
Figura 6Biela 17
Figura 7 Partes de la biela 18
Figura8 Pistoacuten 19
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela 20
Figura 10Ciguentildeal 21
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal 22
Figura 12Cojinetes 22
Figura 13Cojinetes de friccioacuten 24
Figura 14Cojinetes de rodamiento 24
Figura 15Motor de cuatro tiempos 25
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos 26
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa 27
Figura18 Sistema de encendido 29
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo 36
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna 43
Figura 21VW Golf 44
Figura 22 Nomenclatura 45
Figura 23 Desplazamiento 46
Figura 24Velocidad del pistoacuten 47
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten 47
Figura 26Fuerzas alternativas 48
Figura 27 Fuerzas en la biela 49
Figura 28Diagrama par-motor 49
Figura 29Par-motor de explosioacuten 50
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen 51
Figura 31 Eficiencia teacutermica 53
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor 55
Figura 33Modelo de malla 66
Figura 34Distribucioacuten de temperatura 67
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural 67
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela 68
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela 68
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela 69
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VII
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Conceptualizacioacuten de variable 39
Tabla 2 Caracteriacutesticas del motor 40
Tabla 3 Porcentaje de composicioacuten quiacutemica del acero usado 41
Tabla 4 Tratamiento teacutermico y propiedades mecaacutenicas 41
Tabla 5 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica 56
Tabla 6 Valores de entalpiacutea para mezcla pobre 57
Tabla 7 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica 57
Tabla 8 Valores de entalpiacutea para mezcla rica 58
Tabla 9 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla teoacuterica real 60
Tabla 10 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica real 61
Tabla 11 entalpia de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla pobre real 62
Tabla 12 Valores de entalpiacuteas para mezcla pobre real 62
Tabla 13 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica real 64
Tabla 14 Valores de entalpiacuteas para mezcla rica real 64
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VIII
RESUMEN
Esta investigacioacuten es de tipo y alcance exploratorio descriptivo correlacional y explicativo con un
enfoque mecaacutenico y cuantitativo Que tiene la finalidad de identificar las fallas en una biela que es
una parte moacutevil de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido
por chispa (ECH) accionado con octano Mediante el anaacutelisis del comportamiento teacutermico y
estructural del objeto de estudio de esta investigacioacuten con base en los tres posibles diagramas para
mezclas de aire combustible estequiomeacutetrica rica y pobre y mediante el anaacutelisis de transferencia
de calor por conveccioacuten se determina el coeficiente correspondiente para cuando la biela es
sometida a sobrecalentamiento Subsecuentemente se realizaron los anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico
con base caracteriacutesticas del motor VW Golf MK4 Gti 18T utilizando el software de MATLAB
Posteriormente se generoacute la geometriacutea de la biela con dimensiones reales en el software
SOLIDWORKS por uacuteltimo se simulo el comportamiento y reaccioacuten la biela tanto para un flujo
teacutermico transitorio como estructural en ANSYS Los resultados obtenidos muestran que los
esfuerzos y deformaciones en la biela en comparacioacuten con los liacutemites de cedencia del material se
encuentran dentro de los liacutemites permisibles ademaacutes de la identificacioacuten de los puntos vulnerables
a una posible falla o fractura
Palabras clave biela motor de combustioacuten interna sobrecalentamiento termo-estaacutetico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IX
ABSTRACT
This research is of type and scope exploratory descriptive correlational and explanatory with
a mechanical and quantitative approach Which has the purpose of identifying the faults in a
connecting rod that is a moving part of a four-stroke internal combustion engine and four cylinders
ignition by spark powered by octane When analyzing the thermal and structural behavior of the
object of study of this research based on the three possible diagrams for combustible air mixtures
stoichiometric rich and poor and by analysis of heat transfer by convection the corresponding
coefficient is determined for when the connecting rod is subjected to overheating Subsequently
kinetic and kinematic analyzes were performed based on the characteristics of the VW Golf MK4
Gti 18T engine using the MATLAB software Following the geometry of the connecting rod with
real dimensions was generated in the SOLIDWORKS software Finally the behavior and reaction
of the connecting rod were simulated both for transient and structural thermal flow in ANSYS
The results obtained show that the efforts and the deformations in the connecting rod in
comparison with the performance limits of the material are within the permissible limits in
addition to the identification of the vulnerable points before a possible failure or fracture
Keywords connecting rod internal combustion engine overheating thermo-static
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
1
INTRODUCCIOacuteN
Los motores de combustioacuten interna son los maacutes usados en los automoacuteviles los cuales en
ocasiones presentan fallas mecaacutenicas tan diversas como la cantidad de componentes del motor
Diferentes autores han determinado dentro de la diversidad de problemas relacionados con la biela
del motor los siguientes la fatiga el pasador que conecta a la biela del pistoacuten el cual recibe una
gran cantidad de desgaste el motor revolucionado el agua que ingresa al cilindro del motor en el
momento de la chispa la cual puede ocasionar que la biela se doble y deformaciones de la biela por
sobrecalentamiento por ello es importante que el sistema de lubricacioacuten se encuentre en buen
estado Asociado a esto es importante que se verifique el tratamiento teacutermico de los ciguumlentildeales de
tal forma que se tenga una resistencia adecuada Que en caso de presentarse alguno de estos
problemas la reparacioacuten del motor implica no solo la reposicioacuten de la biela sino de todas las piezas
afectas e incluso el cambio o restitucioacuten completa del motor
1 Planteamiento del problema
Preferentemente cuando se realiza la reparacioacuten de un motor de auto se debe comprobar el
estado de todas las piezas moacuteviles y fijas antes de la realizacioacuten de un trabajo de verificacioacuten pero
en la mayoriacutea de ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa revisioacuten de su estado
Una biela es un elemento fundamental en el funcionamiento de un motor ya que trasforma la
energiacutea quiacutemica generada por la combustioacuten en una energiacutea cineacutetica siendo el enlace entre la
absorcioacuten de la energiacutea mecaacutenica por lo que la biela es el elemento maacutes tensionado de un motor
y su correcto disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes Por lo anterior la biela es robusta en su
disentildeo pero a la vez debe ser lo maacutes ligera posible para reducir la inercia y soportar los esfuerzos
mecaacutenicos a los que se encuentra sometida [1]
La biela soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del
ciguumlentildeal hacia arriba un trabajo realmente duro el que realiza la biela Se construye de acero
forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al material aguantar ese inmenso
trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta conseguir la forma de la biela
[2]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
2
Asociado a esto al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentan desgastes excesivos y prematuros los cuales pueden ocasionar una falla es por esto
importante considerar un buen sistema de lubricacioacuten durante el funcionamiento del motor La
temperatura en la caacutemara de combustioacuten debe ser superior a los 2000 degK siendo eacutesta una
temperatura instantaacutenea pues disminuye durante el tiempo de expansioacuten y escape de gases Es por
lo tanto necesario disipar el calor producido en la explosioacuten y si el sistema no funciona
correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como consecuencia
deformaciones importantes por sobrecalentamiento [3]
Una biela arqueada o retorcida sobre su eje provoca un ruido en el motor y este arqueamiento es
ocasionado por un diaacutemetro excesivo en el pie o cabeza de la biela o por un peso inadecuado del
elemento [4] En la rectificacioacuten de un motor de combustioacuten interna se rectifican 21 brazos de biela
en un mes lo que significa que estos elementos no son cambiados ya que los brazos de biela estaacuten
disentildeados para tener una vida infinita y estaacute sometido a millones de repeticiones de ciclos de carga
[5]
Es pertinente mencionar que con relacioacuten a las fallas mecaacutenicas de los motores relacionadas a la
biela de un motor se han encontrado investigaciones realizadas en diversos paiacuteses como Ecuador
Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico las cuales se detallan en apartados posteriores Que
conjuntamente a la constante evolucioacuten tecnoloacutegica de la ingenieriacutea en general y el disentildeo
mecaacutenico en particular se decidioacute analizar cuaacuteles son los factores que influyen en el
comportamiento de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) Se
plantea entonces el siguiente problema de investigacioacuten
iquestCuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor de VW1 Golf MK4 Gti
18 T
1 Propoacutesito de la investigacioacuten
El propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar y analizar el comportamiento
termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) que
1 VW Agencia de Autos VolksWagen
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
3
es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico La finalidad es identificar las
fallas de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros
encendido por chispa accionado por gasolina que sirva de apoyo para el buen funcionamiento de
la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten
Frecuentemente la reparacioacuten de un auto depende del cuidado y buen mantenimiento que se deacute
al vehiacuteculo caso contrario esto va influir en el desgaste anticipado de los elementos fijos y moacuteviles
de un motor Ademaacutes en muchas ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa
revisioacuten de su estado o de un anaacutelisis de sus propiedades mecaacutenicas Por tales razones la
justificacioacuten de la presente investigacioacuten estaacute basado en diferentes aspectos los cuales se describen
a continuacioacuten
Conveniencia Reparar el motor tiene varias fases y las fallas tienen diferentes consecuencias
por lo cual hay que hacer un buen diagnoacutestico en cada una de sus piezas principalmente en las
bielas sin embargo no se conoce especiacuteficamente cuales son los problemas que origina la
falla de esta pieza El resultado esperado para la presente investigacioacuten seraacute realizar un anaacutelisis
termo-estaacutetico que permitiraacute identificar los esfuerzos y deformaciones para tomar decisiones
acertadas y precauciones de riesgo que puede generar el sobrecalentamiento del motor
Implicacioacuten praacutectica El analizar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un
motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa
permitiraacute determinar la fuerza axial para posteriormente identificar la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica Con estos datos junto con la simulacioacuten de la geometriacutea estaacutetica y
estructural de la biela permitiraacuten identificar posibles deformaciones Los resultados podraacuten
confirmar su aplicabilidad ya que ayudaraacuten a tomar precauciones importantes para que el
motor tenga un excelente funcionamiento evitando riesgos fatales que pueden extenderse a la
destruccioacuten total del motor Se evidenciaraacute la necesidad de maacutes investigaciones destacaacutendose
los beneficios de la simulacioacuten poniendo en evidencia su relevancia social y su practicidad
Finalmente este estudio participa en el avance positivo en el campo de la ingenieriacutea mecaacutenica
Relevancia Social Al tener una posible solucioacuten aproximada mediante el anaacutelisis del
elemento finito el anaacutelisis estructural de la fuerza sobre la biela y la realizacioacuten de la
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
4
simulacioacuten para esfuerzos y deformaciones se podraacuten tener productos de calidad a menor
costo mejorar los procesos existentes y tambieacuten estudiar fallos de un componente estructural
o un equipo teniendo un impacto positivo debido a que permitiraacute que el motor de combustioacuten
interna tenga menos dantildeos
Valor Teoacuterico La elaboracioacuten del trabajo de investigacioacuten traeraacute como beneficio
herramientas metodoloacutegicas para estudios relacionados con las ciencias exactas
contribuyendo con aportes significativos a la aplicacioacuten de la teoriacutea de motores de combustioacuten
interna lo que permitiraacute el enriquecimiento de la ingenieriacutea mecaacutenica
3 Objetivos
31 Objetivo general
Analizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor VW Golf MK4
Gti 18T
32 Objetivos especiacuteficos
Identificar el comportamiento termo - estaacutetico de la biela en un motor de combustioacuten interna
de 4 tiempos y 4 cilindros encendido por chispa
Determinacioacuten de la fuerza axial que actuacutea en una biela en un motor VW Golf MK4 Gti 18T
Obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiomeacutetrica
Identificar posibles deformaciones de la biela con base en la simulacioacuten de su geometriacutea
estaacutetica y estructural
Elaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de un motor VW Golf MK4 Gti 18T
4 Alcances
La investigacioacuten se realizoacute en una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos
y cuatro cilindros encendido por chispa
Se trabajaron las etapas de anaacutelisis termo - estaacutetico y determinacioacuten de la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica dentro de la caacutemara del cilindro
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
5
Para la realizacioacuten de estas etapas se utilizoacute el software SolidWorks para generar la geometriacutea
real de la biela Se utilizoacute asiacute mismo ANSYS para la simulacioacuten estaacutetica estructural para
identificar esfuerzos y deformaciones de la biela
5 Organizacioacuten del estudio
El desarrollo de esta investigacioacuten comprende cinco capiacutetulos los cuales se describen a
continuacioacuten
Capiacutetulo 1 Estado del Arte la descripcioacuten de las investigaciones relacioacuten a las fallas
mecaacutenicas de los motores relacionadas a la biela de un motor relacionadas en diversos paiacuteses
como Ecuador Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico
Capiacutetulo 2 Marco Teoacuterico se desarrolla inicialmente el marco conceptual sobre las bielas los
componentes de las bielas anaacutelisis estaacutetico y teacutermico motor de combustioacuten haciendo eacutenfasis en
el disentildeo mecaacutenico de una biela
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea se abordan los aspectos metodoloacutegicos de la investigacioacuten como son
enfoque alcance formulacioacuten de hipoacutetesis disentildeo seleccioacuten de la muestra recoleccioacuten de datos
y el procesamiento y anaacutelisis de datos
Capiacutetulo 4 Anaacutelisis e interpretacioacuten de Resultados se analizan e interpretan los resultados
obtenidos en las pruebas de simulacioacuten
Capiacutetulo 5 Conclusiones y Recomendaciones se presentan las conclusiones
recomendaciones y aportaciones de la experiencia adquirida durante la investigacioacuten realizada
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
6
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE
Como ya se mencionoacute anteriormente el propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar
y analizar el comportamiento termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa (ECH) que es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico
Y con la finalidad de identificar las fallas de la biela y que estos resultados sirvan de apoyo para el
buen funcionamiento de la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
Resultado de la buacutesqueda sobre las investigaciones relacionadas con el propoacutesito de esta
investigacioacuten Se encontroacute que en Ecuador Reyes Cantildeizares y Villacres [6] realizaron un estudio
el cual consistioacute en analizar un brazo de biela de un motor que ha alcanzado el kilometraje
necesario para una reparacioacuten y no presenta ninguna falla en su estructura y comparar los
resultados con el brazo de una biela nueva Para desarrollar este anaacutelisis realizaron un ensayo de
traccioacuten bajo la norma ASTM con el fin de obtener los valores del liacutemite de fluencia y la resistencia
a la traccioacuten del material del que estaacute hecho el elemento A partir de los resultados obtenidos los
valores praacutecticos de las propiedades mecaacutenicas de los brazos de biela cumplen con los datos
teoacutericos del tipo de material del cual estaacuten fabricadas A su vez se demostroacute que el brazo de biela
de un vehiacuteculo con un recorrido de 1197599 km mejoroacute su estructura y sus propiedades
mecaacutenicas debido a la temperatura de los ciclos de trabajo del motor que van entre los 800 y 950
degC Los resultados mostraron que las propiedades mecaacutenicas del elemento mejoraron con el tiempo
y con la temperatura de funcionamiento del motor debido al tratamiento teacutermico de normalizacioacuten
A partir de los anaacutelisis realizados se determinoacute que el brazo de biela usado se encuentra en
condiciones oacuteptimas para ser utilizado en una reparacioacuten de motor asegurando asiacute el adecuado
funcionamiento y evitando el reemplazo del elemento lo que dio como resultado un ahorro
econoacutemico
Estudios elaborados en Brasil por Valdeacutez et al [7] indican que los motores de combustioacuten
interna son los maacutes usuales en los automoacuteviles y sirven para producir fuerza Entre los problemas
que se han encontrado son las fallas de las bielas relacionadas con otras fallas y especiacuteficamente
de los ciguumlentildeales los cuales fueron analizados dando un incorrecto rectificado de los muntildeones
produciendo alta generacioacuten de calor sobre las superficies en contacto originando pequentildeas fisuras
por fatiga teacutermica El valor de dureza promedio obtenido del nuacutecleo del ciguumlentildeal fue de 26 puntos
en la escala Rockwell C que equivale aproximadamente a 255 puntos en la escala Brinell y a una
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
7
resistencia de 85 kgmm2 Se concluye que el tratamiento teacutermico de bonificado realizado sobre el
ciguumlentildeal se desarrolloacute fuera de las normas obtenieacutendose una resistencia menor al liacutemite miacutenimo
recomendado De los resultados del anaacutelisis metalograacutefico se pudo identificar la presencia de
austenita retenida cuya proporcioacuten afecta inversamente la dureza y la resistencia final En los
resultados que se obtuvieron los autores mencionan que es necesario realizar un tratamiento
teacutermico de endurecimiento superficial como la nitruracioacuten Tambieacuten recomiendan estudiar la
bitaacutecora del tratamiento teacutermico utilizado en la produccioacuten del ciguumlentildeal con el fin de identificar
la etapa del tratamiento teacutermico que presenta el problema [8]
De igual forma indagaciones elaboradas en Argentina por Cravino et Al [9] mencionan que
existen diversos problemas cuando llegan a tener fallas las bielas de un motor por lo que los
autores mencionan que analizaron las dificultades desde el punto de vista dimensional metaluacutergico
y mecaacutenico a fin de determinar las causas probables de dichas fallas Seguacuten los resultados
obtenidos el material de la biela corresponde a un acero del tipo SAE 1141 que no concuerda con
el requerido por el fabricante No se encontraron defectos microestructurales o superficiales en el
material asociados con la falla La superficie de fractura presenta un comienzo deacutebil que finaliza
con las caracteriacutesticas fibrosas de un proceso duacutectil La causa probable de la falla del componente
se atribuye a una sobrecarga que produjo superacioacuten en el liacutemite elaacutestico del material y que
posteriormente dio lugar al pandeo plaacutestico del componente variando su geometriacutea y
fracturaacutendose totalmente Esta falla se debioacute a que el elemento estuvo sometido a un esfuerzo
mayor al que corresponderiacutea en condiciones normales de funcionamiento
Estudios realizados en Espantildea por Gonzaacutelez [10] mencionan que la naturaleza de las fuerzas que
afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de inercia En la
investigacioacuten sobre el disentildeo de una biela el autor utilizoacute el software de aplicacioacuten Working Model
que ayudoacute para el anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico mediante la simulacioacuten La finalidad fue calcular
las fuerzas aplicadas en la cabeza y el pie de la biela para posteriormente hacer un anaacutelisis de
elementos finitos que definieran los esfuerzos En los resultados obtenidos se logroacute disminuir la
longitud de la biela la cual permitioacute compactar maacutes el motor y reducir su peso De esta forma el
consumo y las emisiones del motor seraacuten menores que es uno de los grandes objetivos actualmente
de la industria automoviliacutestica Al realizar la simulacioacuten para el pandeo de la biela se aplicoacute un
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
8
valor de α2=2 obteniendo una carga criacutetica de pandeo de 3799522 N por lo que la carga para
evitar el fenoacutemeno de pandeo es σpandeo3 = 15663 MPa Con estos datos el autor afirma que la
biela no va a sufrir pandeo en ninguacuten caso considerando ademaacutes que el cuerpo estaacute
sobredimensionado
Aunado a lo anterior investigaciones realizadas en Meacutexico por Espinoza indican que las fallas
de los autos se deben al kilometraje recorrido de los cuales causan desgastes inevitables para el
motor provocando todo tipo de fallas incluyendo los de las bielas Los propietarios de los
vehiacuteculos necesitan por lo tanto recurrir a expertos que reparen los vehiacuteculos y garanticen su
funcionamiento [11] En el Estado de Meacutexico en especial en la zona de Texcoco se cuenta con
talleres que se encargan de la reparacioacuten de vehiacuteculos en general Eacutestos aun cuando ofrecen el
servicio de reparacioacuten de motores no trabajan directamente con este tipo de especiacutefico de
reparacioacuten sino que acuden a talleres especializados en rectificacioacuten para remediar los dantildeos
internos en los mismos Muchas veces no se dedican a la reparacioacuten de fallas de bielas debido a
que existen muchos factores que influyen en este tipo de descompostura En los motores la
principal fuente de energiacutea es la gasolina que es el combustible empleado con mayor frecuencia
por lo tanto es importante la calidad de ella para el oacuteptimo funcionamiento [12]
De igual forma Riesco et al [13] en estudios realizados en Hidalgo para comparar los modelos
de transferencia de calor y duracioacuten de la combustioacuten en el comportamiento de los ciclos
termodinaacutemicos de los motores de combustioacuten interna alternativos Dentro de los resultados
obtenidos los autores mencionan que los ciclos de aire estaacutendar con leyes de quemado permiten
tener resultados maacutes aproximados a los reales que los ciclos teoacutericos de aire estaacutendar Esto se debe
principalmente a que con los meacutetodos de simulacioacuten se toman en cuenta las peacuterdidas de energiacutea
por refrigeracioacuten y no se supone que la adicioacuten de calor se realice a presioacuten o volumen constante
sino que su velocidad se controla mediante expresiones empiacutericas Los resultados muestran que la
eleccioacuten tanto del modelo de transferencia de calor como el de la duracioacuten de la combustioacuten es
muy subjetiva y debido a que los sistemas de los motores se cambian contantemente se deberaacuten
ajustar las constantes que aparecen en dichos modelos para cada motor en particular
2 Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente a PMS 3 Inestabilidad elaacutestica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos y que se manifiesta por la aparicioacuten de
desplazamientos importantes transversales a la direccioacuten principal e compresioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
9
Figura 1Estado del arte
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
10
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
Un auto estaacute compuesto por diferentes piezas entre las cuales se encuentran filtro de aire
carburador distribuidor bomba de gasolina bobina de encendido filtro de aceite bomba de aceite
caacuterter aceite lubricante toma de aceite cables de alta tensioacuten de bujiacuteas bujiacutea balanciacuten muelle de
vaacutelvula vaacutelvula de escape vaacutelvula de admisioacuten lumbrera de admisioacuten caacutemara de combustioacuten
varilla empujadora aacuterbol de levas aros de pistoacuten pistoacuten biela buloacuten ciguumlentildeal muacuteltiple de escape
refrigeracioacuten del motor varilla medidora de aceite volante y motor de arranque
21 Conceptualizacioacuten del motor
La palabra motor proviene del latiacuten motoris que significa mover y en lo que se refiere a
automoacuteviles estos se encuentran disentildeados por varios elementos entre los cuales se encuentran los
motores el cual da vida a un auto sin eacutel no hay movimiento Un automoacutevil utiliza una fuente de
energiacutea mecaacutenica para poder moverse la cual se obtiene mediante una transformacioacuten de otros tipos
de energiacutea dentro del motor como la eleacutectrica de combustioacuten o la combinacioacuten de ambas
Seguacuten Renzo [14] el motor de un auto es un motor de combustioacuten interna el cual obtiene energiacutea
mecaacutenica desde la energiacutea quiacutemica que se genera cuando explota el combustible en el interior El
motor estaacute formado por un conjunto de caacutemaras de combustioacuten llamadas cilindros dentro de las
cuales se producen sus cuatro tiempos de funcionamiento admisioacuten compresioacuten explosioacuten y
escape
Para Fersainz [15] un motor es una maacutequina que convierte el calor producido por la explosioacuten
(en el caso de los de gasolina) o la combustioacuten (en el caso de dieacutesel) del combustible en un
movimiento con suficiente fuerza para que las ruedas giren y el vehiacuteculo pueda desplazarse El
autor menciona que en los motores convencionales los autos se ponen en movimiento debido a
una chispa que se genera en la mezcla de vapor de combustible y aire comprimido dentro de un
cilindro sellado haciendo que la mezcla se queme raacutepidamente y proporciona energiacutea
Se puede concluir que un motor es una maacutequina compuesta por varios elementos el cual puede
proporcionar energiacutea utilizando alguacuten tipo de combustible para que tenga un funcionamiento
adecuado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
11
22 Clasificacioacuten de motores
Existen diferentes tipos de motores entre los cuales se encuentran los eleacutectricos los teacutermicos
eacutestos se subdividen en motores de combustioacuten externa e interna y los hiacutebridos Los cuales se
describen a continuacioacuten
221 Motores eleacutectricos
En este tipo de autos el combustible utilizado es la electricidad Eacutesta se convierte en energiacutea
mecaacutenica mediante una interaccioacuten entre campos magneacuteticos opuestos generados por imanes y un
conductor de electricidad Debido a una constante atraccioacuten y repulsioacuten magneacutetica entre ellos se
produce una rotacioacuten continua dentro del motor generando energiacutea necesaria para el movimiento
del vehiacuteculo [16] La figura 2 muestra un motor eleacutectrico
Para Enriquez [17] los motores eleacutectricos representan los caballos de batalla de la industria y
del movimiento en general Su uso se da ademaacutes en hospitales escuelas edificios de oficinas y
centros comerciales en donde se usan para aplicaciones en suministro de agua calefaccioacuten
enfriamiento y muchas otras rutinas de trabajo Estos motores son usados en los automoacuteviles
modernos aunque son maacutes complejos que el simple cableado eleacutectrico y se usan en casi todos los
aspectos operativos del automoacutevil [18]
Un motor eleacutectrico transforma la energiacutea eleacutectrica en energiacutea mecaacutenica para impulsar el
funcionamiento de una maacutequina [19]
Figura 2 Motor eleacutectrico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
12
Se puede concluir que un motor eleacutectrico es una maacutequina que tiene la capacidad de transformar
energiacutea eleacutectrica en mecaacutenica de tal forma que permita el movimiento de un vehiacuteculo Su tamantildeo
y su volumen es reducido y su potencia puede ser alta
222 Motores teacutermicos
Los motores teacutermicos son maacutequinas que tienen por objeto transformar energiacutea caloriacutefica en
energiacutea mecaacutenica directamente utilizable [20] Eacutestos se clasifican en motores de combustioacuten
externa y motores de combustioacuten interna los cuales se describen en las secciones 224 y 23
respectivamente
223 Motores hiacutebridos
Un sistema hiacutebrido se basa en una fuente de combustioacuten interna de gasolina combinado con un
motor eleacutectrico para propulsar el vehiacuteculo tal como se visualiza en la figura 3
Este tipo de motor reduce las emisiones y aumenta la eficiencia de combustible Los vehiacuteculos
hiacutebridos utilizan la energiacutea mucho maacutes eficientemente que los sistemas de gasolina convencionales
[19] Se denomina motor hiacutebrido a un vehiacuteculo en el cual la energiacutea eleacutectrica que lo impulsa
proviene de bateriacuteas y de un motor de combustioacuten interna que mueve un generador Entre sus
ventajas se encuentran 1) su autonomiacutea ya que eacutesta depende del combustible almacenado en el
tanque 2) tiene un alto y uniforme rendimiento incluso a bajas temperaturas 3) el motor de
combustioacuten interna funciona bajo un estrecho margen de carga y velocidad lo que incrementa su
eficiencia [21]
Figura3 Motor hiacutebrido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
13
Para Chang [22] un motor hiacutebrido es aquel que combina un motor de combustioacuten interna y un
motor eleacutectrico los cuales tienen una mayor eficiencia energeacutetica y esto se debe a que este tipo de
motores son maacutes pequentildeos y por lo tanto consumen poca energiacutea
Por lo expuesto anteriormente se puede decir que un motor hiacutebrido es aquel que tiene una
combinacioacuten de un motor de combustioacuten interna y un motor eleacutectrico Esta combinacioacuten optimiza
su funcionamiento para un mejor rendimiento
224 Motores de combustioacuten externa
En la figura 4 se muestra un ejemplo de motor de combustioacuten externa Al igual que los motores
de combustioacuten interna son motores teacutermicos en los cuales el motor alcanza un estado teacutermico
mayor mediante la transmisioacuten de energiacutea teacutermica [23]
Su principal funcioacuten es hacer trabajo mecaacutenico a expensas de la expansioacuten y contraccioacuten de un
gas en un recinto cerrado El motor cuenta con un desplazador que hace que el gas pase de la zona
friacutea a la zona caliente y luego a la zona friacutea nuevamente producieacutendose consecuentemente su
tendencia a la expansioacuten y su posterior contraccioacuten [24]
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
14
Los motores de combustioacuten externa seguacuten Meza [24] son maacutequinas que realizan una conversioacuten
de energiacutea caloriacutefica en energiacutea mecaacutenica El rendimiento teacutermico de estos los motores se ve
limitado por varios factores principalmente por la peacuterdida de energiacutea por la friccioacuten y la
refrigeracioacuten
23 Motores de combustioacuten interna
Un motor de combustioacuten interna es un motor teacutermico en el cual se produce una combustioacuten del
fluido del motor transformando la energiacutea quiacutemica en teacutermica a partir de la cual se obtiene energiacutea
mecaacutenica Un ejemplo de este tipo de motor se aprecia en la figura 5
Estos motores tienen como principal fuente de energiacutea la gasolina Eacuteste es el combustible
empleado con mayor frecuencia por lo que es importante su calidad para un oacuteptimo
funcionamiento Un buen combustible debe tener un octanage aceptable ya que la gasolina debe
explotar dentro del cilindro para generar el movimiento del pistoacuten [26]
Este tipo de motores transforma el calor generado por el combustible ya sea dieacutesel o gasolina
en movimiento mecaacutenico del automoacutevil Durante este proceso el oxiacutegeno del aire se mezcla con el
combustible y hace que este uacuteltimo explote (en el caso de la gasolina) generando gases cuya fuerza
de expansioacuten teacutermica acciona sobre el pistoacuten que a su vez empuja el ciguumlentildeal y hace que eacuteste
ponga en movimiento las ruedas del automoacutevil [28]
Figura 5 Motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
15
Seguacuten Creus [29] un motor de combustioacuten interna utiliza la energiacutea interna del combustible para
que el motor realice un trabajo Dichos motores son ampliamente utilizados como fuentes de
alimentacioacuten en lugares de difiacutecil acceso Sin embargo los motores de combustioacuten interna de
dieacutesel tienen un rango de fallo por cada antildeo de explotacioacuten de entre 25 a 50
Se conoce como motores de combustioacuten interna (o endoteacutermicos) alternativos a cualquier tipo de
maacutequinas que a partir de energiacutea quiacutemica sean capaces de convertirla y obtener energiacutea mecaacutenica
para su uso El arranque de los motores se lleva a cabo en su caacutemara interna y sucede al momento
de ser encendido [20]
El motor de combustioacuten interna es la unidad energeacutetica y motriz de los medios de transporte
maacutequinas y equipos que se utilizan en actividades de diversas ramas de la economiacutea [30]
Se puede decir que un motor de combustioacuten interna es aquel que es capaz de convertir la energiacutea
quiacutemica en mecaacutenica para que se pueda utilizar de manera oacuteptima
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna
La clasificacioacuten de los motores puede ser extensa esto debido al disentildeo y mecanismos
mecaacutenicos A continuacioacuten se describen algunas clasificaciones
Respecto a la forma de los cilindros Su distribucioacuten puede ser en ldquoVrdquo o ldquoen liacuteneardquo esto
depende de la cantidad de cilindros existentes los cuales van en funcioacuten de la potencia del
motor Normalmente los motores de automoacuteviles son de 4 o 6 cilindros distribuidos en ldquoVrdquo
Referente a la forma de refrigeracioacuten Pueden ser refrigerados por liacutequido que normalmente
es agua donde el calor es evacuado al radiador del auto Tambieacuten pueden ser refrigerados por
aire donde se necesita de un ventilador que ayude a circular el aire alrededor del motor
Concerniente a las caras de los pistones Los motores convencionales utilizan una cara activa
de los pistones que se conocen como pistones de simple efecto Son aquellos que se
encuentran en contacto con el fluido activo y recibe el impacto de la energiacutea quiacutemica De igual
forma existen motores que utilizan los pistones de doble efecto los cuales funcionan en dos
direcciones y usan dos cilindros con dos pistones y dos bielas conectados a su respectivo
ciguumlentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
16
Respecto a la presioacuten del aire a la caacutemara de combustioacuten En las maacutequinas convencionales
el aire de la atmoacutesfera entra directamente a la caacutemara y la presioacuten es la atmosfeacuterica Dichos
motores usan un comprensor que se encargan de comprimir el fluido antes de conducirlo al
interior del motor
Referente a la introduccioacuten de combustible a la caacutemara interna Se clasifican en motores
de inyeccioacuten y carburacioacuten en estos uacuteltimos se mezclan los fluidos operantes para
posteriormente introducirlo a la caacutemara por medio de una vaacutelvula reguladora
Concerniente al ciclo operativo Se refiere a la cantidad de operaciones que el fluido activo
ejecuta en el cilindro La duracioacuten del ciclo la mide el pistoacuten
Respecto al tipo de encendido Esta clasificacioacuten radica en el modo de encendido con el ciclo
termodinaacutemico con el que opera la maacutequina [28]
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna
Los elementos de un motor de combustioacuten interna son biela pistoacuten y ciguumlentildeal los cuales se
describen en los siguientes apartados
24 Conceptualizacioacuten de la biela
La biela es el elemento del motor encargado de transmitir al ciguumlentildeal la presioacuten de los gases que
actuacutea sobre el pistoacuten Es un elemento de difiacutecil lubricacioacuten y es una parte criacutetica del motor por lo
que su disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes [31] Por lo general las bielas se fabrican de acero
templado aunque en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio
[32] tal como se muestra en la figura 6
Para Morillo Ibaquingo amp Benavides [33] una biela es un elemento mecaacutenico que conecta el
pistoacuten al ciguumlentildeal Sirve ademaacutes para transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
transformando esta fuerza de lineal a rotativa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
17
Figura 6Biela
Para Alzalluacute [34] por o tro lado la biela se encuentra intercalada entre el pistoacuten y el ciguumlentildeal
Soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del ciguumlentildeal hacia
arriba Se construyen de acero forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al
material aguantar ese inmenso trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta
conseguir la forma de la biela Su cuerpo adopta una forma de ldquodoble Trdquo
Las bielas estaacuten sometidas en su trabajo a esfuerzos de compresioacuten traccioacuten y tambieacuten de flexioacuten
muy grandes y por ello se fabrican con materiales resistentes pero a la vez han de ser lo maacutes
ligeros posibles Generalmente estaacuten fabricadas de acero con silicio manganeso y cromo Son
perforadas es decir se les crea un conducto por donde circula el aceite bajo presioacuten desde la
cabeza hasta el pasador con el fin de lograr una buena lubricacioacuten [27]
241 Elementos de una biela
En la figura 7 como puede apreciarse estaacute conformada por el pie que es el extremo que va
unido al buloacuten que a su vez va enganchado en el ciguumlentildeal Este es el extremo maacutes pequentildeo de la
biela El Cuerpo es la zona central de la biela que debe soportar la mayor parte de los esfuerzos
pero al estar en continuo movimiento tambieacuten debe de ser ligero por ello se suele construir con
forma de doble T
La Cabeza igual que el Pie y Cuerpo es la parte que va unida al ciguumlentildeal A diferencia del pie la
cabeza va dividida en dos mitades una de ellas unida al cuerpo y la otra (sombrerete) separada de
eacuteste requirieacutendose dos tornillos para unirse a eacutel Estaacuten tambieacuten el casquillo o cojinete Tornillos
de dilatacioacuten y vaacutestago de biela Por lo general las bielas se fabrican de acero templado aunque
en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio [35]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
18
Figura 7 Partes de la biela
La biela es la pieza que estaacute encargada de transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela
Los metales de los que estaacuten hechas las bielas deben reunir diversas caracteriacutesticas las cuales se
describen a continuacioacuten
Resistencia a la fatiga La firmeza que recubre a la biela debe ser mayor que la presioacuten de la
carga dinaacutemica en la peliacutecula del aceite mayor de las cargas de explosiones en la caacutemara de
combustioacuten y mayor que las cargas por inercia de las masas rotantes
Conformidad El casquillo del metal de la biela debe tener la geometriacutea exacta para mantener
el aceite en un nivel consistente con la resistencia a la fatiga de la aleacioacuten
Compatibilidad Es la resistencia que tiene el material de las diferentes aacutereas de unioacuten
Resistencia a la corrosioacuten El lubricante debe tener un determinado grado de acidez que
corroeraacute la superficie del material por lo que el metal de la biela debe ser capaz de resistir lo
mejor posible este efecto
Incrustabilidad En el aceite de los motores se encuentran partiacuteculas de basura que la
superficie del metal de la biela debe ser capaz de aceptar con el menor dantildeo posible [36]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
19
243 Fallas en las bielas del motor
Existen diferentes circunstancias por las que puede fallar una biela en un motor entre las cuales se
encuentran
Fatiga Es una falla de las bielas rotas y aunque la estructura de las bielas de motor estaacute hecha
para resistir las altas fatigas producto de las altas revoluciones en el motor esto no duraraacute para
siempre
Pasador El pasador que conecta la biela al pistoacuten recibe una gran cantidad de desgaste Si
este pasador suelta la varilla de conexioacuten ya no estaraacute conectada al motor lo que resulta en un
problema para eacutel
Motor revolucionado Un motor revolucionado es la principal causa de falla de las varillas
de conexioacuten de los motores nuevos y de alto rendimiento
Agua en el motor Si entra mucha agua en el cilindro en el momento de la chispa la biela se
puede doblar o romper [37]
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten
El pistoacuten es el encargado de darle la fuerza generada por la explosioacuten a la biela para que ella
haga el resto y debido a los esfuerzos tanto de friccioacuten como de calor a los que estaacute sometido el
pistoacuten se fabrica con materiales muy resistentes al calor y al esfuerzo fiacutesico pero siempre
empleando materiales ligeros para aumentar su velocidad faacutecilmente y poder alcanzar regiacutemenes
de rotacioacuten elevados [38] Los pistones se fabrican de aluminio silicio niacutequel y magnesio [39] un
ejemplo de pistoacuten se muestra en la figura 8
Figura8 Pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
20
Seguacuten Gontildei amp Rojas [40] se denomina pistoacuten a uno de los elementos baacutesicos del motor de
combustioacuten interna Se trata de una pieza que se ajusta al interior de las paredes del cilindro
mediante aros flexibles llamados anillos Efectuacutea movimientos obligando al fluido que ocupa el
cilindro a modificar su presioacuten y volumen
Un pistoacuten estaacute constituido por partes cabeza arcos y cubos del perno La funcioacuten del pistoacuten es
cerrar y obturar la caacutemara de combustioacuten interna asiacute como recibir la fuerza causa en la combustioacuten
a traveacutes de la biela y transmitirla al ciguumlentildeal como fuerza de torsioacuten tambieacuten transmite el calor
producido por los gases de combustioacuten hacia las paredes del cilindro para que sean refrigeradas por
el lubricante El pistoacuten se desplaza raacutepidamente por el interior de los cilindros el cual tiene
segmentos los cuales consiguen la estanquidad necesaria entre el pistoacuten y las paredes del cilindro
De este modo se evita que parte del gas comprimido se escape hacia la parte inferior del motor Por
ese motivo el pistoacuten debe estar fabricado de un material ligero y resistente a la vez Atravesando el
pistoacuten se observa un orificio pasante A traveacutes de este orificio el pistoacuten se une a la biela por
mediacioacuten de un buloacuten de acero [41]
El pie de la biela es el que la une al pistoacuten por medio del buloacuten el cuerpo por su parte asegura la
rigidez de la pieza y la cabeza gira sobre el codo del ciguumlentildeal como puede apreciarse en la figura
9
Los pistones del motor mantienen un movimiento constante hacia arriba y hacia abajo mientras
que el ciguumlentildeal genera un movimiento circular de modo que el auto puede avanzar Los pistones
de un motor se mueven arriba y abajo por el ciguumlentildeal dentro de los cilindros en el motor Las
explosiones que ocurren en estos cilindros de empuje contra los pistones permiten llevarlos de
vuelta y comenzar el ciclo otra vez Los pistones estaacuten conectados al ciguumlentildeal para asegurar que se
mueva con ellos y mantener sus movimientos regulados [42]
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
21
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal
En la figura 10 se aprecia el ciguumlentildeal encargado de transformar el movimiento de la biela en
movimiento rotatorio o circular Junto con el pistoacuten y la biela se considera la pieza maacutes importante
del motor Es una pieza que ha de soportar grandes esfuerzos por eso se construye de materiales
muy resistentes para que puedan aguantar cualquier movimiento sin romperse
El ciguumlentildeal es un aacuterbol de transmisioacuten que junto con las bielas transforma el movimiento
alternativo en circular o viceversa Consiste en un conjunto de manivelas una de ellas llamada
muntildeequilla y dos brazos que acaban en el eje giratorio del ciguumlentildeal Los ciguumlentildeales se utilizan en
los motores de combustioacuten de los automoacuteviles donde el movimiento lineal de los pistones dentro
de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del ciguumlentildeal
que a su vez se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia El ciguumlentildeal
es un elemento estructural del motor [43]
Para Aacutelvarez [42] el ciguumlentildeal estaacute situado en el motor de un vehiacuteculo y convierte la fuerza creada
por los pistones del motor El ciguumlentildeal estaacute conectado a todos los pistones en el motor y el volante
En la figura 11 se puede observar la articulacioacuten de la biela el pistoacuten y el ciguumlentildeal donde el
movimiento es rotativo para su adecuado funcionamiento Estos tres elementos no pueden
funcionar en forma separada
Figura 10Ciguentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
22
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal
Debido a los impulsos provocados por los pistones se presentan diferentes vibraciones
determinadas por el nuacutemero de revoluciones las cuales pueden provocar la rotura del ciguumlentildeal y
ruido excesivo en el motor Su funcioacuten es impulsar la fuerza de cada uno de los cilindros a traveacutes
del mecanismo de las bielas Estaacuten fabricados con materiales de acero cementado templado y con
aleaciones de niacutequel y cromo Estos materiales permiten tener un tratamiento teacutermico
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes
Desde hace tiempo la ingenieriacutea automotriz se ha enfocado en el disentildeo y la fabricacioacuten de
superficies que permitan reducir la friccioacuten principalmente en los cojinetes [364546]
Los cojinetes son los encargados de unir la biela con el ciguumlentildeal para evitar que haya rozamiento
entre ellos y evitar peacuterdidas de potencia y averiacuteos Tienen forma de media luna tal como se aprecia
en la figura 12 y se colocan entre el ciguumlentildeal y la cabeza de las bielas Estos deben ser construidos
con gran precisioacuten pues cualquier mala elaboracioacuten puede impactar en el funcionamiento del
motor
Figura 12Cojinetes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
23
Seguacuten Suaacuterez [47] los cojinetes son punto de apoyo de ejes para sostener su peso guiarlos en su
rotacioacuten y evitar deslizamientos Van colocados directamente en el bastidor de la pieza y los
cojinetes trabajan en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal
De acuerdo con Suaacuterez Toro amp Veacutelez [48] los cojinetes son que piezas de metal que descansan
y giran en cualquier eje de un motor Son dispositivos que se colocan entre la porcioacuten fija y la
porcioacuten giratoria de un motor y sirven para reducir al miacutenimo la friccioacuten entre ambas Los cojinetes
se fabrican con pequentildeas esferas metaacutelicas sin embargo no garantizan una vida uacutetil extensa El
rendimiento de los cojinetes es afectado por las condiciones de velocidad materiales en contacto
temperatura lubricacioacuten tipo de carga entre otros
271 Clasificacioacuten de los cojinetes
Los cojinetes se clasifican por friccioacuten o deslizamiento y de rodamiento Eacutestos se explican a
continuacioacuten
Cojinetes de friccioacuten o deslizamiento El cojinete de friccioacuten estaacute compuesto por dos pistas
una interior y otra exterior Eacutestas tienen contacto directo por medio de deslizamiento o friccioacuten
La reduccioacuten del rozamiento se realiza seguacuten la seleccioacuten de materiales y lubricantes Los
lubricantes tienen la funcioacuten de crear una peliacutecula deslizante que separe los dos materiales o
evite el contacto directo Para Veacutelez [49] los cojinetes de friccioacuten son aquellas piezas que
entre mayor es la friccioacuten es maacutes difiacutecil el movimiento entre los dos objetos En el caso de
maacutequinas la friccioacuten ocasiona el desgaste de las piezas
Seguacuten Arias [50] los cojinetes de friccioacuten son puntos de apoyo de ejes y aacuterboles para sostener
su peso guiarlos en su rotacioacuten y evitar deslizamientos Van montados en soportes para
facilitar su montaje tal como se aprecia en la figura13 Mientras que para Espitia [51] es el
elemento mecaacutenico capaz de soportar los gorrones de los ejes giratorios que se caracteriza por
un reducido coeficiente de rozamiento asiacute como por la posibilidad de ser lubricado
constantemente Otra caracteriacutestica importante reside en el hecho de que el material del
cojinete debe ser maacutes blando que el eje para evitar el deterioro de eacuteste en el caso de una
lubricacioacuten defectuosa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
24
Figura 13Cojinetes de friccioacuten
Cojinetes de rodamiento Es un elemento mecaacutenico que reduce la friccioacuten entre un eje y las
piezas conectadas a eacuteste por medio de rodadura el cual sirve de apoyo y facilita su
desplazamiento Los elementos de rodadura pueden ser bolas o rodillos son piezas que
requieren facilitar la ejecucioacuten de rigurosos tratamientos teacutermicos para obtener piezas de gran
resistencia al desgaste y a la fatiga Se caracterizan por ser de escaso rozamiento sobre todo
en el arranque por tener mayor velocidad admisible y un menor consumo de lubricante Para
Meacuterida [52] los cojinetes de rodamiento son elementos mecaacutenicos que aseguran un enlace
moacutevil entre dos elementos de un mecanismo uno de los cuales se encuentra en rotacioacuten con
respecto al otro Su funcioacuten principal es la rotacioacuten relativa de dichos elementos bajo carga
con precisioacuten y con un rozamiento miacutenimo
Seguacuten Galicia [53] estos tipos de cojinetes estaacuten constituidos por dos anillos rodantes
separados entre siacute por unos cuerpos tambieacuten rodantes interpuestos entre eacutestos cuya forma
variacutea seguacuten su uso pudiendo ser de diferentes formas bolas rodillos ciliacutendricos agujas etc
En ellos el gorroacuten del aacuterbol y la superficie de rodadura del soporte estaacuten separados por
elementos rodantes de forma que con el giro del gorroacuten o del cojinete se genera un
movimiento de rodadura y no de deslizamiento tal como se muestra en la figura 14
Figura 14Cojinetes de rodamiento
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
25
Seguacuten Jaramillo [54] cerca de 40 de la energiacutea total transformada por un motor de combustioacuten
interna de un automoacutevil se disipa como trabajo de las fuerzas de friccioacuten La disminucioacuten de las
peacuterdidas por friccioacuten es un factor clave para lograr un mejor uso de los combustibles y la proteccioacuten
del medio ambiente El sistema anillo-pistoacuten-camisa responde por peacuterdidas equivalentes a 50 o
60 del total de las peacuterdidas por friccioacuten en un motor de estos
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos
En la figura 15 se puede observar la estructura baacutesica de un motor de cuatro tiempos el cuaacutel es
conocido por motor OTTO [55] Se usa como maacutequina motriz en automoacuteviles comerciales consta
de un ciclo de cuatro procesos los cuales se describen a continuacioacuten
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos
Como se mencionoacute anteriormente el ciclo consta de cuatro tiempos El primer tiempo
corresponde al de admisioacuten que es el momento que el pistoacuten estaacute en el punto maacutes alto conocido
como Punto Muerto Superior (PMS) Posteriormente la vaacutelvula de admisioacuten se abre y el propio
pistoacuten por el vaciacuteo que se crea dentro del cilindro aspira la mezcla (aire y combustible) hasta llegar
al punto maacutes bajo del cilindro del Punto Muerto Inferior (PMI)
El segundo tiempo se refiere a la compresioacuten donde el pistoacuten se encuentra en el punto maacutes bajo
(PMI) En este momento la vaacutelvula de admisioacuten se cierra y el pistoacuten empieza a ascender
comprimiendo la mezcla hasta llegar al punto maacutes alto del cilindro (PMS)
Figura 15Motor de cuatro tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
26
Respecto al tercer tiempo que concierne a la expansioacuten una vez que se ha comprimido la mezcla
la bujiacutea hace saltar una chispa y enciende la mezcla aumentando la presioacuten en el cilindro y
haciendo descender el pistoacuten hacia el punto maacutes bajo (PMI)
En el cuarto tiempo que corresponde al escape de gases es cuando el pistoacuten llega al punto maacutes
bajo (PMI) se abre la vaacutelvula de escape y el pistoacuten empieza a ascender empujando los gases
quemados hacia el exterior En el momento que llega al punto maacutes alto (PMS) la vaacutelvula de escape
se cierra En la figura 16 se muestra el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa basado en el ciclo Otto de cuatro tiempos o fases importantes admisioacuten
compresioacuten explosioacuten y escape [56]
Otto propuso cuatro principios del motor de cuatro tiempos que son maacuteximo volumen del
cilindro con miacutenima superficie de paredes maacutexima velocidad de trabajo posible maacutexima relacioacuten
de expansioacuten posible y maacutexima presioacuten posible al comienzo de la expansioacuten
En los motores de cuatro tiempos el pistoacuten sube y baja cuatro veces en el interior del cilindro
para realizar el ciclo completo La distribucioacuten se compone de vaacutelvulas que se abren y cierran
totalmente sincronizadas con el movimiento del pistoacuten Cuando el pistoacuten desciende el cilindro se
llena de aire y gasolina para lo cual la vaacutelvula de admisioacuten permanece abierta Posteriormente
despueacutes de producirse la explosioacuten en el interior del cilindro la vaacutelvula de escape se abre para que
los humos procedentes de la explosioacuten puedan salir hacia el tubo de escape del automoacutevil En este
tipo de motores se requiere de dos vaacutelvulas por cada cilindro
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
27
29 Sistema de encendido
El sistema de encendido es el encargado de encender la mezcla de aire y de combustible en el
momento que se requiera Para esta investigacioacuten el sistema de encendido es por inyeccioacuten directa
de gasolina o por chispa que son aquellos que inyectan la gasolina directamente dentro del cilindro
Este sistema permite un mayor control de la mezcla y por tanto del comportamiento del motor En
los motores de gasolina la mezcla se enciende gracias a la bujiacutea que proporciona una chispa lo
suficientemente potente como para comenzar la reaccioacuten El propio sistema de encendido tiene que
controlar el momento en el que la chispa ha de saltar para que se encienda la mezcla y sea lo maacutes
eficaz y factible posible La combustioacuten se realiza en el momento en que el pistoacuten estaacute en el punto
maacutes alto (PMS) de esta manera la mezcla se empieza a encender
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa
La caracteriacutestica principal de la inyeccioacuten directa de gasolina es que la mezcla se produce dentro
de la caacutemara de combustioacuten Durante la admisioacuten soacutelo entra aire por la (s) vaacutelvula (s) de admisioacuten
la gasolina es inyectada directamente en la caacutemara de combustioacuten por inyectores de alta presioacuten
[57] tal como se aprecia en la figura 17
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
28
292 Ventajas de la inyeccioacuten directa
Existen ventajas cuando se usa el encendido por chispa las cuales se describen a continuacioacuten
La gasolina se evapora directamente dentro del cilindro absorbiendo el calor del aire contenido
en eacuteste reduciendo la temperatura de la mezcla en la caacutemara de combustioacuten lo que disminuye
el riesgo de autoencendido e incrementa el rendimiento y la potencia
Ayuda a aumentar el rendimiento inyectando la gasolina directamente en el cilindro
Con respecto a la prevencioacuten del autoencendido la mayor contribucioacuten de la inyeccioacuten directa
de gasolina es cuando el motor trabaja en carga estratificada y por tanto no inflamable lo que
evita el autoencendido
Eficiencia en el periodo de admisioacuten debido a que soacutelo entra aire al cilindro inyectando la
gasolina despueacutes
Disminucioacuten del consumo de gasolina si se tiene poca gasolina el motor puede llegar a
funcionar esto permite que el motor aporte la energiacutea requerida con un aporte de gasolina
sustancialmente menor Esta disminucioacuten del consumo de gasolina disminuye tambieacuten de
emisiones de 1198621198742 Este contaminante es un producto del proceso de combustioacuten que soacutelo puede
reducirse disminuyendo el consumo de gasolina
Mejor rendimiento del motor debido a que la mezcla que se encuentra cerca de las paredes es
escasa y la temperatura de los gases de combustioacuten es mucho menor por lo que las peacuterdidas
por calor cedido a las paredes del cilindro tambieacuten se ven reducidas [58]
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa
Estos motores de encendido por chispa o inyeccioacuten directa tienen tambieacuten algunas desventajas
las cuales son
Se requiere de una bomba de alta presioacuten para proveer la gasolina a los inyectores con la
presioacuten requerida Eacutesta bomba toma la gasolina del depoacutesito y la alimenta regulando su presioacuten
de salida
Los inyectores deben ser aptos para resistir las altas presiones para inyectar gasolina
directamente en el cilindro y tambieacuten deben soportar las condiciones de la caacutemara de
combustioacuten tanto las altas temperaturas como las altas presiones derivadas de la combustioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
29
El sistema de encendido debe ser capaz de suministrar maacutes energiacutea debido a que el chorro de
gasolina puede impactar directamente con la bujiacutea mojaacutendola o la chispa apagarse debido a las
fuertes corrientes de aire y necesitar una segunda chispa
Se requiere de una sonda lambda de banda ancha que permita medir las variaciones en la carga
estratificada
Se necesita que la Unidad de Control de Motor (ECU) tenga mayor potencia de caacutelculo para
administrar las sentildeales que recibe y las salidas de control pues el motor tiene distintos modos
de operacioacuten y la ECU debe ser capaz de administrar las sentildeales que recibe para cada uno de
ellos y procesar las oacuterdenes en consecuencia
La cabeza del pistoacuten tiene que ser redisentildeada para que cuando el motor trabaja con carga
estratificada dirija la nube de mezcla rica en gasolina correctamente hacia la bujiacutea [59]
294 Descripcioacuten del proceso de encendido
Para encender el motor de gasolina se necesita una chispa entre los dos electrodos de la bujiacutea
para producir la temperatura necesaria para que la mezcla encienda para lo cual se requieren
tensiones muy altas En la figura 18 se aprecia que en el momento en que se pone en contacto la
llave de arranque se cierra el circuito y la bateriacutea comienza a entregar voltaje el cual es muy bajo
ya que corresponde a 12 voltios Para incrementarlo entre los electrodos de las bujiacuteas la bobina
con ayuda del ruptor consigue cambiar a 30000 voltios Esta tensioacuten es enviada al delco donde
se encuentra el distribuidor giratorio que reparte la tensioacuten a la bujiacutea correspondiente [60]
Figura18 Sistema de encendido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
30
495 Componentes del sistema de encendido
El sistema de encendido en motores de gasolina tiene los elementos que se describen a
continuacioacuten
Alternador es un dispositivo que se acciona directamente por el motor que se encarga de
generar corriente para cargar bateriacutea Al estar directamente accionado por el motor si se suben
las revoluciones del motor tambieacuten aumenta la corriente generada
Bateriacutea Es la encargada de suministrar la energiacutea eleacutectrica para que circule hacia la bujiacutea
Dicha energiacutea viene dada por la reaccioacuten quiacutemica del plomo y aacutecido sulfuacuterico
Bobina Se encarga de transformar la baja tensioacuten que proviene de la bateriacutea en una tensioacuten
alta para hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea la cual consta de dos filamentos
enrollados Cuando el primero recibe la corriente de la bateriacutea el ruptor interrumpe la corriente
que pasa por eacuteste entonces al filamento secundario se le induce una corriente maacutes alta capaz
de hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea y encender la mezcla
Ruptor Se encuentra situado dentro del distribuidor y se encarga de interrumpir
perioacutedicamente la corriente en el filamento primario de la bobina para que la corriente sea
inducida en el secundario Esta interrupcioacuten es en base a la apertura de dos contactos los cuales
son comandados por una leva accionado por y a la misma velocidad que el aacuterbol de levas
Distribuidor Es el encargado de repartir la alta tensioacuten a la bujiacutea en cada momento Va
centrado en el delco donde tambieacuten se situacutea el ruptor y los reguladores de encendido
Bujiacutea Es el elemento que se encarga de hacer saltar la chispa para que encienda la mezcla de
aire y gasolina Estaacute recubierta de un aislante para disipar el calor generado en la caacutemara de
combustioacuten ya que estaacute lsquoen contacto directo con las explosiones
210 Sobrecalentamiento
El sobrecalentamiento del motor es la condicioacuten en la cual la temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y si se mantiene mucho tiempo llega a producir dantildeos graves en el
motor como torceduras y roturas de vaacutelvulas brazos de biela soplado de empaques torceduras de
culatas roturas de pistones etc
El tiempo de calentamiento de los motores modernos es prolongado sobre todo cuando las
condiciones ambientales son desfavorables y cuando la calefaccioacuten del motor se enciende Durante
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
31
el calentamiento del motor la vaporizacioacuten del combustible se dificulta y el catalizador no funciona
a plenitud por esto la reduccioacuten del tiempo de calentamiento del motor es esencial Para lo cual es
necesario reducir el volumen de refrigerante la masa del motor mejorar el aislamiento del motor
emplear sistemas calentadores adicionales emplear una unidad electroacutenica de control para
manipular la termodinaacutemica del motor y de esta misma manera controlar el desempentildeo teacutermico
todas estas medidas serviraacuten para reducir el tiempo del calentamiento y ayudaraacuten a un mejor
funcionamiento del motor [61]
El sobrecalentamiento del motor puede ser causado por cualquier cosa que disminuya la
capacidad del sistema de refrigeracioacuten para absorber transportar y disipar el calor Por lo tanto
los motores pueden sobrecalentarse por una variedad de razones Algunas se deben a que el
termostato se encuentre en mal estado debido a que es una vaacutelvula que abre y cierra conforme se
encuentre la temperatura del motor Es decir el refrigerante del motor caliente pasa a traveacutes del
radiador cuando el termostato estaacute en posicioacuten abierta Cuando se encuentra en posicioacuten cerrada el
refrigerante se queda en el motor y raacutepidamente se calienta ocasionando un sobrecalentamiento
del motor
De igual forma el tener un radiador con fugas u obstrucciones conduce a elevadas temperaturas
del motor y sobrecalentamiento del mismo Asiacute como el tener mangueras con agujeros hace que se
produzcan fugas o se interrumpa el flujo del refrigerante Tambieacuten un ventilador con oscilacioacuten
libre y teniendo un aspa rota no puede mantener una velocidad adecuada lo que origina
sobrecalentamiento del motor
En los motores de combustioacuten interna modernos soacutelo una tercera aparte de la energiacutea interna se
convierte en trabajo uacutetil Las dos terceras partes restantes de la energiacutea se transforman en calor a
peacuterdida evacuadas por el sistema de escape el sistema de enfriamiento y calor radiado y rechazado
por conveccioacuten a traveacutes de las partes soacutelidas del motor El sobrecalentamiento durante el ciclo
completo del motor genera una distribucioacuten de energiacutea dentro de la caacutemara de combustioacuten En
general el calor se transporta hacia la culata la camisa los puertos de escape y el pistoacuten el cual
estaacute ligado a la biela la cual si tiene defectos acabaraacute por destruir el motor [61]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
32
Es por tanto importante estar pendiente de la temperatura a la cual estaacute trabajando el motor
debido a que un sobrecalentamiento puede provocar dantildeos serios empezando por la ruptura del
empaque la deformacioacuten de los cilindros y desgaste en los anillos Estaacuten tambieacuten los dantildeos en los
codos del ciguumlentildeal y la biela Esta uacuteltima ya que se encuentra sometida a fuerzas axiales de
compresioacuten convirtieacutendola en el elemento maacutes tensionado dentro del motor Estaacute ademaacutes expuesta
a cargas producto de la presioacuten generada en la caacutemara de combustioacuten y por la alta friccioacuten entre
los elementos deslizantes Al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentaraacuten desgastes excesivos y prematuros que pueden ocasionar una falla Si este sistema no
funciona correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como
consecuencia deformaciones importantes por sobrecalentamiento [62]
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor
La cinemaacutetica proviene del griego κινεω kineo que significa movimiento Estudia las leyes del
movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo originan y se limita esencialmente al
estudio de la trayectoria en funcioacuten del tiempo [63] La cinemaacutetica se ocupa de aspectos del
movimiento aparte de considerar masa y fuerza Un anaacutelisis cinemaacutetico simula el movimiento de
mecanismos por lo que cumple los requisitos de los perfiles de los motores cinemaacuteticos y de
cualquier conexioacuten de unioacuten por leva en ranura o por engranajes Este tipo de anaacutelisis se usa para
obtener informacioacuten sobre la posicioacuten velocidad y aceleracioacuten de entidades geomeacutetricas y
conexiones interferencia entre componentes las curvas trazadas del movimiento del mecanismo y
los envolventes de movimiento que capturan el movimiento del mecanismo como una pieza
Seguacuten Forno [64] la cinemaacutetica analiza los factores de tiempo y espacio del movimiento de un
sistema es decir describe el movimiento de los cuerpos en teacuterminos de tiempo desplazamiento
velocidad aceleracioacuten y tiempo de desplazamiento
Para Suaacuterez [65] el anaacutelisis cinemaacutetico se utiliza para evaluar el movimiento del mecanismo
gobernado por motores cinemaacuteticos Se puede utilizar cualquier motor cinemaacutetico de eje de
movimiento con un perfil lo que produciraacute una aceleracioacuten finita
Las fuerzas que afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de
inercia Una vez conocidas las fuerzas de combustioacuten en el pistoacuten se usa software especializado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
33
que ayuda en el calculoacute del anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico integrando las fuerzas de inercia
debidas a la masa de cada componente del mecanismo biela-manivela [66]
Para realizar este anaacutelisis es necesario considerar las masas de cada una de las piezas asiacute como
el reacutegimen de giro Esto permitiraacute realizar la simulacioacuten y calcular las fuerzas aplicadas en la cabeza
y el pie de la biela para poder luego hacer un anaacutelisis de elementos finitos que definan los
esfuerzos En el capiacutetulo III se describen la pieza construida a traveacutes del Software de aplicacioacuten
SOLIDWORKS
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor
El anaacutelisis cineacutetico estudia las fuerzas que provocan que un sistema se mueva es decir que
produzcan o cambien el movimiento de un objeto El estudio de las fuerzas que inducen el
movimiento parte desde un movimiento lineal o angular El anaacutelisis cineacutetico puede ser de tipo lineal
o angular El primero involucra la descripcioacuten de un movimiento en liacutenea recta Por otro lado la
cinemaacutetica angular se refiere a la descripcioacuten de un movimiento alrededor de un aacutengulo fijo [64]
El anaacutelisis cineacutetico es cuando un cuerpo estaacute en reposo para acelerarlo hasta una cierta velocidad
y se necesita un determinado trabajo [67] Esa energiacutea que se obtiene en la aceleracioacuten es
conservada por el cuerpo como energiacutea cineacutetica hasta que modifique su velocidad
Concretamente se llama cineacutetica o cinemaacutetica a la especialidad de la fiacutesica centrada en el anaacutelisis
del movimiento dejando de lado el estudio de las fuerzas que lo originan La cineacutetica en este
marco suele estudiar la trayectoria de un cuerpo en movimiento en funcioacuten del tiempo [68]
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor
La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama transferencia de calor la cual se produce
siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se
ponen en contacto hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las
temperaturas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
34
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se usoacute en el software ANSYS el cual permitioacute realizar el
anaacutelisis teacutermico que consiste en la aplicacioacuten del meacutetodo de elementos finitos para calcular la
distribucioacuten de temperatura en una estructura soacutelida en este caso la biela de un motor de
combustioacuten interna Con dicho anaacutelisis se resolvioacute el problema de la transferencia teacutermica
conjugada que involucra el caacutelculo de la simulacioacuten de la conduccioacuten conveccioacuten e irradiacioacuten
teacutermica [66]
Los procesos de los motores de combustioacuten interna son complejos para poder realizar un anaacutelisis
completo de los mismos por lo que se requiere el usoacute de procesos teoacutericos para realizar caacutelculos
Eacutestos son denominados modelos matemaacuteticos para los cuales se usa simulacioacuten herramienta de
gran apoyo para estudiar el comportamiento de los motores de combustioacuten interna desde el punto
de vista termodinaacutemico Con estos softwares de apoyo es posible estudiar la influencia de
determinados paraacutemetros como son la geometriacutea operacioacuten y combustioacuten en las prestaciones de
un motor [69]
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico
La simulacioacuten permite examinar el comportamiento del modelo en condiciones de operacioacuten
reales Ayuda a evaluar las caracteriacutesticas estructurales y el perfil teacutermico proporciona tambieacuten
potentes herramientas para examinar el rendimiento de los mecanismos Sirve para reflejar las
fuerzas materiales y condiciones de liacutemite a las que se veraacute sometido el modelo real para adaptarlo
mejor a criterios de disentildeo especiacuteficos
Existen diversos Softwares de aplicacioacuten para diferentes fines como es el caso de CAD que
sirve para disentildear modelos en tercera dimensioacuten (3D) que posteriormente se analizan por el
meacutetodo de elementos finitos Tal es el caso del software CATIA que es uno de los maacutes utilizados
actualmente en la industria para encontrar paraacutemetros como las dimensiones de diaacutemetro del pistoacuten
longitud de la biela ancho de biela diaacutemetros interiores de cabeza y pie espesores de cabeza y
pie ancho y alto de la seccioacuten tipo I y diaacutemetro de los tornillos de fijacioacuten Tanto el CAD y CATIA
son simuladores que permiten determinar lo antes mencionado
Tambieacuten existe el Software ANSYS que sirve para disentildear analizar y simular partes de piezas
sometidas a fenoacutemenos fiacutesicos usadas en ingenieriacutea y disentildeo mecaacutenico Ayuda a resolver
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
35
problemas fiacutesicos como problemas de esfuerzos teacutermicos fluidos vibracioacuten y otras Dentro de este
software se encuentra la seccioacuten de Anaacutelisis Mecaacutenico que sirve para resolver situaciones muy
particulares en disentildeo mecaacutenico como elementos estructurales lineales no lineales y anaacutelisis
dinaacutemico Con este moacutedulo se puede evaluar el comportamiento asignar materiales y resolver
ecuaciones elaborar anaacutelisis teacutermicos acoplamientos fiacutesicos que involucren acuacutestica elementos
piezoeleacutectricos e interaccioacuten teacutermica con eleacutectrica El software ANSYS se usoacute para este proyecto
Asiacute mismo es necesario sentildealar que para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el
software MATLAB herramienta matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para
la representacioacuten de datos matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor Los resultados
de MATLAB junto con el Software ANSYS permiten predecir coacutemo se comporta y reacciona la
biela en su entorno real Posteriormente se importa la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
y se realizan el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico por medio de la simulacioacuten
De igual forma se emplea para esta investigacioacuten el software SOLIDWORKS que se usa para
el disentildeo mecaacutenico con el que se crea geometriacutea en tercera dimensioacuten (3D) usando paraacutemetros
soacutelidos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
36
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA
La metodologiacutea de la investigacioacuten se define como la disciplina que se encarga del estudio criacutetico
de los procedimientos y medios aplicados por los seres humanos que permiten alcanzar y crear el
conocimiento en el campo de la investigacioacuten cientiacutefica Representa la forma en la que se va a
organizar el proceso de la investigacioacuten de examinar los resultados y de presentar posibles
soluciones al problema Toda investigacioacuten a desarrollar debe llevar un orden loacutegico La
metodologiacutea de la presente investigacioacuten estaacute basada en la propuesta de los autores Hernaacutendez
Fernaacutendez y Baptista [70] ya que tiene un enfoque bastante amplio y flexible que se puede adaptar
de manera general a los requerimientos y alcances del estudio cubriendo los puntos esenciales que
guiacutean el disentildeo y elaboracioacuten de la investigacioacuten Los pasos seguidos se muestran en la figura19
31 Enfoque de la investigacioacuten
Existen dos enfoques dentro de la investigacioacuten el cuantitativo y el cualitativo Hernaacutendez [70]
define a la investigacioacuten cuantitativa como aquella investigacioacuten que utiliza la recoleccioacuten de datos
para comprobar una hipoacutetesis con base a una medicioacuten numeacuterica para establecer un anaacutelisis
estadiacutestico con el propoacutesito de conocer la tendencia del comportamiento y la aprobacioacuten de teoriacuteas
El desarrollo de esta investigacioacuten tuvo un enfoque cuantitativo el cual seguacuten Fernaacutendez [71] se
fundamenta en un esquema deductivo y loacutegico que busca formular preguntas de investigacioacuten e
hipoacutetesis para posteriormente probarlas
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
37
Esta investigacioacuten parte del enfoque mecaacutenico propuesto por diferentes autores que hacen
referencia a los diferentes motores que existen asiacute como los elementos que lo conforman La
finalidad es identificar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten
interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa asiacute como determinar la fuerza
axial de la biela Tambieacuten obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de
combustioacuten estequiomeacutetrica y simular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela para identificar
posibles deformaciones y posteriormente realizar el anaacutelisis cinemaacutetico del motor
32 Alcance de la investigacioacuten
El alcance de esta investigacioacuten es exploratoria correlacional descriptiva y explicativa Al
respecto Fernaacutendez et [71] al se establece que ldquolos estudios exploratorios se realizan cuando el
objetivo consiste en examinar un tema poco estudiadordquo en este caso los factores que influyen en
el sobrecalentamiento de una biela
El alcance correlacional tiene como finalidad establecer una relacioacuten entre dos o maacutes variables
[70] y referente a esta investigacioacuten se llevoacute a cabo la correlacioacuten de variables del calor liberado
en la caacutemara de combustioacuten y el sobrecalentamiento del motor Esta correlacioacuten implica una
relacioacuten causal entre dichas variables ya sea de forma positiva o en forma negativa y una relacioacuten
causal implica que un evento es consecuencia de otro que le antecede y que sin eacuteste el uacuteltimo no
se presentaraacute
La investigacioacuten tambieacuten es descriptiva puesto que se describen los fenoacutemenos alcanzados en el
transcurso de todo el proceso Busca especificar propiedades caracteriacutesticas y rasgos importantes
de cualquier fenoacutemeno que se analice [71] en este caso la relacioacuten de compresioacuten presioacuten
atmosfeacuterica aacuterea del pistoacuten presioacuten atmosfeacuterica dentro de la caacutemara de combustioacuten presioacuten que
detona la mezcla dentro de la caacutemara de combustioacuten fuerza temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
y geometriacutea de la biela En este sentido en esta investigacioacuten se describieron las variables antes
mencionadas mismas que se especifican en el capiacutetulo cuatro detallando sus propiedades y
caracteriacutesticas
De igual forma la investigacioacuten tiene un alcance explicativo derivado de que seguacuten Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Bautista mencionan que estaacute orientada a la comprobacioacuten de hipoacutetesis las cuales
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
38
sirven para el anaacutelisis de variables [71] que se expresan con hechos verificables para que el
investigador tenga la capacidad de anaacutelisis y siacutentesis para su interpretacioacuten En el desarrollo de este
trabajo la hipoacutetesis establecida se encuentra en el apartado 33 del presente capiacutetulo y los resultados
obtenidos se explican en el capiacutetulo cuatro donde se explican los fenoacutemenos hallados entre
variables describiendo por queacute ocurrieron dichos eventos y en queacute condiciones se manifestaron
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis
En toda investigacioacuten es importante plantear variables ya que eacutestas permiten relacionar algunos
conceptos que hacen referencia a las caracteriacutesticas que se van a estudiar Para Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Baptista [70] una variable es una propiedad que puede fluctuar y cuya variacioacuten es
susceptible de medirse u observarse Las variables adquieren valor para la investigacioacuten cientiacutefica
cuando llegan a relacionarse con otras variables es decir si forman parte de una hipoacutetesis o una
teoriacutea Y una variable independiente se refiere a ldquoaquella donde el investigador puede manipular
ciertos efectos en otras palabras supone la causa del fenoacutemeno estudiadordquo Y la variable
dependiente implica ldquoel efecto producido por la variable independiente es decir representa lo que
se quiere determinar en forma directa en la investigacioacutenrdquo
La hipoacutetesis planteada en este trabajo es una hipoacutetesis correlacional donde si alguna de las
variables sufre alguna modificacioacuten esto afectaraacute a otras variables correspondientes A
continuacioacuten se muestra la hipoacutetesis de la presente investigacioacuten
Hipoacutetesis nula
H01 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten influye en el sobrecalentamiento
de un motor de combustioacuten interna
Variables
Variables independientes Calor liberado en la caacutemara de
Combustioacuten
Variable dependiente Sobrecalentamiento del motor
Ya identificadas las variables es necesario establecer la operacionalidad de las mismas y
con base a lo anterior se observa en la tabla 1 la clasificacioacuten de las mismas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
39
TABLA 1 CONCEPTUALIZACIOacuteN DE VARIABLE
Variable Definicioacuten Conceptual Indicadores
Calor liberado en la
caacutemara de
combustioacuten
Se refiere a la quema de combustible
suministrados por el motor de
combustioacuten interna de tal manera
que el aire se expanda y acelere para
proporcionar una corriente de gas
uniformemente calentada en todas las
condiciones requeridas por el motor
de combustioacuten interna Esta tarea
debe realizarse con la miacutenima peacuterdida
de presioacuten y con la maacutexima liberacioacuten
de calor para el limitado espacio
disponible [31]
Reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten
Sobrecalentamiento
del motor
Es la condicioacuten en la cual la
temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y llega
a producir dantildeos graves en el motor
como torceduras y roturas de
vaacutelvulas brazos de biela soplado de
empaques torceduras de culatas y
roturas de pistones [41]
Lubricacioacuten deficiente
Fallo en sistema de
enfriamiento
Hipoacutetesis alterna
HA1 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten no influye en el
sobrecalentamiento de un motor de combustioacuten interna
34 Disentildeo de la investigacioacuten
El tipo de disentildeo que se usoacute fue el no experimental donde la investigacioacuten que se realiza se hace
sin la manipulacioacuten deliberada de las variables y donde se observan los fenoacutemenos para
posteriormente analizarlos en este caso el calor liberado en la caacutemara de combustioacuten y el
sobrecalentamiento del motor donde dichas variables estaacuten relacionadas con diferentes elementos
que son la combustioacuten estequiomeacutetrica presioacuten atmosfeacuterica fuerza de la biela y geometriacutea de la
biela Estos elementos sirvieron para poder realizar el anaacutelisis cineacutetico cinemaacutetico y teacutermico por
transferencia de calor motivo de la presente investigacioacuten
A su vez es una investigacioacuten transaccional donde se recolectaron los datos en un momento y
tiempo uacutenico permitieacutendose describir las variables anteriormente mencionadas El propoacutesito fue
describir las variables y analizar su incidencia e interrelacioacuten en un momento dado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
40
Por otra parte este trabajo se basoacute en un disentildeo no experimental con la informacioacuten derivada
basada en datos primarios obtenidos directamente de la realidad En el desarrollo de la presente
investigacioacuten la informacioacuten se obtuvo mediante el modelado mecaacutenico el cual ayudoacute a predecir
el comportamiento y reaccioacuten de la biela en su entorno real
35 Seleccioacuten de la muestra
El desarrollo de esta investigacioacuten se realizoacute tomando como objeto de estudio a un motor VW
Golf MK4 Gti 18T En la tabla 2 se muestran las especificaciones de este motor
Se utilizoacute un acero SAE 4340 de medio carbono aleado con Cr-Ni-Mo debido a que posee buena
resistencia a la fatiga alta templabilidad excelente tenacidad regular maquinabilidad y baja
soldabilidad Es apto para piezas y herramientas de grandes exigencias mecaacutenicas Se usa para los
maacutes altos esfuerzos estaacuteticos y dinaacutemicos en piezas como ciguumlentildeales bielas cardanes pintildeones
pernos y tornillos de alta resistencia engranajes para maacutequinas discos de freno barras de torsioacuten
y aacuterboles de transmisioacuten [72] En la tabla 3 se muestran las composiciones quiacutemicas
TABLA 2 CARACTERIacuteSTICAS DEL MOTOR
Variable Definicioacuten Conceptual
Motor V 4
Combustible Gasolina
Alimentacioacuten MPI
Situacioacuten Transversal
Cilindrada 1781 cm3
Diaacutemetro por carrera 810 x 864 mm
Vaacutelvulas 16 vaacutelvulas
Sobrealimentacioacuten Turbo + Intercooler
Relacioacuten de Comprensioacuten 95
Potencia 210 PS or 207 bhp o 154 kw 5700 rmp
Par maacuteximo 300 Nm o 221 lbft 2700 rpm
Caja de cambios 6 velocidades manual
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
41
TABLA 3 PORCENTAJE DE COMPOSICIOacuteN QUIacuteMICA DEL ACERO USADO
De igual forma en la tabla 4 se pueden apreciar las caracteriacutesticas del tratamiento teacutermico y las
propiedades mecaacutenicas que se deben tener para cumplir con lo establecido para el procedimiento
36 Recoleccioacuten de datos
Para el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico se emplea la simulacioacuten con ANSYS y poder predecir coacutemo
se comporta y reacciona la biela en su entorno real El software SOLIDWORKS se emplea para
incorporar la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
TABLA 4 TRATAMIENTO TEacuteRMICO Y PROPIEDADES MECAacuteNICAS
Tratamiento teacutermico
(Valores en 0C)
Propiedades mecaacutenicas
Forjado 850 - 1100 Bonificado
Normalizado 870 - 900 Resistencia a la
traccioacuten
95 ndash 105 kgfmm2
Revenido 530 - 670 Liacutemite de fluencia 60 ndash 74 kgfmm2
Recocido 750 - 850 Dureza (HB) 280 - 340
Templado Aceite 840 - 880 Elongacioacuten 10 ndash 18
Composicioacuten quiacutemica ()
C 038 ndash 043
Mn 060 ndash 080
Si 015 ndash 035
P 0035 Maacutex
S 004 Maacutex
Cr 070 ndash 090
Ni 165 ndash 200
Mo 020 ndash 030
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
42
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el software de MATLAB herramienta
matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para la representacioacuten de datos
matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor El objetivo de dicho anaacutelisis fue
identificar la falla de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro
cilindros encendido por chispa accionado por gasolina cuando por diversas causas alcanza
temperaturas elevadas generando esfuerzos y deformaciones superiores a los liacutemites de cedencia
del material Para este anaacutelisis se determinoacute la fuerza axial generadora del maacuteximo torque aplicado
al ciguumlentildeal del motor Como se trata de un motor alternativo el movimiento parte desde el punto
muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) recorriendo el pistoacuten una longitud de
carrera C=2r por cada vuelta del ciguumlentildeal Ya que se trata de un motor de cuatro tiempos el
ciguumlentildeal daraacute dos vueltas por ciclo termodinaacutemico [73] En este caso se consideroacute solamente un
punto donde la biela es normal a la manivela que es donde se produce el maacuteximo toque Se hizo el
anaacutelisis el elemento finito (FEA por su siglas en ingles Finite Element Analysis ) para obtener una
solucioacuten aproximada a este problema de ingenieriacutea para obtener un producto de calidad a menor
costo mejorando asiacute procesos existentes o para estudiar fallos de eacuteste componente estructural El
anaacutelisis teacutermico por transferencia de calor cineacutetico y cinemaacutetico se describe en el capiacutetulo 4 del
presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
43
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Generalidades
Los motores de los autos principalmente los de combustioacuten interna (MCI) son motores donde
los gases generados en la reaccioacuten exoteacutermica resultan de un proceso de combustioacuten que empuja
al pistoacuten desplazaacutendolo en el interior de un cilindro y haciendo girar al ciguumlentildeal El funcionamiento
ciacuteclico de estos motores suele tener fallas constantes debido a muacuteltiples factores entre los cuales
destacan problemas con los cojinetes fallas en las bielas pistoacuten ciguumlentildeal entre otros
El arranque de los motores de combustioacuten se lleva a cabo en su caacutemara interna en donde se forma
el fluido activo Esta caacutemara forma parte de un cilindro dentro del cual se mueve un pistoacuten mismo
que forma parte del mecanismo en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal Y para que un motor
tenga un buen funcionamiento es necesario tener una buena lubricacioacuten refrigeracioacuten y suministro
de energiacutea eleacutectrica tal como se aprecia en la figura 20
La lubricacioacuten debe mantener engrasados los mecanismos moacuteviles tambieacuten sirve como
refrigerante al absorber el calor disipado Su principal funcioacuten radica en la aplicacioacuten de un manto
superficial de aceite recubriendo asiacute los elementos moacuteviles El sistema refrigerante es el que
mantiene una temperatura constante del motor durante su funcionamiento y lo hace mediante la
eliminacioacuten de exceso de calor que se pudiera generar en su funcionamiento Gracias a la energiacutea
eleacutectrica funcionan los dispositivos tales como las bombas hidraacuteulicas agua refrigerante los
cuales provocan el flujo que hace posible la circulacioacuten de los fluidos a lo largo de los ductos
correspondientes
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
44
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se consideroacute el auto VW Golf [74] tal como se aprecia
en la figura 21
Este auto tiene un motor MK4 GTI 18T de cuatro cilindros con turbocompresor formalmente
conocido como el 18 20VT R4 e informalmente conocido simplemente como el 18T Se ha
utilizado en casi todas las aplicaciones de cuatro cilindros de VW Utiliza un bloque de motor de
hierro fundido y culata de aluminio con doble aacuterbol de levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte
de la fuerza inherente de este motor viene del uso de un ciguumlentildeal de acero forjado a troque dividido
en bielas forjadas y pistones forjados Su potencia es de 150 caballos de fuerza a 5800 rpm Su
principal caracteriacutestica es su sistema de turbo y de induccioacuten Utiliza un turbocompresor de VW
de origen algo equivalente a un Garrett T30
421 Aplicaciones del 18T
El 18T se ha utilizado en casi todos los autos que tienen cuatro cilindros de VW como son VW
Polo GTI Golf MkIV Bora Jetta New Beetle S Passat B5 y Sagitar Desde Audi que es la marca
de lujo de VW el motor tambieacuten se ha trasladado a los modelos en esa divisioacuten incluyendo la A3
A4 A6 y TT Quattro Sport Otros fabricantes de automoacuteviles en utilizar el 18T han sido el
fabricante espantildeol SEAT (en el Leon Mk1 Cupra R y Toledo) y Skoda para su edicioacuten limitada
Octavia VRS
Figura 21VW Golf
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
45
El 18T utiliza un bloque de motor de hierro fundido y una culata de aluminio con doble aacuterbol de
levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte de la fuerza inherente de este motor se debe al uso de un
ciguumlentildeal de acero forjado a troquel bielas ldquoSplit forjadordquo y pistones Mahle forjado El 18T ha
llegado en docenas de diferentes configuraciones desde que se ofrecioacute por primera vez con
potencias que van desde 150 caballos de fuerza a 5800 rpm (en la mayoriacutea de los polos Golf
hoteles escarabajos y Passat) hasta 236 caballos de fuerza a 5700 rpm para el Audi TT Quattro
Sports
En lo que respecta a la induccioacuten aparte de su cabeza la principal caracteriacutestica del 18T es su
sistema turbo e induccioacuten El turbo alimenta uno de los pocos verdaderos colectores de admisioacuten
de longitud variable en el mercado de hoy A bajas revoluciones el aire fluye a traveacutes de un
conjunto de tubos de colada la ingesta de largas y delgadas para mejorar el par a bajo reacutegimen y
la facilidad de conduccioacuten A altas revoluciones una solapa se abre para conectar gran espacio
abierto del colector de admisioacuten (plenum) casi directamente a la culata sin pasar por los tubos y
aumentar el poder de gama alta
43 Anaacutelisis de datos
431 Anaacutelisis cinemaacutetico
El movimiento alterno del pistoacuten se transforma en movimiento circular continuo del eje mediante
el sistema biela-manivela Para efectos de caacutelculo el movimiento circular de la manivela se
considera uniforme sin error apreciable En la figura 22 se muestra la nomenclatura que se utilizoacute
en este anaacutelisis [73]
Figura 22 Nomenclatura
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
46
Donde
L=Longitud de la biela
r=Radio de la manivela
C=Carrera del pistoacuten
x=Deslizamiento del pistoacuten referido al PMS
α=Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente al PMS
β= Aacutengulo que forma el eje de la biela con el del cilindro
I Desplazamiento
De acuerdo a la geometriacutea del motor y como muestra la figura 22 se obtiene la ecuacioacuten para el
desplazamiento (x) correspondiente entre el PMS y PMI donde λ es un paraacutemetro de la relacioacuten
del radio a la longitud de la biela (Ver Anexo I) la cual es
119909 = 119903 ((1 minus cos prop) + 119871(1 minus radic1 minus 12058221199041198901198992 prop))
Donde λ =119903
119871 119902119906119890 119903119890119901119903119890119904119890119899119905119886 119906119899119886 119903119890119897119886119888119894oacute119899 119886119897119890119886119905119900119903119894119886
Si la biela fuera de longitud infinita (λ=0) se desplazariacutea mantenieacutendose siempre paralela a siacute
misma por lo que tendriacuteamos la expresioacuten simplificada
119909 = 119903(1 minus cos prop)
Se utilizoacute el software MATLAB para graficar coacutemo se comporta el sistema del punto muerto
superior al punto muerto inferior correspondiente a los 360 grados del movimiento de la Manivela
Se obtiene la figura 23 misma que se muestra a continuacioacuten
Figura 23 Desplazamiento
Des
pla
zam
ien
to d
el p
istoacute
n e
n m
etro
s
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
47
II Velocidad
Para obtener la ecuacioacuten de la velocidad se derivoacute la ecuacioacuten de desplazamiento (ver Anexo II)
guardaacutendola en una nueva variable (V) lo que se puede apreciar en la figura 24
Figura 24Velocidad del pistoacuten
III Aceleracioacuten
Para obtener la ecuacioacuten de la aceleracioacuten se derivoacute la ecuacioacuten de velocidad (Ver Anexo III)
asignando su valor a una nueva variable (A) la cual se muestra en la figura 25
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten
Vel
oci
dad
del
pis
toacuten
(m
s)
Angulo de manivela en grados
Ace
lera
cioacute
n d
el p
istoacute
n (
ms
2)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
48
432 Anaacutelisis cineacutetico
I Fuerzas alternativas de inercia
Conociendo las leyes que regulan el movimiento del conjunto biela manivela resulta faacutecil
obtener una relacioacuten de las fuerzas que generan dicho movimiento En efecto las partes dotadas de
movimiento alternativo estaacuten sometidas a fuerzas de inercia calculadas por medio de la segunda
ley de Newton que expresada en funcioacuten de la segunda derivada del desplazamiento dan como
resultado
119865 = minus119898 lowast 1205962 lowast 119903 (cos 120572 + 120582 lowast cos 2120572)
La primera y segunda parte de la ecuacioacuten representan respectivamente las fuerzas alternativas
de primero y segundo orden (ver Anexo IV) En la ecuacioacuten anterior ldquomrdquo corresponde a la masa de
la biela que para la muestra seleccionada tiene un valor de 066 kg se muestra en la figura 26
Figura 26Fuerzas alternativas
La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten cinemaacutetica En la figura 27
se puede observar el movimiento al considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante el
proceso de expansioacuten De este resultado se obtiene la fuerza maacutexima para posteriormente
considerarla en el anaacutelisis estaacutetico de la simulacioacuten en el software de ANSYS Los resultados se
encuentran en el Anexo V y en la figura 27 se aprecia la representacioacuten graacutefica del anaacutelisis de la
biela Este anaacutelisis se hizo mediante el software de MATLAB
Fu
erza
s al
tern
ativ
as (
N)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
49
Figura 27 Fuerzas en la biela
II Diagrama par-motor
La fuerza resultante que actuacutea sobre el pistoacuten corresponde a la suma de las fuerzas alternativas
de inercia y de la correspondiente a la presioacuten del gas durante la explosioacuten Eacutesta equilibrada por la
fuerza de reaccioacuten en la biela y variacutea en cada posicioacuten del movimiento La figura 28 muestra el
diagrama par motor que se utiliza para este anaacutelisis La nomenclatura es la misma que se utilizoacute en
el anaacutelisis cinemaacutetico con la inclusioacuten de las fuerzas [73]
Figura 28Diagrama par-motor
Angulo de manivela en grados
Fu
erza
en
la
bie
la (
N)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
50
Figura 29Par-motor de explosioacuten
Nuevamente mediante el software MATLAB se realiza el anaacutelisis de movimiento durante el
proceso de expansioacuten de 360deg a 540deg debido a que se trata de un motor de 4 tiempos lo que implica
que el ciguumlentildeal gire dos vueltas correspondieacutendole a la primera vuelta la admisioacuten y compresioacuten
(Ver Anexo VI) lo cual se aprecia en la figura 29
El punto maacuteximo de esta graacutefica representa un par-motor de 311 N-m que se aproxima al par
motor que el fabricante ofrece para este motor seleccionado como muestra Es importante
considerar que a este punto le corresponde un aacutengulo de 388deg equivalente a 28deg a partir del punto
muerto superior y seraacute considerado para obtener la fuerza axial en la biela de su correspondiente
graacutefica
433 Anaacutelisis termodinaacutemico
I Eficiencia del ciclo Otto ideal
La figura 30 muestra el ciclo en un diagrama P-v La eficiencia o rendimiento del ciclo es la
relacioacuten entre el trabajo neto y la cantidad de calor que entra al sistema [75]
Par
-mo
tor
(N
m)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
51
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen
Es decir
119890119900119905119905119900 =119882119899119890119905119900
119902119890119899119905
Por primera ley de la termodinaacutemica
119882119899119890119905119900 = 119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
Considerando calores especiacuteficos constantes
119890119900119905119905119900 =119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119862119907(1198794 minus 1198791)
119862119907(1198793 minus 1198792)= 1 minus
(1198794 minus 1198791)
(1198793 minus 1198792)
Para el proceso 1-2 compresioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987511198811119896 = 11987521198812
119896 there41198752
1198751= (
1199071
1199072)
119896
= 119903119896
Doacutende r= la relacioacuten de compresioacuten definida como 119903 =1199071
1199072
Para el mismo proceso la ecuacioacuten de los gases ideales es
11987511199071
1198791=
11987521199072
1198792 there4
1198752
1198751=
1199072
1199071∙
1198792
1198791= 119903
1198792
1198791= 119903119896
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
52
Realizando la igualacioacuten se obtiene la temperatura para el estado dos del ciclo
1198792 = 1198791119903119896minus1
De manera similar para el proceso 3-4 de expansioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987531198813119896 = 11987541198814
119896 there41198753
1198754= (
1199074
1199073)
119896
= 119903119896
Y la ecuacioacuten correspondiente de los gases ideales es
11987531199073
1198793=
11987541199074
1198794there4
1198753
1198754=
1199074
1199073∙
1198793
1198794= 119903
1198793
1198794= 119903119896
Realizando la igualacioacuten correspondiente se obtiene la temperatura para el estado 3 del ciclo
1198793 = 1198794119903119896minus1
Con las relaciones de temperatura para los estados 2 y 3 se obtiene la eficiencia del ciclo Otto
en funcioacuten de la relacioacuten de compresioacuten
119890119900119905119905119900 = 1 minus1198794 minus 1198791
1198794119903119896minus1 minus 1198791119903119896minus1= 1 minus
1198794 minus 1198791
119903119896minus1(1198794 minus 1198791)
119890 = 1 minus1
119903119896minus1
Para el anaacutelisis de la muestra seleccionada le corresponde una relacioacuten de compresioacuten de r=95
obtenieacutendose una eficiencia teacutermica del 60
119890 = 1 minus1
9514minus1= 06
En la figura 31 se muestra un referente de la eficiencia teacutermica en funcioacuten de la relacioacuten de
compresioacuten para un motor Otto y Diesel [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
53
Figura 31 Eficiencia teacutermica
II Temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
Cuanto maacutes pequentildea es la perdida de calor tanto mayor resulta el aumento de la temperatura En
el caso liacutemite que no haya peacuterdida de calor hacia los alrededores (Q=0) la temperatura de los
productos alcanzaraacute un maacuteximo conocido como temperatura de flama adiabaacutetica o combustioacuten
adiabaacutetica
La temperatura de flama adiabaacutetica de un proceso de combustioacuten de flujo estacionario se
determina aplicando la primera ley de la termodinaacutemica considerando la caacutemara de combustioacuten
como un volumen de control totalmente aislado (adiabaacutetico) con la siguiente ecuacioacuten
119867119901119903119900119889 = 119867119903119890119886119888119905
sum 119873119901(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg) = sum 119873119903(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg)
Doacutende Np= nuacutemero de moles de los productos
Nr = nuacutemero de moles de los reactivos
ℎ119891= entalpiacutea de formacioacuten
ℎ minus ℎdeg= variacioacuten de entalpiacutea
Una vez que se especifican los reactivos y los estados resulta faacutecil determinar las entalpiacuteas de
los reactivos Sin embargo debido a que la temperatura de los productos no se conoce antes de los
caacutelculos el caacutelculo de la entalpia de los productos no es directa Por consiguiente la determinacioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
54
de la temperatura de flama adiabaacutetica requiere el uso de una teacutecnica iterativa a menos que se
disponga de ecuaciones para los cambios de entalpiacutea sensible de los productos de combustioacuten
La temperatura de flama adiabaacutetica se determina luego a partir de estos dos resultados mediante
interpolacioacuten Cuando el oxidante es aire los gases producto se componen principalmente de N2 y
una buena primera suposicioacuten para la temperatura de flama adiabaacutetica se obtiene tratando todos
los gases productos como N2 En las caacutemaras de combustioacuten la temperatura maacutexima a la que se
puede llegar esta limitada por condiciones metaluacutergicas [75] Se analizaron los tres tipos de mezcla
para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla teoacuterica o estequiomeacutetrica
mezcla pobre y mezcla rica
II1 Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El modelo utilizado para los tres tipos de mezcla es una caacutemara de combustioacuten en la cual se
simula la inyeccioacuten de combustible octano 119862811986718 con las cantidades de aire suministrado siendo la
composicioacuten quiacutemica del aire de 1198742 + 3761198732 lo que equivale a 79 de N2 y 21 de O2 Tanto el
combustible como el aire se consideran como los reactivos y los gases de escape como productos
tal como se aprecia en la figura 32
La ecuacioacuten teoacuterica para este caso es
119862811986718 + 119908(1198742 + 3761198732) rarr 1198831198621198742 + 1198841198672119874 + 1198851198732
Doacutende W X Y Z representan los coeficientes estequiomeacutetricos determinaacutendose por balanceo
de los elementos quiacutemicos de la ecuacioacuten
119862 8 = 119883
119867 18 = 2119884 there4 119884 = 9
119874 2119882 = 2119883 + 119884 there4 119882 = 125
119873 376(2)119882 = 2119885 there4 119885 = 47
Se obtiene asiacute la ecuacioacuten estequiomeacutetrica balanceada
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
55
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos y considerando un proceso
adiabaacutetico se obtiene la ecuacioacuten para los tres tipos de mezcla
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ)
Donde
ℎ119891298= Entalpiacutea de deformacioacuten durante la reaccioacuten
∆ℎ= Variacioacuten de la entalpiacutea con respecto al estado de referencia
Los valores de entalpiacuteas para esta reaccioacuten se obtienen de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y
A-26 [75] Para este caso resulta
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9324] + 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]
+47[0 + ℎ1198732minus 8669] = 1[minus249950 + 0] minus 125[0 + 0] minus 47[0 + 0]
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 47ℎ1198732
= 5646081
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realiza iterativamente proponiendo como inicio que toda la
energiacutea es absorbida por el N2 ya que es el elemento que posee el mayor nuacutemero de moles
64ℎ1198732= 5646081
ℎ1198732= 88220015
119896119869
119896119898119900119897
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de temperatura aproximado de
119879 = 2650deg119870
Y tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen los valores
que se muestran en la tabla 5
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
56
TABLA 5 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA
Temperatura T=2600degK T=2450degK T=2200degK
Sustancia h(kJkmol)
8CO2 1099592 1025752 903512
9H2O 1028457 955647 836460
47N2 4072550 3814003 3385880
6130599 5795402 5125852
Interpolando los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2450degK y 2200degK se
obtiene la temperatura 119879 = 239424deg119870
II2 Mezcla pobre (110 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Ecuacioacuten real (10 exceso de aire) es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 1251198742 + 5171198732
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
Sustituyendo los valores de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y A-26 [75] se obtiene
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364]
kJ
kmol1198621198742
+ 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]kJ
kmol1198671198742
+125[0 + ℎ1198732minus 8682]
kJ
kmol1198742
+ 517[0 + ℎ1198732minus 8669]
kJ
kmol1198732
= 1[minus249950 + 0]kJ
kmol119862811986718
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 125ℎ1198742
517ℎ1198732= 56976778119896119869119896119898119900119897
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno
6995ℎ1198732= 56976778
ℎ1198732= 8145357827
119870119869
119870119898119900119897
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
57
TABLA 6 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA POBRE
Temperatura T=2400degK T=2450degK T=2200degK T=2250degK
Sustancia h(kJkmol)
8 CO2 1001216 1025752 903512 927872
9 H2O 931572 955647 836460 860058
125 02 1039675 106390 94355 9674625
517 N2 4100844 41954033 3724468 38183552
61376055 62831923 5558795 570303145
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2500deg119870
Nuevamente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen
los valores que se muestran en la tabla 6
Realizando la interpolacioacuten de los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2200degK
y 2250degK se obtiene la temperatura 119879 = 2248144deg119870
II3 Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es la siguiente
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
La ecuacioacuten real (85 de aire) es
119862811986718 + 10625(1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 91198672119874 + 375119862119874 + 39951198732
Aplicando la primera ley de la termodinaacutemica para sistemas reactivos y adiabaacutetico se obtiene
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
TABLA 7 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA
Sustancia hf h 298 degk
KJKmol
C₈H₁₈ -249950 -----
O₂ 0 8682
N₂ 0 8669
H₂O -241820 9904
CO₂ -393520 9364
CO -110530 8669
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
58
Posteriormente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se
obtienen los valores que se muestran en la tabla 7
Y sustituyendo los valores en la foacutermula antes mencionada se obtienen los resultados siguientes
425 (minus393520 + ℎ119862119874₂ minus 9364) + 375 (minus110530 + ℎ119862119874 minus 8669) + (minus 241820
+ ℎ119867₂119874 minus 9904) + 3995 (0 + ℎ119873₂ minus 8669) ndash 1(minus 249950
+ 0) ndash 10625 (0 + 0) ndash 3995 (0 + 0) = 0
425 ℎ119862119874₂ + 375 ℎ119862119874 + 9 ℎ119867₂119874 + 3995 ℎ119873₂ = 45211458
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno 5695 ℎ119873₂ = 45211458
ℎ119873₂ = 7938798 = 79388 kJkmol
De la tabla A-18 [75] de propiedades del nitroacutegeno se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2400deg119870
Tabulando los valores correspondientes de la entalpiacutea a la temperatura indicada se muestran en
la tabla 8
Interpolando entre los valores de 2300degK y 2200degK se obtiene la temperatura para esta
mezcla 119879 = 2223305deg119870
TABLA 8 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA RICA
Temperatura T=2400 T=2300 T=2200
Sustancia h(KJKmol)
425 Co₂ 531896 50589875 47999075
375 Co₂ 30005625 28629375 272580
9 H₂O 931572 883791 836460
3995 N₂ 3168834 30232562 2877998
sum 493235825 46992397 446702875
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
59
434 Temperatura real de combustioacuten
Las temperaturas de combustioacuten adiabaacutetica obtenidas en el apartado que aborda el tema de la
temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para los tres tipos de mezclas reflejan un paraacutemetro
cuantitativo sin embargo no es posible que el motor alcance dichos valores Esto es debido a la
Segunda Ley de la Termodinaacutemica en su postulado de Kelvin Plank refirieacutendose precisamente al
rendimiento del motor que de acuerdo a la relacioacuten de compresioacuten establecida se determinoacute que
es de 60 Este valor equivale al maacuteximo rendimiento posible con el cual se determinaraacute la
temperatura real del motor para los tres tipos de mezclas Eacutesta temperatura seraacute considerada para
el anaacutelisis de transferencia de calor en la biela
I Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El poder caloriacutefico del combustible representa la cantidad de calor liberado cuando se quema por
completo en un proceso de flujo estacionario En este anaacutelisis se considera el poder caloriacutefico
inferior debido a que el agua en los productos se considera en fase de vapor correspondieacutendole un
valor de 44430 kJkmol [75]
Involucrando una eficiencia de 60 se determina la cantidad de calor real utilizado en los tres
diagramas y mediante el anaacutelisis de estequiometria se obtiene la temperatura real correspondiente
al maacuteximo valor del ciclo en el proceso de explosioacuten
El anaacutelisis parte de la ecuacioacuten teoacuterica (100 de aire) para los tres tipos de mezclas que se
analizan en este apartado
De acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica para esta reaccioacuten de combustioacuten la
ecuacioacuten de la cantidad de calor liberado es
minus 119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
El valor de 119876119903119890119886119897 se determina al involucrar el rendimiento de 60 del poder caloriacutefico del
combustible y a la vez multiplicaacutendolo por la masa molar del combustible de 114231 kgkmol
obteniendo un valor de 3045170119896119869
119896119898119900119897
Los valores de ℎ119891deg y ℎ de los componentes a 298degK son los que se muestran en la tabla 9 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
60
TABLA 9 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Sustancia 119945 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948
kjkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119925120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 47(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten en funcioacuten de las entalpiacuteas de los elementos de los
productos que se resuelve por el meacutetodo iterativo
8ℎ 1198621198742
+ 9 ℎ1198671198742+47ℎ1198732
=2600911 kJkmol
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero total
de moles lo que produce 2600911 119896119869
(8 + 9 + 47) 119896119898119900119897= 4063923
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido correspondieacutendole un valor de T=131374degK A partir de este valor
se proponen valores inferiores y posteriormente realizar una interpolacioacuten lineal como se muestra
en la tabla 10 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
61
TABLA 10 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Temperatura T=1180degK T=1200degK T=1220degK
Sustancia h(KJKmol)
120790 119914119926120784 421792 430784 439816
120791 119919120784119926 391581 399420 407304
120786120789 119925120784 1696888 1728519 1760244
Total 2510261 2558723 2607364
Interpolando entre las temperaturas de 1200degK y 1220degK se obtiene que la temperatura real de
combustioacuten es T = 1217347 degK
II Mezcla pobre (110 aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten con 10 de exceso de aire es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 1251198742 + 91198672119874 + 5171198732
La ecuacioacuten de combustioacuten de acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
Los valores de las entalpiacuteas ℎ119891deg + ℎ de las sustancias a T= 298degK son los que se muestran en la
tabla 11 [75]
Sustituyendo valores correspondientes en la ecuacioacuten se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 125(0 + ℎ1198742minus 8682)
kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 517(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
62
TABLA 11 ENTALPIA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA POBRE REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119926120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten
8ℎ1198621198742+125 ℎ1198742
+ 9 ℎ1198671198742+517ℎ1198732
=26525078 kJ
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de
moles lo que produce
26525078 119896119869
(8 + 125 + 9 + 517) 119896119898119900119897= 379200543
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido siendo T=1240degK Nuevamente se propondraacuten valores inferiores a
la temperatura obtenida para obtener la entalpiacutea correspondiente a cada sustancia por
interpolacioacuten lineal obtener el resultado correcto Se muestran los valores de la tabla 12 [75]
La interpolacioacuten entre las temperaturas de 1160degK y 1140degK da el resultado de la temperatura
real para esta mezcla 119879 = 11515385deg119870
TABLA 12 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA POBRE REAL
Temperatura T=1200degK T=1160degK T=1140degK T=1120degK
Sustancia h(kJkmol)
120790119914119926120784 430784 412816 403872 394952
120783 120784120787119926120784 4805875 4627875 453925 445075
120791119919120784119926 399420 383778 376020 327384
120787120783 120789119925120784 19013709 1831731 1797092 17625564
Total 277963365 267460375 26223765 25293999
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
63
III Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten incompleta genera la aparicioacuten de monoacutexido de carbono (CO)
en los productos
119862811986718 + 10625 (1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 375119862119900 + 91198672119874 + 39951198732
De la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg)
Los valores de ℎ119891deg + ℎ de los componentes a la temperatura de 298degK son los que se muestran
en la tabla 13 [75]
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 425(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 375(minus110530 + ℎ119862119900 minus 8669)kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 3995(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
425ℎ1198621198742+375 ℎ119862119900 + 9 ℎ1198671198742+3995ℎ1198732
=14759758 kJkmol
Eacutesta debe resolverse por iteraciones sucesivas Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el
lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de moles obtenieacutendose 14759758 kJ
(425 + 375 + 9 + 3995) 119896119898119900119897= 25917
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente a esta entalpia
la temperatura aproximada siendo T=870degK Realizando un procedimiento similar a las mezclas
anteriores se obtiene la tabla 14 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
64
TABLA 13 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 8682
119925120784 0 8669
119914119926120784 -393520 9364
Co -110530 8669
119919120784119926 -241820 9904
TABLA 14 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA RICA REAL
Temperatura T=860degK T=850degK T=840degK T=830degK T=820degK
Sustancia h(KJKmol)
120786 120784120787119914119926120784 150008 14778525 14556675 1433525 141151
120785 120789120787119914119926 96630 954225 94215 9301125 9181125
120791119919120784119926 272160 268614 265086 261558 258048
120785120791 120791120787119925120784 10231195 10104154 9977113 9850871 9724629
Total 15419175 152223715 150257905 148300885 146347315
Interpolando entre las temperaturas de 830degK y 820degK se obtiene una temperatura de
combustioacuten para esta mezcla de 119879 = 8264deg119870
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten
En el apartado 433 se determinoacute una cantidad de calor liberado por la reaccioacuten quiacutemica de
combustioacuten de Q = 3045170 kJkmol = 26658 kJkg Esta energiacutea en forma de calor se tomaraacute en
cuenta para calcular el coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
Para este anaacutelisis se considera un modo de transferencia de calor por conveccioacuten entre un soacutelido
y un gas adyacente Seguacuten Cengel entre maacutes raacutepido es el movimiento de un fluido mayor es la
transferencia de calor por conveccioacuten [76]
De acuerdo con la ley de Newton del enfriamiento esta forma de transferencia de calor se expresa
mediante la ecuacioacuten honoriacutefica de este autor
119888119900119899119907 = ℎ119860119904( 119879119904 minus 119879infin )
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
65
Doacutende
h = coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
As = aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la
transferencia de calor
Ts = temperatura de la superficie
Tinfin = temperatura de los gases de combustioacuten
Para determinar el aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la conveccioacuten se considera un
cilindro con las dimensiones de la muestra seleccionada con un tamantildeo de 81 mm de diaacutemetro por
864 mm de carrera entonces
As = πDL = π(81 cm)(864 cm) = 2198612cm2 = 2198612x10-4 m2
Es necesario determinar la rapidez o tasa de transferencia de calor para lo cual se determina la
relacioacuten aire combustible para una mezcla con 85 de aire
119903119886119888frasl =
119898119886
119898119888=
119873119886
119873119888
119872119886
119872119888=
(10625)(426)(2897)
114231= 115
119896119892119886119894119903119890
119896119892119888119900119898119887
Doacutende
Na Nc corresponden al nuacutemero de moles del aire y el combustible respectivamente
Ma Mc son la masa molar del aire y la mezcla respectivamente
Desplazamiento por cilindro = V1 ndash V2 = 1800 cm34 = 450 cm3
Relacioacuten de compresioacuten r = 95 =V1V2
Resolviendo se obtiene un volumen inicial V1 = 502941 cm3
Utilizando condiciones iniciales presioacuten de 100 kPa y temperatura de 298degK Mediante la
ecuacioacuten de estado se determina la masa de aire
ma = 11987511198811119872
1198771199061198791
= (100)(5029411990910minus4)(2897)
(8314)(298)= 0000588 k119892
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
66
Con la relacioacuten aire combustible se determina la masa del combustible
119898119888 = 119898119886
119903119886119888=
0000588
115= 000005113 k119892
El calor total liberado durante la combustioacuten es
119876 = 119902119898119888 = 26658119896119869
119896119892(000005113 119896119892) = 1363035 119896119869
El flujo de calor por cilindro para una velocidad del motor de 2700 rpm es
119876 = 1363035119870119869 (1
2119888119894119888119897119900119904
119903119890119907
) (2700119903119890119907
119898119894119899) (1
119898119894119899
60 119904 ) = 306682 119896119882
Esta es la cantidad de flujo de calor que se considera para determinar el coeficiente de
transferencia de calor por conveccioacuten de la siguiente forma
ℎ = 119888119900119899119907
119860119904 ( 119879119904minus119879infin )=
306682 119882
(219861211990910minus41198982)(25minus5533)deg119862= 26398355 119882
1198982deg119862frasl
44 Simulacioacuten
Durante el presente anaacutelisis la geometriacutea de la biela fue elaborada en Solid Works para
posteriormente importarla al software de ANSYS en la simulacioacuten correspondiente Se selecciona
un modelo de malla refinado tal como se muestra en la figura 33 para una solucioacuten precisa y con
resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico - transitorio y estructural
Figura 33Modelo de malla
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
67
Se inicia con un anaacutelisis teacutermico transitorio tomando en cuenta los datos de la muestra del motor
seleccionado asiacute como tambieacuten los resultados obtenidos en el anaacutelisis teacutermico de combustioacuten y por
transferencia de calor El tiempo transitorio se determina con la velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira 2 revoluciones por ciclo termodinaacutemico resultando ser de
004444 segundos El primer resultado muestra la distribucioacuten de temperatura mediante la
transferencia de calor por conveccioacuten tal como se visualiza en la figura 34
Figura 34Distribucioacuten de temperatura
El segundo anaacutelisis es una simulacioacuten estaacutetica estructural vinculada con el anaacutelisis teacutermico
transitorio como se aprecia en la figura 35
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
68
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural es necesario saber la fuerza axial que actuacutea sobre la biela para
lo cual durante el anaacutelisis cineacutetico realizado en el software de Matlab se obtuvieron resultados del
par-motor durante el movimiento de la biela del PMS al PMI El par maacuteximo o torque se obtiene a
los 28deg a parir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de 15380 N Es
importante mencionar que el fabricante estima un par maacuteximo de 300 Nm a 2700 rpm y el
software de Matlab arroja un resultado de 310 Nm La distribucioacuten de temperatura es importada
para el anaacutelisis teacutermico estructural tal como se aprecia en la figura 36
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela
Mediante simulacioacuten final del anaacutelisis de flujo teacutermico-transitorio y estaacutetico-estructural se
obtienen resultados de los esfuerzos principales de Von Mises tal como se visualiza en la figura
37
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
69
Un paraacutemetro comparativo es la resistencia a la cedencia del material recomendado para la
fabricacioacuten de la biela Se utilizoacute para este caso un acero 4140 con una resistencia de 470 MPa
(recosido) y de 862 MPa (normalizado) Durante este tiempo la biela resiste con toda seguridad
el impacto de carga y temperatura Sin embargo la realidad es que normalmente el motor se
mantiene acelerado por maacutes tiempo Por ejemplo considerando que el motor trabaje durante un
minuto a la velocidad de 2700 rpm la solucioacuten que se obtiene mediante ANSYS resulta muy
considerable ya que el sobrecalentamiento se genera por estas causas La solucioacuten obtenida se
muestra en la figura 38
Definitivamente el esfuerzo maacuteximo rebasa el liacutemite de cedencia del material esto implica que
en alguacuten momento la parte maacutes vulnerable de la biela estaraacute propensa a sufrir alguna fractura lo
que comuacutenmente se conoce como ldquodesbielarrdquo el motor Esto es lo que genera mantener un motor
revolucionado aunque tambieacuten existen otras causas que contribuyen al sobrecalentamiento como
un sistema deficiente de lubricacioacuten y enfriamiento que en otro caso pueden considerarse motivo
de una investigacioacuten especiacutefica
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
70
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN
51 Conclusiones relativas a los objetivos
Cumplimiento del Objetivo general ldquoAnalizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas
de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro y cuatro cilindros encendido por chispardquo
A partir de los nuevos conocimientos obtenidos en esta investigacioacuten se puede dar por cumplido
el objetivo general teniendo en cuenta los siguientes elementos
Se realizoacute el anaacutelisis de los elementos que ocasionan la falla en un motor de cuatro tiempos
esto mediante el anaacutelisis cinemaacutetico donde se consideroacute el desplazamiento conforme a la
geometriacutea del motor y la velocidad tomando en cuenta el desplazamiento De igual forma se
tomoacute en cuenta la aceleracioacuten y se realzoacute el anaacutelisis cineacutetico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoIdentificar el comportamiento termo estaacutetico de una
biela en un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por
chispardquo
A eacuteste respecto se identificoacute el comportamiento termo estaacutetico mediante las leyes de la
termodinaacutemica para la eficiencia de un motor Otto ideal asiacute como la comprensioacuten isentroacuteprica
la relacioacuten de comprensioacuten y gases obtenieacutendose la eficiencia teacutermica del ciclo Otto
correspondiente al 60
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoDeterminar la fuerza axial de una biela en un motor de
combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Mediante el anaacutelisis cineacutetico y de las fuerzas alternativas de inercia se da por cumplido el
objetivo especiacutefico La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten
cinemaacutetica Tambieacuten es necesario considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante
el proceso de expansioacuten pues de este resultado se obtiene la fuerza maacutexima que actuacutea sobre el
pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
71
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoObtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para
una reaccioacuten de combustioacuten estequiometricardquo
Mediante el anaacutelisis teacutermico y transferencia de calor se obtuvo la temperatura de flama
adiabaacutetica a partir de los resultados mediante interpolacioacuten Se analizaron los tres tipos de
mezcla para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla estequiomeacutetrica
una mezcla pobre y una mezcla rica En el caso de la mezcla al 100 de aire se obtuvo una
estequiomeacutetrica balanceada donde se hizo la tabulacioacuten de la entalpiacutea con su correspondiente
sustancia al igual que la mezcla pobre obtenieacutendose una temperatura de 119879 = 2248144deg119870
Referente a la mezcla rica se realizoacute la interpolacioacuten entre los valores de 2300degK y 2200degK
resultando una temperatura para esta mezcla de 119879 = 2223305deg119870 por lo que se da por
cumplido este objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoSimular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela
para identificar posibles deformacionesrdquo
Se realizoacute la simulacioacuten con un modelo de malla refinado en el Software de Aplicacioacuten Solid
Works donde posteriormente se importoacute al software ANSYS Se inicioacute con el anaacutelisis teacutermico
transitorio El tiempo transitorio se determina con una velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
Tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira dos revoluciones por ciclo termodinaacutemico este tiempo
resulta ser de 004444 segundos El primer resultado mostroacute la distribucioacuten de temperatura
mediante la transferencia de calor por conveccioacuten
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural se usoacute el software de MATLAB El par maacuteximo
corresponde a 28deg a partir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de
15380 N Es importante mencionar que el fabricante estimoacute un par maacuteximo de 300 Nm a 2700
rpm mientras que el software de MATLAB arrojoacute un resultado de 310 Nm Por lo que se da
por cumplido el objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoElaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de
un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
72
Respecto al anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico se encontroacute que para la fabricacioacuten de la biela es
recomendable la resistencia de la cedencia es decir un acero 4140 con una resistencia de 470
MPa (recosido) y de 862 MPa (normalizado) Con estos paraacutemetros la biela resistiraacute con toda
seguridad el impacto de carga y temperatura
52 Aportaciones originales
La presente investigacioacuten tiene cuatro aportaciones las cuales se describen a continuacioacuten
Un primer aporte de esta investigacioacuten consistioacute en haber realizado un anaacutelisis cinemaacutetico
considerando el desplazamiento la velocidad y aceleracioacuten lo cual fue el objeto de estudio
para producir cambios en la biela de un motor VW Golf MK4 GTI 18T Respecto a la revisioacuten
de las fuentes primarias se encontraron los fundamentos teoacutericos necesarios para la
elaboracioacuten de dicha investigacioacuten que al ser analizado y aplicado dio un diagnoacutestico de la
situacioacuten actual de las fallas de una biela
Una segunda aportacioacuten fue el haber realizado el anaacutelisis estaacutetico estructural para saber la
fuerza axial que actuacutea sobre la biela Para esto durante el anaacutelisis cineacutetico se utilizoacute el software
de MATLAB con el que se obtuvieron resultados del par-motor durante el movimiento de la
biela del PMS al PMI
La tercera aportacioacuten de esta investigacioacuten consistioacute en realizar un anaacutelisis teacutermico por
transferencia de calor para poder identificar la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
considerando tres tipos de mezcla que son 100 de aire mezcla pobre y mezcla rica Asiacute como
la determinacioacuten de la temperatura real de combustioacuten y sus mezclas correspondientes para
obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiometrica
La cuarta aportacioacuten de esta investigacioacuten fue la generacioacuten de la geometriacutea de la biela usando
el software en Solid Works posteriormente importada al software de ANSYS la obtencioacuten de
una solucioacuten precisa y con resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico transitorio y estructural
|
53 Recomendaciones para futuros estudios
Se recomienda para futuros estudios profundizar en la temaacutetica de mecaacutenica Los problemas que
deja abiertos esta investigacioacuten para futuros estudios son los siguientes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
73
Se evidencia la necesidad de que las empresas dedicadas a la fabricacioacuten de piezas mecaacutenicas
establezcan paraacutemetros y realicen simulaciones adecuadas de las piezas que conforman los
autos para que no tengan fallas en un futuro
Se recomienda realizar investigaciones en el aacuterea de mecaacutenica que deacute seguimiento a las liacuteneas
de investigacioacuten de termo fluidos y disentildeo implementando un laboratorio de pruebas de
motores de combustioacuten interna que aunado a la simulacioacuten los resultados seriacutean maacutes eficientes
Difusioacuten de los resultados de esta investigacioacuten con la presentacioacuten de los mismo en congresos
y revistas
Finalmente se recomienda realizar investigaciones correspondientes a las fallas mecaacutenicas
diferentes a las abordadas en este estudio en relacioacuten con los motores de combustioacuten interna y
los factores que inciden negativamente
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
74
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Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
80
ANEXOS
ANEXO I
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y utilizando la nomenclatura de la figura 22 se determinaron el
desplazamiento velocidad y aceleracioacuten correspondientes por medio del software de MATLAB
El anaacutelisis completo corresponde al movimiento alternativo durante un ciclo termodinaacutemico
DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN
Programa para determinar el desplazamiento ldquoxrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de
360 grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
81
ANEXO II
VELOCIDAD DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la velocidad ldquovrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
82
ANEXO III
ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la aceleracioacuten ldquoardquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
83
ANEXO IV
FUERZAS ALTERNATIVAS
En el anaacutelisis cineacutetico las fuerzas alternativas representan parte de la carga que actuacutea en el
pistoacuten considerando la aceleracioacuten del mismo en la segunda ley de Newton Se utilizoacute el
software de MATLAB durante este anaacutelisis
Programa para determinar las fuerzas alternativas de primer orden y segundo orden durante un
movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
84
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL DESPLAZAMIENTO
LA VELOCIDAD LA ACELERACIOacuteN Y FUERZAS ALTERNATIVAS DE INERCIA ES
syms x
Longitud de la Biela
L=144
Radio De La Manivela
r=0432
Carrera Del Piston
C=2r
Angulo entre eje de la biela con Cilindro (beta)
b=0
lamda=rL
________DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Deslizamiento angular de la Manivela (alpha)
a = 0pi184pi
Desplazamineto del Piston
x=r(1-cos(a))+L((1-(lamda^2)(sin(a))^2))^12
x=r(1-cos(a))
y=010720
subplot(221)
plot(yx)
ylabel(Desplazamiento Del Piston (m))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________VELOCIDAD DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Velocidad del Piston
V=diff (x)
y=010710
subplot(222)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
85
plot(yV)
ylabel(Velocidad Del Piston (ms))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Aceleracioacuten del Piston
A=diff (V)
y=010700
subplot(223)
plot(yA)
ylabel(Aceleracioacuten Del Piston (ms^2))
xlabel(GRADOS)
grid on
Masa
m=660
Revoluciones Por Minuto
n=2700
Velocidad Angular
W=(2pin)60
lamda=rL
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE PRIMER ORDEN_________
F1=m(W^2)rcos(a)biela de longitud infinita
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE SEGUNDO ORDEN_________
F2=m(W^2)rlamdacos(2a)biela de longitud infinita
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
86
F2=m(W^2)r(cos(a)+lamdacos(2a))biela de longitud finita
y=010720
subplot(224)
plot(yF1r-yF2b-)
ylabel(Fuerzas Alternativos (N))
xlabel(GRADOS)
legend(Fza Inercia 1deg Orden Fza Inercia 2deg Orden)
grid on
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
87
ANEXO V
ANAacuteLISIS DE LA FUERZA EN LA BIELA
Programa para determinar la fuerza durante el movimiento alternativo del pistoacuten
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA LA FUERZA EN LA
BIELA ES
Diagrama Par-Motor
function[F]=Fbexplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00432
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
88
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Fb=F(1-(lambda^2)(sin(alphar))^2)^05
plot(alphaFb)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Fuerza en la Biela N))
title(Fb Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
89
ANEXO VI
DIAGRAMA PAR-MOTOR
Programa para determinar el par-motor durante el movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
90
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL PAR-MOTOR ES
Diagrama Par-Motor
function[Mt1]=ParMotorExplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00437
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Mt1=Fr(sin(alphar))+(((lambdasin(alphar)))cos(alphar))(sqrt(1-
lambda^2((sin(alphar))^2)))
plot(alphaMt1)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Par Motor(Nm))
title(Par Motor Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
91
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
92
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IV
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten 19
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal 21
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes 22
271 Clasificacioacuten de los cojinetes 23
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos 25
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos 25
29 Sistema de encendido 27
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa 27
292 Ventajas de la inyeccioacuten directa 28
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa 28
294 Descripcioacuten del proceso de encendido 29
495 Componentes del sistema de encendido 30
210 Sobrecalentamiento 30
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor 32
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor 33
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor 33
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico 34
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA 36
31 Enfoque de la investigacioacuten 36
32 Alcance de la investigacioacuten 37
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis 38
34 Disentildeo de la investigacioacuten 39
35 Seleccioacuten de la muestra 40
36 Recoleccioacuten de datos 41
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos 42
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS 43
41 Generalidades 43
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T 44
421 Aplicaciones del 18T 44
43 Anaacutelisis de datos 45
431 Anaacutelisis cinemaacutetico 45
432 Anaacutelisis cineacutetico 48
433 Anaacutelisis termodinaacutemico 50
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
V
434 Temperatura real de combustioacuten 59
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten 64
44 Simulacioacuten 66
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN 70
51 Conclusiones relativas a los objetivos 70
52 Aportaciones originales 72
53 Recomendaciones para futuros estudios 72
REFERENCIAS 74
ANEXOS 80
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS 91
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VI
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 1Estado del arte 9
Figura 2 Motor eleacutectrico 11
Figura3 Motor hiacutebrido 12
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas) 13
Figura 5 Motor de combustioacuten interna 14
Figura 6Biela 17
Figura 7 Partes de la biela 18
Figura8 Pistoacuten 19
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela 20
Figura 10Ciguentildeal 21
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal 22
Figura 12Cojinetes 22
Figura 13Cojinetes de friccioacuten 24
Figura 14Cojinetes de rodamiento 24
Figura 15Motor de cuatro tiempos 25
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos 26
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa 27
Figura18 Sistema de encendido 29
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo 36
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna 43
Figura 21VW Golf 44
Figura 22 Nomenclatura 45
Figura 23 Desplazamiento 46
Figura 24Velocidad del pistoacuten 47
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten 47
Figura 26Fuerzas alternativas 48
Figura 27 Fuerzas en la biela 49
Figura 28Diagrama par-motor 49
Figura 29Par-motor de explosioacuten 50
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen 51
Figura 31 Eficiencia teacutermica 53
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor 55
Figura 33Modelo de malla 66
Figura 34Distribucioacuten de temperatura 67
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural 67
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela 68
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela 68
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela 69
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VII
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Conceptualizacioacuten de variable 39
Tabla 2 Caracteriacutesticas del motor 40
Tabla 3 Porcentaje de composicioacuten quiacutemica del acero usado 41
Tabla 4 Tratamiento teacutermico y propiedades mecaacutenicas 41
Tabla 5 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica 56
Tabla 6 Valores de entalpiacutea para mezcla pobre 57
Tabla 7 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica 57
Tabla 8 Valores de entalpiacutea para mezcla rica 58
Tabla 9 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla teoacuterica real 60
Tabla 10 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica real 61
Tabla 11 entalpia de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla pobre real 62
Tabla 12 Valores de entalpiacuteas para mezcla pobre real 62
Tabla 13 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica real 64
Tabla 14 Valores de entalpiacuteas para mezcla rica real 64
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VIII
RESUMEN
Esta investigacioacuten es de tipo y alcance exploratorio descriptivo correlacional y explicativo con un
enfoque mecaacutenico y cuantitativo Que tiene la finalidad de identificar las fallas en una biela que es
una parte moacutevil de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido
por chispa (ECH) accionado con octano Mediante el anaacutelisis del comportamiento teacutermico y
estructural del objeto de estudio de esta investigacioacuten con base en los tres posibles diagramas para
mezclas de aire combustible estequiomeacutetrica rica y pobre y mediante el anaacutelisis de transferencia
de calor por conveccioacuten se determina el coeficiente correspondiente para cuando la biela es
sometida a sobrecalentamiento Subsecuentemente se realizaron los anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico
con base caracteriacutesticas del motor VW Golf MK4 Gti 18T utilizando el software de MATLAB
Posteriormente se generoacute la geometriacutea de la biela con dimensiones reales en el software
SOLIDWORKS por uacuteltimo se simulo el comportamiento y reaccioacuten la biela tanto para un flujo
teacutermico transitorio como estructural en ANSYS Los resultados obtenidos muestran que los
esfuerzos y deformaciones en la biela en comparacioacuten con los liacutemites de cedencia del material se
encuentran dentro de los liacutemites permisibles ademaacutes de la identificacioacuten de los puntos vulnerables
a una posible falla o fractura
Palabras clave biela motor de combustioacuten interna sobrecalentamiento termo-estaacutetico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IX
ABSTRACT
This research is of type and scope exploratory descriptive correlational and explanatory with
a mechanical and quantitative approach Which has the purpose of identifying the faults in a
connecting rod that is a moving part of a four-stroke internal combustion engine and four cylinders
ignition by spark powered by octane When analyzing the thermal and structural behavior of the
object of study of this research based on the three possible diagrams for combustible air mixtures
stoichiometric rich and poor and by analysis of heat transfer by convection the corresponding
coefficient is determined for when the connecting rod is subjected to overheating Subsequently
kinetic and kinematic analyzes were performed based on the characteristics of the VW Golf MK4
Gti 18T engine using the MATLAB software Following the geometry of the connecting rod with
real dimensions was generated in the SOLIDWORKS software Finally the behavior and reaction
of the connecting rod were simulated both for transient and structural thermal flow in ANSYS
The results obtained show that the efforts and the deformations in the connecting rod in
comparison with the performance limits of the material are within the permissible limits in
addition to the identification of the vulnerable points before a possible failure or fracture
Keywords connecting rod internal combustion engine overheating thermo-static
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
1
INTRODUCCIOacuteN
Los motores de combustioacuten interna son los maacutes usados en los automoacuteviles los cuales en
ocasiones presentan fallas mecaacutenicas tan diversas como la cantidad de componentes del motor
Diferentes autores han determinado dentro de la diversidad de problemas relacionados con la biela
del motor los siguientes la fatiga el pasador que conecta a la biela del pistoacuten el cual recibe una
gran cantidad de desgaste el motor revolucionado el agua que ingresa al cilindro del motor en el
momento de la chispa la cual puede ocasionar que la biela se doble y deformaciones de la biela por
sobrecalentamiento por ello es importante que el sistema de lubricacioacuten se encuentre en buen
estado Asociado a esto es importante que se verifique el tratamiento teacutermico de los ciguumlentildeales de
tal forma que se tenga una resistencia adecuada Que en caso de presentarse alguno de estos
problemas la reparacioacuten del motor implica no solo la reposicioacuten de la biela sino de todas las piezas
afectas e incluso el cambio o restitucioacuten completa del motor
1 Planteamiento del problema
Preferentemente cuando se realiza la reparacioacuten de un motor de auto se debe comprobar el
estado de todas las piezas moacuteviles y fijas antes de la realizacioacuten de un trabajo de verificacioacuten pero
en la mayoriacutea de ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa revisioacuten de su estado
Una biela es un elemento fundamental en el funcionamiento de un motor ya que trasforma la
energiacutea quiacutemica generada por la combustioacuten en una energiacutea cineacutetica siendo el enlace entre la
absorcioacuten de la energiacutea mecaacutenica por lo que la biela es el elemento maacutes tensionado de un motor
y su correcto disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes Por lo anterior la biela es robusta en su
disentildeo pero a la vez debe ser lo maacutes ligera posible para reducir la inercia y soportar los esfuerzos
mecaacutenicos a los que se encuentra sometida [1]
La biela soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del
ciguumlentildeal hacia arriba un trabajo realmente duro el que realiza la biela Se construye de acero
forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al material aguantar ese inmenso
trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta conseguir la forma de la biela
[2]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
2
Asociado a esto al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentan desgastes excesivos y prematuros los cuales pueden ocasionar una falla es por esto
importante considerar un buen sistema de lubricacioacuten durante el funcionamiento del motor La
temperatura en la caacutemara de combustioacuten debe ser superior a los 2000 degK siendo eacutesta una
temperatura instantaacutenea pues disminuye durante el tiempo de expansioacuten y escape de gases Es por
lo tanto necesario disipar el calor producido en la explosioacuten y si el sistema no funciona
correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como consecuencia
deformaciones importantes por sobrecalentamiento [3]
Una biela arqueada o retorcida sobre su eje provoca un ruido en el motor y este arqueamiento es
ocasionado por un diaacutemetro excesivo en el pie o cabeza de la biela o por un peso inadecuado del
elemento [4] En la rectificacioacuten de un motor de combustioacuten interna se rectifican 21 brazos de biela
en un mes lo que significa que estos elementos no son cambiados ya que los brazos de biela estaacuten
disentildeados para tener una vida infinita y estaacute sometido a millones de repeticiones de ciclos de carga
[5]
Es pertinente mencionar que con relacioacuten a las fallas mecaacutenicas de los motores relacionadas a la
biela de un motor se han encontrado investigaciones realizadas en diversos paiacuteses como Ecuador
Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico las cuales se detallan en apartados posteriores Que
conjuntamente a la constante evolucioacuten tecnoloacutegica de la ingenieriacutea en general y el disentildeo
mecaacutenico en particular se decidioacute analizar cuaacuteles son los factores que influyen en el
comportamiento de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) Se
plantea entonces el siguiente problema de investigacioacuten
iquestCuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor de VW1 Golf MK4 Gti
18 T
1 Propoacutesito de la investigacioacuten
El propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar y analizar el comportamiento
termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) que
1 VW Agencia de Autos VolksWagen
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
3
es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico La finalidad es identificar las
fallas de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros
encendido por chispa accionado por gasolina que sirva de apoyo para el buen funcionamiento de
la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten
Frecuentemente la reparacioacuten de un auto depende del cuidado y buen mantenimiento que se deacute
al vehiacuteculo caso contrario esto va influir en el desgaste anticipado de los elementos fijos y moacuteviles
de un motor Ademaacutes en muchas ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa
revisioacuten de su estado o de un anaacutelisis de sus propiedades mecaacutenicas Por tales razones la
justificacioacuten de la presente investigacioacuten estaacute basado en diferentes aspectos los cuales se describen
a continuacioacuten
Conveniencia Reparar el motor tiene varias fases y las fallas tienen diferentes consecuencias
por lo cual hay que hacer un buen diagnoacutestico en cada una de sus piezas principalmente en las
bielas sin embargo no se conoce especiacuteficamente cuales son los problemas que origina la
falla de esta pieza El resultado esperado para la presente investigacioacuten seraacute realizar un anaacutelisis
termo-estaacutetico que permitiraacute identificar los esfuerzos y deformaciones para tomar decisiones
acertadas y precauciones de riesgo que puede generar el sobrecalentamiento del motor
Implicacioacuten praacutectica El analizar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un
motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa
permitiraacute determinar la fuerza axial para posteriormente identificar la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica Con estos datos junto con la simulacioacuten de la geometriacutea estaacutetica y
estructural de la biela permitiraacuten identificar posibles deformaciones Los resultados podraacuten
confirmar su aplicabilidad ya que ayudaraacuten a tomar precauciones importantes para que el
motor tenga un excelente funcionamiento evitando riesgos fatales que pueden extenderse a la
destruccioacuten total del motor Se evidenciaraacute la necesidad de maacutes investigaciones destacaacutendose
los beneficios de la simulacioacuten poniendo en evidencia su relevancia social y su practicidad
Finalmente este estudio participa en el avance positivo en el campo de la ingenieriacutea mecaacutenica
Relevancia Social Al tener una posible solucioacuten aproximada mediante el anaacutelisis del
elemento finito el anaacutelisis estructural de la fuerza sobre la biela y la realizacioacuten de la
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
4
simulacioacuten para esfuerzos y deformaciones se podraacuten tener productos de calidad a menor
costo mejorar los procesos existentes y tambieacuten estudiar fallos de un componente estructural
o un equipo teniendo un impacto positivo debido a que permitiraacute que el motor de combustioacuten
interna tenga menos dantildeos
Valor Teoacuterico La elaboracioacuten del trabajo de investigacioacuten traeraacute como beneficio
herramientas metodoloacutegicas para estudios relacionados con las ciencias exactas
contribuyendo con aportes significativos a la aplicacioacuten de la teoriacutea de motores de combustioacuten
interna lo que permitiraacute el enriquecimiento de la ingenieriacutea mecaacutenica
3 Objetivos
31 Objetivo general
Analizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor VW Golf MK4
Gti 18T
32 Objetivos especiacuteficos
Identificar el comportamiento termo - estaacutetico de la biela en un motor de combustioacuten interna
de 4 tiempos y 4 cilindros encendido por chispa
Determinacioacuten de la fuerza axial que actuacutea en una biela en un motor VW Golf MK4 Gti 18T
Obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiomeacutetrica
Identificar posibles deformaciones de la biela con base en la simulacioacuten de su geometriacutea
estaacutetica y estructural
Elaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de un motor VW Golf MK4 Gti 18T
4 Alcances
La investigacioacuten se realizoacute en una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos
y cuatro cilindros encendido por chispa
Se trabajaron las etapas de anaacutelisis termo - estaacutetico y determinacioacuten de la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica dentro de la caacutemara del cilindro
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
5
Para la realizacioacuten de estas etapas se utilizoacute el software SolidWorks para generar la geometriacutea
real de la biela Se utilizoacute asiacute mismo ANSYS para la simulacioacuten estaacutetica estructural para
identificar esfuerzos y deformaciones de la biela
5 Organizacioacuten del estudio
El desarrollo de esta investigacioacuten comprende cinco capiacutetulos los cuales se describen a
continuacioacuten
Capiacutetulo 1 Estado del Arte la descripcioacuten de las investigaciones relacioacuten a las fallas
mecaacutenicas de los motores relacionadas a la biela de un motor relacionadas en diversos paiacuteses
como Ecuador Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico
Capiacutetulo 2 Marco Teoacuterico se desarrolla inicialmente el marco conceptual sobre las bielas los
componentes de las bielas anaacutelisis estaacutetico y teacutermico motor de combustioacuten haciendo eacutenfasis en
el disentildeo mecaacutenico de una biela
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea se abordan los aspectos metodoloacutegicos de la investigacioacuten como son
enfoque alcance formulacioacuten de hipoacutetesis disentildeo seleccioacuten de la muestra recoleccioacuten de datos
y el procesamiento y anaacutelisis de datos
Capiacutetulo 4 Anaacutelisis e interpretacioacuten de Resultados se analizan e interpretan los resultados
obtenidos en las pruebas de simulacioacuten
Capiacutetulo 5 Conclusiones y Recomendaciones se presentan las conclusiones
recomendaciones y aportaciones de la experiencia adquirida durante la investigacioacuten realizada
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
6
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE
Como ya se mencionoacute anteriormente el propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar
y analizar el comportamiento termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa (ECH) que es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico
Y con la finalidad de identificar las fallas de la biela y que estos resultados sirvan de apoyo para el
buen funcionamiento de la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
Resultado de la buacutesqueda sobre las investigaciones relacionadas con el propoacutesito de esta
investigacioacuten Se encontroacute que en Ecuador Reyes Cantildeizares y Villacres [6] realizaron un estudio
el cual consistioacute en analizar un brazo de biela de un motor que ha alcanzado el kilometraje
necesario para una reparacioacuten y no presenta ninguna falla en su estructura y comparar los
resultados con el brazo de una biela nueva Para desarrollar este anaacutelisis realizaron un ensayo de
traccioacuten bajo la norma ASTM con el fin de obtener los valores del liacutemite de fluencia y la resistencia
a la traccioacuten del material del que estaacute hecho el elemento A partir de los resultados obtenidos los
valores praacutecticos de las propiedades mecaacutenicas de los brazos de biela cumplen con los datos
teoacutericos del tipo de material del cual estaacuten fabricadas A su vez se demostroacute que el brazo de biela
de un vehiacuteculo con un recorrido de 1197599 km mejoroacute su estructura y sus propiedades
mecaacutenicas debido a la temperatura de los ciclos de trabajo del motor que van entre los 800 y 950
degC Los resultados mostraron que las propiedades mecaacutenicas del elemento mejoraron con el tiempo
y con la temperatura de funcionamiento del motor debido al tratamiento teacutermico de normalizacioacuten
A partir de los anaacutelisis realizados se determinoacute que el brazo de biela usado se encuentra en
condiciones oacuteptimas para ser utilizado en una reparacioacuten de motor asegurando asiacute el adecuado
funcionamiento y evitando el reemplazo del elemento lo que dio como resultado un ahorro
econoacutemico
Estudios elaborados en Brasil por Valdeacutez et al [7] indican que los motores de combustioacuten
interna son los maacutes usuales en los automoacuteviles y sirven para producir fuerza Entre los problemas
que se han encontrado son las fallas de las bielas relacionadas con otras fallas y especiacuteficamente
de los ciguumlentildeales los cuales fueron analizados dando un incorrecto rectificado de los muntildeones
produciendo alta generacioacuten de calor sobre las superficies en contacto originando pequentildeas fisuras
por fatiga teacutermica El valor de dureza promedio obtenido del nuacutecleo del ciguumlentildeal fue de 26 puntos
en la escala Rockwell C que equivale aproximadamente a 255 puntos en la escala Brinell y a una
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
7
resistencia de 85 kgmm2 Se concluye que el tratamiento teacutermico de bonificado realizado sobre el
ciguumlentildeal se desarrolloacute fuera de las normas obtenieacutendose una resistencia menor al liacutemite miacutenimo
recomendado De los resultados del anaacutelisis metalograacutefico se pudo identificar la presencia de
austenita retenida cuya proporcioacuten afecta inversamente la dureza y la resistencia final En los
resultados que se obtuvieron los autores mencionan que es necesario realizar un tratamiento
teacutermico de endurecimiento superficial como la nitruracioacuten Tambieacuten recomiendan estudiar la
bitaacutecora del tratamiento teacutermico utilizado en la produccioacuten del ciguumlentildeal con el fin de identificar
la etapa del tratamiento teacutermico que presenta el problema [8]
De igual forma indagaciones elaboradas en Argentina por Cravino et Al [9] mencionan que
existen diversos problemas cuando llegan a tener fallas las bielas de un motor por lo que los
autores mencionan que analizaron las dificultades desde el punto de vista dimensional metaluacutergico
y mecaacutenico a fin de determinar las causas probables de dichas fallas Seguacuten los resultados
obtenidos el material de la biela corresponde a un acero del tipo SAE 1141 que no concuerda con
el requerido por el fabricante No se encontraron defectos microestructurales o superficiales en el
material asociados con la falla La superficie de fractura presenta un comienzo deacutebil que finaliza
con las caracteriacutesticas fibrosas de un proceso duacutectil La causa probable de la falla del componente
se atribuye a una sobrecarga que produjo superacioacuten en el liacutemite elaacutestico del material y que
posteriormente dio lugar al pandeo plaacutestico del componente variando su geometriacutea y
fracturaacutendose totalmente Esta falla se debioacute a que el elemento estuvo sometido a un esfuerzo
mayor al que corresponderiacutea en condiciones normales de funcionamiento
Estudios realizados en Espantildea por Gonzaacutelez [10] mencionan que la naturaleza de las fuerzas que
afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de inercia En la
investigacioacuten sobre el disentildeo de una biela el autor utilizoacute el software de aplicacioacuten Working Model
que ayudoacute para el anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico mediante la simulacioacuten La finalidad fue calcular
las fuerzas aplicadas en la cabeza y el pie de la biela para posteriormente hacer un anaacutelisis de
elementos finitos que definieran los esfuerzos En los resultados obtenidos se logroacute disminuir la
longitud de la biela la cual permitioacute compactar maacutes el motor y reducir su peso De esta forma el
consumo y las emisiones del motor seraacuten menores que es uno de los grandes objetivos actualmente
de la industria automoviliacutestica Al realizar la simulacioacuten para el pandeo de la biela se aplicoacute un
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
8
valor de α2=2 obteniendo una carga criacutetica de pandeo de 3799522 N por lo que la carga para
evitar el fenoacutemeno de pandeo es σpandeo3 = 15663 MPa Con estos datos el autor afirma que la
biela no va a sufrir pandeo en ninguacuten caso considerando ademaacutes que el cuerpo estaacute
sobredimensionado
Aunado a lo anterior investigaciones realizadas en Meacutexico por Espinoza indican que las fallas
de los autos se deben al kilometraje recorrido de los cuales causan desgastes inevitables para el
motor provocando todo tipo de fallas incluyendo los de las bielas Los propietarios de los
vehiacuteculos necesitan por lo tanto recurrir a expertos que reparen los vehiacuteculos y garanticen su
funcionamiento [11] En el Estado de Meacutexico en especial en la zona de Texcoco se cuenta con
talleres que se encargan de la reparacioacuten de vehiacuteculos en general Eacutestos aun cuando ofrecen el
servicio de reparacioacuten de motores no trabajan directamente con este tipo de especiacutefico de
reparacioacuten sino que acuden a talleres especializados en rectificacioacuten para remediar los dantildeos
internos en los mismos Muchas veces no se dedican a la reparacioacuten de fallas de bielas debido a
que existen muchos factores que influyen en este tipo de descompostura En los motores la
principal fuente de energiacutea es la gasolina que es el combustible empleado con mayor frecuencia
por lo tanto es importante la calidad de ella para el oacuteptimo funcionamiento [12]
De igual forma Riesco et al [13] en estudios realizados en Hidalgo para comparar los modelos
de transferencia de calor y duracioacuten de la combustioacuten en el comportamiento de los ciclos
termodinaacutemicos de los motores de combustioacuten interna alternativos Dentro de los resultados
obtenidos los autores mencionan que los ciclos de aire estaacutendar con leyes de quemado permiten
tener resultados maacutes aproximados a los reales que los ciclos teoacutericos de aire estaacutendar Esto se debe
principalmente a que con los meacutetodos de simulacioacuten se toman en cuenta las peacuterdidas de energiacutea
por refrigeracioacuten y no se supone que la adicioacuten de calor se realice a presioacuten o volumen constante
sino que su velocidad se controla mediante expresiones empiacutericas Los resultados muestran que la
eleccioacuten tanto del modelo de transferencia de calor como el de la duracioacuten de la combustioacuten es
muy subjetiva y debido a que los sistemas de los motores se cambian contantemente se deberaacuten
ajustar las constantes que aparecen en dichos modelos para cada motor en particular
2 Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente a PMS 3 Inestabilidad elaacutestica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos y que se manifiesta por la aparicioacuten de
desplazamientos importantes transversales a la direccioacuten principal e compresioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
9
Figura 1Estado del arte
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
10
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
Un auto estaacute compuesto por diferentes piezas entre las cuales se encuentran filtro de aire
carburador distribuidor bomba de gasolina bobina de encendido filtro de aceite bomba de aceite
caacuterter aceite lubricante toma de aceite cables de alta tensioacuten de bujiacuteas bujiacutea balanciacuten muelle de
vaacutelvula vaacutelvula de escape vaacutelvula de admisioacuten lumbrera de admisioacuten caacutemara de combustioacuten
varilla empujadora aacuterbol de levas aros de pistoacuten pistoacuten biela buloacuten ciguumlentildeal muacuteltiple de escape
refrigeracioacuten del motor varilla medidora de aceite volante y motor de arranque
21 Conceptualizacioacuten del motor
La palabra motor proviene del latiacuten motoris que significa mover y en lo que se refiere a
automoacuteviles estos se encuentran disentildeados por varios elementos entre los cuales se encuentran los
motores el cual da vida a un auto sin eacutel no hay movimiento Un automoacutevil utiliza una fuente de
energiacutea mecaacutenica para poder moverse la cual se obtiene mediante una transformacioacuten de otros tipos
de energiacutea dentro del motor como la eleacutectrica de combustioacuten o la combinacioacuten de ambas
Seguacuten Renzo [14] el motor de un auto es un motor de combustioacuten interna el cual obtiene energiacutea
mecaacutenica desde la energiacutea quiacutemica que se genera cuando explota el combustible en el interior El
motor estaacute formado por un conjunto de caacutemaras de combustioacuten llamadas cilindros dentro de las
cuales se producen sus cuatro tiempos de funcionamiento admisioacuten compresioacuten explosioacuten y
escape
Para Fersainz [15] un motor es una maacutequina que convierte el calor producido por la explosioacuten
(en el caso de los de gasolina) o la combustioacuten (en el caso de dieacutesel) del combustible en un
movimiento con suficiente fuerza para que las ruedas giren y el vehiacuteculo pueda desplazarse El
autor menciona que en los motores convencionales los autos se ponen en movimiento debido a
una chispa que se genera en la mezcla de vapor de combustible y aire comprimido dentro de un
cilindro sellado haciendo que la mezcla se queme raacutepidamente y proporciona energiacutea
Se puede concluir que un motor es una maacutequina compuesta por varios elementos el cual puede
proporcionar energiacutea utilizando alguacuten tipo de combustible para que tenga un funcionamiento
adecuado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
11
22 Clasificacioacuten de motores
Existen diferentes tipos de motores entre los cuales se encuentran los eleacutectricos los teacutermicos
eacutestos se subdividen en motores de combustioacuten externa e interna y los hiacutebridos Los cuales se
describen a continuacioacuten
221 Motores eleacutectricos
En este tipo de autos el combustible utilizado es la electricidad Eacutesta se convierte en energiacutea
mecaacutenica mediante una interaccioacuten entre campos magneacuteticos opuestos generados por imanes y un
conductor de electricidad Debido a una constante atraccioacuten y repulsioacuten magneacutetica entre ellos se
produce una rotacioacuten continua dentro del motor generando energiacutea necesaria para el movimiento
del vehiacuteculo [16] La figura 2 muestra un motor eleacutectrico
Para Enriquez [17] los motores eleacutectricos representan los caballos de batalla de la industria y
del movimiento en general Su uso se da ademaacutes en hospitales escuelas edificios de oficinas y
centros comerciales en donde se usan para aplicaciones en suministro de agua calefaccioacuten
enfriamiento y muchas otras rutinas de trabajo Estos motores son usados en los automoacuteviles
modernos aunque son maacutes complejos que el simple cableado eleacutectrico y se usan en casi todos los
aspectos operativos del automoacutevil [18]
Un motor eleacutectrico transforma la energiacutea eleacutectrica en energiacutea mecaacutenica para impulsar el
funcionamiento de una maacutequina [19]
Figura 2 Motor eleacutectrico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
12
Se puede concluir que un motor eleacutectrico es una maacutequina que tiene la capacidad de transformar
energiacutea eleacutectrica en mecaacutenica de tal forma que permita el movimiento de un vehiacuteculo Su tamantildeo
y su volumen es reducido y su potencia puede ser alta
222 Motores teacutermicos
Los motores teacutermicos son maacutequinas que tienen por objeto transformar energiacutea caloriacutefica en
energiacutea mecaacutenica directamente utilizable [20] Eacutestos se clasifican en motores de combustioacuten
externa y motores de combustioacuten interna los cuales se describen en las secciones 224 y 23
respectivamente
223 Motores hiacutebridos
Un sistema hiacutebrido se basa en una fuente de combustioacuten interna de gasolina combinado con un
motor eleacutectrico para propulsar el vehiacuteculo tal como se visualiza en la figura 3
Este tipo de motor reduce las emisiones y aumenta la eficiencia de combustible Los vehiacuteculos
hiacutebridos utilizan la energiacutea mucho maacutes eficientemente que los sistemas de gasolina convencionales
[19] Se denomina motor hiacutebrido a un vehiacuteculo en el cual la energiacutea eleacutectrica que lo impulsa
proviene de bateriacuteas y de un motor de combustioacuten interna que mueve un generador Entre sus
ventajas se encuentran 1) su autonomiacutea ya que eacutesta depende del combustible almacenado en el
tanque 2) tiene un alto y uniforme rendimiento incluso a bajas temperaturas 3) el motor de
combustioacuten interna funciona bajo un estrecho margen de carga y velocidad lo que incrementa su
eficiencia [21]
Figura3 Motor hiacutebrido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
13
Para Chang [22] un motor hiacutebrido es aquel que combina un motor de combustioacuten interna y un
motor eleacutectrico los cuales tienen una mayor eficiencia energeacutetica y esto se debe a que este tipo de
motores son maacutes pequentildeos y por lo tanto consumen poca energiacutea
Por lo expuesto anteriormente se puede decir que un motor hiacutebrido es aquel que tiene una
combinacioacuten de un motor de combustioacuten interna y un motor eleacutectrico Esta combinacioacuten optimiza
su funcionamiento para un mejor rendimiento
224 Motores de combustioacuten externa
En la figura 4 se muestra un ejemplo de motor de combustioacuten externa Al igual que los motores
de combustioacuten interna son motores teacutermicos en los cuales el motor alcanza un estado teacutermico
mayor mediante la transmisioacuten de energiacutea teacutermica [23]
Su principal funcioacuten es hacer trabajo mecaacutenico a expensas de la expansioacuten y contraccioacuten de un
gas en un recinto cerrado El motor cuenta con un desplazador que hace que el gas pase de la zona
friacutea a la zona caliente y luego a la zona friacutea nuevamente producieacutendose consecuentemente su
tendencia a la expansioacuten y su posterior contraccioacuten [24]
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
14
Los motores de combustioacuten externa seguacuten Meza [24] son maacutequinas que realizan una conversioacuten
de energiacutea caloriacutefica en energiacutea mecaacutenica El rendimiento teacutermico de estos los motores se ve
limitado por varios factores principalmente por la peacuterdida de energiacutea por la friccioacuten y la
refrigeracioacuten
23 Motores de combustioacuten interna
Un motor de combustioacuten interna es un motor teacutermico en el cual se produce una combustioacuten del
fluido del motor transformando la energiacutea quiacutemica en teacutermica a partir de la cual se obtiene energiacutea
mecaacutenica Un ejemplo de este tipo de motor se aprecia en la figura 5
Estos motores tienen como principal fuente de energiacutea la gasolina Eacuteste es el combustible
empleado con mayor frecuencia por lo que es importante su calidad para un oacuteptimo
funcionamiento Un buen combustible debe tener un octanage aceptable ya que la gasolina debe
explotar dentro del cilindro para generar el movimiento del pistoacuten [26]
Este tipo de motores transforma el calor generado por el combustible ya sea dieacutesel o gasolina
en movimiento mecaacutenico del automoacutevil Durante este proceso el oxiacutegeno del aire se mezcla con el
combustible y hace que este uacuteltimo explote (en el caso de la gasolina) generando gases cuya fuerza
de expansioacuten teacutermica acciona sobre el pistoacuten que a su vez empuja el ciguumlentildeal y hace que eacuteste
ponga en movimiento las ruedas del automoacutevil [28]
Figura 5 Motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
15
Seguacuten Creus [29] un motor de combustioacuten interna utiliza la energiacutea interna del combustible para
que el motor realice un trabajo Dichos motores son ampliamente utilizados como fuentes de
alimentacioacuten en lugares de difiacutecil acceso Sin embargo los motores de combustioacuten interna de
dieacutesel tienen un rango de fallo por cada antildeo de explotacioacuten de entre 25 a 50
Se conoce como motores de combustioacuten interna (o endoteacutermicos) alternativos a cualquier tipo de
maacutequinas que a partir de energiacutea quiacutemica sean capaces de convertirla y obtener energiacutea mecaacutenica
para su uso El arranque de los motores se lleva a cabo en su caacutemara interna y sucede al momento
de ser encendido [20]
El motor de combustioacuten interna es la unidad energeacutetica y motriz de los medios de transporte
maacutequinas y equipos que se utilizan en actividades de diversas ramas de la economiacutea [30]
Se puede decir que un motor de combustioacuten interna es aquel que es capaz de convertir la energiacutea
quiacutemica en mecaacutenica para que se pueda utilizar de manera oacuteptima
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna
La clasificacioacuten de los motores puede ser extensa esto debido al disentildeo y mecanismos
mecaacutenicos A continuacioacuten se describen algunas clasificaciones
Respecto a la forma de los cilindros Su distribucioacuten puede ser en ldquoVrdquo o ldquoen liacuteneardquo esto
depende de la cantidad de cilindros existentes los cuales van en funcioacuten de la potencia del
motor Normalmente los motores de automoacuteviles son de 4 o 6 cilindros distribuidos en ldquoVrdquo
Referente a la forma de refrigeracioacuten Pueden ser refrigerados por liacutequido que normalmente
es agua donde el calor es evacuado al radiador del auto Tambieacuten pueden ser refrigerados por
aire donde se necesita de un ventilador que ayude a circular el aire alrededor del motor
Concerniente a las caras de los pistones Los motores convencionales utilizan una cara activa
de los pistones que se conocen como pistones de simple efecto Son aquellos que se
encuentran en contacto con el fluido activo y recibe el impacto de la energiacutea quiacutemica De igual
forma existen motores que utilizan los pistones de doble efecto los cuales funcionan en dos
direcciones y usan dos cilindros con dos pistones y dos bielas conectados a su respectivo
ciguumlentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
16
Respecto a la presioacuten del aire a la caacutemara de combustioacuten En las maacutequinas convencionales
el aire de la atmoacutesfera entra directamente a la caacutemara y la presioacuten es la atmosfeacuterica Dichos
motores usan un comprensor que se encargan de comprimir el fluido antes de conducirlo al
interior del motor
Referente a la introduccioacuten de combustible a la caacutemara interna Se clasifican en motores
de inyeccioacuten y carburacioacuten en estos uacuteltimos se mezclan los fluidos operantes para
posteriormente introducirlo a la caacutemara por medio de una vaacutelvula reguladora
Concerniente al ciclo operativo Se refiere a la cantidad de operaciones que el fluido activo
ejecuta en el cilindro La duracioacuten del ciclo la mide el pistoacuten
Respecto al tipo de encendido Esta clasificacioacuten radica en el modo de encendido con el ciclo
termodinaacutemico con el que opera la maacutequina [28]
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna
Los elementos de un motor de combustioacuten interna son biela pistoacuten y ciguumlentildeal los cuales se
describen en los siguientes apartados
24 Conceptualizacioacuten de la biela
La biela es el elemento del motor encargado de transmitir al ciguumlentildeal la presioacuten de los gases que
actuacutea sobre el pistoacuten Es un elemento de difiacutecil lubricacioacuten y es una parte criacutetica del motor por lo
que su disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes [31] Por lo general las bielas se fabrican de acero
templado aunque en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio
[32] tal como se muestra en la figura 6
Para Morillo Ibaquingo amp Benavides [33] una biela es un elemento mecaacutenico que conecta el
pistoacuten al ciguumlentildeal Sirve ademaacutes para transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
transformando esta fuerza de lineal a rotativa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
17
Figura 6Biela
Para Alzalluacute [34] por o tro lado la biela se encuentra intercalada entre el pistoacuten y el ciguumlentildeal
Soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del ciguumlentildeal hacia
arriba Se construyen de acero forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al
material aguantar ese inmenso trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta
conseguir la forma de la biela Su cuerpo adopta una forma de ldquodoble Trdquo
Las bielas estaacuten sometidas en su trabajo a esfuerzos de compresioacuten traccioacuten y tambieacuten de flexioacuten
muy grandes y por ello se fabrican con materiales resistentes pero a la vez han de ser lo maacutes
ligeros posibles Generalmente estaacuten fabricadas de acero con silicio manganeso y cromo Son
perforadas es decir se les crea un conducto por donde circula el aceite bajo presioacuten desde la
cabeza hasta el pasador con el fin de lograr una buena lubricacioacuten [27]
241 Elementos de una biela
En la figura 7 como puede apreciarse estaacute conformada por el pie que es el extremo que va
unido al buloacuten que a su vez va enganchado en el ciguumlentildeal Este es el extremo maacutes pequentildeo de la
biela El Cuerpo es la zona central de la biela que debe soportar la mayor parte de los esfuerzos
pero al estar en continuo movimiento tambieacuten debe de ser ligero por ello se suele construir con
forma de doble T
La Cabeza igual que el Pie y Cuerpo es la parte que va unida al ciguumlentildeal A diferencia del pie la
cabeza va dividida en dos mitades una de ellas unida al cuerpo y la otra (sombrerete) separada de
eacuteste requirieacutendose dos tornillos para unirse a eacutel Estaacuten tambieacuten el casquillo o cojinete Tornillos
de dilatacioacuten y vaacutestago de biela Por lo general las bielas se fabrican de acero templado aunque
en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio [35]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
18
Figura 7 Partes de la biela
La biela es la pieza que estaacute encargada de transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela
Los metales de los que estaacuten hechas las bielas deben reunir diversas caracteriacutesticas las cuales se
describen a continuacioacuten
Resistencia a la fatiga La firmeza que recubre a la biela debe ser mayor que la presioacuten de la
carga dinaacutemica en la peliacutecula del aceite mayor de las cargas de explosiones en la caacutemara de
combustioacuten y mayor que las cargas por inercia de las masas rotantes
Conformidad El casquillo del metal de la biela debe tener la geometriacutea exacta para mantener
el aceite en un nivel consistente con la resistencia a la fatiga de la aleacioacuten
Compatibilidad Es la resistencia que tiene el material de las diferentes aacutereas de unioacuten
Resistencia a la corrosioacuten El lubricante debe tener un determinado grado de acidez que
corroeraacute la superficie del material por lo que el metal de la biela debe ser capaz de resistir lo
mejor posible este efecto
Incrustabilidad En el aceite de los motores se encuentran partiacuteculas de basura que la
superficie del metal de la biela debe ser capaz de aceptar con el menor dantildeo posible [36]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
19
243 Fallas en las bielas del motor
Existen diferentes circunstancias por las que puede fallar una biela en un motor entre las cuales se
encuentran
Fatiga Es una falla de las bielas rotas y aunque la estructura de las bielas de motor estaacute hecha
para resistir las altas fatigas producto de las altas revoluciones en el motor esto no duraraacute para
siempre
Pasador El pasador que conecta la biela al pistoacuten recibe una gran cantidad de desgaste Si
este pasador suelta la varilla de conexioacuten ya no estaraacute conectada al motor lo que resulta en un
problema para eacutel
Motor revolucionado Un motor revolucionado es la principal causa de falla de las varillas
de conexioacuten de los motores nuevos y de alto rendimiento
Agua en el motor Si entra mucha agua en el cilindro en el momento de la chispa la biela se
puede doblar o romper [37]
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten
El pistoacuten es el encargado de darle la fuerza generada por la explosioacuten a la biela para que ella
haga el resto y debido a los esfuerzos tanto de friccioacuten como de calor a los que estaacute sometido el
pistoacuten se fabrica con materiales muy resistentes al calor y al esfuerzo fiacutesico pero siempre
empleando materiales ligeros para aumentar su velocidad faacutecilmente y poder alcanzar regiacutemenes
de rotacioacuten elevados [38] Los pistones se fabrican de aluminio silicio niacutequel y magnesio [39] un
ejemplo de pistoacuten se muestra en la figura 8
Figura8 Pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
20
Seguacuten Gontildei amp Rojas [40] se denomina pistoacuten a uno de los elementos baacutesicos del motor de
combustioacuten interna Se trata de una pieza que se ajusta al interior de las paredes del cilindro
mediante aros flexibles llamados anillos Efectuacutea movimientos obligando al fluido que ocupa el
cilindro a modificar su presioacuten y volumen
Un pistoacuten estaacute constituido por partes cabeza arcos y cubos del perno La funcioacuten del pistoacuten es
cerrar y obturar la caacutemara de combustioacuten interna asiacute como recibir la fuerza causa en la combustioacuten
a traveacutes de la biela y transmitirla al ciguumlentildeal como fuerza de torsioacuten tambieacuten transmite el calor
producido por los gases de combustioacuten hacia las paredes del cilindro para que sean refrigeradas por
el lubricante El pistoacuten se desplaza raacutepidamente por el interior de los cilindros el cual tiene
segmentos los cuales consiguen la estanquidad necesaria entre el pistoacuten y las paredes del cilindro
De este modo se evita que parte del gas comprimido se escape hacia la parte inferior del motor Por
ese motivo el pistoacuten debe estar fabricado de un material ligero y resistente a la vez Atravesando el
pistoacuten se observa un orificio pasante A traveacutes de este orificio el pistoacuten se une a la biela por
mediacioacuten de un buloacuten de acero [41]
El pie de la biela es el que la une al pistoacuten por medio del buloacuten el cuerpo por su parte asegura la
rigidez de la pieza y la cabeza gira sobre el codo del ciguumlentildeal como puede apreciarse en la figura
9
Los pistones del motor mantienen un movimiento constante hacia arriba y hacia abajo mientras
que el ciguumlentildeal genera un movimiento circular de modo que el auto puede avanzar Los pistones
de un motor se mueven arriba y abajo por el ciguumlentildeal dentro de los cilindros en el motor Las
explosiones que ocurren en estos cilindros de empuje contra los pistones permiten llevarlos de
vuelta y comenzar el ciclo otra vez Los pistones estaacuten conectados al ciguumlentildeal para asegurar que se
mueva con ellos y mantener sus movimientos regulados [42]
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
21
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal
En la figura 10 se aprecia el ciguumlentildeal encargado de transformar el movimiento de la biela en
movimiento rotatorio o circular Junto con el pistoacuten y la biela se considera la pieza maacutes importante
del motor Es una pieza que ha de soportar grandes esfuerzos por eso se construye de materiales
muy resistentes para que puedan aguantar cualquier movimiento sin romperse
El ciguumlentildeal es un aacuterbol de transmisioacuten que junto con las bielas transforma el movimiento
alternativo en circular o viceversa Consiste en un conjunto de manivelas una de ellas llamada
muntildeequilla y dos brazos que acaban en el eje giratorio del ciguumlentildeal Los ciguumlentildeales se utilizan en
los motores de combustioacuten de los automoacuteviles donde el movimiento lineal de los pistones dentro
de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del ciguumlentildeal
que a su vez se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia El ciguumlentildeal
es un elemento estructural del motor [43]
Para Aacutelvarez [42] el ciguumlentildeal estaacute situado en el motor de un vehiacuteculo y convierte la fuerza creada
por los pistones del motor El ciguumlentildeal estaacute conectado a todos los pistones en el motor y el volante
En la figura 11 se puede observar la articulacioacuten de la biela el pistoacuten y el ciguumlentildeal donde el
movimiento es rotativo para su adecuado funcionamiento Estos tres elementos no pueden
funcionar en forma separada
Figura 10Ciguentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
22
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal
Debido a los impulsos provocados por los pistones se presentan diferentes vibraciones
determinadas por el nuacutemero de revoluciones las cuales pueden provocar la rotura del ciguumlentildeal y
ruido excesivo en el motor Su funcioacuten es impulsar la fuerza de cada uno de los cilindros a traveacutes
del mecanismo de las bielas Estaacuten fabricados con materiales de acero cementado templado y con
aleaciones de niacutequel y cromo Estos materiales permiten tener un tratamiento teacutermico
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes
Desde hace tiempo la ingenieriacutea automotriz se ha enfocado en el disentildeo y la fabricacioacuten de
superficies que permitan reducir la friccioacuten principalmente en los cojinetes [364546]
Los cojinetes son los encargados de unir la biela con el ciguumlentildeal para evitar que haya rozamiento
entre ellos y evitar peacuterdidas de potencia y averiacuteos Tienen forma de media luna tal como se aprecia
en la figura 12 y se colocan entre el ciguumlentildeal y la cabeza de las bielas Estos deben ser construidos
con gran precisioacuten pues cualquier mala elaboracioacuten puede impactar en el funcionamiento del
motor
Figura 12Cojinetes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
23
Seguacuten Suaacuterez [47] los cojinetes son punto de apoyo de ejes para sostener su peso guiarlos en su
rotacioacuten y evitar deslizamientos Van colocados directamente en el bastidor de la pieza y los
cojinetes trabajan en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal
De acuerdo con Suaacuterez Toro amp Veacutelez [48] los cojinetes son que piezas de metal que descansan
y giran en cualquier eje de un motor Son dispositivos que se colocan entre la porcioacuten fija y la
porcioacuten giratoria de un motor y sirven para reducir al miacutenimo la friccioacuten entre ambas Los cojinetes
se fabrican con pequentildeas esferas metaacutelicas sin embargo no garantizan una vida uacutetil extensa El
rendimiento de los cojinetes es afectado por las condiciones de velocidad materiales en contacto
temperatura lubricacioacuten tipo de carga entre otros
271 Clasificacioacuten de los cojinetes
Los cojinetes se clasifican por friccioacuten o deslizamiento y de rodamiento Eacutestos se explican a
continuacioacuten
Cojinetes de friccioacuten o deslizamiento El cojinete de friccioacuten estaacute compuesto por dos pistas
una interior y otra exterior Eacutestas tienen contacto directo por medio de deslizamiento o friccioacuten
La reduccioacuten del rozamiento se realiza seguacuten la seleccioacuten de materiales y lubricantes Los
lubricantes tienen la funcioacuten de crear una peliacutecula deslizante que separe los dos materiales o
evite el contacto directo Para Veacutelez [49] los cojinetes de friccioacuten son aquellas piezas que
entre mayor es la friccioacuten es maacutes difiacutecil el movimiento entre los dos objetos En el caso de
maacutequinas la friccioacuten ocasiona el desgaste de las piezas
Seguacuten Arias [50] los cojinetes de friccioacuten son puntos de apoyo de ejes y aacuterboles para sostener
su peso guiarlos en su rotacioacuten y evitar deslizamientos Van montados en soportes para
facilitar su montaje tal como se aprecia en la figura13 Mientras que para Espitia [51] es el
elemento mecaacutenico capaz de soportar los gorrones de los ejes giratorios que se caracteriza por
un reducido coeficiente de rozamiento asiacute como por la posibilidad de ser lubricado
constantemente Otra caracteriacutestica importante reside en el hecho de que el material del
cojinete debe ser maacutes blando que el eje para evitar el deterioro de eacuteste en el caso de una
lubricacioacuten defectuosa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
24
Figura 13Cojinetes de friccioacuten
Cojinetes de rodamiento Es un elemento mecaacutenico que reduce la friccioacuten entre un eje y las
piezas conectadas a eacuteste por medio de rodadura el cual sirve de apoyo y facilita su
desplazamiento Los elementos de rodadura pueden ser bolas o rodillos son piezas que
requieren facilitar la ejecucioacuten de rigurosos tratamientos teacutermicos para obtener piezas de gran
resistencia al desgaste y a la fatiga Se caracterizan por ser de escaso rozamiento sobre todo
en el arranque por tener mayor velocidad admisible y un menor consumo de lubricante Para
Meacuterida [52] los cojinetes de rodamiento son elementos mecaacutenicos que aseguran un enlace
moacutevil entre dos elementos de un mecanismo uno de los cuales se encuentra en rotacioacuten con
respecto al otro Su funcioacuten principal es la rotacioacuten relativa de dichos elementos bajo carga
con precisioacuten y con un rozamiento miacutenimo
Seguacuten Galicia [53] estos tipos de cojinetes estaacuten constituidos por dos anillos rodantes
separados entre siacute por unos cuerpos tambieacuten rodantes interpuestos entre eacutestos cuya forma
variacutea seguacuten su uso pudiendo ser de diferentes formas bolas rodillos ciliacutendricos agujas etc
En ellos el gorroacuten del aacuterbol y la superficie de rodadura del soporte estaacuten separados por
elementos rodantes de forma que con el giro del gorroacuten o del cojinete se genera un
movimiento de rodadura y no de deslizamiento tal como se muestra en la figura 14
Figura 14Cojinetes de rodamiento
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
25
Seguacuten Jaramillo [54] cerca de 40 de la energiacutea total transformada por un motor de combustioacuten
interna de un automoacutevil se disipa como trabajo de las fuerzas de friccioacuten La disminucioacuten de las
peacuterdidas por friccioacuten es un factor clave para lograr un mejor uso de los combustibles y la proteccioacuten
del medio ambiente El sistema anillo-pistoacuten-camisa responde por peacuterdidas equivalentes a 50 o
60 del total de las peacuterdidas por friccioacuten en un motor de estos
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos
En la figura 15 se puede observar la estructura baacutesica de un motor de cuatro tiempos el cuaacutel es
conocido por motor OTTO [55] Se usa como maacutequina motriz en automoacuteviles comerciales consta
de un ciclo de cuatro procesos los cuales se describen a continuacioacuten
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos
Como se mencionoacute anteriormente el ciclo consta de cuatro tiempos El primer tiempo
corresponde al de admisioacuten que es el momento que el pistoacuten estaacute en el punto maacutes alto conocido
como Punto Muerto Superior (PMS) Posteriormente la vaacutelvula de admisioacuten se abre y el propio
pistoacuten por el vaciacuteo que se crea dentro del cilindro aspira la mezcla (aire y combustible) hasta llegar
al punto maacutes bajo del cilindro del Punto Muerto Inferior (PMI)
El segundo tiempo se refiere a la compresioacuten donde el pistoacuten se encuentra en el punto maacutes bajo
(PMI) En este momento la vaacutelvula de admisioacuten se cierra y el pistoacuten empieza a ascender
comprimiendo la mezcla hasta llegar al punto maacutes alto del cilindro (PMS)
Figura 15Motor de cuatro tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
26
Respecto al tercer tiempo que concierne a la expansioacuten una vez que se ha comprimido la mezcla
la bujiacutea hace saltar una chispa y enciende la mezcla aumentando la presioacuten en el cilindro y
haciendo descender el pistoacuten hacia el punto maacutes bajo (PMI)
En el cuarto tiempo que corresponde al escape de gases es cuando el pistoacuten llega al punto maacutes
bajo (PMI) se abre la vaacutelvula de escape y el pistoacuten empieza a ascender empujando los gases
quemados hacia el exterior En el momento que llega al punto maacutes alto (PMS) la vaacutelvula de escape
se cierra En la figura 16 se muestra el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa basado en el ciclo Otto de cuatro tiempos o fases importantes admisioacuten
compresioacuten explosioacuten y escape [56]
Otto propuso cuatro principios del motor de cuatro tiempos que son maacuteximo volumen del
cilindro con miacutenima superficie de paredes maacutexima velocidad de trabajo posible maacutexima relacioacuten
de expansioacuten posible y maacutexima presioacuten posible al comienzo de la expansioacuten
En los motores de cuatro tiempos el pistoacuten sube y baja cuatro veces en el interior del cilindro
para realizar el ciclo completo La distribucioacuten se compone de vaacutelvulas que se abren y cierran
totalmente sincronizadas con el movimiento del pistoacuten Cuando el pistoacuten desciende el cilindro se
llena de aire y gasolina para lo cual la vaacutelvula de admisioacuten permanece abierta Posteriormente
despueacutes de producirse la explosioacuten en el interior del cilindro la vaacutelvula de escape se abre para que
los humos procedentes de la explosioacuten puedan salir hacia el tubo de escape del automoacutevil En este
tipo de motores se requiere de dos vaacutelvulas por cada cilindro
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
27
29 Sistema de encendido
El sistema de encendido es el encargado de encender la mezcla de aire y de combustible en el
momento que se requiera Para esta investigacioacuten el sistema de encendido es por inyeccioacuten directa
de gasolina o por chispa que son aquellos que inyectan la gasolina directamente dentro del cilindro
Este sistema permite un mayor control de la mezcla y por tanto del comportamiento del motor En
los motores de gasolina la mezcla se enciende gracias a la bujiacutea que proporciona una chispa lo
suficientemente potente como para comenzar la reaccioacuten El propio sistema de encendido tiene que
controlar el momento en el que la chispa ha de saltar para que se encienda la mezcla y sea lo maacutes
eficaz y factible posible La combustioacuten se realiza en el momento en que el pistoacuten estaacute en el punto
maacutes alto (PMS) de esta manera la mezcla se empieza a encender
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa
La caracteriacutestica principal de la inyeccioacuten directa de gasolina es que la mezcla se produce dentro
de la caacutemara de combustioacuten Durante la admisioacuten soacutelo entra aire por la (s) vaacutelvula (s) de admisioacuten
la gasolina es inyectada directamente en la caacutemara de combustioacuten por inyectores de alta presioacuten
[57] tal como se aprecia en la figura 17
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
28
292 Ventajas de la inyeccioacuten directa
Existen ventajas cuando se usa el encendido por chispa las cuales se describen a continuacioacuten
La gasolina se evapora directamente dentro del cilindro absorbiendo el calor del aire contenido
en eacuteste reduciendo la temperatura de la mezcla en la caacutemara de combustioacuten lo que disminuye
el riesgo de autoencendido e incrementa el rendimiento y la potencia
Ayuda a aumentar el rendimiento inyectando la gasolina directamente en el cilindro
Con respecto a la prevencioacuten del autoencendido la mayor contribucioacuten de la inyeccioacuten directa
de gasolina es cuando el motor trabaja en carga estratificada y por tanto no inflamable lo que
evita el autoencendido
Eficiencia en el periodo de admisioacuten debido a que soacutelo entra aire al cilindro inyectando la
gasolina despueacutes
Disminucioacuten del consumo de gasolina si se tiene poca gasolina el motor puede llegar a
funcionar esto permite que el motor aporte la energiacutea requerida con un aporte de gasolina
sustancialmente menor Esta disminucioacuten del consumo de gasolina disminuye tambieacuten de
emisiones de 1198621198742 Este contaminante es un producto del proceso de combustioacuten que soacutelo puede
reducirse disminuyendo el consumo de gasolina
Mejor rendimiento del motor debido a que la mezcla que se encuentra cerca de las paredes es
escasa y la temperatura de los gases de combustioacuten es mucho menor por lo que las peacuterdidas
por calor cedido a las paredes del cilindro tambieacuten se ven reducidas [58]
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa
Estos motores de encendido por chispa o inyeccioacuten directa tienen tambieacuten algunas desventajas
las cuales son
Se requiere de una bomba de alta presioacuten para proveer la gasolina a los inyectores con la
presioacuten requerida Eacutesta bomba toma la gasolina del depoacutesito y la alimenta regulando su presioacuten
de salida
Los inyectores deben ser aptos para resistir las altas presiones para inyectar gasolina
directamente en el cilindro y tambieacuten deben soportar las condiciones de la caacutemara de
combustioacuten tanto las altas temperaturas como las altas presiones derivadas de la combustioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
29
El sistema de encendido debe ser capaz de suministrar maacutes energiacutea debido a que el chorro de
gasolina puede impactar directamente con la bujiacutea mojaacutendola o la chispa apagarse debido a las
fuertes corrientes de aire y necesitar una segunda chispa
Se requiere de una sonda lambda de banda ancha que permita medir las variaciones en la carga
estratificada
Se necesita que la Unidad de Control de Motor (ECU) tenga mayor potencia de caacutelculo para
administrar las sentildeales que recibe y las salidas de control pues el motor tiene distintos modos
de operacioacuten y la ECU debe ser capaz de administrar las sentildeales que recibe para cada uno de
ellos y procesar las oacuterdenes en consecuencia
La cabeza del pistoacuten tiene que ser redisentildeada para que cuando el motor trabaja con carga
estratificada dirija la nube de mezcla rica en gasolina correctamente hacia la bujiacutea [59]
294 Descripcioacuten del proceso de encendido
Para encender el motor de gasolina se necesita una chispa entre los dos electrodos de la bujiacutea
para producir la temperatura necesaria para que la mezcla encienda para lo cual se requieren
tensiones muy altas En la figura 18 se aprecia que en el momento en que se pone en contacto la
llave de arranque se cierra el circuito y la bateriacutea comienza a entregar voltaje el cual es muy bajo
ya que corresponde a 12 voltios Para incrementarlo entre los electrodos de las bujiacuteas la bobina
con ayuda del ruptor consigue cambiar a 30000 voltios Esta tensioacuten es enviada al delco donde
se encuentra el distribuidor giratorio que reparte la tensioacuten a la bujiacutea correspondiente [60]
Figura18 Sistema de encendido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
30
495 Componentes del sistema de encendido
El sistema de encendido en motores de gasolina tiene los elementos que se describen a
continuacioacuten
Alternador es un dispositivo que se acciona directamente por el motor que se encarga de
generar corriente para cargar bateriacutea Al estar directamente accionado por el motor si se suben
las revoluciones del motor tambieacuten aumenta la corriente generada
Bateriacutea Es la encargada de suministrar la energiacutea eleacutectrica para que circule hacia la bujiacutea
Dicha energiacutea viene dada por la reaccioacuten quiacutemica del plomo y aacutecido sulfuacuterico
Bobina Se encarga de transformar la baja tensioacuten que proviene de la bateriacutea en una tensioacuten
alta para hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea la cual consta de dos filamentos
enrollados Cuando el primero recibe la corriente de la bateriacutea el ruptor interrumpe la corriente
que pasa por eacuteste entonces al filamento secundario se le induce una corriente maacutes alta capaz
de hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea y encender la mezcla
Ruptor Se encuentra situado dentro del distribuidor y se encarga de interrumpir
perioacutedicamente la corriente en el filamento primario de la bobina para que la corriente sea
inducida en el secundario Esta interrupcioacuten es en base a la apertura de dos contactos los cuales
son comandados por una leva accionado por y a la misma velocidad que el aacuterbol de levas
Distribuidor Es el encargado de repartir la alta tensioacuten a la bujiacutea en cada momento Va
centrado en el delco donde tambieacuten se situacutea el ruptor y los reguladores de encendido
Bujiacutea Es el elemento que se encarga de hacer saltar la chispa para que encienda la mezcla de
aire y gasolina Estaacute recubierta de un aislante para disipar el calor generado en la caacutemara de
combustioacuten ya que estaacute lsquoen contacto directo con las explosiones
210 Sobrecalentamiento
El sobrecalentamiento del motor es la condicioacuten en la cual la temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y si se mantiene mucho tiempo llega a producir dantildeos graves en el
motor como torceduras y roturas de vaacutelvulas brazos de biela soplado de empaques torceduras de
culatas roturas de pistones etc
El tiempo de calentamiento de los motores modernos es prolongado sobre todo cuando las
condiciones ambientales son desfavorables y cuando la calefaccioacuten del motor se enciende Durante
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
31
el calentamiento del motor la vaporizacioacuten del combustible se dificulta y el catalizador no funciona
a plenitud por esto la reduccioacuten del tiempo de calentamiento del motor es esencial Para lo cual es
necesario reducir el volumen de refrigerante la masa del motor mejorar el aislamiento del motor
emplear sistemas calentadores adicionales emplear una unidad electroacutenica de control para
manipular la termodinaacutemica del motor y de esta misma manera controlar el desempentildeo teacutermico
todas estas medidas serviraacuten para reducir el tiempo del calentamiento y ayudaraacuten a un mejor
funcionamiento del motor [61]
El sobrecalentamiento del motor puede ser causado por cualquier cosa que disminuya la
capacidad del sistema de refrigeracioacuten para absorber transportar y disipar el calor Por lo tanto
los motores pueden sobrecalentarse por una variedad de razones Algunas se deben a que el
termostato se encuentre en mal estado debido a que es una vaacutelvula que abre y cierra conforme se
encuentre la temperatura del motor Es decir el refrigerante del motor caliente pasa a traveacutes del
radiador cuando el termostato estaacute en posicioacuten abierta Cuando se encuentra en posicioacuten cerrada el
refrigerante se queda en el motor y raacutepidamente se calienta ocasionando un sobrecalentamiento
del motor
De igual forma el tener un radiador con fugas u obstrucciones conduce a elevadas temperaturas
del motor y sobrecalentamiento del mismo Asiacute como el tener mangueras con agujeros hace que se
produzcan fugas o se interrumpa el flujo del refrigerante Tambieacuten un ventilador con oscilacioacuten
libre y teniendo un aspa rota no puede mantener una velocidad adecuada lo que origina
sobrecalentamiento del motor
En los motores de combustioacuten interna modernos soacutelo una tercera aparte de la energiacutea interna se
convierte en trabajo uacutetil Las dos terceras partes restantes de la energiacutea se transforman en calor a
peacuterdida evacuadas por el sistema de escape el sistema de enfriamiento y calor radiado y rechazado
por conveccioacuten a traveacutes de las partes soacutelidas del motor El sobrecalentamiento durante el ciclo
completo del motor genera una distribucioacuten de energiacutea dentro de la caacutemara de combustioacuten En
general el calor se transporta hacia la culata la camisa los puertos de escape y el pistoacuten el cual
estaacute ligado a la biela la cual si tiene defectos acabaraacute por destruir el motor [61]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
32
Es por tanto importante estar pendiente de la temperatura a la cual estaacute trabajando el motor
debido a que un sobrecalentamiento puede provocar dantildeos serios empezando por la ruptura del
empaque la deformacioacuten de los cilindros y desgaste en los anillos Estaacuten tambieacuten los dantildeos en los
codos del ciguumlentildeal y la biela Esta uacuteltima ya que se encuentra sometida a fuerzas axiales de
compresioacuten convirtieacutendola en el elemento maacutes tensionado dentro del motor Estaacute ademaacutes expuesta
a cargas producto de la presioacuten generada en la caacutemara de combustioacuten y por la alta friccioacuten entre
los elementos deslizantes Al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentaraacuten desgastes excesivos y prematuros que pueden ocasionar una falla Si este sistema no
funciona correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como
consecuencia deformaciones importantes por sobrecalentamiento [62]
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor
La cinemaacutetica proviene del griego κινεω kineo que significa movimiento Estudia las leyes del
movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo originan y se limita esencialmente al
estudio de la trayectoria en funcioacuten del tiempo [63] La cinemaacutetica se ocupa de aspectos del
movimiento aparte de considerar masa y fuerza Un anaacutelisis cinemaacutetico simula el movimiento de
mecanismos por lo que cumple los requisitos de los perfiles de los motores cinemaacuteticos y de
cualquier conexioacuten de unioacuten por leva en ranura o por engranajes Este tipo de anaacutelisis se usa para
obtener informacioacuten sobre la posicioacuten velocidad y aceleracioacuten de entidades geomeacutetricas y
conexiones interferencia entre componentes las curvas trazadas del movimiento del mecanismo y
los envolventes de movimiento que capturan el movimiento del mecanismo como una pieza
Seguacuten Forno [64] la cinemaacutetica analiza los factores de tiempo y espacio del movimiento de un
sistema es decir describe el movimiento de los cuerpos en teacuterminos de tiempo desplazamiento
velocidad aceleracioacuten y tiempo de desplazamiento
Para Suaacuterez [65] el anaacutelisis cinemaacutetico se utiliza para evaluar el movimiento del mecanismo
gobernado por motores cinemaacuteticos Se puede utilizar cualquier motor cinemaacutetico de eje de
movimiento con un perfil lo que produciraacute una aceleracioacuten finita
Las fuerzas que afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de
inercia Una vez conocidas las fuerzas de combustioacuten en el pistoacuten se usa software especializado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
33
que ayuda en el calculoacute del anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico integrando las fuerzas de inercia
debidas a la masa de cada componente del mecanismo biela-manivela [66]
Para realizar este anaacutelisis es necesario considerar las masas de cada una de las piezas asiacute como
el reacutegimen de giro Esto permitiraacute realizar la simulacioacuten y calcular las fuerzas aplicadas en la cabeza
y el pie de la biela para poder luego hacer un anaacutelisis de elementos finitos que definan los
esfuerzos En el capiacutetulo III se describen la pieza construida a traveacutes del Software de aplicacioacuten
SOLIDWORKS
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor
El anaacutelisis cineacutetico estudia las fuerzas que provocan que un sistema se mueva es decir que
produzcan o cambien el movimiento de un objeto El estudio de las fuerzas que inducen el
movimiento parte desde un movimiento lineal o angular El anaacutelisis cineacutetico puede ser de tipo lineal
o angular El primero involucra la descripcioacuten de un movimiento en liacutenea recta Por otro lado la
cinemaacutetica angular se refiere a la descripcioacuten de un movimiento alrededor de un aacutengulo fijo [64]
El anaacutelisis cineacutetico es cuando un cuerpo estaacute en reposo para acelerarlo hasta una cierta velocidad
y se necesita un determinado trabajo [67] Esa energiacutea que se obtiene en la aceleracioacuten es
conservada por el cuerpo como energiacutea cineacutetica hasta que modifique su velocidad
Concretamente se llama cineacutetica o cinemaacutetica a la especialidad de la fiacutesica centrada en el anaacutelisis
del movimiento dejando de lado el estudio de las fuerzas que lo originan La cineacutetica en este
marco suele estudiar la trayectoria de un cuerpo en movimiento en funcioacuten del tiempo [68]
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor
La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama transferencia de calor la cual se produce
siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se
ponen en contacto hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las
temperaturas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
34
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se usoacute en el software ANSYS el cual permitioacute realizar el
anaacutelisis teacutermico que consiste en la aplicacioacuten del meacutetodo de elementos finitos para calcular la
distribucioacuten de temperatura en una estructura soacutelida en este caso la biela de un motor de
combustioacuten interna Con dicho anaacutelisis se resolvioacute el problema de la transferencia teacutermica
conjugada que involucra el caacutelculo de la simulacioacuten de la conduccioacuten conveccioacuten e irradiacioacuten
teacutermica [66]
Los procesos de los motores de combustioacuten interna son complejos para poder realizar un anaacutelisis
completo de los mismos por lo que se requiere el usoacute de procesos teoacutericos para realizar caacutelculos
Eacutestos son denominados modelos matemaacuteticos para los cuales se usa simulacioacuten herramienta de
gran apoyo para estudiar el comportamiento de los motores de combustioacuten interna desde el punto
de vista termodinaacutemico Con estos softwares de apoyo es posible estudiar la influencia de
determinados paraacutemetros como son la geometriacutea operacioacuten y combustioacuten en las prestaciones de
un motor [69]
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico
La simulacioacuten permite examinar el comportamiento del modelo en condiciones de operacioacuten
reales Ayuda a evaluar las caracteriacutesticas estructurales y el perfil teacutermico proporciona tambieacuten
potentes herramientas para examinar el rendimiento de los mecanismos Sirve para reflejar las
fuerzas materiales y condiciones de liacutemite a las que se veraacute sometido el modelo real para adaptarlo
mejor a criterios de disentildeo especiacuteficos
Existen diversos Softwares de aplicacioacuten para diferentes fines como es el caso de CAD que
sirve para disentildear modelos en tercera dimensioacuten (3D) que posteriormente se analizan por el
meacutetodo de elementos finitos Tal es el caso del software CATIA que es uno de los maacutes utilizados
actualmente en la industria para encontrar paraacutemetros como las dimensiones de diaacutemetro del pistoacuten
longitud de la biela ancho de biela diaacutemetros interiores de cabeza y pie espesores de cabeza y
pie ancho y alto de la seccioacuten tipo I y diaacutemetro de los tornillos de fijacioacuten Tanto el CAD y CATIA
son simuladores que permiten determinar lo antes mencionado
Tambieacuten existe el Software ANSYS que sirve para disentildear analizar y simular partes de piezas
sometidas a fenoacutemenos fiacutesicos usadas en ingenieriacutea y disentildeo mecaacutenico Ayuda a resolver
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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problemas fiacutesicos como problemas de esfuerzos teacutermicos fluidos vibracioacuten y otras Dentro de este
software se encuentra la seccioacuten de Anaacutelisis Mecaacutenico que sirve para resolver situaciones muy
particulares en disentildeo mecaacutenico como elementos estructurales lineales no lineales y anaacutelisis
dinaacutemico Con este moacutedulo se puede evaluar el comportamiento asignar materiales y resolver
ecuaciones elaborar anaacutelisis teacutermicos acoplamientos fiacutesicos que involucren acuacutestica elementos
piezoeleacutectricos e interaccioacuten teacutermica con eleacutectrica El software ANSYS se usoacute para este proyecto
Asiacute mismo es necesario sentildealar que para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el
software MATLAB herramienta matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para
la representacioacuten de datos matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor Los resultados
de MATLAB junto con el Software ANSYS permiten predecir coacutemo se comporta y reacciona la
biela en su entorno real Posteriormente se importa la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
y se realizan el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico por medio de la simulacioacuten
De igual forma se emplea para esta investigacioacuten el software SOLIDWORKS que se usa para
el disentildeo mecaacutenico con el que se crea geometriacutea en tercera dimensioacuten (3D) usando paraacutemetros
soacutelidos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
36
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA
La metodologiacutea de la investigacioacuten se define como la disciplina que se encarga del estudio criacutetico
de los procedimientos y medios aplicados por los seres humanos que permiten alcanzar y crear el
conocimiento en el campo de la investigacioacuten cientiacutefica Representa la forma en la que se va a
organizar el proceso de la investigacioacuten de examinar los resultados y de presentar posibles
soluciones al problema Toda investigacioacuten a desarrollar debe llevar un orden loacutegico La
metodologiacutea de la presente investigacioacuten estaacute basada en la propuesta de los autores Hernaacutendez
Fernaacutendez y Baptista [70] ya que tiene un enfoque bastante amplio y flexible que se puede adaptar
de manera general a los requerimientos y alcances del estudio cubriendo los puntos esenciales que
guiacutean el disentildeo y elaboracioacuten de la investigacioacuten Los pasos seguidos se muestran en la figura19
31 Enfoque de la investigacioacuten
Existen dos enfoques dentro de la investigacioacuten el cuantitativo y el cualitativo Hernaacutendez [70]
define a la investigacioacuten cuantitativa como aquella investigacioacuten que utiliza la recoleccioacuten de datos
para comprobar una hipoacutetesis con base a una medicioacuten numeacuterica para establecer un anaacutelisis
estadiacutestico con el propoacutesito de conocer la tendencia del comportamiento y la aprobacioacuten de teoriacuteas
El desarrollo de esta investigacioacuten tuvo un enfoque cuantitativo el cual seguacuten Fernaacutendez [71] se
fundamenta en un esquema deductivo y loacutegico que busca formular preguntas de investigacioacuten e
hipoacutetesis para posteriormente probarlas
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
37
Esta investigacioacuten parte del enfoque mecaacutenico propuesto por diferentes autores que hacen
referencia a los diferentes motores que existen asiacute como los elementos que lo conforman La
finalidad es identificar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten
interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa asiacute como determinar la fuerza
axial de la biela Tambieacuten obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de
combustioacuten estequiomeacutetrica y simular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela para identificar
posibles deformaciones y posteriormente realizar el anaacutelisis cinemaacutetico del motor
32 Alcance de la investigacioacuten
El alcance de esta investigacioacuten es exploratoria correlacional descriptiva y explicativa Al
respecto Fernaacutendez et [71] al se establece que ldquolos estudios exploratorios se realizan cuando el
objetivo consiste en examinar un tema poco estudiadordquo en este caso los factores que influyen en
el sobrecalentamiento de una biela
El alcance correlacional tiene como finalidad establecer una relacioacuten entre dos o maacutes variables
[70] y referente a esta investigacioacuten se llevoacute a cabo la correlacioacuten de variables del calor liberado
en la caacutemara de combustioacuten y el sobrecalentamiento del motor Esta correlacioacuten implica una
relacioacuten causal entre dichas variables ya sea de forma positiva o en forma negativa y una relacioacuten
causal implica que un evento es consecuencia de otro que le antecede y que sin eacuteste el uacuteltimo no
se presentaraacute
La investigacioacuten tambieacuten es descriptiva puesto que se describen los fenoacutemenos alcanzados en el
transcurso de todo el proceso Busca especificar propiedades caracteriacutesticas y rasgos importantes
de cualquier fenoacutemeno que se analice [71] en este caso la relacioacuten de compresioacuten presioacuten
atmosfeacuterica aacuterea del pistoacuten presioacuten atmosfeacuterica dentro de la caacutemara de combustioacuten presioacuten que
detona la mezcla dentro de la caacutemara de combustioacuten fuerza temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
y geometriacutea de la biela En este sentido en esta investigacioacuten se describieron las variables antes
mencionadas mismas que se especifican en el capiacutetulo cuatro detallando sus propiedades y
caracteriacutesticas
De igual forma la investigacioacuten tiene un alcance explicativo derivado de que seguacuten Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Bautista mencionan que estaacute orientada a la comprobacioacuten de hipoacutetesis las cuales
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
38
sirven para el anaacutelisis de variables [71] que se expresan con hechos verificables para que el
investigador tenga la capacidad de anaacutelisis y siacutentesis para su interpretacioacuten En el desarrollo de este
trabajo la hipoacutetesis establecida se encuentra en el apartado 33 del presente capiacutetulo y los resultados
obtenidos se explican en el capiacutetulo cuatro donde se explican los fenoacutemenos hallados entre
variables describiendo por queacute ocurrieron dichos eventos y en queacute condiciones se manifestaron
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis
En toda investigacioacuten es importante plantear variables ya que eacutestas permiten relacionar algunos
conceptos que hacen referencia a las caracteriacutesticas que se van a estudiar Para Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Baptista [70] una variable es una propiedad que puede fluctuar y cuya variacioacuten es
susceptible de medirse u observarse Las variables adquieren valor para la investigacioacuten cientiacutefica
cuando llegan a relacionarse con otras variables es decir si forman parte de una hipoacutetesis o una
teoriacutea Y una variable independiente se refiere a ldquoaquella donde el investigador puede manipular
ciertos efectos en otras palabras supone la causa del fenoacutemeno estudiadordquo Y la variable
dependiente implica ldquoel efecto producido por la variable independiente es decir representa lo que
se quiere determinar en forma directa en la investigacioacutenrdquo
La hipoacutetesis planteada en este trabajo es una hipoacutetesis correlacional donde si alguna de las
variables sufre alguna modificacioacuten esto afectaraacute a otras variables correspondientes A
continuacioacuten se muestra la hipoacutetesis de la presente investigacioacuten
Hipoacutetesis nula
H01 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten influye en el sobrecalentamiento
de un motor de combustioacuten interna
Variables
Variables independientes Calor liberado en la caacutemara de
Combustioacuten
Variable dependiente Sobrecalentamiento del motor
Ya identificadas las variables es necesario establecer la operacionalidad de las mismas y
con base a lo anterior se observa en la tabla 1 la clasificacioacuten de las mismas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
39
TABLA 1 CONCEPTUALIZACIOacuteN DE VARIABLE
Variable Definicioacuten Conceptual Indicadores
Calor liberado en la
caacutemara de
combustioacuten
Se refiere a la quema de combustible
suministrados por el motor de
combustioacuten interna de tal manera
que el aire se expanda y acelere para
proporcionar una corriente de gas
uniformemente calentada en todas las
condiciones requeridas por el motor
de combustioacuten interna Esta tarea
debe realizarse con la miacutenima peacuterdida
de presioacuten y con la maacutexima liberacioacuten
de calor para el limitado espacio
disponible [31]
Reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten
Sobrecalentamiento
del motor
Es la condicioacuten en la cual la
temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y llega
a producir dantildeos graves en el motor
como torceduras y roturas de
vaacutelvulas brazos de biela soplado de
empaques torceduras de culatas y
roturas de pistones [41]
Lubricacioacuten deficiente
Fallo en sistema de
enfriamiento
Hipoacutetesis alterna
HA1 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten no influye en el
sobrecalentamiento de un motor de combustioacuten interna
34 Disentildeo de la investigacioacuten
El tipo de disentildeo que se usoacute fue el no experimental donde la investigacioacuten que se realiza se hace
sin la manipulacioacuten deliberada de las variables y donde se observan los fenoacutemenos para
posteriormente analizarlos en este caso el calor liberado en la caacutemara de combustioacuten y el
sobrecalentamiento del motor donde dichas variables estaacuten relacionadas con diferentes elementos
que son la combustioacuten estequiomeacutetrica presioacuten atmosfeacuterica fuerza de la biela y geometriacutea de la
biela Estos elementos sirvieron para poder realizar el anaacutelisis cineacutetico cinemaacutetico y teacutermico por
transferencia de calor motivo de la presente investigacioacuten
A su vez es una investigacioacuten transaccional donde se recolectaron los datos en un momento y
tiempo uacutenico permitieacutendose describir las variables anteriormente mencionadas El propoacutesito fue
describir las variables y analizar su incidencia e interrelacioacuten en un momento dado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
40
Por otra parte este trabajo se basoacute en un disentildeo no experimental con la informacioacuten derivada
basada en datos primarios obtenidos directamente de la realidad En el desarrollo de la presente
investigacioacuten la informacioacuten se obtuvo mediante el modelado mecaacutenico el cual ayudoacute a predecir
el comportamiento y reaccioacuten de la biela en su entorno real
35 Seleccioacuten de la muestra
El desarrollo de esta investigacioacuten se realizoacute tomando como objeto de estudio a un motor VW
Golf MK4 Gti 18T En la tabla 2 se muestran las especificaciones de este motor
Se utilizoacute un acero SAE 4340 de medio carbono aleado con Cr-Ni-Mo debido a que posee buena
resistencia a la fatiga alta templabilidad excelente tenacidad regular maquinabilidad y baja
soldabilidad Es apto para piezas y herramientas de grandes exigencias mecaacutenicas Se usa para los
maacutes altos esfuerzos estaacuteticos y dinaacutemicos en piezas como ciguumlentildeales bielas cardanes pintildeones
pernos y tornillos de alta resistencia engranajes para maacutequinas discos de freno barras de torsioacuten
y aacuterboles de transmisioacuten [72] En la tabla 3 se muestran las composiciones quiacutemicas
TABLA 2 CARACTERIacuteSTICAS DEL MOTOR
Variable Definicioacuten Conceptual
Motor V 4
Combustible Gasolina
Alimentacioacuten MPI
Situacioacuten Transversal
Cilindrada 1781 cm3
Diaacutemetro por carrera 810 x 864 mm
Vaacutelvulas 16 vaacutelvulas
Sobrealimentacioacuten Turbo + Intercooler
Relacioacuten de Comprensioacuten 95
Potencia 210 PS or 207 bhp o 154 kw 5700 rmp
Par maacuteximo 300 Nm o 221 lbft 2700 rpm
Caja de cambios 6 velocidades manual
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
41
TABLA 3 PORCENTAJE DE COMPOSICIOacuteN QUIacuteMICA DEL ACERO USADO
De igual forma en la tabla 4 se pueden apreciar las caracteriacutesticas del tratamiento teacutermico y las
propiedades mecaacutenicas que se deben tener para cumplir con lo establecido para el procedimiento
36 Recoleccioacuten de datos
Para el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico se emplea la simulacioacuten con ANSYS y poder predecir coacutemo
se comporta y reacciona la biela en su entorno real El software SOLIDWORKS se emplea para
incorporar la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
TABLA 4 TRATAMIENTO TEacuteRMICO Y PROPIEDADES MECAacuteNICAS
Tratamiento teacutermico
(Valores en 0C)
Propiedades mecaacutenicas
Forjado 850 - 1100 Bonificado
Normalizado 870 - 900 Resistencia a la
traccioacuten
95 ndash 105 kgfmm2
Revenido 530 - 670 Liacutemite de fluencia 60 ndash 74 kgfmm2
Recocido 750 - 850 Dureza (HB) 280 - 340
Templado Aceite 840 - 880 Elongacioacuten 10 ndash 18
Composicioacuten quiacutemica ()
C 038 ndash 043
Mn 060 ndash 080
Si 015 ndash 035
P 0035 Maacutex
S 004 Maacutex
Cr 070 ndash 090
Ni 165 ndash 200
Mo 020 ndash 030
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
42
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el software de MATLAB herramienta
matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para la representacioacuten de datos
matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor El objetivo de dicho anaacutelisis fue
identificar la falla de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro
cilindros encendido por chispa accionado por gasolina cuando por diversas causas alcanza
temperaturas elevadas generando esfuerzos y deformaciones superiores a los liacutemites de cedencia
del material Para este anaacutelisis se determinoacute la fuerza axial generadora del maacuteximo torque aplicado
al ciguumlentildeal del motor Como se trata de un motor alternativo el movimiento parte desde el punto
muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) recorriendo el pistoacuten una longitud de
carrera C=2r por cada vuelta del ciguumlentildeal Ya que se trata de un motor de cuatro tiempos el
ciguumlentildeal daraacute dos vueltas por ciclo termodinaacutemico [73] En este caso se consideroacute solamente un
punto donde la biela es normal a la manivela que es donde se produce el maacuteximo toque Se hizo el
anaacutelisis el elemento finito (FEA por su siglas en ingles Finite Element Analysis ) para obtener una
solucioacuten aproximada a este problema de ingenieriacutea para obtener un producto de calidad a menor
costo mejorando asiacute procesos existentes o para estudiar fallos de eacuteste componente estructural El
anaacutelisis teacutermico por transferencia de calor cineacutetico y cinemaacutetico se describe en el capiacutetulo 4 del
presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
43
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Generalidades
Los motores de los autos principalmente los de combustioacuten interna (MCI) son motores donde
los gases generados en la reaccioacuten exoteacutermica resultan de un proceso de combustioacuten que empuja
al pistoacuten desplazaacutendolo en el interior de un cilindro y haciendo girar al ciguumlentildeal El funcionamiento
ciacuteclico de estos motores suele tener fallas constantes debido a muacuteltiples factores entre los cuales
destacan problemas con los cojinetes fallas en las bielas pistoacuten ciguumlentildeal entre otros
El arranque de los motores de combustioacuten se lleva a cabo en su caacutemara interna en donde se forma
el fluido activo Esta caacutemara forma parte de un cilindro dentro del cual se mueve un pistoacuten mismo
que forma parte del mecanismo en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal Y para que un motor
tenga un buen funcionamiento es necesario tener una buena lubricacioacuten refrigeracioacuten y suministro
de energiacutea eleacutectrica tal como se aprecia en la figura 20
La lubricacioacuten debe mantener engrasados los mecanismos moacuteviles tambieacuten sirve como
refrigerante al absorber el calor disipado Su principal funcioacuten radica en la aplicacioacuten de un manto
superficial de aceite recubriendo asiacute los elementos moacuteviles El sistema refrigerante es el que
mantiene una temperatura constante del motor durante su funcionamiento y lo hace mediante la
eliminacioacuten de exceso de calor que se pudiera generar en su funcionamiento Gracias a la energiacutea
eleacutectrica funcionan los dispositivos tales como las bombas hidraacuteulicas agua refrigerante los
cuales provocan el flujo que hace posible la circulacioacuten de los fluidos a lo largo de los ductos
correspondientes
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
44
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se consideroacute el auto VW Golf [74] tal como se aprecia
en la figura 21
Este auto tiene un motor MK4 GTI 18T de cuatro cilindros con turbocompresor formalmente
conocido como el 18 20VT R4 e informalmente conocido simplemente como el 18T Se ha
utilizado en casi todas las aplicaciones de cuatro cilindros de VW Utiliza un bloque de motor de
hierro fundido y culata de aluminio con doble aacuterbol de levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte
de la fuerza inherente de este motor viene del uso de un ciguumlentildeal de acero forjado a troque dividido
en bielas forjadas y pistones forjados Su potencia es de 150 caballos de fuerza a 5800 rpm Su
principal caracteriacutestica es su sistema de turbo y de induccioacuten Utiliza un turbocompresor de VW
de origen algo equivalente a un Garrett T30
421 Aplicaciones del 18T
El 18T se ha utilizado en casi todos los autos que tienen cuatro cilindros de VW como son VW
Polo GTI Golf MkIV Bora Jetta New Beetle S Passat B5 y Sagitar Desde Audi que es la marca
de lujo de VW el motor tambieacuten se ha trasladado a los modelos en esa divisioacuten incluyendo la A3
A4 A6 y TT Quattro Sport Otros fabricantes de automoacuteviles en utilizar el 18T han sido el
fabricante espantildeol SEAT (en el Leon Mk1 Cupra R y Toledo) y Skoda para su edicioacuten limitada
Octavia VRS
Figura 21VW Golf
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
45
El 18T utiliza un bloque de motor de hierro fundido y una culata de aluminio con doble aacuterbol de
levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte de la fuerza inherente de este motor se debe al uso de un
ciguumlentildeal de acero forjado a troquel bielas ldquoSplit forjadordquo y pistones Mahle forjado El 18T ha
llegado en docenas de diferentes configuraciones desde que se ofrecioacute por primera vez con
potencias que van desde 150 caballos de fuerza a 5800 rpm (en la mayoriacutea de los polos Golf
hoteles escarabajos y Passat) hasta 236 caballos de fuerza a 5700 rpm para el Audi TT Quattro
Sports
En lo que respecta a la induccioacuten aparte de su cabeza la principal caracteriacutestica del 18T es su
sistema turbo e induccioacuten El turbo alimenta uno de los pocos verdaderos colectores de admisioacuten
de longitud variable en el mercado de hoy A bajas revoluciones el aire fluye a traveacutes de un
conjunto de tubos de colada la ingesta de largas y delgadas para mejorar el par a bajo reacutegimen y
la facilidad de conduccioacuten A altas revoluciones una solapa se abre para conectar gran espacio
abierto del colector de admisioacuten (plenum) casi directamente a la culata sin pasar por los tubos y
aumentar el poder de gama alta
43 Anaacutelisis de datos
431 Anaacutelisis cinemaacutetico
El movimiento alterno del pistoacuten se transforma en movimiento circular continuo del eje mediante
el sistema biela-manivela Para efectos de caacutelculo el movimiento circular de la manivela se
considera uniforme sin error apreciable En la figura 22 se muestra la nomenclatura que se utilizoacute
en este anaacutelisis [73]
Figura 22 Nomenclatura
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
46
Donde
L=Longitud de la biela
r=Radio de la manivela
C=Carrera del pistoacuten
x=Deslizamiento del pistoacuten referido al PMS
α=Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente al PMS
β= Aacutengulo que forma el eje de la biela con el del cilindro
I Desplazamiento
De acuerdo a la geometriacutea del motor y como muestra la figura 22 se obtiene la ecuacioacuten para el
desplazamiento (x) correspondiente entre el PMS y PMI donde λ es un paraacutemetro de la relacioacuten
del radio a la longitud de la biela (Ver Anexo I) la cual es
119909 = 119903 ((1 minus cos prop) + 119871(1 minus radic1 minus 12058221199041198901198992 prop))
Donde λ =119903
119871 119902119906119890 119903119890119901119903119890119904119890119899119905119886 119906119899119886 119903119890119897119886119888119894oacute119899 119886119897119890119886119905119900119903119894119886
Si la biela fuera de longitud infinita (λ=0) se desplazariacutea mantenieacutendose siempre paralela a siacute
misma por lo que tendriacuteamos la expresioacuten simplificada
119909 = 119903(1 minus cos prop)
Se utilizoacute el software MATLAB para graficar coacutemo se comporta el sistema del punto muerto
superior al punto muerto inferior correspondiente a los 360 grados del movimiento de la Manivela
Se obtiene la figura 23 misma que se muestra a continuacioacuten
Figura 23 Desplazamiento
Des
pla
zam
ien
to d
el p
istoacute
n e
n m
etro
s
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
47
II Velocidad
Para obtener la ecuacioacuten de la velocidad se derivoacute la ecuacioacuten de desplazamiento (ver Anexo II)
guardaacutendola en una nueva variable (V) lo que se puede apreciar en la figura 24
Figura 24Velocidad del pistoacuten
III Aceleracioacuten
Para obtener la ecuacioacuten de la aceleracioacuten se derivoacute la ecuacioacuten de velocidad (Ver Anexo III)
asignando su valor a una nueva variable (A) la cual se muestra en la figura 25
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten
Vel
oci
dad
del
pis
toacuten
(m
s)
Angulo de manivela en grados
Ace
lera
cioacute
n d
el p
istoacute
n (
ms
2)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
48
432 Anaacutelisis cineacutetico
I Fuerzas alternativas de inercia
Conociendo las leyes que regulan el movimiento del conjunto biela manivela resulta faacutecil
obtener una relacioacuten de las fuerzas que generan dicho movimiento En efecto las partes dotadas de
movimiento alternativo estaacuten sometidas a fuerzas de inercia calculadas por medio de la segunda
ley de Newton que expresada en funcioacuten de la segunda derivada del desplazamiento dan como
resultado
119865 = minus119898 lowast 1205962 lowast 119903 (cos 120572 + 120582 lowast cos 2120572)
La primera y segunda parte de la ecuacioacuten representan respectivamente las fuerzas alternativas
de primero y segundo orden (ver Anexo IV) En la ecuacioacuten anterior ldquomrdquo corresponde a la masa de
la biela que para la muestra seleccionada tiene un valor de 066 kg se muestra en la figura 26
Figura 26Fuerzas alternativas
La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten cinemaacutetica En la figura 27
se puede observar el movimiento al considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante el
proceso de expansioacuten De este resultado se obtiene la fuerza maacutexima para posteriormente
considerarla en el anaacutelisis estaacutetico de la simulacioacuten en el software de ANSYS Los resultados se
encuentran en el Anexo V y en la figura 27 se aprecia la representacioacuten graacutefica del anaacutelisis de la
biela Este anaacutelisis se hizo mediante el software de MATLAB
Fu
erza
s al
tern
ativ
as (
N)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
49
Figura 27 Fuerzas en la biela
II Diagrama par-motor
La fuerza resultante que actuacutea sobre el pistoacuten corresponde a la suma de las fuerzas alternativas
de inercia y de la correspondiente a la presioacuten del gas durante la explosioacuten Eacutesta equilibrada por la
fuerza de reaccioacuten en la biela y variacutea en cada posicioacuten del movimiento La figura 28 muestra el
diagrama par motor que se utiliza para este anaacutelisis La nomenclatura es la misma que se utilizoacute en
el anaacutelisis cinemaacutetico con la inclusioacuten de las fuerzas [73]
Figura 28Diagrama par-motor
Angulo de manivela en grados
Fu
erza
en
la
bie
la (
N)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
50
Figura 29Par-motor de explosioacuten
Nuevamente mediante el software MATLAB se realiza el anaacutelisis de movimiento durante el
proceso de expansioacuten de 360deg a 540deg debido a que se trata de un motor de 4 tiempos lo que implica
que el ciguumlentildeal gire dos vueltas correspondieacutendole a la primera vuelta la admisioacuten y compresioacuten
(Ver Anexo VI) lo cual se aprecia en la figura 29
El punto maacuteximo de esta graacutefica representa un par-motor de 311 N-m que se aproxima al par
motor que el fabricante ofrece para este motor seleccionado como muestra Es importante
considerar que a este punto le corresponde un aacutengulo de 388deg equivalente a 28deg a partir del punto
muerto superior y seraacute considerado para obtener la fuerza axial en la biela de su correspondiente
graacutefica
433 Anaacutelisis termodinaacutemico
I Eficiencia del ciclo Otto ideal
La figura 30 muestra el ciclo en un diagrama P-v La eficiencia o rendimiento del ciclo es la
relacioacuten entre el trabajo neto y la cantidad de calor que entra al sistema [75]
Par
-mo
tor
(N
m)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
51
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen
Es decir
119890119900119905119905119900 =119882119899119890119905119900
119902119890119899119905
Por primera ley de la termodinaacutemica
119882119899119890119905119900 = 119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
Considerando calores especiacuteficos constantes
119890119900119905119905119900 =119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119862119907(1198794 minus 1198791)
119862119907(1198793 minus 1198792)= 1 minus
(1198794 minus 1198791)
(1198793 minus 1198792)
Para el proceso 1-2 compresioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987511198811119896 = 11987521198812
119896 there41198752
1198751= (
1199071
1199072)
119896
= 119903119896
Doacutende r= la relacioacuten de compresioacuten definida como 119903 =1199071
1199072
Para el mismo proceso la ecuacioacuten de los gases ideales es
11987511199071
1198791=
11987521199072
1198792 there4
1198752
1198751=
1199072
1199071∙
1198792
1198791= 119903
1198792
1198791= 119903119896
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
52
Realizando la igualacioacuten se obtiene la temperatura para el estado dos del ciclo
1198792 = 1198791119903119896minus1
De manera similar para el proceso 3-4 de expansioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987531198813119896 = 11987541198814
119896 there41198753
1198754= (
1199074
1199073)
119896
= 119903119896
Y la ecuacioacuten correspondiente de los gases ideales es
11987531199073
1198793=
11987541199074
1198794there4
1198753
1198754=
1199074
1199073∙
1198793
1198794= 119903
1198793
1198794= 119903119896
Realizando la igualacioacuten correspondiente se obtiene la temperatura para el estado 3 del ciclo
1198793 = 1198794119903119896minus1
Con las relaciones de temperatura para los estados 2 y 3 se obtiene la eficiencia del ciclo Otto
en funcioacuten de la relacioacuten de compresioacuten
119890119900119905119905119900 = 1 minus1198794 minus 1198791
1198794119903119896minus1 minus 1198791119903119896minus1= 1 minus
1198794 minus 1198791
119903119896minus1(1198794 minus 1198791)
119890 = 1 minus1
119903119896minus1
Para el anaacutelisis de la muestra seleccionada le corresponde una relacioacuten de compresioacuten de r=95
obtenieacutendose una eficiencia teacutermica del 60
119890 = 1 minus1
9514minus1= 06
En la figura 31 se muestra un referente de la eficiencia teacutermica en funcioacuten de la relacioacuten de
compresioacuten para un motor Otto y Diesel [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
53
Figura 31 Eficiencia teacutermica
II Temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
Cuanto maacutes pequentildea es la perdida de calor tanto mayor resulta el aumento de la temperatura En
el caso liacutemite que no haya peacuterdida de calor hacia los alrededores (Q=0) la temperatura de los
productos alcanzaraacute un maacuteximo conocido como temperatura de flama adiabaacutetica o combustioacuten
adiabaacutetica
La temperatura de flama adiabaacutetica de un proceso de combustioacuten de flujo estacionario se
determina aplicando la primera ley de la termodinaacutemica considerando la caacutemara de combustioacuten
como un volumen de control totalmente aislado (adiabaacutetico) con la siguiente ecuacioacuten
119867119901119903119900119889 = 119867119903119890119886119888119905
sum 119873119901(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg) = sum 119873119903(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg)
Doacutende Np= nuacutemero de moles de los productos
Nr = nuacutemero de moles de los reactivos
ℎ119891= entalpiacutea de formacioacuten
ℎ minus ℎdeg= variacioacuten de entalpiacutea
Una vez que se especifican los reactivos y los estados resulta faacutecil determinar las entalpiacuteas de
los reactivos Sin embargo debido a que la temperatura de los productos no se conoce antes de los
caacutelculos el caacutelculo de la entalpia de los productos no es directa Por consiguiente la determinacioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
54
de la temperatura de flama adiabaacutetica requiere el uso de una teacutecnica iterativa a menos que se
disponga de ecuaciones para los cambios de entalpiacutea sensible de los productos de combustioacuten
La temperatura de flama adiabaacutetica se determina luego a partir de estos dos resultados mediante
interpolacioacuten Cuando el oxidante es aire los gases producto se componen principalmente de N2 y
una buena primera suposicioacuten para la temperatura de flama adiabaacutetica se obtiene tratando todos
los gases productos como N2 En las caacutemaras de combustioacuten la temperatura maacutexima a la que se
puede llegar esta limitada por condiciones metaluacutergicas [75] Se analizaron los tres tipos de mezcla
para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla teoacuterica o estequiomeacutetrica
mezcla pobre y mezcla rica
II1 Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El modelo utilizado para los tres tipos de mezcla es una caacutemara de combustioacuten en la cual se
simula la inyeccioacuten de combustible octano 119862811986718 con las cantidades de aire suministrado siendo la
composicioacuten quiacutemica del aire de 1198742 + 3761198732 lo que equivale a 79 de N2 y 21 de O2 Tanto el
combustible como el aire se consideran como los reactivos y los gases de escape como productos
tal como se aprecia en la figura 32
La ecuacioacuten teoacuterica para este caso es
119862811986718 + 119908(1198742 + 3761198732) rarr 1198831198621198742 + 1198841198672119874 + 1198851198732
Doacutende W X Y Z representan los coeficientes estequiomeacutetricos determinaacutendose por balanceo
de los elementos quiacutemicos de la ecuacioacuten
119862 8 = 119883
119867 18 = 2119884 there4 119884 = 9
119874 2119882 = 2119883 + 119884 there4 119882 = 125
119873 376(2)119882 = 2119885 there4 119885 = 47
Se obtiene asiacute la ecuacioacuten estequiomeacutetrica balanceada
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
55
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos y considerando un proceso
adiabaacutetico se obtiene la ecuacioacuten para los tres tipos de mezcla
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ)
Donde
ℎ119891298= Entalpiacutea de deformacioacuten durante la reaccioacuten
∆ℎ= Variacioacuten de la entalpiacutea con respecto al estado de referencia
Los valores de entalpiacuteas para esta reaccioacuten se obtienen de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y
A-26 [75] Para este caso resulta
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9324] + 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]
+47[0 + ℎ1198732minus 8669] = 1[minus249950 + 0] minus 125[0 + 0] minus 47[0 + 0]
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 47ℎ1198732
= 5646081
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realiza iterativamente proponiendo como inicio que toda la
energiacutea es absorbida por el N2 ya que es el elemento que posee el mayor nuacutemero de moles
64ℎ1198732= 5646081
ℎ1198732= 88220015
119896119869
119896119898119900119897
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de temperatura aproximado de
119879 = 2650deg119870
Y tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen los valores
que se muestran en la tabla 5
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
56
TABLA 5 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA
Temperatura T=2600degK T=2450degK T=2200degK
Sustancia h(kJkmol)
8CO2 1099592 1025752 903512
9H2O 1028457 955647 836460
47N2 4072550 3814003 3385880
6130599 5795402 5125852
Interpolando los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2450degK y 2200degK se
obtiene la temperatura 119879 = 239424deg119870
II2 Mezcla pobre (110 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Ecuacioacuten real (10 exceso de aire) es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 1251198742 + 5171198732
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
Sustituyendo los valores de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y A-26 [75] se obtiene
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364]
kJ
kmol1198621198742
+ 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]kJ
kmol1198671198742
+125[0 + ℎ1198732minus 8682]
kJ
kmol1198742
+ 517[0 + ℎ1198732minus 8669]
kJ
kmol1198732
= 1[minus249950 + 0]kJ
kmol119862811986718
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 125ℎ1198742
517ℎ1198732= 56976778119896119869119896119898119900119897
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno
6995ℎ1198732= 56976778
ℎ1198732= 8145357827
119870119869
119870119898119900119897
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
57
TABLA 6 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA POBRE
Temperatura T=2400degK T=2450degK T=2200degK T=2250degK
Sustancia h(kJkmol)
8 CO2 1001216 1025752 903512 927872
9 H2O 931572 955647 836460 860058
125 02 1039675 106390 94355 9674625
517 N2 4100844 41954033 3724468 38183552
61376055 62831923 5558795 570303145
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2500deg119870
Nuevamente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen
los valores que se muestran en la tabla 6
Realizando la interpolacioacuten de los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2200degK
y 2250degK se obtiene la temperatura 119879 = 2248144deg119870
II3 Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es la siguiente
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
La ecuacioacuten real (85 de aire) es
119862811986718 + 10625(1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 91198672119874 + 375119862119874 + 39951198732
Aplicando la primera ley de la termodinaacutemica para sistemas reactivos y adiabaacutetico se obtiene
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
TABLA 7 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA
Sustancia hf h 298 degk
KJKmol
C₈H₁₈ -249950 -----
O₂ 0 8682
N₂ 0 8669
H₂O -241820 9904
CO₂ -393520 9364
CO -110530 8669
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
58
Posteriormente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se
obtienen los valores que se muestran en la tabla 7
Y sustituyendo los valores en la foacutermula antes mencionada se obtienen los resultados siguientes
425 (minus393520 + ℎ119862119874₂ minus 9364) + 375 (minus110530 + ℎ119862119874 minus 8669) + (minus 241820
+ ℎ119867₂119874 minus 9904) + 3995 (0 + ℎ119873₂ minus 8669) ndash 1(minus 249950
+ 0) ndash 10625 (0 + 0) ndash 3995 (0 + 0) = 0
425 ℎ119862119874₂ + 375 ℎ119862119874 + 9 ℎ119867₂119874 + 3995 ℎ119873₂ = 45211458
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno 5695 ℎ119873₂ = 45211458
ℎ119873₂ = 7938798 = 79388 kJkmol
De la tabla A-18 [75] de propiedades del nitroacutegeno se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2400deg119870
Tabulando los valores correspondientes de la entalpiacutea a la temperatura indicada se muestran en
la tabla 8
Interpolando entre los valores de 2300degK y 2200degK se obtiene la temperatura para esta
mezcla 119879 = 2223305deg119870
TABLA 8 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA RICA
Temperatura T=2400 T=2300 T=2200
Sustancia h(KJKmol)
425 Co₂ 531896 50589875 47999075
375 Co₂ 30005625 28629375 272580
9 H₂O 931572 883791 836460
3995 N₂ 3168834 30232562 2877998
sum 493235825 46992397 446702875
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
59
434 Temperatura real de combustioacuten
Las temperaturas de combustioacuten adiabaacutetica obtenidas en el apartado que aborda el tema de la
temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para los tres tipos de mezclas reflejan un paraacutemetro
cuantitativo sin embargo no es posible que el motor alcance dichos valores Esto es debido a la
Segunda Ley de la Termodinaacutemica en su postulado de Kelvin Plank refirieacutendose precisamente al
rendimiento del motor que de acuerdo a la relacioacuten de compresioacuten establecida se determinoacute que
es de 60 Este valor equivale al maacuteximo rendimiento posible con el cual se determinaraacute la
temperatura real del motor para los tres tipos de mezclas Eacutesta temperatura seraacute considerada para
el anaacutelisis de transferencia de calor en la biela
I Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El poder caloriacutefico del combustible representa la cantidad de calor liberado cuando se quema por
completo en un proceso de flujo estacionario En este anaacutelisis se considera el poder caloriacutefico
inferior debido a que el agua en los productos se considera en fase de vapor correspondieacutendole un
valor de 44430 kJkmol [75]
Involucrando una eficiencia de 60 se determina la cantidad de calor real utilizado en los tres
diagramas y mediante el anaacutelisis de estequiometria se obtiene la temperatura real correspondiente
al maacuteximo valor del ciclo en el proceso de explosioacuten
El anaacutelisis parte de la ecuacioacuten teoacuterica (100 de aire) para los tres tipos de mezclas que se
analizan en este apartado
De acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica para esta reaccioacuten de combustioacuten la
ecuacioacuten de la cantidad de calor liberado es
minus 119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
El valor de 119876119903119890119886119897 se determina al involucrar el rendimiento de 60 del poder caloriacutefico del
combustible y a la vez multiplicaacutendolo por la masa molar del combustible de 114231 kgkmol
obteniendo un valor de 3045170119896119869
119896119898119900119897
Los valores de ℎ119891deg y ℎ de los componentes a 298degK son los que se muestran en la tabla 9 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
60
TABLA 9 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Sustancia 119945 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948
kjkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119925120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 47(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten en funcioacuten de las entalpiacuteas de los elementos de los
productos que se resuelve por el meacutetodo iterativo
8ℎ 1198621198742
+ 9 ℎ1198671198742+47ℎ1198732
=2600911 kJkmol
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero total
de moles lo que produce 2600911 119896119869
(8 + 9 + 47) 119896119898119900119897= 4063923
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido correspondieacutendole un valor de T=131374degK A partir de este valor
se proponen valores inferiores y posteriormente realizar una interpolacioacuten lineal como se muestra
en la tabla 10 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
61
TABLA 10 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Temperatura T=1180degK T=1200degK T=1220degK
Sustancia h(KJKmol)
120790 119914119926120784 421792 430784 439816
120791 119919120784119926 391581 399420 407304
120786120789 119925120784 1696888 1728519 1760244
Total 2510261 2558723 2607364
Interpolando entre las temperaturas de 1200degK y 1220degK se obtiene que la temperatura real de
combustioacuten es T = 1217347 degK
II Mezcla pobre (110 aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten con 10 de exceso de aire es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 1251198742 + 91198672119874 + 5171198732
La ecuacioacuten de combustioacuten de acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
Los valores de las entalpiacuteas ℎ119891deg + ℎ de las sustancias a T= 298degK son los que se muestran en la
tabla 11 [75]
Sustituyendo valores correspondientes en la ecuacioacuten se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 125(0 + ℎ1198742minus 8682)
kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 517(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
62
TABLA 11 ENTALPIA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA POBRE REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119926120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten
8ℎ1198621198742+125 ℎ1198742
+ 9 ℎ1198671198742+517ℎ1198732
=26525078 kJ
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de
moles lo que produce
26525078 119896119869
(8 + 125 + 9 + 517) 119896119898119900119897= 379200543
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido siendo T=1240degK Nuevamente se propondraacuten valores inferiores a
la temperatura obtenida para obtener la entalpiacutea correspondiente a cada sustancia por
interpolacioacuten lineal obtener el resultado correcto Se muestran los valores de la tabla 12 [75]
La interpolacioacuten entre las temperaturas de 1160degK y 1140degK da el resultado de la temperatura
real para esta mezcla 119879 = 11515385deg119870
TABLA 12 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA POBRE REAL
Temperatura T=1200degK T=1160degK T=1140degK T=1120degK
Sustancia h(kJkmol)
120790119914119926120784 430784 412816 403872 394952
120783 120784120787119926120784 4805875 4627875 453925 445075
120791119919120784119926 399420 383778 376020 327384
120787120783 120789119925120784 19013709 1831731 1797092 17625564
Total 277963365 267460375 26223765 25293999
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
63
III Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten incompleta genera la aparicioacuten de monoacutexido de carbono (CO)
en los productos
119862811986718 + 10625 (1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 375119862119900 + 91198672119874 + 39951198732
De la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg)
Los valores de ℎ119891deg + ℎ de los componentes a la temperatura de 298degK son los que se muestran
en la tabla 13 [75]
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 425(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 375(minus110530 + ℎ119862119900 minus 8669)kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 3995(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
425ℎ1198621198742+375 ℎ119862119900 + 9 ℎ1198671198742+3995ℎ1198732
=14759758 kJkmol
Eacutesta debe resolverse por iteraciones sucesivas Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el
lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de moles obtenieacutendose 14759758 kJ
(425 + 375 + 9 + 3995) 119896119898119900119897= 25917
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente a esta entalpia
la temperatura aproximada siendo T=870degK Realizando un procedimiento similar a las mezclas
anteriores se obtiene la tabla 14 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
64
TABLA 13 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 8682
119925120784 0 8669
119914119926120784 -393520 9364
Co -110530 8669
119919120784119926 -241820 9904
TABLA 14 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA RICA REAL
Temperatura T=860degK T=850degK T=840degK T=830degK T=820degK
Sustancia h(KJKmol)
120786 120784120787119914119926120784 150008 14778525 14556675 1433525 141151
120785 120789120787119914119926 96630 954225 94215 9301125 9181125
120791119919120784119926 272160 268614 265086 261558 258048
120785120791 120791120787119925120784 10231195 10104154 9977113 9850871 9724629
Total 15419175 152223715 150257905 148300885 146347315
Interpolando entre las temperaturas de 830degK y 820degK se obtiene una temperatura de
combustioacuten para esta mezcla de 119879 = 8264deg119870
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten
En el apartado 433 se determinoacute una cantidad de calor liberado por la reaccioacuten quiacutemica de
combustioacuten de Q = 3045170 kJkmol = 26658 kJkg Esta energiacutea en forma de calor se tomaraacute en
cuenta para calcular el coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
Para este anaacutelisis se considera un modo de transferencia de calor por conveccioacuten entre un soacutelido
y un gas adyacente Seguacuten Cengel entre maacutes raacutepido es el movimiento de un fluido mayor es la
transferencia de calor por conveccioacuten [76]
De acuerdo con la ley de Newton del enfriamiento esta forma de transferencia de calor se expresa
mediante la ecuacioacuten honoriacutefica de este autor
119888119900119899119907 = ℎ119860119904( 119879119904 minus 119879infin )
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
65
Doacutende
h = coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
As = aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la
transferencia de calor
Ts = temperatura de la superficie
Tinfin = temperatura de los gases de combustioacuten
Para determinar el aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la conveccioacuten se considera un
cilindro con las dimensiones de la muestra seleccionada con un tamantildeo de 81 mm de diaacutemetro por
864 mm de carrera entonces
As = πDL = π(81 cm)(864 cm) = 2198612cm2 = 2198612x10-4 m2
Es necesario determinar la rapidez o tasa de transferencia de calor para lo cual se determina la
relacioacuten aire combustible para una mezcla con 85 de aire
119903119886119888frasl =
119898119886
119898119888=
119873119886
119873119888
119872119886
119872119888=
(10625)(426)(2897)
114231= 115
119896119892119886119894119903119890
119896119892119888119900119898119887
Doacutende
Na Nc corresponden al nuacutemero de moles del aire y el combustible respectivamente
Ma Mc son la masa molar del aire y la mezcla respectivamente
Desplazamiento por cilindro = V1 ndash V2 = 1800 cm34 = 450 cm3
Relacioacuten de compresioacuten r = 95 =V1V2
Resolviendo se obtiene un volumen inicial V1 = 502941 cm3
Utilizando condiciones iniciales presioacuten de 100 kPa y temperatura de 298degK Mediante la
ecuacioacuten de estado se determina la masa de aire
ma = 11987511198811119872
1198771199061198791
= (100)(5029411990910minus4)(2897)
(8314)(298)= 0000588 k119892
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
66
Con la relacioacuten aire combustible se determina la masa del combustible
119898119888 = 119898119886
119903119886119888=
0000588
115= 000005113 k119892
El calor total liberado durante la combustioacuten es
119876 = 119902119898119888 = 26658119896119869
119896119892(000005113 119896119892) = 1363035 119896119869
El flujo de calor por cilindro para una velocidad del motor de 2700 rpm es
119876 = 1363035119870119869 (1
2119888119894119888119897119900119904
119903119890119907
) (2700119903119890119907
119898119894119899) (1
119898119894119899
60 119904 ) = 306682 119896119882
Esta es la cantidad de flujo de calor que se considera para determinar el coeficiente de
transferencia de calor por conveccioacuten de la siguiente forma
ℎ = 119888119900119899119907
119860119904 ( 119879119904minus119879infin )=
306682 119882
(219861211990910minus41198982)(25minus5533)deg119862= 26398355 119882
1198982deg119862frasl
44 Simulacioacuten
Durante el presente anaacutelisis la geometriacutea de la biela fue elaborada en Solid Works para
posteriormente importarla al software de ANSYS en la simulacioacuten correspondiente Se selecciona
un modelo de malla refinado tal como se muestra en la figura 33 para una solucioacuten precisa y con
resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico - transitorio y estructural
Figura 33Modelo de malla
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
67
Se inicia con un anaacutelisis teacutermico transitorio tomando en cuenta los datos de la muestra del motor
seleccionado asiacute como tambieacuten los resultados obtenidos en el anaacutelisis teacutermico de combustioacuten y por
transferencia de calor El tiempo transitorio se determina con la velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira 2 revoluciones por ciclo termodinaacutemico resultando ser de
004444 segundos El primer resultado muestra la distribucioacuten de temperatura mediante la
transferencia de calor por conveccioacuten tal como se visualiza en la figura 34
Figura 34Distribucioacuten de temperatura
El segundo anaacutelisis es una simulacioacuten estaacutetica estructural vinculada con el anaacutelisis teacutermico
transitorio como se aprecia en la figura 35
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
68
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural es necesario saber la fuerza axial que actuacutea sobre la biela para
lo cual durante el anaacutelisis cineacutetico realizado en el software de Matlab se obtuvieron resultados del
par-motor durante el movimiento de la biela del PMS al PMI El par maacuteximo o torque se obtiene a
los 28deg a parir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de 15380 N Es
importante mencionar que el fabricante estima un par maacuteximo de 300 Nm a 2700 rpm y el
software de Matlab arroja un resultado de 310 Nm La distribucioacuten de temperatura es importada
para el anaacutelisis teacutermico estructural tal como se aprecia en la figura 36
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela
Mediante simulacioacuten final del anaacutelisis de flujo teacutermico-transitorio y estaacutetico-estructural se
obtienen resultados de los esfuerzos principales de Von Mises tal como se visualiza en la figura
37
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
69
Un paraacutemetro comparativo es la resistencia a la cedencia del material recomendado para la
fabricacioacuten de la biela Se utilizoacute para este caso un acero 4140 con una resistencia de 470 MPa
(recosido) y de 862 MPa (normalizado) Durante este tiempo la biela resiste con toda seguridad
el impacto de carga y temperatura Sin embargo la realidad es que normalmente el motor se
mantiene acelerado por maacutes tiempo Por ejemplo considerando que el motor trabaje durante un
minuto a la velocidad de 2700 rpm la solucioacuten que se obtiene mediante ANSYS resulta muy
considerable ya que el sobrecalentamiento se genera por estas causas La solucioacuten obtenida se
muestra en la figura 38
Definitivamente el esfuerzo maacuteximo rebasa el liacutemite de cedencia del material esto implica que
en alguacuten momento la parte maacutes vulnerable de la biela estaraacute propensa a sufrir alguna fractura lo
que comuacutenmente se conoce como ldquodesbielarrdquo el motor Esto es lo que genera mantener un motor
revolucionado aunque tambieacuten existen otras causas que contribuyen al sobrecalentamiento como
un sistema deficiente de lubricacioacuten y enfriamiento que en otro caso pueden considerarse motivo
de una investigacioacuten especiacutefica
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
70
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN
51 Conclusiones relativas a los objetivos
Cumplimiento del Objetivo general ldquoAnalizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas
de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro y cuatro cilindros encendido por chispardquo
A partir de los nuevos conocimientos obtenidos en esta investigacioacuten se puede dar por cumplido
el objetivo general teniendo en cuenta los siguientes elementos
Se realizoacute el anaacutelisis de los elementos que ocasionan la falla en un motor de cuatro tiempos
esto mediante el anaacutelisis cinemaacutetico donde se consideroacute el desplazamiento conforme a la
geometriacutea del motor y la velocidad tomando en cuenta el desplazamiento De igual forma se
tomoacute en cuenta la aceleracioacuten y se realzoacute el anaacutelisis cineacutetico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoIdentificar el comportamiento termo estaacutetico de una
biela en un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por
chispardquo
A eacuteste respecto se identificoacute el comportamiento termo estaacutetico mediante las leyes de la
termodinaacutemica para la eficiencia de un motor Otto ideal asiacute como la comprensioacuten isentroacuteprica
la relacioacuten de comprensioacuten y gases obtenieacutendose la eficiencia teacutermica del ciclo Otto
correspondiente al 60
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoDeterminar la fuerza axial de una biela en un motor de
combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Mediante el anaacutelisis cineacutetico y de las fuerzas alternativas de inercia se da por cumplido el
objetivo especiacutefico La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten
cinemaacutetica Tambieacuten es necesario considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante
el proceso de expansioacuten pues de este resultado se obtiene la fuerza maacutexima que actuacutea sobre el
pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
71
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoObtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para
una reaccioacuten de combustioacuten estequiometricardquo
Mediante el anaacutelisis teacutermico y transferencia de calor se obtuvo la temperatura de flama
adiabaacutetica a partir de los resultados mediante interpolacioacuten Se analizaron los tres tipos de
mezcla para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla estequiomeacutetrica
una mezcla pobre y una mezcla rica En el caso de la mezcla al 100 de aire se obtuvo una
estequiomeacutetrica balanceada donde se hizo la tabulacioacuten de la entalpiacutea con su correspondiente
sustancia al igual que la mezcla pobre obtenieacutendose una temperatura de 119879 = 2248144deg119870
Referente a la mezcla rica se realizoacute la interpolacioacuten entre los valores de 2300degK y 2200degK
resultando una temperatura para esta mezcla de 119879 = 2223305deg119870 por lo que se da por
cumplido este objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoSimular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela
para identificar posibles deformacionesrdquo
Se realizoacute la simulacioacuten con un modelo de malla refinado en el Software de Aplicacioacuten Solid
Works donde posteriormente se importoacute al software ANSYS Se inicioacute con el anaacutelisis teacutermico
transitorio El tiempo transitorio se determina con una velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
Tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira dos revoluciones por ciclo termodinaacutemico este tiempo
resulta ser de 004444 segundos El primer resultado mostroacute la distribucioacuten de temperatura
mediante la transferencia de calor por conveccioacuten
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural se usoacute el software de MATLAB El par maacuteximo
corresponde a 28deg a partir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de
15380 N Es importante mencionar que el fabricante estimoacute un par maacuteximo de 300 Nm a 2700
rpm mientras que el software de MATLAB arrojoacute un resultado de 310 Nm Por lo que se da
por cumplido el objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoElaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de
un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
72
Respecto al anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico se encontroacute que para la fabricacioacuten de la biela es
recomendable la resistencia de la cedencia es decir un acero 4140 con una resistencia de 470
MPa (recosido) y de 862 MPa (normalizado) Con estos paraacutemetros la biela resistiraacute con toda
seguridad el impacto de carga y temperatura
52 Aportaciones originales
La presente investigacioacuten tiene cuatro aportaciones las cuales se describen a continuacioacuten
Un primer aporte de esta investigacioacuten consistioacute en haber realizado un anaacutelisis cinemaacutetico
considerando el desplazamiento la velocidad y aceleracioacuten lo cual fue el objeto de estudio
para producir cambios en la biela de un motor VW Golf MK4 GTI 18T Respecto a la revisioacuten
de las fuentes primarias se encontraron los fundamentos teoacutericos necesarios para la
elaboracioacuten de dicha investigacioacuten que al ser analizado y aplicado dio un diagnoacutestico de la
situacioacuten actual de las fallas de una biela
Una segunda aportacioacuten fue el haber realizado el anaacutelisis estaacutetico estructural para saber la
fuerza axial que actuacutea sobre la biela Para esto durante el anaacutelisis cineacutetico se utilizoacute el software
de MATLAB con el que se obtuvieron resultados del par-motor durante el movimiento de la
biela del PMS al PMI
La tercera aportacioacuten de esta investigacioacuten consistioacute en realizar un anaacutelisis teacutermico por
transferencia de calor para poder identificar la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
considerando tres tipos de mezcla que son 100 de aire mezcla pobre y mezcla rica Asiacute como
la determinacioacuten de la temperatura real de combustioacuten y sus mezclas correspondientes para
obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiometrica
La cuarta aportacioacuten de esta investigacioacuten fue la generacioacuten de la geometriacutea de la biela usando
el software en Solid Works posteriormente importada al software de ANSYS la obtencioacuten de
una solucioacuten precisa y con resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico transitorio y estructural
|
53 Recomendaciones para futuros estudios
Se recomienda para futuros estudios profundizar en la temaacutetica de mecaacutenica Los problemas que
deja abiertos esta investigacioacuten para futuros estudios son los siguientes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
73
Se evidencia la necesidad de que las empresas dedicadas a la fabricacioacuten de piezas mecaacutenicas
establezcan paraacutemetros y realicen simulaciones adecuadas de las piezas que conforman los
autos para que no tengan fallas en un futuro
Se recomienda realizar investigaciones en el aacuterea de mecaacutenica que deacute seguimiento a las liacuteneas
de investigacioacuten de termo fluidos y disentildeo implementando un laboratorio de pruebas de
motores de combustioacuten interna que aunado a la simulacioacuten los resultados seriacutean maacutes eficientes
Difusioacuten de los resultados de esta investigacioacuten con la presentacioacuten de los mismo en congresos
y revistas
Finalmente se recomienda realizar investigaciones correspondientes a las fallas mecaacutenicas
diferentes a las abordadas en este estudio en relacioacuten con los motores de combustioacuten interna y
los factores que inciden negativamente
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
74
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Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
80
ANEXOS
ANEXO I
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y utilizando la nomenclatura de la figura 22 se determinaron el
desplazamiento velocidad y aceleracioacuten correspondientes por medio del software de MATLAB
El anaacutelisis completo corresponde al movimiento alternativo durante un ciclo termodinaacutemico
DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN
Programa para determinar el desplazamiento ldquoxrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de
360 grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
81
ANEXO II
VELOCIDAD DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la velocidad ldquovrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
82
ANEXO III
ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la aceleracioacuten ldquoardquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
83
ANEXO IV
FUERZAS ALTERNATIVAS
En el anaacutelisis cineacutetico las fuerzas alternativas representan parte de la carga que actuacutea en el
pistoacuten considerando la aceleracioacuten del mismo en la segunda ley de Newton Se utilizoacute el
software de MATLAB durante este anaacutelisis
Programa para determinar las fuerzas alternativas de primer orden y segundo orden durante un
movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
84
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL DESPLAZAMIENTO
LA VELOCIDAD LA ACELERACIOacuteN Y FUERZAS ALTERNATIVAS DE INERCIA ES
syms x
Longitud de la Biela
L=144
Radio De La Manivela
r=0432
Carrera Del Piston
C=2r
Angulo entre eje de la biela con Cilindro (beta)
b=0
lamda=rL
________DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Deslizamiento angular de la Manivela (alpha)
a = 0pi184pi
Desplazamineto del Piston
x=r(1-cos(a))+L((1-(lamda^2)(sin(a))^2))^12
x=r(1-cos(a))
y=010720
subplot(221)
plot(yx)
ylabel(Desplazamiento Del Piston (m))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________VELOCIDAD DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Velocidad del Piston
V=diff (x)
y=010710
subplot(222)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
85
plot(yV)
ylabel(Velocidad Del Piston (ms))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Aceleracioacuten del Piston
A=diff (V)
y=010700
subplot(223)
plot(yA)
ylabel(Aceleracioacuten Del Piston (ms^2))
xlabel(GRADOS)
grid on
Masa
m=660
Revoluciones Por Minuto
n=2700
Velocidad Angular
W=(2pin)60
lamda=rL
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE PRIMER ORDEN_________
F1=m(W^2)rcos(a)biela de longitud infinita
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE SEGUNDO ORDEN_________
F2=m(W^2)rlamdacos(2a)biela de longitud infinita
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
86
F2=m(W^2)r(cos(a)+lamdacos(2a))biela de longitud finita
y=010720
subplot(224)
plot(yF1r-yF2b-)
ylabel(Fuerzas Alternativos (N))
xlabel(GRADOS)
legend(Fza Inercia 1deg Orden Fza Inercia 2deg Orden)
grid on
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
87
ANEXO V
ANAacuteLISIS DE LA FUERZA EN LA BIELA
Programa para determinar la fuerza durante el movimiento alternativo del pistoacuten
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA LA FUERZA EN LA
BIELA ES
Diagrama Par-Motor
function[F]=Fbexplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00432
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
88
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Fb=F(1-(lambda^2)(sin(alphar))^2)^05
plot(alphaFb)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Fuerza en la Biela N))
title(Fb Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
89
ANEXO VI
DIAGRAMA PAR-MOTOR
Programa para determinar el par-motor durante el movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
90
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL PAR-MOTOR ES
Diagrama Par-Motor
function[Mt1]=ParMotorExplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00437
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Mt1=Fr(sin(alphar))+(((lambdasin(alphar)))cos(alphar))(sqrt(1-
lambda^2((sin(alphar))^2)))
plot(alphaMt1)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Par Motor(Nm))
title(Par Motor Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
91
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
92
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
V
434 Temperatura real de combustioacuten 59
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten 64
44 Simulacioacuten 66
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN 70
51 Conclusiones relativas a los objetivos 70
52 Aportaciones originales 72
53 Recomendaciones para futuros estudios 72
REFERENCIAS 74
ANEXOS 80
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS 91
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VI
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 1Estado del arte 9
Figura 2 Motor eleacutectrico 11
Figura3 Motor hiacutebrido 12
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas) 13
Figura 5 Motor de combustioacuten interna 14
Figura 6Biela 17
Figura 7 Partes de la biela 18
Figura8 Pistoacuten 19
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela 20
Figura 10Ciguentildeal 21
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal 22
Figura 12Cojinetes 22
Figura 13Cojinetes de friccioacuten 24
Figura 14Cojinetes de rodamiento 24
Figura 15Motor de cuatro tiempos 25
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos 26
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa 27
Figura18 Sistema de encendido 29
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo 36
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna 43
Figura 21VW Golf 44
Figura 22 Nomenclatura 45
Figura 23 Desplazamiento 46
Figura 24Velocidad del pistoacuten 47
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten 47
Figura 26Fuerzas alternativas 48
Figura 27 Fuerzas en la biela 49
Figura 28Diagrama par-motor 49
Figura 29Par-motor de explosioacuten 50
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen 51
Figura 31 Eficiencia teacutermica 53
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor 55
Figura 33Modelo de malla 66
Figura 34Distribucioacuten de temperatura 67
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural 67
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela 68
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela 68
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela 69
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VII
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Conceptualizacioacuten de variable 39
Tabla 2 Caracteriacutesticas del motor 40
Tabla 3 Porcentaje de composicioacuten quiacutemica del acero usado 41
Tabla 4 Tratamiento teacutermico y propiedades mecaacutenicas 41
Tabla 5 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica 56
Tabla 6 Valores de entalpiacutea para mezcla pobre 57
Tabla 7 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica 57
Tabla 8 Valores de entalpiacutea para mezcla rica 58
Tabla 9 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla teoacuterica real 60
Tabla 10 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica real 61
Tabla 11 entalpia de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla pobre real 62
Tabla 12 Valores de entalpiacuteas para mezcla pobre real 62
Tabla 13 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica real 64
Tabla 14 Valores de entalpiacuteas para mezcla rica real 64
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VIII
RESUMEN
Esta investigacioacuten es de tipo y alcance exploratorio descriptivo correlacional y explicativo con un
enfoque mecaacutenico y cuantitativo Que tiene la finalidad de identificar las fallas en una biela que es
una parte moacutevil de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido
por chispa (ECH) accionado con octano Mediante el anaacutelisis del comportamiento teacutermico y
estructural del objeto de estudio de esta investigacioacuten con base en los tres posibles diagramas para
mezclas de aire combustible estequiomeacutetrica rica y pobre y mediante el anaacutelisis de transferencia
de calor por conveccioacuten se determina el coeficiente correspondiente para cuando la biela es
sometida a sobrecalentamiento Subsecuentemente se realizaron los anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico
con base caracteriacutesticas del motor VW Golf MK4 Gti 18T utilizando el software de MATLAB
Posteriormente se generoacute la geometriacutea de la biela con dimensiones reales en el software
SOLIDWORKS por uacuteltimo se simulo el comportamiento y reaccioacuten la biela tanto para un flujo
teacutermico transitorio como estructural en ANSYS Los resultados obtenidos muestran que los
esfuerzos y deformaciones en la biela en comparacioacuten con los liacutemites de cedencia del material se
encuentran dentro de los liacutemites permisibles ademaacutes de la identificacioacuten de los puntos vulnerables
a una posible falla o fractura
Palabras clave biela motor de combustioacuten interna sobrecalentamiento termo-estaacutetico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IX
ABSTRACT
This research is of type and scope exploratory descriptive correlational and explanatory with
a mechanical and quantitative approach Which has the purpose of identifying the faults in a
connecting rod that is a moving part of a four-stroke internal combustion engine and four cylinders
ignition by spark powered by octane When analyzing the thermal and structural behavior of the
object of study of this research based on the three possible diagrams for combustible air mixtures
stoichiometric rich and poor and by analysis of heat transfer by convection the corresponding
coefficient is determined for when the connecting rod is subjected to overheating Subsequently
kinetic and kinematic analyzes were performed based on the characteristics of the VW Golf MK4
Gti 18T engine using the MATLAB software Following the geometry of the connecting rod with
real dimensions was generated in the SOLIDWORKS software Finally the behavior and reaction
of the connecting rod were simulated both for transient and structural thermal flow in ANSYS
The results obtained show that the efforts and the deformations in the connecting rod in
comparison with the performance limits of the material are within the permissible limits in
addition to the identification of the vulnerable points before a possible failure or fracture
Keywords connecting rod internal combustion engine overheating thermo-static
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
1
INTRODUCCIOacuteN
Los motores de combustioacuten interna son los maacutes usados en los automoacuteviles los cuales en
ocasiones presentan fallas mecaacutenicas tan diversas como la cantidad de componentes del motor
Diferentes autores han determinado dentro de la diversidad de problemas relacionados con la biela
del motor los siguientes la fatiga el pasador que conecta a la biela del pistoacuten el cual recibe una
gran cantidad de desgaste el motor revolucionado el agua que ingresa al cilindro del motor en el
momento de la chispa la cual puede ocasionar que la biela se doble y deformaciones de la biela por
sobrecalentamiento por ello es importante que el sistema de lubricacioacuten se encuentre en buen
estado Asociado a esto es importante que se verifique el tratamiento teacutermico de los ciguumlentildeales de
tal forma que se tenga una resistencia adecuada Que en caso de presentarse alguno de estos
problemas la reparacioacuten del motor implica no solo la reposicioacuten de la biela sino de todas las piezas
afectas e incluso el cambio o restitucioacuten completa del motor
1 Planteamiento del problema
Preferentemente cuando se realiza la reparacioacuten de un motor de auto se debe comprobar el
estado de todas las piezas moacuteviles y fijas antes de la realizacioacuten de un trabajo de verificacioacuten pero
en la mayoriacutea de ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa revisioacuten de su estado
Una biela es un elemento fundamental en el funcionamiento de un motor ya que trasforma la
energiacutea quiacutemica generada por la combustioacuten en una energiacutea cineacutetica siendo el enlace entre la
absorcioacuten de la energiacutea mecaacutenica por lo que la biela es el elemento maacutes tensionado de un motor
y su correcto disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes Por lo anterior la biela es robusta en su
disentildeo pero a la vez debe ser lo maacutes ligera posible para reducir la inercia y soportar los esfuerzos
mecaacutenicos a los que se encuentra sometida [1]
La biela soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del
ciguumlentildeal hacia arriba un trabajo realmente duro el que realiza la biela Se construye de acero
forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al material aguantar ese inmenso
trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta conseguir la forma de la biela
[2]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
2
Asociado a esto al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentan desgastes excesivos y prematuros los cuales pueden ocasionar una falla es por esto
importante considerar un buen sistema de lubricacioacuten durante el funcionamiento del motor La
temperatura en la caacutemara de combustioacuten debe ser superior a los 2000 degK siendo eacutesta una
temperatura instantaacutenea pues disminuye durante el tiempo de expansioacuten y escape de gases Es por
lo tanto necesario disipar el calor producido en la explosioacuten y si el sistema no funciona
correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como consecuencia
deformaciones importantes por sobrecalentamiento [3]
Una biela arqueada o retorcida sobre su eje provoca un ruido en el motor y este arqueamiento es
ocasionado por un diaacutemetro excesivo en el pie o cabeza de la biela o por un peso inadecuado del
elemento [4] En la rectificacioacuten de un motor de combustioacuten interna se rectifican 21 brazos de biela
en un mes lo que significa que estos elementos no son cambiados ya que los brazos de biela estaacuten
disentildeados para tener una vida infinita y estaacute sometido a millones de repeticiones de ciclos de carga
[5]
Es pertinente mencionar que con relacioacuten a las fallas mecaacutenicas de los motores relacionadas a la
biela de un motor se han encontrado investigaciones realizadas en diversos paiacuteses como Ecuador
Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico las cuales se detallan en apartados posteriores Que
conjuntamente a la constante evolucioacuten tecnoloacutegica de la ingenieriacutea en general y el disentildeo
mecaacutenico en particular se decidioacute analizar cuaacuteles son los factores que influyen en el
comportamiento de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) Se
plantea entonces el siguiente problema de investigacioacuten
iquestCuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor de VW1 Golf MK4 Gti
18 T
1 Propoacutesito de la investigacioacuten
El propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar y analizar el comportamiento
termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) que
1 VW Agencia de Autos VolksWagen
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
3
es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico La finalidad es identificar las
fallas de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros
encendido por chispa accionado por gasolina que sirva de apoyo para el buen funcionamiento de
la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten
Frecuentemente la reparacioacuten de un auto depende del cuidado y buen mantenimiento que se deacute
al vehiacuteculo caso contrario esto va influir en el desgaste anticipado de los elementos fijos y moacuteviles
de un motor Ademaacutes en muchas ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa
revisioacuten de su estado o de un anaacutelisis de sus propiedades mecaacutenicas Por tales razones la
justificacioacuten de la presente investigacioacuten estaacute basado en diferentes aspectos los cuales se describen
a continuacioacuten
Conveniencia Reparar el motor tiene varias fases y las fallas tienen diferentes consecuencias
por lo cual hay que hacer un buen diagnoacutestico en cada una de sus piezas principalmente en las
bielas sin embargo no se conoce especiacuteficamente cuales son los problemas que origina la
falla de esta pieza El resultado esperado para la presente investigacioacuten seraacute realizar un anaacutelisis
termo-estaacutetico que permitiraacute identificar los esfuerzos y deformaciones para tomar decisiones
acertadas y precauciones de riesgo que puede generar el sobrecalentamiento del motor
Implicacioacuten praacutectica El analizar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un
motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa
permitiraacute determinar la fuerza axial para posteriormente identificar la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica Con estos datos junto con la simulacioacuten de la geometriacutea estaacutetica y
estructural de la biela permitiraacuten identificar posibles deformaciones Los resultados podraacuten
confirmar su aplicabilidad ya que ayudaraacuten a tomar precauciones importantes para que el
motor tenga un excelente funcionamiento evitando riesgos fatales que pueden extenderse a la
destruccioacuten total del motor Se evidenciaraacute la necesidad de maacutes investigaciones destacaacutendose
los beneficios de la simulacioacuten poniendo en evidencia su relevancia social y su practicidad
Finalmente este estudio participa en el avance positivo en el campo de la ingenieriacutea mecaacutenica
Relevancia Social Al tener una posible solucioacuten aproximada mediante el anaacutelisis del
elemento finito el anaacutelisis estructural de la fuerza sobre la biela y la realizacioacuten de la
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
4
simulacioacuten para esfuerzos y deformaciones se podraacuten tener productos de calidad a menor
costo mejorar los procesos existentes y tambieacuten estudiar fallos de un componente estructural
o un equipo teniendo un impacto positivo debido a que permitiraacute que el motor de combustioacuten
interna tenga menos dantildeos
Valor Teoacuterico La elaboracioacuten del trabajo de investigacioacuten traeraacute como beneficio
herramientas metodoloacutegicas para estudios relacionados con las ciencias exactas
contribuyendo con aportes significativos a la aplicacioacuten de la teoriacutea de motores de combustioacuten
interna lo que permitiraacute el enriquecimiento de la ingenieriacutea mecaacutenica
3 Objetivos
31 Objetivo general
Analizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor VW Golf MK4
Gti 18T
32 Objetivos especiacuteficos
Identificar el comportamiento termo - estaacutetico de la biela en un motor de combustioacuten interna
de 4 tiempos y 4 cilindros encendido por chispa
Determinacioacuten de la fuerza axial que actuacutea en una biela en un motor VW Golf MK4 Gti 18T
Obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiomeacutetrica
Identificar posibles deformaciones de la biela con base en la simulacioacuten de su geometriacutea
estaacutetica y estructural
Elaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de un motor VW Golf MK4 Gti 18T
4 Alcances
La investigacioacuten se realizoacute en una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos
y cuatro cilindros encendido por chispa
Se trabajaron las etapas de anaacutelisis termo - estaacutetico y determinacioacuten de la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica dentro de la caacutemara del cilindro
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
5
Para la realizacioacuten de estas etapas se utilizoacute el software SolidWorks para generar la geometriacutea
real de la biela Se utilizoacute asiacute mismo ANSYS para la simulacioacuten estaacutetica estructural para
identificar esfuerzos y deformaciones de la biela
5 Organizacioacuten del estudio
El desarrollo de esta investigacioacuten comprende cinco capiacutetulos los cuales se describen a
continuacioacuten
Capiacutetulo 1 Estado del Arte la descripcioacuten de las investigaciones relacioacuten a las fallas
mecaacutenicas de los motores relacionadas a la biela de un motor relacionadas en diversos paiacuteses
como Ecuador Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico
Capiacutetulo 2 Marco Teoacuterico se desarrolla inicialmente el marco conceptual sobre las bielas los
componentes de las bielas anaacutelisis estaacutetico y teacutermico motor de combustioacuten haciendo eacutenfasis en
el disentildeo mecaacutenico de una biela
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea se abordan los aspectos metodoloacutegicos de la investigacioacuten como son
enfoque alcance formulacioacuten de hipoacutetesis disentildeo seleccioacuten de la muestra recoleccioacuten de datos
y el procesamiento y anaacutelisis de datos
Capiacutetulo 4 Anaacutelisis e interpretacioacuten de Resultados se analizan e interpretan los resultados
obtenidos en las pruebas de simulacioacuten
Capiacutetulo 5 Conclusiones y Recomendaciones se presentan las conclusiones
recomendaciones y aportaciones de la experiencia adquirida durante la investigacioacuten realizada
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
6
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE
Como ya se mencionoacute anteriormente el propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar
y analizar el comportamiento termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa (ECH) que es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico
Y con la finalidad de identificar las fallas de la biela y que estos resultados sirvan de apoyo para el
buen funcionamiento de la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
Resultado de la buacutesqueda sobre las investigaciones relacionadas con el propoacutesito de esta
investigacioacuten Se encontroacute que en Ecuador Reyes Cantildeizares y Villacres [6] realizaron un estudio
el cual consistioacute en analizar un brazo de biela de un motor que ha alcanzado el kilometraje
necesario para una reparacioacuten y no presenta ninguna falla en su estructura y comparar los
resultados con el brazo de una biela nueva Para desarrollar este anaacutelisis realizaron un ensayo de
traccioacuten bajo la norma ASTM con el fin de obtener los valores del liacutemite de fluencia y la resistencia
a la traccioacuten del material del que estaacute hecho el elemento A partir de los resultados obtenidos los
valores praacutecticos de las propiedades mecaacutenicas de los brazos de biela cumplen con los datos
teoacutericos del tipo de material del cual estaacuten fabricadas A su vez se demostroacute que el brazo de biela
de un vehiacuteculo con un recorrido de 1197599 km mejoroacute su estructura y sus propiedades
mecaacutenicas debido a la temperatura de los ciclos de trabajo del motor que van entre los 800 y 950
degC Los resultados mostraron que las propiedades mecaacutenicas del elemento mejoraron con el tiempo
y con la temperatura de funcionamiento del motor debido al tratamiento teacutermico de normalizacioacuten
A partir de los anaacutelisis realizados se determinoacute que el brazo de biela usado se encuentra en
condiciones oacuteptimas para ser utilizado en una reparacioacuten de motor asegurando asiacute el adecuado
funcionamiento y evitando el reemplazo del elemento lo que dio como resultado un ahorro
econoacutemico
Estudios elaborados en Brasil por Valdeacutez et al [7] indican que los motores de combustioacuten
interna son los maacutes usuales en los automoacuteviles y sirven para producir fuerza Entre los problemas
que se han encontrado son las fallas de las bielas relacionadas con otras fallas y especiacuteficamente
de los ciguumlentildeales los cuales fueron analizados dando un incorrecto rectificado de los muntildeones
produciendo alta generacioacuten de calor sobre las superficies en contacto originando pequentildeas fisuras
por fatiga teacutermica El valor de dureza promedio obtenido del nuacutecleo del ciguumlentildeal fue de 26 puntos
en la escala Rockwell C que equivale aproximadamente a 255 puntos en la escala Brinell y a una
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
7
resistencia de 85 kgmm2 Se concluye que el tratamiento teacutermico de bonificado realizado sobre el
ciguumlentildeal se desarrolloacute fuera de las normas obtenieacutendose una resistencia menor al liacutemite miacutenimo
recomendado De los resultados del anaacutelisis metalograacutefico se pudo identificar la presencia de
austenita retenida cuya proporcioacuten afecta inversamente la dureza y la resistencia final En los
resultados que se obtuvieron los autores mencionan que es necesario realizar un tratamiento
teacutermico de endurecimiento superficial como la nitruracioacuten Tambieacuten recomiendan estudiar la
bitaacutecora del tratamiento teacutermico utilizado en la produccioacuten del ciguumlentildeal con el fin de identificar
la etapa del tratamiento teacutermico que presenta el problema [8]
De igual forma indagaciones elaboradas en Argentina por Cravino et Al [9] mencionan que
existen diversos problemas cuando llegan a tener fallas las bielas de un motor por lo que los
autores mencionan que analizaron las dificultades desde el punto de vista dimensional metaluacutergico
y mecaacutenico a fin de determinar las causas probables de dichas fallas Seguacuten los resultados
obtenidos el material de la biela corresponde a un acero del tipo SAE 1141 que no concuerda con
el requerido por el fabricante No se encontraron defectos microestructurales o superficiales en el
material asociados con la falla La superficie de fractura presenta un comienzo deacutebil que finaliza
con las caracteriacutesticas fibrosas de un proceso duacutectil La causa probable de la falla del componente
se atribuye a una sobrecarga que produjo superacioacuten en el liacutemite elaacutestico del material y que
posteriormente dio lugar al pandeo plaacutestico del componente variando su geometriacutea y
fracturaacutendose totalmente Esta falla se debioacute a que el elemento estuvo sometido a un esfuerzo
mayor al que corresponderiacutea en condiciones normales de funcionamiento
Estudios realizados en Espantildea por Gonzaacutelez [10] mencionan que la naturaleza de las fuerzas que
afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de inercia En la
investigacioacuten sobre el disentildeo de una biela el autor utilizoacute el software de aplicacioacuten Working Model
que ayudoacute para el anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico mediante la simulacioacuten La finalidad fue calcular
las fuerzas aplicadas en la cabeza y el pie de la biela para posteriormente hacer un anaacutelisis de
elementos finitos que definieran los esfuerzos En los resultados obtenidos se logroacute disminuir la
longitud de la biela la cual permitioacute compactar maacutes el motor y reducir su peso De esta forma el
consumo y las emisiones del motor seraacuten menores que es uno de los grandes objetivos actualmente
de la industria automoviliacutestica Al realizar la simulacioacuten para el pandeo de la biela se aplicoacute un
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
8
valor de α2=2 obteniendo una carga criacutetica de pandeo de 3799522 N por lo que la carga para
evitar el fenoacutemeno de pandeo es σpandeo3 = 15663 MPa Con estos datos el autor afirma que la
biela no va a sufrir pandeo en ninguacuten caso considerando ademaacutes que el cuerpo estaacute
sobredimensionado
Aunado a lo anterior investigaciones realizadas en Meacutexico por Espinoza indican que las fallas
de los autos se deben al kilometraje recorrido de los cuales causan desgastes inevitables para el
motor provocando todo tipo de fallas incluyendo los de las bielas Los propietarios de los
vehiacuteculos necesitan por lo tanto recurrir a expertos que reparen los vehiacuteculos y garanticen su
funcionamiento [11] En el Estado de Meacutexico en especial en la zona de Texcoco se cuenta con
talleres que se encargan de la reparacioacuten de vehiacuteculos en general Eacutestos aun cuando ofrecen el
servicio de reparacioacuten de motores no trabajan directamente con este tipo de especiacutefico de
reparacioacuten sino que acuden a talleres especializados en rectificacioacuten para remediar los dantildeos
internos en los mismos Muchas veces no se dedican a la reparacioacuten de fallas de bielas debido a
que existen muchos factores que influyen en este tipo de descompostura En los motores la
principal fuente de energiacutea es la gasolina que es el combustible empleado con mayor frecuencia
por lo tanto es importante la calidad de ella para el oacuteptimo funcionamiento [12]
De igual forma Riesco et al [13] en estudios realizados en Hidalgo para comparar los modelos
de transferencia de calor y duracioacuten de la combustioacuten en el comportamiento de los ciclos
termodinaacutemicos de los motores de combustioacuten interna alternativos Dentro de los resultados
obtenidos los autores mencionan que los ciclos de aire estaacutendar con leyes de quemado permiten
tener resultados maacutes aproximados a los reales que los ciclos teoacutericos de aire estaacutendar Esto se debe
principalmente a que con los meacutetodos de simulacioacuten se toman en cuenta las peacuterdidas de energiacutea
por refrigeracioacuten y no se supone que la adicioacuten de calor se realice a presioacuten o volumen constante
sino que su velocidad se controla mediante expresiones empiacutericas Los resultados muestran que la
eleccioacuten tanto del modelo de transferencia de calor como el de la duracioacuten de la combustioacuten es
muy subjetiva y debido a que los sistemas de los motores se cambian contantemente se deberaacuten
ajustar las constantes que aparecen en dichos modelos para cada motor en particular
2 Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente a PMS 3 Inestabilidad elaacutestica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos y que se manifiesta por la aparicioacuten de
desplazamientos importantes transversales a la direccioacuten principal e compresioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
9
Figura 1Estado del arte
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
10
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
Un auto estaacute compuesto por diferentes piezas entre las cuales se encuentran filtro de aire
carburador distribuidor bomba de gasolina bobina de encendido filtro de aceite bomba de aceite
caacuterter aceite lubricante toma de aceite cables de alta tensioacuten de bujiacuteas bujiacutea balanciacuten muelle de
vaacutelvula vaacutelvula de escape vaacutelvula de admisioacuten lumbrera de admisioacuten caacutemara de combustioacuten
varilla empujadora aacuterbol de levas aros de pistoacuten pistoacuten biela buloacuten ciguumlentildeal muacuteltiple de escape
refrigeracioacuten del motor varilla medidora de aceite volante y motor de arranque
21 Conceptualizacioacuten del motor
La palabra motor proviene del latiacuten motoris que significa mover y en lo que se refiere a
automoacuteviles estos se encuentran disentildeados por varios elementos entre los cuales se encuentran los
motores el cual da vida a un auto sin eacutel no hay movimiento Un automoacutevil utiliza una fuente de
energiacutea mecaacutenica para poder moverse la cual se obtiene mediante una transformacioacuten de otros tipos
de energiacutea dentro del motor como la eleacutectrica de combustioacuten o la combinacioacuten de ambas
Seguacuten Renzo [14] el motor de un auto es un motor de combustioacuten interna el cual obtiene energiacutea
mecaacutenica desde la energiacutea quiacutemica que se genera cuando explota el combustible en el interior El
motor estaacute formado por un conjunto de caacutemaras de combustioacuten llamadas cilindros dentro de las
cuales se producen sus cuatro tiempos de funcionamiento admisioacuten compresioacuten explosioacuten y
escape
Para Fersainz [15] un motor es una maacutequina que convierte el calor producido por la explosioacuten
(en el caso de los de gasolina) o la combustioacuten (en el caso de dieacutesel) del combustible en un
movimiento con suficiente fuerza para que las ruedas giren y el vehiacuteculo pueda desplazarse El
autor menciona que en los motores convencionales los autos se ponen en movimiento debido a
una chispa que se genera en la mezcla de vapor de combustible y aire comprimido dentro de un
cilindro sellado haciendo que la mezcla se queme raacutepidamente y proporciona energiacutea
Se puede concluir que un motor es una maacutequina compuesta por varios elementos el cual puede
proporcionar energiacutea utilizando alguacuten tipo de combustible para que tenga un funcionamiento
adecuado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
11
22 Clasificacioacuten de motores
Existen diferentes tipos de motores entre los cuales se encuentran los eleacutectricos los teacutermicos
eacutestos se subdividen en motores de combustioacuten externa e interna y los hiacutebridos Los cuales se
describen a continuacioacuten
221 Motores eleacutectricos
En este tipo de autos el combustible utilizado es la electricidad Eacutesta se convierte en energiacutea
mecaacutenica mediante una interaccioacuten entre campos magneacuteticos opuestos generados por imanes y un
conductor de electricidad Debido a una constante atraccioacuten y repulsioacuten magneacutetica entre ellos se
produce una rotacioacuten continua dentro del motor generando energiacutea necesaria para el movimiento
del vehiacuteculo [16] La figura 2 muestra un motor eleacutectrico
Para Enriquez [17] los motores eleacutectricos representan los caballos de batalla de la industria y
del movimiento en general Su uso se da ademaacutes en hospitales escuelas edificios de oficinas y
centros comerciales en donde se usan para aplicaciones en suministro de agua calefaccioacuten
enfriamiento y muchas otras rutinas de trabajo Estos motores son usados en los automoacuteviles
modernos aunque son maacutes complejos que el simple cableado eleacutectrico y se usan en casi todos los
aspectos operativos del automoacutevil [18]
Un motor eleacutectrico transforma la energiacutea eleacutectrica en energiacutea mecaacutenica para impulsar el
funcionamiento de una maacutequina [19]
Figura 2 Motor eleacutectrico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
12
Se puede concluir que un motor eleacutectrico es una maacutequina que tiene la capacidad de transformar
energiacutea eleacutectrica en mecaacutenica de tal forma que permita el movimiento de un vehiacuteculo Su tamantildeo
y su volumen es reducido y su potencia puede ser alta
222 Motores teacutermicos
Los motores teacutermicos son maacutequinas que tienen por objeto transformar energiacutea caloriacutefica en
energiacutea mecaacutenica directamente utilizable [20] Eacutestos se clasifican en motores de combustioacuten
externa y motores de combustioacuten interna los cuales se describen en las secciones 224 y 23
respectivamente
223 Motores hiacutebridos
Un sistema hiacutebrido se basa en una fuente de combustioacuten interna de gasolina combinado con un
motor eleacutectrico para propulsar el vehiacuteculo tal como se visualiza en la figura 3
Este tipo de motor reduce las emisiones y aumenta la eficiencia de combustible Los vehiacuteculos
hiacutebridos utilizan la energiacutea mucho maacutes eficientemente que los sistemas de gasolina convencionales
[19] Se denomina motor hiacutebrido a un vehiacuteculo en el cual la energiacutea eleacutectrica que lo impulsa
proviene de bateriacuteas y de un motor de combustioacuten interna que mueve un generador Entre sus
ventajas se encuentran 1) su autonomiacutea ya que eacutesta depende del combustible almacenado en el
tanque 2) tiene un alto y uniforme rendimiento incluso a bajas temperaturas 3) el motor de
combustioacuten interna funciona bajo un estrecho margen de carga y velocidad lo que incrementa su
eficiencia [21]
Figura3 Motor hiacutebrido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
13
Para Chang [22] un motor hiacutebrido es aquel que combina un motor de combustioacuten interna y un
motor eleacutectrico los cuales tienen una mayor eficiencia energeacutetica y esto se debe a que este tipo de
motores son maacutes pequentildeos y por lo tanto consumen poca energiacutea
Por lo expuesto anteriormente se puede decir que un motor hiacutebrido es aquel que tiene una
combinacioacuten de un motor de combustioacuten interna y un motor eleacutectrico Esta combinacioacuten optimiza
su funcionamiento para un mejor rendimiento
224 Motores de combustioacuten externa
En la figura 4 se muestra un ejemplo de motor de combustioacuten externa Al igual que los motores
de combustioacuten interna son motores teacutermicos en los cuales el motor alcanza un estado teacutermico
mayor mediante la transmisioacuten de energiacutea teacutermica [23]
Su principal funcioacuten es hacer trabajo mecaacutenico a expensas de la expansioacuten y contraccioacuten de un
gas en un recinto cerrado El motor cuenta con un desplazador que hace que el gas pase de la zona
friacutea a la zona caliente y luego a la zona friacutea nuevamente producieacutendose consecuentemente su
tendencia a la expansioacuten y su posterior contraccioacuten [24]
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
14
Los motores de combustioacuten externa seguacuten Meza [24] son maacutequinas que realizan una conversioacuten
de energiacutea caloriacutefica en energiacutea mecaacutenica El rendimiento teacutermico de estos los motores se ve
limitado por varios factores principalmente por la peacuterdida de energiacutea por la friccioacuten y la
refrigeracioacuten
23 Motores de combustioacuten interna
Un motor de combustioacuten interna es un motor teacutermico en el cual se produce una combustioacuten del
fluido del motor transformando la energiacutea quiacutemica en teacutermica a partir de la cual se obtiene energiacutea
mecaacutenica Un ejemplo de este tipo de motor se aprecia en la figura 5
Estos motores tienen como principal fuente de energiacutea la gasolina Eacuteste es el combustible
empleado con mayor frecuencia por lo que es importante su calidad para un oacuteptimo
funcionamiento Un buen combustible debe tener un octanage aceptable ya que la gasolina debe
explotar dentro del cilindro para generar el movimiento del pistoacuten [26]
Este tipo de motores transforma el calor generado por el combustible ya sea dieacutesel o gasolina
en movimiento mecaacutenico del automoacutevil Durante este proceso el oxiacutegeno del aire se mezcla con el
combustible y hace que este uacuteltimo explote (en el caso de la gasolina) generando gases cuya fuerza
de expansioacuten teacutermica acciona sobre el pistoacuten que a su vez empuja el ciguumlentildeal y hace que eacuteste
ponga en movimiento las ruedas del automoacutevil [28]
Figura 5 Motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
15
Seguacuten Creus [29] un motor de combustioacuten interna utiliza la energiacutea interna del combustible para
que el motor realice un trabajo Dichos motores son ampliamente utilizados como fuentes de
alimentacioacuten en lugares de difiacutecil acceso Sin embargo los motores de combustioacuten interna de
dieacutesel tienen un rango de fallo por cada antildeo de explotacioacuten de entre 25 a 50
Se conoce como motores de combustioacuten interna (o endoteacutermicos) alternativos a cualquier tipo de
maacutequinas que a partir de energiacutea quiacutemica sean capaces de convertirla y obtener energiacutea mecaacutenica
para su uso El arranque de los motores se lleva a cabo en su caacutemara interna y sucede al momento
de ser encendido [20]
El motor de combustioacuten interna es la unidad energeacutetica y motriz de los medios de transporte
maacutequinas y equipos que se utilizan en actividades de diversas ramas de la economiacutea [30]
Se puede decir que un motor de combustioacuten interna es aquel que es capaz de convertir la energiacutea
quiacutemica en mecaacutenica para que se pueda utilizar de manera oacuteptima
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna
La clasificacioacuten de los motores puede ser extensa esto debido al disentildeo y mecanismos
mecaacutenicos A continuacioacuten se describen algunas clasificaciones
Respecto a la forma de los cilindros Su distribucioacuten puede ser en ldquoVrdquo o ldquoen liacuteneardquo esto
depende de la cantidad de cilindros existentes los cuales van en funcioacuten de la potencia del
motor Normalmente los motores de automoacuteviles son de 4 o 6 cilindros distribuidos en ldquoVrdquo
Referente a la forma de refrigeracioacuten Pueden ser refrigerados por liacutequido que normalmente
es agua donde el calor es evacuado al radiador del auto Tambieacuten pueden ser refrigerados por
aire donde se necesita de un ventilador que ayude a circular el aire alrededor del motor
Concerniente a las caras de los pistones Los motores convencionales utilizan una cara activa
de los pistones que se conocen como pistones de simple efecto Son aquellos que se
encuentran en contacto con el fluido activo y recibe el impacto de la energiacutea quiacutemica De igual
forma existen motores que utilizan los pistones de doble efecto los cuales funcionan en dos
direcciones y usan dos cilindros con dos pistones y dos bielas conectados a su respectivo
ciguumlentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
16
Respecto a la presioacuten del aire a la caacutemara de combustioacuten En las maacutequinas convencionales
el aire de la atmoacutesfera entra directamente a la caacutemara y la presioacuten es la atmosfeacuterica Dichos
motores usan un comprensor que se encargan de comprimir el fluido antes de conducirlo al
interior del motor
Referente a la introduccioacuten de combustible a la caacutemara interna Se clasifican en motores
de inyeccioacuten y carburacioacuten en estos uacuteltimos se mezclan los fluidos operantes para
posteriormente introducirlo a la caacutemara por medio de una vaacutelvula reguladora
Concerniente al ciclo operativo Se refiere a la cantidad de operaciones que el fluido activo
ejecuta en el cilindro La duracioacuten del ciclo la mide el pistoacuten
Respecto al tipo de encendido Esta clasificacioacuten radica en el modo de encendido con el ciclo
termodinaacutemico con el que opera la maacutequina [28]
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna
Los elementos de un motor de combustioacuten interna son biela pistoacuten y ciguumlentildeal los cuales se
describen en los siguientes apartados
24 Conceptualizacioacuten de la biela
La biela es el elemento del motor encargado de transmitir al ciguumlentildeal la presioacuten de los gases que
actuacutea sobre el pistoacuten Es un elemento de difiacutecil lubricacioacuten y es una parte criacutetica del motor por lo
que su disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes [31] Por lo general las bielas se fabrican de acero
templado aunque en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio
[32] tal como se muestra en la figura 6
Para Morillo Ibaquingo amp Benavides [33] una biela es un elemento mecaacutenico que conecta el
pistoacuten al ciguumlentildeal Sirve ademaacutes para transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
transformando esta fuerza de lineal a rotativa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
17
Figura 6Biela
Para Alzalluacute [34] por o tro lado la biela se encuentra intercalada entre el pistoacuten y el ciguumlentildeal
Soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del ciguumlentildeal hacia
arriba Se construyen de acero forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al
material aguantar ese inmenso trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta
conseguir la forma de la biela Su cuerpo adopta una forma de ldquodoble Trdquo
Las bielas estaacuten sometidas en su trabajo a esfuerzos de compresioacuten traccioacuten y tambieacuten de flexioacuten
muy grandes y por ello se fabrican con materiales resistentes pero a la vez han de ser lo maacutes
ligeros posibles Generalmente estaacuten fabricadas de acero con silicio manganeso y cromo Son
perforadas es decir se les crea un conducto por donde circula el aceite bajo presioacuten desde la
cabeza hasta el pasador con el fin de lograr una buena lubricacioacuten [27]
241 Elementos de una biela
En la figura 7 como puede apreciarse estaacute conformada por el pie que es el extremo que va
unido al buloacuten que a su vez va enganchado en el ciguumlentildeal Este es el extremo maacutes pequentildeo de la
biela El Cuerpo es la zona central de la biela que debe soportar la mayor parte de los esfuerzos
pero al estar en continuo movimiento tambieacuten debe de ser ligero por ello se suele construir con
forma de doble T
La Cabeza igual que el Pie y Cuerpo es la parte que va unida al ciguumlentildeal A diferencia del pie la
cabeza va dividida en dos mitades una de ellas unida al cuerpo y la otra (sombrerete) separada de
eacuteste requirieacutendose dos tornillos para unirse a eacutel Estaacuten tambieacuten el casquillo o cojinete Tornillos
de dilatacioacuten y vaacutestago de biela Por lo general las bielas se fabrican de acero templado aunque
en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio [35]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
18
Figura 7 Partes de la biela
La biela es la pieza que estaacute encargada de transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela
Los metales de los que estaacuten hechas las bielas deben reunir diversas caracteriacutesticas las cuales se
describen a continuacioacuten
Resistencia a la fatiga La firmeza que recubre a la biela debe ser mayor que la presioacuten de la
carga dinaacutemica en la peliacutecula del aceite mayor de las cargas de explosiones en la caacutemara de
combustioacuten y mayor que las cargas por inercia de las masas rotantes
Conformidad El casquillo del metal de la biela debe tener la geometriacutea exacta para mantener
el aceite en un nivel consistente con la resistencia a la fatiga de la aleacioacuten
Compatibilidad Es la resistencia que tiene el material de las diferentes aacutereas de unioacuten
Resistencia a la corrosioacuten El lubricante debe tener un determinado grado de acidez que
corroeraacute la superficie del material por lo que el metal de la biela debe ser capaz de resistir lo
mejor posible este efecto
Incrustabilidad En el aceite de los motores se encuentran partiacuteculas de basura que la
superficie del metal de la biela debe ser capaz de aceptar con el menor dantildeo posible [36]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
19
243 Fallas en las bielas del motor
Existen diferentes circunstancias por las que puede fallar una biela en un motor entre las cuales se
encuentran
Fatiga Es una falla de las bielas rotas y aunque la estructura de las bielas de motor estaacute hecha
para resistir las altas fatigas producto de las altas revoluciones en el motor esto no duraraacute para
siempre
Pasador El pasador que conecta la biela al pistoacuten recibe una gran cantidad de desgaste Si
este pasador suelta la varilla de conexioacuten ya no estaraacute conectada al motor lo que resulta en un
problema para eacutel
Motor revolucionado Un motor revolucionado es la principal causa de falla de las varillas
de conexioacuten de los motores nuevos y de alto rendimiento
Agua en el motor Si entra mucha agua en el cilindro en el momento de la chispa la biela se
puede doblar o romper [37]
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten
El pistoacuten es el encargado de darle la fuerza generada por la explosioacuten a la biela para que ella
haga el resto y debido a los esfuerzos tanto de friccioacuten como de calor a los que estaacute sometido el
pistoacuten se fabrica con materiales muy resistentes al calor y al esfuerzo fiacutesico pero siempre
empleando materiales ligeros para aumentar su velocidad faacutecilmente y poder alcanzar regiacutemenes
de rotacioacuten elevados [38] Los pistones se fabrican de aluminio silicio niacutequel y magnesio [39] un
ejemplo de pistoacuten se muestra en la figura 8
Figura8 Pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
20
Seguacuten Gontildei amp Rojas [40] se denomina pistoacuten a uno de los elementos baacutesicos del motor de
combustioacuten interna Se trata de una pieza que se ajusta al interior de las paredes del cilindro
mediante aros flexibles llamados anillos Efectuacutea movimientos obligando al fluido que ocupa el
cilindro a modificar su presioacuten y volumen
Un pistoacuten estaacute constituido por partes cabeza arcos y cubos del perno La funcioacuten del pistoacuten es
cerrar y obturar la caacutemara de combustioacuten interna asiacute como recibir la fuerza causa en la combustioacuten
a traveacutes de la biela y transmitirla al ciguumlentildeal como fuerza de torsioacuten tambieacuten transmite el calor
producido por los gases de combustioacuten hacia las paredes del cilindro para que sean refrigeradas por
el lubricante El pistoacuten se desplaza raacutepidamente por el interior de los cilindros el cual tiene
segmentos los cuales consiguen la estanquidad necesaria entre el pistoacuten y las paredes del cilindro
De este modo se evita que parte del gas comprimido se escape hacia la parte inferior del motor Por
ese motivo el pistoacuten debe estar fabricado de un material ligero y resistente a la vez Atravesando el
pistoacuten se observa un orificio pasante A traveacutes de este orificio el pistoacuten se une a la biela por
mediacioacuten de un buloacuten de acero [41]
El pie de la biela es el que la une al pistoacuten por medio del buloacuten el cuerpo por su parte asegura la
rigidez de la pieza y la cabeza gira sobre el codo del ciguumlentildeal como puede apreciarse en la figura
9
Los pistones del motor mantienen un movimiento constante hacia arriba y hacia abajo mientras
que el ciguumlentildeal genera un movimiento circular de modo que el auto puede avanzar Los pistones
de un motor se mueven arriba y abajo por el ciguumlentildeal dentro de los cilindros en el motor Las
explosiones que ocurren en estos cilindros de empuje contra los pistones permiten llevarlos de
vuelta y comenzar el ciclo otra vez Los pistones estaacuten conectados al ciguumlentildeal para asegurar que se
mueva con ellos y mantener sus movimientos regulados [42]
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
21
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal
En la figura 10 se aprecia el ciguumlentildeal encargado de transformar el movimiento de la biela en
movimiento rotatorio o circular Junto con el pistoacuten y la biela se considera la pieza maacutes importante
del motor Es una pieza que ha de soportar grandes esfuerzos por eso se construye de materiales
muy resistentes para que puedan aguantar cualquier movimiento sin romperse
El ciguumlentildeal es un aacuterbol de transmisioacuten que junto con las bielas transforma el movimiento
alternativo en circular o viceversa Consiste en un conjunto de manivelas una de ellas llamada
muntildeequilla y dos brazos que acaban en el eje giratorio del ciguumlentildeal Los ciguumlentildeales se utilizan en
los motores de combustioacuten de los automoacuteviles donde el movimiento lineal de los pistones dentro
de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del ciguumlentildeal
que a su vez se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia El ciguumlentildeal
es un elemento estructural del motor [43]
Para Aacutelvarez [42] el ciguumlentildeal estaacute situado en el motor de un vehiacuteculo y convierte la fuerza creada
por los pistones del motor El ciguumlentildeal estaacute conectado a todos los pistones en el motor y el volante
En la figura 11 se puede observar la articulacioacuten de la biela el pistoacuten y el ciguumlentildeal donde el
movimiento es rotativo para su adecuado funcionamiento Estos tres elementos no pueden
funcionar en forma separada
Figura 10Ciguentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
22
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal
Debido a los impulsos provocados por los pistones se presentan diferentes vibraciones
determinadas por el nuacutemero de revoluciones las cuales pueden provocar la rotura del ciguumlentildeal y
ruido excesivo en el motor Su funcioacuten es impulsar la fuerza de cada uno de los cilindros a traveacutes
del mecanismo de las bielas Estaacuten fabricados con materiales de acero cementado templado y con
aleaciones de niacutequel y cromo Estos materiales permiten tener un tratamiento teacutermico
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes
Desde hace tiempo la ingenieriacutea automotriz se ha enfocado en el disentildeo y la fabricacioacuten de
superficies que permitan reducir la friccioacuten principalmente en los cojinetes [364546]
Los cojinetes son los encargados de unir la biela con el ciguumlentildeal para evitar que haya rozamiento
entre ellos y evitar peacuterdidas de potencia y averiacuteos Tienen forma de media luna tal como se aprecia
en la figura 12 y se colocan entre el ciguumlentildeal y la cabeza de las bielas Estos deben ser construidos
con gran precisioacuten pues cualquier mala elaboracioacuten puede impactar en el funcionamiento del
motor
Figura 12Cojinetes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
23
Seguacuten Suaacuterez [47] los cojinetes son punto de apoyo de ejes para sostener su peso guiarlos en su
rotacioacuten y evitar deslizamientos Van colocados directamente en el bastidor de la pieza y los
cojinetes trabajan en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal
De acuerdo con Suaacuterez Toro amp Veacutelez [48] los cojinetes son que piezas de metal que descansan
y giran en cualquier eje de un motor Son dispositivos que se colocan entre la porcioacuten fija y la
porcioacuten giratoria de un motor y sirven para reducir al miacutenimo la friccioacuten entre ambas Los cojinetes
se fabrican con pequentildeas esferas metaacutelicas sin embargo no garantizan una vida uacutetil extensa El
rendimiento de los cojinetes es afectado por las condiciones de velocidad materiales en contacto
temperatura lubricacioacuten tipo de carga entre otros
271 Clasificacioacuten de los cojinetes
Los cojinetes se clasifican por friccioacuten o deslizamiento y de rodamiento Eacutestos se explican a
continuacioacuten
Cojinetes de friccioacuten o deslizamiento El cojinete de friccioacuten estaacute compuesto por dos pistas
una interior y otra exterior Eacutestas tienen contacto directo por medio de deslizamiento o friccioacuten
La reduccioacuten del rozamiento se realiza seguacuten la seleccioacuten de materiales y lubricantes Los
lubricantes tienen la funcioacuten de crear una peliacutecula deslizante que separe los dos materiales o
evite el contacto directo Para Veacutelez [49] los cojinetes de friccioacuten son aquellas piezas que
entre mayor es la friccioacuten es maacutes difiacutecil el movimiento entre los dos objetos En el caso de
maacutequinas la friccioacuten ocasiona el desgaste de las piezas
Seguacuten Arias [50] los cojinetes de friccioacuten son puntos de apoyo de ejes y aacuterboles para sostener
su peso guiarlos en su rotacioacuten y evitar deslizamientos Van montados en soportes para
facilitar su montaje tal como se aprecia en la figura13 Mientras que para Espitia [51] es el
elemento mecaacutenico capaz de soportar los gorrones de los ejes giratorios que se caracteriza por
un reducido coeficiente de rozamiento asiacute como por la posibilidad de ser lubricado
constantemente Otra caracteriacutestica importante reside en el hecho de que el material del
cojinete debe ser maacutes blando que el eje para evitar el deterioro de eacuteste en el caso de una
lubricacioacuten defectuosa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
24
Figura 13Cojinetes de friccioacuten
Cojinetes de rodamiento Es un elemento mecaacutenico que reduce la friccioacuten entre un eje y las
piezas conectadas a eacuteste por medio de rodadura el cual sirve de apoyo y facilita su
desplazamiento Los elementos de rodadura pueden ser bolas o rodillos son piezas que
requieren facilitar la ejecucioacuten de rigurosos tratamientos teacutermicos para obtener piezas de gran
resistencia al desgaste y a la fatiga Se caracterizan por ser de escaso rozamiento sobre todo
en el arranque por tener mayor velocidad admisible y un menor consumo de lubricante Para
Meacuterida [52] los cojinetes de rodamiento son elementos mecaacutenicos que aseguran un enlace
moacutevil entre dos elementos de un mecanismo uno de los cuales se encuentra en rotacioacuten con
respecto al otro Su funcioacuten principal es la rotacioacuten relativa de dichos elementos bajo carga
con precisioacuten y con un rozamiento miacutenimo
Seguacuten Galicia [53] estos tipos de cojinetes estaacuten constituidos por dos anillos rodantes
separados entre siacute por unos cuerpos tambieacuten rodantes interpuestos entre eacutestos cuya forma
variacutea seguacuten su uso pudiendo ser de diferentes formas bolas rodillos ciliacutendricos agujas etc
En ellos el gorroacuten del aacuterbol y la superficie de rodadura del soporte estaacuten separados por
elementos rodantes de forma que con el giro del gorroacuten o del cojinete se genera un
movimiento de rodadura y no de deslizamiento tal como se muestra en la figura 14
Figura 14Cojinetes de rodamiento
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
25
Seguacuten Jaramillo [54] cerca de 40 de la energiacutea total transformada por un motor de combustioacuten
interna de un automoacutevil se disipa como trabajo de las fuerzas de friccioacuten La disminucioacuten de las
peacuterdidas por friccioacuten es un factor clave para lograr un mejor uso de los combustibles y la proteccioacuten
del medio ambiente El sistema anillo-pistoacuten-camisa responde por peacuterdidas equivalentes a 50 o
60 del total de las peacuterdidas por friccioacuten en un motor de estos
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos
En la figura 15 se puede observar la estructura baacutesica de un motor de cuatro tiempos el cuaacutel es
conocido por motor OTTO [55] Se usa como maacutequina motriz en automoacuteviles comerciales consta
de un ciclo de cuatro procesos los cuales se describen a continuacioacuten
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos
Como se mencionoacute anteriormente el ciclo consta de cuatro tiempos El primer tiempo
corresponde al de admisioacuten que es el momento que el pistoacuten estaacute en el punto maacutes alto conocido
como Punto Muerto Superior (PMS) Posteriormente la vaacutelvula de admisioacuten se abre y el propio
pistoacuten por el vaciacuteo que se crea dentro del cilindro aspira la mezcla (aire y combustible) hasta llegar
al punto maacutes bajo del cilindro del Punto Muerto Inferior (PMI)
El segundo tiempo se refiere a la compresioacuten donde el pistoacuten se encuentra en el punto maacutes bajo
(PMI) En este momento la vaacutelvula de admisioacuten se cierra y el pistoacuten empieza a ascender
comprimiendo la mezcla hasta llegar al punto maacutes alto del cilindro (PMS)
Figura 15Motor de cuatro tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
26
Respecto al tercer tiempo que concierne a la expansioacuten una vez que se ha comprimido la mezcla
la bujiacutea hace saltar una chispa y enciende la mezcla aumentando la presioacuten en el cilindro y
haciendo descender el pistoacuten hacia el punto maacutes bajo (PMI)
En el cuarto tiempo que corresponde al escape de gases es cuando el pistoacuten llega al punto maacutes
bajo (PMI) se abre la vaacutelvula de escape y el pistoacuten empieza a ascender empujando los gases
quemados hacia el exterior En el momento que llega al punto maacutes alto (PMS) la vaacutelvula de escape
se cierra En la figura 16 se muestra el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa basado en el ciclo Otto de cuatro tiempos o fases importantes admisioacuten
compresioacuten explosioacuten y escape [56]
Otto propuso cuatro principios del motor de cuatro tiempos que son maacuteximo volumen del
cilindro con miacutenima superficie de paredes maacutexima velocidad de trabajo posible maacutexima relacioacuten
de expansioacuten posible y maacutexima presioacuten posible al comienzo de la expansioacuten
En los motores de cuatro tiempos el pistoacuten sube y baja cuatro veces en el interior del cilindro
para realizar el ciclo completo La distribucioacuten se compone de vaacutelvulas que se abren y cierran
totalmente sincronizadas con el movimiento del pistoacuten Cuando el pistoacuten desciende el cilindro se
llena de aire y gasolina para lo cual la vaacutelvula de admisioacuten permanece abierta Posteriormente
despueacutes de producirse la explosioacuten en el interior del cilindro la vaacutelvula de escape se abre para que
los humos procedentes de la explosioacuten puedan salir hacia el tubo de escape del automoacutevil En este
tipo de motores se requiere de dos vaacutelvulas por cada cilindro
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
27
29 Sistema de encendido
El sistema de encendido es el encargado de encender la mezcla de aire y de combustible en el
momento que se requiera Para esta investigacioacuten el sistema de encendido es por inyeccioacuten directa
de gasolina o por chispa que son aquellos que inyectan la gasolina directamente dentro del cilindro
Este sistema permite un mayor control de la mezcla y por tanto del comportamiento del motor En
los motores de gasolina la mezcla se enciende gracias a la bujiacutea que proporciona una chispa lo
suficientemente potente como para comenzar la reaccioacuten El propio sistema de encendido tiene que
controlar el momento en el que la chispa ha de saltar para que se encienda la mezcla y sea lo maacutes
eficaz y factible posible La combustioacuten se realiza en el momento en que el pistoacuten estaacute en el punto
maacutes alto (PMS) de esta manera la mezcla se empieza a encender
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa
La caracteriacutestica principal de la inyeccioacuten directa de gasolina es que la mezcla se produce dentro
de la caacutemara de combustioacuten Durante la admisioacuten soacutelo entra aire por la (s) vaacutelvula (s) de admisioacuten
la gasolina es inyectada directamente en la caacutemara de combustioacuten por inyectores de alta presioacuten
[57] tal como se aprecia en la figura 17
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
28
292 Ventajas de la inyeccioacuten directa
Existen ventajas cuando se usa el encendido por chispa las cuales se describen a continuacioacuten
La gasolina se evapora directamente dentro del cilindro absorbiendo el calor del aire contenido
en eacuteste reduciendo la temperatura de la mezcla en la caacutemara de combustioacuten lo que disminuye
el riesgo de autoencendido e incrementa el rendimiento y la potencia
Ayuda a aumentar el rendimiento inyectando la gasolina directamente en el cilindro
Con respecto a la prevencioacuten del autoencendido la mayor contribucioacuten de la inyeccioacuten directa
de gasolina es cuando el motor trabaja en carga estratificada y por tanto no inflamable lo que
evita el autoencendido
Eficiencia en el periodo de admisioacuten debido a que soacutelo entra aire al cilindro inyectando la
gasolina despueacutes
Disminucioacuten del consumo de gasolina si se tiene poca gasolina el motor puede llegar a
funcionar esto permite que el motor aporte la energiacutea requerida con un aporte de gasolina
sustancialmente menor Esta disminucioacuten del consumo de gasolina disminuye tambieacuten de
emisiones de 1198621198742 Este contaminante es un producto del proceso de combustioacuten que soacutelo puede
reducirse disminuyendo el consumo de gasolina
Mejor rendimiento del motor debido a que la mezcla que se encuentra cerca de las paredes es
escasa y la temperatura de los gases de combustioacuten es mucho menor por lo que las peacuterdidas
por calor cedido a las paredes del cilindro tambieacuten se ven reducidas [58]
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa
Estos motores de encendido por chispa o inyeccioacuten directa tienen tambieacuten algunas desventajas
las cuales son
Se requiere de una bomba de alta presioacuten para proveer la gasolina a los inyectores con la
presioacuten requerida Eacutesta bomba toma la gasolina del depoacutesito y la alimenta regulando su presioacuten
de salida
Los inyectores deben ser aptos para resistir las altas presiones para inyectar gasolina
directamente en el cilindro y tambieacuten deben soportar las condiciones de la caacutemara de
combustioacuten tanto las altas temperaturas como las altas presiones derivadas de la combustioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
29
El sistema de encendido debe ser capaz de suministrar maacutes energiacutea debido a que el chorro de
gasolina puede impactar directamente con la bujiacutea mojaacutendola o la chispa apagarse debido a las
fuertes corrientes de aire y necesitar una segunda chispa
Se requiere de una sonda lambda de banda ancha que permita medir las variaciones en la carga
estratificada
Se necesita que la Unidad de Control de Motor (ECU) tenga mayor potencia de caacutelculo para
administrar las sentildeales que recibe y las salidas de control pues el motor tiene distintos modos
de operacioacuten y la ECU debe ser capaz de administrar las sentildeales que recibe para cada uno de
ellos y procesar las oacuterdenes en consecuencia
La cabeza del pistoacuten tiene que ser redisentildeada para que cuando el motor trabaja con carga
estratificada dirija la nube de mezcla rica en gasolina correctamente hacia la bujiacutea [59]
294 Descripcioacuten del proceso de encendido
Para encender el motor de gasolina se necesita una chispa entre los dos electrodos de la bujiacutea
para producir la temperatura necesaria para que la mezcla encienda para lo cual se requieren
tensiones muy altas En la figura 18 se aprecia que en el momento en que se pone en contacto la
llave de arranque se cierra el circuito y la bateriacutea comienza a entregar voltaje el cual es muy bajo
ya que corresponde a 12 voltios Para incrementarlo entre los electrodos de las bujiacuteas la bobina
con ayuda del ruptor consigue cambiar a 30000 voltios Esta tensioacuten es enviada al delco donde
se encuentra el distribuidor giratorio que reparte la tensioacuten a la bujiacutea correspondiente [60]
Figura18 Sistema de encendido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
30
495 Componentes del sistema de encendido
El sistema de encendido en motores de gasolina tiene los elementos que se describen a
continuacioacuten
Alternador es un dispositivo que se acciona directamente por el motor que se encarga de
generar corriente para cargar bateriacutea Al estar directamente accionado por el motor si se suben
las revoluciones del motor tambieacuten aumenta la corriente generada
Bateriacutea Es la encargada de suministrar la energiacutea eleacutectrica para que circule hacia la bujiacutea
Dicha energiacutea viene dada por la reaccioacuten quiacutemica del plomo y aacutecido sulfuacuterico
Bobina Se encarga de transformar la baja tensioacuten que proviene de la bateriacutea en una tensioacuten
alta para hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea la cual consta de dos filamentos
enrollados Cuando el primero recibe la corriente de la bateriacutea el ruptor interrumpe la corriente
que pasa por eacuteste entonces al filamento secundario se le induce una corriente maacutes alta capaz
de hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea y encender la mezcla
Ruptor Se encuentra situado dentro del distribuidor y se encarga de interrumpir
perioacutedicamente la corriente en el filamento primario de la bobina para que la corriente sea
inducida en el secundario Esta interrupcioacuten es en base a la apertura de dos contactos los cuales
son comandados por una leva accionado por y a la misma velocidad que el aacuterbol de levas
Distribuidor Es el encargado de repartir la alta tensioacuten a la bujiacutea en cada momento Va
centrado en el delco donde tambieacuten se situacutea el ruptor y los reguladores de encendido
Bujiacutea Es el elemento que se encarga de hacer saltar la chispa para que encienda la mezcla de
aire y gasolina Estaacute recubierta de un aislante para disipar el calor generado en la caacutemara de
combustioacuten ya que estaacute lsquoen contacto directo con las explosiones
210 Sobrecalentamiento
El sobrecalentamiento del motor es la condicioacuten en la cual la temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y si se mantiene mucho tiempo llega a producir dantildeos graves en el
motor como torceduras y roturas de vaacutelvulas brazos de biela soplado de empaques torceduras de
culatas roturas de pistones etc
El tiempo de calentamiento de los motores modernos es prolongado sobre todo cuando las
condiciones ambientales son desfavorables y cuando la calefaccioacuten del motor se enciende Durante
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
31
el calentamiento del motor la vaporizacioacuten del combustible se dificulta y el catalizador no funciona
a plenitud por esto la reduccioacuten del tiempo de calentamiento del motor es esencial Para lo cual es
necesario reducir el volumen de refrigerante la masa del motor mejorar el aislamiento del motor
emplear sistemas calentadores adicionales emplear una unidad electroacutenica de control para
manipular la termodinaacutemica del motor y de esta misma manera controlar el desempentildeo teacutermico
todas estas medidas serviraacuten para reducir el tiempo del calentamiento y ayudaraacuten a un mejor
funcionamiento del motor [61]
El sobrecalentamiento del motor puede ser causado por cualquier cosa que disminuya la
capacidad del sistema de refrigeracioacuten para absorber transportar y disipar el calor Por lo tanto
los motores pueden sobrecalentarse por una variedad de razones Algunas se deben a que el
termostato se encuentre en mal estado debido a que es una vaacutelvula que abre y cierra conforme se
encuentre la temperatura del motor Es decir el refrigerante del motor caliente pasa a traveacutes del
radiador cuando el termostato estaacute en posicioacuten abierta Cuando se encuentra en posicioacuten cerrada el
refrigerante se queda en el motor y raacutepidamente se calienta ocasionando un sobrecalentamiento
del motor
De igual forma el tener un radiador con fugas u obstrucciones conduce a elevadas temperaturas
del motor y sobrecalentamiento del mismo Asiacute como el tener mangueras con agujeros hace que se
produzcan fugas o se interrumpa el flujo del refrigerante Tambieacuten un ventilador con oscilacioacuten
libre y teniendo un aspa rota no puede mantener una velocidad adecuada lo que origina
sobrecalentamiento del motor
En los motores de combustioacuten interna modernos soacutelo una tercera aparte de la energiacutea interna se
convierte en trabajo uacutetil Las dos terceras partes restantes de la energiacutea se transforman en calor a
peacuterdida evacuadas por el sistema de escape el sistema de enfriamiento y calor radiado y rechazado
por conveccioacuten a traveacutes de las partes soacutelidas del motor El sobrecalentamiento durante el ciclo
completo del motor genera una distribucioacuten de energiacutea dentro de la caacutemara de combustioacuten En
general el calor se transporta hacia la culata la camisa los puertos de escape y el pistoacuten el cual
estaacute ligado a la biela la cual si tiene defectos acabaraacute por destruir el motor [61]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
32
Es por tanto importante estar pendiente de la temperatura a la cual estaacute trabajando el motor
debido a que un sobrecalentamiento puede provocar dantildeos serios empezando por la ruptura del
empaque la deformacioacuten de los cilindros y desgaste en los anillos Estaacuten tambieacuten los dantildeos en los
codos del ciguumlentildeal y la biela Esta uacuteltima ya que se encuentra sometida a fuerzas axiales de
compresioacuten convirtieacutendola en el elemento maacutes tensionado dentro del motor Estaacute ademaacutes expuesta
a cargas producto de la presioacuten generada en la caacutemara de combustioacuten y por la alta friccioacuten entre
los elementos deslizantes Al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentaraacuten desgastes excesivos y prematuros que pueden ocasionar una falla Si este sistema no
funciona correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como
consecuencia deformaciones importantes por sobrecalentamiento [62]
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor
La cinemaacutetica proviene del griego κινεω kineo que significa movimiento Estudia las leyes del
movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo originan y se limita esencialmente al
estudio de la trayectoria en funcioacuten del tiempo [63] La cinemaacutetica se ocupa de aspectos del
movimiento aparte de considerar masa y fuerza Un anaacutelisis cinemaacutetico simula el movimiento de
mecanismos por lo que cumple los requisitos de los perfiles de los motores cinemaacuteticos y de
cualquier conexioacuten de unioacuten por leva en ranura o por engranajes Este tipo de anaacutelisis se usa para
obtener informacioacuten sobre la posicioacuten velocidad y aceleracioacuten de entidades geomeacutetricas y
conexiones interferencia entre componentes las curvas trazadas del movimiento del mecanismo y
los envolventes de movimiento que capturan el movimiento del mecanismo como una pieza
Seguacuten Forno [64] la cinemaacutetica analiza los factores de tiempo y espacio del movimiento de un
sistema es decir describe el movimiento de los cuerpos en teacuterminos de tiempo desplazamiento
velocidad aceleracioacuten y tiempo de desplazamiento
Para Suaacuterez [65] el anaacutelisis cinemaacutetico se utiliza para evaluar el movimiento del mecanismo
gobernado por motores cinemaacuteticos Se puede utilizar cualquier motor cinemaacutetico de eje de
movimiento con un perfil lo que produciraacute una aceleracioacuten finita
Las fuerzas que afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de
inercia Una vez conocidas las fuerzas de combustioacuten en el pistoacuten se usa software especializado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
33
que ayuda en el calculoacute del anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico integrando las fuerzas de inercia
debidas a la masa de cada componente del mecanismo biela-manivela [66]
Para realizar este anaacutelisis es necesario considerar las masas de cada una de las piezas asiacute como
el reacutegimen de giro Esto permitiraacute realizar la simulacioacuten y calcular las fuerzas aplicadas en la cabeza
y el pie de la biela para poder luego hacer un anaacutelisis de elementos finitos que definan los
esfuerzos En el capiacutetulo III se describen la pieza construida a traveacutes del Software de aplicacioacuten
SOLIDWORKS
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor
El anaacutelisis cineacutetico estudia las fuerzas que provocan que un sistema se mueva es decir que
produzcan o cambien el movimiento de un objeto El estudio de las fuerzas que inducen el
movimiento parte desde un movimiento lineal o angular El anaacutelisis cineacutetico puede ser de tipo lineal
o angular El primero involucra la descripcioacuten de un movimiento en liacutenea recta Por otro lado la
cinemaacutetica angular se refiere a la descripcioacuten de un movimiento alrededor de un aacutengulo fijo [64]
El anaacutelisis cineacutetico es cuando un cuerpo estaacute en reposo para acelerarlo hasta una cierta velocidad
y se necesita un determinado trabajo [67] Esa energiacutea que se obtiene en la aceleracioacuten es
conservada por el cuerpo como energiacutea cineacutetica hasta que modifique su velocidad
Concretamente se llama cineacutetica o cinemaacutetica a la especialidad de la fiacutesica centrada en el anaacutelisis
del movimiento dejando de lado el estudio de las fuerzas que lo originan La cineacutetica en este
marco suele estudiar la trayectoria de un cuerpo en movimiento en funcioacuten del tiempo [68]
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor
La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama transferencia de calor la cual se produce
siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se
ponen en contacto hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las
temperaturas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
34
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se usoacute en el software ANSYS el cual permitioacute realizar el
anaacutelisis teacutermico que consiste en la aplicacioacuten del meacutetodo de elementos finitos para calcular la
distribucioacuten de temperatura en una estructura soacutelida en este caso la biela de un motor de
combustioacuten interna Con dicho anaacutelisis se resolvioacute el problema de la transferencia teacutermica
conjugada que involucra el caacutelculo de la simulacioacuten de la conduccioacuten conveccioacuten e irradiacioacuten
teacutermica [66]
Los procesos de los motores de combustioacuten interna son complejos para poder realizar un anaacutelisis
completo de los mismos por lo que se requiere el usoacute de procesos teoacutericos para realizar caacutelculos
Eacutestos son denominados modelos matemaacuteticos para los cuales se usa simulacioacuten herramienta de
gran apoyo para estudiar el comportamiento de los motores de combustioacuten interna desde el punto
de vista termodinaacutemico Con estos softwares de apoyo es posible estudiar la influencia de
determinados paraacutemetros como son la geometriacutea operacioacuten y combustioacuten en las prestaciones de
un motor [69]
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico
La simulacioacuten permite examinar el comportamiento del modelo en condiciones de operacioacuten
reales Ayuda a evaluar las caracteriacutesticas estructurales y el perfil teacutermico proporciona tambieacuten
potentes herramientas para examinar el rendimiento de los mecanismos Sirve para reflejar las
fuerzas materiales y condiciones de liacutemite a las que se veraacute sometido el modelo real para adaptarlo
mejor a criterios de disentildeo especiacuteficos
Existen diversos Softwares de aplicacioacuten para diferentes fines como es el caso de CAD que
sirve para disentildear modelos en tercera dimensioacuten (3D) que posteriormente se analizan por el
meacutetodo de elementos finitos Tal es el caso del software CATIA que es uno de los maacutes utilizados
actualmente en la industria para encontrar paraacutemetros como las dimensiones de diaacutemetro del pistoacuten
longitud de la biela ancho de biela diaacutemetros interiores de cabeza y pie espesores de cabeza y
pie ancho y alto de la seccioacuten tipo I y diaacutemetro de los tornillos de fijacioacuten Tanto el CAD y CATIA
son simuladores que permiten determinar lo antes mencionado
Tambieacuten existe el Software ANSYS que sirve para disentildear analizar y simular partes de piezas
sometidas a fenoacutemenos fiacutesicos usadas en ingenieriacutea y disentildeo mecaacutenico Ayuda a resolver
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
35
problemas fiacutesicos como problemas de esfuerzos teacutermicos fluidos vibracioacuten y otras Dentro de este
software se encuentra la seccioacuten de Anaacutelisis Mecaacutenico que sirve para resolver situaciones muy
particulares en disentildeo mecaacutenico como elementos estructurales lineales no lineales y anaacutelisis
dinaacutemico Con este moacutedulo se puede evaluar el comportamiento asignar materiales y resolver
ecuaciones elaborar anaacutelisis teacutermicos acoplamientos fiacutesicos que involucren acuacutestica elementos
piezoeleacutectricos e interaccioacuten teacutermica con eleacutectrica El software ANSYS se usoacute para este proyecto
Asiacute mismo es necesario sentildealar que para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el
software MATLAB herramienta matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para
la representacioacuten de datos matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor Los resultados
de MATLAB junto con el Software ANSYS permiten predecir coacutemo se comporta y reacciona la
biela en su entorno real Posteriormente se importa la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
y se realizan el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico por medio de la simulacioacuten
De igual forma se emplea para esta investigacioacuten el software SOLIDWORKS que se usa para
el disentildeo mecaacutenico con el que se crea geometriacutea en tercera dimensioacuten (3D) usando paraacutemetros
soacutelidos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
36
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA
La metodologiacutea de la investigacioacuten se define como la disciplina que se encarga del estudio criacutetico
de los procedimientos y medios aplicados por los seres humanos que permiten alcanzar y crear el
conocimiento en el campo de la investigacioacuten cientiacutefica Representa la forma en la que se va a
organizar el proceso de la investigacioacuten de examinar los resultados y de presentar posibles
soluciones al problema Toda investigacioacuten a desarrollar debe llevar un orden loacutegico La
metodologiacutea de la presente investigacioacuten estaacute basada en la propuesta de los autores Hernaacutendez
Fernaacutendez y Baptista [70] ya que tiene un enfoque bastante amplio y flexible que se puede adaptar
de manera general a los requerimientos y alcances del estudio cubriendo los puntos esenciales que
guiacutean el disentildeo y elaboracioacuten de la investigacioacuten Los pasos seguidos se muestran en la figura19
31 Enfoque de la investigacioacuten
Existen dos enfoques dentro de la investigacioacuten el cuantitativo y el cualitativo Hernaacutendez [70]
define a la investigacioacuten cuantitativa como aquella investigacioacuten que utiliza la recoleccioacuten de datos
para comprobar una hipoacutetesis con base a una medicioacuten numeacuterica para establecer un anaacutelisis
estadiacutestico con el propoacutesito de conocer la tendencia del comportamiento y la aprobacioacuten de teoriacuteas
El desarrollo de esta investigacioacuten tuvo un enfoque cuantitativo el cual seguacuten Fernaacutendez [71] se
fundamenta en un esquema deductivo y loacutegico que busca formular preguntas de investigacioacuten e
hipoacutetesis para posteriormente probarlas
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
37
Esta investigacioacuten parte del enfoque mecaacutenico propuesto por diferentes autores que hacen
referencia a los diferentes motores que existen asiacute como los elementos que lo conforman La
finalidad es identificar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten
interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa asiacute como determinar la fuerza
axial de la biela Tambieacuten obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de
combustioacuten estequiomeacutetrica y simular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela para identificar
posibles deformaciones y posteriormente realizar el anaacutelisis cinemaacutetico del motor
32 Alcance de la investigacioacuten
El alcance de esta investigacioacuten es exploratoria correlacional descriptiva y explicativa Al
respecto Fernaacutendez et [71] al se establece que ldquolos estudios exploratorios se realizan cuando el
objetivo consiste en examinar un tema poco estudiadordquo en este caso los factores que influyen en
el sobrecalentamiento de una biela
El alcance correlacional tiene como finalidad establecer una relacioacuten entre dos o maacutes variables
[70] y referente a esta investigacioacuten se llevoacute a cabo la correlacioacuten de variables del calor liberado
en la caacutemara de combustioacuten y el sobrecalentamiento del motor Esta correlacioacuten implica una
relacioacuten causal entre dichas variables ya sea de forma positiva o en forma negativa y una relacioacuten
causal implica que un evento es consecuencia de otro que le antecede y que sin eacuteste el uacuteltimo no
se presentaraacute
La investigacioacuten tambieacuten es descriptiva puesto que se describen los fenoacutemenos alcanzados en el
transcurso de todo el proceso Busca especificar propiedades caracteriacutesticas y rasgos importantes
de cualquier fenoacutemeno que se analice [71] en este caso la relacioacuten de compresioacuten presioacuten
atmosfeacuterica aacuterea del pistoacuten presioacuten atmosfeacuterica dentro de la caacutemara de combustioacuten presioacuten que
detona la mezcla dentro de la caacutemara de combustioacuten fuerza temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
y geometriacutea de la biela En este sentido en esta investigacioacuten se describieron las variables antes
mencionadas mismas que se especifican en el capiacutetulo cuatro detallando sus propiedades y
caracteriacutesticas
De igual forma la investigacioacuten tiene un alcance explicativo derivado de que seguacuten Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Bautista mencionan que estaacute orientada a la comprobacioacuten de hipoacutetesis las cuales
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
38
sirven para el anaacutelisis de variables [71] que se expresan con hechos verificables para que el
investigador tenga la capacidad de anaacutelisis y siacutentesis para su interpretacioacuten En el desarrollo de este
trabajo la hipoacutetesis establecida se encuentra en el apartado 33 del presente capiacutetulo y los resultados
obtenidos se explican en el capiacutetulo cuatro donde se explican los fenoacutemenos hallados entre
variables describiendo por queacute ocurrieron dichos eventos y en queacute condiciones se manifestaron
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis
En toda investigacioacuten es importante plantear variables ya que eacutestas permiten relacionar algunos
conceptos que hacen referencia a las caracteriacutesticas que se van a estudiar Para Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Baptista [70] una variable es una propiedad que puede fluctuar y cuya variacioacuten es
susceptible de medirse u observarse Las variables adquieren valor para la investigacioacuten cientiacutefica
cuando llegan a relacionarse con otras variables es decir si forman parte de una hipoacutetesis o una
teoriacutea Y una variable independiente se refiere a ldquoaquella donde el investigador puede manipular
ciertos efectos en otras palabras supone la causa del fenoacutemeno estudiadordquo Y la variable
dependiente implica ldquoel efecto producido por la variable independiente es decir representa lo que
se quiere determinar en forma directa en la investigacioacutenrdquo
La hipoacutetesis planteada en este trabajo es una hipoacutetesis correlacional donde si alguna de las
variables sufre alguna modificacioacuten esto afectaraacute a otras variables correspondientes A
continuacioacuten se muestra la hipoacutetesis de la presente investigacioacuten
Hipoacutetesis nula
H01 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten influye en el sobrecalentamiento
de un motor de combustioacuten interna
Variables
Variables independientes Calor liberado en la caacutemara de
Combustioacuten
Variable dependiente Sobrecalentamiento del motor
Ya identificadas las variables es necesario establecer la operacionalidad de las mismas y
con base a lo anterior se observa en la tabla 1 la clasificacioacuten de las mismas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
39
TABLA 1 CONCEPTUALIZACIOacuteN DE VARIABLE
Variable Definicioacuten Conceptual Indicadores
Calor liberado en la
caacutemara de
combustioacuten
Se refiere a la quema de combustible
suministrados por el motor de
combustioacuten interna de tal manera
que el aire se expanda y acelere para
proporcionar una corriente de gas
uniformemente calentada en todas las
condiciones requeridas por el motor
de combustioacuten interna Esta tarea
debe realizarse con la miacutenima peacuterdida
de presioacuten y con la maacutexima liberacioacuten
de calor para el limitado espacio
disponible [31]
Reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten
Sobrecalentamiento
del motor
Es la condicioacuten en la cual la
temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y llega
a producir dantildeos graves en el motor
como torceduras y roturas de
vaacutelvulas brazos de biela soplado de
empaques torceduras de culatas y
roturas de pistones [41]
Lubricacioacuten deficiente
Fallo en sistema de
enfriamiento
Hipoacutetesis alterna
HA1 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten no influye en el
sobrecalentamiento de un motor de combustioacuten interna
34 Disentildeo de la investigacioacuten
El tipo de disentildeo que se usoacute fue el no experimental donde la investigacioacuten que se realiza se hace
sin la manipulacioacuten deliberada de las variables y donde se observan los fenoacutemenos para
posteriormente analizarlos en este caso el calor liberado en la caacutemara de combustioacuten y el
sobrecalentamiento del motor donde dichas variables estaacuten relacionadas con diferentes elementos
que son la combustioacuten estequiomeacutetrica presioacuten atmosfeacuterica fuerza de la biela y geometriacutea de la
biela Estos elementos sirvieron para poder realizar el anaacutelisis cineacutetico cinemaacutetico y teacutermico por
transferencia de calor motivo de la presente investigacioacuten
A su vez es una investigacioacuten transaccional donde se recolectaron los datos en un momento y
tiempo uacutenico permitieacutendose describir las variables anteriormente mencionadas El propoacutesito fue
describir las variables y analizar su incidencia e interrelacioacuten en un momento dado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
40
Por otra parte este trabajo se basoacute en un disentildeo no experimental con la informacioacuten derivada
basada en datos primarios obtenidos directamente de la realidad En el desarrollo de la presente
investigacioacuten la informacioacuten se obtuvo mediante el modelado mecaacutenico el cual ayudoacute a predecir
el comportamiento y reaccioacuten de la biela en su entorno real
35 Seleccioacuten de la muestra
El desarrollo de esta investigacioacuten se realizoacute tomando como objeto de estudio a un motor VW
Golf MK4 Gti 18T En la tabla 2 se muestran las especificaciones de este motor
Se utilizoacute un acero SAE 4340 de medio carbono aleado con Cr-Ni-Mo debido a que posee buena
resistencia a la fatiga alta templabilidad excelente tenacidad regular maquinabilidad y baja
soldabilidad Es apto para piezas y herramientas de grandes exigencias mecaacutenicas Se usa para los
maacutes altos esfuerzos estaacuteticos y dinaacutemicos en piezas como ciguumlentildeales bielas cardanes pintildeones
pernos y tornillos de alta resistencia engranajes para maacutequinas discos de freno barras de torsioacuten
y aacuterboles de transmisioacuten [72] En la tabla 3 se muestran las composiciones quiacutemicas
TABLA 2 CARACTERIacuteSTICAS DEL MOTOR
Variable Definicioacuten Conceptual
Motor V 4
Combustible Gasolina
Alimentacioacuten MPI
Situacioacuten Transversal
Cilindrada 1781 cm3
Diaacutemetro por carrera 810 x 864 mm
Vaacutelvulas 16 vaacutelvulas
Sobrealimentacioacuten Turbo + Intercooler
Relacioacuten de Comprensioacuten 95
Potencia 210 PS or 207 bhp o 154 kw 5700 rmp
Par maacuteximo 300 Nm o 221 lbft 2700 rpm
Caja de cambios 6 velocidades manual
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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TABLA 3 PORCENTAJE DE COMPOSICIOacuteN QUIacuteMICA DEL ACERO USADO
De igual forma en la tabla 4 se pueden apreciar las caracteriacutesticas del tratamiento teacutermico y las
propiedades mecaacutenicas que se deben tener para cumplir con lo establecido para el procedimiento
36 Recoleccioacuten de datos
Para el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico se emplea la simulacioacuten con ANSYS y poder predecir coacutemo
se comporta y reacciona la biela en su entorno real El software SOLIDWORKS se emplea para
incorporar la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
TABLA 4 TRATAMIENTO TEacuteRMICO Y PROPIEDADES MECAacuteNICAS
Tratamiento teacutermico
(Valores en 0C)
Propiedades mecaacutenicas
Forjado 850 - 1100 Bonificado
Normalizado 870 - 900 Resistencia a la
traccioacuten
95 ndash 105 kgfmm2
Revenido 530 - 670 Liacutemite de fluencia 60 ndash 74 kgfmm2
Recocido 750 - 850 Dureza (HB) 280 - 340
Templado Aceite 840 - 880 Elongacioacuten 10 ndash 18
Composicioacuten quiacutemica ()
C 038 ndash 043
Mn 060 ndash 080
Si 015 ndash 035
P 0035 Maacutex
S 004 Maacutex
Cr 070 ndash 090
Ni 165 ndash 200
Mo 020 ndash 030
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
42
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el software de MATLAB herramienta
matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para la representacioacuten de datos
matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor El objetivo de dicho anaacutelisis fue
identificar la falla de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro
cilindros encendido por chispa accionado por gasolina cuando por diversas causas alcanza
temperaturas elevadas generando esfuerzos y deformaciones superiores a los liacutemites de cedencia
del material Para este anaacutelisis se determinoacute la fuerza axial generadora del maacuteximo torque aplicado
al ciguumlentildeal del motor Como se trata de un motor alternativo el movimiento parte desde el punto
muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) recorriendo el pistoacuten una longitud de
carrera C=2r por cada vuelta del ciguumlentildeal Ya que se trata de un motor de cuatro tiempos el
ciguumlentildeal daraacute dos vueltas por ciclo termodinaacutemico [73] En este caso se consideroacute solamente un
punto donde la biela es normal a la manivela que es donde se produce el maacuteximo toque Se hizo el
anaacutelisis el elemento finito (FEA por su siglas en ingles Finite Element Analysis ) para obtener una
solucioacuten aproximada a este problema de ingenieriacutea para obtener un producto de calidad a menor
costo mejorando asiacute procesos existentes o para estudiar fallos de eacuteste componente estructural El
anaacutelisis teacutermico por transferencia de calor cineacutetico y cinemaacutetico se describe en el capiacutetulo 4 del
presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Generalidades
Los motores de los autos principalmente los de combustioacuten interna (MCI) son motores donde
los gases generados en la reaccioacuten exoteacutermica resultan de un proceso de combustioacuten que empuja
al pistoacuten desplazaacutendolo en el interior de un cilindro y haciendo girar al ciguumlentildeal El funcionamiento
ciacuteclico de estos motores suele tener fallas constantes debido a muacuteltiples factores entre los cuales
destacan problemas con los cojinetes fallas en las bielas pistoacuten ciguumlentildeal entre otros
El arranque de los motores de combustioacuten se lleva a cabo en su caacutemara interna en donde se forma
el fluido activo Esta caacutemara forma parte de un cilindro dentro del cual se mueve un pistoacuten mismo
que forma parte del mecanismo en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal Y para que un motor
tenga un buen funcionamiento es necesario tener una buena lubricacioacuten refrigeracioacuten y suministro
de energiacutea eleacutectrica tal como se aprecia en la figura 20
La lubricacioacuten debe mantener engrasados los mecanismos moacuteviles tambieacuten sirve como
refrigerante al absorber el calor disipado Su principal funcioacuten radica en la aplicacioacuten de un manto
superficial de aceite recubriendo asiacute los elementos moacuteviles El sistema refrigerante es el que
mantiene una temperatura constante del motor durante su funcionamiento y lo hace mediante la
eliminacioacuten de exceso de calor que se pudiera generar en su funcionamiento Gracias a la energiacutea
eleacutectrica funcionan los dispositivos tales como las bombas hidraacuteulicas agua refrigerante los
cuales provocan el flujo que hace posible la circulacioacuten de los fluidos a lo largo de los ductos
correspondientes
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
44
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se consideroacute el auto VW Golf [74] tal como se aprecia
en la figura 21
Este auto tiene un motor MK4 GTI 18T de cuatro cilindros con turbocompresor formalmente
conocido como el 18 20VT R4 e informalmente conocido simplemente como el 18T Se ha
utilizado en casi todas las aplicaciones de cuatro cilindros de VW Utiliza un bloque de motor de
hierro fundido y culata de aluminio con doble aacuterbol de levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte
de la fuerza inherente de este motor viene del uso de un ciguumlentildeal de acero forjado a troque dividido
en bielas forjadas y pistones forjados Su potencia es de 150 caballos de fuerza a 5800 rpm Su
principal caracteriacutestica es su sistema de turbo y de induccioacuten Utiliza un turbocompresor de VW
de origen algo equivalente a un Garrett T30
421 Aplicaciones del 18T
El 18T se ha utilizado en casi todos los autos que tienen cuatro cilindros de VW como son VW
Polo GTI Golf MkIV Bora Jetta New Beetle S Passat B5 y Sagitar Desde Audi que es la marca
de lujo de VW el motor tambieacuten se ha trasladado a los modelos en esa divisioacuten incluyendo la A3
A4 A6 y TT Quattro Sport Otros fabricantes de automoacuteviles en utilizar el 18T han sido el
fabricante espantildeol SEAT (en el Leon Mk1 Cupra R y Toledo) y Skoda para su edicioacuten limitada
Octavia VRS
Figura 21VW Golf
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
45
El 18T utiliza un bloque de motor de hierro fundido y una culata de aluminio con doble aacuterbol de
levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte de la fuerza inherente de este motor se debe al uso de un
ciguumlentildeal de acero forjado a troquel bielas ldquoSplit forjadordquo y pistones Mahle forjado El 18T ha
llegado en docenas de diferentes configuraciones desde que se ofrecioacute por primera vez con
potencias que van desde 150 caballos de fuerza a 5800 rpm (en la mayoriacutea de los polos Golf
hoteles escarabajos y Passat) hasta 236 caballos de fuerza a 5700 rpm para el Audi TT Quattro
Sports
En lo que respecta a la induccioacuten aparte de su cabeza la principal caracteriacutestica del 18T es su
sistema turbo e induccioacuten El turbo alimenta uno de los pocos verdaderos colectores de admisioacuten
de longitud variable en el mercado de hoy A bajas revoluciones el aire fluye a traveacutes de un
conjunto de tubos de colada la ingesta de largas y delgadas para mejorar el par a bajo reacutegimen y
la facilidad de conduccioacuten A altas revoluciones una solapa se abre para conectar gran espacio
abierto del colector de admisioacuten (plenum) casi directamente a la culata sin pasar por los tubos y
aumentar el poder de gama alta
43 Anaacutelisis de datos
431 Anaacutelisis cinemaacutetico
El movimiento alterno del pistoacuten se transforma en movimiento circular continuo del eje mediante
el sistema biela-manivela Para efectos de caacutelculo el movimiento circular de la manivela se
considera uniforme sin error apreciable En la figura 22 se muestra la nomenclatura que se utilizoacute
en este anaacutelisis [73]
Figura 22 Nomenclatura
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
46
Donde
L=Longitud de la biela
r=Radio de la manivela
C=Carrera del pistoacuten
x=Deslizamiento del pistoacuten referido al PMS
α=Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente al PMS
β= Aacutengulo que forma el eje de la biela con el del cilindro
I Desplazamiento
De acuerdo a la geometriacutea del motor y como muestra la figura 22 se obtiene la ecuacioacuten para el
desplazamiento (x) correspondiente entre el PMS y PMI donde λ es un paraacutemetro de la relacioacuten
del radio a la longitud de la biela (Ver Anexo I) la cual es
119909 = 119903 ((1 minus cos prop) + 119871(1 minus radic1 minus 12058221199041198901198992 prop))
Donde λ =119903
119871 119902119906119890 119903119890119901119903119890119904119890119899119905119886 119906119899119886 119903119890119897119886119888119894oacute119899 119886119897119890119886119905119900119903119894119886
Si la biela fuera de longitud infinita (λ=0) se desplazariacutea mantenieacutendose siempre paralela a siacute
misma por lo que tendriacuteamos la expresioacuten simplificada
119909 = 119903(1 minus cos prop)
Se utilizoacute el software MATLAB para graficar coacutemo se comporta el sistema del punto muerto
superior al punto muerto inferior correspondiente a los 360 grados del movimiento de la Manivela
Se obtiene la figura 23 misma que se muestra a continuacioacuten
Figura 23 Desplazamiento
Des
pla
zam
ien
to d
el p
istoacute
n e
n m
etro
s
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
47
II Velocidad
Para obtener la ecuacioacuten de la velocidad se derivoacute la ecuacioacuten de desplazamiento (ver Anexo II)
guardaacutendola en una nueva variable (V) lo que se puede apreciar en la figura 24
Figura 24Velocidad del pistoacuten
III Aceleracioacuten
Para obtener la ecuacioacuten de la aceleracioacuten se derivoacute la ecuacioacuten de velocidad (Ver Anexo III)
asignando su valor a una nueva variable (A) la cual se muestra en la figura 25
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten
Vel
oci
dad
del
pis
toacuten
(m
s)
Angulo de manivela en grados
Ace
lera
cioacute
n d
el p
istoacute
n (
ms
2)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
48
432 Anaacutelisis cineacutetico
I Fuerzas alternativas de inercia
Conociendo las leyes que regulan el movimiento del conjunto biela manivela resulta faacutecil
obtener una relacioacuten de las fuerzas que generan dicho movimiento En efecto las partes dotadas de
movimiento alternativo estaacuten sometidas a fuerzas de inercia calculadas por medio de la segunda
ley de Newton que expresada en funcioacuten de la segunda derivada del desplazamiento dan como
resultado
119865 = minus119898 lowast 1205962 lowast 119903 (cos 120572 + 120582 lowast cos 2120572)
La primera y segunda parte de la ecuacioacuten representan respectivamente las fuerzas alternativas
de primero y segundo orden (ver Anexo IV) En la ecuacioacuten anterior ldquomrdquo corresponde a la masa de
la biela que para la muestra seleccionada tiene un valor de 066 kg se muestra en la figura 26
Figura 26Fuerzas alternativas
La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten cinemaacutetica En la figura 27
se puede observar el movimiento al considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante el
proceso de expansioacuten De este resultado se obtiene la fuerza maacutexima para posteriormente
considerarla en el anaacutelisis estaacutetico de la simulacioacuten en el software de ANSYS Los resultados se
encuentran en el Anexo V y en la figura 27 se aprecia la representacioacuten graacutefica del anaacutelisis de la
biela Este anaacutelisis se hizo mediante el software de MATLAB
Fu
erza
s al
tern
ativ
as (
N)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
49
Figura 27 Fuerzas en la biela
II Diagrama par-motor
La fuerza resultante que actuacutea sobre el pistoacuten corresponde a la suma de las fuerzas alternativas
de inercia y de la correspondiente a la presioacuten del gas durante la explosioacuten Eacutesta equilibrada por la
fuerza de reaccioacuten en la biela y variacutea en cada posicioacuten del movimiento La figura 28 muestra el
diagrama par motor que se utiliza para este anaacutelisis La nomenclatura es la misma que se utilizoacute en
el anaacutelisis cinemaacutetico con la inclusioacuten de las fuerzas [73]
Figura 28Diagrama par-motor
Angulo de manivela en grados
Fu
erza
en
la
bie
la (
N)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
50
Figura 29Par-motor de explosioacuten
Nuevamente mediante el software MATLAB se realiza el anaacutelisis de movimiento durante el
proceso de expansioacuten de 360deg a 540deg debido a que se trata de un motor de 4 tiempos lo que implica
que el ciguumlentildeal gire dos vueltas correspondieacutendole a la primera vuelta la admisioacuten y compresioacuten
(Ver Anexo VI) lo cual se aprecia en la figura 29
El punto maacuteximo de esta graacutefica representa un par-motor de 311 N-m que se aproxima al par
motor que el fabricante ofrece para este motor seleccionado como muestra Es importante
considerar que a este punto le corresponde un aacutengulo de 388deg equivalente a 28deg a partir del punto
muerto superior y seraacute considerado para obtener la fuerza axial en la biela de su correspondiente
graacutefica
433 Anaacutelisis termodinaacutemico
I Eficiencia del ciclo Otto ideal
La figura 30 muestra el ciclo en un diagrama P-v La eficiencia o rendimiento del ciclo es la
relacioacuten entre el trabajo neto y la cantidad de calor que entra al sistema [75]
Par
-mo
tor
(N
m)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
51
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen
Es decir
119890119900119905119905119900 =119882119899119890119905119900
119902119890119899119905
Por primera ley de la termodinaacutemica
119882119899119890119905119900 = 119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
Considerando calores especiacuteficos constantes
119890119900119905119905119900 =119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119862119907(1198794 minus 1198791)
119862119907(1198793 minus 1198792)= 1 minus
(1198794 minus 1198791)
(1198793 minus 1198792)
Para el proceso 1-2 compresioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987511198811119896 = 11987521198812
119896 there41198752
1198751= (
1199071
1199072)
119896
= 119903119896
Doacutende r= la relacioacuten de compresioacuten definida como 119903 =1199071
1199072
Para el mismo proceso la ecuacioacuten de los gases ideales es
11987511199071
1198791=
11987521199072
1198792 there4
1198752
1198751=
1199072
1199071∙
1198792
1198791= 119903
1198792
1198791= 119903119896
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
52
Realizando la igualacioacuten se obtiene la temperatura para el estado dos del ciclo
1198792 = 1198791119903119896minus1
De manera similar para el proceso 3-4 de expansioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987531198813119896 = 11987541198814
119896 there41198753
1198754= (
1199074
1199073)
119896
= 119903119896
Y la ecuacioacuten correspondiente de los gases ideales es
11987531199073
1198793=
11987541199074
1198794there4
1198753
1198754=
1199074
1199073∙
1198793
1198794= 119903
1198793
1198794= 119903119896
Realizando la igualacioacuten correspondiente se obtiene la temperatura para el estado 3 del ciclo
1198793 = 1198794119903119896minus1
Con las relaciones de temperatura para los estados 2 y 3 se obtiene la eficiencia del ciclo Otto
en funcioacuten de la relacioacuten de compresioacuten
119890119900119905119905119900 = 1 minus1198794 minus 1198791
1198794119903119896minus1 minus 1198791119903119896minus1= 1 minus
1198794 minus 1198791
119903119896minus1(1198794 minus 1198791)
119890 = 1 minus1
119903119896minus1
Para el anaacutelisis de la muestra seleccionada le corresponde una relacioacuten de compresioacuten de r=95
obtenieacutendose una eficiencia teacutermica del 60
119890 = 1 minus1
9514minus1= 06
En la figura 31 se muestra un referente de la eficiencia teacutermica en funcioacuten de la relacioacuten de
compresioacuten para un motor Otto y Diesel [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
53
Figura 31 Eficiencia teacutermica
II Temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
Cuanto maacutes pequentildea es la perdida de calor tanto mayor resulta el aumento de la temperatura En
el caso liacutemite que no haya peacuterdida de calor hacia los alrededores (Q=0) la temperatura de los
productos alcanzaraacute un maacuteximo conocido como temperatura de flama adiabaacutetica o combustioacuten
adiabaacutetica
La temperatura de flama adiabaacutetica de un proceso de combustioacuten de flujo estacionario se
determina aplicando la primera ley de la termodinaacutemica considerando la caacutemara de combustioacuten
como un volumen de control totalmente aislado (adiabaacutetico) con la siguiente ecuacioacuten
119867119901119903119900119889 = 119867119903119890119886119888119905
sum 119873119901(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg) = sum 119873119903(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg)
Doacutende Np= nuacutemero de moles de los productos
Nr = nuacutemero de moles de los reactivos
ℎ119891= entalpiacutea de formacioacuten
ℎ minus ℎdeg= variacioacuten de entalpiacutea
Una vez que se especifican los reactivos y los estados resulta faacutecil determinar las entalpiacuteas de
los reactivos Sin embargo debido a que la temperatura de los productos no se conoce antes de los
caacutelculos el caacutelculo de la entalpia de los productos no es directa Por consiguiente la determinacioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
54
de la temperatura de flama adiabaacutetica requiere el uso de una teacutecnica iterativa a menos que se
disponga de ecuaciones para los cambios de entalpiacutea sensible de los productos de combustioacuten
La temperatura de flama adiabaacutetica se determina luego a partir de estos dos resultados mediante
interpolacioacuten Cuando el oxidante es aire los gases producto se componen principalmente de N2 y
una buena primera suposicioacuten para la temperatura de flama adiabaacutetica se obtiene tratando todos
los gases productos como N2 En las caacutemaras de combustioacuten la temperatura maacutexima a la que se
puede llegar esta limitada por condiciones metaluacutergicas [75] Se analizaron los tres tipos de mezcla
para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla teoacuterica o estequiomeacutetrica
mezcla pobre y mezcla rica
II1 Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El modelo utilizado para los tres tipos de mezcla es una caacutemara de combustioacuten en la cual se
simula la inyeccioacuten de combustible octano 119862811986718 con las cantidades de aire suministrado siendo la
composicioacuten quiacutemica del aire de 1198742 + 3761198732 lo que equivale a 79 de N2 y 21 de O2 Tanto el
combustible como el aire se consideran como los reactivos y los gases de escape como productos
tal como se aprecia en la figura 32
La ecuacioacuten teoacuterica para este caso es
119862811986718 + 119908(1198742 + 3761198732) rarr 1198831198621198742 + 1198841198672119874 + 1198851198732
Doacutende W X Y Z representan los coeficientes estequiomeacutetricos determinaacutendose por balanceo
de los elementos quiacutemicos de la ecuacioacuten
119862 8 = 119883
119867 18 = 2119884 there4 119884 = 9
119874 2119882 = 2119883 + 119884 there4 119882 = 125
119873 376(2)119882 = 2119885 there4 119885 = 47
Se obtiene asiacute la ecuacioacuten estequiomeacutetrica balanceada
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
55
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos y considerando un proceso
adiabaacutetico se obtiene la ecuacioacuten para los tres tipos de mezcla
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ)
Donde
ℎ119891298= Entalpiacutea de deformacioacuten durante la reaccioacuten
∆ℎ= Variacioacuten de la entalpiacutea con respecto al estado de referencia
Los valores de entalpiacuteas para esta reaccioacuten se obtienen de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y
A-26 [75] Para este caso resulta
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9324] + 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]
+47[0 + ℎ1198732minus 8669] = 1[minus249950 + 0] minus 125[0 + 0] minus 47[0 + 0]
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 47ℎ1198732
= 5646081
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realiza iterativamente proponiendo como inicio que toda la
energiacutea es absorbida por el N2 ya que es el elemento que posee el mayor nuacutemero de moles
64ℎ1198732= 5646081
ℎ1198732= 88220015
119896119869
119896119898119900119897
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de temperatura aproximado de
119879 = 2650deg119870
Y tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen los valores
que se muestran en la tabla 5
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
56
TABLA 5 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA
Temperatura T=2600degK T=2450degK T=2200degK
Sustancia h(kJkmol)
8CO2 1099592 1025752 903512
9H2O 1028457 955647 836460
47N2 4072550 3814003 3385880
6130599 5795402 5125852
Interpolando los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2450degK y 2200degK se
obtiene la temperatura 119879 = 239424deg119870
II2 Mezcla pobre (110 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Ecuacioacuten real (10 exceso de aire) es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 1251198742 + 5171198732
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
Sustituyendo los valores de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y A-26 [75] se obtiene
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364]
kJ
kmol1198621198742
+ 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]kJ
kmol1198671198742
+125[0 + ℎ1198732minus 8682]
kJ
kmol1198742
+ 517[0 + ℎ1198732minus 8669]
kJ
kmol1198732
= 1[minus249950 + 0]kJ
kmol119862811986718
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 125ℎ1198742
517ℎ1198732= 56976778119896119869119896119898119900119897
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno
6995ℎ1198732= 56976778
ℎ1198732= 8145357827
119870119869
119870119898119900119897
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
57
TABLA 6 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA POBRE
Temperatura T=2400degK T=2450degK T=2200degK T=2250degK
Sustancia h(kJkmol)
8 CO2 1001216 1025752 903512 927872
9 H2O 931572 955647 836460 860058
125 02 1039675 106390 94355 9674625
517 N2 4100844 41954033 3724468 38183552
61376055 62831923 5558795 570303145
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2500deg119870
Nuevamente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen
los valores que se muestran en la tabla 6
Realizando la interpolacioacuten de los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2200degK
y 2250degK se obtiene la temperatura 119879 = 2248144deg119870
II3 Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es la siguiente
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
La ecuacioacuten real (85 de aire) es
119862811986718 + 10625(1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 91198672119874 + 375119862119874 + 39951198732
Aplicando la primera ley de la termodinaacutemica para sistemas reactivos y adiabaacutetico se obtiene
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
TABLA 7 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA
Sustancia hf h 298 degk
KJKmol
C₈H₁₈ -249950 -----
O₂ 0 8682
N₂ 0 8669
H₂O -241820 9904
CO₂ -393520 9364
CO -110530 8669
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
58
Posteriormente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se
obtienen los valores que se muestran en la tabla 7
Y sustituyendo los valores en la foacutermula antes mencionada se obtienen los resultados siguientes
425 (minus393520 + ℎ119862119874₂ minus 9364) + 375 (minus110530 + ℎ119862119874 minus 8669) + (minus 241820
+ ℎ119867₂119874 minus 9904) + 3995 (0 + ℎ119873₂ minus 8669) ndash 1(minus 249950
+ 0) ndash 10625 (0 + 0) ndash 3995 (0 + 0) = 0
425 ℎ119862119874₂ + 375 ℎ119862119874 + 9 ℎ119867₂119874 + 3995 ℎ119873₂ = 45211458
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno 5695 ℎ119873₂ = 45211458
ℎ119873₂ = 7938798 = 79388 kJkmol
De la tabla A-18 [75] de propiedades del nitroacutegeno se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2400deg119870
Tabulando los valores correspondientes de la entalpiacutea a la temperatura indicada se muestran en
la tabla 8
Interpolando entre los valores de 2300degK y 2200degK se obtiene la temperatura para esta
mezcla 119879 = 2223305deg119870
TABLA 8 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA RICA
Temperatura T=2400 T=2300 T=2200
Sustancia h(KJKmol)
425 Co₂ 531896 50589875 47999075
375 Co₂ 30005625 28629375 272580
9 H₂O 931572 883791 836460
3995 N₂ 3168834 30232562 2877998
sum 493235825 46992397 446702875
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
59
434 Temperatura real de combustioacuten
Las temperaturas de combustioacuten adiabaacutetica obtenidas en el apartado que aborda el tema de la
temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para los tres tipos de mezclas reflejan un paraacutemetro
cuantitativo sin embargo no es posible que el motor alcance dichos valores Esto es debido a la
Segunda Ley de la Termodinaacutemica en su postulado de Kelvin Plank refirieacutendose precisamente al
rendimiento del motor que de acuerdo a la relacioacuten de compresioacuten establecida se determinoacute que
es de 60 Este valor equivale al maacuteximo rendimiento posible con el cual se determinaraacute la
temperatura real del motor para los tres tipos de mezclas Eacutesta temperatura seraacute considerada para
el anaacutelisis de transferencia de calor en la biela
I Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El poder caloriacutefico del combustible representa la cantidad de calor liberado cuando se quema por
completo en un proceso de flujo estacionario En este anaacutelisis se considera el poder caloriacutefico
inferior debido a que el agua en los productos se considera en fase de vapor correspondieacutendole un
valor de 44430 kJkmol [75]
Involucrando una eficiencia de 60 se determina la cantidad de calor real utilizado en los tres
diagramas y mediante el anaacutelisis de estequiometria se obtiene la temperatura real correspondiente
al maacuteximo valor del ciclo en el proceso de explosioacuten
El anaacutelisis parte de la ecuacioacuten teoacuterica (100 de aire) para los tres tipos de mezclas que se
analizan en este apartado
De acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica para esta reaccioacuten de combustioacuten la
ecuacioacuten de la cantidad de calor liberado es
minus 119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
El valor de 119876119903119890119886119897 se determina al involucrar el rendimiento de 60 del poder caloriacutefico del
combustible y a la vez multiplicaacutendolo por la masa molar del combustible de 114231 kgkmol
obteniendo un valor de 3045170119896119869
119896119898119900119897
Los valores de ℎ119891deg y ℎ de los componentes a 298degK son los que se muestran en la tabla 9 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
60
TABLA 9 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Sustancia 119945 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948
kjkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119925120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 47(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten en funcioacuten de las entalpiacuteas de los elementos de los
productos que se resuelve por el meacutetodo iterativo
8ℎ 1198621198742
+ 9 ℎ1198671198742+47ℎ1198732
=2600911 kJkmol
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero total
de moles lo que produce 2600911 119896119869
(8 + 9 + 47) 119896119898119900119897= 4063923
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido correspondieacutendole un valor de T=131374degK A partir de este valor
se proponen valores inferiores y posteriormente realizar una interpolacioacuten lineal como se muestra
en la tabla 10 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
61
TABLA 10 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Temperatura T=1180degK T=1200degK T=1220degK
Sustancia h(KJKmol)
120790 119914119926120784 421792 430784 439816
120791 119919120784119926 391581 399420 407304
120786120789 119925120784 1696888 1728519 1760244
Total 2510261 2558723 2607364
Interpolando entre las temperaturas de 1200degK y 1220degK se obtiene que la temperatura real de
combustioacuten es T = 1217347 degK
II Mezcla pobre (110 aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten con 10 de exceso de aire es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 1251198742 + 91198672119874 + 5171198732
La ecuacioacuten de combustioacuten de acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
Los valores de las entalpiacuteas ℎ119891deg + ℎ de las sustancias a T= 298degK son los que se muestran en la
tabla 11 [75]
Sustituyendo valores correspondientes en la ecuacioacuten se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 125(0 + ℎ1198742minus 8682)
kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 517(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
62
TABLA 11 ENTALPIA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA POBRE REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119926120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten
8ℎ1198621198742+125 ℎ1198742
+ 9 ℎ1198671198742+517ℎ1198732
=26525078 kJ
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de
moles lo que produce
26525078 119896119869
(8 + 125 + 9 + 517) 119896119898119900119897= 379200543
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido siendo T=1240degK Nuevamente se propondraacuten valores inferiores a
la temperatura obtenida para obtener la entalpiacutea correspondiente a cada sustancia por
interpolacioacuten lineal obtener el resultado correcto Se muestran los valores de la tabla 12 [75]
La interpolacioacuten entre las temperaturas de 1160degK y 1140degK da el resultado de la temperatura
real para esta mezcla 119879 = 11515385deg119870
TABLA 12 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA POBRE REAL
Temperatura T=1200degK T=1160degK T=1140degK T=1120degK
Sustancia h(kJkmol)
120790119914119926120784 430784 412816 403872 394952
120783 120784120787119926120784 4805875 4627875 453925 445075
120791119919120784119926 399420 383778 376020 327384
120787120783 120789119925120784 19013709 1831731 1797092 17625564
Total 277963365 267460375 26223765 25293999
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
63
III Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten incompleta genera la aparicioacuten de monoacutexido de carbono (CO)
en los productos
119862811986718 + 10625 (1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 375119862119900 + 91198672119874 + 39951198732
De la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg)
Los valores de ℎ119891deg + ℎ de los componentes a la temperatura de 298degK son los que se muestran
en la tabla 13 [75]
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 425(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 375(minus110530 + ℎ119862119900 minus 8669)kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 3995(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
425ℎ1198621198742+375 ℎ119862119900 + 9 ℎ1198671198742+3995ℎ1198732
=14759758 kJkmol
Eacutesta debe resolverse por iteraciones sucesivas Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el
lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de moles obtenieacutendose 14759758 kJ
(425 + 375 + 9 + 3995) 119896119898119900119897= 25917
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente a esta entalpia
la temperatura aproximada siendo T=870degK Realizando un procedimiento similar a las mezclas
anteriores se obtiene la tabla 14 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
64
TABLA 13 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 8682
119925120784 0 8669
119914119926120784 -393520 9364
Co -110530 8669
119919120784119926 -241820 9904
TABLA 14 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA RICA REAL
Temperatura T=860degK T=850degK T=840degK T=830degK T=820degK
Sustancia h(KJKmol)
120786 120784120787119914119926120784 150008 14778525 14556675 1433525 141151
120785 120789120787119914119926 96630 954225 94215 9301125 9181125
120791119919120784119926 272160 268614 265086 261558 258048
120785120791 120791120787119925120784 10231195 10104154 9977113 9850871 9724629
Total 15419175 152223715 150257905 148300885 146347315
Interpolando entre las temperaturas de 830degK y 820degK se obtiene una temperatura de
combustioacuten para esta mezcla de 119879 = 8264deg119870
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten
En el apartado 433 se determinoacute una cantidad de calor liberado por la reaccioacuten quiacutemica de
combustioacuten de Q = 3045170 kJkmol = 26658 kJkg Esta energiacutea en forma de calor se tomaraacute en
cuenta para calcular el coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
Para este anaacutelisis se considera un modo de transferencia de calor por conveccioacuten entre un soacutelido
y un gas adyacente Seguacuten Cengel entre maacutes raacutepido es el movimiento de un fluido mayor es la
transferencia de calor por conveccioacuten [76]
De acuerdo con la ley de Newton del enfriamiento esta forma de transferencia de calor se expresa
mediante la ecuacioacuten honoriacutefica de este autor
119888119900119899119907 = ℎ119860119904( 119879119904 minus 119879infin )
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
65
Doacutende
h = coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
As = aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la
transferencia de calor
Ts = temperatura de la superficie
Tinfin = temperatura de los gases de combustioacuten
Para determinar el aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la conveccioacuten se considera un
cilindro con las dimensiones de la muestra seleccionada con un tamantildeo de 81 mm de diaacutemetro por
864 mm de carrera entonces
As = πDL = π(81 cm)(864 cm) = 2198612cm2 = 2198612x10-4 m2
Es necesario determinar la rapidez o tasa de transferencia de calor para lo cual se determina la
relacioacuten aire combustible para una mezcla con 85 de aire
119903119886119888frasl =
119898119886
119898119888=
119873119886
119873119888
119872119886
119872119888=
(10625)(426)(2897)
114231= 115
119896119892119886119894119903119890
119896119892119888119900119898119887
Doacutende
Na Nc corresponden al nuacutemero de moles del aire y el combustible respectivamente
Ma Mc son la masa molar del aire y la mezcla respectivamente
Desplazamiento por cilindro = V1 ndash V2 = 1800 cm34 = 450 cm3
Relacioacuten de compresioacuten r = 95 =V1V2
Resolviendo se obtiene un volumen inicial V1 = 502941 cm3
Utilizando condiciones iniciales presioacuten de 100 kPa y temperatura de 298degK Mediante la
ecuacioacuten de estado se determina la masa de aire
ma = 11987511198811119872
1198771199061198791
= (100)(5029411990910minus4)(2897)
(8314)(298)= 0000588 k119892
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
66
Con la relacioacuten aire combustible se determina la masa del combustible
119898119888 = 119898119886
119903119886119888=
0000588
115= 000005113 k119892
El calor total liberado durante la combustioacuten es
119876 = 119902119898119888 = 26658119896119869
119896119892(000005113 119896119892) = 1363035 119896119869
El flujo de calor por cilindro para una velocidad del motor de 2700 rpm es
119876 = 1363035119870119869 (1
2119888119894119888119897119900119904
119903119890119907
) (2700119903119890119907
119898119894119899) (1
119898119894119899
60 119904 ) = 306682 119896119882
Esta es la cantidad de flujo de calor que se considera para determinar el coeficiente de
transferencia de calor por conveccioacuten de la siguiente forma
ℎ = 119888119900119899119907
119860119904 ( 119879119904minus119879infin )=
306682 119882
(219861211990910minus41198982)(25minus5533)deg119862= 26398355 119882
1198982deg119862frasl
44 Simulacioacuten
Durante el presente anaacutelisis la geometriacutea de la biela fue elaborada en Solid Works para
posteriormente importarla al software de ANSYS en la simulacioacuten correspondiente Se selecciona
un modelo de malla refinado tal como se muestra en la figura 33 para una solucioacuten precisa y con
resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico - transitorio y estructural
Figura 33Modelo de malla
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
67
Se inicia con un anaacutelisis teacutermico transitorio tomando en cuenta los datos de la muestra del motor
seleccionado asiacute como tambieacuten los resultados obtenidos en el anaacutelisis teacutermico de combustioacuten y por
transferencia de calor El tiempo transitorio se determina con la velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira 2 revoluciones por ciclo termodinaacutemico resultando ser de
004444 segundos El primer resultado muestra la distribucioacuten de temperatura mediante la
transferencia de calor por conveccioacuten tal como se visualiza en la figura 34
Figura 34Distribucioacuten de temperatura
El segundo anaacutelisis es una simulacioacuten estaacutetica estructural vinculada con el anaacutelisis teacutermico
transitorio como se aprecia en la figura 35
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
68
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural es necesario saber la fuerza axial que actuacutea sobre la biela para
lo cual durante el anaacutelisis cineacutetico realizado en el software de Matlab se obtuvieron resultados del
par-motor durante el movimiento de la biela del PMS al PMI El par maacuteximo o torque se obtiene a
los 28deg a parir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de 15380 N Es
importante mencionar que el fabricante estima un par maacuteximo de 300 Nm a 2700 rpm y el
software de Matlab arroja un resultado de 310 Nm La distribucioacuten de temperatura es importada
para el anaacutelisis teacutermico estructural tal como se aprecia en la figura 36
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela
Mediante simulacioacuten final del anaacutelisis de flujo teacutermico-transitorio y estaacutetico-estructural se
obtienen resultados de los esfuerzos principales de Von Mises tal como se visualiza en la figura
37
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
69
Un paraacutemetro comparativo es la resistencia a la cedencia del material recomendado para la
fabricacioacuten de la biela Se utilizoacute para este caso un acero 4140 con una resistencia de 470 MPa
(recosido) y de 862 MPa (normalizado) Durante este tiempo la biela resiste con toda seguridad
el impacto de carga y temperatura Sin embargo la realidad es que normalmente el motor se
mantiene acelerado por maacutes tiempo Por ejemplo considerando que el motor trabaje durante un
minuto a la velocidad de 2700 rpm la solucioacuten que se obtiene mediante ANSYS resulta muy
considerable ya que el sobrecalentamiento se genera por estas causas La solucioacuten obtenida se
muestra en la figura 38
Definitivamente el esfuerzo maacuteximo rebasa el liacutemite de cedencia del material esto implica que
en alguacuten momento la parte maacutes vulnerable de la biela estaraacute propensa a sufrir alguna fractura lo
que comuacutenmente se conoce como ldquodesbielarrdquo el motor Esto es lo que genera mantener un motor
revolucionado aunque tambieacuten existen otras causas que contribuyen al sobrecalentamiento como
un sistema deficiente de lubricacioacuten y enfriamiento que en otro caso pueden considerarse motivo
de una investigacioacuten especiacutefica
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
70
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN
51 Conclusiones relativas a los objetivos
Cumplimiento del Objetivo general ldquoAnalizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas
de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro y cuatro cilindros encendido por chispardquo
A partir de los nuevos conocimientos obtenidos en esta investigacioacuten se puede dar por cumplido
el objetivo general teniendo en cuenta los siguientes elementos
Se realizoacute el anaacutelisis de los elementos que ocasionan la falla en un motor de cuatro tiempos
esto mediante el anaacutelisis cinemaacutetico donde se consideroacute el desplazamiento conforme a la
geometriacutea del motor y la velocidad tomando en cuenta el desplazamiento De igual forma se
tomoacute en cuenta la aceleracioacuten y se realzoacute el anaacutelisis cineacutetico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoIdentificar el comportamiento termo estaacutetico de una
biela en un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por
chispardquo
A eacuteste respecto se identificoacute el comportamiento termo estaacutetico mediante las leyes de la
termodinaacutemica para la eficiencia de un motor Otto ideal asiacute como la comprensioacuten isentroacuteprica
la relacioacuten de comprensioacuten y gases obtenieacutendose la eficiencia teacutermica del ciclo Otto
correspondiente al 60
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoDeterminar la fuerza axial de una biela en un motor de
combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Mediante el anaacutelisis cineacutetico y de las fuerzas alternativas de inercia se da por cumplido el
objetivo especiacutefico La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten
cinemaacutetica Tambieacuten es necesario considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante
el proceso de expansioacuten pues de este resultado se obtiene la fuerza maacutexima que actuacutea sobre el
pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
71
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoObtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para
una reaccioacuten de combustioacuten estequiometricardquo
Mediante el anaacutelisis teacutermico y transferencia de calor se obtuvo la temperatura de flama
adiabaacutetica a partir de los resultados mediante interpolacioacuten Se analizaron los tres tipos de
mezcla para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla estequiomeacutetrica
una mezcla pobre y una mezcla rica En el caso de la mezcla al 100 de aire se obtuvo una
estequiomeacutetrica balanceada donde se hizo la tabulacioacuten de la entalpiacutea con su correspondiente
sustancia al igual que la mezcla pobre obtenieacutendose una temperatura de 119879 = 2248144deg119870
Referente a la mezcla rica se realizoacute la interpolacioacuten entre los valores de 2300degK y 2200degK
resultando una temperatura para esta mezcla de 119879 = 2223305deg119870 por lo que se da por
cumplido este objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoSimular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela
para identificar posibles deformacionesrdquo
Se realizoacute la simulacioacuten con un modelo de malla refinado en el Software de Aplicacioacuten Solid
Works donde posteriormente se importoacute al software ANSYS Se inicioacute con el anaacutelisis teacutermico
transitorio El tiempo transitorio se determina con una velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
Tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira dos revoluciones por ciclo termodinaacutemico este tiempo
resulta ser de 004444 segundos El primer resultado mostroacute la distribucioacuten de temperatura
mediante la transferencia de calor por conveccioacuten
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural se usoacute el software de MATLAB El par maacuteximo
corresponde a 28deg a partir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de
15380 N Es importante mencionar que el fabricante estimoacute un par maacuteximo de 300 Nm a 2700
rpm mientras que el software de MATLAB arrojoacute un resultado de 310 Nm Por lo que se da
por cumplido el objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoElaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de
un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
72
Respecto al anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico se encontroacute que para la fabricacioacuten de la biela es
recomendable la resistencia de la cedencia es decir un acero 4140 con una resistencia de 470
MPa (recosido) y de 862 MPa (normalizado) Con estos paraacutemetros la biela resistiraacute con toda
seguridad el impacto de carga y temperatura
52 Aportaciones originales
La presente investigacioacuten tiene cuatro aportaciones las cuales se describen a continuacioacuten
Un primer aporte de esta investigacioacuten consistioacute en haber realizado un anaacutelisis cinemaacutetico
considerando el desplazamiento la velocidad y aceleracioacuten lo cual fue el objeto de estudio
para producir cambios en la biela de un motor VW Golf MK4 GTI 18T Respecto a la revisioacuten
de las fuentes primarias se encontraron los fundamentos teoacutericos necesarios para la
elaboracioacuten de dicha investigacioacuten que al ser analizado y aplicado dio un diagnoacutestico de la
situacioacuten actual de las fallas de una biela
Una segunda aportacioacuten fue el haber realizado el anaacutelisis estaacutetico estructural para saber la
fuerza axial que actuacutea sobre la biela Para esto durante el anaacutelisis cineacutetico se utilizoacute el software
de MATLAB con el que se obtuvieron resultados del par-motor durante el movimiento de la
biela del PMS al PMI
La tercera aportacioacuten de esta investigacioacuten consistioacute en realizar un anaacutelisis teacutermico por
transferencia de calor para poder identificar la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
considerando tres tipos de mezcla que son 100 de aire mezcla pobre y mezcla rica Asiacute como
la determinacioacuten de la temperatura real de combustioacuten y sus mezclas correspondientes para
obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiometrica
La cuarta aportacioacuten de esta investigacioacuten fue la generacioacuten de la geometriacutea de la biela usando
el software en Solid Works posteriormente importada al software de ANSYS la obtencioacuten de
una solucioacuten precisa y con resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico transitorio y estructural
|
53 Recomendaciones para futuros estudios
Se recomienda para futuros estudios profundizar en la temaacutetica de mecaacutenica Los problemas que
deja abiertos esta investigacioacuten para futuros estudios son los siguientes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
73
Se evidencia la necesidad de que las empresas dedicadas a la fabricacioacuten de piezas mecaacutenicas
establezcan paraacutemetros y realicen simulaciones adecuadas de las piezas que conforman los
autos para que no tengan fallas en un futuro
Se recomienda realizar investigaciones en el aacuterea de mecaacutenica que deacute seguimiento a las liacuteneas
de investigacioacuten de termo fluidos y disentildeo implementando un laboratorio de pruebas de
motores de combustioacuten interna que aunado a la simulacioacuten los resultados seriacutean maacutes eficientes
Difusioacuten de los resultados de esta investigacioacuten con la presentacioacuten de los mismo en congresos
y revistas
Finalmente se recomienda realizar investigaciones correspondientes a las fallas mecaacutenicas
diferentes a las abordadas en este estudio en relacioacuten con los motores de combustioacuten interna y
los factores que inciden negativamente
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
74
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Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
80
ANEXOS
ANEXO I
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y utilizando la nomenclatura de la figura 22 se determinaron el
desplazamiento velocidad y aceleracioacuten correspondientes por medio del software de MATLAB
El anaacutelisis completo corresponde al movimiento alternativo durante un ciclo termodinaacutemico
DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN
Programa para determinar el desplazamiento ldquoxrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de
360 grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
81
ANEXO II
VELOCIDAD DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la velocidad ldquovrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
82
ANEXO III
ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la aceleracioacuten ldquoardquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
83
ANEXO IV
FUERZAS ALTERNATIVAS
En el anaacutelisis cineacutetico las fuerzas alternativas representan parte de la carga que actuacutea en el
pistoacuten considerando la aceleracioacuten del mismo en la segunda ley de Newton Se utilizoacute el
software de MATLAB durante este anaacutelisis
Programa para determinar las fuerzas alternativas de primer orden y segundo orden durante un
movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
84
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL DESPLAZAMIENTO
LA VELOCIDAD LA ACELERACIOacuteN Y FUERZAS ALTERNATIVAS DE INERCIA ES
syms x
Longitud de la Biela
L=144
Radio De La Manivela
r=0432
Carrera Del Piston
C=2r
Angulo entre eje de la biela con Cilindro (beta)
b=0
lamda=rL
________DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Deslizamiento angular de la Manivela (alpha)
a = 0pi184pi
Desplazamineto del Piston
x=r(1-cos(a))+L((1-(lamda^2)(sin(a))^2))^12
x=r(1-cos(a))
y=010720
subplot(221)
plot(yx)
ylabel(Desplazamiento Del Piston (m))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________VELOCIDAD DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Velocidad del Piston
V=diff (x)
y=010710
subplot(222)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
85
plot(yV)
ylabel(Velocidad Del Piston (ms))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Aceleracioacuten del Piston
A=diff (V)
y=010700
subplot(223)
plot(yA)
ylabel(Aceleracioacuten Del Piston (ms^2))
xlabel(GRADOS)
grid on
Masa
m=660
Revoluciones Por Minuto
n=2700
Velocidad Angular
W=(2pin)60
lamda=rL
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE PRIMER ORDEN_________
F1=m(W^2)rcos(a)biela de longitud infinita
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE SEGUNDO ORDEN_________
F2=m(W^2)rlamdacos(2a)biela de longitud infinita
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
86
F2=m(W^2)r(cos(a)+lamdacos(2a))biela de longitud finita
y=010720
subplot(224)
plot(yF1r-yF2b-)
ylabel(Fuerzas Alternativos (N))
xlabel(GRADOS)
legend(Fza Inercia 1deg Orden Fza Inercia 2deg Orden)
grid on
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
87
ANEXO V
ANAacuteLISIS DE LA FUERZA EN LA BIELA
Programa para determinar la fuerza durante el movimiento alternativo del pistoacuten
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA LA FUERZA EN LA
BIELA ES
Diagrama Par-Motor
function[F]=Fbexplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00432
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
88
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Fb=F(1-(lambda^2)(sin(alphar))^2)^05
plot(alphaFb)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Fuerza en la Biela N))
title(Fb Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
89
ANEXO VI
DIAGRAMA PAR-MOTOR
Programa para determinar el par-motor durante el movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
90
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL PAR-MOTOR ES
Diagrama Par-Motor
function[Mt1]=ParMotorExplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00437
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Mt1=Fr(sin(alphar))+(((lambdasin(alphar)))cos(alphar))(sqrt(1-
lambda^2((sin(alphar))^2)))
plot(alphaMt1)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Par Motor(Nm))
title(Par Motor Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
91
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
92
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VI
IacuteNDICE DE FIGURAS
Figura 1Estado del arte 9
Figura 2 Motor eleacutectrico 11
Figura3 Motor hiacutebrido 12
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas) 13
Figura 5 Motor de combustioacuten interna 14
Figura 6Biela 17
Figura 7 Partes de la biela 18
Figura8 Pistoacuten 19
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela 20
Figura 10Ciguentildeal 21
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal 22
Figura 12Cojinetes 22
Figura 13Cojinetes de friccioacuten 24
Figura 14Cojinetes de rodamiento 24
Figura 15Motor de cuatro tiempos 25
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos 26
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa 27
Figura18 Sistema de encendido 29
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo 36
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna 43
Figura 21VW Golf 44
Figura 22 Nomenclatura 45
Figura 23 Desplazamiento 46
Figura 24Velocidad del pistoacuten 47
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten 47
Figura 26Fuerzas alternativas 48
Figura 27 Fuerzas en la biela 49
Figura 28Diagrama par-motor 49
Figura 29Par-motor de explosioacuten 50
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen 51
Figura 31 Eficiencia teacutermica 53
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor 55
Figura 33Modelo de malla 66
Figura 34Distribucioacuten de temperatura 67
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural 67
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela 68
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela 68
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela 69
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VII
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Conceptualizacioacuten de variable 39
Tabla 2 Caracteriacutesticas del motor 40
Tabla 3 Porcentaje de composicioacuten quiacutemica del acero usado 41
Tabla 4 Tratamiento teacutermico y propiedades mecaacutenicas 41
Tabla 5 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica 56
Tabla 6 Valores de entalpiacutea para mezcla pobre 57
Tabla 7 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica 57
Tabla 8 Valores de entalpiacutea para mezcla rica 58
Tabla 9 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla teoacuterica real 60
Tabla 10 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica real 61
Tabla 11 entalpia de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla pobre real 62
Tabla 12 Valores de entalpiacuteas para mezcla pobre real 62
Tabla 13 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica real 64
Tabla 14 Valores de entalpiacuteas para mezcla rica real 64
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VIII
RESUMEN
Esta investigacioacuten es de tipo y alcance exploratorio descriptivo correlacional y explicativo con un
enfoque mecaacutenico y cuantitativo Que tiene la finalidad de identificar las fallas en una biela que es
una parte moacutevil de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido
por chispa (ECH) accionado con octano Mediante el anaacutelisis del comportamiento teacutermico y
estructural del objeto de estudio de esta investigacioacuten con base en los tres posibles diagramas para
mezclas de aire combustible estequiomeacutetrica rica y pobre y mediante el anaacutelisis de transferencia
de calor por conveccioacuten se determina el coeficiente correspondiente para cuando la biela es
sometida a sobrecalentamiento Subsecuentemente se realizaron los anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico
con base caracteriacutesticas del motor VW Golf MK4 Gti 18T utilizando el software de MATLAB
Posteriormente se generoacute la geometriacutea de la biela con dimensiones reales en el software
SOLIDWORKS por uacuteltimo se simulo el comportamiento y reaccioacuten la biela tanto para un flujo
teacutermico transitorio como estructural en ANSYS Los resultados obtenidos muestran que los
esfuerzos y deformaciones en la biela en comparacioacuten con los liacutemites de cedencia del material se
encuentran dentro de los liacutemites permisibles ademaacutes de la identificacioacuten de los puntos vulnerables
a una posible falla o fractura
Palabras clave biela motor de combustioacuten interna sobrecalentamiento termo-estaacutetico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IX
ABSTRACT
This research is of type and scope exploratory descriptive correlational and explanatory with
a mechanical and quantitative approach Which has the purpose of identifying the faults in a
connecting rod that is a moving part of a four-stroke internal combustion engine and four cylinders
ignition by spark powered by octane When analyzing the thermal and structural behavior of the
object of study of this research based on the three possible diagrams for combustible air mixtures
stoichiometric rich and poor and by analysis of heat transfer by convection the corresponding
coefficient is determined for when the connecting rod is subjected to overheating Subsequently
kinetic and kinematic analyzes were performed based on the characteristics of the VW Golf MK4
Gti 18T engine using the MATLAB software Following the geometry of the connecting rod with
real dimensions was generated in the SOLIDWORKS software Finally the behavior and reaction
of the connecting rod were simulated both for transient and structural thermal flow in ANSYS
The results obtained show that the efforts and the deformations in the connecting rod in
comparison with the performance limits of the material are within the permissible limits in
addition to the identification of the vulnerable points before a possible failure or fracture
Keywords connecting rod internal combustion engine overheating thermo-static
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
1
INTRODUCCIOacuteN
Los motores de combustioacuten interna son los maacutes usados en los automoacuteviles los cuales en
ocasiones presentan fallas mecaacutenicas tan diversas como la cantidad de componentes del motor
Diferentes autores han determinado dentro de la diversidad de problemas relacionados con la biela
del motor los siguientes la fatiga el pasador que conecta a la biela del pistoacuten el cual recibe una
gran cantidad de desgaste el motor revolucionado el agua que ingresa al cilindro del motor en el
momento de la chispa la cual puede ocasionar que la biela se doble y deformaciones de la biela por
sobrecalentamiento por ello es importante que el sistema de lubricacioacuten se encuentre en buen
estado Asociado a esto es importante que se verifique el tratamiento teacutermico de los ciguumlentildeales de
tal forma que se tenga una resistencia adecuada Que en caso de presentarse alguno de estos
problemas la reparacioacuten del motor implica no solo la reposicioacuten de la biela sino de todas las piezas
afectas e incluso el cambio o restitucioacuten completa del motor
1 Planteamiento del problema
Preferentemente cuando se realiza la reparacioacuten de un motor de auto se debe comprobar el
estado de todas las piezas moacuteviles y fijas antes de la realizacioacuten de un trabajo de verificacioacuten pero
en la mayoriacutea de ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa revisioacuten de su estado
Una biela es un elemento fundamental en el funcionamiento de un motor ya que trasforma la
energiacutea quiacutemica generada por la combustioacuten en una energiacutea cineacutetica siendo el enlace entre la
absorcioacuten de la energiacutea mecaacutenica por lo que la biela es el elemento maacutes tensionado de un motor
y su correcto disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes Por lo anterior la biela es robusta en su
disentildeo pero a la vez debe ser lo maacutes ligera posible para reducir la inercia y soportar los esfuerzos
mecaacutenicos a los que se encuentra sometida [1]
La biela soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del
ciguumlentildeal hacia arriba un trabajo realmente duro el que realiza la biela Se construye de acero
forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al material aguantar ese inmenso
trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta conseguir la forma de la biela
[2]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
2
Asociado a esto al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentan desgastes excesivos y prematuros los cuales pueden ocasionar una falla es por esto
importante considerar un buen sistema de lubricacioacuten durante el funcionamiento del motor La
temperatura en la caacutemara de combustioacuten debe ser superior a los 2000 degK siendo eacutesta una
temperatura instantaacutenea pues disminuye durante el tiempo de expansioacuten y escape de gases Es por
lo tanto necesario disipar el calor producido en la explosioacuten y si el sistema no funciona
correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como consecuencia
deformaciones importantes por sobrecalentamiento [3]
Una biela arqueada o retorcida sobre su eje provoca un ruido en el motor y este arqueamiento es
ocasionado por un diaacutemetro excesivo en el pie o cabeza de la biela o por un peso inadecuado del
elemento [4] En la rectificacioacuten de un motor de combustioacuten interna se rectifican 21 brazos de biela
en un mes lo que significa que estos elementos no son cambiados ya que los brazos de biela estaacuten
disentildeados para tener una vida infinita y estaacute sometido a millones de repeticiones de ciclos de carga
[5]
Es pertinente mencionar que con relacioacuten a las fallas mecaacutenicas de los motores relacionadas a la
biela de un motor se han encontrado investigaciones realizadas en diversos paiacuteses como Ecuador
Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico las cuales se detallan en apartados posteriores Que
conjuntamente a la constante evolucioacuten tecnoloacutegica de la ingenieriacutea en general y el disentildeo
mecaacutenico en particular se decidioacute analizar cuaacuteles son los factores que influyen en el
comportamiento de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) Se
plantea entonces el siguiente problema de investigacioacuten
iquestCuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor de VW1 Golf MK4 Gti
18 T
1 Propoacutesito de la investigacioacuten
El propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar y analizar el comportamiento
termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) que
1 VW Agencia de Autos VolksWagen
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
3
es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico La finalidad es identificar las
fallas de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros
encendido por chispa accionado por gasolina que sirva de apoyo para el buen funcionamiento de
la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten
Frecuentemente la reparacioacuten de un auto depende del cuidado y buen mantenimiento que se deacute
al vehiacuteculo caso contrario esto va influir en el desgaste anticipado de los elementos fijos y moacuteviles
de un motor Ademaacutes en muchas ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa
revisioacuten de su estado o de un anaacutelisis de sus propiedades mecaacutenicas Por tales razones la
justificacioacuten de la presente investigacioacuten estaacute basado en diferentes aspectos los cuales se describen
a continuacioacuten
Conveniencia Reparar el motor tiene varias fases y las fallas tienen diferentes consecuencias
por lo cual hay que hacer un buen diagnoacutestico en cada una de sus piezas principalmente en las
bielas sin embargo no se conoce especiacuteficamente cuales son los problemas que origina la
falla de esta pieza El resultado esperado para la presente investigacioacuten seraacute realizar un anaacutelisis
termo-estaacutetico que permitiraacute identificar los esfuerzos y deformaciones para tomar decisiones
acertadas y precauciones de riesgo que puede generar el sobrecalentamiento del motor
Implicacioacuten praacutectica El analizar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un
motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa
permitiraacute determinar la fuerza axial para posteriormente identificar la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica Con estos datos junto con la simulacioacuten de la geometriacutea estaacutetica y
estructural de la biela permitiraacuten identificar posibles deformaciones Los resultados podraacuten
confirmar su aplicabilidad ya que ayudaraacuten a tomar precauciones importantes para que el
motor tenga un excelente funcionamiento evitando riesgos fatales que pueden extenderse a la
destruccioacuten total del motor Se evidenciaraacute la necesidad de maacutes investigaciones destacaacutendose
los beneficios de la simulacioacuten poniendo en evidencia su relevancia social y su practicidad
Finalmente este estudio participa en el avance positivo en el campo de la ingenieriacutea mecaacutenica
Relevancia Social Al tener una posible solucioacuten aproximada mediante el anaacutelisis del
elemento finito el anaacutelisis estructural de la fuerza sobre la biela y la realizacioacuten de la
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
4
simulacioacuten para esfuerzos y deformaciones se podraacuten tener productos de calidad a menor
costo mejorar los procesos existentes y tambieacuten estudiar fallos de un componente estructural
o un equipo teniendo un impacto positivo debido a que permitiraacute que el motor de combustioacuten
interna tenga menos dantildeos
Valor Teoacuterico La elaboracioacuten del trabajo de investigacioacuten traeraacute como beneficio
herramientas metodoloacutegicas para estudios relacionados con las ciencias exactas
contribuyendo con aportes significativos a la aplicacioacuten de la teoriacutea de motores de combustioacuten
interna lo que permitiraacute el enriquecimiento de la ingenieriacutea mecaacutenica
3 Objetivos
31 Objetivo general
Analizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor VW Golf MK4
Gti 18T
32 Objetivos especiacuteficos
Identificar el comportamiento termo - estaacutetico de la biela en un motor de combustioacuten interna
de 4 tiempos y 4 cilindros encendido por chispa
Determinacioacuten de la fuerza axial que actuacutea en una biela en un motor VW Golf MK4 Gti 18T
Obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiomeacutetrica
Identificar posibles deformaciones de la biela con base en la simulacioacuten de su geometriacutea
estaacutetica y estructural
Elaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de un motor VW Golf MK4 Gti 18T
4 Alcances
La investigacioacuten se realizoacute en una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos
y cuatro cilindros encendido por chispa
Se trabajaron las etapas de anaacutelisis termo - estaacutetico y determinacioacuten de la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica dentro de la caacutemara del cilindro
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
5
Para la realizacioacuten de estas etapas se utilizoacute el software SolidWorks para generar la geometriacutea
real de la biela Se utilizoacute asiacute mismo ANSYS para la simulacioacuten estaacutetica estructural para
identificar esfuerzos y deformaciones de la biela
5 Organizacioacuten del estudio
El desarrollo de esta investigacioacuten comprende cinco capiacutetulos los cuales se describen a
continuacioacuten
Capiacutetulo 1 Estado del Arte la descripcioacuten de las investigaciones relacioacuten a las fallas
mecaacutenicas de los motores relacionadas a la biela de un motor relacionadas en diversos paiacuteses
como Ecuador Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico
Capiacutetulo 2 Marco Teoacuterico se desarrolla inicialmente el marco conceptual sobre las bielas los
componentes de las bielas anaacutelisis estaacutetico y teacutermico motor de combustioacuten haciendo eacutenfasis en
el disentildeo mecaacutenico de una biela
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea se abordan los aspectos metodoloacutegicos de la investigacioacuten como son
enfoque alcance formulacioacuten de hipoacutetesis disentildeo seleccioacuten de la muestra recoleccioacuten de datos
y el procesamiento y anaacutelisis de datos
Capiacutetulo 4 Anaacutelisis e interpretacioacuten de Resultados se analizan e interpretan los resultados
obtenidos en las pruebas de simulacioacuten
Capiacutetulo 5 Conclusiones y Recomendaciones se presentan las conclusiones
recomendaciones y aportaciones de la experiencia adquirida durante la investigacioacuten realizada
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
6
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE
Como ya se mencionoacute anteriormente el propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar
y analizar el comportamiento termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa (ECH) que es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico
Y con la finalidad de identificar las fallas de la biela y que estos resultados sirvan de apoyo para el
buen funcionamiento de la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
Resultado de la buacutesqueda sobre las investigaciones relacionadas con el propoacutesito de esta
investigacioacuten Se encontroacute que en Ecuador Reyes Cantildeizares y Villacres [6] realizaron un estudio
el cual consistioacute en analizar un brazo de biela de un motor que ha alcanzado el kilometraje
necesario para una reparacioacuten y no presenta ninguna falla en su estructura y comparar los
resultados con el brazo de una biela nueva Para desarrollar este anaacutelisis realizaron un ensayo de
traccioacuten bajo la norma ASTM con el fin de obtener los valores del liacutemite de fluencia y la resistencia
a la traccioacuten del material del que estaacute hecho el elemento A partir de los resultados obtenidos los
valores praacutecticos de las propiedades mecaacutenicas de los brazos de biela cumplen con los datos
teoacutericos del tipo de material del cual estaacuten fabricadas A su vez se demostroacute que el brazo de biela
de un vehiacuteculo con un recorrido de 1197599 km mejoroacute su estructura y sus propiedades
mecaacutenicas debido a la temperatura de los ciclos de trabajo del motor que van entre los 800 y 950
degC Los resultados mostraron que las propiedades mecaacutenicas del elemento mejoraron con el tiempo
y con la temperatura de funcionamiento del motor debido al tratamiento teacutermico de normalizacioacuten
A partir de los anaacutelisis realizados se determinoacute que el brazo de biela usado se encuentra en
condiciones oacuteptimas para ser utilizado en una reparacioacuten de motor asegurando asiacute el adecuado
funcionamiento y evitando el reemplazo del elemento lo que dio como resultado un ahorro
econoacutemico
Estudios elaborados en Brasil por Valdeacutez et al [7] indican que los motores de combustioacuten
interna son los maacutes usuales en los automoacuteviles y sirven para producir fuerza Entre los problemas
que se han encontrado son las fallas de las bielas relacionadas con otras fallas y especiacuteficamente
de los ciguumlentildeales los cuales fueron analizados dando un incorrecto rectificado de los muntildeones
produciendo alta generacioacuten de calor sobre las superficies en contacto originando pequentildeas fisuras
por fatiga teacutermica El valor de dureza promedio obtenido del nuacutecleo del ciguumlentildeal fue de 26 puntos
en la escala Rockwell C que equivale aproximadamente a 255 puntos en la escala Brinell y a una
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
7
resistencia de 85 kgmm2 Se concluye que el tratamiento teacutermico de bonificado realizado sobre el
ciguumlentildeal se desarrolloacute fuera de las normas obtenieacutendose una resistencia menor al liacutemite miacutenimo
recomendado De los resultados del anaacutelisis metalograacutefico se pudo identificar la presencia de
austenita retenida cuya proporcioacuten afecta inversamente la dureza y la resistencia final En los
resultados que se obtuvieron los autores mencionan que es necesario realizar un tratamiento
teacutermico de endurecimiento superficial como la nitruracioacuten Tambieacuten recomiendan estudiar la
bitaacutecora del tratamiento teacutermico utilizado en la produccioacuten del ciguumlentildeal con el fin de identificar
la etapa del tratamiento teacutermico que presenta el problema [8]
De igual forma indagaciones elaboradas en Argentina por Cravino et Al [9] mencionan que
existen diversos problemas cuando llegan a tener fallas las bielas de un motor por lo que los
autores mencionan que analizaron las dificultades desde el punto de vista dimensional metaluacutergico
y mecaacutenico a fin de determinar las causas probables de dichas fallas Seguacuten los resultados
obtenidos el material de la biela corresponde a un acero del tipo SAE 1141 que no concuerda con
el requerido por el fabricante No se encontraron defectos microestructurales o superficiales en el
material asociados con la falla La superficie de fractura presenta un comienzo deacutebil que finaliza
con las caracteriacutesticas fibrosas de un proceso duacutectil La causa probable de la falla del componente
se atribuye a una sobrecarga que produjo superacioacuten en el liacutemite elaacutestico del material y que
posteriormente dio lugar al pandeo plaacutestico del componente variando su geometriacutea y
fracturaacutendose totalmente Esta falla se debioacute a que el elemento estuvo sometido a un esfuerzo
mayor al que corresponderiacutea en condiciones normales de funcionamiento
Estudios realizados en Espantildea por Gonzaacutelez [10] mencionan que la naturaleza de las fuerzas que
afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de inercia En la
investigacioacuten sobre el disentildeo de una biela el autor utilizoacute el software de aplicacioacuten Working Model
que ayudoacute para el anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico mediante la simulacioacuten La finalidad fue calcular
las fuerzas aplicadas en la cabeza y el pie de la biela para posteriormente hacer un anaacutelisis de
elementos finitos que definieran los esfuerzos En los resultados obtenidos se logroacute disminuir la
longitud de la biela la cual permitioacute compactar maacutes el motor y reducir su peso De esta forma el
consumo y las emisiones del motor seraacuten menores que es uno de los grandes objetivos actualmente
de la industria automoviliacutestica Al realizar la simulacioacuten para el pandeo de la biela se aplicoacute un
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
8
valor de α2=2 obteniendo una carga criacutetica de pandeo de 3799522 N por lo que la carga para
evitar el fenoacutemeno de pandeo es σpandeo3 = 15663 MPa Con estos datos el autor afirma que la
biela no va a sufrir pandeo en ninguacuten caso considerando ademaacutes que el cuerpo estaacute
sobredimensionado
Aunado a lo anterior investigaciones realizadas en Meacutexico por Espinoza indican que las fallas
de los autos se deben al kilometraje recorrido de los cuales causan desgastes inevitables para el
motor provocando todo tipo de fallas incluyendo los de las bielas Los propietarios de los
vehiacuteculos necesitan por lo tanto recurrir a expertos que reparen los vehiacuteculos y garanticen su
funcionamiento [11] En el Estado de Meacutexico en especial en la zona de Texcoco se cuenta con
talleres que se encargan de la reparacioacuten de vehiacuteculos en general Eacutestos aun cuando ofrecen el
servicio de reparacioacuten de motores no trabajan directamente con este tipo de especiacutefico de
reparacioacuten sino que acuden a talleres especializados en rectificacioacuten para remediar los dantildeos
internos en los mismos Muchas veces no se dedican a la reparacioacuten de fallas de bielas debido a
que existen muchos factores que influyen en este tipo de descompostura En los motores la
principal fuente de energiacutea es la gasolina que es el combustible empleado con mayor frecuencia
por lo tanto es importante la calidad de ella para el oacuteptimo funcionamiento [12]
De igual forma Riesco et al [13] en estudios realizados en Hidalgo para comparar los modelos
de transferencia de calor y duracioacuten de la combustioacuten en el comportamiento de los ciclos
termodinaacutemicos de los motores de combustioacuten interna alternativos Dentro de los resultados
obtenidos los autores mencionan que los ciclos de aire estaacutendar con leyes de quemado permiten
tener resultados maacutes aproximados a los reales que los ciclos teoacutericos de aire estaacutendar Esto se debe
principalmente a que con los meacutetodos de simulacioacuten se toman en cuenta las peacuterdidas de energiacutea
por refrigeracioacuten y no se supone que la adicioacuten de calor se realice a presioacuten o volumen constante
sino que su velocidad se controla mediante expresiones empiacutericas Los resultados muestran que la
eleccioacuten tanto del modelo de transferencia de calor como el de la duracioacuten de la combustioacuten es
muy subjetiva y debido a que los sistemas de los motores se cambian contantemente se deberaacuten
ajustar las constantes que aparecen en dichos modelos para cada motor en particular
2 Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente a PMS 3 Inestabilidad elaacutestica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos y que se manifiesta por la aparicioacuten de
desplazamientos importantes transversales a la direccioacuten principal e compresioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
9
Figura 1Estado del arte
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
10
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
Un auto estaacute compuesto por diferentes piezas entre las cuales se encuentran filtro de aire
carburador distribuidor bomba de gasolina bobina de encendido filtro de aceite bomba de aceite
caacuterter aceite lubricante toma de aceite cables de alta tensioacuten de bujiacuteas bujiacutea balanciacuten muelle de
vaacutelvula vaacutelvula de escape vaacutelvula de admisioacuten lumbrera de admisioacuten caacutemara de combustioacuten
varilla empujadora aacuterbol de levas aros de pistoacuten pistoacuten biela buloacuten ciguumlentildeal muacuteltiple de escape
refrigeracioacuten del motor varilla medidora de aceite volante y motor de arranque
21 Conceptualizacioacuten del motor
La palabra motor proviene del latiacuten motoris que significa mover y en lo que se refiere a
automoacuteviles estos se encuentran disentildeados por varios elementos entre los cuales se encuentran los
motores el cual da vida a un auto sin eacutel no hay movimiento Un automoacutevil utiliza una fuente de
energiacutea mecaacutenica para poder moverse la cual se obtiene mediante una transformacioacuten de otros tipos
de energiacutea dentro del motor como la eleacutectrica de combustioacuten o la combinacioacuten de ambas
Seguacuten Renzo [14] el motor de un auto es un motor de combustioacuten interna el cual obtiene energiacutea
mecaacutenica desde la energiacutea quiacutemica que se genera cuando explota el combustible en el interior El
motor estaacute formado por un conjunto de caacutemaras de combustioacuten llamadas cilindros dentro de las
cuales se producen sus cuatro tiempos de funcionamiento admisioacuten compresioacuten explosioacuten y
escape
Para Fersainz [15] un motor es una maacutequina que convierte el calor producido por la explosioacuten
(en el caso de los de gasolina) o la combustioacuten (en el caso de dieacutesel) del combustible en un
movimiento con suficiente fuerza para que las ruedas giren y el vehiacuteculo pueda desplazarse El
autor menciona que en los motores convencionales los autos se ponen en movimiento debido a
una chispa que se genera en la mezcla de vapor de combustible y aire comprimido dentro de un
cilindro sellado haciendo que la mezcla se queme raacutepidamente y proporciona energiacutea
Se puede concluir que un motor es una maacutequina compuesta por varios elementos el cual puede
proporcionar energiacutea utilizando alguacuten tipo de combustible para que tenga un funcionamiento
adecuado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
11
22 Clasificacioacuten de motores
Existen diferentes tipos de motores entre los cuales se encuentran los eleacutectricos los teacutermicos
eacutestos se subdividen en motores de combustioacuten externa e interna y los hiacutebridos Los cuales se
describen a continuacioacuten
221 Motores eleacutectricos
En este tipo de autos el combustible utilizado es la electricidad Eacutesta se convierte en energiacutea
mecaacutenica mediante una interaccioacuten entre campos magneacuteticos opuestos generados por imanes y un
conductor de electricidad Debido a una constante atraccioacuten y repulsioacuten magneacutetica entre ellos se
produce una rotacioacuten continua dentro del motor generando energiacutea necesaria para el movimiento
del vehiacuteculo [16] La figura 2 muestra un motor eleacutectrico
Para Enriquez [17] los motores eleacutectricos representan los caballos de batalla de la industria y
del movimiento en general Su uso se da ademaacutes en hospitales escuelas edificios de oficinas y
centros comerciales en donde se usan para aplicaciones en suministro de agua calefaccioacuten
enfriamiento y muchas otras rutinas de trabajo Estos motores son usados en los automoacuteviles
modernos aunque son maacutes complejos que el simple cableado eleacutectrico y se usan en casi todos los
aspectos operativos del automoacutevil [18]
Un motor eleacutectrico transforma la energiacutea eleacutectrica en energiacutea mecaacutenica para impulsar el
funcionamiento de una maacutequina [19]
Figura 2 Motor eleacutectrico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
12
Se puede concluir que un motor eleacutectrico es una maacutequina que tiene la capacidad de transformar
energiacutea eleacutectrica en mecaacutenica de tal forma que permita el movimiento de un vehiacuteculo Su tamantildeo
y su volumen es reducido y su potencia puede ser alta
222 Motores teacutermicos
Los motores teacutermicos son maacutequinas que tienen por objeto transformar energiacutea caloriacutefica en
energiacutea mecaacutenica directamente utilizable [20] Eacutestos se clasifican en motores de combustioacuten
externa y motores de combustioacuten interna los cuales se describen en las secciones 224 y 23
respectivamente
223 Motores hiacutebridos
Un sistema hiacutebrido se basa en una fuente de combustioacuten interna de gasolina combinado con un
motor eleacutectrico para propulsar el vehiacuteculo tal como se visualiza en la figura 3
Este tipo de motor reduce las emisiones y aumenta la eficiencia de combustible Los vehiacuteculos
hiacutebridos utilizan la energiacutea mucho maacutes eficientemente que los sistemas de gasolina convencionales
[19] Se denomina motor hiacutebrido a un vehiacuteculo en el cual la energiacutea eleacutectrica que lo impulsa
proviene de bateriacuteas y de un motor de combustioacuten interna que mueve un generador Entre sus
ventajas se encuentran 1) su autonomiacutea ya que eacutesta depende del combustible almacenado en el
tanque 2) tiene un alto y uniforme rendimiento incluso a bajas temperaturas 3) el motor de
combustioacuten interna funciona bajo un estrecho margen de carga y velocidad lo que incrementa su
eficiencia [21]
Figura3 Motor hiacutebrido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
13
Para Chang [22] un motor hiacutebrido es aquel que combina un motor de combustioacuten interna y un
motor eleacutectrico los cuales tienen una mayor eficiencia energeacutetica y esto se debe a que este tipo de
motores son maacutes pequentildeos y por lo tanto consumen poca energiacutea
Por lo expuesto anteriormente se puede decir que un motor hiacutebrido es aquel que tiene una
combinacioacuten de un motor de combustioacuten interna y un motor eleacutectrico Esta combinacioacuten optimiza
su funcionamiento para un mejor rendimiento
224 Motores de combustioacuten externa
En la figura 4 se muestra un ejemplo de motor de combustioacuten externa Al igual que los motores
de combustioacuten interna son motores teacutermicos en los cuales el motor alcanza un estado teacutermico
mayor mediante la transmisioacuten de energiacutea teacutermica [23]
Su principal funcioacuten es hacer trabajo mecaacutenico a expensas de la expansioacuten y contraccioacuten de un
gas en un recinto cerrado El motor cuenta con un desplazador que hace que el gas pase de la zona
friacutea a la zona caliente y luego a la zona friacutea nuevamente producieacutendose consecuentemente su
tendencia a la expansioacuten y su posterior contraccioacuten [24]
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
14
Los motores de combustioacuten externa seguacuten Meza [24] son maacutequinas que realizan una conversioacuten
de energiacutea caloriacutefica en energiacutea mecaacutenica El rendimiento teacutermico de estos los motores se ve
limitado por varios factores principalmente por la peacuterdida de energiacutea por la friccioacuten y la
refrigeracioacuten
23 Motores de combustioacuten interna
Un motor de combustioacuten interna es un motor teacutermico en el cual se produce una combustioacuten del
fluido del motor transformando la energiacutea quiacutemica en teacutermica a partir de la cual se obtiene energiacutea
mecaacutenica Un ejemplo de este tipo de motor se aprecia en la figura 5
Estos motores tienen como principal fuente de energiacutea la gasolina Eacuteste es el combustible
empleado con mayor frecuencia por lo que es importante su calidad para un oacuteptimo
funcionamiento Un buen combustible debe tener un octanage aceptable ya que la gasolina debe
explotar dentro del cilindro para generar el movimiento del pistoacuten [26]
Este tipo de motores transforma el calor generado por el combustible ya sea dieacutesel o gasolina
en movimiento mecaacutenico del automoacutevil Durante este proceso el oxiacutegeno del aire se mezcla con el
combustible y hace que este uacuteltimo explote (en el caso de la gasolina) generando gases cuya fuerza
de expansioacuten teacutermica acciona sobre el pistoacuten que a su vez empuja el ciguumlentildeal y hace que eacuteste
ponga en movimiento las ruedas del automoacutevil [28]
Figura 5 Motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
15
Seguacuten Creus [29] un motor de combustioacuten interna utiliza la energiacutea interna del combustible para
que el motor realice un trabajo Dichos motores son ampliamente utilizados como fuentes de
alimentacioacuten en lugares de difiacutecil acceso Sin embargo los motores de combustioacuten interna de
dieacutesel tienen un rango de fallo por cada antildeo de explotacioacuten de entre 25 a 50
Se conoce como motores de combustioacuten interna (o endoteacutermicos) alternativos a cualquier tipo de
maacutequinas que a partir de energiacutea quiacutemica sean capaces de convertirla y obtener energiacutea mecaacutenica
para su uso El arranque de los motores se lleva a cabo en su caacutemara interna y sucede al momento
de ser encendido [20]
El motor de combustioacuten interna es la unidad energeacutetica y motriz de los medios de transporte
maacutequinas y equipos que se utilizan en actividades de diversas ramas de la economiacutea [30]
Se puede decir que un motor de combustioacuten interna es aquel que es capaz de convertir la energiacutea
quiacutemica en mecaacutenica para que se pueda utilizar de manera oacuteptima
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna
La clasificacioacuten de los motores puede ser extensa esto debido al disentildeo y mecanismos
mecaacutenicos A continuacioacuten se describen algunas clasificaciones
Respecto a la forma de los cilindros Su distribucioacuten puede ser en ldquoVrdquo o ldquoen liacuteneardquo esto
depende de la cantidad de cilindros existentes los cuales van en funcioacuten de la potencia del
motor Normalmente los motores de automoacuteviles son de 4 o 6 cilindros distribuidos en ldquoVrdquo
Referente a la forma de refrigeracioacuten Pueden ser refrigerados por liacutequido que normalmente
es agua donde el calor es evacuado al radiador del auto Tambieacuten pueden ser refrigerados por
aire donde se necesita de un ventilador que ayude a circular el aire alrededor del motor
Concerniente a las caras de los pistones Los motores convencionales utilizan una cara activa
de los pistones que se conocen como pistones de simple efecto Son aquellos que se
encuentran en contacto con el fluido activo y recibe el impacto de la energiacutea quiacutemica De igual
forma existen motores que utilizan los pistones de doble efecto los cuales funcionan en dos
direcciones y usan dos cilindros con dos pistones y dos bielas conectados a su respectivo
ciguumlentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
16
Respecto a la presioacuten del aire a la caacutemara de combustioacuten En las maacutequinas convencionales
el aire de la atmoacutesfera entra directamente a la caacutemara y la presioacuten es la atmosfeacuterica Dichos
motores usan un comprensor que se encargan de comprimir el fluido antes de conducirlo al
interior del motor
Referente a la introduccioacuten de combustible a la caacutemara interna Se clasifican en motores
de inyeccioacuten y carburacioacuten en estos uacuteltimos se mezclan los fluidos operantes para
posteriormente introducirlo a la caacutemara por medio de una vaacutelvula reguladora
Concerniente al ciclo operativo Se refiere a la cantidad de operaciones que el fluido activo
ejecuta en el cilindro La duracioacuten del ciclo la mide el pistoacuten
Respecto al tipo de encendido Esta clasificacioacuten radica en el modo de encendido con el ciclo
termodinaacutemico con el que opera la maacutequina [28]
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna
Los elementos de un motor de combustioacuten interna son biela pistoacuten y ciguumlentildeal los cuales se
describen en los siguientes apartados
24 Conceptualizacioacuten de la biela
La biela es el elemento del motor encargado de transmitir al ciguumlentildeal la presioacuten de los gases que
actuacutea sobre el pistoacuten Es un elemento de difiacutecil lubricacioacuten y es una parte criacutetica del motor por lo
que su disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes [31] Por lo general las bielas se fabrican de acero
templado aunque en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio
[32] tal como se muestra en la figura 6
Para Morillo Ibaquingo amp Benavides [33] una biela es un elemento mecaacutenico que conecta el
pistoacuten al ciguumlentildeal Sirve ademaacutes para transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
transformando esta fuerza de lineal a rotativa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
17
Figura 6Biela
Para Alzalluacute [34] por o tro lado la biela se encuentra intercalada entre el pistoacuten y el ciguumlentildeal
Soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del ciguumlentildeal hacia
arriba Se construyen de acero forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al
material aguantar ese inmenso trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta
conseguir la forma de la biela Su cuerpo adopta una forma de ldquodoble Trdquo
Las bielas estaacuten sometidas en su trabajo a esfuerzos de compresioacuten traccioacuten y tambieacuten de flexioacuten
muy grandes y por ello se fabrican con materiales resistentes pero a la vez han de ser lo maacutes
ligeros posibles Generalmente estaacuten fabricadas de acero con silicio manganeso y cromo Son
perforadas es decir se les crea un conducto por donde circula el aceite bajo presioacuten desde la
cabeza hasta el pasador con el fin de lograr una buena lubricacioacuten [27]
241 Elementos de una biela
En la figura 7 como puede apreciarse estaacute conformada por el pie que es el extremo que va
unido al buloacuten que a su vez va enganchado en el ciguumlentildeal Este es el extremo maacutes pequentildeo de la
biela El Cuerpo es la zona central de la biela que debe soportar la mayor parte de los esfuerzos
pero al estar en continuo movimiento tambieacuten debe de ser ligero por ello se suele construir con
forma de doble T
La Cabeza igual que el Pie y Cuerpo es la parte que va unida al ciguumlentildeal A diferencia del pie la
cabeza va dividida en dos mitades una de ellas unida al cuerpo y la otra (sombrerete) separada de
eacuteste requirieacutendose dos tornillos para unirse a eacutel Estaacuten tambieacuten el casquillo o cojinete Tornillos
de dilatacioacuten y vaacutestago de biela Por lo general las bielas se fabrican de acero templado aunque
en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio [35]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
18
Figura 7 Partes de la biela
La biela es la pieza que estaacute encargada de transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela
Los metales de los que estaacuten hechas las bielas deben reunir diversas caracteriacutesticas las cuales se
describen a continuacioacuten
Resistencia a la fatiga La firmeza que recubre a la biela debe ser mayor que la presioacuten de la
carga dinaacutemica en la peliacutecula del aceite mayor de las cargas de explosiones en la caacutemara de
combustioacuten y mayor que las cargas por inercia de las masas rotantes
Conformidad El casquillo del metal de la biela debe tener la geometriacutea exacta para mantener
el aceite en un nivel consistente con la resistencia a la fatiga de la aleacioacuten
Compatibilidad Es la resistencia que tiene el material de las diferentes aacutereas de unioacuten
Resistencia a la corrosioacuten El lubricante debe tener un determinado grado de acidez que
corroeraacute la superficie del material por lo que el metal de la biela debe ser capaz de resistir lo
mejor posible este efecto
Incrustabilidad En el aceite de los motores se encuentran partiacuteculas de basura que la
superficie del metal de la biela debe ser capaz de aceptar con el menor dantildeo posible [36]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
19
243 Fallas en las bielas del motor
Existen diferentes circunstancias por las que puede fallar una biela en un motor entre las cuales se
encuentran
Fatiga Es una falla de las bielas rotas y aunque la estructura de las bielas de motor estaacute hecha
para resistir las altas fatigas producto de las altas revoluciones en el motor esto no duraraacute para
siempre
Pasador El pasador que conecta la biela al pistoacuten recibe una gran cantidad de desgaste Si
este pasador suelta la varilla de conexioacuten ya no estaraacute conectada al motor lo que resulta en un
problema para eacutel
Motor revolucionado Un motor revolucionado es la principal causa de falla de las varillas
de conexioacuten de los motores nuevos y de alto rendimiento
Agua en el motor Si entra mucha agua en el cilindro en el momento de la chispa la biela se
puede doblar o romper [37]
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten
El pistoacuten es el encargado de darle la fuerza generada por la explosioacuten a la biela para que ella
haga el resto y debido a los esfuerzos tanto de friccioacuten como de calor a los que estaacute sometido el
pistoacuten se fabrica con materiales muy resistentes al calor y al esfuerzo fiacutesico pero siempre
empleando materiales ligeros para aumentar su velocidad faacutecilmente y poder alcanzar regiacutemenes
de rotacioacuten elevados [38] Los pistones se fabrican de aluminio silicio niacutequel y magnesio [39] un
ejemplo de pistoacuten se muestra en la figura 8
Figura8 Pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
20
Seguacuten Gontildei amp Rojas [40] se denomina pistoacuten a uno de los elementos baacutesicos del motor de
combustioacuten interna Se trata de una pieza que se ajusta al interior de las paredes del cilindro
mediante aros flexibles llamados anillos Efectuacutea movimientos obligando al fluido que ocupa el
cilindro a modificar su presioacuten y volumen
Un pistoacuten estaacute constituido por partes cabeza arcos y cubos del perno La funcioacuten del pistoacuten es
cerrar y obturar la caacutemara de combustioacuten interna asiacute como recibir la fuerza causa en la combustioacuten
a traveacutes de la biela y transmitirla al ciguumlentildeal como fuerza de torsioacuten tambieacuten transmite el calor
producido por los gases de combustioacuten hacia las paredes del cilindro para que sean refrigeradas por
el lubricante El pistoacuten se desplaza raacutepidamente por el interior de los cilindros el cual tiene
segmentos los cuales consiguen la estanquidad necesaria entre el pistoacuten y las paredes del cilindro
De este modo se evita que parte del gas comprimido se escape hacia la parte inferior del motor Por
ese motivo el pistoacuten debe estar fabricado de un material ligero y resistente a la vez Atravesando el
pistoacuten se observa un orificio pasante A traveacutes de este orificio el pistoacuten se une a la biela por
mediacioacuten de un buloacuten de acero [41]
El pie de la biela es el que la une al pistoacuten por medio del buloacuten el cuerpo por su parte asegura la
rigidez de la pieza y la cabeza gira sobre el codo del ciguumlentildeal como puede apreciarse en la figura
9
Los pistones del motor mantienen un movimiento constante hacia arriba y hacia abajo mientras
que el ciguumlentildeal genera un movimiento circular de modo que el auto puede avanzar Los pistones
de un motor se mueven arriba y abajo por el ciguumlentildeal dentro de los cilindros en el motor Las
explosiones que ocurren en estos cilindros de empuje contra los pistones permiten llevarlos de
vuelta y comenzar el ciclo otra vez Los pistones estaacuten conectados al ciguumlentildeal para asegurar que se
mueva con ellos y mantener sus movimientos regulados [42]
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
21
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal
En la figura 10 se aprecia el ciguumlentildeal encargado de transformar el movimiento de la biela en
movimiento rotatorio o circular Junto con el pistoacuten y la biela se considera la pieza maacutes importante
del motor Es una pieza que ha de soportar grandes esfuerzos por eso se construye de materiales
muy resistentes para que puedan aguantar cualquier movimiento sin romperse
El ciguumlentildeal es un aacuterbol de transmisioacuten que junto con las bielas transforma el movimiento
alternativo en circular o viceversa Consiste en un conjunto de manivelas una de ellas llamada
muntildeequilla y dos brazos que acaban en el eje giratorio del ciguumlentildeal Los ciguumlentildeales se utilizan en
los motores de combustioacuten de los automoacuteviles donde el movimiento lineal de los pistones dentro
de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del ciguumlentildeal
que a su vez se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia El ciguumlentildeal
es un elemento estructural del motor [43]
Para Aacutelvarez [42] el ciguumlentildeal estaacute situado en el motor de un vehiacuteculo y convierte la fuerza creada
por los pistones del motor El ciguumlentildeal estaacute conectado a todos los pistones en el motor y el volante
En la figura 11 se puede observar la articulacioacuten de la biela el pistoacuten y el ciguumlentildeal donde el
movimiento es rotativo para su adecuado funcionamiento Estos tres elementos no pueden
funcionar en forma separada
Figura 10Ciguentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
22
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal
Debido a los impulsos provocados por los pistones se presentan diferentes vibraciones
determinadas por el nuacutemero de revoluciones las cuales pueden provocar la rotura del ciguumlentildeal y
ruido excesivo en el motor Su funcioacuten es impulsar la fuerza de cada uno de los cilindros a traveacutes
del mecanismo de las bielas Estaacuten fabricados con materiales de acero cementado templado y con
aleaciones de niacutequel y cromo Estos materiales permiten tener un tratamiento teacutermico
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes
Desde hace tiempo la ingenieriacutea automotriz se ha enfocado en el disentildeo y la fabricacioacuten de
superficies que permitan reducir la friccioacuten principalmente en los cojinetes [364546]
Los cojinetes son los encargados de unir la biela con el ciguumlentildeal para evitar que haya rozamiento
entre ellos y evitar peacuterdidas de potencia y averiacuteos Tienen forma de media luna tal como se aprecia
en la figura 12 y se colocan entre el ciguumlentildeal y la cabeza de las bielas Estos deben ser construidos
con gran precisioacuten pues cualquier mala elaboracioacuten puede impactar en el funcionamiento del
motor
Figura 12Cojinetes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
23
Seguacuten Suaacuterez [47] los cojinetes son punto de apoyo de ejes para sostener su peso guiarlos en su
rotacioacuten y evitar deslizamientos Van colocados directamente en el bastidor de la pieza y los
cojinetes trabajan en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal
De acuerdo con Suaacuterez Toro amp Veacutelez [48] los cojinetes son que piezas de metal que descansan
y giran en cualquier eje de un motor Son dispositivos que se colocan entre la porcioacuten fija y la
porcioacuten giratoria de un motor y sirven para reducir al miacutenimo la friccioacuten entre ambas Los cojinetes
se fabrican con pequentildeas esferas metaacutelicas sin embargo no garantizan una vida uacutetil extensa El
rendimiento de los cojinetes es afectado por las condiciones de velocidad materiales en contacto
temperatura lubricacioacuten tipo de carga entre otros
271 Clasificacioacuten de los cojinetes
Los cojinetes se clasifican por friccioacuten o deslizamiento y de rodamiento Eacutestos se explican a
continuacioacuten
Cojinetes de friccioacuten o deslizamiento El cojinete de friccioacuten estaacute compuesto por dos pistas
una interior y otra exterior Eacutestas tienen contacto directo por medio de deslizamiento o friccioacuten
La reduccioacuten del rozamiento se realiza seguacuten la seleccioacuten de materiales y lubricantes Los
lubricantes tienen la funcioacuten de crear una peliacutecula deslizante que separe los dos materiales o
evite el contacto directo Para Veacutelez [49] los cojinetes de friccioacuten son aquellas piezas que
entre mayor es la friccioacuten es maacutes difiacutecil el movimiento entre los dos objetos En el caso de
maacutequinas la friccioacuten ocasiona el desgaste de las piezas
Seguacuten Arias [50] los cojinetes de friccioacuten son puntos de apoyo de ejes y aacuterboles para sostener
su peso guiarlos en su rotacioacuten y evitar deslizamientos Van montados en soportes para
facilitar su montaje tal como se aprecia en la figura13 Mientras que para Espitia [51] es el
elemento mecaacutenico capaz de soportar los gorrones de los ejes giratorios que se caracteriza por
un reducido coeficiente de rozamiento asiacute como por la posibilidad de ser lubricado
constantemente Otra caracteriacutestica importante reside en el hecho de que el material del
cojinete debe ser maacutes blando que el eje para evitar el deterioro de eacuteste en el caso de una
lubricacioacuten defectuosa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
24
Figura 13Cojinetes de friccioacuten
Cojinetes de rodamiento Es un elemento mecaacutenico que reduce la friccioacuten entre un eje y las
piezas conectadas a eacuteste por medio de rodadura el cual sirve de apoyo y facilita su
desplazamiento Los elementos de rodadura pueden ser bolas o rodillos son piezas que
requieren facilitar la ejecucioacuten de rigurosos tratamientos teacutermicos para obtener piezas de gran
resistencia al desgaste y a la fatiga Se caracterizan por ser de escaso rozamiento sobre todo
en el arranque por tener mayor velocidad admisible y un menor consumo de lubricante Para
Meacuterida [52] los cojinetes de rodamiento son elementos mecaacutenicos que aseguran un enlace
moacutevil entre dos elementos de un mecanismo uno de los cuales se encuentra en rotacioacuten con
respecto al otro Su funcioacuten principal es la rotacioacuten relativa de dichos elementos bajo carga
con precisioacuten y con un rozamiento miacutenimo
Seguacuten Galicia [53] estos tipos de cojinetes estaacuten constituidos por dos anillos rodantes
separados entre siacute por unos cuerpos tambieacuten rodantes interpuestos entre eacutestos cuya forma
variacutea seguacuten su uso pudiendo ser de diferentes formas bolas rodillos ciliacutendricos agujas etc
En ellos el gorroacuten del aacuterbol y la superficie de rodadura del soporte estaacuten separados por
elementos rodantes de forma que con el giro del gorroacuten o del cojinete se genera un
movimiento de rodadura y no de deslizamiento tal como se muestra en la figura 14
Figura 14Cojinetes de rodamiento
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
25
Seguacuten Jaramillo [54] cerca de 40 de la energiacutea total transformada por un motor de combustioacuten
interna de un automoacutevil se disipa como trabajo de las fuerzas de friccioacuten La disminucioacuten de las
peacuterdidas por friccioacuten es un factor clave para lograr un mejor uso de los combustibles y la proteccioacuten
del medio ambiente El sistema anillo-pistoacuten-camisa responde por peacuterdidas equivalentes a 50 o
60 del total de las peacuterdidas por friccioacuten en un motor de estos
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos
En la figura 15 se puede observar la estructura baacutesica de un motor de cuatro tiempos el cuaacutel es
conocido por motor OTTO [55] Se usa como maacutequina motriz en automoacuteviles comerciales consta
de un ciclo de cuatro procesos los cuales se describen a continuacioacuten
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos
Como se mencionoacute anteriormente el ciclo consta de cuatro tiempos El primer tiempo
corresponde al de admisioacuten que es el momento que el pistoacuten estaacute en el punto maacutes alto conocido
como Punto Muerto Superior (PMS) Posteriormente la vaacutelvula de admisioacuten se abre y el propio
pistoacuten por el vaciacuteo que se crea dentro del cilindro aspira la mezcla (aire y combustible) hasta llegar
al punto maacutes bajo del cilindro del Punto Muerto Inferior (PMI)
El segundo tiempo se refiere a la compresioacuten donde el pistoacuten se encuentra en el punto maacutes bajo
(PMI) En este momento la vaacutelvula de admisioacuten se cierra y el pistoacuten empieza a ascender
comprimiendo la mezcla hasta llegar al punto maacutes alto del cilindro (PMS)
Figura 15Motor de cuatro tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
26
Respecto al tercer tiempo que concierne a la expansioacuten una vez que se ha comprimido la mezcla
la bujiacutea hace saltar una chispa y enciende la mezcla aumentando la presioacuten en el cilindro y
haciendo descender el pistoacuten hacia el punto maacutes bajo (PMI)
En el cuarto tiempo que corresponde al escape de gases es cuando el pistoacuten llega al punto maacutes
bajo (PMI) se abre la vaacutelvula de escape y el pistoacuten empieza a ascender empujando los gases
quemados hacia el exterior En el momento que llega al punto maacutes alto (PMS) la vaacutelvula de escape
se cierra En la figura 16 se muestra el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa basado en el ciclo Otto de cuatro tiempos o fases importantes admisioacuten
compresioacuten explosioacuten y escape [56]
Otto propuso cuatro principios del motor de cuatro tiempos que son maacuteximo volumen del
cilindro con miacutenima superficie de paredes maacutexima velocidad de trabajo posible maacutexima relacioacuten
de expansioacuten posible y maacutexima presioacuten posible al comienzo de la expansioacuten
En los motores de cuatro tiempos el pistoacuten sube y baja cuatro veces en el interior del cilindro
para realizar el ciclo completo La distribucioacuten se compone de vaacutelvulas que se abren y cierran
totalmente sincronizadas con el movimiento del pistoacuten Cuando el pistoacuten desciende el cilindro se
llena de aire y gasolina para lo cual la vaacutelvula de admisioacuten permanece abierta Posteriormente
despueacutes de producirse la explosioacuten en el interior del cilindro la vaacutelvula de escape se abre para que
los humos procedentes de la explosioacuten puedan salir hacia el tubo de escape del automoacutevil En este
tipo de motores se requiere de dos vaacutelvulas por cada cilindro
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
27
29 Sistema de encendido
El sistema de encendido es el encargado de encender la mezcla de aire y de combustible en el
momento que se requiera Para esta investigacioacuten el sistema de encendido es por inyeccioacuten directa
de gasolina o por chispa que son aquellos que inyectan la gasolina directamente dentro del cilindro
Este sistema permite un mayor control de la mezcla y por tanto del comportamiento del motor En
los motores de gasolina la mezcla se enciende gracias a la bujiacutea que proporciona una chispa lo
suficientemente potente como para comenzar la reaccioacuten El propio sistema de encendido tiene que
controlar el momento en el que la chispa ha de saltar para que se encienda la mezcla y sea lo maacutes
eficaz y factible posible La combustioacuten se realiza en el momento en que el pistoacuten estaacute en el punto
maacutes alto (PMS) de esta manera la mezcla se empieza a encender
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa
La caracteriacutestica principal de la inyeccioacuten directa de gasolina es que la mezcla se produce dentro
de la caacutemara de combustioacuten Durante la admisioacuten soacutelo entra aire por la (s) vaacutelvula (s) de admisioacuten
la gasolina es inyectada directamente en la caacutemara de combustioacuten por inyectores de alta presioacuten
[57] tal como se aprecia en la figura 17
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
28
292 Ventajas de la inyeccioacuten directa
Existen ventajas cuando se usa el encendido por chispa las cuales se describen a continuacioacuten
La gasolina se evapora directamente dentro del cilindro absorbiendo el calor del aire contenido
en eacuteste reduciendo la temperatura de la mezcla en la caacutemara de combustioacuten lo que disminuye
el riesgo de autoencendido e incrementa el rendimiento y la potencia
Ayuda a aumentar el rendimiento inyectando la gasolina directamente en el cilindro
Con respecto a la prevencioacuten del autoencendido la mayor contribucioacuten de la inyeccioacuten directa
de gasolina es cuando el motor trabaja en carga estratificada y por tanto no inflamable lo que
evita el autoencendido
Eficiencia en el periodo de admisioacuten debido a que soacutelo entra aire al cilindro inyectando la
gasolina despueacutes
Disminucioacuten del consumo de gasolina si se tiene poca gasolina el motor puede llegar a
funcionar esto permite que el motor aporte la energiacutea requerida con un aporte de gasolina
sustancialmente menor Esta disminucioacuten del consumo de gasolina disminuye tambieacuten de
emisiones de 1198621198742 Este contaminante es un producto del proceso de combustioacuten que soacutelo puede
reducirse disminuyendo el consumo de gasolina
Mejor rendimiento del motor debido a que la mezcla que se encuentra cerca de las paredes es
escasa y la temperatura de los gases de combustioacuten es mucho menor por lo que las peacuterdidas
por calor cedido a las paredes del cilindro tambieacuten se ven reducidas [58]
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa
Estos motores de encendido por chispa o inyeccioacuten directa tienen tambieacuten algunas desventajas
las cuales son
Se requiere de una bomba de alta presioacuten para proveer la gasolina a los inyectores con la
presioacuten requerida Eacutesta bomba toma la gasolina del depoacutesito y la alimenta regulando su presioacuten
de salida
Los inyectores deben ser aptos para resistir las altas presiones para inyectar gasolina
directamente en el cilindro y tambieacuten deben soportar las condiciones de la caacutemara de
combustioacuten tanto las altas temperaturas como las altas presiones derivadas de la combustioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
29
El sistema de encendido debe ser capaz de suministrar maacutes energiacutea debido a que el chorro de
gasolina puede impactar directamente con la bujiacutea mojaacutendola o la chispa apagarse debido a las
fuertes corrientes de aire y necesitar una segunda chispa
Se requiere de una sonda lambda de banda ancha que permita medir las variaciones en la carga
estratificada
Se necesita que la Unidad de Control de Motor (ECU) tenga mayor potencia de caacutelculo para
administrar las sentildeales que recibe y las salidas de control pues el motor tiene distintos modos
de operacioacuten y la ECU debe ser capaz de administrar las sentildeales que recibe para cada uno de
ellos y procesar las oacuterdenes en consecuencia
La cabeza del pistoacuten tiene que ser redisentildeada para que cuando el motor trabaja con carga
estratificada dirija la nube de mezcla rica en gasolina correctamente hacia la bujiacutea [59]
294 Descripcioacuten del proceso de encendido
Para encender el motor de gasolina se necesita una chispa entre los dos electrodos de la bujiacutea
para producir la temperatura necesaria para que la mezcla encienda para lo cual se requieren
tensiones muy altas En la figura 18 se aprecia que en el momento en que se pone en contacto la
llave de arranque se cierra el circuito y la bateriacutea comienza a entregar voltaje el cual es muy bajo
ya que corresponde a 12 voltios Para incrementarlo entre los electrodos de las bujiacuteas la bobina
con ayuda del ruptor consigue cambiar a 30000 voltios Esta tensioacuten es enviada al delco donde
se encuentra el distribuidor giratorio que reparte la tensioacuten a la bujiacutea correspondiente [60]
Figura18 Sistema de encendido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
30
495 Componentes del sistema de encendido
El sistema de encendido en motores de gasolina tiene los elementos que se describen a
continuacioacuten
Alternador es un dispositivo que se acciona directamente por el motor que se encarga de
generar corriente para cargar bateriacutea Al estar directamente accionado por el motor si se suben
las revoluciones del motor tambieacuten aumenta la corriente generada
Bateriacutea Es la encargada de suministrar la energiacutea eleacutectrica para que circule hacia la bujiacutea
Dicha energiacutea viene dada por la reaccioacuten quiacutemica del plomo y aacutecido sulfuacuterico
Bobina Se encarga de transformar la baja tensioacuten que proviene de la bateriacutea en una tensioacuten
alta para hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea la cual consta de dos filamentos
enrollados Cuando el primero recibe la corriente de la bateriacutea el ruptor interrumpe la corriente
que pasa por eacuteste entonces al filamento secundario se le induce una corriente maacutes alta capaz
de hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea y encender la mezcla
Ruptor Se encuentra situado dentro del distribuidor y se encarga de interrumpir
perioacutedicamente la corriente en el filamento primario de la bobina para que la corriente sea
inducida en el secundario Esta interrupcioacuten es en base a la apertura de dos contactos los cuales
son comandados por una leva accionado por y a la misma velocidad que el aacuterbol de levas
Distribuidor Es el encargado de repartir la alta tensioacuten a la bujiacutea en cada momento Va
centrado en el delco donde tambieacuten se situacutea el ruptor y los reguladores de encendido
Bujiacutea Es el elemento que se encarga de hacer saltar la chispa para que encienda la mezcla de
aire y gasolina Estaacute recubierta de un aislante para disipar el calor generado en la caacutemara de
combustioacuten ya que estaacute lsquoen contacto directo con las explosiones
210 Sobrecalentamiento
El sobrecalentamiento del motor es la condicioacuten en la cual la temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y si se mantiene mucho tiempo llega a producir dantildeos graves en el
motor como torceduras y roturas de vaacutelvulas brazos de biela soplado de empaques torceduras de
culatas roturas de pistones etc
El tiempo de calentamiento de los motores modernos es prolongado sobre todo cuando las
condiciones ambientales son desfavorables y cuando la calefaccioacuten del motor se enciende Durante
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
31
el calentamiento del motor la vaporizacioacuten del combustible se dificulta y el catalizador no funciona
a plenitud por esto la reduccioacuten del tiempo de calentamiento del motor es esencial Para lo cual es
necesario reducir el volumen de refrigerante la masa del motor mejorar el aislamiento del motor
emplear sistemas calentadores adicionales emplear una unidad electroacutenica de control para
manipular la termodinaacutemica del motor y de esta misma manera controlar el desempentildeo teacutermico
todas estas medidas serviraacuten para reducir el tiempo del calentamiento y ayudaraacuten a un mejor
funcionamiento del motor [61]
El sobrecalentamiento del motor puede ser causado por cualquier cosa que disminuya la
capacidad del sistema de refrigeracioacuten para absorber transportar y disipar el calor Por lo tanto
los motores pueden sobrecalentarse por una variedad de razones Algunas se deben a que el
termostato se encuentre en mal estado debido a que es una vaacutelvula que abre y cierra conforme se
encuentre la temperatura del motor Es decir el refrigerante del motor caliente pasa a traveacutes del
radiador cuando el termostato estaacute en posicioacuten abierta Cuando se encuentra en posicioacuten cerrada el
refrigerante se queda en el motor y raacutepidamente se calienta ocasionando un sobrecalentamiento
del motor
De igual forma el tener un radiador con fugas u obstrucciones conduce a elevadas temperaturas
del motor y sobrecalentamiento del mismo Asiacute como el tener mangueras con agujeros hace que se
produzcan fugas o se interrumpa el flujo del refrigerante Tambieacuten un ventilador con oscilacioacuten
libre y teniendo un aspa rota no puede mantener una velocidad adecuada lo que origina
sobrecalentamiento del motor
En los motores de combustioacuten interna modernos soacutelo una tercera aparte de la energiacutea interna se
convierte en trabajo uacutetil Las dos terceras partes restantes de la energiacutea se transforman en calor a
peacuterdida evacuadas por el sistema de escape el sistema de enfriamiento y calor radiado y rechazado
por conveccioacuten a traveacutes de las partes soacutelidas del motor El sobrecalentamiento durante el ciclo
completo del motor genera una distribucioacuten de energiacutea dentro de la caacutemara de combustioacuten En
general el calor se transporta hacia la culata la camisa los puertos de escape y el pistoacuten el cual
estaacute ligado a la biela la cual si tiene defectos acabaraacute por destruir el motor [61]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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Es por tanto importante estar pendiente de la temperatura a la cual estaacute trabajando el motor
debido a que un sobrecalentamiento puede provocar dantildeos serios empezando por la ruptura del
empaque la deformacioacuten de los cilindros y desgaste en los anillos Estaacuten tambieacuten los dantildeos en los
codos del ciguumlentildeal y la biela Esta uacuteltima ya que se encuentra sometida a fuerzas axiales de
compresioacuten convirtieacutendola en el elemento maacutes tensionado dentro del motor Estaacute ademaacutes expuesta
a cargas producto de la presioacuten generada en la caacutemara de combustioacuten y por la alta friccioacuten entre
los elementos deslizantes Al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentaraacuten desgastes excesivos y prematuros que pueden ocasionar una falla Si este sistema no
funciona correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como
consecuencia deformaciones importantes por sobrecalentamiento [62]
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor
La cinemaacutetica proviene del griego κινεω kineo que significa movimiento Estudia las leyes del
movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo originan y se limita esencialmente al
estudio de la trayectoria en funcioacuten del tiempo [63] La cinemaacutetica se ocupa de aspectos del
movimiento aparte de considerar masa y fuerza Un anaacutelisis cinemaacutetico simula el movimiento de
mecanismos por lo que cumple los requisitos de los perfiles de los motores cinemaacuteticos y de
cualquier conexioacuten de unioacuten por leva en ranura o por engranajes Este tipo de anaacutelisis se usa para
obtener informacioacuten sobre la posicioacuten velocidad y aceleracioacuten de entidades geomeacutetricas y
conexiones interferencia entre componentes las curvas trazadas del movimiento del mecanismo y
los envolventes de movimiento que capturan el movimiento del mecanismo como una pieza
Seguacuten Forno [64] la cinemaacutetica analiza los factores de tiempo y espacio del movimiento de un
sistema es decir describe el movimiento de los cuerpos en teacuterminos de tiempo desplazamiento
velocidad aceleracioacuten y tiempo de desplazamiento
Para Suaacuterez [65] el anaacutelisis cinemaacutetico se utiliza para evaluar el movimiento del mecanismo
gobernado por motores cinemaacuteticos Se puede utilizar cualquier motor cinemaacutetico de eje de
movimiento con un perfil lo que produciraacute una aceleracioacuten finita
Las fuerzas que afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de
inercia Una vez conocidas las fuerzas de combustioacuten en el pistoacuten se usa software especializado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
33
que ayuda en el calculoacute del anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico integrando las fuerzas de inercia
debidas a la masa de cada componente del mecanismo biela-manivela [66]
Para realizar este anaacutelisis es necesario considerar las masas de cada una de las piezas asiacute como
el reacutegimen de giro Esto permitiraacute realizar la simulacioacuten y calcular las fuerzas aplicadas en la cabeza
y el pie de la biela para poder luego hacer un anaacutelisis de elementos finitos que definan los
esfuerzos En el capiacutetulo III se describen la pieza construida a traveacutes del Software de aplicacioacuten
SOLIDWORKS
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor
El anaacutelisis cineacutetico estudia las fuerzas que provocan que un sistema se mueva es decir que
produzcan o cambien el movimiento de un objeto El estudio de las fuerzas que inducen el
movimiento parte desde un movimiento lineal o angular El anaacutelisis cineacutetico puede ser de tipo lineal
o angular El primero involucra la descripcioacuten de un movimiento en liacutenea recta Por otro lado la
cinemaacutetica angular se refiere a la descripcioacuten de un movimiento alrededor de un aacutengulo fijo [64]
El anaacutelisis cineacutetico es cuando un cuerpo estaacute en reposo para acelerarlo hasta una cierta velocidad
y se necesita un determinado trabajo [67] Esa energiacutea que se obtiene en la aceleracioacuten es
conservada por el cuerpo como energiacutea cineacutetica hasta que modifique su velocidad
Concretamente se llama cineacutetica o cinemaacutetica a la especialidad de la fiacutesica centrada en el anaacutelisis
del movimiento dejando de lado el estudio de las fuerzas que lo originan La cineacutetica en este
marco suele estudiar la trayectoria de un cuerpo en movimiento en funcioacuten del tiempo [68]
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor
La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama transferencia de calor la cual se produce
siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se
ponen en contacto hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las
temperaturas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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Para el desarrollo de esta investigacioacuten se usoacute en el software ANSYS el cual permitioacute realizar el
anaacutelisis teacutermico que consiste en la aplicacioacuten del meacutetodo de elementos finitos para calcular la
distribucioacuten de temperatura en una estructura soacutelida en este caso la biela de un motor de
combustioacuten interna Con dicho anaacutelisis se resolvioacute el problema de la transferencia teacutermica
conjugada que involucra el caacutelculo de la simulacioacuten de la conduccioacuten conveccioacuten e irradiacioacuten
teacutermica [66]
Los procesos de los motores de combustioacuten interna son complejos para poder realizar un anaacutelisis
completo de los mismos por lo que se requiere el usoacute de procesos teoacutericos para realizar caacutelculos
Eacutestos son denominados modelos matemaacuteticos para los cuales se usa simulacioacuten herramienta de
gran apoyo para estudiar el comportamiento de los motores de combustioacuten interna desde el punto
de vista termodinaacutemico Con estos softwares de apoyo es posible estudiar la influencia de
determinados paraacutemetros como son la geometriacutea operacioacuten y combustioacuten en las prestaciones de
un motor [69]
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico
La simulacioacuten permite examinar el comportamiento del modelo en condiciones de operacioacuten
reales Ayuda a evaluar las caracteriacutesticas estructurales y el perfil teacutermico proporciona tambieacuten
potentes herramientas para examinar el rendimiento de los mecanismos Sirve para reflejar las
fuerzas materiales y condiciones de liacutemite a las que se veraacute sometido el modelo real para adaptarlo
mejor a criterios de disentildeo especiacuteficos
Existen diversos Softwares de aplicacioacuten para diferentes fines como es el caso de CAD que
sirve para disentildear modelos en tercera dimensioacuten (3D) que posteriormente se analizan por el
meacutetodo de elementos finitos Tal es el caso del software CATIA que es uno de los maacutes utilizados
actualmente en la industria para encontrar paraacutemetros como las dimensiones de diaacutemetro del pistoacuten
longitud de la biela ancho de biela diaacutemetros interiores de cabeza y pie espesores de cabeza y
pie ancho y alto de la seccioacuten tipo I y diaacutemetro de los tornillos de fijacioacuten Tanto el CAD y CATIA
son simuladores que permiten determinar lo antes mencionado
Tambieacuten existe el Software ANSYS que sirve para disentildear analizar y simular partes de piezas
sometidas a fenoacutemenos fiacutesicos usadas en ingenieriacutea y disentildeo mecaacutenico Ayuda a resolver
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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problemas fiacutesicos como problemas de esfuerzos teacutermicos fluidos vibracioacuten y otras Dentro de este
software se encuentra la seccioacuten de Anaacutelisis Mecaacutenico que sirve para resolver situaciones muy
particulares en disentildeo mecaacutenico como elementos estructurales lineales no lineales y anaacutelisis
dinaacutemico Con este moacutedulo se puede evaluar el comportamiento asignar materiales y resolver
ecuaciones elaborar anaacutelisis teacutermicos acoplamientos fiacutesicos que involucren acuacutestica elementos
piezoeleacutectricos e interaccioacuten teacutermica con eleacutectrica El software ANSYS se usoacute para este proyecto
Asiacute mismo es necesario sentildealar que para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el
software MATLAB herramienta matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para
la representacioacuten de datos matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor Los resultados
de MATLAB junto con el Software ANSYS permiten predecir coacutemo se comporta y reacciona la
biela en su entorno real Posteriormente se importa la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
y se realizan el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico por medio de la simulacioacuten
De igual forma se emplea para esta investigacioacuten el software SOLIDWORKS que se usa para
el disentildeo mecaacutenico con el que se crea geometriacutea en tercera dimensioacuten (3D) usando paraacutemetros
soacutelidos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA
La metodologiacutea de la investigacioacuten se define como la disciplina que se encarga del estudio criacutetico
de los procedimientos y medios aplicados por los seres humanos que permiten alcanzar y crear el
conocimiento en el campo de la investigacioacuten cientiacutefica Representa la forma en la que se va a
organizar el proceso de la investigacioacuten de examinar los resultados y de presentar posibles
soluciones al problema Toda investigacioacuten a desarrollar debe llevar un orden loacutegico La
metodologiacutea de la presente investigacioacuten estaacute basada en la propuesta de los autores Hernaacutendez
Fernaacutendez y Baptista [70] ya que tiene un enfoque bastante amplio y flexible que se puede adaptar
de manera general a los requerimientos y alcances del estudio cubriendo los puntos esenciales que
guiacutean el disentildeo y elaboracioacuten de la investigacioacuten Los pasos seguidos se muestran en la figura19
31 Enfoque de la investigacioacuten
Existen dos enfoques dentro de la investigacioacuten el cuantitativo y el cualitativo Hernaacutendez [70]
define a la investigacioacuten cuantitativa como aquella investigacioacuten que utiliza la recoleccioacuten de datos
para comprobar una hipoacutetesis con base a una medicioacuten numeacuterica para establecer un anaacutelisis
estadiacutestico con el propoacutesito de conocer la tendencia del comportamiento y la aprobacioacuten de teoriacuteas
El desarrollo de esta investigacioacuten tuvo un enfoque cuantitativo el cual seguacuten Fernaacutendez [71] se
fundamenta en un esquema deductivo y loacutegico que busca formular preguntas de investigacioacuten e
hipoacutetesis para posteriormente probarlas
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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Esta investigacioacuten parte del enfoque mecaacutenico propuesto por diferentes autores que hacen
referencia a los diferentes motores que existen asiacute como los elementos que lo conforman La
finalidad es identificar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten
interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa asiacute como determinar la fuerza
axial de la biela Tambieacuten obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de
combustioacuten estequiomeacutetrica y simular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela para identificar
posibles deformaciones y posteriormente realizar el anaacutelisis cinemaacutetico del motor
32 Alcance de la investigacioacuten
El alcance de esta investigacioacuten es exploratoria correlacional descriptiva y explicativa Al
respecto Fernaacutendez et [71] al se establece que ldquolos estudios exploratorios se realizan cuando el
objetivo consiste en examinar un tema poco estudiadordquo en este caso los factores que influyen en
el sobrecalentamiento de una biela
El alcance correlacional tiene como finalidad establecer una relacioacuten entre dos o maacutes variables
[70] y referente a esta investigacioacuten se llevoacute a cabo la correlacioacuten de variables del calor liberado
en la caacutemara de combustioacuten y el sobrecalentamiento del motor Esta correlacioacuten implica una
relacioacuten causal entre dichas variables ya sea de forma positiva o en forma negativa y una relacioacuten
causal implica que un evento es consecuencia de otro que le antecede y que sin eacuteste el uacuteltimo no
se presentaraacute
La investigacioacuten tambieacuten es descriptiva puesto que se describen los fenoacutemenos alcanzados en el
transcurso de todo el proceso Busca especificar propiedades caracteriacutesticas y rasgos importantes
de cualquier fenoacutemeno que se analice [71] en este caso la relacioacuten de compresioacuten presioacuten
atmosfeacuterica aacuterea del pistoacuten presioacuten atmosfeacuterica dentro de la caacutemara de combustioacuten presioacuten que
detona la mezcla dentro de la caacutemara de combustioacuten fuerza temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
y geometriacutea de la biela En este sentido en esta investigacioacuten se describieron las variables antes
mencionadas mismas que se especifican en el capiacutetulo cuatro detallando sus propiedades y
caracteriacutesticas
De igual forma la investigacioacuten tiene un alcance explicativo derivado de que seguacuten Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Bautista mencionan que estaacute orientada a la comprobacioacuten de hipoacutetesis las cuales
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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sirven para el anaacutelisis de variables [71] que se expresan con hechos verificables para que el
investigador tenga la capacidad de anaacutelisis y siacutentesis para su interpretacioacuten En el desarrollo de este
trabajo la hipoacutetesis establecida se encuentra en el apartado 33 del presente capiacutetulo y los resultados
obtenidos se explican en el capiacutetulo cuatro donde se explican los fenoacutemenos hallados entre
variables describiendo por queacute ocurrieron dichos eventos y en queacute condiciones se manifestaron
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis
En toda investigacioacuten es importante plantear variables ya que eacutestas permiten relacionar algunos
conceptos que hacen referencia a las caracteriacutesticas que se van a estudiar Para Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Baptista [70] una variable es una propiedad que puede fluctuar y cuya variacioacuten es
susceptible de medirse u observarse Las variables adquieren valor para la investigacioacuten cientiacutefica
cuando llegan a relacionarse con otras variables es decir si forman parte de una hipoacutetesis o una
teoriacutea Y una variable independiente se refiere a ldquoaquella donde el investigador puede manipular
ciertos efectos en otras palabras supone la causa del fenoacutemeno estudiadordquo Y la variable
dependiente implica ldquoel efecto producido por la variable independiente es decir representa lo que
se quiere determinar en forma directa en la investigacioacutenrdquo
La hipoacutetesis planteada en este trabajo es una hipoacutetesis correlacional donde si alguna de las
variables sufre alguna modificacioacuten esto afectaraacute a otras variables correspondientes A
continuacioacuten se muestra la hipoacutetesis de la presente investigacioacuten
Hipoacutetesis nula
H01 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten influye en el sobrecalentamiento
de un motor de combustioacuten interna
Variables
Variables independientes Calor liberado en la caacutemara de
Combustioacuten
Variable dependiente Sobrecalentamiento del motor
Ya identificadas las variables es necesario establecer la operacionalidad de las mismas y
con base a lo anterior se observa en la tabla 1 la clasificacioacuten de las mismas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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TABLA 1 CONCEPTUALIZACIOacuteN DE VARIABLE
Variable Definicioacuten Conceptual Indicadores
Calor liberado en la
caacutemara de
combustioacuten
Se refiere a la quema de combustible
suministrados por el motor de
combustioacuten interna de tal manera
que el aire se expanda y acelere para
proporcionar una corriente de gas
uniformemente calentada en todas las
condiciones requeridas por el motor
de combustioacuten interna Esta tarea
debe realizarse con la miacutenima peacuterdida
de presioacuten y con la maacutexima liberacioacuten
de calor para el limitado espacio
disponible [31]
Reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten
Sobrecalentamiento
del motor
Es la condicioacuten en la cual la
temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y llega
a producir dantildeos graves en el motor
como torceduras y roturas de
vaacutelvulas brazos de biela soplado de
empaques torceduras de culatas y
roturas de pistones [41]
Lubricacioacuten deficiente
Fallo en sistema de
enfriamiento
Hipoacutetesis alterna
HA1 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten no influye en el
sobrecalentamiento de un motor de combustioacuten interna
34 Disentildeo de la investigacioacuten
El tipo de disentildeo que se usoacute fue el no experimental donde la investigacioacuten que se realiza se hace
sin la manipulacioacuten deliberada de las variables y donde se observan los fenoacutemenos para
posteriormente analizarlos en este caso el calor liberado en la caacutemara de combustioacuten y el
sobrecalentamiento del motor donde dichas variables estaacuten relacionadas con diferentes elementos
que son la combustioacuten estequiomeacutetrica presioacuten atmosfeacuterica fuerza de la biela y geometriacutea de la
biela Estos elementos sirvieron para poder realizar el anaacutelisis cineacutetico cinemaacutetico y teacutermico por
transferencia de calor motivo de la presente investigacioacuten
A su vez es una investigacioacuten transaccional donde se recolectaron los datos en un momento y
tiempo uacutenico permitieacutendose describir las variables anteriormente mencionadas El propoacutesito fue
describir las variables y analizar su incidencia e interrelacioacuten en un momento dado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
40
Por otra parte este trabajo se basoacute en un disentildeo no experimental con la informacioacuten derivada
basada en datos primarios obtenidos directamente de la realidad En el desarrollo de la presente
investigacioacuten la informacioacuten se obtuvo mediante el modelado mecaacutenico el cual ayudoacute a predecir
el comportamiento y reaccioacuten de la biela en su entorno real
35 Seleccioacuten de la muestra
El desarrollo de esta investigacioacuten se realizoacute tomando como objeto de estudio a un motor VW
Golf MK4 Gti 18T En la tabla 2 se muestran las especificaciones de este motor
Se utilizoacute un acero SAE 4340 de medio carbono aleado con Cr-Ni-Mo debido a que posee buena
resistencia a la fatiga alta templabilidad excelente tenacidad regular maquinabilidad y baja
soldabilidad Es apto para piezas y herramientas de grandes exigencias mecaacutenicas Se usa para los
maacutes altos esfuerzos estaacuteticos y dinaacutemicos en piezas como ciguumlentildeales bielas cardanes pintildeones
pernos y tornillos de alta resistencia engranajes para maacutequinas discos de freno barras de torsioacuten
y aacuterboles de transmisioacuten [72] En la tabla 3 se muestran las composiciones quiacutemicas
TABLA 2 CARACTERIacuteSTICAS DEL MOTOR
Variable Definicioacuten Conceptual
Motor V 4
Combustible Gasolina
Alimentacioacuten MPI
Situacioacuten Transversal
Cilindrada 1781 cm3
Diaacutemetro por carrera 810 x 864 mm
Vaacutelvulas 16 vaacutelvulas
Sobrealimentacioacuten Turbo + Intercooler
Relacioacuten de Comprensioacuten 95
Potencia 210 PS or 207 bhp o 154 kw 5700 rmp
Par maacuteximo 300 Nm o 221 lbft 2700 rpm
Caja de cambios 6 velocidades manual
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
41
TABLA 3 PORCENTAJE DE COMPOSICIOacuteN QUIacuteMICA DEL ACERO USADO
De igual forma en la tabla 4 se pueden apreciar las caracteriacutesticas del tratamiento teacutermico y las
propiedades mecaacutenicas que se deben tener para cumplir con lo establecido para el procedimiento
36 Recoleccioacuten de datos
Para el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico se emplea la simulacioacuten con ANSYS y poder predecir coacutemo
se comporta y reacciona la biela en su entorno real El software SOLIDWORKS se emplea para
incorporar la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
TABLA 4 TRATAMIENTO TEacuteRMICO Y PROPIEDADES MECAacuteNICAS
Tratamiento teacutermico
(Valores en 0C)
Propiedades mecaacutenicas
Forjado 850 - 1100 Bonificado
Normalizado 870 - 900 Resistencia a la
traccioacuten
95 ndash 105 kgfmm2
Revenido 530 - 670 Liacutemite de fluencia 60 ndash 74 kgfmm2
Recocido 750 - 850 Dureza (HB) 280 - 340
Templado Aceite 840 - 880 Elongacioacuten 10 ndash 18
Composicioacuten quiacutemica ()
C 038 ndash 043
Mn 060 ndash 080
Si 015 ndash 035
P 0035 Maacutex
S 004 Maacutex
Cr 070 ndash 090
Ni 165 ndash 200
Mo 020 ndash 030
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
42
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el software de MATLAB herramienta
matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para la representacioacuten de datos
matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor El objetivo de dicho anaacutelisis fue
identificar la falla de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro
cilindros encendido por chispa accionado por gasolina cuando por diversas causas alcanza
temperaturas elevadas generando esfuerzos y deformaciones superiores a los liacutemites de cedencia
del material Para este anaacutelisis se determinoacute la fuerza axial generadora del maacuteximo torque aplicado
al ciguumlentildeal del motor Como se trata de un motor alternativo el movimiento parte desde el punto
muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) recorriendo el pistoacuten una longitud de
carrera C=2r por cada vuelta del ciguumlentildeal Ya que se trata de un motor de cuatro tiempos el
ciguumlentildeal daraacute dos vueltas por ciclo termodinaacutemico [73] En este caso se consideroacute solamente un
punto donde la biela es normal a la manivela que es donde se produce el maacuteximo toque Se hizo el
anaacutelisis el elemento finito (FEA por su siglas en ingles Finite Element Analysis ) para obtener una
solucioacuten aproximada a este problema de ingenieriacutea para obtener un producto de calidad a menor
costo mejorando asiacute procesos existentes o para estudiar fallos de eacuteste componente estructural El
anaacutelisis teacutermico por transferencia de calor cineacutetico y cinemaacutetico se describe en el capiacutetulo 4 del
presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
43
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Generalidades
Los motores de los autos principalmente los de combustioacuten interna (MCI) son motores donde
los gases generados en la reaccioacuten exoteacutermica resultan de un proceso de combustioacuten que empuja
al pistoacuten desplazaacutendolo en el interior de un cilindro y haciendo girar al ciguumlentildeal El funcionamiento
ciacuteclico de estos motores suele tener fallas constantes debido a muacuteltiples factores entre los cuales
destacan problemas con los cojinetes fallas en las bielas pistoacuten ciguumlentildeal entre otros
El arranque de los motores de combustioacuten se lleva a cabo en su caacutemara interna en donde se forma
el fluido activo Esta caacutemara forma parte de un cilindro dentro del cual se mueve un pistoacuten mismo
que forma parte del mecanismo en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal Y para que un motor
tenga un buen funcionamiento es necesario tener una buena lubricacioacuten refrigeracioacuten y suministro
de energiacutea eleacutectrica tal como se aprecia en la figura 20
La lubricacioacuten debe mantener engrasados los mecanismos moacuteviles tambieacuten sirve como
refrigerante al absorber el calor disipado Su principal funcioacuten radica en la aplicacioacuten de un manto
superficial de aceite recubriendo asiacute los elementos moacuteviles El sistema refrigerante es el que
mantiene una temperatura constante del motor durante su funcionamiento y lo hace mediante la
eliminacioacuten de exceso de calor que se pudiera generar en su funcionamiento Gracias a la energiacutea
eleacutectrica funcionan los dispositivos tales como las bombas hidraacuteulicas agua refrigerante los
cuales provocan el flujo que hace posible la circulacioacuten de los fluidos a lo largo de los ductos
correspondientes
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
44
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se consideroacute el auto VW Golf [74] tal como se aprecia
en la figura 21
Este auto tiene un motor MK4 GTI 18T de cuatro cilindros con turbocompresor formalmente
conocido como el 18 20VT R4 e informalmente conocido simplemente como el 18T Se ha
utilizado en casi todas las aplicaciones de cuatro cilindros de VW Utiliza un bloque de motor de
hierro fundido y culata de aluminio con doble aacuterbol de levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte
de la fuerza inherente de este motor viene del uso de un ciguumlentildeal de acero forjado a troque dividido
en bielas forjadas y pistones forjados Su potencia es de 150 caballos de fuerza a 5800 rpm Su
principal caracteriacutestica es su sistema de turbo y de induccioacuten Utiliza un turbocompresor de VW
de origen algo equivalente a un Garrett T30
421 Aplicaciones del 18T
El 18T se ha utilizado en casi todos los autos que tienen cuatro cilindros de VW como son VW
Polo GTI Golf MkIV Bora Jetta New Beetle S Passat B5 y Sagitar Desde Audi que es la marca
de lujo de VW el motor tambieacuten se ha trasladado a los modelos en esa divisioacuten incluyendo la A3
A4 A6 y TT Quattro Sport Otros fabricantes de automoacuteviles en utilizar el 18T han sido el
fabricante espantildeol SEAT (en el Leon Mk1 Cupra R y Toledo) y Skoda para su edicioacuten limitada
Octavia VRS
Figura 21VW Golf
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
45
El 18T utiliza un bloque de motor de hierro fundido y una culata de aluminio con doble aacuterbol de
levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte de la fuerza inherente de este motor se debe al uso de un
ciguumlentildeal de acero forjado a troquel bielas ldquoSplit forjadordquo y pistones Mahle forjado El 18T ha
llegado en docenas de diferentes configuraciones desde que se ofrecioacute por primera vez con
potencias que van desde 150 caballos de fuerza a 5800 rpm (en la mayoriacutea de los polos Golf
hoteles escarabajos y Passat) hasta 236 caballos de fuerza a 5700 rpm para el Audi TT Quattro
Sports
En lo que respecta a la induccioacuten aparte de su cabeza la principal caracteriacutestica del 18T es su
sistema turbo e induccioacuten El turbo alimenta uno de los pocos verdaderos colectores de admisioacuten
de longitud variable en el mercado de hoy A bajas revoluciones el aire fluye a traveacutes de un
conjunto de tubos de colada la ingesta de largas y delgadas para mejorar el par a bajo reacutegimen y
la facilidad de conduccioacuten A altas revoluciones una solapa se abre para conectar gran espacio
abierto del colector de admisioacuten (plenum) casi directamente a la culata sin pasar por los tubos y
aumentar el poder de gama alta
43 Anaacutelisis de datos
431 Anaacutelisis cinemaacutetico
El movimiento alterno del pistoacuten se transforma en movimiento circular continuo del eje mediante
el sistema biela-manivela Para efectos de caacutelculo el movimiento circular de la manivela se
considera uniforme sin error apreciable En la figura 22 se muestra la nomenclatura que se utilizoacute
en este anaacutelisis [73]
Figura 22 Nomenclatura
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
46
Donde
L=Longitud de la biela
r=Radio de la manivela
C=Carrera del pistoacuten
x=Deslizamiento del pistoacuten referido al PMS
α=Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente al PMS
β= Aacutengulo que forma el eje de la biela con el del cilindro
I Desplazamiento
De acuerdo a la geometriacutea del motor y como muestra la figura 22 se obtiene la ecuacioacuten para el
desplazamiento (x) correspondiente entre el PMS y PMI donde λ es un paraacutemetro de la relacioacuten
del radio a la longitud de la biela (Ver Anexo I) la cual es
119909 = 119903 ((1 minus cos prop) + 119871(1 minus radic1 minus 12058221199041198901198992 prop))
Donde λ =119903
119871 119902119906119890 119903119890119901119903119890119904119890119899119905119886 119906119899119886 119903119890119897119886119888119894oacute119899 119886119897119890119886119905119900119903119894119886
Si la biela fuera de longitud infinita (λ=0) se desplazariacutea mantenieacutendose siempre paralela a siacute
misma por lo que tendriacuteamos la expresioacuten simplificada
119909 = 119903(1 minus cos prop)
Se utilizoacute el software MATLAB para graficar coacutemo se comporta el sistema del punto muerto
superior al punto muerto inferior correspondiente a los 360 grados del movimiento de la Manivela
Se obtiene la figura 23 misma que se muestra a continuacioacuten
Figura 23 Desplazamiento
Des
pla
zam
ien
to d
el p
istoacute
n e
n m
etro
s
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
47
II Velocidad
Para obtener la ecuacioacuten de la velocidad se derivoacute la ecuacioacuten de desplazamiento (ver Anexo II)
guardaacutendola en una nueva variable (V) lo que se puede apreciar en la figura 24
Figura 24Velocidad del pistoacuten
III Aceleracioacuten
Para obtener la ecuacioacuten de la aceleracioacuten se derivoacute la ecuacioacuten de velocidad (Ver Anexo III)
asignando su valor a una nueva variable (A) la cual se muestra en la figura 25
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten
Vel
oci
dad
del
pis
toacuten
(m
s)
Angulo de manivela en grados
Ace
lera
cioacute
n d
el p
istoacute
n (
ms
2)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
48
432 Anaacutelisis cineacutetico
I Fuerzas alternativas de inercia
Conociendo las leyes que regulan el movimiento del conjunto biela manivela resulta faacutecil
obtener una relacioacuten de las fuerzas que generan dicho movimiento En efecto las partes dotadas de
movimiento alternativo estaacuten sometidas a fuerzas de inercia calculadas por medio de la segunda
ley de Newton que expresada en funcioacuten de la segunda derivada del desplazamiento dan como
resultado
119865 = minus119898 lowast 1205962 lowast 119903 (cos 120572 + 120582 lowast cos 2120572)
La primera y segunda parte de la ecuacioacuten representan respectivamente las fuerzas alternativas
de primero y segundo orden (ver Anexo IV) En la ecuacioacuten anterior ldquomrdquo corresponde a la masa de
la biela que para la muestra seleccionada tiene un valor de 066 kg se muestra en la figura 26
Figura 26Fuerzas alternativas
La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten cinemaacutetica En la figura 27
se puede observar el movimiento al considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante el
proceso de expansioacuten De este resultado se obtiene la fuerza maacutexima para posteriormente
considerarla en el anaacutelisis estaacutetico de la simulacioacuten en el software de ANSYS Los resultados se
encuentran en el Anexo V y en la figura 27 se aprecia la representacioacuten graacutefica del anaacutelisis de la
biela Este anaacutelisis se hizo mediante el software de MATLAB
Fu
erza
s al
tern
ativ
as (
N)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
49
Figura 27 Fuerzas en la biela
II Diagrama par-motor
La fuerza resultante que actuacutea sobre el pistoacuten corresponde a la suma de las fuerzas alternativas
de inercia y de la correspondiente a la presioacuten del gas durante la explosioacuten Eacutesta equilibrada por la
fuerza de reaccioacuten en la biela y variacutea en cada posicioacuten del movimiento La figura 28 muestra el
diagrama par motor que se utiliza para este anaacutelisis La nomenclatura es la misma que se utilizoacute en
el anaacutelisis cinemaacutetico con la inclusioacuten de las fuerzas [73]
Figura 28Diagrama par-motor
Angulo de manivela en grados
Fu
erza
en
la
bie
la (
N)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
50
Figura 29Par-motor de explosioacuten
Nuevamente mediante el software MATLAB se realiza el anaacutelisis de movimiento durante el
proceso de expansioacuten de 360deg a 540deg debido a que se trata de un motor de 4 tiempos lo que implica
que el ciguumlentildeal gire dos vueltas correspondieacutendole a la primera vuelta la admisioacuten y compresioacuten
(Ver Anexo VI) lo cual se aprecia en la figura 29
El punto maacuteximo de esta graacutefica representa un par-motor de 311 N-m que se aproxima al par
motor que el fabricante ofrece para este motor seleccionado como muestra Es importante
considerar que a este punto le corresponde un aacutengulo de 388deg equivalente a 28deg a partir del punto
muerto superior y seraacute considerado para obtener la fuerza axial en la biela de su correspondiente
graacutefica
433 Anaacutelisis termodinaacutemico
I Eficiencia del ciclo Otto ideal
La figura 30 muestra el ciclo en un diagrama P-v La eficiencia o rendimiento del ciclo es la
relacioacuten entre el trabajo neto y la cantidad de calor que entra al sistema [75]
Par
-mo
tor
(N
m)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
51
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen
Es decir
119890119900119905119905119900 =119882119899119890119905119900
119902119890119899119905
Por primera ley de la termodinaacutemica
119882119899119890119905119900 = 119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
Considerando calores especiacuteficos constantes
119890119900119905119905119900 =119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119862119907(1198794 minus 1198791)
119862119907(1198793 minus 1198792)= 1 minus
(1198794 minus 1198791)
(1198793 minus 1198792)
Para el proceso 1-2 compresioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987511198811119896 = 11987521198812
119896 there41198752
1198751= (
1199071
1199072)
119896
= 119903119896
Doacutende r= la relacioacuten de compresioacuten definida como 119903 =1199071
1199072
Para el mismo proceso la ecuacioacuten de los gases ideales es
11987511199071
1198791=
11987521199072
1198792 there4
1198752
1198751=
1199072
1199071∙
1198792
1198791= 119903
1198792
1198791= 119903119896
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
52
Realizando la igualacioacuten se obtiene la temperatura para el estado dos del ciclo
1198792 = 1198791119903119896minus1
De manera similar para el proceso 3-4 de expansioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987531198813119896 = 11987541198814
119896 there41198753
1198754= (
1199074
1199073)
119896
= 119903119896
Y la ecuacioacuten correspondiente de los gases ideales es
11987531199073
1198793=
11987541199074
1198794there4
1198753
1198754=
1199074
1199073∙
1198793
1198794= 119903
1198793
1198794= 119903119896
Realizando la igualacioacuten correspondiente se obtiene la temperatura para el estado 3 del ciclo
1198793 = 1198794119903119896minus1
Con las relaciones de temperatura para los estados 2 y 3 se obtiene la eficiencia del ciclo Otto
en funcioacuten de la relacioacuten de compresioacuten
119890119900119905119905119900 = 1 minus1198794 minus 1198791
1198794119903119896minus1 minus 1198791119903119896minus1= 1 minus
1198794 minus 1198791
119903119896minus1(1198794 minus 1198791)
119890 = 1 minus1
119903119896minus1
Para el anaacutelisis de la muestra seleccionada le corresponde una relacioacuten de compresioacuten de r=95
obtenieacutendose una eficiencia teacutermica del 60
119890 = 1 minus1
9514minus1= 06
En la figura 31 se muestra un referente de la eficiencia teacutermica en funcioacuten de la relacioacuten de
compresioacuten para un motor Otto y Diesel [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
53
Figura 31 Eficiencia teacutermica
II Temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
Cuanto maacutes pequentildea es la perdida de calor tanto mayor resulta el aumento de la temperatura En
el caso liacutemite que no haya peacuterdida de calor hacia los alrededores (Q=0) la temperatura de los
productos alcanzaraacute un maacuteximo conocido como temperatura de flama adiabaacutetica o combustioacuten
adiabaacutetica
La temperatura de flama adiabaacutetica de un proceso de combustioacuten de flujo estacionario se
determina aplicando la primera ley de la termodinaacutemica considerando la caacutemara de combustioacuten
como un volumen de control totalmente aislado (adiabaacutetico) con la siguiente ecuacioacuten
119867119901119903119900119889 = 119867119903119890119886119888119905
sum 119873119901(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg) = sum 119873119903(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg)
Doacutende Np= nuacutemero de moles de los productos
Nr = nuacutemero de moles de los reactivos
ℎ119891= entalpiacutea de formacioacuten
ℎ minus ℎdeg= variacioacuten de entalpiacutea
Una vez que se especifican los reactivos y los estados resulta faacutecil determinar las entalpiacuteas de
los reactivos Sin embargo debido a que la temperatura de los productos no se conoce antes de los
caacutelculos el caacutelculo de la entalpia de los productos no es directa Por consiguiente la determinacioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
54
de la temperatura de flama adiabaacutetica requiere el uso de una teacutecnica iterativa a menos que se
disponga de ecuaciones para los cambios de entalpiacutea sensible de los productos de combustioacuten
La temperatura de flama adiabaacutetica se determina luego a partir de estos dos resultados mediante
interpolacioacuten Cuando el oxidante es aire los gases producto se componen principalmente de N2 y
una buena primera suposicioacuten para la temperatura de flama adiabaacutetica se obtiene tratando todos
los gases productos como N2 En las caacutemaras de combustioacuten la temperatura maacutexima a la que se
puede llegar esta limitada por condiciones metaluacutergicas [75] Se analizaron los tres tipos de mezcla
para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla teoacuterica o estequiomeacutetrica
mezcla pobre y mezcla rica
II1 Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El modelo utilizado para los tres tipos de mezcla es una caacutemara de combustioacuten en la cual se
simula la inyeccioacuten de combustible octano 119862811986718 con las cantidades de aire suministrado siendo la
composicioacuten quiacutemica del aire de 1198742 + 3761198732 lo que equivale a 79 de N2 y 21 de O2 Tanto el
combustible como el aire se consideran como los reactivos y los gases de escape como productos
tal como se aprecia en la figura 32
La ecuacioacuten teoacuterica para este caso es
119862811986718 + 119908(1198742 + 3761198732) rarr 1198831198621198742 + 1198841198672119874 + 1198851198732
Doacutende W X Y Z representan los coeficientes estequiomeacutetricos determinaacutendose por balanceo
de los elementos quiacutemicos de la ecuacioacuten
119862 8 = 119883
119867 18 = 2119884 there4 119884 = 9
119874 2119882 = 2119883 + 119884 there4 119882 = 125
119873 376(2)119882 = 2119885 there4 119885 = 47
Se obtiene asiacute la ecuacioacuten estequiomeacutetrica balanceada
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
55
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos y considerando un proceso
adiabaacutetico se obtiene la ecuacioacuten para los tres tipos de mezcla
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ)
Donde
ℎ119891298= Entalpiacutea de deformacioacuten durante la reaccioacuten
∆ℎ= Variacioacuten de la entalpiacutea con respecto al estado de referencia
Los valores de entalpiacuteas para esta reaccioacuten se obtienen de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y
A-26 [75] Para este caso resulta
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9324] + 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]
+47[0 + ℎ1198732minus 8669] = 1[minus249950 + 0] minus 125[0 + 0] minus 47[0 + 0]
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 47ℎ1198732
= 5646081
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realiza iterativamente proponiendo como inicio que toda la
energiacutea es absorbida por el N2 ya que es el elemento que posee el mayor nuacutemero de moles
64ℎ1198732= 5646081
ℎ1198732= 88220015
119896119869
119896119898119900119897
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de temperatura aproximado de
119879 = 2650deg119870
Y tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen los valores
que se muestran en la tabla 5
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
56
TABLA 5 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA
Temperatura T=2600degK T=2450degK T=2200degK
Sustancia h(kJkmol)
8CO2 1099592 1025752 903512
9H2O 1028457 955647 836460
47N2 4072550 3814003 3385880
6130599 5795402 5125852
Interpolando los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2450degK y 2200degK se
obtiene la temperatura 119879 = 239424deg119870
II2 Mezcla pobre (110 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Ecuacioacuten real (10 exceso de aire) es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 1251198742 + 5171198732
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
Sustituyendo los valores de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y A-26 [75] se obtiene
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364]
kJ
kmol1198621198742
+ 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]kJ
kmol1198671198742
+125[0 + ℎ1198732minus 8682]
kJ
kmol1198742
+ 517[0 + ℎ1198732minus 8669]
kJ
kmol1198732
= 1[minus249950 + 0]kJ
kmol119862811986718
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 125ℎ1198742
517ℎ1198732= 56976778119896119869119896119898119900119897
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno
6995ℎ1198732= 56976778
ℎ1198732= 8145357827
119870119869
119870119898119900119897
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
57
TABLA 6 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA POBRE
Temperatura T=2400degK T=2450degK T=2200degK T=2250degK
Sustancia h(kJkmol)
8 CO2 1001216 1025752 903512 927872
9 H2O 931572 955647 836460 860058
125 02 1039675 106390 94355 9674625
517 N2 4100844 41954033 3724468 38183552
61376055 62831923 5558795 570303145
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2500deg119870
Nuevamente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen
los valores que se muestran en la tabla 6
Realizando la interpolacioacuten de los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2200degK
y 2250degK se obtiene la temperatura 119879 = 2248144deg119870
II3 Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es la siguiente
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
La ecuacioacuten real (85 de aire) es
119862811986718 + 10625(1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 91198672119874 + 375119862119874 + 39951198732
Aplicando la primera ley de la termodinaacutemica para sistemas reactivos y adiabaacutetico se obtiene
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
TABLA 7 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA
Sustancia hf h 298 degk
KJKmol
C₈H₁₈ -249950 -----
O₂ 0 8682
N₂ 0 8669
H₂O -241820 9904
CO₂ -393520 9364
CO -110530 8669
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
58
Posteriormente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se
obtienen los valores que se muestran en la tabla 7
Y sustituyendo los valores en la foacutermula antes mencionada se obtienen los resultados siguientes
425 (minus393520 + ℎ119862119874₂ minus 9364) + 375 (minus110530 + ℎ119862119874 minus 8669) + (minus 241820
+ ℎ119867₂119874 minus 9904) + 3995 (0 + ℎ119873₂ minus 8669) ndash 1(minus 249950
+ 0) ndash 10625 (0 + 0) ndash 3995 (0 + 0) = 0
425 ℎ119862119874₂ + 375 ℎ119862119874 + 9 ℎ119867₂119874 + 3995 ℎ119873₂ = 45211458
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno 5695 ℎ119873₂ = 45211458
ℎ119873₂ = 7938798 = 79388 kJkmol
De la tabla A-18 [75] de propiedades del nitroacutegeno se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2400deg119870
Tabulando los valores correspondientes de la entalpiacutea a la temperatura indicada se muestran en
la tabla 8
Interpolando entre los valores de 2300degK y 2200degK se obtiene la temperatura para esta
mezcla 119879 = 2223305deg119870
TABLA 8 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA RICA
Temperatura T=2400 T=2300 T=2200
Sustancia h(KJKmol)
425 Co₂ 531896 50589875 47999075
375 Co₂ 30005625 28629375 272580
9 H₂O 931572 883791 836460
3995 N₂ 3168834 30232562 2877998
sum 493235825 46992397 446702875
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
59
434 Temperatura real de combustioacuten
Las temperaturas de combustioacuten adiabaacutetica obtenidas en el apartado que aborda el tema de la
temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para los tres tipos de mezclas reflejan un paraacutemetro
cuantitativo sin embargo no es posible que el motor alcance dichos valores Esto es debido a la
Segunda Ley de la Termodinaacutemica en su postulado de Kelvin Plank refirieacutendose precisamente al
rendimiento del motor que de acuerdo a la relacioacuten de compresioacuten establecida se determinoacute que
es de 60 Este valor equivale al maacuteximo rendimiento posible con el cual se determinaraacute la
temperatura real del motor para los tres tipos de mezclas Eacutesta temperatura seraacute considerada para
el anaacutelisis de transferencia de calor en la biela
I Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El poder caloriacutefico del combustible representa la cantidad de calor liberado cuando se quema por
completo en un proceso de flujo estacionario En este anaacutelisis se considera el poder caloriacutefico
inferior debido a que el agua en los productos se considera en fase de vapor correspondieacutendole un
valor de 44430 kJkmol [75]
Involucrando una eficiencia de 60 se determina la cantidad de calor real utilizado en los tres
diagramas y mediante el anaacutelisis de estequiometria se obtiene la temperatura real correspondiente
al maacuteximo valor del ciclo en el proceso de explosioacuten
El anaacutelisis parte de la ecuacioacuten teoacuterica (100 de aire) para los tres tipos de mezclas que se
analizan en este apartado
De acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica para esta reaccioacuten de combustioacuten la
ecuacioacuten de la cantidad de calor liberado es
minus 119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
El valor de 119876119903119890119886119897 se determina al involucrar el rendimiento de 60 del poder caloriacutefico del
combustible y a la vez multiplicaacutendolo por la masa molar del combustible de 114231 kgkmol
obteniendo un valor de 3045170119896119869
119896119898119900119897
Los valores de ℎ119891deg y ℎ de los componentes a 298degK son los que se muestran en la tabla 9 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
60
TABLA 9 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Sustancia 119945 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948
kjkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119925120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 47(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten en funcioacuten de las entalpiacuteas de los elementos de los
productos que se resuelve por el meacutetodo iterativo
8ℎ 1198621198742
+ 9 ℎ1198671198742+47ℎ1198732
=2600911 kJkmol
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero total
de moles lo que produce 2600911 119896119869
(8 + 9 + 47) 119896119898119900119897= 4063923
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido correspondieacutendole un valor de T=131374degK A partir de este valor
se proponen valores inferiores y posteriormente realizar una interpolacioacuten lineal como se muestra
en la tabla 10 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
61
TABLA 10 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Temperatura T=1180degK T=1200degK T=1220degK
Sustancia h(KJKmol)
120790 119914119926120784 421792 430784 439816
120791 119919120784119926 391581 399420 407304
120786120789 119925120784 1696888 1728519 1760244
Total 2510261 2558723 2607364
Interpolando entre las temperaturas de 1200degK y 1220degK se obtiene que la temperatura real de
combustioacuten es T = 1217347 degK
II Mezcla pobre (110 aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten con 10 de exceso de aire es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 1251198742 + 91198672119874 + 5171198732
La ecuacioacuten de combustioacuten de acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
Los valores de las entalpiacuteas ℎ119891deg + ℎ de las sustancias a T= 298degK son los que se muestran en la
tabla 11 [75]
Sustituyendo valores correspondientes en la ecuacioacuten se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 125(0 + ℎ1198742minus 8682)
kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 517(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
62
TABLA 11 ENTALPIA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA POBRE REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119926120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten
8ℎ1198621198742+125 ℎ1198742
+ 9 ℎ1198671198742+517ℎ1198732
=26525078 kJ
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de
moles lo que produce
26525078 119896119869
(8 + 125 + 9 + 517) 119896119898119900119897= 379200543
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido siendo T=1240degK Nuevamente se propondraacuten valores inferiores a
la temperatura obtenida para obtener la entalpiacutea correspondiente a cada sustancia por
interpolacioacuten lineal obtener el resultado correcto Se muestran los valores de la tabla 12 [75]
La interpolacioacuten entre las temperaturas de 1160degK y 1140degK da el resultado de la temperatura
real para esta mezcla 119879 = 11515385deg119870
TABLA 12 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA POBRE REAL
Temperatura T=1200degK T=1160degK T=1140degK T=1120degK
Sustancia h(kJkmol)
120790119914119926120784 430784 412816 403872 394952
120783 120784120787119926120784 4805875 4627875 453925 445075
120791119919120784119926 399420 383778 376020 327384
120787120783 120789119925120784 19013709 1831731 1797092 17625564
Total 277963365 267460375 26223765 25293999
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
63
III Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten incompleta genera la aparicioacuten de monoacutexido de carbono (CO)
en los productos
119862811986718 + 10625 (1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 375119862119900 + 91198672119874 + 39951198732
De la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg)
Los valores de ℎ119891deg + ℎ de los componentes a la temperatura de 298degK son los que se muestran
en la tabla 13 [75]
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 425(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 375(minus110530 + ℎ119862119900 minus 8669)kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 3995(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
425ℎ1198621198742+375 ℎ119862119900 + 9 ℎ1198671198742+3995ℎ1198732
=14759758 kJkmol
Eacutesta debe resolverse por iteraciones sucesivas Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el
lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de moles obtenieacutendose 14759758 kJ
(425 + 375 + 9 + 3995) 119896119898119900119897= 25917
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente a esta entalpia
la temperatura aproximada siendo T=870degK Realizando un procedimiento similar a las mezclas
anteriores se obtiene la tabla 14 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
64
TABLA 13 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 8682
119925120784 0 8669
119914119926120784 -393520 9364
Co -110530 8669
119919120784119926 -241820 9904
TABLA 14 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA RICA REAL
Temperatura T=860degK T=850degK T=840degK T=830degK T=820degK
Sustancia h(KJKmol)
120786 120784120787119914119926120784 150008 14778525 14556675 1433525 141151
120785 120789120787119914119926 96630 954225 94215 9301125 9181125
120791119919120784119926 272160 268614 265086 261558 258048
120785120791 120791120787119925120784 10231195 10104154 9977113 9850871 9724629
Total 15419175 152223715 150257905 148300885 146347315
Interpolando entre las temperaturas de 830degK y 820degK se obtiene una temperatura de
combustioacuten para esta mezcla de 119879 = 8264deg119870
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten
En el apartado 433 se determinoacute una cantidad de calor liberado por la reaccioacuten quiacutemica de
combustioacuten de Q = 3045170 kJkmol = 26658 kJkg Esta energiacutea en forma de calor se tomaraacute en
cuenta para calcular el coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
Para este anaacutelisis se considera un modo de transferencia de calor por conveccioacuten entre un soacutelido
y un gas adyacente Seguacuten Cengel entre maacutes raacutepido es el movimiento de un fluido mayor es la
transferencia de calor por conveccioacuten [76]
De acuerdo con la ley de Newton del enfriamiento esta forma de transferencia de calor se expresa
mediante la ecuacioacuten honoriacutefica de este autor
119888119900119899119907 = ℎ119860119904( 119879119904 minus 119879infin )
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
65
Doacutende
h = coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
As = aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la
transferencia de calor
Ts = temperatura de la superficie
Tinfin = temperatura de los gases de combustioacuten
Para determinar el aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la conveccioacuten se considera un
cilindro con las dimensiones de la muestra seleccionada con un tamantildeo de 81 mm de diaacutemetro por
864 mm de carrera entonces
As = πDL = π(81 cm)(864 cm) = 2198612cm2 = 2198612x10-4 m2
Es necesario determinar la rapidez o tasa de transferencia de calor para lo cual se determina la
relacioacuten aire combustible para una mezcla con 85 de aire
119903119886119888frasl =
119898119886
119898119888=
119873119886
119873119888
119872119886
119872119888=
(10625)(426)(2897)
114231= 115
119896119892119886119894119903119890
119896119892119888119900119898119887
Doacutende
Na Nc corresponden al nuacutemero de moles del aire y el combustible respectivamente
Ma Mc son la masa molar del aire y la mezcla respectivamente
Desplazamiento por cilindro = V1 ndash V2 = 1800 cm34 = 450 cm3
Relacioacuten de compresioacuten r = 95 =V1V2
Resolviendo se obtiene un volumen inicial V1 = 502941 cm3
Utilizando condiciones iniciales presioacuten de 100 kPa y temperatura de 298degK Mediante la
ecuacioacuten de estado se determina la masa de aire
ma = 11987511198811119872
1198771199061198791
= (100)(5029411990910minus4)(2897)
(8314)(298)= 0000588 k119892
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
66
Con la relacioacuten aire combustible se determina la masa del combustible
119898119888 = 119898119886
119903119886119888=
0000588
115= 000005113 k119892
El calor total liberado durante la combustioacuten es
119876 = 119902119898119888 = 26658119896119869
119896119892(000005113 119896119892) = 1363035 119896119869
El flujo de calor por cilindro para una velocidad del motor de 2700 rpm es
119876 = 1363035119870119869 (1
2119888119894119888119897119900119904
119903119890119907
) (2700119903119890119907
119898119894119899) (1
119898119894119899
60 119904 ) = 306682 119896119882
Esta es la cantidad de flujo de calor que se considera para determinar el coeficiente de
transferencia de calor por conveccioacuten de la siguiente forma
ℎ = 119888119900119899119907
119860119904 ( 119879119904minus119879infin )=
306682 119882
(219861211990910minus41198982)(25minus5533)deg119862= 26398355 119882
1198982deg119862frasl
44 Simulacioacuten
Durante el presente anaacutelisis la geometriacutea de la biela fue elaborada en Solid Works para
posteriormente importarla al software de ANSYS en la simulacioacuten correspondiente Se selecciona
un modelo de malla refinado tal como se muestra en la figura 33 para una solucioacuten precisa y con
resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico - transitorio y estructural
Figura 33Modelo de malla
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
67
Se inicia con un anaacutelisis teacutermico transitorio tomando en cuenta los datos de la muestra del motor
seleccionado asiacute como tambieacuten los resultados obtenidos en el anaacutelisis teacutermico de combustioacuten y por
transferencia de calor El tiempo transitorio se determina con la velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira 2 revoluciones por ciclo termodinaacutemico resultando ser de
004444 segundos El primer resultado muestra la distribucioacuten de temperatura mediante la
transferencia de calor por conveccioacuten tal como se visualiza en la figura 34
Figura 34Distribucioacuten de temperatura
El segundo anaacutelisis es una simulacioacuten estaacutetica estructural vinculada con el anaacutelisis teacutermico
transitorio como se aprecia en la figura 35
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
68
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural es necesario saber la fuerza axial que actuacutea sobre la biela para
lo cual durante el anaacutelisis cineacutetico realizado en el software de Matlab se obtuvieron resultados del
par-motor durante el movimiento de la biela del PMS al PMI El par maacuteximo o torque se obtiene a
los 28deg a parir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de 15380 N Es
importante mencionar que el fabricante estima un par maacuteximo de 300 Nm a 2700 rpm y el
software de Matlab arroja un resultado de 310 Nm La distribucioacuten de temperatura es importada
para el anaacutelisis teacutermico estructural tal como se aprecia en la figura 36
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela
Mediante simulacioacuten final del anaacutelisis de flujo teacutermico-transitorio y estaacutetico-estructural se
obtienen resultados de los esfuerzos principales de Von Mises tal como se visualiza en la figura
37
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
69
Un paraacutemetro comparativo es la resistencia a la cedencia del material recomendado para la
fabricacioacuten de la biela Se utilizoacute para este caso un acero 4140 con una resistencia de 470 MPa
(recosido) y de 862 MPa (normalizado) Durante este tiempo la biela resiste con toda seguridad
el impacto de carga y temperatura Sin embargo la realidad es que normalmente el motor se
mantiene acelerado por maacutes tiempo Por ejemplo considerando que el motor trabaje durante un
minuto a la velocidad de 2700 rpm la solucioacuten que se obtiene mediante ANSYS resulta muy
considerable ya que el sobrecalentamiento se genera por estas causas La solucioacuten obtenida se
muestra en la figura 38
Definitivamente el esfuerzo maacuteximo rebasa el liacutemite de cedencia del material esto implica que
en alguacuten momento la parte maacutes vulnerable de la biela estaraacute propensa a sufrir alguna fractura lo
que comuacutenmente se conoce como ldquodesbielarrdquo el motor Esto es lo que genera mantener un motor
revolucionado aunque tambieacuten existen otras causas que contribuyen al sobrecalentamiento como
un sistema deficiente de lubricacioacuten y enfriamiento que en otro caso pueden considerarse motivo
de una investigacioacuten especiacutefica
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
70
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN
51 Conclusiones relativas a los objetivos
Cumplimiento del Objetivo general ldquoAnalizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas
de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro y cuatro cilindros encendido por chispardquo
A partir de los nuevos conocimientos obtenidos en esta investigacioacuten se puede dar por cumplido
el objetivo general teniendo en cuenta los siguientes elementos
Se realizoacute el anaacutelisis de los elementos que ocasionan la falla en un motor de cuatro tiempos
esto mediante el anaacutelisis cinemaacutetico donde se consideroacute el desplazamiento conforme a la
geometriacutea del motor y la velocidad tomando en cuenta el desplazamiento De igual forma se
tomoacute en cuenta la aceleracioacuten y se realzoacute el anaacutelisis cineacutetico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoIdentificar el comportamiento termo estaacutetico de una
biela en un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por
chispardquo
A eacuteste respecto se identificoacute el comportamiento termo estaacutetico mediante las leyes de la
termodinaacutemica para la eficiencia de un motor Otto ideal asiacute como la comprensioacuten isentroacuteprica
la relacioacuten de comprensioacuten y gases obtenieacutendose la eficiencia teacutermica del ciclo Otto
correspondiente al 60
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoDeterminar la fuerza axial de una biela en un motor de
combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Mediante el anaacutelisis cineacutetico y de las fuerzas alternativas de inercia se da por cumplido el
objetivo especiacutefico La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten
cinemaacutetica Tambieacuten es necesario considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante
el proceso de expansioacuten pues de este resultado se obtiene la fuerza maacutexima que actuacutea sobre el
pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
71
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoObtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para
una reaccioacuten de combustioacuten estequiometricardquo
Mediante el anaacutelisis teacutermico y transferencia de calor se obtuvo la temperatura de flama
adiabaacutetica a partir de los resultados mediante interpolacioacuten Se analizaron los tres tipos de
mezcla para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla estequiomeacutetrica
una mezcla pobre y una mezcla rica En el caso de la mezcla al 100 de aire se obtuvo una
estequiomeacutetrica balanceada donde se hizo la tabulacioacuten de la entalpiacutea con su correspondiente
sustancia al igual que la mezcla pobre obtenieacutendose una temperatura de 119879 = 2248144deg119870
Referente a la mezcla rica se realizoacute la interpolacioacuten entre los valores de 2300degK y 2200degK
resultando una temperatura para esta mezcla de 119879 = 2223305deg119870 por lo que se da por
cumplido este objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoSimular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela
para identificar posibles deformacionesrdquo
Se realizoacute la simulacioacuten con un modelo de malla refinado en el Software de Aplicacioacuten Solid
Works donde posteriormente se importoacute al software ANSYS Se inicioacute con el anaacutelisis teacutermico
transitorio El tiempo transitorio se determina con una velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
Tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira dos revoluciones por ciclo termodinaacutemico este tiempo
resulta ser de 004444 segundos El primer resultado mostroacute la distribucioacuten de temperatura
mediante la transferencia de calor por conveccioacuten
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural se usoacute el software de MATLAB El par maacuteximo
corresponde a 28deg a partir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de
15380 N Es importante mencionar que el fabricante estimoacute un par maacuteximo de 300 Nm a 2700
rpm mientras que el software de MATLAB arrojoacute un resultado de 310 Nm Por lo que se da
por cumplido el objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoElaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de
un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
72
Respecto al anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico se encontroacute que para la fabricacioacuten de la biela es
recomendable la resistencia de la cedencia es decir un acero 4140 con una resistencia de 470
MPa (recosido) y de 862 MPa (normalizado) Con estos paraacutemetros la biela resistiraacute con toda
seguridad el impacto de carga y temperatura
52 Aportaciones originales
La presente investigacioacuten tiene cuatro aportaciones las cuales se describen a continuacioacuten
Un primer aporte de esta investigacioacuten consistioacute en haber realizado un anaacutelisis cinemaacutetico
considerando el desplazamiento la velocidad y aceleracioacuten lo cual fue el objeto de estudio
para producir cambios en la biela de un motor VW Golf MK4 GTI 18T Respecto a la revisioacuten
de las fuentes primarias se encontraron los fundamentos teoacutericos necesarios para la
elaboracioacuten de dicha investigacioacuten que al ser analizado y aplicado dio un diagnoacutestico de la
situacioacuten actual de las fallas de una biela
Una segunda aportacioacuten fue el haber realizado el anaacutelisis estaacutetico estructural para saber la
fuerza axial que actuacutea sobre la biela Para esto durante el anaacutelisis cineacutetico se utilizoacute el software
de MATLAB con el que se obtuvieron resultados del par-motor durante el movimiento de la
biela del PMS al PMI
La tercera aportacioacuten de esta investigacioacuten consistioacute en realizar un anaacutelisis teacutermico por
transferencia de calor para poder identificar la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
considerando tres tipos de mezcla que son 100 de aire mezcla pobre y mezcla rica Asiacute como
la determinacioacuten de la temperatura real de combustioacuten y sus mezclas correspondientes para
obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiometrica
La cuarta aportacioacuten de esta investigacioacuten fue la generacioacuten de la geometriacutea de la biela usando
el software en Solid Works posteriormente importada al software de ANSYS la obtencioacuten de
una solucioacuten precisa y con resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico transitorio y estructural
|
53 Recomendaciones para futuros estudios
Se recomienda para futuros estudios profundizar en la temaacutetica de mecaacutenica Los problemas que
deja abiertos esta investigacioacuten para futuros estudios son los siguientes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
73
Se evidencia la necesidad de que las empresas dedicadas a la fabricacioacuten de piezas mecaacutenicas
establezcan paraacutemetros y realicen simulaciones adecuadas de las piezas que conforman los
autos para que no tengan fallas en un futuro
Se recomienda realizar investigaciones en el aacuterea de mecaacutenica que deacute seguimiento a las liacuteneas
de investigacioacuten de termo fluidos y disentildeo implementando un laboratorio de pruebas de
motores de combustioacuten interna que aunado a la simulacioacuten los resultados seriacutean maacutes eficientes
Difusioacuten de los resultados de esta investigacioacuten con la presentacioacuten de los mismo en congresos
y revistas
Finalmente se recomienda realizar investigaciones correspondientes a las fallas mecaacutenicas
diferentes a las abordadas en este estudio en relacioacuten con los motores de combustioacuten interna y
los factores que inciden negativamente
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
74
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Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
80
ANEXOS
ANEXO I
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y utilizando la nomenclatura de la figura 22 se determinaron el
desplazamiento velocidad y aceleracioacuten correspondientes por medio del software de MATLAB
El anaacutelisis completo corresponde al movimiento alternativo durante un ciclo termodinaacutemico
DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN
Programa para determinar el desplazamiento ldquoxrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de
360 grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
81
ANEXO II
VELOCIDAD DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la velocidad ldquovrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
82
ANEXO III
ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la aceleracioacuten ldquoardquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
83
ANEXO IV
FUERZAS ALTERNATIVAS
En el anaacutelisis cineacutetico las fuerzas alternativas representan parte de la carga que actuacutea en el
pistoacuten considerando la aceleracioacuten del mismo en la segunda ley de Newton Se utilizoacute el
software de MATLAB durante este anaacutelisis
Programa para determinar las fuerzas alternativas de primer orden y segundo orden durante un
movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
84
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL DESPLAZAMIENTO
LA VELOCIDAD LA ACELERACIOacuteN Y FUERZAS ALTERNATIVAS DE INERCIA ES
syms x
Longitud de la Biela
L=144
Radio De La Manivela
r=0432
Carrera Del Piston
C=2r
Angulo entre eje de la biela con Cilindro (beta)
b=0
lamda=rL
________DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Deslizamiento angular de la Manivela (alpha)
a = 0pi184pi
Desplazamineto del Piston
x=r(1-cos(a))+L((1-(lamda^2)(sin(a))^2))^12
x=r(1-cos(a))
y=010720
subplot(221)
plot(yx)
ylabel(Desplazamiento Del Piston (m))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________VELOCIDAD DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Velocidad del Piston
V=diff (x)
y=010710
subplot(222)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
85
plot(yV)
ylabel(Velocidad Del Piston (ms))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Aceleracioacuten del Piston
A=diff (V)
y=010700
subplot(223)
plot(yA)
ylabel(Aceleracioacuten Del Piston (ms^2))
xlabel(GRADOS)
grid on
Masa
m=660
Revoluciones Por Minuto
n=2700
Velocidad Angular
W=(2pin)60
lamda=rL
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE PRIMER ORDEN_________
F1=m(W^2)rcos(a)biela de longitud infinita
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE SEGUNDO ORDEN_________
F2=m(W^2)rlamdacos(2a)biela de longitud infinita
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
86
F2=m(W^2)r(cos(a)+lamdacos(2a))biela de longitud finita
y=010720
subplot(224)
plot(yF1r-yF2b-)
ylabel(Fuerzas Alternativos (N))
xlabel(GRADOS)
legend(Fza Inercia 1deg Orden Fza Inercia 2deg Orden)
grid on
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
87
ANEXO V
ANAacuteLISIS DE LA FUERZA EN LA BIELA
Programa para determinar la fuerza durante el movimiento alternativo del pistoacuten
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA LA FUERZA EN LA
BIELA ES
Diagrama Par-Motor
function[F]=Fbexplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00432
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
88
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Fb=F(1-(lambda^2)(sin(alphar))^2)^05
plot(alphaFb)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Fuerza en la Biela N))
title(Fb Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
89
ANEXO VI
DIAGRAMA PAR-MOTOR
Programa para determinar el par-motor durante el movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
90
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL PAR-MOTOR ES
Diagrama Par-Motor
function[Mt1]=ParMotorExplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00437
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Mt1=Fr(sin(alphar))+(((lambdasin(alphar)))cos(alphar))(sqrt(1-
lambda^2((sin(alphar))^2)))
plot(alphaMt1)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Par Motor(Nm))
title(Par Motor Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
91
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
92
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VII
IacuteNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Conceptualizacioacuten de variable 39
Tabla 2 Caracteriacutesticas del motor 40
Tabla 3 Porcentaje de composicioacuten quiacutemica del acero usado 41
Tabla 4 Tratamiento teacutermico y propiedades mecaacutenicas 41
Tabla 5 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica 56
Tabla 6 Valores de entalpiacutea para mezcla pobre 57
Tabla 7 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica 57
Tabla 8 Valores de entalpiacutea para mezcla rica 58
Tabla 9 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla teoacuterica real 60
Tabla 10 Valores de entalpiacuteas para mezcla teoacuterica real 61
Tabla 11 entalpia de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla pobre real 62
Tabla 12 Valores de entalpiacuteas para mezcla pobre real 62
Tabla 13 Entalpiacutea de formacioacuten y entalpiacutea en el estado de referencia de 298 degK Mezcla rica real 64
Tabla 14 Valores de entalpiacuteas para mezcla rica real 64
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VIII
RESUMEN
Esta investigacioacuten es de tipo y alcance exploratorio descriptivo correlacional y explicativo con un
enfoque mecaacutenico y cuantitativo Que tiene la finalidad de identificar las fallas en una biela que es
una parte moacutevil de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido
por chispa (ECH) accionado con octano Mediante el anaacutelisis del comportamiento teacutermico y
estructural del objeto de estudio de esta investigacioacuten con base en los tres posibles diagramas para
mezclas de aire combustible estequiomeacutetrica rica y pobre y mediante el anaacutelisis de transferencia
de calor por conveccioacuten se determina el coeficiente correspondiente para cuando la biela es
sometida a sobrecalentamiento Subsecuentemente se realizaron los anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico
con base caracteriacutesticas del motor VW Golf MK4 Gti 18T utilizando el software de MATLAB
Posteriormente se generoacute la geometriacutea de la biela con dimensiones reales en el software
SOLIDWORKS por uacuteltimo se simulo el comportamiento y reaccioacuten la biela tanto para un flujo
teacutermico transitorio como estructural en ANSYS Los resultados obtenidos muestran que los
esfuerzos y deformaciones en la biela en comparacioacuten con los liacutemites de cedencia del material se
encuentran dentro de los liacutemites permisibles ademaacutes de la identificacioacuten de los puntos vulnerables
a una posible falla o fractura
Palabras clave biela motor de combustioacuten interna sobrecalentamiento termo-estaacutetico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IX
ABSTRACT
This research is of type and scope exploratory descriptive correlational and explanatory with
a mechanical and quantitative approach Which has the purpose of identifying the faults in a
connecting rod that is a moving part of a four-stroke internal combustion engine and four cylinders
ignition by spark powered by octane When analyzing the thermal and structural behavior of the
object of study of this research based on the three possible diagrams for combustible air mixtures
stoichiometric rich and poor and by analysis of heat transfer by convection the corresponding
coefficient is determined for when the connecting rod is subjected to overheating Subsequently
kinetic and kinematic analyzes were performed based on the characteristics of the VW Golf MK4
Gti 18T engine using the MATLAB software Following the geometry of the connecting rod with
real dimensions was generated in the SOLIDWORKS software Finally the behavior and reaction
of the connecting rod were simulated both for transient and structural thermal flow in ANSYS
The results obtained show that the efforts and the deformations in the connecting rod in
comparison with the performance limits of the material are within the permissible limits in
addition to the identification of the vulnerable points before a possible failure or fracture
Keywords connecting rod internal combustion engine overheating thermo-static
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
1
INTRODUCCIOacuteN
Los motores de combustioacuten interna son los maacutes usados en los automoacuteviles los cuales en
ocasiones presentan fallas mecaacutenicas tan diversas como la cantidad de componentes del motor
Diferentes autores han determinado dentro de la diversidad de problemas relacionados con la biela
del motor los siguientes la fatiga el pasador que conecta a la biela del pistoacuten el cual recibe una
gran cantidad de desgaste el motor revolucionado el agua que ingresa al cilindro del motor en el
momento de la chispa la cual puede ocasionar que la biela se doble y deformaciones de la biela por
sobrecalentamiento por ello es importante que el sistema de lubricacioacuten se encuentre en buen
estado Asociado a esto es importante que se verifique el tratamiento teacutermico de los ciguumlentildeales de
tal forma que se tenga una resistencia adecuada Que en caso de presentarse alguno de estos
problemas la reparacioacuten del motor implica no solo la reposicioacuten de la biela sino de todas las piezas
afectas e incluso el cambio o restitucioacuten completa del motor
1 Planteamiento del problema
Preferentemente cuando se realiza la reparacioacuten de un motor de auto se debe comprobar el
estado de todas las piezas moacuteviles y fijas antes de la realizacioacuten de un trabajo de verificacioacuten pero
en la mayoriacutea de ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa revisioacuten de su estado
Una biela es un elemento fundamental en el funcionamiento de un motor ya que trasforma la
energiacutea quiacutemica generada por la combustioacuten en una energiacutea cineacutetica siendo el enlace entre la
absorcioacuten de la energiacutea mecaacutenica por lo que la biela es el elemento maacutes tensionado de un motor
y su correcto disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes Por lo anterior la biela es robusta en su
disentildeo pero a la vez debe ser lo maacutes ligera posible para reducir la inercia y soportar los esfuerzos
mecaacutenicos a los que se encuentra sometida [1]
La biela soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del
ciguumlentildeal hacia arriba un trabajo realmente duro el que realiza la biela Se construye de acero
forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al material aguantar ese inmenso
trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta conseguir la forma de la biela
[2]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
2
Asociado a esto al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentan desgastes excesivos y prematuros los cuales pueden ocasionar una falla es por esto
importante considerar un buen sistema de lubricacioacuten durante el funcionamiento del motor La
temperatura en la caacutemara de combustioacuten debe ser superior a los 2000 degK siendo eacutesta una
temperatura instantaacutenea pues disminuye durante el tiempo de expansioacuten y escape de gases Es por
lo tanto necesario disipar el calor producido en la explosioacuten y si el sistema no funciona
correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como consecuencia
deformaciones importantes por sobrecalentamiento [3]
Una biela arqueada o retorcida sobre su eje provoca un ruido en el motor y este arqueamiento es
ocasionado por un diaacutemetro excesivo en el pie o cabeza de la biela o por un peso inadecuado del
elemento [4] En la rectificacioacuten de un motor de combustioacuten interna se rectifican 21 brazos de biela
en un mes lo que significa que estos elementos no son cambiados ya que los brazos de biela estaacuten
disentildeados para tener una vida infinita y estaacute sometido a millones de repeticiones de ciclos de carga
[5]
Es pertinente mencionar que con relacioacuten a las fallas mecaacutenicas de los motores relacionadas a la
biela de un motor se han encontrado investigaciones realizadas en diversos paiacuteses como Ecuador
Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico las cuales se detallan en apartados posteriores Que
conjuntamente a la constante evolucioacuten tecnoloacutegica de la ingenieriacutea en general y el disentildeo
mecaacutenico en particular se decidioacute analizar cuaacuteles son los factores que influyen en el
comportamiento de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) Se
plantea entonces el siguiente problema de investigacioacuten
iquestCuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor de VW1 Golf MK4 Gti
18 T
1 Propoacutesito de la investigacioacuten
El propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar y analizar el comportamiento
termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) que
1 VW Agencia de Autos VolksWagen
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
3
es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico La finalidad es identificar las
fallas de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros
encendido por chispa accionado por gasolina que sirva de apoyo para el buen funcionamiento de
la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten
Frecuentemente la reparacioacuten de un auto depende del cuidado y buen mantenimiento que se deacute
al vehiacuteculo caso contrario esto va influir en el desgaste anticipado de los elementos fijos y moacuteviles
de un motor Ademaacutes en muchas ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa
revisioacuten de su estado o de un anaacutelisis de sus propiedades mecaacutenicas Por tales razones la
justificacioacuten de la presente investigacioacuten estaacute basado en diferentes aspectos los cuales se describen
a continuacioacuten
Conveniencia Reparar el motor tiene varias fases y las fallas tienen diferentes consecuencias
por lo cual hay que hacer un buen diagnoacutestico en cada una de sus piezas principalmente en las
bielas sin embargo no se conoce especiacuteficamente cuales son los problemas que origina la
falla de esta pieza El resultado esperado para la presente investigacioacuten seraacute realizar un anaacutelisis
termo-estaacutetico que permitiraacute identificar los esfuerzos y deformaciones para tomar decisiones
acertadas y precauciones de riesgo que puede generar el sobrecalentamiento del motor
Implicacioacuten praacutectica El analizar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un
motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa
permitiraacute determinar la fuerza axial para posteriormente identificar la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica Con estos datos junto con la simulacioacuten de la geometriacutea estaacutetica y
estructural de la biela permitiraacuten identificar posibles deformaciones Los resultados podraacuten
confirmar su aplicabilidad ya que ayudaraacuten a tomar precauciones importantes para que el
motor tenga un excelente funcionamiento evitando riesgos fatales que pueden extenderse a la
destruccioacuten total del motor Se evidenciaraacute la necesidad de maacutes investigaciones destacaacutendose
los beneficios de la simulacioacuten poniendo en evidencia su relevancia social y su practicidad
Finalmente este estudio participa en el avance positivo en el campo de la ingenieriacutea mecaacutenica
Relevancia Social Al tener una posible solucioacuten aproximada mediante el anaacutelisis del
elemento finito el anaacutelisis estructural de la fuerza sobre la biela y la realizacioacuten de la
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
4
simulacioacuten para esfuerzos y deformaciones se podraacuten tener productos de calidad a menor
costo mejorar los procesos existentes y tambieacuten estudiar fallos de un componente estructural
o un equipo teniendo un impacto positivo debido a que permitiraacute que el motor de combustioacuten
interna tenga menos dantildeos
Valor Teoacuterico La elaboracioacuten del trabajo de investigacioacuten traeraacute como beneficio
herramientas metodoloacutegicas para estudios relacionados con las ciencias exactas
contribuyendo con aportes significativos a la aplicacioacuten de la teoriacutea de motores de combustioacuten
interna lo que permitiraacute el enriquecimiento de la ingenieriacutea mecaacutenica
3 Objetivos
31 Objetivo general
Analizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor VW Golf MK4
Gti 18T
32 Objetivos especiacuteficos
Identificar el comportamiento termo - estaacutetico de la biela en un motor de combustioacuten interna
de 4 tiempos y 4 cilindros encendido por chispa
Determinacioacuten de la fuerza axial que actuacutea en una biela en un motor VW Golf MK4 Gti 18T
Obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiomeacutetrica
Identificar posibles deformaciones de la biela con base en la simulacioacuten de su geometriacutea
estaacutetica y estructural
Elaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de un motor VW Golf MK4 Gti 18T
4 Alcances
La investigacioacuten se realizoacute en una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos
y cuatro cilindros encendido por chispa
Se trabajaron las etapas de anaacutelisis termo - estaacutetico y determinacioacuten de la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica dentro de la caacutemara del cilindro
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
5
Para la realizacioacuten de estas etapas se utilizoacute el software SolidWorks para generar la geometriacutea
real de la biela Se utilizoacute asiacute mismo ANSYS para la simulacioacuten estaacutetica estructural para
identificar esfuerzos y deformaciones de la biela
5 Organizacioacuten del estudio
El desarrollo de esta investigacioacuten comprende cinco capiacutetulos los cuales se describen a
continuacioacuten
Capiacutetulo 1 Estado del Arte la descripcioacuten de las investigaciones relacioacuten a las fallas
mecaacutenicas de los motores relacionadas a la biela de un motor relacionadas en diversos paiacuteses
como Ecuador Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico
Capiacutetulo 2 Marco Teoacuterico se desarrolla inicialmente el marco conceptual sobre las bielas los
componentes de las bielas anaacutelisis estaacutetico y teacutermico motor de combustioacuten haciendo eacutenfasis en
el disentildeo mecaacutenico de una biela
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea se abordan los aspectos metodoloacutegicos de la investigacioacuten como son
enfoque alcance formulacioacuten de hipoacutetesis disentildeo seleccioacuten de la muestra recoleccioacuten de datos
y el procesamiento y anaacutelisis de datos
Capiacutetulo 4 Anaacutelisis e interpretacioacuten de Resultados se analizan e interpretan los resultados
obtenidos en las pruebas de simulacioacuten
Capiacutetulo 5 Conclusiones y Recomendaciones se presentan las conclusiones
recomendaciones y aportaciones de la experiencia adquirida durante la investigacioacuten realizada
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
6
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE
Como ya se mencionoacute anteriormente el propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar
y analizar el comportamiento termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa (ECH) que es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico
Y con la finalidad de identificar las fallas de la biela y que estos resultados sirvan de apoyo para el
buen funcionamiento de la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
Resultado de la buacutesqueda sobre las investigaciones relacionadas con el propoacutesito de esta
investigacioacuten Se encontroacute que en Ecuador Reyes Cantildeizares y Villacres [6] realizaron un estudio
el cual consistioacute en analizar un brazo de biela de un motor que ha alcanzado el kilometraje
necesario para una reparacioacuten y no presenta ninguna falla en su estructura y comparar los
resultados con el brazo de una biela nueva Para desarrollar este anaacutelisis realizaron un ensayo de
traccioacuten bajo la norma ASTM con el fin de obtener los valores del liacutemite de fluencia y la resistencia
a la traccioacuten del material del que estaacute hecho el elemento A partir de los resultados obtenidos los
valores praacutecticos de las propiedades mecaacutenicas de los brazos de biela cumplen con los datos
teoacutericos del tipo de material del cual estaacuten fabricadas A su vez se demostroacute que el brazo de biela
de un vehiacuteculo con un recorrido de 1197599 km mejoroacute su estructura y sus propiedades
mecaacutenicas debido a la temperatura de los ciclos de trabajo del motor que van entre los 800 y 950
degC Los resultados mostraron que las propiedades mecaacutenicas del elemento mejoraron con el tiempo
y con la temperatura de funcionamiento del motor debido al tratamiento teacutermico de normalizacioacuten
A partir de los anaacutelisis realizados se determinoacute que el brazo de biela usado se encuentra en
condiciones oacuteptimas para ser utilizado en una reparacioacuten de motor asegurando asiacute el adecuado
funcionamiento y evitando el reemplazo del elemento lo que dio como resultado un ahorro
econoacutemico
Estudios elaborados en Brasil por Valdeacutez et al [7] indican que los motores de combustioacuten
interna son los maacutes usuales en los automoacuteviles y sirven para producir fuerza Entre los problemas
que se han encontrado son las fallas de las bielas relacionadas con otras fallas y especiacuteficamente
de los ciguumlentildeales los cuales fueron analizados dando un incorrecto rectificado de los muntildeones
produciendo alta generacioacuten de calor sobre las superficies en contacto originando pequentildeas fisuras
por fatiga teacutermica El valor de dureza promedio obtenido del nuacutecleo del ciguumlentildeal fue de 26 puntos
en la escala Rockwell C que equivale aproximadamente a 255 puntos en la escala Brinell y a una
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
7
resistencia de 85 kgmm2 Se concluye que el tratamiento teacutermico de bonificado realizado sobre el
ciguumlentildeal se desarrolloacute fuera de las normas obtenieacutendose una resistencia menor al liacutemite miacutenimo
recomendado De los resultados del anaacutelisis metalograacutefico se pudo identificar la presencia de
austenita retenida cuya proporcioacuten afecta inversamente la dureza y la resistencia final En los
resultados que se obtuvieron los autores mencionan que es necesario realizar un tratamiento
teacutermico de endurecimiento superficial como la nitruracioacuten Tambieacuten recomiendan estudiar la
bitaacutecora del tratamiento teacutermico utilizado en la produccioacuten del ciguumlentildeal con el fin de identificar
la etapa del tratamiento teacutermico que presenta el problema [8]
De igual forma indagaciones elaboradas en Argentina por Cravino et Al [9] mencionan que
existen diversos problemas cuando llegan a tener fallas las bielas de un motor por lo que los
autores mencionan que analizaron las dificultades desde el punto de vista dimensional metaluacutergico
y mecaacutenico a fin de determinar las causas probables de dichas fallas Seguacuten los resultados
obtenidos el material de la biela corresponde a un acero del tipo SAE 1141 que no concuerda con
el requerido por el fabricante No se encontraron defectos microestructurales o superficiales en el
material asociados con la falla La superficie de fractura presenta un comienzo deacutebil que finaliza
con las caracteriacutesticas fibrosas de un proceso duacutectil La causa probable de la falla del componente
se atribuye a una sobrecarga que produjo superacioacuten en el liacutemite elaacutestico del material y que
posteriormente dio lugar al pandeo plaacutestico del componente variando su geometriacutea y
fracturaacutendose totalmente Esta falla se debioacute a que el elemento estuvo sometido a un esfuerzo
mayor al que corresponderiacutea en condiciones normales de funcionamiento
Estudios realizados en Espantildea por Gonzaacutelez [10] mencionan que la naturaleza de las fuerzas que
afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de inercia En la
investigacioacuten sobre el disentildeo de una biela el autor utilizoacute el software de aplicacioacuten Working Model
que ayudoacute para el anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico mediante la simulacioacuten La finalidad fue calcular
las fuerzas aplicadas en la cabeza y el pie de la biela para posteriormente hacer un anaacutelisis de
elementos finitos que definieran los esfuerzos En los resultados obtenidos se logroacute disminuir la
longitud de la biela la cual permitioacute compactar maacutes el motor y reducir su peso De esta forma el
consumo y las emisiones del motor seraacuten menores que es uno de los grandes objetivos actualmente
de la industria automoviliacutestica Al realizar la simulacioacuten para el pandeo de la biela se aplicoacute un
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
8
valor de α2=2 obteniendo una carga criacutetica de pandeo de 3799522 N por lo que la carga para
evitar el fenoacutemeno de pandeo es σpandeo3 = 15663 MPa Con estos datos el autor afirma que la
biela no va a sufrir pandeo en ninguacuten caso considerando ademaacutes que el cuerpo estaacute
sobredimensionado
Aunado a lo anterior investigaciones realizadas en Meacutexico por Espinoza indican que las fallas
de los autos se deben al kilometraje recorrido de los cuales causan desgastes inevitables para el
motor provocando todo tipo de fallas incluyendo los de las bielas Los propietarios de los
vehiacuteculos necesitan por lo tanto recurrir a expertos que reparen los vehiacuteculos y garanticen su
funcionamiento [11] En el Estado de Meacutexico en especial en la zona de Texcoco se cuenta con
talleres que se encargan de la reparacioacuten de vehiacuteculos en general Eacutestos aun cuando ofrecen el
servicio de reparacioacuten de motores no trabajan directamente con este tipo de especiacutefico de
reparacioacuten sino que acuden a talleres especializados en rectificacioacuten para remediar los dantildeos
internos en los mismos Muchas veces no se dedican a la reparacioacuten de fallas de bielas debido a
que existen muchos factores que influyen en este tipo de descompostura En los motores la
principal fuente de energiacutea es la gasolina que es el combustible empleado con mayor frecuencia
por lo tanto es importante la calidad de ella para el oacuteptimo funcionamiento [12]
De igual forma Riesco et al [13] en estudios realizados en Hidalgo para comparar los modelos
de transferencia de calor y duracioacuten de la combustioacuten en el comportamiento de los ciclos
termodinaacutemicos de los motores de combustioacuten interna alternativos Dentro de los resultados
obtenidos los autores mencionan que los ciclos de aire estaacutendar con leyes de quemado permiten
tener resultados maacutes aproximados a los reales que los ciclos teoacutericos de aire estaacutendar Esto se debe
principalmente a que con los meacutetodos de simulacioacuten se toman en cuenta las peacuterdidas de energiacutea
por refrigeracioacuten y no se supone que la adicioacuten de calor se realice a presioacuten o volumen constante
sino que su velocidad se controla mediante expresiones empiacutericas Los resultados muestran que la
eleccioacuten tanto del modelo de transferencia de calor como el de la duracioacuten de la combustioacuten es
muy subjetiva y debido a que los sistemas de los motores se cambian contantemente se deberaacuten
ajustar las constantes que aparecen en dichos modelos para cada motor en particular
2 Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente a PMS 3 Inestabilidad elaacutestica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos y que se manifiesta por la aparicioacuten de
desplazamientos importantes transversales a la direccioacuten principal e compresioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
9
Figura 1Estado del arte
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
10
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
Un auto estaacute compuesto por diferentes piezas entre las cuales se encuentran filtro de aire
carburador distribuidor bomba de gasolina bobina de encendido filtro de aceite bomba de aceite
caacuterter aceite lubricante toma de aceite cables de alta tensioacuten de bujiacuteas bujiacutea balanciacuten muelle de
vaacutelvula vaacutelvula de escape vaacutelvula de admisioacuten lumbrera de admisioacuten caacutemara de combustioacuten
varilla empujadora aacuterbol de levas aros de pistoacuten pistoacuten biela buloacuten ciguumlentildeal muacuteltiple de escape
refrigeracioacuten del motor varilla medidora de aceite volante y motor de arranque
21 Conceptualizacioacuten del motor
La palabra motor proviene del latiacuten motoris que significa mover y en lo que se refiere a
automoacuteviles estos se encuentran disentildeados por varios elementos entre los cuales se encuentran los
motores el cual da vida a un auto sin eacutel no hay movimiento Un automoacutevil utiliza una fuente de
energiacutea mecaacutenica para poder moverse la cual se obtiene mediante una transformacioacuten de otros tipos
de energiacutea dentro del motor como la eleacutectrica de combustioacuten o la combinacioacuten de ambas
Seguacuten Renzo [14] el motor de un auto es un motor de combustioacuten interna el cual obtiene energiacutea
mecaacutenica desde la energiacutea quiacutemica que se genera cuando explota el combustible en el interior El
motor estaacute formado por un conjunto de caacutemaras de combustioacuten llamadas cilindros dentro de las
cuales se producen sus cuatro tiempos de funcionamiento admisioacuten compresioacuten explosioacuten y
escape
Para Fersainz [15] un motor es una maacutequina que convierte el calor producido por la explosioacuten
(en el caso de los de gasolina) o la combustioacuten (en el caso de dieacutesel) del combustible en un
movimiento con suficiente fuerza para que las ruedas giren y el vehiacuteculo pueda desplazarse El
autor menciona que en los motores convencionales los autos se ponen en movimiento debido a
una chispa que se genera en la mezcla de vapor de combustible y aire comprimido dentro de un
cilindro sellado haciendo que la mezcla se queme raacutepidamente y proporciona energiacutea
Se puede concluir que un motor es una maacutequina compuesta por varios elementos el cual puede
proporcionar energiacutea utilizando alguacuten tipo de combustible para que tenga un funcionamiento
adecuado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
11
22 Clasificacioacuten de motores
Existen diferentes tipos de motores entre los cuales se encuentran los eleacutectricos los teacutermicos
eacutestos se subdividen en motores de combustioacuten externa e interna y los hiacutebridos Los cuales se
describen a continuacioacuten
221 Motores eleacutectricos
En este tipo de autos el combustible utilizado es la electricidad Eacutesta se convierte en energiacutea
mecaacutenica mediante una interaccioacuten entre campos magneacuteticos opuestos generados por imanes y un
conductor de electricidad Debido a una constante atraccioacuten y repulsioacuten magneacutetica entre ellos se
produce una rotacioacuten continua dentro del motor generando energiacutea necesaria para el movimiento
del vehiacuteculo [16] La figura 2 muestra un motor eleacutectrico
Para Enriquez [17] los motores eleacutectricos representan los caballos de batalla de la industria y
del movimiento en general Su uso se da ademaacutes en hospitales escuelas edificios de oficinas y
centros comerciales en donde se usan para aplicaciones en suministro de agua calefaccioacuten
enfriamiento y muchas otras rutinas de trabajo Estos motores son usados en los automoacuteviles
modernos aunque son maacutes complejos que el simple cableado eleacutectrico y se usan en casi todos los
aspectos operativos del automoacutevil [18]
Un motor eleacutectrico transforma la energiacutea eleacutectrica en energiacutea mecaacutenica para impulsar el
funcionamiento de una maacutequina [19]
Figura 2 Motor eleacutectrico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
12
Se puede concluir que un motor eleacutectrico es una maacutequina que tiene la capacidad de transformar
energiacutea eleacutectrica en mecaacutenica de tal forma que permita el movimiento de un vehiacuteculo Su tamantildeo
y su volumen es reducido y su potencia puede ser alta
222 Motores teacutermicos
Los motores teacutermicos son maacutequinas que tienen por objeto transformar energiacutea caloriacutefica en
energiacutea mecaacutenica directamente utilizable [20] Eacutestos se clasifican en motores de combustioacuten
externa y motores de combustioacuten interna los cuales se describen en las secciones 224 y 23
respectivamente
223 Motores hiacutebridos
Un sistema hiacutebrido se basa en una fuente de combustioacuten interna de gasolina combinado con un
motor eleacutectrico para propulsar el vehiacuteculo tal como se visualiza en la figura 3
Este tipo de motor reduce las emisiones y aumenta la eficiencia de combustible Los vehiacuteculos
hiacutebridos utilizan la energiacutea mucho maacutes eficientemente que los sistemas de gasolina convencionales
[19] Se denomina motor hiacutebrido a un vehiacuteculo en el cual la energiacutea eleacutectrica que lo impulsa
proviene de bateriacuteas y de un motor de combustioacuten interna que mueve un generador Entre sus
ventajas se encuentran 1) su autonomiacutea ya que eacutesta depende del combustible almacenado en el
tanque 2) tiene un alto y uniforme rendimiento incluso a bajas temperaturas 3) el motor de
combustioacuten interna funciona bajo un estrecho margen de carga y velocidad lo que incrementa su
eficiencia [21]
Figura3 Motor hiacutebrido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
13
Para Chang [22] un motor hiacutebrido es aquel que combina un motor de combustioacuten interna y un
motor eleacutectrico los cuales tienen una mayor eficiencia energeacutetica y esto se debe a que este tipo de
motores son maacutes pequentildeos y por lo tanto consumen poca energiacutea
Por lo expuesto anteriormente se puede decir que un motor hiacutebrido es aquel que tiene una
combinacioacuten de un motor de combustioacuten interna y un motor eleacutectrico Esta combinacioacuten optimiza
su funcionamiento para un mejor rendimiento
224 Motores de combustioacuten externa
En la figura 4 se muestra un ejemplo de motor de combustioacuten externa Al igual que los motores
de combustioacuten interna son motores teacutermicos en los cuales el motor alcanza un estado teacutermico
mayor mediante la transmisioacuten de energiacutea teacutermica [23]
Su principal funcioacuten es hacer trabajo mecaacutenico a expensas de la expansioacuten y contraccioacuten de un
gas en un recinto cerrado El motor cuenta con un desplazador que hace que el gas pase de la zona
friacutea a la zona caliente y luego a la zona friacutea nuevamente producieacutendose consecuentemente su
tendencia a la expansioacuten y su posterior contraccioacuten [24]
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
14
Los motores de combustioacuten externa seguacuten Meza [24] son maacutequinas que realizan una conversioacuten
de energiacutea caloriacutefica en energiacutea mecaacutenica El rendimiento teacutermico de estos los motores se ve
limitado por varios factores principalmente por la peacuterdida de energiacutea por la friccioacuten y la
refrigeracioacuten
23 Motores de combustioacuten interna
Un motor de combustioacuten interna es un motor teacutermico en el cual se produce una combustioacuten del
fluido del motor transformando la energiacutea quiacutemica en teacutermica a partir de la cual se obtiene energiacutea
mecaacutenica Un ejemplo de este tipo de motor se aprecia en la figura 5
Estos motores tienen como principal fuente de energiacutea la gasolina Eacuteste es el combustible
empleado con mayor frecuencia por lo que es importante su calidad para un oacuteptimo
funcionamiento Un buen combustible debe tener un octanage aceptable ya que la gasolina debe
explotar dentro del cilindro para generar el movimiento del pistoacuten [26]
Este tipo de motores transforma el calor generado por el combustible ya sea dieacutesel o gasolina
en movimiento mecaacutenico del automoacutevil Durante este proceso el oxiacutegeno del aire se mezcla con el
combustible y hace que este uacuteltimo explote (en el caso de la gasolina) generando gases cuya fuerza
de expansioacuten teacutermica acciona sobre el pistoacuten que a su vez empuja el ciguumlentildeal y hace que eacuteste
ponga en movimiento las ruedas del automoacutevil [28]
Figura 5 Motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
15
Seguacuten Creus [29] un motor de combustioacuten interna utiliza la energiacutea interna del combustible para
que el motor realice un trabajo Dichos motores son ampliamente utilizados como fuentes de
alimentacioacuten en lugares de difiacutecil acceso Sin embargo los motores de combustioacuten interna de
dieacutesel tienen un rango de fallo por cada antildeo de explotacioacuten de entre 25 a 50
Se conoce como motores de combustioacuten interna (o endoteacutermicos) alternativos a cualquier tipo de
maacutequinas que a partir de energiacutea quiacutemica sean capaces de convertirla y obtener energiacutea mecaacutenica
para su uso El arranque de los motores se lleva a cabo en su caacutemara interna y sucede al momento
de ser encendido [20]
El motor de combustioacuten interna es la unidad energeacutetica y motriz de los medios de transporte
maacutequinas y equipos que se utilizan en actividades de diversas ramas de la economiacutea [30]
Se puede decir que un motor de combustioacuten interna es aquel que es capaz de convertir la energiacutea
quiacutemica en mecaacutenica para que se pueda utilizar de manera oacuteptima
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna
La clasificacioacuten de los motores puede ser extensa esto debido al disentildeo y mecanismos
mecaacutenicos A continuacioacuten se describen algunas clasificaciones
Respecto a la forma de los cilindros Su distribucioacuten puede ser en ldquoVrdquo o ldquoen liacuteneardquo esto
depende de la cantidad de cilindros existentes los cuales van en funcioacuten de la potencia del
motor Normalmente los motores de automoacuteviles son de 4 o 6 cilindros distribuidos en ldquoVrdquo
Referente a la forma de refrigeracioacuten Pueden ser refrigerados por liacutequido que normalmente
es agua donde el calor es evacuado al radiador del auto Tambieacuten pueden ser refrigerados por
aire donde se necesita de un ventilador que ayude a circular el aire alrededor del motor
Concerniente a las caras de los pistones Los motores convencionales utilizan una cara activa
de los pistones que se conocen como pistones de simple efecto Son aquellos que se
encuentran en contacto con el fluido activo y recibe el impacto de la energiacutea quiacutemica De igual
forma existen motores que utilizan los pistones de doble efecto los cuales funcionan en dos
direcciones y usan dos cilindros con dos pistones y dos bielas conectados a su respectivo
ciguumlentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
16
Respecto a la presioacuten del aire a la caacutemara de combustioacuten En las maacutequinas convencionales
el aire de la atmoacutesfera entra directamente a la caacutemara y la presioacuten es la atmosfeacuterica Dichos
motores usan un comprensor que se encargan de comprimir el fluido antes de conducirlo al
interior del motor
Referente a la introduccioacuten de combustible a la caacutemara interna Se clasifican en motores
de inyeccioacuten y carburacioacuten en estos uacuteltimos se mezclan los fluidos operantes para
posteriormente introducirlo a la caacutemara por medio de una vaacutelvula reguladora
Concerniente al ciclo operativo Se refiere a la cantidad de operaciones que el fluido activo
ejecuta en el cilindro La duracioacuten del ciclo la mide el pistoacuten
Respecto al tipo de encendido Esta clasificacioacuten radica en el modo de encendido con el ciclo
termodinaacutemico con el que opera la maacutequina [28]
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna
Los elementos de un motor de combustioacuten interna son biela pistoacuten y ciguumlentildeal los cuales se
describen en los siguientes apartados
24 Conceptualizacioacuten de la biela
La biela es el elemento del motor encargado de transmitir al ciguumlentildeal la presioacuten de los gases que
actuacutea sobre el pistoacuten Es un elemento de difiacutecil lubricacioacuten y es una parte criacutetica del motor por lo
que su disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes [31] Por lo general las bielas se fabrican de acero
templado aunque en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio
[32] tal como se muestra en la figura 6
Para Morillo Ibaquingo amp Benavides [33] una biela es un elemento mecaacutenico que conecta el
pistoacuten al ciguumlentildeal Sirve ademaacutes para transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
transformando esta fuerza de lineal a rotativa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
17
Figura 6Biela
Para Alzalluacute [34] por o tro lado la biela se encuentra intercalada entre el pistoacuten y el ciguumlentildeal
Soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del ciguumlentildeal hacia
arriba Se construyen de acero forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al
material aguantar ese inmenso trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta
conseguir la forma de la biela Su cuerpo adopta una forma de ldquodoble Trdquo
Las bielas estaacuten sometidas en su trabajo a esfuerzos de compresioacuten traccioacuten y tambieacuten de flexioacuten
muy grandes y por ello se fabrican con materiales resistentes pero a la vez han de ser lo maacutes
ligeros posibles Generalmente estaacuten fabricadas de acero con silicio manganeso y cromo Son
perforadas es decir se les crea un conducto por donde circula el aceite bajo presioacuten desde la
cabeza hasta el pasador con el fin de lograr una buena lubricacioacuten [27]
241 Elementos de una biela
En la figura 7 como puede apreciarse estaacute conformada por el pie que es el extremo que va
unido al buloacuten que a su vez va enganchado en el ciguumlentildeal Este es el extremo maacutes pequentildeo de la
biela El Cuerpo es la zona central de la biela que debe soportar la mayor parte de los esfuerzos
pero al estar en continuo movimiento tambieacuten debe de ser ligero por ello se suele construir con
forma de doble T
La Cabeza igual que el Pie y Cuerpo es la parte que va unida al ciguumlentildeal A diferencia del pie la
cabeza va dividida en dos mitades una de ellas unida al cuerpo y la otra (sombrerete) separada de
eacuteste requirieacutendose dos tornillos para unirse a eacutel Estaacuten tambieacuten el casquillo o cojinete Tornillos
de dilatacioacuten y vaacutestago de biela Por lo general las bielas se fabrican de acero templado aunque
en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio [35]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
18
Figura 7 Partes de la biela
La biela es la pieza que estaacute encargada de transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela
Los metales de los que estaacuten hechas las bielas deben reunir diversas caracteriacutesticas las cuales se
describen a continuacioacuten
Resistencia a la fatiga La firmeza que recubre a la biela debe ser mayor que la presioacuten de la
carga dinaacutemica en la peliacutecula del aceite mayor de las cargas de explosiones en la caacutemara de
combustioacuten y mayor que las cargas por inercia de las masas rotantes
Conformidad El casquillo del metal de la biela debe tener la geometriacutea exacta para mantener
el aceite en un nivel consistente con la resistencia a la fatiga de la aleacioacuten
Compatibilidad Es la resistencia que tiene el material de las diferentes aacutereas de unioacuten
Resistencia a la corrosioacuten El lubricante debe tener un determinado grado de acidez que
corroeraacute la superficie del material por lo que el metal de la biela debe ser capaz de resistir lo
mejor posible este efecto
Incrustabilidad En el aceite de los motores se encuentran partiacuteculas de basura que la
superficie del metal de la biela debe ser capaz de aceptar con el menor dantildeo posible [36]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
19
243 Fallas en las bielas del motor
Existen diferentes circunstancias por las que puede fallar una biela en un motor entre las cuales se
encuentran
Fatiga Es una falla de las bielas rotas y aunque la estructura de las bielas de motor estaacute hecha
para resistir las altas fatigas producto de las altas revoluciones en el motor esto no duraraacute para
siempre
Pasador El pasador que conecta la biela al pistoacuten recibe una gran cantidad de desgaste Si
este pasador suelta la varilla de conexioacuten ya no estaraacute conectada al motor lo que resulta en un
problema para eacutel
Motor revolucionado Un motor revolucionado es la principal causa de falla de las varillas
de conexioacuten de los motores nuevos y de alto rendimiento
Agua en el motor Si entra mucha agua en el cilindro en el momento de la chispa la biela se
puede doblar o romper [37]
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten
El pistoacuten es el encargado de darle la fuerza generada por la explosioacuten a la biela para que ella
haga el resto y debido a los esfuerzos tanto de friccioacuten como de calor a los que estaacute sometido el
pistoacuten se fabrica con materiales muy resistentes al calor y al esfuerzo fiacutesico pero siempre
empleando materiales ligeros para aumentar su velocidad faacutecilmente y poder alcanzar regiacutemenes
de rotacioacuten elevados [38] Los pistones se fabrican de aluminio silicio niacutequel y magnesio [39] un
ejemplo de pistoacuten se muestra en la figura 8
Figura8 Pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
20
Seguacuten Gontildei amp Rojas [40] se denomina pistoacuten a uno de los elementos baacutesicos del motor de
combustioacuten interna Se trata de una pieza que se ajusta al interior de las paredes del cilindro
mediante aros flexibles llamados anillos Efectuacutea movimientos obligando al fluido que ocupa el
cilindro a modificar su presioacuten y volumen
Un pistoacuten estaacute constituido por partes cabeza arcos y cubos del perno La funcioacuten del pistoacuten es
cerrar y obturar la caacutemara de combustioacuten interna asiacute como recibir la fuerza causa en la combustioacuten
a traveacutes de la biela y transmitirla al ciguumlentildeal como fuerza de torsioacuten tambieacuten transmite el calor
producido por los gases de combustioacuten hacia las paredes del cilindro para que sean refrigeradas por
el lubricante El pistoacuten se desplaza raacutepidamente por el interior de los cilindros el cual tiene
segmentos los cuales consiguen la estanquidad necesaria entre el pistoacuten y las paredes del cilindro
De este modo se evita que parte del gas comprimido se escape hacia la parte inferior del motor Por
ese motivo el pistoacuten debe estar fabricado de un material ligero y resistente a la vez Atravesando el
pistoacuten se observa un orificio pasante A traveacutes de este orificio el pistoacuten se une a la biela por
mediacioacuten de un buloacuten de acero [41]
El pie de la biela es el que la une al pistoacuten por medio del buloacuten el cuerpo por su parte asegura la
rigidez de la pieza y la cabeza gira sobre el codo del ciguumlentildeal como puede apreciarse en la figura
9
Los pistones del motor mantienen un movimiento constante hacia arriba y hacia abajo mientras
que el ciguumlentildeal genera un movimiento circular de modo que el auto puede avanzar Los pistones
de un motor se mueven arriba y abajo por el ciguumlentildeal dentro de los cilindros en el motor Las
explosiones que ocurren en estos cilindros de empuje contra los pistones permiten llevarlos de
vuelta y comenzar el ciclo otra vez Los pistones estaacuten conectados al ciguumlentildeal para asegurar que se
mueva con ellos y mantener sus movimientos regulados [42]
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
21
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal
En la figura 10 se aprecia el ciguumlentildeal encargado de transformar el movimiento de la biela en
movimiento rotatorio o circular Junto con el pistoacuten y la biela se considera la pieza maacutes importante
del motor Es una pieza que ha de soportar grandes esfuerzos por eso se construye de materiales
muy resistentes para que puedan aguantar cualquier movimiento sin romperse
El ciguumlentildeal es un aacuterbol de transmisioacuten que junto con las bielas transforma el movimiento
alternativo en circular o viceversa Consiste en un conjunto de manivelas una de ellas llamada
muntildeequilla y dos brazos que acaban en el eje giratorio del ciguumlentildeal Los ciguumlentildeales se utilizan en
los motores de combustioacuten de los automoacuteviles donde el movimiento lineal de los pistones dentro
de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del ciguumlentildeal
que a su vez se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia El ciguumlentildeal
es un elemento estructural del motor [43]
Para Aacutelvarez [42] el ciguumlentildeal estaacute situado en el motor de un vehiacuteculo y convierte la fuerza creada
por los pistones del motor El ciguumlentildeal estaacute conectado a todos los pistones en el motor y el volante
En la figura 11 se puede observar la articulacioacuten de la biela el pistoacuten y el ciguumlentildeal donde el
movimiento es rotativo para su adecuado funcionamiento Estos tres elementos no pueden
funcionar en forma separada
Figura 10Ciguentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
22
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal
Debido a los impulsos provocados por los pistones se presentan diferentes vibraciones
determinadas por el nuacutemero de revoluciones las cuales pueden provocar la rotura del ciguumlentildeal y
ruido excesivo en el motor Su funcioacuten es impulsar la fuerza de cada uno de los cilindros a traveacutes
del mecanismo de las bielas Estaacuten fabricados con materiales de acero cementado templado y con
aleaciones de niacutequel y cromo Estos materiales permiten tener un tratamiento teacutermico
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes
Desde hace tiempo la ingenieriacutea automotriz se ha enfocado en el disentildeo y la fabricacioacuten de
superficies que permitan reducir la friccioacuten principalmente en los cojinetes [364546]
Los cojinetes son los encargados de unir la biela con el ciguumlentildeal para evitar que haya rozamiento
entre ellos y evitar peacuterdidas de potencia y averiacuteos Tienen forma de media luna tal como se aprecia
en la figura 12 y se colocan entre el ciguumlentildeal y la cabeza de las bielas Estos deben ser construidos
con gran precisioacuten pues cualquier mala elaboracioacuten puede impactar en el funcionamiento del
motor
Figura 12Cojinetes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
23
Seguacuten Suaacuterez [47] los cojinetes son punto de apoyo de ejes para sostener su peso guiarlos en su
rotacioacuten y evitar deslizamientos Van colocados directamente en el bastidor de la pieza y los
cojinetes trabajan en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal
De acuerdo con Suaacuterez Toro amp Veacutelez [48] los cojinetes son que piezas de metal que descansan
y giran en cualquier eje de un motor Son dispositivos que se colocan entre la porcioacuten fija y la
porcioacuten giratoria de un motor y sirven para reducir al miacutenimo la friccioacuten entre ambas Los cojinetes
se fabrican con pequentildeas esferas metaacutelicas sin embargo no garantizan una vida uacutetil extensa El
rendimiento de los cojinetes es afectado por las condiciones de velocidad materiales en contacto
temperatura lubricacioacuten tipo de carga entre otros
271 Clasificacioacuten de los cojinetes
Los cojinetes se clasifican por friccioacuten o deslizamiento y de rodamiento Eacutestos se explican a
continuacioacuten
Cojinetes de friccioacuten o deslizamiento El cojinete de friccioacuten estaacute compuesto por dos pistas
una interior y otra exterior Eacutestas tienen contacto directo por medio de deslizamiento o friccioacuten
La reduccioacuten del rozamiento se realiza seguacuten la seleccioacuten de materiales y lubricantes Los
lubricantes tienen la funcioacuten de crear una peliacutecula deslizante que separe los dos materiales o
evite el contacto directo Para Veacutelez [49] los cojinetes de friccioacuten son aquellas piezas que
entre mayor es la friccioacuten es maacutes difiacutecil el movimiento entre los dos objetos En el caso de
maacutequinas la friccioacuten ocasiona el desgaste de las piezas
Seguacuten Arias [50] los cojinetes de friccioacuten son puntos de apoyo de ejes y aacuterboles para sostener
su peso guiarlos en su rotacioacuten y evitar deslizamientos Van montados en soportes para
facilitar su montaje tal como se aprecia en la figura13 Mientras que para Espitia [51] es el
elemento mecaacutenico capaz de soportar los gorrones de los ejes giratorios que se caracteriza por
un reducido coeficiente de rozamiento asiacute como por la posibilidad de ser lubricado
constantemente Otra caracteriacutestica importante reside en el hecho de que el material del
cojinete debe ser maacutes blando que el eje para evitar el deterioro de eacuteste en el caso de una
lubricacioacuten defectuosa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
24
Figura 13Cojinetes de friccioacuten
Cojinetes de rodamiento Es un elemento mecaacutenico que reduce la friccioacuten entre un eje y las
piezas conectadas a eacuteste por medio de rodadura el cual sirve de apoyo y facilita su
desplazamiento Los elementos de rodadura pueden ser bolas o rodillos son piezas que
requieren facilitar la ejecucioacuten de rigurosos tratamientos teacutermicos para obtener piezas de gran
resistencia al desgaste y a la fatiga Se caracterizan por ser de escaso rozamiento sobre todo
en el arranque por tener mayor velocidad admisible y un menor consumo de lubricante Para
Meacuterida [52] los cojinetes de rodamiento son elementos mecaacutenicos que aseguran un enlace
moacutevil entre dos elementos de un mecanismo uno de los cuales se encuentra en rotacioacuten con
respecto al otro Su funcioacuten principal es la rotacioacuten relativa de dichos elementos bajo carga
con precisioacuten y con un rozamiento miacutenimo
Seguacuten Galicia [53] estos tipos de cojinetes estaacuten constituidos por dos anillos rodantes
separados entre siacute por unos cuerpos tambieacuten rodantes interpuestos entre eacutestos cuya forma
variacutea seguacuten su uso pudiendo ser de diferentes formas bolas rodillos ciliacutendricos agujas etc
En ellos el gorroacuten del aacuterbol y la superficie de rodadura del soporte estaacuten separados por
elementos rodantes de forma que con el giro del gorroacuten o del cojinete se genera un
movimiento de rodadura y no de deslizamiento tal como se muestra en la figura 14
Figura 14Cojinetes de rodamiento
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
25
Seguacuten Jaramillo [54] cerca de 40 de la energiacutea total transformada por un motor de combustioacuten
interna de un automoacutevil se disipa como trabajo de las fuerzas de friccioacuten La disminucioacuten de las
peacuterdidas por friccioacuten es un factor clave para lograr un mejor uso de los combustibles y la proteccioacuten
del medio ambiente El sistema anillo-pistoacuten-camisa responde por peacuterdidas equivalentes a 50 o
60 del total de las peacuterdidas por friccioacuten en un motor de estos
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos
En la figura 15 se puede observar la estructura baacutesica de un motor de cuatro tiempos el cuaacutel es
conocido por motor OTTO [55] Se usa como maacutequina motriz en automoacuteviles comerciales consta
de un ciclo de cuatro procesos los cuales se describen a continuacioacuten
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos
Como se mencionoacute anteriormente el ciclo consta de cuatro tiempos El primer tiempo
corresponde al de admisioacuten que es el momento que el pistoacuten estaacute en el punto maacutes alto conocido
como Punto Muerto Superior (PMS) Posteriormente la vaacutelvula de admisioacuten se abre y el propio
pistoacuten por el vaciacuteo que se crea dentro del cilindro aspira la mezcla (aire y combustible) hasta llegar
al punto maacutes bajo del cilindro del Punto Muerto Inferior (PMI)
El segundo tiempo se refiere a la compresioacuten donde el pistoacuten se encuentra en el punto maacutes bajo
(PMI) En este momento la vaacutelvula de admisioacuten se cierra y el pistoacuten empieza a ascender
comprimiendo la mezcla hasta llegar al punto maacutes alto del cilindro (PMS)
Figura 15Motor de cuatro tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
26
Respecto al tercer tiempo que concierne a la expansioacuten una vez que se ha comprimido la mezcla
la bujiacutea hace saltar una chispa y enciende la mezcla aumentando la presioacuten en el cilindro y
haciendo descender el pistoacuten hacia el punto maacutes bajo (PMI)
En el cuarto tiempo que corresponde al escape de gases es cuando el pistoacuten llega al punto maacutes
bajo (PMI) se abre la vaacutelvula de escape y el pistoacuten empieza a ascender empujando los gases
quemados hacia el exterior En el momento que llega al punto maacutes alto (PMS) la vaacutelvula de escape
se cierra En la figura 16 se muestra el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa basado en el ciclo Otto de cuatro tiempos o fases importantes admisioacuten
compresioacuten explosioacuten y escape [56]
Otto propuso cuatro principios del motor de cuatro tiempos que son maacuteximo volumen del
cilindro con miacutenima superficie de paredes maacutexima velocidad de trabajo posible maacutexima relacioacuten
de expansioacuten posible y maacutexima presioacuten posible al comienzo de la expansioacuten
En los motores de cuatro tiempos el pistoacuten sube y baja cuatro veces en el interior del cilindro
para realizar el ciclo completo La distribucioacuten se compone de vaacutelvulas que se abren y cierran
totalmente sincronizadas con el movimiento del pistoacuten Cuando el pistoacuten desciende el cilindro se
llena de aire y gasolina para lo cual la vaacutelvula de admisioacuten permanece abierta Posteriormente
despueacutes de producirse la explosioacuten en el interior del cilindro la vaacutelvula de escape se abre para que
los humos procedentes de la explosioacuten puedan salir hacia el tubo de escape del automoacutevil En este
tipo de motores se requiere de dos vaacutelvulas por cada cilindro
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
27
29 Sistema de encendido
El sistema de encendido es el encargado de encender la mezcla de aire y de combustible en el
momento que se requiera Para esta investigacioacuten el sistema de encendido es por inyeccioacuten directa
de gasolina o por chispa que son aquellos que inyectan la gasolina directamente dentro del cilindro
Este sistema permite un mayor control de la mezcla y por tanto del comportamiento del motor En
los motores de gasolina la mezcla se enciende gracias a la bujiacutea que proporciona una chispa lo
suficientemente potente como para comenzar la reaccioacuten El propio sistema de encendido tiene que
controlar el momento en el que la chispa ha de saltar para que se encienda la mezcla y sea lo maacutes
eficaz y factible posible La combustioacuten se realiza en el momento en que el pistoacuten estaacute en el punto
maacutes alto (PMS) de esta manera la mezcla se empieza a encender
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa
La caracteriacutestica principal de la inyeccioacuten directa de gasolina es que la mezcla se produce dentro
de la caacutemara de combustioacuten Durante la admisioacuten soacutelo entra aire por la (s) vaacutelvula (s) de admisioacuten
la gasolina es inyectada directamente en la caacutemara de combustioacuten por inyectores de alta presioacuten
[57] tal como se aprecia en la figura 17
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
28
292 Ventajas de la inyeccioacuten directa
Existen ventajas cuando se usa el encendido por chispa las cuales se describen a continuacioacuten
La gasolina se evapora directamente dentro del cilindro absorbiendo el calor del aire contenido
en eacuteste reduciendo la temperatura de la mezcla en la caacutemara de combustioacuten lo que disminuye
el riesgo de autoencendido e incrementa el rendimiento y la potencia
Ayuda a aumentar el rendimiento inyectando la gasolina directamente en el cilindro
Con respecto a la prevencioacuten del autoencendido la mayor contribucioacuten de la inyeccioacuten directa
de gasolina es cuando el motor trabaja en carga estratificada y por tanto no inflamable lo que
evita el autoencendido
Eficiencia en el periodo de admisioacuten debido a que soacutelo entra aire al cilindro inyectando la
gasolina despueacutes
Disminucioacuten del consumo de gasolina si se tiene poca gasolina el motor puede llegar a
funcionar esto permite que el motor aporte la energiacutea requerida con un aporte de gasolina
sustancialmente menor Esta disminucioacuten del consumo de gasolina disminuye tambieacuten de
emisiones de 1198621198742 Este contaminante es un producto del proceso de combustioacuten que soacutelo puede
reducirse disminuyendo el consumo de gasolina
Mejor rendimiento del motor debido a que la mezcla que se encuentra cerca de las paredes es
escasa y la temperatura de los gases de combustioacuten es mucho menor por lo que las peacuterdidas
por calor cedido a las paredes del cilindro tambieacuten se ven reducidas [58]
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa
Estos motores de encendido por chispa o inyeccioacuten directa tienen tambieacuten algunas desventajas
las cuales son
Se requiere de una bomba de alta presioacuten para proveer la gasolina a los inyectores con la
presioacuten requerida Eacutesta bomba toma la gasolina del depoacutesito y la alimenta regulando su presioacuten
de salida
Los inyectores deben ser aptos para resistir las altas presiones para inyectar gasolina
directamente en el cilindro y tambieacuten deben soportar las condiciones de la caacutemara de
combustioacuten tanto las altas temperaturas como las altas presiones derivadas de la combustioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
29
El sistema de encendido debe ser capaz de suministrar maacutes energiacutea debido a que el chorro de
gasolina puede impactar directamente con la bujiacutea mojaacutendola o la chispa apagarse debido a las
fuertes corrientes de aire y necesitar una segunda chispa
Se requiere de una sonda lambda de banda ancha que permita medir las variaciones en la carga
estratificada
Se necesita que la Unidad de Control de Motor (ECU) tenga mayor potencia de caacutelculo para
administrar las sentildeales que recibe y las salidas de control pues el motor tiene distintos modos
de operacioacuten y la ECU debe ser capaz de administrar las sentildeales que recibe para cada uno de
ellos y procesar las oacuterdenes en consecuencia
La cabeza del pistoacuten tiene que ser redisentildeada para que cuando el motor trabaja con carga
estratificada dirija la nube de mezcla rica en gasolina correctamente hacia la bujiacutea [59]
294 Descripcioacuten del proceso de encendido
Para encender el motor de gasolina se necesita una chispa entre los dos electrodos de la bujiacutea
para producir la temperatura necesaria para que la mezcla encienda para lo cual se requieren
tensiones muy altas En la figura 18 se aprecia que en el momento en que se pone en contacto la
llave de arranque se cierra el circuito y la bateriacutea comienza a entregar voltaje el cual es muy bajo
ya que corresponde a 12 voltios Para incrementarlo entre los electrodos de las bujiacuteas la bobina
con ayuda del ruptor consigue cambiar a 30000 voltios Esta tensioacuten es enviada al delco donde
se encuentra el distribuidor giratorio que reparte la tensioacuten a la bujiacutea correspondiente [60]
Figura18 Sistema de encendido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
30
495 Componentes del sistema de encendido
El sistema de encendido en motores de gasolina tiene los elementos que se describen a
continuacioacuten
Alternador es un dispositivo que se acciona directamente por el motor que se encarga de
generar corriente para cargar bateriacutea Al estar directamente accionado por el motor si se suben
las revoluciones del motor tambieacuten aumenta la corriente generada
Bateriacutea Es la encargada de suministrar la energiacutea eleacutectrica para que circule hacia la bujiacutea
Dicha energiacutea viene dada por la reaccioacuten quiacutemica del plomo y aacutecido sulfuacuterico
Bobina Se encarga de transformar la baja tensioacuten que proviene de la bateriacutea en una tensioacuten
alta para hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea la cual consta de dos filamentos
enrollados Cuando el primero recibe la corriente de la bateriacutea el ruptor interrumpe la corriente
que pasa por eacuteste entonces al filamento secundario se le induce una corriente maacutes alta capaz
de hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea y encender la mezcla
Ruptor Se encuentra situado dentro del distribuidor y se encarga de interrumpir
perioacutedicamente la corriente en el filamento primario de la bobina para que la corriente sea
inducida en el secundario Esta interrupcioacuten es en base a la apertura de dos contactos los cuales
son comandados por una leva accionado por y a la misma velocidad que el aacuterbol de levas
Distribuidor Es el encargado de repartir la alta tensioacuten a la bujiacutea en cada momento Va
centrado en el delco donde tambieacuten se situacutea el ruptor y los reguladores de encendido
Bujiacutea Es el elemento que se encarga de hacer saltar la chispa para que encienda la mezcla de
aire y gasolina Estaacute recubierta de un aislante para disipar el calor generado en la caacutemara de
combustioacuten ya que estaacute lsquoen contacto directo con las explosiones
210 Sobrecalentamiento
El sobrecalentamiento del motor es la condicioacuten en la cual la temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y si se mantiene mucho tiempo llega a producir dantildeos graves en el
motor como torceduras y roturas de vaacutelvulas brazos de biela soplado de empaques torceduras de
culatas roturas de pistones etc
El tiempo de calentamiento de los motores modernos es prolongado sobre todo cuando las
condiciones ambientales son desfavorables y cuando la calefaccioacuten del motor se enciende Durante
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
31
el calentamiento del motor la vaporizacioacuten del combustible se dificulta y el catalizador no funciona
a plenitud por esto la reduccioacuten del tiempo de calentamiento del motor es esencial Para lo cual es
necesario reducir el volumen de refrigerante la masa del motor mejorar el aislamiento del motor
emplear sistemas calentadores adicionales emplear una unidad electroacutenica de control para
manipular la termodinaacutemica del motor y de esta misma manera controlar el desempentildeo teacutermico
todas estas medidas serviraacuten para reducir el tiempo del calentamiento y ayudaraacuten a un mejor
funcionamiento del motor [61]
El sobrecalentamiento del motor puede ser causado por cualquier cosa que disminuya la
capacidad del sistema de refrigeracioacuten para absorber transportar y disipar el calor Por lo tanto
los motores pueden sobrecalentarse por una variedad de razones Algunas se deben a que el
termostato se encuentre en mal estado debido a que es una vaacutelvula que abre y cierra conforme se
encuentre la temperatura del motor Es decir el refrigerante del motor caliente pasa a traveacutes del
radiador cuando el termostato estaacute en posicioacuten abierta Cuando se encuentra en posicioacuten cerrada el
refrigerante se queda en el motor y raacutepidamente se calienta ocasionando un sobrecalentamiento
del motor
De igual forma el tener un radiador con fugas u obstrucciones conduce a elevadas temperaturas
del motor y sobrecalentamiento del mismo Asiacute como el tener mangueras con agujeros hace que se
produzcan fugas o se interrumpa el flujo del refrigerante Tambieacuten un ventilador con oscilacioacuten
libre y teniendo un aspa rota no puede mantener una velocidad adecuada lo que origina
sobrecalentamiento del motor
En los motores de combustioacuten interna modernos soacutelo una tercera aparte de la energiacutea interna se
convierte en trabajo uacutetil Las dos terceras partes restantes de la energiacutea se transforman en calor a
peacuterdida evacuadas por el sistema de escape el sistema de enfriamiento y calor radiado y rechazado
por conveccioacuten a traveacutes de las partes soacutelidas del motor El sobrecalentamiento durante el ciclo
completo del motor genera una distribucioacuten de energiacutea dentro de la caacutemara de combustioacuten En
general el calor se transporta hacia la culata la camisa los puertos de escape y el pistoacuten el cual
estaacute ligado a la biela la cual si tiene defectos acabaraacute por destruir el motor [61]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
32
Es por tanto importante estar pendiente de la temperatura a la cual estaacute trabajando el motor
debido a que un sobrecalentamiento puede provocar dantildeos serios empezando por la ruptura del
empaque la deformacioacuten de los cilindros y desgaste en los anillos Estaacuten tambieacuten los dantildeos en los
codos del ciguumlentildeal y la biela Esta uacuteltima ya que se encuentra sometida a fuerzas axiales de
compresioacuten convirtieacutendola en el elemento maacutes tensionado dentro del motor Estaacute ademaacutes expuesta
a cargas producto de la presioacuten generada en la caacutemara de combustioacuten y por la alta friccioacuten entre
los elementos deslizantes Al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentaraacuten desgastes excesivos y prematuros que pueden ocasionar una falla Si este sistema no
funciona correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como
consecuencia deformaciones importantes por sobrecalentamiento [62]
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor
La cinemaacutetica proviene del griego κινεω kineo que significa movimiento Estudia las leyes del
movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo originan y se limita esencialmente al
estudio de la trayectoria en funcioacuten del tiempo [63] La cinemaacutetica se ocupa de aspectos del
movimiento aparte de considerar masa y fuerza Un anaacutelisis cinemaacutetico simula el movimiento de
mecanismos por lo que cumple los requisitos de los perfiles de los motores cinemaacuteticos y de
cualquier conexioacuten de unioacuten por leva en ranura o por engranajes Este tipo de anaacutelisis se usa para
obtener informacioacuten sobre la posicioacuten velocidad y aceleracioacuten de entidades geomeacutetricas y
conexiones interferencia entre componentes las curvas trazadas del movimiento del mecanismo y
los envolventes de movimiento que capturan el movimiento del mecanismo como una pieza
Seguacuten Forno [64] la cinemaacutetica analiza los factores de tiempo y espacio del movimiento de un
sistema es decir describe el movimiento de los cuerpos en teacuterminos de tiempo desplazamiento
velocidad aceleracioacuten y tiempo de desplazamiento
Para Suaacuterez [65] el anaacutelisis cinemaacutetico se utiliza para evaluar el movimiento del mecanismo
gobernado por motores cinemaacuteticos Se puede utilizar cualquier motor cinemaacutetico de eje de
movimiento con un perfil lo que produciraacute una aceleracioacuten finita
Las fuerzas que afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de
inercia Una vez conocidas las fuerzas de combustioacuten en el pistoacuten se usa software especializado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
33
que ayuda en el calculoacute del anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico integrando las fuerzas de inercia
debidas a la masa de cada componente del mecanismo biela-manivela [66]
Para realizar este anaacutelisis es necesario considerar las masas de cada una de las piezas asiacute como
el reacutegimen de giro Esto permitiraacute realizar la simulacioacuten y calcular las fuerzas aplicadas en la cabeza
y el pie de la biela para poder luego hacer un anaacutelisis de elementos finitos que definan los
esfuerzos En el capiacutetulo III se describen la pieza construida a traveacutes del Software de aplicacioacuten
SOLIDWORKS
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor
El anaacutelisis cineacutetico estudia las fuerzas que provocan que un sistema se mueva es decir que
produzcan o cambien el movimiento de un objeto El estudio de las fuerzas que inducen el
movimiento parte desde un movimiento lineal o angular El anaacutelisis cineacutetico puede ser de tipo lineal
o angular El primero involucra la descripcioacuten de un movimiento en liacutenea recta Por otro lado la
cinemaacutetica angular se refiere a la descripcioacuten de un movimiento alrededor de un aacutengulo fijo [64]
El anaacutelisis cineacutetico es cuando un cuerpo estaacute en reposo para acelerarlo hasta una cierta velocidad
y se necesita un determinado trabajo [67] Esa energiacutea que se obtiene en la aceleracioacuten es
conservada por el cuerpo como energiacutea cineacutetica hasta que modifique su velocidad
Concretamente se llama cineacutetica o cinemaacutetica a la especialidad de la fiacutesica centrada en el anaacutelisis
del movimiento dejando de lado el estudio de las fuerzas que lo originan La cineacutetica en este
marco suele estudiar la trayectoria de un cuerpo en movimiento en funcioacuten del tiempo [68]
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor
La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama transferencia de calor la cual se produce
siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se
ponen en contacto hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las
temperaturas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
34
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se usoacute en el software ANSYS el cual permitioacute realizar el
anaacutelisis teacutermico que consiste en la aplicacioacuten del meacutetodo de elementos finitos para calcular la
distribucioacuten de temperatura en una estructura soacutelida en este caso la biela de un motor de
combustioacuten interna Con dicho anaacutelisis se resolvioacute el problema de la transferencia teacutermica
conjugada que involucra el caacutelculo de la simulacioacuten de la conduccioacuten conveccioacuten e irradiacioacuten
teacutermica [66]
Los procesos de los motores de combustioacuten interna son complejos para poder realizar un anaacutelisis
completo de los mismos por lo que se requiere el usoacute de procesos teoacutericos para realizar caacutelculos
Eacutestos son denominados modelos matemaacuteticos para los cuales se usa simulacioacuten herramienta de
gran apoyo para estudiar el comportamiento de los motores de combustioacuten interna desde el punto
de vista termodinaacutemico Con estos softwares de apoyo es posible estudiar la influencia de
determinados paraacutemetros como son la geometriacutea operacioacuten y combustioacuten en las prestaciones de
un motor [69]
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico
La simulacioacuten permite examinar el comportamiento del modelo en condiciones de operacioacuten
reales Ayuda a evaluar las caracteriacutesticas estructurales y el perfil teacutermico proporciona tambieacuten
potentes herramientas para examinar el rendimiento de los mecanismos Sirve para reflejar las
fuerzas materiales y condiciones de liacutemite a las que se veraacute sometido el modelo real para adaptarlo
mejor a criterios de disentildeo especiacuteficos
Existen diversos Softwares de aplicacioacuten para diferentes fines como es el caso de CAD que
sirve para disentildear modelos en tercera dimensioacuten (3D) que posteriormente se analizan por el
meacutetodo de elementos finitos Tal es el caso del software CATIA que es uno de los maacutes utilizados
actualmente en la industria para encontrar paraacutemetros como las dimensiones de diaacutemetro del pistoacuten
longitud de la biela ancho de biela diaacutemetros interiores de cabeza y pie espesores de cabeza y
pie ancho y alto de la seccioacuten tipo I y diaacutemetro de los tornillos de fijacioacuten Tanto el CAD y CATIA
son simuladores que permiten determinar lo antes mencionado
Tambieacuten existe el Software ANSYS que sirve para disentildear analizar y simular partes de piezas
sometidas a fenoacutemenos fiacutesicos usadas en ingenieriacutea y disentildeo mecaacutenico Ayuda a resolver
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
35
problemas fiacutesicos como problemas de esfuerzos teacutermicos fluidos vibracioacuten y otras Dentro de este
software se encuentra la seccioacuten de Anaacutelisis Mecaacutenico que sirve para resolver situaciones muy
particulares en disentildeo mecaacutenico como elementos estructurales lineales no lineales y anaacutelisis
dinaacutemico Con este moacutedulo se puede evaluar el comportamiento asignar materiales y resolver
ecuaciones elaborar anaacutelisis teacutermicos acoplamientos fiacutesicos que involucren acuacutestica elementos
piezoeleacutectricos e interaccioacuten teacutermica con eleacutectrica El software ANSYS se usoacute para este proyecto
Asiacute mismo es necesario sentildealar que para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el
software MATLAB herramienta matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para
la representacioacuten de datos matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor Los resultados
de MATLAB junto con el Software ANSYS permiten predecir coacutemo se comporta y reacciona la
biela en su entorno real Posteriormente se importa la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
y se realizan el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico por medio de la simulacioacuten
De igual forma se emplea para esta investigacioacuten el software SOLIDWORKS que se usa para
el disentildeo mecaacutenico con el que se crea geometriacutea en tercera dimensioacuten (3D) usando paraacutemetros
soacutelidos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
36
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA
La metodologiacutea de la investigacioacuten se define como la disciplina que se encarga del estudio criacutetico
de los procedimientos y medios aplicados por los seres humanos que permiten alcanzar y crear el
conocimiento en el campo de la investigacioacuten cientiacutefica Representa la forma en la que se va a
organizar el proceso de la investigacioacuten de examinar los resultados y de presentar posibles
soluciones al problema Toda investigacioacuten a desarrollar debe llevar un orden loacutegico La
metodologiacutea de la presente investigacioacuten estaacute basada en la propuesta de los autores Hernaacutendez
Fernaacutendez y Baptista [70] ya que tiene un enfoque bastante amplio y flexible que se puede adaptar
de manera general a los requerimientos y alcances del estudio cubriendo los puntos esenciales que
guiacutean el disentildeo y elaboracioacuten de la investigacioacuten Los pasos seguidos se muestran en la figura19
31 Enfoque de la investigacioacuten
Existen dos enfoques dentro de la investigacioacuten el cuantitativo y el cualitativo Hernaacutendez [70]
define a la investigacioacuten cuantitativa como aquella investigacioacuten que utiliza la recoleccioacuten de datos
para comprobar una hipoacutetesis con base a una medicioacuten numeacuterica para establecer un anaacutelisis
estadiacutestico con el propoacutesito de conocer la tendencia del comportamiento y la aprobacioacuten de teoriacuteas
El desarrollo de esta investigacioacuten tuvo un enfoque cuantitativo el cual seguacuten Fernaacutendez [71] se
fundamenta en un esquema deductivo y loacutegico que busca formular preguntas de investigacioacuten e
hipoacutetesis para posteriormente probarlas
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
37
Esta investigacioacuten parte del enfoque mecaacutenico propuesto por diferentes autores que hacen
referencia a los diferentes motores que existen asiacute como los elementos que lo conforman La
finalidad es identificar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten
interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa asiacute como determinar la fuerza
axial de la biela Tambieacuten obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de
combustioacuten estequiomeacutetrica y simular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela para identificar
posibles deformaciones y posteriormente realizar el anaacutelisis cinemaacutetico del motor
32 Alcance de la investigacioacuten
El alcance de esta investigacioacuten es exploratoria correlacional descriptiva y explicativa Al
respecto Fernaacutendez et [71] al se establece que ldquolos estudios exploratorios se realizan cuando el
objetivo consiste en examinar un tema poco estudiadordquo en este caso los factores que influyen en
el sobrecalentamiento de una biela
El alcance correlacional tiene como finalidad establecer una relacioacuten entre dos o maacutes variables
[70] y referente a esta investigacioacuten se llevoacute a cabo la correlacioacuten de variables del calor liberado
en la caacutemara de combustioacuten y el sobrecalentamiento del motor Esta correlacioacuten implica una
relacioacuten causal entre dichas variables ya sea de forma positiva o en forma negativa y una relacioacuten
causal implica que un evento es consecuencia de otro que le antecede y que sin eacuteste el uacuteltimo no
se presentaraacute
La investigacioacuten tambieacuten es descriptiva puesto que se describen los fenoacutemenos alcanzados en el
transcurso de todo el proceso Busca especificar propiedades caracteriacutesticas y rasgos importantes
de cualquier fenoacutemeno que se analice [71] en este caso la relacioacuten de compresioacuten presioacuten
atmosfeacuterica aacuterea del pistoacuten presioacuten atmosfeacuterica dentro de la caacutemara de combustioacuten presioacuten que
detona la mezcla dentro de la caacutemara de combustioacuten fuerza temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
y geometriacutea de la biela En este sentido en esta investigacioacuten se describieron las variables antes
mencionadas mismas que se especifican en el capiacutetulo cuatro detallando sus propiedades y
caracteriacutesticas
De igual forma la investigacioacuten tiene un alcance explicativo derivado de que seguacuten Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Bautista mencionan que estaacute orientada a la comprobacioacuten de hipoacutetesis las cuales
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
38
sirven para el anaacutelisis de variables [71] que se expresan con hechos verificables para que el
investigador tenga la capacidad de anaacutelisis y siacutentesis para su interpretacioacuten En el desarrollo de este
trabajo la hipoacutetesis establecida se encuentra en el apartado 33 del presente capiacutetulo y los resultados
obtenidos se explican en el capiacutetulo cuatro donde se explican los fenoacutemenos hallados entre
variables describiendo por queacute ocurrieron dichos eventos y en queacute condiciones se manifestaron
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis
En toda investigacioacuten es importante plantear variables ya que eacutestas permiten relacionar algunos
conceptos que hacen referencia a las caracteriacutesticas que se van a estudiar Para Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Baptista [70] una variable es una propiedad que puede fluctuar y cuya variacioacuten es
susceptible de medirse u observarse Las variables adquieren valor para la investigacioacuten cientiacutefica
cuando llegan a relacionarse con otras variables es decir si forman parte de una hipoacutetesis o una
teoriacutea Y una variable independiente se refiere a ldquoaquella donde el investigador puede manipular
ciertos efectos en otras palabras supone la causa del fenoacutemeno estudiadordquo Y la variable
dependiente implica ldquoel efecto producido por la variable independiente es decir representa lo que
se quiere determinar en forma directa en la investigacioacutenrdquo
La hipoacutetesis planteada en este trabajo es una hipoacutetesis correlacional donde si alguna de las
variables sufre alguna modificacioacuten esto afectaraacute a otras variables correspondientes A
continuacioacuten se muestra la hipoacutetesis de la presente investigacioacuten
Hipoacutetesis nula
H01 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten influye en el sobrecalentamiento
de un motor de combustioacuten interna
Variables
Variables independientes Calor liberado en la caacutemara de
Combustioacuten
Variable dependiente Sobrecalentamiento del motor
Ya identificadas las variables es necesario establecer la operacionalidad de las mismas y
con base a lo anterior se observa en la tabla 1 la clasificacioacuten de las mismas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
39
TABLA 1 CONCEPTUALIZACIOacuteN DE VARIABLE
Variable Definicioacuten Conceptual Indicadores
Calor liberado en la
caacutemara de
combustioacuten
Se refiere a la quema de combustible
suministrados por el motor de
combustioacuten interna de tal manera
que el aire se expanda y acelere para
proporcionar una corriente de gas
uniformemente calentada en todas las
condiciones requeridas por el motor
de combustioacuten interna Esta tarea
debe realizarse con la miacutenima peacuterdida
de presioacuten y con la maacutexima liberacioacuten
de calor para el limitado espacio
disponible [31]
Reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten
Sobrecalentamiento
del motor
Es la condicioacuten en la cual la
temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y llega
a producir dantildeos graves en el motor
como torceduras y roturas de
vaacutelvulas brazos de biela soplado de
empaques torceduras de culatas y
roturas de pistones [41]
Lubricacioacuten deficiente
Fallo en sistema de
enfriamiento
Hipoacutetesis alterna
HA1 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten no influye en el
sobrecalentamiento de un motor de combustioacuten interna
34 Disentildeo de la investigacioacuten
El tipo de disentildeo que se usoacute fue el no experimental donde la investigacioacuten que se realiza se hace
sin la manipulacioacuten deliberada de las variables y donde se observan los fenoacutemenos para
posteriormente analizarlos en este caso el calor liberado en la caacutemara de combustioacuten y el
sobrecalentamiento del motor donde dichas variables estaacuten relacionadas con diferentes elementos
que son la combustioacuten estequiomeacutetrica presioacuten atmosfeacuterica fuerza de la biela y geometriacutea de la
biela Estos elementos sirvieron para poder realizar el anaacutelisis cineacutetico cinemaacutetico y teacutermico por
transferencia de calor motivo de la presente investigacioacuten
A su vez es una investigacioacuten transaccional donde se recolectaron los datos en un momento y
tiempo uacutenico permitieacutendose describir las variables anteriormente mencionadas El propoacutesito fue
describir las variables y analizar su incidencia e interrelacioacuten en un momento dado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
40
Por otra parte este trabajo se basoacute en un disentildeo no experimental con la informacioacuten derivada
basada en datos primarios obtenidos directamente de la realidad En el desarrollo de la presente
investigacioacuten la informacioacuten se obtuvo mediante el modelado mecaacutenico el cual ayudoacute a predecir
el comportamiento y reaccioacuten de la biela en su entorno real
35 Seleccioacuten de la muestra
El desarrollo de esta investigacioacuten se realizoacute tomando como objeto de estudio a un motor VW
Golf MK4 Gti 18T En la tabla 2 se muestran las especificaciones de este motor
Se utilizoacute un acero SAE 4340 de medio carbono aleado con Cr-Ni-Mo debido a que posee buena
resistencia a la fatiga alta templabilidad excelente tenacidad regular maquinabilidad y baja
soldabilidad Es apto para piezas y herramientas de grandes exigencias mecaacutenicas Se usa para los
maacutes altos esfuerzos estaacuteticos y dinaacutemicos en piezas como ciguumlentildeales bielas cardanes pintildeones
pernos y tornillos de alta resistencia engranajes para maacutequinas discos de freno barras de torsioacuten
y aacuterboles de transmisioacuten [72] En la tabla 3 se muestran las composiciones quiacutemicas
TABLA 2 CARACTERIacuteSTICAS DEL MOTOR
Variable Definicioacuten Conceptual
Motor V 4
Combustible Gasolina
Alimentacioacuten MPI
Situacioacuten Transversal
Cilindrada 1781 cm3
Diaacutemetro por carrera 810 x 864 mm
Vaacutelvulas 16 vaacutelvulas
Sobrealimentacioacuten Turbo + Intercooler
Relacioacuten de Comprensioacuten 95
Potencia 210 PS or 207 bhp o 154 kw 5700 rmp
Par maacuteximo 300 Nm o 221 lbft 2700 rpm
Caja de cambios 6 velocidades manual
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
41
TABLA 3 PORCENTAJE DE COMPOSICIOacuteN QUIacuteMICA DEL ACERO USADO
De igual forma en la tabla 4 se pueden apreciar las caracteriacutesticas del tratamiento teacutermico y las
propiedades mecaacutenicas que se deben tener para cumplir con lo establecido para el procedimiento
36 Recoleccioacuten de datos
Para el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico se emplea la simulacioacuten con ANSYS y poder predecir coacutemo
se comporta y reacciona la biela en su entorno real El software SOLIDWORKS se emplea para
incorporar la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
TABLA 4 TRATAMIENTO TEacuteRMICO Y PROPIEDADES MECAacuteNICAS
Tratamiento teacutermico
(Valores en 0C)
Propiedades mecaacutenicas
Forjado 850 - 1100 Bonificado
Normalizado 870 - 900 Resistencia a la
traccioacuten
95 ndash 105 kgfmm2
Revenido 530 - 670 Liacutemite de fluencia 60 ndash 74 kgfmm2
Recocido 750 - 850 Dureza (HB) 280 - 340
Templado Aceite 840 - 880 Elongacioacuten 10 ndash 18
Composicioacuten quiacutemica ()
C 038 ndash 043
Mn 060 ndash 080
Si 015 ndash 035
P 0035 Maacutex
S 004 Maacutex
Cr 070 ndash 090
Ni 165 ndash 200
Mo 020 ndash 030
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
42
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el software de MATLAB herramienta
matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para la representacioacuten de datos
matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor El objetivo de dicho anaacutelisis fue
identificar la falla de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro
cilindros encendido por chispa accionado por gasolina cuando por diversas causas alcanza
temperaturas elevadas generando esfuerzos y deformaciones superiores a los liacutemites de cedencia
del material Para este anaacutelisis se determinoacute la fuerza axial generadora del maacuteximo torque aplicado
al ciguumlentildeal del motor Como se trata de un motor alternativo el movimiento parte desde el punto
muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) recorriendo el pistoacuten una longitud de
carrera C=2r por cada vuelta del ciguumlentildeal Ya que se trata de un motor de cuatro tiempos el
ciguumlentildeal daraacute dos vueltas por ciclo termodinaacutemico [73] En este caso se consideroacute solamente un
punto donde la biela es normal a la manivela que es donde se produce el maacuteximo toque Se hizo el
anaacutelisis el elemento finito (FEA por su siglas en ingles Finite Element Analysis ) para obtener una
solucioacuten aproximada a este problema de ingenieriacutea para obtener un producto de calidad a menor
costo mejorando asiacute procesos existentes o para estudiar fallos de eacuteste componente estructural El
anaacutelisis teacutermico por transferencia de calor cineacutetico y cinemaacutetico se describe en el capiacutetulo 4 del
presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
43
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Generalidades
Los motores de los autos principalmente los de combustioacuten interna (MCI) son motores donde
los gases generados en la reaccioacuten exoteacutermica resultan de un proceso de combustioacuten que empuja
al pistoacuten desplazaacutendolo en el interior de un cilindro y haciendo girar al ciguumlentildeal El funcionamiento
ciacuteclico de estos motores suele tener fallas constantes debido a muacuteltiples factores entre los cuales
destacan problemas con los cojinetes fallas en las bielas pistoacuten ciguumlentildeal entre otros
El arranque de los motores de combustioacuten se lleva a cabo en su caacutemara interna en donde se forma
el fluido activo Esta caacutemara forma parte de un cilindro dentro del cual se mueve un pistoacuten mismo
que forma parte del mecanismo en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal Y para que un motor
tenga un buen funcionamiento es necesario tener una buena lubricacioacuten refrigeracioacuten y suministro
de energiacutea eleacutectrica tal como se aprecia en la figura 20
La lubricacioacuten debe mantener engrasados los mecanismos moacuteviles tambieacuten sirve como
refrigerante al absorber el calor disipado Su principal funcioacuten radica en la aplicacioacuten de un manto
superficial de aceite recubriendo asiacute los elementos moacuteviles El sistema refrigerante es el que
mantiene una temperatura constante del motor durante su funcionamiento y lo hace mediante la
eliminacioacuten de exceso de calor que se pudiera generar en su funcionamiento Gracias a la energiacutea
eleacutectrica funcionan los dispositivos tales como las bombas hidraacuteulicas agua refrigerante los
cuales provocan el flujo que hace posible la circulacioacuten de los fluidos a lo largo de los ductos
correspondientes
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
44
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se consideroacute el auto VW Golf [74] tal como se aprecia
en la figura 21
Este auto tiene un motor MK4 GTI 18T de cuatro cilindros con turbocompresor formalmente
conocido como el 18 20VT R4 e informalmente conocido simplemente como el 18T Se ha
utilizado en casi todas las aplicaciones de cuatro cilindros de VW Utiliza un bloque de motor de
hierro fundido y culata de aluminio con doble aacuterbol de levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte
de la fuerza inherente de este motor viene del uso de un ciguumlentildeal de acero forjado a troque dividido
en bielas forjadas y pistones forjados Su potencia es de 150 caballos de fuerza a 5800 rpm Su
principal caracteriacutestica es su sistema de turbo y de induccioacuten Utiliza un turbocompresor de VW
de origen algo equivalente a un Garrett T30
421 Aplicaciones del 18T
El 18T se ha utilizado en casi todos los autos que tienen cuatro cilindros de VW como son VW
Polo GTI Golf MkIV Bora Jetta New Beetle S Passat B5 y Sagitar Desde Audi que es la marca
de lujo de VW el motor tambieacuten se ha trasladado a los modelos en esa divisioacuten incluyendo la A3
A4 A6 y TT Quattro Sport Otros fabricantes de automoacuteviles en utilizar el 18T han sido el
fabricante espantildeol SEAT (en el Leon Mk1 Cupra R y Toledo) y Skoda para su edicioacuten limitada
Octavia VRS
Figura 21VW Golf
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
45
El 18T utiliza un bloque de motor de hierro fundido y una culata de aluminio con doble aacuterbol de
levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte de la fuerza inherente de este motor se debe al uso de un
ciguumlentildeal de acero forjado a troquel bielas ldquoSplit forjadordquo y pistones Mahle forjado El 18T ha
llegado en docenas de diferentes configuraciones desde que se ofrecioacute por primera vez con
potencias que van desde 150 caballos de fuerza a 5800 rpm (en la mayoriacutea de los polos Golf
hoteles escarabajos y Passat) hasta 236 caballos de fuerza a 5700 rpm para el Audi TT Quattro
Sports
En lo que respecta a la induccioacuten aparte de su cabeza la principal caracteriacutestica del 18T es su
sistema turbo e induccioacuten El turbo alimenta uno de los pocos verdaderos colectores de admisioacuten
de longitud variable en el mercado de hoy A bajas revoluciones el aire fluye a traveacutes de un
conjunto de tubos de colada la ingesta de largas y delgadas para mejorar el par a bajo reacutegimen y
la facilidad de conduccioacuten A altas revoluciones una solapa se abre para conectar gran espacio
abierto del colector de admisioacuten (plenum) casi directamente a la culata sin pasar por los tubos y
aumentar el poder de gama alta
43 Anaacutelisis de datos
431 Anaacutelisis cinemaacutetico
El movimiento alterno del pistoacuten se transforma en movimiento circular continuo del eje mediante
el sistema biela-manivela Para efectos de caacutelculo el movimiento circular de la manivela se
considera uniforme sin error apreciable En la figura 22 se muestra la nomenclatura que se utilizoacute
en este anaacutelisis [73]
Figura 22 Nomenclatura
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
46
Donde
L=Longitud de la biela
r=Radio de la manivela
C=Carrera del pistoacuten
x=Deslizamiento del pistoacuten referido al PMS
α=Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente al PMS
β= Aacutengulo que forma el eje de la biela con el del cilindro
I Desplazamiento
De acuerdo a la geometriacutea del motor y como muestra la figura 22 se obtiene la ecuacioacuten para el
desplazamiento (x) correspondiente entre el PMS y PMI donde λ es un paraacutemetro de la relacioacuten
del radio a la longitud de la biela (Ver Anexo I) la cual es
119909 = 119903 ((1 minus cos prop) + 119871(1 minus radic1 minus 12058221199041198901198992 prop))
Donde λ =119903
119871 119902119906119890 119903119890119901119903119890119904119890119899119905119886 119906119899119886 119903119890119897119886119888119894oacute119899 119886119897119890119886119905119900119903119894119886
Si la biela fuera de longitud infinita (λ=0) se desplazariacutea mantenieacutendose siempre paralela a siacute
misma por lo que tendriacuteamos la expresioacuten simplificada
119909 = 119903(1 minus cos prop)
Se utilizoacute el software MATLAB para graficar coacutemo se comporta el sistema del punto muerto
superior al punto muerto inferior correspondiente a los 360 grados del movimiento de la Manivela
Se obtiene la figura 23 misma que se muestra a continuacioacuten
Figura 23 Desplazamiento
Des
pla
zam
ien
to d
el p
istoacute
n e
n m
etro
s
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
47
II Velocidad
Para obtener la ecuacioacuten de la velocidad se derivoacute la ecuacioacuten de desplazamiento (ver Anexo II)
guardaacutendola en una nueva variable (V) lo que se puede apreciar en la figura 24
Figura 24Velocidad del pistoacuten
III Aceleracioacuten
Para obtener la ecuacioacuten de la aceleracioacuten se derivoacute la ecuacioacuten de velocidad (Ver Anexo III)
asignando su valor a una nueva variable (A) la cual se muestra en la figura 25
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten
Vel
oci
dad
del
pis
toacuten
(m
s)
Angulo de manivela en grados
Ace
lera
cioacute
n d
el p
istoacute
n (
ms
2)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
48
432 Anaacutelisis cineacutetico
I Fuerzas alternativas de inercia
Conociendo las leyes que regulan el movimiento del conjunto biela manivela resulta faacutecil
obtener una relacioacuten de las fuerzas que generan dicho movimiento En efecto las partes dotadas de
movimiento alternativo estaacuten sometidas a fuerzas de inercia calculadas por medio de la segunda
ley de Newton que expresada en funcioacuten de la segunda derivada del desplazamiento dan como
resultado
119865 = minus119898 lowast 1205962 lowast 119903 (cos 120572 + 120582 lowast cos 2120572)
La primera y segunda parte de la ecuacioacuten representan respectivamente las fuerzas alternativas
de primero y segundo orden (ver Anexo IV) En la ecuacioacuten anterior ldquomrdquo corresponde a la masa de
la biela que para la muestra seleccionada tiene un valor de 066 kg se muestra en la figura 26
Figura 26Fuerzas alternativas
La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten cinemaacutetica En la figura 27
se puede observar el movimiento al considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante el
proceso de expansioacuten De este resultado se obtiene la fuerza maacutexima para posteriormente
considerarla en el anaacutelisis estaacutetico de la simulacioacuten en el software de ANSYS Los resultados se
encuentran en el Anexo V y en la figura 27 se aprecia la representacioacuten graacutefica del anaacutelisis de la
biela Este anaacutelisis se hizo mediante el software de MATLAB
Fu
erza
s al
tern
ativ
as (
N)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
49
Figura 27 Fuerzas en la biela
II Diagrama par-motor
La fuerza resultante que actuacutea sobre el pistoacuten corresponde a la suma de las fuerzas alternativas
de inercia y de la correspondiente a la presioacuten del gas durante la explosioacuten Eacutesta equilibrada por la
fuerza de reaccioacuten en la biela y variacutea en cada posicioacuten del movimiento La figura 28 muestra el
diagrama par motor que se utiliza para este anaacutelisis La nomenclatura es la misma que se utilizoacute en
el anaacutelisis cinemaacutetico con la inclusioacuten de las fuerzas [73]
Figura 28Diagrama par-motor
Angulo de manivela en grados
Fu
erza
en
la
bie
la (
N)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
50
Figura 29Par-motor de explosioacuten
Nuevamente mediante el software MATLAB se realiza el anaacutelisis de movimiento durante el
proceso de expansioacuten de 360deg a 540deg debido a que se trata de un motor de 4 tiempos lo que implica
que el ciguumlentildeal gire dos vueltas correspondieacutendole a la primera vuelta la admisioacuten y compresioacuten
(Ver Anexo VI) lo cual se aprecia en la figura 29
El punto maacuteximo de esta graacutefica representa un par-motor de 311 N-m que se aproxima al par
motor que el fabricante ofrece para este motor seleccionado como muestra Es importante
considerar que a este punto le corresponde un aacutengulo de 388deg equivalente a 28deg a partir del punto
muerto superior y seraacute considerado para obtener la fuerza axial en la biela de su correspondiente
graacutefica
433 Anaacutelisis termodinaacutemico
I Eficiencia del ciclo Otto ideal
La figura 30 muestra el ciclo en un diagrama P-v La eficiencia o rendimiento del ciclo es la
relacioacuten entre el trabajo neto y la cantidad de calor que entra al sistema [75]
Par
-mo
tor
(N
m)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
51
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen
Es decir
119890119900119905119905119900 =119882119899119890119905119900
119902119890119899119905
Por primera ley de la termodinaacutemica
119882119899119890119905119900 = 119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
Considerando calores especiacuteficos constantes
119890119900119905119905119900 =119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119862119907(1198794 minus 1198791)
119862119907(1198793 minus 1198792)= 1 minus
(1198794 minus 1198791)
(1198793 minus 1198792)
Para el proceso 1-2 compresioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987511198811119896 = 11987521198812
119896 there41198752
1198751= (
1199071
1199072)
119896
= 119903119896
Doacutende r= la relacioacuten de compresioacuten definida como 119903 =1199071
1199072
Para el mismo proceso la ecuacioacuten de los gases ideales es
11987511199071
1198791=
11987521199072
1198792 there4
1198752
1198751=
1199072
1199071∙
1198792
1198791= 119903
1198792
1198791= 119903119896
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
52
Realizando la igualacioacuten se obtiene la temperatura para el estado dos del ciclo
1198792 = 1198791119903119896minus1
De manera similar para el proceso 3-4 de expansioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987531198813119896 = 11987541198814
119896 there41198753
1198754= (
1199074
1199073)
119896
= 119903119896
Y la ecuacioacuten correspondiente de los gases ideales es
11987531199073
1198793=
11987541199074
1198794there4
1198753
1198754=
1199074
1199073∙
1198793
1198794= 119903
1198793
1198794= 119903119896
Realizando la igualacioacuten correspondiente se obtiene la temperatura para el estado 3 del ciclo
1198793 = 1198794119903119896minus1
Con las relaciones de temperatura para los estados 2 y 3 se obtiene la eficiencia del ciclo Otto
en funcioacuten de la relacioacuten de compresioacuten
119890119900119905119905119900 = 1 minus1198794 minus 1198791
1198794119903119896minus1 minus 1198791119903119896minus1= 1 minus
1198794 minus 1198791
119903119896minus1(1198794 minus 1198791)
119890 = 1 minus1
119903119896minus1
Para el anaacutelisis de la muestra seleccionada le corresponde una relacioacuten de compresioacuten de r=95
obtenieacutendose una eficiencia teacutermica del 60
119890 = 1 minus1
9514minus1= 06
En la figura 31 se muestra un referente de la eficiencia teacutermica en funcioacuten de la relacioacuten de
compresioacuten para un motor Otto y Diesel [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
53
Figura 31 Eficiencia teacutermica
II Temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
Cuanto maacutes pequentildea es la perdida de calor tanto mayor resulta el aumento de la temperatura En
el caso liacutemite que no haya peacuterdida de calor hacia los alrededores (Q=0) la temperatura de los
productos alcanzaraacute un maacuteximo conocido como temperatura de flama adiabaacutetica o combustioacuten
adiabaacutetica
La temperatura de flama adiabaacutetica de un proceso de combustioacuten de flujo estacionario se
determina aplicando la primera ley de la termodinaacutemica considerando la caacutemara de combustioacuten
como un volumen de control totalmente aislado (adiabaacutetico) con la siguiente ecuacioacuten
119867119901119903119900119889 = 119867119903119890119886119888119905
sum 119873119901(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg) = sum 119873119903(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg)
Doacutende Np= nuacutemero de moles de los productos
Nr = nuacutemero de moles de los reactivos
ℎ119891= entalpiacutea de formacioacuten
ℎ minus ℎdeg= variacioacuten de entalpiacutea
Una vez que se especifican los reactivos y los estados resulta faacutecil determinar las entalpiacuteas de
los reactivos Sin embargo debido a que la temperatura de los productos no se conoce antes de los
caacutelculos el caacutelculo de la entalpia de los productos no es directa Por consiguiente la determinacioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
54
de la temperatura de flama adiabaacutetica requiere el uso de una teacutecnica iterativa a menos que se
disponga de ecuaciones para los cambios de entalpiacutea sensible de los productos de combustioacuten
La temperatura de flama adiabaacutetica se determina luego a partir de estos dos resultados mediante
interpolacioacuten Cuando el oxidante es aire los gases producto se componen principalmente de N2 y
una buena primera suposicioacuten para la temperatura de flama adiabaacutetica se obtiene tratando todos
los gases productos como N2 En las caacutemaras de combustioacuten la temperatura maacutexima a la que se
puede llegar esta limitada por condiciones metaluacutergicas [75] Se analizaron los tres tipos de mezcla
para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla teoacuterica o estequiomeacutetrica
mezcla pobre y mezcla rica
II1 Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El modelo utilizado para los tres tipos de mezcla es una caacutemara de combustioacuten en la cual se
simula la inyeccioacuten de combustible octano 119862811986718 con las cantidades de aire suministrado siendo la
composicioacuten quiacutemica del aire de 1198742 + 3761198732 lo que equivale a 79 de N2 y 21 de O2 Tanto el
combustible como el aire se consideran como los reactivos y los gases de escape como productos
tal como se aprecia en la figura 32
La ecuacioacuten teoacuterica para este caso es
119862811986718 + 119908(1198742 + 3761198732) rarr 1198831198621198742 + 1198841198672119874 + 1198851198732
Doacutende W X Y Z representan los coeficientes estequiomeacutetricos determinaacutendose por balanceo
de los elementos quiacutemicos de la ecuacioacuten
119862 8 = 119883
119867 18 = 2119884 there4 119884 = 9
119874 2119882 = 2119883 + 119884 there4 119882 = 125
119873 376(2)119882 = 2119885 there4 119885 = 47
Se obtiene asiacute la ecuacioacuten estequiomeacutetrica balanceada
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
55
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos y considerando un proceso
adiabaacutetico se obtiene la ecuacioacuten para los tres tipos de mezcla
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ)
Donde
ℎ119891298= Entalpiacutea de deformacioacuten durante la reaccioacuten
∆ℎ= Variacioacuten de la entalpiacutea con respecto al estado de referencia
Los valores de entalpiacuteas para esta reaccioacuten se obtienen de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y
A-26 [75] Para este caso resulta
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9324] + 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]
+47[0 + ℎ1198732minus 8669] = 1[minus249950 + 0] minus 125[0 + 0] minus 47[0 + 0]
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 47ℎ1198732
= 5646081
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realiza iterativamente proponiendo como inicio que toda la
energiacutea es absorbida por el N2 ya que es el elemento que posee el mayor nuacutemero de moles
64ℎ1198732= 5646081
ℎ1198732= 88220015
119896119869
119896119898119900119897
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de temperatura aproximado de
119879 = 2650deg119870
Y tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen los valores
que se muestran en la tabla 5
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
56
TABLA 5 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA
Temperatura T=2600degK T=2450degK T=2200degK
Sustancia h(kJkmol)
8CO2 1099592 1025752 903512
9H2O 1028457 955647 836460
47N2 4072550 3814003 3385880
6130599 5795402 5125852
Interpolando los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2450degK y 2200degK se
obtiene la temperatura 119879 = 239424deg119870
II2 Mezcla pobre (110 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Ecuacioacuten real (10 exceso de aire) es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 1251198742 + 5171198732
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
Sustituyendo los valores de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y A-26 [75] se obtiene
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364]
kJ
kmol1198621198742
+ 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]kJ
kmol1198671198742
+125[0 + ℎ1198732minus 8682]
kJ
kmol1198742
+ 517[0 + ℎ1198732minus 8669]
kJ
kmol1198732
= 1[minus249950 + 0]kJ
kmol119862811986718
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 125ℎ1198742
517ℎ1198732= 56976778119896119869119896119898119900119897
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno
6995ℎ1198732= 56976778
ℎ1198732= 8145357827
119870119869
119870119898119900119897
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
57
TABLA 6 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA POBRE
Temperatura T=2400degK T=2450degK T=2200degK T=2250degK
Sustancia h(kJkmol)
8 CO2 1001216 1025752 903512 927872
9 H2O 931572 955647 836460 860058
125 02 1039675 106390 94355 9674625
517 N2 4100844 41954033 3724468 38183552
61376055 62831923 5558795 570303145
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2500deg119870
Nuevamente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen
los valores que se muestran en la tabla 6
Realizando la interpolacioacuten de los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2200degK
y 2250degK se obtiene la temperatura 119879 = 2248144deg119870
II3 Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es la siguiente
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
La ecuacioacuten real (85 de aire) es
119862811986718 + 10625(1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 91198672119874 + 375119862119874 + 39951198732
Aplicando la primera ley de la termodinaacutemica para sistemas reactivos y adiabaacutetico se obtiene
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
TABLA 7 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA
Sustancia hf h 298 degk
KJKmol
C₈H₁₈ -249950 -----
O₂ 0 8682
N₂ 0 8669
H₂O -241820 9904
CO₂ -393520 9364
CO -110530 8669
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
58
Posteriormente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se
obtienen los valores que se muestran en la tabla 7
Y sustituyendo los valores en la foacutermula antes mencionada se obtienen los resultados siguientes
425 (minus393520 + ℎ119862119874₂ minus 9364) + 375 (minus110530 + ℎ119862119874 minus 8669) + (minus 241820
+ ℎ119867₂119874 minus 9904) + 3995 (0 + ℎ119873₂ minus 8669) ndash 1(minus 249950
+ 0) ndash 10625 (0 + 0) ndash 3995 (0 + 0) = 0
425 ℎ119862119874₂ + 375 ℎ119862119874 + 9 ℎ119867₂119874 + 3995 ℎ119873₂ = 45211458
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno 5695 ℎ119873₂ = 45211458
ℎ119873₂ = 7938798 = 79388 kJkmol
De la tabla A-18 [75] de propiedades del nitroacutegeno se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2400deg119870
Tabulando los valores correspondientes de la entalpiacutea a la temperatura indicada se muestran en
la tabla 8
Interpolando entre los valores de 2300degK y 2200degK se obtiene la temperatura para esta
mezcla 119879 = 2223305deg119870
TABLA 8 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA RICA
Temperatura T=2400 T=2300 T=2200
Sustancia h(KJKmol)
425 Co₂ 531896 50589875 47999075
375 Co₂ 30005625 28629375 272580
9 H₂O 931572 883791 836460
3995 N₂ 3168834 30232562 2877998
sum 493235825 46992397 446702875
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
59
434 Temperatura real de combustioacuten
Las temperaturas de combustioacuten adiabaacutetica obtenidas en el apartado que aborda el tema de la
temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para los tres tipos de mezclas reflejan un paraacutemetro
cuantitativo sin embargo no es posible que el motor alcance dichos valores Esto es debido a la
Segunda Ley de la Termodinaacutemica en su postulado de Kelvin Plank refirieacutendose precisamente al
rendimiento del motor que de acuerdo a la relacioacuten de compresioacuten establecida se determinoacute que
es de 60 Este valor equivale al maacuteximo rendimiento posible con el cual se determinaraacute la
temperatura real del motor para los tres tipos de mezclas Eacutesta temperatura seraacute considerada para
el anaacutelisis de transferencia de calor en la biela
I Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El poder caloriacutefico del combustible representa la cantidad de calor liberado cuando se quema por
completo en un proceso de flujo estacionario En este anaacutelisis se considera el poder caloriacutefico
inferior debido a que el agua en los productos se considera en fase de vapor correspondieacutendole un
valor de 44430 kJkmol [75]
Involucrando una eficiencia de 60 se determina la cantidad de calor real utilizado en los tres
diagramas y mediante el anaacutelisis de estequiometria se obtiene la temperatura real correspondiente
al maacuteximo valor del ciclo en el proceso de explosioacuten
El anaacutelisis parte de la ecuacioacuten teoacuterica (100 de aire) para los tres tipos de mezclas que se
analizan en este apartado
De acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica para esta reaccioacuten de combustioacuten la
ecuacioacuten de la cantidad de calor liberado es
minus 119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
El valor de 119876119903119890119886119897 se determina al involucrar el rendimiento de 60 del poder caloriacutefico del
combustible y a la vez multiplicaacutendolo por la masa molar del combustible de 114231 kgkmol
obteniendo un valor de 3045170119896119869
119896119898119900119897
Los valores de ℎ119891deg y ℎ de los componentes a 298degK son los que se muestran en la tabla 9 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
60
TABLA 9 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Sustancia 119945 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948
kjkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119925120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 47(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten en funcioacuten de las entalpiacuteas de los elementos de los
productos que se resuelve por el meacutetodo iterativo
8ℎ 1198621198742
+ 9 ℎ1198671198742+47ℎ1198732
=2600911 kJkmol
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero total
de moles lo que produce 2600911 119896119869
(8 + 9 + 47) 119896119898119900119897= 4063923
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido correspondieacutendole un valor de T=131374degK A partir de este valor
se proponen valores inferiores y posteriormente realizar una interpolacioacuten lineal como se muestra
en la tabla 10 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
61
TABLA 10 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Temperatura T=1180degK T=1200degK T=1220degK
Sustancia h(KJKmol)
120790 119914119926120784 421792 430784 439816
120791 119919120784119926 391581 399420 407304
120786120789 119925120784 1696888 1728519 1760244
Total 2510261 2558723 2607364
Interpolando entre las temperaturas de 1200degK y 1220degK se obtiene que la temperatura real de
combustioacuten es T = 1217347 degK
II Mezcla pobre (110 aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten con 10 de exceso de aire es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 1251198742 + 91198672119874 + 5171198732
La ecuacioacuten de combustioacuten de acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
Los valores de las entalpiacuteas ℎ119891deg + ℎ de las sustancias a T= 298degK son los que se muestran en la
tabla 11 [75]
Sustituyendo valores correspondientes en la ecuacioacuten se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 125(0 + ℎ1198742minus 8682)
kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 517(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
62
TABLA 11 ENTALPIA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA POBRE REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119926120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten
8ℎ1198621198742+125 ℎ1198742
+ 9 ℎ1198671198742+517ℎ1198732
=26525078 kJ
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de
moles lo que produce
26525078 119896119869
(8 + 125 + 9 + 517) 119896119898119900119897= 379200543
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido siendo T=1240degK Nuevamente se propondraacuten valores inferiores a
la temperatura obtenida para obtener la entalpiacutea correspondiente a cada sustancia por
interpolacioacuten lineal obtener el resultado correcto Se muestran los valores de la tabla 12 [75]
La interpolacioacuten entre las temperaturas de 1160degK y 1140degK da el resultado de la temperatura
real para esta mezcla 119879 = 11515385deg119870
TABLA 12 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA POBRE REAL
Temperatura T=1200degK T=1160degK T=1140degK T=1120degK
Sustancia h(kJkmol)
120790119914119926120784 430784 412816 403872 394952
120783 120784120787119926120784 4805875 4627875 453925 445075
120791119919120784119926 399420 383778 376020 327384
120787120783 120789119925120784 19013709 1831731 1797092 17625564
Total 277963365 267460375 26223765 25293999
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
63
III Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten incompleta genera la aparicioacuten de monoacutexido de carbono (CO)
en los productos
119862811986718 + 10625 (1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 375119862119900 + 91198672119874 + 39951198732
De la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg)
Los valores de ℎ119891deg + ℎ de los componentes a la temperatura de 298degK son los que se muestran
en la tabla 13 [75]
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 425(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 375(minus110530 + ℎ119862119900 minus 8669)kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 3995(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
425ℎ1198621198742+375 ℎ119862119900 + 9 ℎ1198671198742+3995ℎ1198732
=14759758 kJkmol
Eacutesta debe resolverse por iteraciones sucesivas Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el
lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de moles obtenieacutendose 14759758 kJ
(425 + 375 + 9 + 3995) 119896119898119900119897= 25917
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente a esta entalpia
la temperatura aproximada siendo T=870degK Realizando un procedimiento similar a las mezclas
anteriores se obtiene la tabla 14 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
64
TABLA 13 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 8682
119925120784 0 8669
119914119926120784 -393520 9364
Co -110530 8669
119919120784119926 -241820 9904
TABLA 14 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA RICA REAL
Temperatura T=860degK T=850degK T=840degK T=830degK T=820degK
Sustancia h(KJKmol)
120786 120784120787119914119926120784 150008 14778525 14556675 1433525 141151
120785 120789120787119914119926 96630 954225 94215 9301125 9181125
120791119919120784119926 272160 268614 265086 261558 258048
120785120791 120791120787119925120784 10231195 10104154 9977113 9850871 9724629
Total 15419175 152223715 150257905 148300885 146347315
Interpolando entre las temperaturas de 830degK y 820degK se obtiene una temperatura de
combustioacuten para esta mezcla de 119879 = 8264deg119870
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten
En el apartado 433 se determinoacute una cantidad de calor liberado por la reaccioacuten quiacutemica de
combustioacuten de Q = 3045170 kJkmol = 26658 kJkg Esta energiacutea en forma de calor se tomaraacute en
cuenta para calcular el coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
Para este anaacutelisis se considera un modo de transferencia de calor por conveccioacuten entre un soacutelido
y un gas adyacente Seguacuten Cengel entre maacutes raacutepido es el movimiento de un fluido mayor es la
transferencia de calor por conveccioacuten [76]
De acuerdo con la ley de Newton del enfriamiento esta forma de transferencia de calor se expresa
mediante la ecuacioacuten honoriacutefica de este autor
119888119900119899119907 = ℎ119860119904( 119879119904 minus 119879infin )
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
65
Doacutende
h = coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
As = aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la
transferencia de calor
Ts = temperatura de la superficie
Tinfin = temperatura de los gases de combustioacuten
Para determinar el aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la conveccioacuten se considera un
cilindro con las dimensiones de la muestra seleccionada con un tamantildeo de 81 mm de diaacutemetro por
864 mm de carrera entonces
As = πDL = π(81 cm)(864 cm) = 2198612cm2 = 2198612x10-4 m2
Es necesario determinar la rapidez o tasa de transferencia de calor para lo cual se determina la
relacioacuten aire combustible para una mezcla con 85 de aire
119903119886119888frasl =
119898119886
119898119888=
119873119886
119873119888
119872119886
119872119888=
(10625)(426)(2897)
114231= 115
119896119892119886119894119903119890
119896119892119888119900119898119887
Doacutende
Na Nc corresponden al nuacutemero de moles del aire y el combustible respectivamente
Ma Mc son la masa molar del aire y la mezcla respectivamente
Desplazamiento por cilindro = V1 ndash V2 = 1800 cm34 = 450 cm3
Relacioacuten de compresioacuten r = 95 =V1V2
Resolviendo se obtiene un volumen inicial V1 = 502941 cm3
Utilizando condiciones iniciales presioacuten de 100 kPa y temperatura de 298degK Mediante la
ecuacioacuten de estado se determina la masa de aire
ma = 11987511198811119872
1198771199061198791
= (100)(5029411990910minus4)(2897)
(8314)(298)= 0000588 k119892
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
66
Con la relacioacuten aire combustible se determina la masa del combustible
119898119888 = 119898119886
119903119886119888=
0000588
115= 000005113 k119892
El calor total liberado durante la combustioacuten es
119876 = 119902119898119888 = 26658119896119869
119896119892(000005113 119896119892) = 1363035 119896119869
El flujo de calor por cilindro para una velocidad del motor de 2700 rpm es
119876 = 1363035119870119869 (1
2119888119894119888119897119900119904
119903119890119907
) (2700119903119890119907
119898119894119899) (1
119898119894119899
60 119904 ) = 306682 119896119882
Esta es la cantidad de flujo de calor que se considera para determinar el coeficiente de
transferencia de calor por conveccioacuten de la siguiente forma
ℎ = 119888119900119899119907
119860119904 ( 119879119904minus119879infin )=
306682 119882
(219861211990910minus41198982)(25minus5533)deg119862= 26398355 119882
1198982deg119862frasl
44 Simulacioacuten
Durante el presente anaacutelisis la geometriacutea de la biela fue elaborada en Solid Works para
posteriormente importarla al software de ANSYS en la simulacioacuten correspondiente Se selecciona
un modelo de malla refinado tal como se muestra en la figura 33 para una solucioacuten precisa y con
resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico - transitorio y estructural
Figura 33Modelo de malla
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
67
Se inicia con un anaacutelisis teacutermico transitorio tomando en cuenta los datos de la muestra del motor
seleccionado asiacute como tambieacuten los resultados obtenidos en el anaacutelisis teacutermico de combustioacuten y por
transferencia de calor El tiempo transitorio se determina con la velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira 2 revoluciones por ciclo termodinaacutemico resultando ser de
004444 segundos El primer resultado muestra la distribucioacuten de temperatura mediante la
transferencia de calor por conveccioacuten tal como se visualiza en la figura 34
Figura 34Distribucioacuten de temperatura
El segundo anaacutelisis es una simulacioacuten estaacutetica estructural vinculada con el anaacutelisis teacutermico
transitorio como se aprecia en la figura 35
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
68
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural es necesario saber la fuerza axial que actuacutea sobre la biela para
lo cual durante el anaacutelisis cineacutetico realizado en el software de Matlab se obtuvieron resultados del
par-motor durante el movimiento de la biela del PMS al PMI El par maacuteximo o torque se obtiene a
los 28deg a parir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de 15380 N Es
importante mencionar que el fabricante estima un par maacuteximo de 300 Nm a 2700 rpm y el
software de Matlab arroja un resultado de 310 Nm La distribucioacuten de temperatura es importada
para el anaacutelisis teacutermico estructural tal como se aprecia en la figura 36
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela
Mediante simulacioacuten final del anaacutelisis de flujo teacutermico-transitorio y estaacutetico-estructural se
obtienen resultados de los esfuerzos principales de Von Mises tal como se visualiza en la figura
37
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
69
Un paraacutemetro comparativo es la resistencia a la cedencia del material recomendado para la
fabricacioacuten de la biela Se utilizoacute para este caso un acero 4140 con una resistencia de 470 MPa
(recosido) y de 862 MPa (normalizado) Durante este tiempo la biela resiste con toda seguridad
el impacto de carga y temperatura Sin embargo la realidad es que normalmente el motor se
mantiene acelerado por maacutes tiempo Por ejemplo considerando que el motor trabaje durante un
minuto a la velocidad de 2700 rpm la solucioacuten que se obtiene mediante ANSYS resulta muy
considerable ya que el sobrecalentamiento se genera por estas causas La solucioacuten obtenida se
muestra en la figura 38
Definitivamente el esfuerzo maacuteximo rebasa el liacutemite de cedencia del material esto implica que
en alguacuten momento la parte maacutes vulnerable de la biela estaraacute propensa a sufrir alguna fractura lo
que comuacutenmente se conoce como ldquodesbielarrdquo el motor Esto es lo que genera mantener un motor
revolucionado aunque tambieacuten existen otras causas que contribuyen al sobrecalentamiento como
un sistema deficiente de lubricacioacuten y enfriamiento que en otro caso pueden considerarse motivo
de una investigacioacuten especiacutefica
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
70
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN
51 Conclusiones relativas a los objetivos
Cumplimiento del Objetivo general ldquoAnalizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas
de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro y cuatro cilindros encendido por chispardquo
A partir de los nuevos conocimientos obtenidos en esta investigacioacuten se puede dar por cumplido
el objetivo general teniendo en cuenta los siguientes elementos
Se realizoacute el anaacutelisis de los elementos que ocasionan la falla en un motor de cuatro tiempos
esto mediante el anaacutelisis cinemaacutetico donde se consideroacute el desplazamiento conforme a la
geometriacutea del motor y la velocidad tomando en cuenta el desplazamiento De igual forma se
tomoacute en cuenta la aceleracioacuten y se realzoacute el anaacutelisis cineacutetico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoIdentificar el comportamiento termo estaacutetico de una
biela en un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por
chispardquo
A eacuteste respecto se identificoacute el comportamiento termo estaacutetico mediante las leyes de la
termodinaacutemica para la eficiencia de un motor Otto ideal asiacute como la comprensioacuten isentroacuteprica
la relacioacuten de comprensioacuten y gases obtenieacutendose la eficiencia teacutermica del ciclo Otto
correspondiente al 60
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoDeterminar la fuerza axial de una biela en un motor de
combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Mediante el anaacutelisis cineacutetico y de las fuerzas alternativas de inercia se da por cumplido el
objetivo especiacutefico La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten
cinemaacutetica Tambieacuten es necesario considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante
el proceso de expansioacuten pues de este resultado se obtiene la fuerza maacutexima que actuacutea sobre el
pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
71
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoObtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para
una reaccioacuten de combustioacuten estequiometricardquo
Mediante el anaacutelisis teacutermico y transferencia de calor se obtuvo la temperatura de flama
adiabaacutetica a partir de los resultados mediante interpolacioacuten Se analizaron los tres tipos de
mezcla para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla estequiomeacutetrica
una mezcla pobre y una mezcla rica En el caso de la mezcla al 100 de aire se obtuvo una
estequiomeacutetrica balanceada donde se hizo la tabulacioacuten de la entalpiacutea con su correspondiente
sustancia al igual que la mezcla pobre obtenieacutendose una temperatura de 119879 = 2248144deg119870
Referente a la mezcla rica se realizoacute la interpolacioacuten entre los valores de 2300degK y 2200degK
resultando una temperatura para esta mezcla de 119879 = 2223305deg119870 por lo que se da por
cumplido este objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoSimular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela
para identificar posibles deformacionesrdquo
Se realizoacute la simulacioacuten con un modelo de malla refinado en el Software de Aplicacioacuten Solid
Works donde posteriormente se importoacute al software ANSYS Se inicioacute con el anaacutelisis teacutermico
transitorio El tiempo transitorio se determina con una velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
Tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira dos revoluciones por ciclo termodinaacutemico este tiempo
resulta ser de 004444 segundos El primer resultado mostroacute la distribucioacuten de temperatura
mediante la transferencia de calor por conveccioacuten
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural se usoacute el software de MATLAB El par maacuteximo
corresponde a 28deg a partir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de
15380 N Es importante mencionar que el fabricante estimoacute un par maacuteximo de 300 Nm a 2700
rpm mientras que el software de MATLAB arrojoacute un resultado de 310 Nm Por lo que se da
por cumplido el objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoElaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de
un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
72
Respecto al anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico se encontroacute que para la fabricacioacuten de la biela es
recomendable la resistencia de la cedencia es decir un acero 4140 con una resistencia de 470
MPa (recosido) y de 862 MPa (normalizado) Con estos paraacutemetros la biela resistiraacute con toda
seguridad el impacto de carga y temperatura
52 Aportaciones originales
La presente investigacioacuten tiene cuatro aportaciones las cuales se describen a continuacioacuten
Un primer aporte de esta investigacioacuten consistioacute en haber realizado un anaacutelisis cinemaacutetico
considerando el desplazamiento la velocidad y aceleracioacuten lo cual fue el objeto de estudio
para producir cambios en la biela de un motor VW Golf MK4 GTI 18T Respecto a la revisioacuten
de las fuentes primarias se encontraron los fundamentos teoacutericos necesarios para la
elaboracioacuten de dicha investigacioacuten que al ser analizado y aplicado dio un diagnoacutestico de la
situacioacuten actual de las fallas de una biela
Una segunda aportacioacuten fue el haber realizado el anaacutelisis estaacutetico estructural para saber la
fuerza axial que actuacutea sobre la biela Para esto durante el anaacutelisis cineacutetico se utilizoacute el software
de MATLAB con el que se obtuvieron resultados del par-motor durante el movimiento de la
biela del PMS al PMI
La tercera aportacioacuten de esta investigacioacuten consistioacute en realizar un anaacutelisis teacutermico por
transferencia de calor para poder identificar la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
considerando tres tipos de mezcla que son 100 de aire mezcla pobre y mezcla rica Asiacute como
la determinacioacuten de la temperatura real de combustioacuten y sus mezclas correspondientes para
obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiometrica
La cuarta aportacioacuten de esta investigacioacuten fue la generacioacuten de la geometriacutea de la biela usando
el software en Solid Works posteriormente importada al software de ANSYS la obtencioacuten de
una solucioacuten precisa y con resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico transitorio y estructural
|
53 Recomendaciones para futuros estudios
Se recomienda para futuros estudios profundizar en la temaacutetica de mecaacutenica Los problemas que
deja abiertos esta investigacioacuten para futuros estudios son los siguientes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
73
Se evidencia la necesidad de que las empresas dedicadas a la fabricacioacuten de piezas mecaacutenicas
establezcan paraacutemetros y realicen simulaciones adecuadas de las piezas que conforman los
autos para que no tengan fallas en un futuro
Se recomienda realizar investigaciones en el aacuterea de mecaacutenica que deacute seguimiento a las liacuteneas
de investigacioacuten de termo fluidos y disentildeo implementando un laboratorio de pruebas de
motores de combustioacuten interna que aunado a la simulacioacuten los resultados seriacutean maacutes eficientes
Difusioacuten de los resultados de esta investigacioacuten con la presentacioacuten de los mismo en congresos
y revistas
Finalmente se recomienda realizar investigaciones correspondientes a las fallas mecaacutenicas
diferentes a las abordadas en este estudio en relacioacuten con los motores de combustioacuten interna y
los factores que inciden negativamente
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
74
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Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
80
ANEXOS
ANEXO I
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y utilizando la nomenclatura de la figura 22 se determinaron el
desplazamiento velocidad y aceleracioacuten correspondientes por medio del software de MATLAB
El anaacutelisis completo corresponde al movimiento alternativo durante un ciclo termodinaacutemico
DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN
Programa para determinar el desplazamiento ldquoxrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de
360 grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
81
ANEXO II
VELOCIDAD DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la velocidad ldquovrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
82
ANEXO III
ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la aceleracioacuten ldquoardquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
83
ANEXO IV
FUERZAS ALTERNATIVAS
En el anaacutelisis cineacutetico las fuerzas alternativas representan parte de la carga que actuacutea en el
pistoacuten considerando la aceleracioacuten del mismo en la segunda ley de Newton Se utilizoacute el
software de MATLAB durante este anaacutelisis
Programa para determinar las fuerzas alternativas de primer orden y segundo orden durante un
movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
84
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL DESPLAZAMIENTO
LA VELOCIDAD LA ACELERACIOacuteN Y FUERZAS ALTERNATIVAS DE INERCIA ES
syms x
Longitud de la Biela
L=144
Radio De La Manivela
r=0432
Carrera Del Piston
C=2r
Angulo entre eje de la biela con Cilindro (beta)
b=0
lamda=rL
________DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Deslizamiento angular de la Manivela (alpha)
a = 0pi184pi
Desplazamineto del Piston
x=r(1-cos(a))+L((1-(lamda^2)(sin(a))^2))^12
x=r(1-cos(a))
y=010720
subplot(221)
plot(yx)
ylabel(Desplazamiento Del Piston (m))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________VELOCIDAD DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Velocidad del Piston
V=diff (x)
y=010710
subplot(222)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
85
plot(yV)
ylabel(Velocidad Del Piston (ms))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Aceleracioacuten del Piston
A=diff (V)
y=010700
subplot(223)
plot(yA)
ylabel(Aceleracioacuten Del Piston (ms^2))
xlabel(GRADOS)
grid on
Masa
m=660
Revoluciones Por Minuto
n=2700
Velocidad Angular
W=(2pin)60
lamda=rL
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE PRIMER ORDEN_________
F1=m(W^2)rcos(a)biela de longitud infinita
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE SEGUNDO ORDEN_________
F2=m(W^2)rlamdacos(2a)biela de longitud infinita
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
86
F2=m(W^2)r(cos(a)+lamdacos(2a))biela de longitud finita
y=010720
subplot(224)
plot(yF1r-yF2b-)
ylabel(Fuerzas Alternativos (N))
xlabel(GRADOS)
legend(Fza Inercia 1deg Orden Fza Inercia 2deg Orden)
grid on
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
87
ANEXO V
ANAacuteLISIS DE LA FUERZA EN LA BIELA
Programa para determinar la fuerza durante el movimiento alternativo del pistoacuten
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA LA FUERZA EN LA
BIELA ES
Diagrama Par-Motor
function[F]=Fbexplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00432
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
88
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Fb=F(1-(lambda^2)(sin(alphar))^2)^05
plot(alphaFb)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Fuerza en la Biela N))
title(Fb Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
89
ANEXO VI
DIAGRAMA PAR-MOTOR
Programa para determinar el par-motor durante el movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
90
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL PAR-MOTOR ES
Diagrama Par-Motor
function[Mt1]=ParMotorExplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00437
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Mt1=Fr(sin(alphar))+(((lambdasin(alphar)))cos(alphar))(sqrt(1-
lambda^2((sin(alphar))^2)))
plot(alphaMt1)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Par Motor(Nm))
title(Par Motor Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
91
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
92
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
VIII
RESUMEN
Esta investigacioacuten es de tipo y alcance exploratorio descriptivo correlacional y explicativo con un
enfoque mecaacutenico y cuantitativo Que tiene la finalidad de identificar las fallas en una biela que es
una parte moacutevil de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido
por chispa (ECH) accionado con octano Mediante el anaacutelisis del comportamiento teacutermico y
estructural del objeto de estudio de esta investigacioacuten con base en los tres posibles diagramas para
mezclas de aire combustible estequiomeacutetrica rica y pobre y mediante el anaacutelisis de transferencia
de calor por conveccioacuten se determina el coeficiente correspondiente para cuando la biela es
sometida a sobrecalentamiento Subsecuentemente se realizaron los anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico
con base caracteriacutesticas del motor VW Golf MK4 Gti 18T utilizando el software de MATLAB
Posteriormente se generoacute la geometriacutea de la biela con dimensiones reales en el software
SOLIDWORKS por uacuteltimo se simulo el comportamiento y reaccioacuten la biela tanto para un flujo
teacutermico transitorio como estructural en ANSYS Los resultados obtenidos muestran que los
esfuerzos y deformaciones en la biela en comparacioacuten con los liacutemites de cedencia del material se
encuentran dentro de los liacutemites permisibles ademaacutes de la identificacioacuten de los puntos vulnerables
a una posible falla o fractura
Palabras clave biela motor de combustioacuten interna sobrecalentamiento termo-estaacutetico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IX
ABSTRACT
This research is of type and scope exploratory descriptive correlational and explanatory with
a mechanical and quantitative approach Which has the purpose of identifying the faults in a
connecting rod that is a moving part of a four-stroke internal combustion engine and four cylinders
ignition by spark powered by octane When analyzing the thermal and structural behavior of the
object of study of this research based on the three possible diagrams for combustible air mixtures
stoichiometric rich and poor and by analysis of heat transfer by convection the corresponding
coefficient is determined for when the connecting rod is subjected to overheating Subsequently
kinetic and kinematic analyzes were performed based on the characteristics of the VW Golf MK4
Gti 18T engine using the MATLAB software Following the geometry of the connecting rod with
real dimensions was generated in the SOLIDWORKS software Finally the behavior and reaction
of the connecting rod were simulated both for transient and structural thermal flow in ANSYS
The results obtained show that the efforts and the deformations in the connecting rod in
comparison with the performance limits of the material are within the permissible limits in
addition to the identification of the vulnerable points before a possible failure or fracture
Keywords connecting rod internal combustion engine overheating thermo-static
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
1
INTRODUCCIOacuteN
Los motores de combustioacuten interna son los maacutes usados en los automoacuteviles los cuales en
ocasiones presentan fallas mecaacutenicas tan diversas como la cantidad de componentes del motor
Diferentes autores han determinado dentro de la diversidad de problemas relacionados con la biela
del motor los siguientes la fatiga el pasador que conecta a la biela del pistoacuten el cual recibe una
gran cantidad de desgaste el motor revolucionado el agua que ingresa al cilindro del motor en el
momento de la chispa la cual puede ocasionar que la biela se doble y deformaciones de la biela por
sobrecalentamiento por ello es importante que el sistema de lubricacioacuten se encuentre en buen
estado Asociado a esto es importante que se verifique el tratamiento teacutermico de los ciguumlentildeales de
tal forma que se tenga una resistencia adecuada Que en caso de presentarse alguno de estos
problemas la reparacioacuten del motor implica no solo la reposicioacuten de la biela sino de todas las piezas
afectas e incluso el cambio o restitucioacuten completa del motor
1 Planteamiento del problema
Preferentemente cuando se realiza la reparacioacuten de un motor de auto se debe comprobar el
estado de todas las piezas moacuteviles y fijas antes de la realizacioacuten de un trabajo de verificacioacuten pero
en la mayoriacutea de ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa revisioacuten de su estado
Una biela es un elemento fundamental en el funcionamiento de un motor ya que trasforma la
energiacutea quiacutemica generada por la combustioacuten en una energiacutea cineacutetica siendo el enlace entre la
absorcioacuten de la energiacutea mecaacutenica por lo que la biela es el elemento maacutes tensionado de un motor
y su correcto disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes Por lo anterior la biela es robusta en su
disentildeo pero a la vez debe ser lo maacutes ligera posible para reducir la inercia y soportar los esfuerzos
mecaacutenicos a los que se encuentra sometida [1]
La biela soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del
ciguumlentildeal hacia arriba un trabajo realmente duro el que realiza la biela Se construye de acero
forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al material aguantar ese inmenso
trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta conseguir la forma de la biela
[2]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
2
Asociado a esto al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentan desgastes excesivos y prematuros los cuales pueden ocasionar una falla es por esto
importante considerar un buen sistema de lubricacioacuten durante el funcionamiento del motor La
temperatura en la caacutemara de combustioacuten debe ser superior a los 2000 degK siendo eacutesta una
temperatura instantaacutenea pues disminuye durante el tiempo de expansioacuten y escape de gases Es por
lo tanto necesario disipar el calor producido en la explosioacuten y si el sistema no funciona
correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como consecuencia
deformaciones importantes por sobrecalentamiento [3]
Una biela arqueada o retorcida sobre su eje provoca un ruido en el motor y este arqueamiento es
ocasionado por un diaacutemetro excesivo en el pie o cabeza de la biela o por un peso inadecuado del
elemento [4] En la rectificacioacuten de un motor de combustioacuten interna se rectifican 21 brazos de biela
en un mes lo que significa que estos elementos no son cambiados ya que los brazos de biela estaacuten
disentildeados para tener una vida infinita y estaacute sometido a millones de repeticiones de ciclos de carga
[5]
Es pertinente mencionar que con relacioacuten a las fallas mecaacutenicas de los motores relacionadas a la
biela de un motor se han encontrado investigaciones realizadas en diversos paiacuteses como Ecuador
Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico las cuales se detallan en apartados posteriores Que
conjuntamente a la constante evolucioacuten tecnoloacutegica de la ingenieriacutea en general y el disentildeo
mecaacutenico en particular se decidioacute analizar cuaacuteles son los factores que influyen en el
comportamiento de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) Se
plantea entonces el siguiente problema de investigacioacuten
iquestCuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor de VW1 Golf MK4 Gti
18 T
1 Propoacutesito de la investigacioacuten
El propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar y analizar el comportamiento
termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) que
1 VW Agencia de Autos VolksWagen
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
3
es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico La finalidad es identificar las
fallas de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros
encendido por chispa accionado por gasolina que sirva de apoyo para el buen funcionamiento de
la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten
Frecuentemente la reparacioacuten de un auto depende del cuidado y buen mantenimiento que se deacute
al vehiacuteculo caso contrario esto va influir en el desgaste anticipado de los elementos fijos y moacuteviles
de un motor Ademaacutes en muchas ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa
revisioacuten de su estado o de un anaacutelisis de sus propiedades mecaacutenicas Por tales razones la
justificacioacuten de la presente investigacioacuten estaacute basado en diferentes aspectos los cuales se describen
a continuacioacuten
Conveniencia Reparar el motor tiene varias fases y las fallas tienen diferentes consecuencias
por lo cual hay que hacer un buen diagnoacutestico en cada una de sus piezas principalmente en las
bielas sin embargo no se conoce especiacuteficamente cuales son los problemas que origina la
falla de esta pieza El resultado esperado para la presente investigacioacuten seraacute realizar un anaacutelisis
termo-estaacutetico que permitiraacute identificar los esfuerzos y deformaciones para tomar decisiones
acertadas y precauciones de riesgo que puede generar el sobrecalentamiento del motor
Implicacioacuten praacutectica El analizar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un
motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa
permitiraacute determinar la fuerza axial para posteriormente identificar la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica Con estos datos junto con la simulacioacuten de la geometriacutea estaacutetica y
estructural de la biela permitiraacuten identificar posibles deformaciones Los resultados podraacuten
confirmar su aplicabilidad ya que ayudaraacuten a tomar precauciones importantes para que el
motor tenga un excelente funcionamiento evitando riesgos fatales que pueden extenderse a la
destruccioacuten total del motor Se evidenciaraacute la necesidad de maacutes investigaciones destacaacutendose
los beneficios de la simulacioacuten poniendo en evidencia su relevancia social y su practicidad
Finalmente este estudio participa en el avance positivo en el campo de la ingenieriacutea mecaacutenica
Relevancia Social Al tener una posible solucioacuten aproximada mediante el anaacutelisis del
elemento finito el anaacutelisis estructural de la fuerza sobre la biela y la realizacioacuten de la
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
4
simulacioacuten para esfuerzos y deformaciones se podraacuten tener productos de calidad a menor
costo mejorar los procesos existentes y tambieacuten estudiar fallos de un componente estructural
o un equipo teniendo un impacto positivo debido a que permitiraacute que el motor de combustioacuten
interna tenga menos dantildeos
Valor Teoacuterico La elaboracioacuten del trabajo de investigacioacuten traeraacute como beneficio
herramientas metodoloacutegicas para estudios relacionados con las ciencias exactas
contribuyendo con aportes significativos a la aplicacioacuten de la teoriacutea de motores de combustioacuten
interna lo que permitiraacute el enriquecimiento de la ingenieriacutea mecaacutenica
3 Objetivos
31 Objetivo general
Analizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor VW Golf MK4
Gti 18T
32 Objetivos especiacuteficos
Identificar el comportamiento termo - estaacutetico de la biela en un motor de combustioacuten interna
de 4 tiempos y 4 cilindros encendido por chispa
Determinacioacuten de la fuerza axial que actuacutea en una biela en un motor VW Golf MK4 Gti 18T
Obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiomeacutetrica
Identificar posibles deformaciones de la biela con base en la simulacioacuten de su geometriacutea
estaacutetica y estructural
Elaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de un motor VW Golf MK4 Gti 18T
4 Alcances
La investigacioacuten se realizoacute en una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos
y cuatro cilindros encendido por chispa
Se trabajaron las etapas de anaacutelisis termo - estaacutetico y determinacioacuten de la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica dentro de la caacutemara del cilindro
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
5
Para la realizacioacuten de estas etapas se utilizoacute el software SolidWorks para generar la geometriacutea
real de la biela Se utilizoacute asiacute mismo ANSYS para la simulacioacuten estaacutetica estructural para
identificar esfuerzos y deformaciones de la biela
5 Organizacioacuten del estudio
El desarrollo de esta investigacioacuten comprende cinco capiacutetulos los cuales se describen a
continuacioacuten
Capiacutetulo 1 Estado del Arte la descripcioacuten de las investigaciones relacioacuten a las fallas
mecaacutenicas de los motores relacionadas a la biela de un motor relacionadas en diversos paiacuteses
como Ecuador Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico
Capiacutetulo 2 Marco Teoacuterico se desarrolla inicialmente el marco conceptual sobre las bielas los
componentes de las bielas anaacutelisis estaacutetico y teacutermico motor de combustioacuten haciendo eacutenfasis en
el disentildeo mecaacutenico de una biela
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea se abordan los aspectos metodoloacutegicos de la investigacioacuten como son
enfoque alcance formulacioacuten de hipoacutetesis disentildeo seleccioacuten de la muestra recoleccioacuten de datos
y el procesamiento y anaacutelisis de datos
Capiacutetulo 4 Anaacutelisis e interpretacioacuten de Resultados se analizan e interpretan los resultados
obtenidos en las pruebas de simulacioacuten
Capiacutetulo 5 Conclusiones y Recomendaciones se presentan las conclusiones
recomendaciones y aportaciones de la experiencia adquirida durante la investigacioacuten realizada
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
6
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE
Como ya se mencionoacute anteriormente el propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar
y analizar el comportamiento termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa (ECH) que es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico
Y con la finalidad de identificar las fallas de la biela y que estos resultados sirvan de apoyo para el
buen funcionamiento de la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
Resultado de la buacutesqueda sobre las investigaciones relacionadas con el propoacutesito de esta
investigacioacuten Se encontroacute que en Ecuador Reyes Cantildeizares y Villacres [6] realizaron un estudio
el cual consistioacute en analizar un brazo de biela de un motor que ha alcanzado el kilometraje
necesario para una reparacioacuten y no presenta ninguna falla en su estructura y comparar los
resultados con el brazo de una biela nueva Para desarrollar este anaacutelisis realizaron un ensayo de
traccioacuten bajo la norma ASTM con el fin de obtener los valores del liacutemite de fluencia y la resistencia
a la traccioacuten del material del que estaacute hecho el elemento A partir de los resultados obtenidos los
valores praacutecticos de las propiedades mecaacutenicas de los brazos de biela cumplen con los datos
teoacutericos del tipo de material del cual estaacuten fabricadas A su vez se demostroacute que el brazo de biela
de un vehiacuteculo con un recorrido de 1197599 km mejoroacute su estructura y sus propiedades
mecaacutenicas debido a la temperatura de los ciclos de trabajo del motor que van entre los 800 y 950
degC Los resultados mostraron que las propiedades mecaacutenicas del elemento mejoraron con el tiempo
y con la temperatura de funcionamiento del motor debido al tratamiento teacutermico de normalizacioacuten
A partir de los anaacutelisis realizados se determinoacute que el brazo de biela usado se encuentra en
condiciones oacuteptimas para ser utilizado en una reparacioacuten de motor asegurando asiacute el adecuado
funcionamiento y evitando el reemplazo del elemento lo que dio como resultado un ahorro
econoacutemico
Estudios elaborados en Brasil por Valdeacutez et al [7] indican que los motores de combustioacuten
interna son los maacutes usuales en los automoacuteviles y sirven para producir fuerza Entre los problemas
que se han encontrado son las fallas de las bielas relacionadas con otras fallas y especiacuteficamente
de los ciguumlentildeales los cuales fueron analizados dando un incorrecto rectificado de los muntildeones
produciendo alta generacioacuten de calor sobre las superficies en contacto originando pequentildeas fisuras
por fatiga teacutermica El valor de dureza promedio obtenido del nuacutecleo del ciguumlentildeal fue de 26 puntos
en la escala Rockwell C que equivale aproximadamente a 255 puntos en la escala Brinell y a una
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
7
resistencia de 85 kgmm2 Se concluye que el tratamiento teacutermico de bonificado realizado sobre el
ciguumlentildeal se desarrolloacute fuera de las normas obtenieacutendose una resistencia menor al liacutemite miacutenimo
recomendado De los resultados del anaacutelisis metalograacutefico se pudo identificar la presencia de
austenita retenida cuya proporcioacuten afecta inversamente la dureza y la resistencia final En los
resultados que se obtuvieron los autores mencionan que es necesario realizar un tratamiento
teacutermico de endurecimiento superficial como la nitruracioacuten Tambieacuten recomiendan estudiar la
bitaacutecora del tratamiento teacutermico utilizado en la produccioacuten del ciguumlentildeal con el fin de identificar
la etapa del tratamiento teacutermico que presenta el problema [8]
De igual forma indagaciones elaboradas en Argentina por Cravino et Al [9] mencionan que
existen diversos problemas cuando llegan a tener fallas las bielas de un motor por lo que los
autores mencionan que analizaron las dificultades desde el punto de vista dimensional metaluacutergico
y mecaacutenico a fin de determinar las causas probables de dichas fallas Seguacuten los resultados
obtenidos el material de la biela corresponde a un acero del tipo SAE 1141 que no concuerda con
el requerido por el fabricante No se encontraron defectos microestructurales o superficiales en el
material asociados con la falla La superficie de fractura presenta un comienzo deacutebil que finaliza
con las caracteriacutesticas fibrosas de un proceso duacutectil La causa probable de la falla del componente
se atribuye a una sobrecarga que produjo superacioacuten en el liacutemite elaacutestico del material y que
posteriormente dio lugar al pandeo plaacutestico del componente variando su geometriacutea y
fracturaacutendose totalmente Esta falla se debioacute a que el elemento estuvo sometido a un esfuerzo
mayor al que corresponderiacutea en condiciones normales de funcionamiento
Estudios realizados en Espantildea por Gonzaacutelez [10] mencionan que la naturaleza de las fuerzas que
afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de inercia En la
investigacioacuten sobre el disentildeo de una biela el autor utilizoacute el software de aplicacioacuten Working Model
que ayudoacute para el anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico mediante la simulacioacuten La finalidad fue calcular
las fuerzas aplicadas en la cabeza y el pie de la biela para posteriormente hacer un anaacutelisis de
elementos finitos que definieran los esfuerzos En los resultados obtenidos se logroacute disminuir la
longitud de la biela la cual permitioacute compactar maacutes el motor y reducir su peso De esta forma el
consumo y las emisiones del motor seraacuten menores que es uno de los grandes objetivos actualmente
de la industria automoviliacutestica Al realizar la simulacioacuten para el pandeo de la biela se aplicoacute un
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
8
valor de α2=2 obteniendo una carga criacutetica de pandeo de 3799522 N por lo que la carga para
evitar el fenoacutemeno de pandeo es σpandeo3 = 15663 MPa Con estos datos el autor afirma que la
biela no va a sufrir pandeo en ninguacuten caso considerando ademaacutes que el cuerpo estaacute
sobredimensionado
Aunado a lo anterior investigaciones realizadas en Meacutexico por Espinoza indican que las fallas
de los autos se deben al kilometraje recorrido de los cuales causan desgastes inevitables para el
motor provocando todo tipo de fallas incluyendo los de las bielas Los propietarios de los
vehiacuteculos necesitan por lo tanto recurrir a expertos que reparen los vehiacuteculos y garanticen su
funcionamiento [11] En el Estado de Meacutexico en especial en la zona de Texcoco se cuenta con
talleres que se encargan de la reparacioacuten de vehiacuteculos en general Eacutestos aun cuando ofrecen el
servicio de reparacioacuten de motores no trabajan directamente con este tipo de especiacutefico de
reparacioacuten sino que acuden a talleres especializados en rectificacioacuten para remediar los dantildeos
internos en los mismos Muchas veces no se dedican a la reparacioacuten de fallas de bielas debido a
que existen muchos factores que influyen en este tipo de descompostura En los motores la
principal fuente de energiacutea es la gasolina que es el combustible empleado con mayor frecuencia
por lo tanto es importante la calidad de ella para el oacuteptimo funcionamiento [12]
De igual forma Riesco et al [13] en estudios realizados en Hidalgo para comparar los modelos
de transferencia de calor y duracioacuten de la combustioacuten en el comportamiento de los ciclos
termodinaacutemicos de los motores de combustioacuten interna alternativos Dentro de los resultados
obtenidos los autores mencionan que los ciclos de aire estaacutendar con leyes de quemado permiten
tener resultados maacutes aproximados a los reales que los ciclos teoacutericos de aire estaacutendar Esto se debe
principalmente a que con los meacutetodos de simulacioacuten se toman en cuenta las peacuterdidas de energiacutea
por refrigeracioacuten y no se supone que la adicioacuten de calor se realice a presioacuten o volumen constante
sino que su velocidad se controla mediante expresiones empiacutericas Los resultados muestran que la
eleccioacuten tanto del modelo de transferencia de calor como el de la duracioacuten de la combustioacuten es
muy subjetiva y debido a que los sistemas de los motores se cambian contantemente se deberaacuten
ajustar las constantes que aparecen en dichos modelos para cada motor en particular
2 Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente a PMS 3 Inestabilidad elaacutestica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos y que se manifiesta por la aparicioacuten de
desplazamientos importantes transversales a la direccioacuten principal e compresioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
9
Figura 1Estado del arte
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
10
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
Un auto estaacute compuesto por diferentes piezas entre las cuales se encuentran filtro de aire
carburador distribuidor bomba de gasolina bobina de encendido filtro de aceite bomba de aceite
caacuterter aceite lubricante toma de aceite cables de alta tensioacuten de bujiacuteas bujiacutea balanciacuten muelle de
vaacutelvula vaacutelvula de escape vaacutelvula de admisioacuten lumbrera de admisioacuten caacutemara de combustioacuten
varilla empujadora aacuterbol de levas aros de pistoacuten pistoacuten biela buloacuten ciguumlentildeal muacuteltiple de escape
refrigeracioacuten del motor varilla medidora de aceite volante y motor de arranque
21 Conceptualizacioacuten del motor
La palabra motor proviene del latiacuten motoris que significa mover y en lo que se refiere a
automoacuteviles estos se encuentran disentildeados por varios elementos entre los cuales se encuentran los
motores el cual da vida a un auto sin eacutel no hay movimiento Un automoacutevil utiliza una fuente de
energiacutea mecaacutenica para poder moverse la cual se obtiene mediante una transformacioacuten de otros tipos
de energiacutea dentro del motor como la eleacutectrica de combustioacuten o la combinacioacuten de ambas
Seguacuten Renzo [14] el motor de un auto es un motor de combustioacuten interna el cual obtiene energiacutea
mecaacutenica desde la energiacutea quiacutemica que se genera cuando explota el combustible en el interior El
motor estaacute formado por un conjunto de caacutemaras de combustioacuten llamadas cilindros dentro de las
cuales se producen sus cuatro tiempos de funcionamiento admisioacuten compresioacuten explosioacuten y
escape
Para Fersainz [15] un motor es una maacutequina que convierte el calor producido por la explosioacuten
(en el caso de los de gasolina) o la combustioacuten (en el caso de dieacutesel) del combustible en un
movimiento con suficiente fuerza para que las ruedas giren y el vehiacuteculo pueda desplazarse El
autor menciona que en los motores convencionales los autos se ponen en movimiento debido a
una chispa que se genera en la mezcla de vapor de combustible y aire comprimido dentro de un
cilindro sellado haciendo que la mezcla se queme raacutepidamente y proporciona energiacutea
Se puede concluir que un motor es una maacutequina compuesta por varios elementos el cual puede
proporcionar energiacutea utilizando alguacuten tipo de combustible para que tenga un funcionamiento
adecuado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
11
22 Clasificacioacuten de motores
Existen diferentes tipos de motores entre los cuales se encuentran los eleacutectricos los teacutermicos
eacutestos se subdividen en motores de combustioacuten externa e interna y los hiacutebridos Los cuales se
describen a continuacioacuten
221 Motores eleacutectricos
En este tipo de autos el combustible utilizado es la electricidad Eacutesta se convierte en energiacutea
mecaacutenica mediante una interaccioacuten entre campos magneacuteticos opuestos generados por imanes y un
conductor de electricidad Debido a una constante atraccioacuten y repulsioacuten magneacutetica entre ellos se
produce una rotacioacuten continua dentro del motor generando energiacutea necesaria para el movimiento
del vehiacuteculo [16] La figura 2 muestra un motor eleacutectrico
Para Enriquez [17] los motores eleacutectricos representan los caballos de batalla de la industria y
del movimiento en general Su uso se da ademaacutes en hospitales escuelas edificios de oficinas y
centros comerciales en donde se usan para aplicaciones en suministro de agua calefaccioacuten
enfriamiento y muchas otras rutinas de trabajo Estos motores son usados en los automoacuteviles
modernos aunque son maacutes complejos que el simple cableado eleacutectrico y se usan en casi todos los
aspectos operativos del automoacutevil [18]
Un motor eleacutectrico transforma la energiacutea eleacutectrica en energiacutea mecaacutenica para impulsar el
funcionamiento de una maacutequina [19]
Figura 2 Motor eleacutectrico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
12
Se puede concluir que un motor eleacutectrico es una maacutequina que tiene la capacidad de transformar
energiacutea eleacutectrica en mecaacutenica de tal forma que permita el movimiento de un vehiacuteculo Su tamantildeo
y su volumen es reducido y su potencia puede ser alta
222 Motores teacutermicos
Los motores teacutermicos son maacutequinas que tienen por objeto transformar energiacutea caloriacutefica en
energiacutea mecaacutenica directamente utilizable [20] Eacutestos se clasifican en motores de combustioacuten
externa y motores de combustioacuten interna los cuales se describen en las secciones 224 y 23
respectivamente
223 Motores hiacutebridos
Un sistema hiacutebrido se basa en una fuente de combustioacuten interna de gasolina combinado con un
motor eleacutectrico para propulsar el vehiacuteculo tal como se visualiza en la figura 3
Este tipo de motor reduce las emisiones y aumenta la eficiencia de combustible Los vehiacuteculos
hiacutebridos utilizan la energiacutea mucho maacutes eficientemente que los sistemas de gasolina convencionales
[19] Se denomina motor hiacutebrido a un vehiacuteculo en el cual la energiacutea eleacutectrica que lo impulsa
proviene de bateriacuteas y de un motor de combustioacuten interna que mueve un generador Entre sus
ventajas se encuentran 1) su autonomiacutea ya que eacutesta depende del combustible almacenado en el
tanque 2) tiene un alto y uniforme rendimiento incluso a bajas temperaturas 3) el motor de
combustioacuten interna funciona bajo un estrecho margen de carga y velocidad lo que incrementa su
eficiencia [21]
Figura3 Motor hiacutebrido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
13
Para Chang [22] un motor hiacutebrido es aquel que combina un motor de combustioacuten interna y un
motor eleacutectrico los cuales tienen una mayor eficiencia energeacutetica y esto se debe a que este tipo de
motores son maacutes pequentildeos y por lo tanto consumen poca energiacutea
Por lo expuesto anteriormente se puede decir que un motor hiacutebrido es aquel que tiene una
combinacioacuten de un motor de combustioacuten interna y un motor eleacutectrico Esta combinacioacuten optimiza
su funcionamiento para un mejor rendimiento
224 Motores de combustioacuten externa
En la figura 4 se muestra un ejemplo de motor de combustioacuten externa Al igual que los motores
de combustioacuten interna son motores teacutermicos en los cuales el motor alcanza un estado teacutermico
mayor mediante la transmisioacuten de energiacutea teacutermica [23]
Su principal funcioacuten es hacer trabajo mecaacutenico a expensas de la expansioacuten y contraccioacuten de un
gas en un recinto cerrado El motor cuenta con un desplazador que hace que el gas pase de la zona
friacutea a la zona caliente y luego a la zona friacutea nuevamente producieacutendose consecuentemente su
tendencia a la expansioacuten y su posterior contraccioacuten [24]
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
14
Los motores de combustioacuten externa seguacuten Meza [24] son maacutequinas que realizan una conversioacuten
de energiacutea caloriacutefica en energiacutea mecaacutenica El rendimiento teacutermico de estos los motores se ve
limitado por varios factores principalmente por la peacuterdida de energiacutea por la friccioacuten y la
refrigeracioacuten
23 Motores de combustioacuten interna
Un motor de combustioacuten interna es un motor teacutermico en el cual se produce una combustioacuten del
fluido del motor transformando la energiacutea quiacutemica en teacutermica a partir de la cual se obtiene energiacutea
mecaacutenica Un ejemplo de este tipo de motor se aprecia en la figura 5
Estos motores tienen como principal fuente de energiacutea la gasolina Eacuteste es el combustible
empleado con mayor frecuencia por lo que es importante su calidad para un oacuteptimo
funcionamiento Un buen combustible debe tener un octanage aceptable ya que la gasolina debe
explotar dentro del cilindro para generar el movimiento del pistoacuten [26]
Este tipo de motores transforma el calor generado por el combustible ya sea dieacutesel o gasolina
en movimiento mecaacutenico del automoacutevil Durante este proceso el oxiacutegeno del aire se mezcla con el
combustible y hace que este uacuteltimo explote (en el caso de la gasolina) generando gases cuya fuerza
de expansioacuten teacutermica acciona sobre el pistoacuten que a su vez empuja el ciguumlentildeal y hace que eacuteste
ponga en movimiento las ruedas del automoacutevil [28]
Figura 5 Motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
15
Seguacuten Creus [29] un motor de combustioacuten interna utiliza la energiacutea interna del combustible para
que el motor realice un trabajo Dichos motores son ampliamente utilizados como fuentes de
alimentacioacuten en lugares de difiacutecil acceso Sin embargo los motores de combustioacuten interna de
dieacutesel tienen un rango de fallo por cada antildeo de explotacioacuten de entre 25 a 50
Se conoce como motores de combustioacuten interna (o endoteacutermicos) alternativos a cualquier tipo de
maacutequinas que a partir de energiacutea quiacutemica sean capaces de convertirla y obtener energiacutea mecaacutenica
para su uso El arranque de los motores se lleva a cabo en su caacutemara interna y sucede al momento
de ser encendido [20]
El motor de combustioacuten interna es la unidad energeacutetica y motriz de los medios de transporte
maacutequinas y equipos que se utilizan en actividades de diversas ramas de la economiacutea [30]
Se puede decir que un motor de combustioacuten interna es aquel que es capaz de convertir la energiacutea
quiacutemica en mecaacutenica para que se pueda utilizar de manera oacuteptima
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna
La clasificacioacuten de los motores puede ser extensa esto debido al disentildeo y mecanismos
mecaacutenicos A continuacioacuten se describen algunas clasificaciones
Respecto a la forma de los cilindros Su distribucioacuten puede ser en ldquoVrdquo o ldquoen liacuteneardquo esto
depende de la cantidad de cilindros existentes los cuales van en funcioacuten de la potencia del
motor Normalmente los motores de automoacuteviles son de 4 o 6 cilindros distribuidos en ldquoVrdquo
Referente a la forma de refrigeracioacuten Pueden ser refrigerados por liacutequido que normalmente
es agua donde el calor es evacuado al radiador del auto Tambieacuten pueden ser refrigerados por
aire donde se necesita de un ventilador que ayude a circular el aire alrededor del motor
Concerniente a las caras de los pistones Los motores convencionales utilizan una cara activa
de los pistones que se conocen como pistones de simple efecto Son aquellos que se
encuentran en contacto con el fluido activo y recibe el impacto de la energiacutea quiacutemica De igual
forma existen motores que utilizan los pistones de doble efecto los cuales funcionan en dos
direcciones y usan dos cilindros con dos pistones y dos bielas conectados a su respectivo
ciguumlentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
16
Respecto a la presioacuten del aire a la caacutemara de combustioacuten En las maacutequinas convencionales
el aire de la atmoacutesfera entra directamente a la caacutemara y la presioacuten es la atmosfeacuterica Dichos
motores usan un comprensor que se encargan de comprimir el fluido antes de conducirlo al
interior del motor
Referente a la introduccioacuten de combustible a la caacutemara interna Se clasifican en motores
de inyeccioacuten y carburacioacuten en estos uacuteltimos se mezclan los fluidos operantes para
posteriormente introducirlo a la caacutemara por medio de una vaacutelvula reguladora
Concerniente al ciclo operativo Se refiere a la cantidad de operaciones que el fluido activo
ejecuta en el cilindro La duracioacuten del ciclo la mide el pistoacuten
Respecto al tipo de encendido Esta clasificacioacuten radica en el modo de encendido con el ciclo
termodinaacutemico con el que opera la maacutequina [28]
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna
Los elementos de un motor de combustioacuten interna son biela pistoacuten y ciguumlentildeal los cuales se
describen en los siguientes apartados
24 Conceptualizacioacuten de la biela
La biela es el elemento del motor encargado de transmitir al ciguumlentildeal la presioacuten de los gases que
actuacutea sobre el pistoacuten Es un elemento de difiacutecil lubricacioacuten y es una parte criacutetica del motor por lo
que su disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes [31] Por lo general las bielas se fabrican de acero
templado aunque en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio
[32] tal como se muestra en la figura 6
Para Morillo Ibaquingo amp Benavides [33] una biela es un elemento mecaacutenico que conecta el
pistoacuten al ciguumlentildeal Sirve ademaacutes para transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
transformando esta fuerza de lineal a rotativa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
17
Figura 6Biela
Para Alzalluacute [34] por o tro lado la biela se encuentra intercalada entre el pistoacuten y el ciguumlentildeal
Soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del ciguumlentildeal hacia
arriba Se construyen de acero forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al
material aguantar ese inmenso trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta
conseguir la forma de la biela Su cuerpo adopta una forma de ldquodoble Trdquo
Las bielas estaacuten sometidas en su trabajo a esfuerzos de compresioacuten traccioacuten y tambieacuten de flexioacuten
muy grandes y por ello se fabrican con materiales resistentes pero a la vez han de ser lo maacutes
ligeros posibles Generalmente estaacuten fabricadas de acero con silicio manganeso y cromo Son
perforadas es decir se les crea un conducto por donde circula el aceite bajo presioacuten desde la
cabeza hasta el pasador con el fin de lograr una buena lubricacioacuten [27]
241 Elementos de una biela
En la figura 7 como puede apreciarse estaacute conformada por el pie que es el extremo que va
unido al buloacuten que a su vez va enganchado en el ciguumlentildeal Este es el extremo maacutes pequentildeo de la
biela El Cuerpo es la zona central de la biela que debe soportar la mayor parte de los esfuerzos
pero al estar en continuo movimiento tambieacuten debe de ser ligero por ello se suele construir con
forma de doble T
La Cabeza igual que el Pie y Cuerpo es la parte que va unida al ciguumlentildeal A diferencia del pie la
cabeza va dividida en dos mitades una de ellas unida al cuerpo y la otra (sombrerete) separada de
eacuteste requirieacutendose dos tornillos para unirse a eacutel Estaacuten tambieacuten el casquillo o cojinete Tornillos
de dilatacioacuten y vaacutestago de biela Por lo general las bielas se fabrican de acero templado aunque
en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio [35]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
18
Figura 7 Partes de la biela
La biela es la pieza que estaacute encargada de transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela
Los metales de los que estaacuten hechas las bielas deben reunir diversas caracteriacutesticas las cuales se
describen a continuacioacuten
Resistencia a la fatiga La firmeza que recubre a la biela debe ser mayor que la presioacuten de la
carga dinaacutemica en la peliacutecula del aceite mayor de las cargas de explosiones en la caacutemara de
combustioacuten y mayor que las cargas por inercia de las masas rotantes
Conformidad El casquillo del metal de la biela debe tener la geometriacutea exacta para mantener
el aceite en un nivel consistente con la resistencia a la fatiga de la aleacioacuten
Compatibilidad Es la resistencia que tiene el material de las diferentes aacutereas de unioacuten
Resistencia a la corrosioacuten El lubricante debe tener un determinado grado de acidez que
corroeraacute la superficie del material por lo que el metal de la biela debe ser capaz de resistir lo
mejor posible este efecto
Incrustabilidad En el aceite de los motores se encuentran partiacuteculas de basura que la
superficie del metal de la biela debe ser capaz de aceptar con el menor dantildeo posible [36]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
19
243 Fallas en las bielas del motor
Existen diferentes circunstancias por las que puede fallar una biela en un motor entre las cuales se
encuentran
Fatiga Es una falla de las bielas rotas y aunque la estructura de las bielas de motor estaacute hecha
para resistir las altas fatigas producto de las altas revoluciones en el motor esto no duraraacute para
siempre
Pasador El pasador que conecta la biela al pistoacuten recibe una gran cantidad de desgaste Si
este pasador suelta la varilla de conexioacuten ya no estaraacute conectada al motor lo que resulta en un
problema para eacutel
Motor revolucionado Un motor revolucionado es la principal causa de falla de las varillas
de conexioacuten de los motores nuevos y de alto rendimiento
Agua en el motor Si entra mucha agua en el cilindro en el momento de la chispa la biela se
puede doblar o romper [37]
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten
El pistoacuten es el encargado de darle la fuerza generada por la explosioacuten a la biela para que ella
haga el resto y debido a los esfuerzos tanto de friccioacuten como de calor a los que estaacute sometido el
pistoacuten se fabrica con materiales muy resistentes al calor y al esfuerzo fiacutesico pero siempre
empleando materiales ligeros para aumentar su velocidad faacutecilmente y poder alcanzar regiacutemenes
de rotacioacuten elevados [38] Los pistones se fabrican de aluminio silicio niacutequel y magnesio [39] un
ejemplo de pistoacuten se muestra en la figura 8
Figura8 Pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
20
Seguacuten Gontildei amp Rojas [40] se denomina pistoacuten a uno de los elementos baacutesicos del motor de
combustioacuten interna Se trata de una pieza que se ajusta al interior de las paredes del cilindro
mediante aros flexibles llamados anillos Efectuacutea movimientos obligando al fluido que ocupa el
cilindro a modificar su presioacuten y volumen
Un pistoacuten estaacute constituido por partes cabeza arcos y cubos del perno La funcioacuten del pistoacuten es
cerrar y obturar la caacutemara de combustioacuten interna asiacute como recibir la fuerza causa en la combustioacuten
a traveacutes de la biela y transmitirla al ciguumlentildeal como fuerza de torsioacuten tambieacuten transmite el calor
producido por los gases de combustioacuten hacia las paredes del cilindro para que sean refrigeradas por
el lubricante El pistoacuten se desplaza raacutepidamente por el interior de los cilindros el cual tiene
segmentos los cuales consiguen la estanquidad necesaria entre el pistoacuten y las paredes del cilindro
De este modo se evita que parte del gas comprimido se escape hacia la parte inferior del motor Por
ese motivo el pistoacuten debe estar fabricado de un material ligero y resistente a la vez Atravesando el
pistoacuten se observa un orificio pasante A traveacutes de este orificio el pistoacuten se une a la biela por
mediacioacuten de un buloacuten de acero [41]
El pie de la biela es el que la une al pistoacuten por medio del buloacuten el cuerpo por su parte asegura la
rigidez de la pieza y la cabeza gira sobre el codo del ciguumlentildeal como puede apreciarse en la figura
9
Los pistones del motor mantienen un movimiento constante hacia arriba y hacia abajo mientras
que el ciguumlentildeal genera un movimiento circular de modo que el auto puede avanzar Los pistones
de un motor se mueven arriba y abajo por el ciguumlentildeal dentro de los cilindros en el motor Las
explosiones que ocurren en estos cilindros de empuje contra los pistones permiten llevarlos de
vuelta y comenzar el ciclo otra vez Los pistones estaacuten conectados al ciguumlentildeal para asegurar que se
mueva con ellos y mantener sus movimientos regulados [42]
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
21
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal
En la figura 10 se aprecia el ciguumlentildeal encargado de transformar el movimiento de la biela en
movimiento rotatorio o circular Junto con el pistoacuten y la biela se considera la pieza maacutes importante
del motor Es una pieza que ha de soportar grandes esfuerzos por eso se construye de materiales
muy resistentes para que puedan aguantar cualquier movimiento sin romperse
El ciguumlentildeal es un aacuterbol de transmisioacuten que junto con las bielas transforma el movimiento
alternativo en circular o viceversa Consiste en un conjunto de manivelas una de ellas llamada
muntildeequilla y dos brazos que acaban en el eje giratorio del ciguumlentildeal Los ciguumlentildeales se utilizan en
los motores de combustioacuten de los automoacuteviles donde el movimiento lineal de los pistones dentro
de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del ciguumlentildeal
que a su vez se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia El ciguumlentildeal
es un elemento estructural del motor [43]
Para Aacutelvarez [42] el ciguumlentildeal estaacute situado en el motor de un vehiacuteculo y convierte la fuerza creada
por los pistones del motor El ciguumlentildeal estaacute conectado a todos los pistones en el motor y el volante
En la figura 11 se puede observar la articulacioacuten de la biela el pistoacuten y el ciguumlentildeal donde el
movimiento es rotativo para su adecuado funcionamiento Estos tres elementos no pueden
funcionar en forma separada
Figura 10Ciguentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
22
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal
Debido a los impulsos provocados por los pistones se presentan diferentes vibraciones
determinadas por el nuacutemero de revoluciones las cuales pueden provocar la rotura del ciguumlentildeal y
ruido excesivo en el motor Su funcioacuten es impulsar la fuerza de cada uno de los cilindros a traveacutes
del mecanismo de las bielas Estaacuten fabricados con materiales de acero cementado templado y con
aleaciones de niacutequel y cromo Estos materiales permiten tener un tratamiento teacutermico
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes
Desde hace tiempo la ingenieriacutea automotriz se ha enfocado en el disentildeo y la fabricacioacuten de
superficies que permitan reducir la friccioacuten principalmente en los cojinetes [364546]
Los cojinetes son los encargados de unir la biela con el ciguumlentildeal para evitar que haya rozamiento
entre ellos y evitar peacuterdidas de potencia y averiacuteos Tienen forma de media luna tal como se aprecia
en la figura 12 y se colocan entre el ciguumlentildeal y la cabeza de las bielas Estos deben ser construidos
con gran precisioacuten pues cualquier mala elaboracioacuten puede impactar en el funcionamiento del
motor
Figura 12Cojinetes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
23
Seguacuten Suaacuterez [47] los cojinetes son punto de apoyo de ejes para sostener su peso guiarlos en su
rotacioacuten y evitar deslizamientos Van colocados directamente en el bastidor de la pieza y los
cojinetes trabajan en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal
De acuerdo con Suaacuterez Toro amp Veacutelez [48] los cojinetes son que piezas de metal que descansan
y giran en cualquier eje de un motor Son dispositivos que se colocan entre la porcioacuten fija y la
porcioacuten giratoria de un motor y sirven para reducir al miacutenimo la friccioacuten entre ambas Los cojinetes
se fabrican con pequentildeas esferas metaacutelicas sin embargo no garantizan una vida uacutetil extensa El
rendimiento de los cojinetes es afectado por las condiciones de velocidad materiales en contacto
temperatura lubricacioacuten tipo de carga entre otros
271 Clasificacioacuten de los cojinetes
Los cojinetes se clasifican por friccioacuten o deslizamiento y de rodamiento Eacutestos se explican a
continuacioacuten
Cojinetes de friccioacuten o deslizamiento El cojinete de friccioacuten estaacute compuesto por dos pistas
una interior y otra exterior Eacutestas tienen contacto directo por medio de deslizamiento o friccioacuten
La reduccioacuten del rozamiento se realiza seguacuten la seleccioacuten de materiales y lubricantes Los
lubricantes tienen la funcioacuten de crear una peliacutecula deslizante que separe los dos materiales o
evite el contacto directo Para Veacutelez [49] los cojinetes de friccioacuten son aquellas piezas que
entre mayor es la friccioacuten es maacutes difiacutecil el movimiento entre los dos objetos En el caso de
maacutequinas la friccioacuten ocasiona el desgaste de las piezas
Seguacuten Arias [50] los cojinetes de friccioacuten son puntos de apoyo de ejes y aacuterboles para sostener
su peso guiarlos en su rotacioacuten y evitar deslizamientos Van montados en soportes para
facilitar su montaje tal como se aprecia en la figura13 Mientras que para Espitia [51] es el
elemento mecaacutenico capaz de soportar los gorrones de los ejes giratorios que se caracteriza por
un reducido coeficiente de rozamiento asiacute como por la posibilidad de ser lubricado
constantemente Otra caracteriacutestica importante reside en el hecho de que el material del
cojinete debe ser maacutes blando que el eje para evitar el deterioro de eacuteste en el caso de una
lubricacioacuten defectuosa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
24
Figura 13Cojinetes de friccioacuten
Cojinetes de rodamiento Es un elemento mecaacutenico que reduce la friccioacuten entre un eje y las
piezas conectadas a eacuteste por medio de rodadura el cual sirve de apoyo y facilita su
desplazamiento Los elementos de rodadura pueden ser bolas o rodillos son piezas que
requieren facilitar la ejecucioacuten de rigurosos tratamientos teacutermicos para obtener piezas de gran
resistencia al desgaste y a la fatiga Se caracterizan por ser de escaso rozamiento sobre todo
en el arranque por tener mayor velocidad admisible y un menor consumo de lubricante Para
Meacuterida [52] los cojinetes de rodamiento son elementos mecaacutenicos que aseguran un enlace
moacutevil entre dos elementos de un mecanismo uno de los cuales se encuentra en rotacioacuten con
respecto al otro Su funcioacuten principal es la rotacioacuten relativa de dichos elementos bajo carga
con precisioacuten y con un rozamiento miacutenimo
Seguacuten Galicia [53] estos tipos de cojinetes estaacuten constituidos por dos anillos rodantes
separados entre siacute por unos cuerpos tambieacuten rodantes interpuestos entre eacutestos cuya forma
variacutea seguacuten su uso pudiendo ser de diferentes formas bolas rodillos ciliacutendricos agujas etc
En ellos el gorroacuten del aacuterbol y la superficie de rodadura del soporte estaacuten separados por
elementos rodantes de forma que con el giro del gorroacuten o del cojinete se genera un
movimiento de rodadura y no de deslizamiento tal como se muestra en la figura 14
Figura 14Cojinetes de rodamiento
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
25
Seguacuten Jaramillo [54] cerca de 40 de la energiacutea total transformada por un motor de combustioacuten
interna de un automoacutevil se disipa como trabajo de las fuerzas de friccioacuten La disminucioacuten de las
peacuterdidas por friccioacuten es un factor clave para lograr un mejor uso de los combustibles y la proteccioacuten
del medio ambiente El sistema anillo-pistoacuten-camisa responde por peacuterdidas equivalentes a 50 o
60 del total de las peacuterdidas por friccioacuten en un motor de estos
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos
En la figura 15 se puede observar la estructura baacutesica de un motor de cuatro tiempos el cuaacutel es
conocido por motor OTTO [55] Se usa como maacutequina motriz en automoacuteviles comerciales consta
de un ciclo de cuatro procesos los cuales se describen a continuacioacuten
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos
Como se mencionoacute anteriormente el ciclo consta de cuatro tiempos El primer tiempo
corresponde al de admisioacuten que es el momento que el pistoacuten estaacute en el punto maacutes alto conocido
como Punto Muerto Superior (PMS) Posteriormente la vaacutelvula de admisioacuten se abre y el propio
pistoacuten por el vaciacuteo que se crea dentro del cilindro aspira la mezcla (aire y combustible) hasta llegar
al punto maacutes bajo del cilindro del Punto Muerto Inferior (PMI)
El segundo tiempo se refiere a la compresioacuten donde el pistoacuten se encuentra en el punto maacutes bajo
(PMI) En este momento la vaacutelvula de admisioacuten se cierra y el pistoacuten empieza a ascender
comprimiendo la mezcla hasta llegar al punto maacutes alto del cilindro (PMS)
Figura 15Motor de cuatro tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
26
Respecto al tercer tiempo que concierne a la expansioacuten una vez que se ha comprimido la mezcla
la bujiacutea hace saltar una chispa y enciende la mezcla aumentando la presioacuten en el cilindro y
haciendo descender el pistoacuten hacia el punto maacutes bajo (PMI)
En el cuarto tiempo que corresponde al escape de gases es cuando el pistoacuten llega al punto maacutes
bajo (PMI) se abre la vaacutelvula de escape y el pistoacuten empieza a ascender empujando los gases
quemados hacia el exterior En el momento que llega al punto maacutes alto (PMS) la vaacutelvula de escape
se cierra En la figura 16 se muestra el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa basado en el ciclo Otto de cuatro tiempos o fases importantes admisioacuten
compresioacuten explosioacuten y escape [56]
Otto propuso cuatro principios del motor de cuatro tiempos que son maacuteximo volumen del
cilindro con miacutenima superficie de paredes maacutexima velocidad de trabajo posible maacutexima relacioacuten
de expansioacuten posible y maacutexima presioacuten posible al comienzo de la expansioacuten
En los motores de cuatro tiempos el pistoacuten sube y baja cuatro veces en el interior del cilindro
para realizar el ciclo completo La distribucioacuten se compone de vaacutelvulas que se abren y cierran
totalmente sincronizadas con el movimiento del pistoacuten Cuando el pistoacuten desciende el cilindro se
llena de aire y gasolina para lo cual la vaacutelvula de admisioacuten permanece abierta Posteriormente
despueacutes de producirse la explosioacuten en el interior del cilindro la vaacutelvula de escape se abre para que
los humos procedentes de la explosioacuten puedan salir hacia el tubo de escape del automoacutevil En este
tipo de motores se requiere de dos vaacutelvulas por cada cilindro
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
27
29 Sistema de encendido
El sistema de encendido es el encargado de encender la mezcla de aire y de combustible en el
momento que se requiera Para esta investigacioacuten el sistema de encendido es por inyeccioacuten directa
de gasolina o por chispa que son aquellos que inyectan la gasolina directamente dentro del cilindro
Este sistema permite un mayor control de la mezcla y por tanto del comportamiento del motor En
los motores de gasolina la mezcla se enciende gracias a la bujiacutea que proporciona una chispa lo
suficientemente potente como para comenzar la reaccioacuten El propio sistema de encendido tiene que
controlar el momento en el que la chispa ha de saltar para que se encienda la mezcla y sea lo maacutes
eficaz y factible posible La combustioacuten se realiza en el momento en que el pistoacuten estaacute en el punto
maacutes alto (PMS) de esta manera la mezcla se empieza a encender
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa
La caracteriacutestica principal de la inyeccioacuten directa de gasolina es que la mezcla se produce dentro
de la caacutemara de combustioacuten Durante la admisioacuten soacutelo entra aire por la (s) vaacutelvula (s) de admisioacuten
la gasolina es inyectada directamente en la caacutemara de combustioacuten por inyectores de alta presioacuten
[57] tal como se aprecia en la figura 17
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
28
292 Ventajas de la inyeccioacuten directa
Existen ventajas cuando se usa el encendido por chispa las cuales se describen a continuacioacuten
La gasolina se evapora directamente dentro del cilindro absorbiendo el calor del aire contenido
en eacuteste reduciendo la temperatura de la mezcla en la caacutemara de combustioacuten lo que disminuye
el riesgo de autoencendido e incrementa el rendimiento y la potencia
Ayuda a aumentar el rendimiento inyectando la gasolina directamente en el cilindro
Con respecto a la prevencioacuten del autoencendido la mayor contribucioacuten de la inyeccioacuten directa
de gasolina es cuando el motor trabaja en carga estratificada y por tanto no inflamable lo que
evita el autoencendido
Eficiencia en el periodo de admisioacuten debido a que soacutelo entra aire al cilindro inyectando la
gasolina despueacutes
Disminucioacuten del consumo de gasolina si se tiene poca gasolina el motor puede llegar a
funcionar esto permite que el motor aporte la energiacutea requerida con un aporte de gasolina
sustancialmente menor Esta disminucioacuten del consumo de gasolina disminuye tambieacuten de
emisiones de 1198621198742 Este contaminante es un producto del proceso de combustioacuten que soacutelo puede
reducirse disminuyendo el consumo de gasolina
Mejor rendimiento del motor debido a que la mezcla que se encuentra cerca de las paredes es
escasa y la temperatura de los gases de combustioacuten es mucho menor por lo que las peacuterdidas
por calor cedido a las paredes del cilindro tambieacuten se ven reducidas [58]
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa
Estos motores de encendido por chispa o inyeccioacuten directa tienen tambieacuten algunas desventajas
las cuales son
Se requiere de una bomba de alta presioacuten para proveer la gasolina a los inyectores con la
presioacuten requerida Eacutesta bomba toma la gasolina del depoacutesito y la alimenta regulando su presioacuten
de salida
Los inyectores deben ser aptos para resistir las altas presiones para inyectar gasolina
directamente en el cilindro y tambieacuten deben soportar las condiciones de la caacutemara de
combustioacuten tanto las altas temperaturas como las altas presiones derivadas de la combustioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
29
El sistema de encendido debe ser capaz de suministrar maacutes energiacutea debido a que el chorro de
gasolina puede impactar directamente con la bujiacutea mojaacutendola o la chispa apagarse debido a las
fuertes corrientes de aire y necesitar una segunda chispa
Se requiere de una sonda lambda de banda ancha que permita medir las variaciones en la carga
estratificada
Se necesita que la Unidad de Control de Motor (ECU) tenga mayor potencia de caacutelculo para
administrar las sentildeales que recibe y las salidas de control pues el motor tiene distintos modos
de operacioacuten y la ECU debe ser capaz de administrar las sentildeales que recibe para cada uno de
ellos y procesar las oacuterdenes en consecuencia
La cabeza del pistoacuten tiene que ser redisentildeada para que cuando el motor trabaja con carga
estratificada dirija la nube de mezcla rica en gasolina correctamente hacia la bujiacutea [59]
294 Descripcioacuten del proceso de encendido
Para encender el motor de gasolina se necesita una chispa entre los dos electrodos de la bujiacutea
para producir la temperatura necesaria para que la mezcla encienda para lo cual se requieren
tensiones muy altas En la figura 18 se aprecia que en el momento en que se pone en contacto la
llave de arranque se cierra el circuito y la bateriacutea comienza a entregar voltaje el cual es muy bajo
ya que corresponde a 12 voltios Para incrementarlo entre los electrodos de las bujiacuteas la bobina
con ayuda del ruptor consigue cambiar a 30000 voltios Esta tensioacuten es enviada al delco donde
se encuentra el distribuidor giratorio que reparte la tensioacuten a la bujiacutea correspondiente [60]
Figura18 Sistema de encendido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
30
495 Componentes del sistema de encendido
El sistema de encendido en motores de gasolina tiene los elementos que se describen a
continuacioacuten
Alternador es un dispositivo que se acciona directamente por el motor que se encarga de
generar corriente para cargar bateriacutea Al estar directamente accionado por el motor si se suben
las revoluciones del motor tambieacuten aumenta la corriente generada
Bateriacutea Es la encargada de suministrar la energiacutea eleacutectrica para que circule hacia la bujiacutea
Dicha energiacutea viene dada por la reaccioacuten quiacutemica del plomo y aacutecido sulfuacuterico
Bobina Se encarga de transformar la baja tensioacuten que proviene de la bateriacutea en una tensioacuten
alta para hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea la cual consta de dos filamentos
enrollados Cuando el primero recibe la corriente de la bateriacutea el ruptor interrumpe la corriente
que pasa por eacuteste entonces al filamento secundario se le induce una corriente maacutes alta capaz
de hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea y encender la mezcla
Ruptor Se encuentra situado dentro del distribuidor y se encarga de interrumpir
perioacutedicamente la corriente en el filamento primario de la bobina para que la corriente sea
inducida en el secundario Esta interrupcioacuten es en base a la apertura de dos contactos los cuales
son comandados por una leva accionado por y a la misma velocidad que el aacuterbol de levas
Distribuidor Es el encargado de repartir la alta tensioacuten a la bujiacutea en cada momento Va
centrado en el delco donde tambieacuten se situacutea el ruptor y los reguladores de encendido
Bujiacutea Es el elemento que se encarga de hacer saltar la chispa para que encienda la mezcla de
aire y gasolina Estaacute recubierta de un aislante para disipar el calor generado en la caacutemara de
combustioacuten ya que estaacute lsquoen contacto directo con las explosiones
210 Sobrecalentamiento
El sobrecalentamiento del motor es la condicioacuten en la cual la temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y si se mantiene mucho tiempo llega a producir dantildeos graves en el
motor como torceduras y roturas de vaacutelvulas brazos de biela soplado de empaques torceduras de
culatas roturas de pistones etc
El tiempo de calentamiento de los motores modernos es prolongado sobre todo cuando las
condiciones ambientales son desfavorables y cuando la calefaccioacuten del motor se enciende Durante
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
31
el calentamiento del motor la vaporizacioacuten del combustible se dificulta y el catalizador no funciona
a plenitud por esto la reduccioacuten del tiempo de calentamiento del motor es esencial Para lo cual es
necesario reducir el volumen de refrigerante la masa del motor mejorar el aislamiento del motor
emplear sistemas calentadores adicionales emplear una unidad electroacutenica de control para
manipular la termodinaacutemica del motor y de esta misma manera controlar el desempentildeo teacutermico
todas estas medidas serviraacuten para reducir el tiempo del calentamiento y ayudaraacuten a un mejor
funcionamiento del motor [61]
El sobrecalentamiento del motor puede ser causado por cualquier cosa que disminuya la
capacidad del sistema de refrigeracioacuten para absorber transportar y disipar el calor Por lo tanto
los motores pueden sobrecalentarse por una variedad de razones Algunas se deben a que el
termostato se encuentre en mal estado debido a que es una vaacutelvula que abre y cierra conforme se
encuentre la temperatura del motor Es decir el refrigerante del motor caliente pasa a traveacutes del
radiador cuando el termostato estaacute en posicioacuten abierta Cuando se encuentra en posicioacuten cerrada el
refrigerante se queda en el motor y raacutepidamente se calienta ocasionando un sobrecalentamiento
del motor
De igual forma el tener un radiador con fugas u obstrucciones conduce a elevadas temperaturas
del motor y sobrecalentamiento del mismo Asiacute como el tener mangueras con agujeros hace que se
produzcan fugas o se interrumpa el flujo del refrigerante Tambieacuten un ventilador con oscilacioacuten
libre y teniendo un aspa rota no puede mantener una velocidad adecuada lo que origina
sobrecalentamiento del motor
En los motores de combustioacuten interna modernos soacutelo una tercera aparte de la energiacutea interna se
convierte en trabajo uacutetil Las dos terceras partes restantes de la energiacutea se transforman en calor a
peacuterdida evacuadas por el sistema de escape el sistema de enfriamiento y calor radiado y rechazado
por conveccioacuten a traveacutes de las partes soacutelidas del motor El sobrecalentamiento durante el ciclo
completo del motor genera una distribucioacuten de energiacutea dentro de la caacutemara de combustioacuten En
general el calor se transporta hacia la culata la camisa los puertos de escape y el pistoacuten el cual
estaacute ligado a la biela la cual si tiene defectos acabaraacute por destruir el motor [61]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
32
Es por tanto importante estar pendiente de la temperatura a la cual estaacute trabajando el motor
debido a que un sobrecalentamiento puede provocar dantildeos serios empezando por la ruptura del
empaque la deformacioacuten de los cilindros y desgaste en los anillos Estaacuten tambieacuten los dantildeos en los
codos del ciguumlentildeal y la biela Esta uacuteltima ya que se encuentra sometida a fuerzas axiales de
compresioacuten convirtieacutendola en el elemento maacutes tensionado dentro del motor Estaacute ademaacutes expuesta
a cargas producto de la presioacuten generada en la caacutemara de combustioacuten y por la alta friccioacuten entre
los elementos deslizantes Al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentaraacuten desgastes excesivos y prematuros que pueden ocasionar una falla Si este sistema no
funciona correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como
consecuencia deformaciones importantes por sobrecalentamiento [62]
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor
La cinemaacutetica proviene del griego κινεω kineo que significa movimiento Estudia las leyes del
movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo originan y se limita esencialmente al
estudio de la trayectoria en funcioacuten del tiempo [63] La cinemaacutetica se ocupa de aspectos del
movimiento aparte de considerar masa y fuerza Un anaacutelisis cinemaacutetico simula el movimiento de
mecanismos por lo que cumple los requisitos de los perfiles de los motores cinemaacuteticos y de
cualquier conexioacuten de unioacuten por leva en ranura o por engranajes Este tipo de anaacutelisis se usa para
obtener informacioacuten sobre la posicioacuten velocidad y aceleracioacuten de entidades geomeacutetricas y
conexiones interferencia entre componentes las curvas trazadas del movimiento del mecanismo y
los envolventes de movimiento que capturan el movimiento del mecanismo como una pieza
Seguacuten Forno [64] la cinemaacutetica analiza los factores de tiempo y espacio del movimiento de un
sistema es decir describe el movimiento de los cuerpos en teacuterminos de tiempo desplazamiento
velocidad aceleracioacuten y tiempo de desplazamiento
Para Suaacuterez [65] el anaacutelisis cinemaacutetico se utiliza para evaluar el movimiento del mecanismo
gobernado por motores cinemaacuteticos Se puede utilizar cualquier motor cinemaacutetico de eje de
movimiento con un perfil lo que produciraacute una aceleracioacuten finita
Las fuerzas que afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de
inercia Una vez conocidas las fuerzas de combustioacuten en el pistoacuten se usa software especializado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
33
que ayuda en el calculoacute del anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico integrando las fuerzas de inercia
debidas a la masa de cada componente del mecanismo biela-manivela [66]
Para realizar este anaacutelisis es necesario considerar las masas de cada una de las piezas asiacute como
el reacutegimen de giro Esto permitiraacute realizar la simulacioacuten y calcular las fuerzas aplicadas en la cabeza
y el pie de la biela para poder luego hacer un anaacutelisis de elementos finitos que definan los
esfuerzos En el capiacutetulo III se describen la pieza construida a traveacutes del Software de aplicacioacuten
SOLIDWORKS
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor
El anaacutelisis cineacutetico estudia las fuerzas que provocan que un sistema se mueva es decir que
produzcan o cambien el movimiento de un objeto El estudio de las fuerzas que inducen el
movimiento parte desde un movimiento lineal o angular El anaacutelisis cineacutetico puede ser de tipo lineal
o angular El primero involucra la descripcioacuten de un movimiento en liacutenea recta Por otro lado la
cinemaacutetica angular se refiere a la descripcioacuten de un movimiento alrededor de un aacutengulo fijo [64]
El anaacutelisis cineacutetico es cuando un cuerpo estaacute en reposo para acelerarlo hasta una cierta velocidad
y se necesita un determinado trabajo [67] Esa energiacutea que se obtiene en la aceleracioacuten es
conservada por el cuerpo como energiacutea cineacutetica hasta que modifique su velocidad
Concretamente se llama cineacutetica o cinemaacutetica a la especialidad de la fiacutesica centrada en el anaacutelisis
del movimiento dejando de lado el estudio de las fuerzas que lo originan La cineacutetica en este
marco suele estudiar la trayectoria de un cuerpo en movimiento en funcioacuten del tiempo [68]
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor
La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama transferencia de calor la cual se produce
siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se
ponen en contacto hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las
temperaturas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
34
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se usoacute en el software ANSYS el cual permitioacute realizar el
anaacutelisis teacutermico que consiste en la aplicacioacuten del meacutetodo de elementos finitos para calcular la
distribucioacuten de temperatura en una estructura soacutelida en este caso la biela de un motor de
combustioacuten interna Con dicho anaacutelisis se resolvioacute el problema de la transferencia teacutermica
conjugada que involucra el caacutelculo de la simulacioacuten de la conduccioacuten conveccioacuten e irradiacioacuten
teacutermica [66]
Los procesos de los motores de combustioacuten interna son complejos para poder realizar un anaacutelisis
completo de los mismos por lo que se requiere el usoacute de procesos teoacutericos para realizar caacutelculos
Eacutestos son denominados modelos matemaacuteticos para los cuales se usa simulacioacuten herramienta de
gran apoyo para estudiar el comportamiento de los motores de combustioacuten interna desde el punto
de vista termodinaacutemico Con estos softwares de apoyo es posible estudiar la influencia de
determinados paraacutemetros como son la geometriacutea operacioacuten y combustioacuten en las prestaciones de
un motor [69]
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico
La simulacioacuten permite examinar el comportamiento del modelo en condiciones de operacioacuten
reales Ayuda a evaluar las caracteriacutesticas estructurales y el perfil teacutermico proporciona tambieacuten
potentes herramientas para examinar el rendimiento de los mecanismos Sirve para reflejar las
fuerzas materiales y condiciones de liacutemite a las que se veraacute sometido el modelo real para adaptarlo
mejor a criterios de disentildeo especiacuteficos
Existen diversos Softwares de aplicacioacuten para diferentes fines como es el caso de CAD que
sirve para disentildear modelos en tercera dimensioacuten (3D) que posteriormente se analizan por el
meacutetodo de elementos finitos Tal es el caso del software CATIA que es uno de los maacutes utilizados
actualmente en la industria para encontrar paraacutemetros como las dimensiones de diaacutemetro del pistoacuten
longitud de la biela ancho de biela diaacutemetros interiores de cabeza y pie espesores de cabeza y
pie ancho y alto de la seccioacuten tipo I y diaacutemetro de los tornillos de fijacioacuten Tanto el CAD y CATIA
son simuladores que permiten determinar lo antes mencionado
Tambieacuten existe el Software ANSYS que sirve para disentildear analizar y simular partes de piezas
sometidas a fenoacutemenos fiacutesicos usadas en ingenieriacutea y disentildeo mecaacutenico Ayuda a resolver
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
35
problemas fiacutesicos como problemas de esfuerzos teacutermicos fluidos vibracioacuten y otras Dentro de este
software se encuentra la seccioacuten de Anaacutelisis Mecaacutenico que sirve para resolver situaciones muy
particulares en disentildeo mecaacutenico como elementos estructurales lineales no lineales y anaacutelisis
dinaacutemico Con este moacutedulo se puede evaluar el comportamiento asignar materiales y resolver
ecuaciones elaborar anaacutelisis teacutermicos acoplamientos fiacutesicos que involucren acuacutestica elementos
piezoeleacutectricos e interaccioacuten teacutermica con eleacutectrica El software ANSYS se usoacute para este proyecto
Asiacute mismo es necesario sentildealar que para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el
software MATLAB herramienta matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para
la representacioacuten de datos matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor Los resultados
de MATLAB junto con el Software ANSYS permiten predecir coacutemo se comporta y reacciona la
biela en su entorno real Posteriormente se importa la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
y se realizan el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico por medio de la simulacioacuten
De igual forma se emplea para esta investigacioacuten el software SOLIDWORKS que se usa para
el disentildeo mecaacutenico con el que se crea geometriacutea en tercera dimensioacuten (3D) usando paraacutemetros
soacutelidos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
36
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA
La metodologiacutea de la investigacioacuten se define como la disciplina que se encarga del estudio criacutetico
de los procedimientos y medios aplicados por los seres humanos que permiten alcanzar y crear el
conocimiento en el campo de la investigacioacuten cientiacutefica Representa la forma en la que se va a
organizar el proceso de la investigacioacuten de examinar los resultados y de presentar posibles
soluciones al problema Toda investigacioacuten a desarrollar debe llevar un orden loacutegico La
metodologiacutea de la presente investigacioacuten estaacute basada en la propuesta de los autores Hernaacutendez
Fernaacutendez y Baptista [70] ya que tiene un enfoque bastante amplio y flexible que se puede adaptar
de manera general a los requerimientos y alcances del estudio cubriendo los puntos esenciales que
guiacutean el disentildeo y elaboracioacuten de la investigacioacuten Los pasos seguidos se muestran en la figura19
31 Enfoque de la investigacioacuten
Existen dos enfoques dentro de la investigacioacuten el cuantitativo y el cualitativo Hernaacutendez [70]
define a la investigacioacuten cuantitativa como aquella investigacioacuten que utiliza la recoleccioacuten de datos
para comprobar una hipoacutetesis con base a una medicioacuten numeacuterica para establecer un anaacutelisis
estadiacutestico con el propoacutesito de conocer la tendencia del comportamiento y la aprobacioacuten de teoriacuteas
El desarrollo de esta investigacioacuten tuvo un enfoque cuantitativo el cual seguacuten Fernaacutendez [71] se
fundamenta en un esquema deductivo y loacutegico que busca formular preguntas de investigacioacuten e
hipoacutetesis para posteriormente probarlas
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
37
Esta investigacioacuten parte del enfoque mecaacutenico propuesto por diferentes autores que hacen
referencia a los diferentes motores que existen asiacute como los elementos que lo conforman La
finalidad es identificar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten
interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa asiacute como determinar la fuerza
axial de la biela Tambieacuten obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de
combustioacuten estequiomeacutetrica y simular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela para identificar
posibles deformaciones y posteriormente realizar el anaacutelisis cinemaacutetico del motor
32 Alcance de la investigacioacuten
El alcance de esta investigacioacuten es exploratoria correlacional descriptiva y explicativa Al
respecto Fernaacutendez et [71] al se establece que ldquolos estudios exploratorios se realizan cuando el
objetivo consiste en examinar un tema poco estudiadordquo en este caso los factores que influyen en
el sobrecalentamiento de una biela
El alcance correlacional tiene como finalidad establecer una relacioacuten entre dos o maacutes variables
[70] y referente a esta investigacioacuten se llevoacute a cabo la correlacioacuten de variables del calor liberado
en la caacutemara de combustioacuten y el sobrecalentamiento del motor Esta correlacioacuten implica una
relacioacuten causal entre dichas variables ya sea de forma positiva o en forma negativa y una relacioacuten
causal implica que un evento es consecuencia de otro que le antecede y que sin eacuteste el uacuteltimo no
se presentaraacute
La investigacioacuten tambieacuten es descriptiva puesto que se describen los fenoacutemenos alcanzados en el
transcurso de todo el proceso Busca especificar propiedades caracteriacutesticas y rasgos importantes
de cualquier fenoacutemeno que se analice [71] en este caso la relacioacuten de compresioacuten presioacuten
atmosfeacuterica aacuterea del pistoacuten presioacuten atmosfeacuterica dentro de la caacutemara de combustioacuten presioacuten que
detona la mezcla dentro de la caacutemara de combustioacuten fuerza temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
y geometriacutea de la biela En este sentido en esta investigacioacuten se describieron las variables antes
mencionadas mismas que se especifican en el capiacutetulo cuatro detallando sus propiedades y
caracteriacutesticas
De igual forma la investigacioacuten tiene un alcance explicativo derivado de que seguacuten Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Bautista mencionan que estaacute orientada a la comprobacioacuten de hipoacutetesis las cuales
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
38
sirven para el anaacutelisis de variables [71] que se expresan con hechos verificables para que el
investigador tenga la capacidad de anaacutelisis y siacutentesis para su interpretacioacuten En el desarrollo de este
trabajo la hipoacutetesis establecida se encuentra en el apartado 33 del presente capiacutetulo y los resultados
obtenidos se explican en el capiacutetulo cuatro donde se explican los fenoacutemenos hallados entre
variables describiendo por queacute ocurrieron dichos eventos y en queacute condiciones se manifestaron
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis
En toda investigacioacuten es importante plantear variables ya que eacutestas permiten relacionar algunos
conceptos que hacen referencia a las caracteriacutesticas que se van a estudiar Para Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Baptista [70] una variable es una propiedad que puede fluctuar y cuya variacioacuten es
susceptible de medirse u observarse Las variables adquieren valor para la investigacioacuten cientiacutefica
cuando llegan a relacionarse con otras variables es decir si forman parte de una hipoacutetesis o una
teoriacutea Y una variable independiente se refiere a ldquoaquella donde el investigador puede manipular
ciertos efectos en otras palabras supone la causa del fenoacutemeno estudiadordquo Y la variable
dependiente implica ldquoel efecto producido por la variable independiente es decir representa lo que
se quiere determinar en forma directa en la investigacioacutenrdquo
La hipoacutetesis planteada en este trabajo es una hipoacutetesis correlacional donde si alguna de las
variables sufre alguna modificacioacuten esto afectaraacute a otras variables correspondientes A
continuacioacuten se muestra la hipoacutetesis de la presente investigacioacuten
Hipoacutetesis nula
H01 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten influye en el sobrecalentamiento
de un motor de combustioacuten interna
Variables
Variables independientes Calor liberado en la caacutemara de
Combustioacuten
Variable dependiente Sobrecalentamiento del motor
Ya identificadas las variables es necesario establecer la operacionalidad de las mismas y
con base a lo anterior se observa en la tabla 1 la clasificacioacuten de las mismas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
39
TABLA 1 CONCEPTUALIZACIOacuteN DE VARIABLE
Variable Definicioacuten Conceptual Indicadores
Calor liberado en la
caacutemara de
combustioacuten
Se refiere a la quema de combustible
suministrados por el motor de
combustioacuten interna de tal manera
que el aire se expanda y acelere para
proporcionar una corriente de gas
uniformemente calentada en todas las
condiciones requeridas por el motor
de combustioacuten interna Esta tarea
debe realizarse con la miacutenima peacuterdida
de presioacuten y con la maacutexima liberacioacuten
de calor para el limitado espacio
disponible [31]
Reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten
Sobrecalentamiento
del motor
Es la condicioacuten en la cual la
temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y llega
a producir dantildeos graves en el motor
como torceduras y roturas de
vaacutelvulas brazos de biela soplado de
empaques torceduras de culatas y
roturas de pistones [41]
Lubricacioacuten deficiente
Fallo en sistema de
enfriamiento
Hipoacutetesis alterna
HA1 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten no influye en el
sobrecalentamiento de un motor de combustioacuten interna
34 Disentildeo de la investigacioacuten
El tipo de disentildeo que se usoacute fue el no experimental donde la investigacioacuten que se realiza se hace
sin la manipulacioacuten deliberada de las variables y donde se observan los fenoacutemenos para
posteriormente analizarlos en este caso el calor liberado en la caacutemara de combustioacuten y el
sobrecalentamiento del motor donde dichas variables estaacuten relacionadas con diferentes elementos
que son la combustioacuten estequiomeacutetrica presioacuten atmosfeacuterica fuerza de la biela y geometriacutea de la
biela Estos elementos sirvieron para poder realizar el anaacutelisis cineacutetico cinemaacutetico y teacutermico por
transferencia de calor motivo de la presente investigacioacuten
A su vez es una investigacioacuten transaccional donde se recolectaron los datos en un momento y
tiempo uacutenico permitieacutendose describir las variables anteriormente mencionadas El propoacutesito fue
describir las variables y analizar su incidencia e interrelacioacuten en un momento dado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
40
Por otra parte este trabajo se basoacute en un disentildeo no experimental con la informacioacuten derivada
basada en datos primarios obtenidos directamente de la realidad En el desarrollo de la presente
investigacioacuten la informacioacuten se obtuvo mediante el modelado mecaacutenico el cual ayudoacute a predecir
el comportamiento y reaccioacuten de la biela en su entorno real
35 Seleccioacuten de la muestra
El desarrollo de esta investigacioacuten se realizoacute tomando como objeto de estudio a un motor VW
Golf MK4 Gti 18T En la tabla 2 se muestran las especificaciones de este motor
Se utilizoacute un acero SAE 4340 de medio carbono aleado con Cr-Ni-Mo debido a que posee buena
resistencia a la fatiga alta templabilidad excelente tenacidad regular maquinabilidad y baja
soldabilidad Es apto para piezas y herramientas de grandes exigencias mecaacutenicas Se usa para los
maacutes altos esfuerzos estaacuteticos y dinaacutemicos en piezas como ciguumlentildeales bielas cardanes pintildeones
pernos y tornillos de alta resistencia engranajes para maacutequinas discos de freno barras de torsioacuten
y aacuterboles de transmisioacuten [72] En la tabla 3 se muestran las composiciones quiacutemicas
TABLA 2 CARACTERIacuteSTICAS DEL MOTOR
Variable Definicioacuten Conceptual
Motor V 4
Combustible Gasolina
Alimentacioacuten MPI
Situacioacuten Transversal
Cilindrada 1781 cm3
Diaacutemetro por carrera 810 x 864 mm
Vaacutelvulas 16 vaacutelvulas
Sobrealimentacioacuten Turbo + Intercooler
Relacioacuten de Comprensioacuten 95
Potencia 210 PS or 207 bhp o 154 kw 5700 rmp
Par maacuteximo 300 Nm o 221 lbft 2700 rpm
Caja de cambios 6 velocidades manual
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
41
TABLA 3 PORCENTAJE DE COMPOSICIOacuteN QUIacuteMICA DEL ACERO USADO
De igual forma en la tabla 4 se pueden apreciar las caracteriacutesticas del tratamiento teacutermico y las
propiedades mecaacutenicas que se deben tener para cumplir con lo establecido para el procedimiento
36 Recoleccioacuten de datos
Para el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico se emplea la simulacioacuten con ANSYS y poder predecir coacutemo
se comporta y reacciona la biela en su entorno real El software SOLIDWORKS se emplea para
incorporar la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
TABLA 4 TRATAMIENTO TEacuteRMICO Y PROPIEDADES MECAacuteNICAS
Tratamiento teacutermico
(Valores en 0C)
Propiedades mecaacutenicas
Forjado 850 - 1100 Bonificado
Normalizado 870 - 900 Resistencia a la
traccioacuten
95 ndash 105 kgfmm2
Revenido 530 - 670 Liacutemite de fluencia 60 ndash 74 kgfmm2
Recocido 750 - 850 Dureza (HB) 280 - 340
Templado Aceite 840 - 880 Elongacioacuten 10 ndash 18
Composicioacuten quiacutemica ()
C 038 ndash 043
Mn 060 ndash 080
Si 015 ndash 035
P 0035 Maacutex
S 004 Maacutex
Cr 070 ndash 090
Ni 165 ndash 200
Mo 020 ndash 030
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
42
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el software de MATLAB herramienta
matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para la representacioacuten de datos
matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor El objetivo de dicho anaacutelisis fue
identificar la falla de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro
cilindros encendido por chispa accionado por gasolina cuando por diversas causas alcanza
temperaturas elevadas generando esfuerzos y deformaciones superiores a los liacutemites de cedencia
del material Para este anaacutelisis se determinoacute la fuerza axial generadora del maacuteximo torque aplicado
al ciguumlentildeal del motor Como se trata de un motor alternativo el movimiento parte desde el punto
muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) recorriendo el pistoacuten una longitud de
carrera C=2r por cada vuelta del ciguumlentildeal Ya que se trata de un motor de cuatro tiempos el
ciguumlentildeal daraacute dos vueltas por ciclo termodinaacutemico [73] En este caso se consideroacute solamente un
punto donde la biela es normal a la manivela que es donde se produce el maacuteximo toque Se hizo el
anaacutelisis el elemento finito (FEA por su siglas en ingles Finite Element Analysis ) para obtener una
solucioacuten aproximada a este problema de ingenieriacutea para obtener un producto de calidad a menor
costo mejorando asiacute procesos existentes o para estudiar fallos de eacuteste componente estructural El
anaacutelisis teacutermico por transferencia de calor cineacutetico y cinemaacutetico se describe en el capiacutetulo 4 del
presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
43
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Generalidades
Los motores de los autos principalmente los de combustioacuten interna (MCI) son motores donde
los gases generados en la reaccioacuten exoteacutermica resultan de un proceso de combustioacuten que empuja
al pistoacuten desplazaacutendolo en el interior de un cilindro y haciendo girar al ciguumlentildeal El funcionamiento
ciacuteclico de estos motores suele tener fallas constantes debido a muacuteltiples factores entre los cuales
destacan problemas con los cojinetes fallas en las bielas pistoacuten ciguumlentildeal entre otros
El arranque de los motores de combustioacuten se lleva a cabo en su caacutemara interna en donde se forma
el fluido activo Esta caacutemara forma parte de un cilindro dentro del cual se mueve un pistoacuten mismo
que forma parte del mecanismo en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal Y para que un motor
tenga un buen funcionamiento es necesario tener una buena lubricacioacuten refrigeracioacuten y suministro
de energiacutea eleacutectrica tal como se aprecia en la figura 20
La lubricacioacuten debe mantener engrasados los mecanismos moacuteviles tambieacuten sirve como
refrigerante al absorber el calor disipado Su principal funcioacuten radica en la aplicacioacuten de un manto
superficial de aceite recubriendo asiacute los elementos moacuteviles El sistema refrigerante es el que
mantiene una temperatura constante del motor durante su funcionamiento y lo hace mediante la
eliminacioacuten de exceso de calor que se pudiera generar en su funcionamiento Gracias a la energiacutea
eleacutectrica funcionan los dispositivos tales como las bombas hidraacuteulicas agua refrigerante los
cuales provocan el flujo que hace posible la circulacioacuten de los fluidos a lo largo de los ductos
correspondientes
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
44
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se consideroacute el auto VW Golf [74] tal como se aprecia
en la figura 21
Este auto tiene un motor MK4 GTI 18T de cuatro cilindros con turbocompresor formalmente
conocido como el 18 20VT R4 e informalmente conocido simplemente como el 18T Se ha
utilizado en casi todas las aplicaciones de cuatro cilindros de VW Utiliza un bloque de motor de
hierro fundido y culata de aluminio con doble aacuterbol de levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte
de la fuerza inherente de este motor viene del uso de un ciguumlentildeal de acero forjado a troque dividido
en bielas forjadas y pistones forjados Su potencia es de 150 caballos de fuerza a 5800 rpm Su
principal caracteriacutestica es su sistema de turbo y de induccioacuten Utiliza un turbocompresor de VW
de origen algo equivalente a un Garrett T30
421 Aplicaciones del 18T
El 18T se ha utilizado en casi todos los autos que tienen cuatro cilindros de VW como son VW
Polo GTI Golf MkIV Bora Jetta New Beetle S Passat B5 y Sagitar Desde Audi que es la marca
de lujo de VW el motor tambieacuten se ha trasladado a los modelos en esa divisioacuten incluyendo la A3
A4 A6 y TT Quattro Sport Otros fabricantes de automoacuteviles en utilizar el 18T han sido el
fabricante espantildeol SEAT (en el Leon Mk1 Cupra R y Toledo) y Skoda para su edicioacuten limitada
Octavia VRS
Figura 21VW Golf
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
45
El 18T utiliza un bloque de motor de hierro fundido y una culata de aluminio con doble aacuterbol de
levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte de la fuerza inherente de este motor se debe al uso de un
ciguumlentildeal de acero forjado a troquel bielas ldquoSplit forjadordquo y pistones Mahle forjado El 18T ha
llegado en docenas de diferentes configuraciones desde que se ofrecioacute por primera vez con
potencias que van desde 150 caballos de fuerza a 5800 rpm (en la mayoriacutea de los polos Golf
hoteles escarabajos y Passat) hasta 236 caballos de fuerza a 5700 rpm para el Audi TT Quattro
Sports
En lo que respecta a la induccioacuten aparte de su cabeza la principal caracteriacutestica del 18T es su
sistema turbo e induccioacuten El turbo alimenta uno de los pocos verdaderos colectores de admisioacuten
de longitud variable en el mercado de hoy A bajas revoluciones el aire fluye a traveacutes de un
conjunto de tubos de colada la ingesta de largas y delgadas para mejorar el par a bajo reacutegimen y
la facilidad de conduccioacuten A altas revoluciones una solapa se abre para conectar gran espacio
abierto del colector de admisioacuten (plenum) casi directamente a la culata sin pasar por los tubos y
aumentar el poder de gama alta
43 Anaacutelisis de datos
431 Anaacutelisis cinemaacutetico
El movimiento alterno del pistoacuten se transforma en movimiento circular continuo del eje mediante
el sistema biela-manivela Para efectos de caacutelculo el movimiento circular de la manivela se
considera uniforme sin error apreciable En la figura 22 se muestra la nomenclatura que se utilizoacute
en este anaacutelisis [73]
Figura 22 Nomenclatura
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
46
Donde
L=Longitud de la biela
r=Radio de la manivela
C=Carrera del pistoacuten
x=Deslizamiento del pistoacuten referido al PMS
α=Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente al PMS
β= Aacutengulo que forma el eje de la biela con el del cilindro
I Desplazamiento
De acuerdo a la geometriacutea del motor y como muestra la figura 22 se obtiene la ecuacioacuten para el
desplazamiento (x) correspondiente entre el PMS y PMI donde λ es un paraacutemetro de la relacioacuten
del radio a la longitud de la biela (Ver Anexo I) la cual es
119909 = 119903 ((1 minus cos prop) + 119871(1 minus radic1 minus 12058221199041198901198992 prop))
Donde λ =119903
119871 119902119906119890 119903119890119901119903119890119904119890119899119905119886 119906119899119886 119903119890119897119886119888119894oacute119899 119886119897119890119886119905119900119903119894119886
Si la biela fuera de longitud infinita (λ=0) se desplazariacutea mantenieacutendose siempre paralela a siacute
misma por lo que tendriacuteamos la expresioacuten simplificada
119909 = 119903(1 minus cos prop)
Se utilizoacute el software MATLAB para graficar coacutemo se comporta el sistema del punto muerto
superior al punto muerto inferior correspondiente a los 360 grados del movimiento de la Manivela
Se obtiene la figura 23 misma que se muestra a continuacioacuten
Figura 23 Desplazamiento
Des
pla
zam
ien
to d
el p
istoacute
n e
n m
etro
s
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
47
II Velocidad
Para obtener la ecuacioacuten de la velocidad se derivoacute la ecuacioacuten de desplazamiento (ver Anexo II)
guardaacutendola en una nueva variable (V) lo que se puede apreciar en la figura 24
Figura 24Velocidad del pistoacuten
III Aceleracioacuten
Para obtener la ecuacioacuten de la aceleracioacuten se derivoacute la ecuacioacuten de velocidad (Ver Anexo III)
asignando su valor a una nueva variable (A) la cual se muestra en la figura 25
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten
Vel
oci
dad
del
pis
toacuten
(m
s)
Angulo de manivela en grados
Ace
lera
cioacute
n d
el p
istoacute
n (
ms
2)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
48
432 Anaacutelisis cineacutetico
I Fuerzas alternativas de inercia
Conociendo las leyes que regulan el movimiento del conjunto biela manivela resulta faacutecil
obtener una relacioacuten de las fuerzas que generan dicho movimiento En efecto las partes dotadas de
movimiento alternativo estaacuten sometidas a fuerzas de inercia calculadas por medio de la segunda
ley de Newton que expresada en funcioacuten de la segunda derivada del desplazamiento dan como
resultado
119865 = minus119898 lowast 1205962 lowast 119903 (cos 120572 + 120582 lowast cos 2120572)
La primera y segunda parte de la ecuacioacuten representan respectivamente las fuerzas alternativas
de primero y segundo orden (ver Anexo IV) En la ecuacioacuten anterior ldquomrdquo corresponde a la masa de
la biela que para la muestra seleccionada tiene un valor de 066 kg se muestra en la figura 26
Figura 26Fuerzas alternativas
La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten cinemaacutetica En la figura 27
se puede observar el movimiento al considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante el
proceso de expansioacuten De este resultado se obtiene la fuerza maacutexima para posteriormente
considerarla en el anaacutelisis estaacutetico de la simulacioacuten en el software de ANSYS Los resultados se
encuentran en el Anexo V y en la figura 27 se aprecia la representacioacuten graacutefica del anaacutelisis de la
biela Este anaacutelisis se hizo mediante el software de MATLAB
Fu
erza
s al
tern
ativ
as (
N)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
49
Figura 27 Fuerzas en la biela
II Diagrama par-motor
La fuerza resultante que actuacutea sobre el pistoacuten corresponde a la suma de las fuerzas alternativas
de inercia y de la correspondiente a la presioacuten del gas durante la explosioacuten Eacutesta equilibrada por la
fuerza de reaccioacuten en la biela y variacutea en cada posicioacuten del movimiento La figura 28 muestra el
diagrama par motor que se utiliza para este anaacutelisis La nomenclatura es la misma que se utilizoacute en
el anaacutelisis cinemaacutetico con la inclusioacuten de las fuerzas [73]
Figura 28Diagrama par-motor
Angulo de manivela en grados
Fu
erza
en
la
bie
la (
N)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
50
Figura 29Par-motor de explosioacuten
Nuevamente mediante el software MATLAB se realiza el anaacutelisis de movimiento durante el
proceso de expansioacuten de 360deg a 540deg debido a que se trata de un motor de 4 tiempos lo que implica
que el ciguumlentildeal gire dos vueltas correspondieacutendole a la primera vuelta la admisioacuten y compresioacuten
(Ver Anexo VI) lo cual se aprecia en la figura 29
El punto maacuteximo de esta graacutefica representa un par-motor de 311 N-m que se aproxima al par
motor que el fabricante ofrece para este motor seleccionado como muestra Es importante
considerar que a este punto le corresponde un aacutengulo de 388deg equivalente a 28deg a partir del punto
muerto superior y seraacute considerado para obtener la fuerza axial en la biela de su correspondiente
graacutefica
433 Anaacutelisis termodinaacutemico
I Eficiencia del ciclo Otto ideal
La figura 30 muestra el ciclo en un diagrama P-v La eficiencia o rendimiento del ciclo es la
relacioacuten entre el trabajo neto y la cantidad de calor que entra al sistema [75]
Par
-mo
tor
(N
m)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
51
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen
Es decir
119890119900119905119905119900 =119882119899119890119905119900
119902119890119899119905
Por primera ley de la termodinaacutemica
119882119899119890119905119900 = 119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
Considerando calores especiacuteficos constantes
119890119900119905119905119900 =119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119862119907(1198794 minus 1198791)
119862119907(1198793 minus 1198792)= 1 minus
(1198794 minus 1198791)
(1198793 minus 1198792)
Para el proceso 1-2 compresioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987511198811119896 = 11987521198812
119896 there41198752
1198751= (
1199071
1199072)
119896
= 119903119896
Doacutende r= la relacioacuten de compresioacuten definida como 119903 =1199071
1199072
Para el mismo proceso la ecuacioacuten de los gases ideales es
11987511199071
1198791=
11987521199072
1198792 there4
1198752
1198751=
1199072
1199071∙
1198792
1198791= 119903
1198792
1198791= 119903119896
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
52
Realizando la igualacioacuten se obtiene la temperatura para el estado dos del ciclo
1198792 = 1198791119903119896minus1
De manera similar para el proceso 3-4 de expansioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987531198813119896 = 11987541198814
119896 there41198753
1198754= (
1199074
1199073)
119896
= 119903119896
Y la ecuacioacuten correspondiente de los gases ideales es
11987531199073
1198793=
11987541199074
1198794there4
1198753
1198754=
1199074
1199073∙
1198793
1198794= 119903
1198793
1198794= 119903119896
Realizando la igualacioacuten correspondiente se obtiene la temperatura para el estado 3 del ciclo
1198793 = 1198794119903119896minus1
Con las relaciones de temperatura para los estados 2 y 3 se obtiene la eficiencia del ciclo Otto
en funcioacuten de la relacioacuten de compresioacuten
119890119900119905119905119900 = 1 minus1198794 minus 1198791
1198794119903119896minus1 minus 1198791119903119896minus1= 1 minus
1198794 minus 1198791
119903119896minus1(1198794 minus 1198791)
119890 = 1 minus1
119903119896minus1
Para el anaacutelisis de la muestra seleccionada le corresponde una relacioacuten de compresioacuten de r=95
obtenieacutendose una eficiencia teacutermica del 60
119890 = 1 minus1
9514minus1= 06
En la figura 31 se muestra un referente de la eficiencia teacutermica en funcioacuten de la relacioacuten de
compresioacuten para un motor Otto y Diesel [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
53
Figura 31 Eficiencia teacutermica
II Temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
Cuanto maacutes pequentildea es la perdida de calor tanto mayor resulta el aumento de la temperatura En
el caso liacutemite que no haya peacuterdida de calor hacia los alrededores (Q=0) la temperatura de los
productos alcanzaraacute un maacuteximo conocido como temperatura de flama adiabaacutetica o combustioacuten
adiabaacutetica
La temperatura de flama adiabaacutetica de un proceso de combustioacuten de flujo estacionario se
determina aplicando la primera ley de la termodinaacutemica considerando la caacutemara de combustioacuten
como un volumen de control totalmente aislado (adiabaacutetico) con la siguiente ecuacioacuten
119867119901119903119900119889 = 119867119903119890119886119888119905
sum 119873119901(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg) = sum 119873119903(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg)
Doacutende Np= nuacutemero de moles de los productos
Nr = nuacutemero de moles de los reactivos
ℎ119891= entalpiacutea de formacioacuten
ℎ minus ℎdeg= variacioacuten de entalpiacutea
Una vez que se especifican los reactivos y los estados resulta faacutecil determinar las entalpiacuteas de
los reactivos Sin embargo debido a que la temperatura de los productos no se conoce antes de los
caacutelculos el caacutelculo de la entalpia de los productos no es directa Por consiguiente la determinacioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
54
de la temperatura de flama adiabaacutetica requiere el uso de una teacutecnica iterativa a menos que se
disponga de ecuaciones para los cambios de entalpiacutea sensible de los productos de combustioacuten
La temperatura de flama adiabaacutetica se determina luego a partir de estos dos resultados mediante
interpolacioacuten Cuando el oxidante es aire los gases producto se componen principalmente de N2 y
una buena primera suposicioacuten para la temperatura de flama adiabaacutetica se obtiene tratando todos
los gases productos como N2 En las caacutemaras de combustioacuten la temperatura maacutexima a la que se
puede llegar esta limitada por condiciones metaluacutergicas [75] Se analizaron los tres tipos de mezcla
para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla teoacuterica o estequiomeacutetrica
mezcla pobre y mezcla rica
II1 Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El modelo utilizado para los tres tipos de mezcla es una caacutemara de combustioacuten en la cual se
simula la inyeccioacuten de combustible octano 119862811986718 con las cantidades de aire suministrado siendo la
composicioacuten quiacutemica del aire de 1198742 + 3761198732 lo que equivale a 79 de N2 y 21 de O2 Tanto el
combustible como el aire se consideran como los reactivos y los gases de escape como productos
tal como se aprecia en la figura 32
La ecuacioacuten teoacuterica para este caso es
119862811986718 + 119908(1198742 + 3761198732) rarr 1198831198621198742 + 1198841198672119874 + 1198851198732
Doacutende W X Y Z representan los coeficientes estequiomeacutetricos determinaacutendose por balanceo
de los elementos quiacutemicos de la ecuacioacuten
119862 8 = 119883
119867 18 = 2119884 there4 119884 = 9
119874 2119882 = 2119883 + 119884 there4 119882 = 125
119873 376(2)119882 = 2119885 there4 119885 = 47
Se obtiene asiacute la ecuacioacuten estequiomeacutetrica balanceada
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
55
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos y considerando un proceso
adiabaacutetico se obtiene la ecuacioacuten para los tres tipos de mezcla
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ)
Donde
ℎ119891298= Entalpiacutea de deformacioacuten durante la reaccioacuten
∆ℎ= Variacioacuten de la entalpiacutea con respecto al estado de referencia
Los valores de entalpiacuteas para esta reaccioacuten se obtienen de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y
A-26 [75] Para este caso resulta
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9324] + 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]
+47[0 + ℎ1198732minus 8669] = 1[minus249950 + 0] minus 125[0 + 0] minus 47[0 + 0]
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 47ℎ1198732
= 5646081
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realiza iterativamente proponiendo como inicio que toda la
energiacutea es absorbida por el N2 ya que es el elemento que posee el mayor nuacutemero de moles
64ℎ1198732= 5646081
ℎ1198732= 88220015
119896119869
119896119898119900119897
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de temperatura aproximado de
119879 = 2650deg119870
Y tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen los valores
que se muestran en la tabla 5
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
56
TABLA 5 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA
Temperatura T=2600degK T=2450degK T=2200degK
Sustancia h(kJkmol)
8CO2 1099592 1025752 903512
9H2O 1028457 955647 836460
47N2 4072550 3814003 3385880
6130599 5795402 5125852
Interpolando los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2450degK y 2200degK se
obtiene la temperatura 119879 = 239424deg119870
II2 Mezcla pobre (110 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Ecuacioacuten real (10 exceso de aire) es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 1251198742 + 5171198732
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
Sustituyendo los valores de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y A-26 [75] se obtiene
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364]
kJ
kmol1198621198742
+ 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]kJ
kmol1198671198742
+125[0 + ℎ1198732minus 8682]
kJ
kmol1198742
+ 517[0 + ℎ1198732minus 8669]
kJ
kmol1198732
= 1[minus249950 + 0]kJ
kmol119862811986718
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 125ℎ1198742
517ℎ1198732= 56976778119896119869119896119898119900119897
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno
6995ℎ1198732= 56976778
ℎ1198732= 8145357827
119870119869
119870119898119900119897
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
57
TABLA 6 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA POBRE
Temperatura T=2400degK T=2450degK T=2200degK T=2250degK
Sustancia h(kJkmol)
8 CO2 1001216 1025752 903512 927872
9 H2O 931572 955647 836460 860058
125 02 1039675 106390 94355 9674625
517 N2 4100844 41954033 3724468 38183552
61376055 62831923 5558795 570303145
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2500deg119870
Nuevamente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen
los valores que se muestran en la tabla 6
Realizando la interpolacioacuten de los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2200degK
y 2250degK se obtiene la temperatura 119879 = 2248144deg119870
II3 Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es la siguiente
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
La ecuacioacuten real (85 de aire) es
119862811986718 + 10625(1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 91198672119874 + 375119862119874 + 39951198732
Aplicando la primera ley de la termodinaacutemica para sistemas reactivos y adiabaacutetico se obtiene
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
TABLA 7 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA
Sustancia hf h 298 degk
KJKmol
C₈H₁₈ -249950 -----
O₂ 0 8682
N₂ 0 8669
H₂O -241820 9904
CO₂ -393520 9364
CO -110530 8669
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
58
Posteriormente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se
obtienen los valores que se muestran en la tabla 7
Y sustituyendo los valores en la foacutermula antes mencionada se obtienen los resultados siguientes
425 (minus393520 + ℎ119862119874₂ minus 9364) + 375 (minus110530 + ℎ119862119874 minus 8669) + (minus 241820
+ ℎ119867₂119874 minus 9904) + 3995 (0 + ℎ119873₂ minus 8669) ndash 1(minus 249950
+ 0) ndash 10625 (0 + 0) ndash 3995 (0 + 0) = 0
425 ℎ119862119874₂ + 375 ℎ119862119874 + 9 ℎ119867₂119874 + 3995 ℎ119873₂ = 45211458
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno 5695 ℎ119873₂ = 45211458
ℎ119873₂ = 7938798 = 79388 kJkmol
De la tabla A-18 [75] de propiedades del nitroacutegeno se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2400deg119870
Tabulando los valores correspondientes de la entalpiacutea a la temperatura indicada se muestran en
la tabla 8
Interpolando entre los valores de 2300degK y 2200degK se obtiene la temperatura para esta
mezcla 119879 = 2223305deg119870
TABLA 8 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA RICA
Temperatura T=2400 T=2300 T=2200
Sustancia h(KJKmol)
425 Co₂ 531896 50589875 47999075
375 Co₂ 30005625 28629375 272580
9 H₂O 931572 883791 836460
3995 N₂ 3168834 30232562 2877998
sum 493235825 46992397 446702875
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
59
434 Temperatura real de combustioacuten
Las temperaturas de combustioacuten adiabaacutetica obtenidas en el apartado que aborda el tema de la
temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para los tres tipos de mezclas reflejan un paraacutemetro
cuantitativo sin embargo no es posible que el motor alcance dichos valores Esto es debido a la
Segunda Ley de la Termodinaacutemica en su postulado de Kelvin Plank refirieacutendose precisamente al
rendimiento del motor que de acuerdo a la relacioacuten de compresioacuten establecida se determinoacute que
es de 60 Este valor equivale al maacuteximo rendimiento posible con el cual se determinaraacute la
temperatura real del motor para los tres tipos de mezclas Eacutesta temperatura seraacute considerada para
el anaacutelisis de transferencia de calor en la biela
I Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El poder caloriacutefico del combustible representa la cantidad de calor liberado cuando se quema por
completo en un proceso de flujo estacionario En este anaacutelisis se considera el poder caloriacutefico
inferior debido a que el agua en los productos se considera en fase de vapor correspondieacutendole un
valor de 44430 kJkmol [75]
Involucrando una eficiencia de 60 se determina la cantidad de calor real utilizado en los tres
diagramas y mediante el anaacutelisis de estequiometria se obtiene la temperatura real correspondiente
al maacuteximo valor del ciclo en el proceso de explosioacuten
El anaacutelisis parte de la ecuacioacuten teoacuterica (100 de aire) para los tres tipos de mezclas que se
analizan en este apartado
De acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica para esta reaccioacuten de combustioacuten la
ecuacioacuten de la cantidad de calor liberado es
minus 119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
El valor de 119876119903119890119886119897 se determina al involucrar el rendimiento de 60 del poder caloriacutefico del
combustible y a la vez multiplicaacutendolo por la masa molar del combustible de 114231 kgkmol
obteniendo un valor de 3045170119896119869
119896119898119900119897
Los valores de ℎ119891deg y ℎ de los componentes a 298degK son los que se muestran en la tabla 9 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
60
TABLA 9 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Sustancia 119945 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948
kjkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119925120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 47(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten en funcioacuten de las entalpiacuteas de los elementos de los
productos que se resuelve por el meacutetodo iterativo
8ℎ 1198621198742
+ 9 ℎ1198671198742+47ℎ1198732
=2600911 kJkmol
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero total
de moles lo que produce 2600911 119896119869
(8 + 9 + 47) 119896119898119900119897= 4063923
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido correspondieacutendole un valor de T=131374degK A partir de este valor
se proponen valores inferiores y posteriormente realizar una interpolacioacuten lineal como se muestra
en la tabla 10 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
61
TABLA 10 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Temperatura T=1180degK T=1200degK T=1220degK
Sustancia h(KJKmol)
120790 119914119926120784 421792 430784 439816
120791 119919120784119926 391581 399420 407304
120786120789 119925120784 1696888 1728519 1760244
Total 2510261 2558723 2607364
Interpolando entre las temperaturas de 1200degK y 1220degK se obtiene que la temperatura real de
combustioacuten es T = 1217347 degK
II Mezcla pobre (110 aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten con 10 de exceso de aire es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 1251198742 + 91198672119874 + 5171198732
La ecuacioacuten de combustioacuten de acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
Los valores de las entalpiacuteas ℎ119891deg + ℎ de las sustancias a T= 298degK son los que se muestran en la
tabla 11 [75]
Sustituyendo valores correspondientes en la ecuacioacuten se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 125(0 + ℎ1198742minus 8682)
kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 517(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
62
TABLA 11 ENTALPIA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA POBRE REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119926120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten
8ℎ1198621198742+125 ℎ1198742
+ 9 ℎ1198671198742+517ℎ1198732
=26525078 kJ
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de
moles lo que produce
26525078 119896119869
(8 + 125 + 9 + 517) 119896119898119900119897= 379200543
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido siendo T=1240degK Nuevamente se propondraacuten valores inferiores a
la temperatura obtenida para obtener la entalpiacutea correspondiente a cada sustancia por
interpolacioacuten lineal obtener el resultado correcto Se muestran los valores de la tabla 12 [75]
La interpolacioacuten entre las temperaturas de 1160degK y 1140degK da el resultado de la temperatura
real para esta mezcla 119879 = 11515385deg119870
TABLA 12 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA POBRE REAL
Temperatura T=1200degK T=1160degK T=1140degK T=1120degK
Sustancia h(kJkmol)
120790119914119926120784 430784 412816 403872 394952
120783 120784120787119926120784 4805875 4627875 453925 445075
120791119919120784119926 399420 383778 376020 327384
120787120783 120789119925120784 19013709 1831731 1797092 17625564
Total 277963365 267460375 26223765 25293999
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
63
III Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten incompleta genera la aparicioacuten de monoacutexido de carbono (CO)
en los productos
119862811986718 + 10625 (1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 375119862119900 + 91198672119874 + 39951198732
De la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg)
Los valores de ℎ119891deg + ℎ de los componentes a la temperatura de 298degK son los que se muestran
en la tabla 13 [75]
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 425(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 375(minus110530 + ℎ119862119900 minus 8669)kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 3995(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
425ℎ1198621198742+375 ℎ119862119900 + 9 ℎ1198671198742+3995ℎ1198732
=14759758 kJkmol
Eacutesta debe resolverse por iteraciones sucesivas Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el
lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de moles obtenieacutendose 14759758 kJ
(425 + 375 + 9 + 3995) 119896119898119900119897= 25917
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente a esta entalpia
la temperatura aproximada siendo T=870degK Realizando un procedimiento similar a las mezclas
anteriores se obtiene la tabla 14 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
64
TABLA 13 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 8682
119925120784 0 8669
119914119926120784 -393520 9364
Co -110530 8669
119919120784119926 -241820 9904
TABLA 14 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA RICA REAL
Temperatura T=860degK T=850degK T=840degK T=830degK T=820degK
Sustancia h(KJKmol)
120786 120784120787119914119926120784 150008 14778525 14556675 1433525 141151
120785 120789120787119914119926 96630 954225 94215 9301125 9181125
120791119919120784119926 272160 268614 265086 261558 258048
120785120791 120791120787119925120784 10231195 10104154 9977113 9850871 9724629
Total 15419175 152223715 150257905 148300885 146347315
Interpolando entre las temperaturas de 830degK y 820degK se obtiene una temperatura de
combustioacuten para esta mezcla de 119879 = 8264deg119870
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten
En el apartado 433 se determinoacute una cantidad de calor liberado por la reaccioacuten quiacutemica de
combustioacuten de Q = 3045170 kJkmol = 26658 kJkg Esta energiacutea en forma de calor se tomaraacute en
cuenta para calcular el coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
Para este anaacutelisis se considera un modo de transferencia de calor por conveccioacuten entre un soacutelido
y un gas adyacente Seguacuten Cengel entre maacutes raacutepido es el movimiento de un fluido mayor es la
transferencia de calor por conveccioacuten [76]
De acuerdo con la ley de Newton del enfriamiento esta forma de transferencia de calor se expresa
mediante la ecuacioacuten honoriacutefica de este autor
119888119900119899119907 = ℎ119860119904( 119879119904 minus 119879infin )
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
65
Doacutende
h = coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
As = aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la
transferencia de calor
Ts = temperatura de la superficie
Tinfin = temperatura de los gases de combustioacuten
Para determinar el aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la conveccioacuten se considera un
cilindro con las dimensiones de la muestra seleccionada con un tamantildeo de 81 mm de diaacutemetro por
864 mm de carrera entonces
As = πDL = π(81 cm)(864 cm) = 2198612cm2 = 2198612x10-4 m2
Es necesario determinar la rapidez o tasa de transferencia de calor para lo cual se determina la
relacioacuten aire combustible para una mezcla con 85 de aire
119903119886119888frasl =
119898119886
119898119888=
119873119886
119873119888
119872119886
119872119888=
(10625)(426)(2897)
114231= 115
119896119892119886119894119903119890
119896119892119888119900119898119887
Doacutende
Na Nc corresponden al nuacutemero de moles del aire y el combustible respectivamente
Ma Mc son la masa molar del aire y la mezcla respectivamente
Desplazamiento por cilindro = V1 ndash V2 = 1800 cm34 = 450 cm3
Relacioacuten de compresioacuten r = 95 =V1V2
Resolviendo se obtiene un volumen inicial V1 = 502941 cm3
Utilizando condiciones iniciales presioacuten de 100 kPa y temperatura de 298degK Mediante la
ecuacioacuten de estado se determina la masa de aire
ma = 11987511198811119872
1198771199061198791
= (100)(5029411990910minus4)(2897)
(8314)(298)= 0000588 k119892
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
66
Con la relacioacuten aire combustible se determina la masa del combustible
119898119888 = 119898119886
119903119886119888=
0000588
115= 000005113 k119892
El calor total liberado durante la combustioacuten es
119876 = 119902119898119888 = 26658119896119869
119896119892(000005113 119896119892) = 1363035 119896119869
El flujo de calor por cilindro para una velocidad del motor de 2700 rpm es
119876 = 1363035119870119869 (1
2119888119894119888119897119900119904
119903119890119907
) (2700119903119890119907
119898119894119899) (1
119898119894119899
60 119904 ) = 306682 119896119882
Esta es la cantidad de flujo de calor que se considera para determinar el coeficiente de
transferencia de calor por conveccioacuten de la siguiente forma
ℎ = 119888119900119899119907
119860119904 ( 119879119904minus119879infin )=
306682 119882
(219861211990910minus41198982)(25minus5533)deg119862= 26398355 119882
1198982deg119862frasl
44 Simulacioacuten
Durante el presente anaacutelisis la geometriacutea de la biela fue elaborada en Solid Works para
posteriormente importarla al software de ANSYS en la simulacioacuten correspondiente Se selecciona
un modelo de malla refinado tal como se muestra en la figura 33 para una solucioacuten precisa y con
resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico - transitorio y estructural
Figura 33Modelo de malla
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
67
Se inicia con un anaacutelisis teacutermico transitorio tomando en cuenta los datos de la muestra del motor
seleccionado asiacute como tambieacuten los resultados obtenidos en el anaacutelisis teacutermico de combustioacuten y por
transferencia de calor El tiempo transitorio se determina con la velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira 2 revoluciones por ciclo termodinaacutemico resultando ser de
004444 segundos El primer resultado muestra la distribucioacuten de temperatura mediante la
transferencia de calor por conveccioacuten tal como se visualiza en la figura 34
Figura 34Distribucioacuten de temperatura
El segundo anaacutelisis es una simulacioacuten estaacutetica estructural vinculada con el anaacutelisis teacutermico
transitorio como se aprecia en la figura 35
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
68
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural es necesario saber la fuerza axial que actuacutea sobre la biela para
lo cual durante el anaacutelisis cineacutetico realizado en el software de Matlab se obtuvieron resultados del
par-motor durante el movimiento de la biela del PMS al PMI El par maacuteximo o torque se obtiene a
los 28deg a parir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de 15380 N Es
importante mencionar que el fabricante estima un par maacuteximo de 300 Nm a 2700 rpm y el
software de Matlab arroja un resultado de 310 Nm La distribucioacuten de temperatura es importada
para el anaacutelisis teacutermico estructural tal como se aprecia en la figura 36
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela
Mediante simulacioacuten final del anaacutelisis de flujo teacutermico-transitorio y estaacutetico-estructural se
obtienen resultados de los esfuerzos principales de Von Mises tal como se visualiza en la figura
37
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
69
Un paraacutemetro comparativo es la resistencia a la cedencia del material recomendado para la
fabricacioacuten de la biela Se utilizoacute para este caso un acero 4140 con una resistencia de 470 MPa
(recosido) y de 862 MPa (normalizado) Durante este tiempo la biela resiste con toda seguridad
el impacto de carga y temperatura Sin embargo la realidad es que normalmente el motor se
mantiene acelerado por maacutes tiempo Por ejemplo considerando que el motor trabaje durante un
minuto a la velocidad de 2700 rpm la solucioacuten que se obtiene mediante ANSYS resulta muy
considerable ya que el sobrecalentamiento se genera por estas causas La solucioacuten obtenida se
muestra en la figura 38
Definitivamente el esfuerzo maacuteximo rebasa el liacutemite de cedencia del material esto implica que
en alguacuten momento la parte maacutes vulnerable de la biela estaraacute propensa a sufrir alguna fractura lo
que comuacutenmente se conoce como ldquodesbielarrdquo el motor Esto es lo que genera mantener un motor
revolucionado aunque tambieacuten existen otras causas que contribuyen al sobrecalentamiento como
un sistema deficiente de lubricacioacuten y enfriamiento que en otro caso pueden considerarse motivo
de una investigacioacuten especiacutefica
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
70
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN
51 Conclusiones relativas a los objetivos
Cumplimiento del Objetivo general ldquoAnalizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas
de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro y cuatro cilindros encendido por chispardquo
A partir de los nuevos conocimientos obtenidos en esta investigacioacuten se puede dar por cumplido
el objetivo general teniendo en cuenta los siguientes elementos
Se realizoacute el anaacutelisis de los elementos que ocasionan la falla en un motor de cuatro tiempos
esto mediante el anaacutelisis cinemaacutetico donde se consideroacute el desplazamiento conforme a la
geometriacutea del motor y la velocidad tomando en cuenta el desplazamiento De igual forma se
tomoacute en cuenta la aceleracioacuten y se realzoacute el anaacutelisis cineacutetico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoIdentificar el comportamiento termo estaacutetico de una
biela en un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por
chispardquo
A eacuteste respecto se identificoacute el comportamiento termo estaacutetico mediante las leyes de la
termodinaacutemica para la eficiencia de un motor Otto ideal asiacute como la comprensioacuten isentroacuteprica
la relacioacuten de comprensioacuten y gases obtenieacutendose la eficiencia teacutermica del ciclo Otto
correspondiente al 60
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoDeterminar la fuerza axial de una biela en un motor de
combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Mediante el anaacutelisis cineacutetico y de las fuerzas alternativas de inercia se da por cumplido el
objetivo especiacutefico La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten
cinemaacutetica Tambieacuten es necesario considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante
el proceso de expansioacuten pues de este resultado se obtiene la fuerza maacutexima que actuacutea sobre el
pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
71
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoObtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para
una reaccioacuten de combustioacuten estequiometricardquo
Mediante el anaacutelisis teacutermico y transferencia de calor se obtuvo la temperatura de flama
adiabaacutetica a partir de los resultados mediante interpolacioacuten Se analizaron los tres tipos de
mezcla para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla estequiomeacutetrica
una mezcla pobre y una mezcla rica En el caso de la mezcla al 100 de aire se obtuvo una
estequiomeacutetrica balanceada donde se hizo la tabulacioacuten de la entalpiacutea con su correspondiente
sustancia al igual que la mezcla pobre obtenieacutendose una temperatura de 119879 = 2248144deg119870
Referente a la mezcla rica se realizoacute la interpolacioacuten entre los valores de 2300degK y 2200degK
resultando una temperatura para esta mezcla de 119879 = 2223305deg119870 por lo que se da por
cumplido este objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoSimular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela
para identificar posibles deformacionesrdquo
Se realizoacute la simulacioacuten con un modelo de malla refinado en el Software de Aplicacioacuten Solid
Works donde posteriormente se importoacute al software ANSYS Se inicioacute con el anaacutelisis teacutermico
transitorio El tiempo transitorio se determina con una velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
Tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira dos revoluciones por ciclo termodinaacutemico este tiempo
resulta ser de 004444 segundos El primer resultado mostroacute la distribucioacuten de temperatura
mediante la transferencia de calor por conveccioacuten
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural se usoacute el software de MATLAB El par maacuteximo
corresponde a 28deg a partir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de
15380 N Es importante mencionar que el fabricante estimoacute un par maacuteximo de 300 Nm a 2700
rpm mientras que el software de MATLAB arrojoacute un resultado de 310 Nm Por lo que se da
por cumplido el objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoElaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de
un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
72
Respecto al anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico se encontroacute que para la fabricacioacuten de la biela es
recomendable la resistencia de la cedencia es decir un acero 4140 con una resistencia de 470
MPa (recosido) y de 862 MPa (normalizado) Con estos paraacutemetros la biela resistiraacute con toda
seguridad el impacto de carga y temperatura
52 Aportaciones originales
La presente investigacioacuten tiene cuatro aportaciones las cuales se describen a continuacioacuten
Un primer aporte de esta investigacioacuten consistioacute en haber realizado un anaacutelisis cinemaacutetico
considerando el desplazamiento la velocidad y aceleracioacuten lo cual fue el objeto de estudio
para producir cambios en la biela de un motor VW Golf MK4 GTI 18T Respecto a la revisioacuten
de las fuentes primarias se encontraron los fundamentos teoacutericos necesarios para la
elaboracioacuten de dicha investigacioacuten que al ser analizado y aplicado dio un diagnoacutestico de la
situacioacuten actual de las fallas de una biela
Una segunda aportacioacuten fue el haber realizado el anaacutelisis estaacutetico estructural para saber la
fuerza axial que actuacutea sobre la biela Para esto durante el anaacutelisis cineacutetico se utilizoacute el software
de MATLAB con el que se obtuvieron resultados del par-motor durante el movimiento de la
biela del PMS al PMI
La tercera aportacioacuten de esta investigacioacuten consistioacute en realizar un anaacutelisis teacutermico por
transferencia de calor para poder identificar la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
considerando tres tipos de mezcla que son 100 de aire mezcla pobre y mezcla rica Asiacute como
la determinacioacuten de la temperatura real de combustioacuten y sus mezclas correspondientes para
obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiometrica
La cuarta aportacioacuten de esta investigacioacuten fue la generacioacuten de la geometriacutea de la biela usando
el software en Solid Works posteriormente importada al software de ANSYS la obtencioacuten de
una solucioacuten precisa y con resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico transitorio y estructural
|
53 Recomendaciones para futuros estudios
Se recomienda para futuros estudios profundizar en la temaacutetica de mecaacutenica Los problemas que
deja abiertos esta investigacioacuten para futuros estudios son los siguientes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
73
Se evidencia la necesidad de que las empresas dedicadas a la fabricacioacuten de piezas mecaacutenicas
establezcan paraacutemetros y realicen simulaciones adecuadas de las piezas que conforman los
autos para que no tengan fallas en un futuro
Se recomienda realizar investigaciones en el aacuterea de mecaacutenica que deacute seguimiento a las liacuteneas
de investigacioacuten de termo fluidos y disentildeo implementando un laboratorio de pruebas de
motores de combustioacuten interna que aunado a la simulacioacuten los resultados seriacutean maacutes eficientes
Difusioacuten de los resultados de esta investigacioacuten con la presentacioacuten de los mismo en congresos
y revistas
Finalmente se recomienda realizar investigaciones correspondientes a las fallas mecaacutenicas
diferentes a las abordadas en este estudio en relacioacuten con los motores de combustioacuten interna y
los factores que inciden negativamente
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
74
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ciguumlentildeales de motores de combustioacuten internardquo Centro Azuacutecar 28(2) 27-32 Obtenido de
httpgogalegroupcompsidop=IFMEampu=puampid=GALE|A146742423ampv=21ampit=rampsid=sum
monampauthCount=1
73 Giacosa D (1989) ldquoMotores Endotermicosrdquo Meacutexico Meacutexico Omega
74 UltimateSPECS (2000) ldquoVolswagen Golf 4 GTI 18Trdquo Obtenido de
httpswwwultimatespecscomescar-specsVolkswagen3126Volkswagen-Golf-4-GTI-18T-
Edition-(210)html
75 Yunus A C (2015) ldquoTermodinaacutemica (Octava ed)rdquo (S S Virgilio Gonzaacutelez y Pozo Trad)
Meacutexico Mc Graw Hill
76 Cengel Y A (2016) ldquoTransferencia de Calor y Masardquo Meacutexico Mc Graw Hill
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
80
ANEXOS
ANEXO I
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y utilizando la nomenclatura de la figura 22 se determinaron el
desplazamiento velocidad y aceleracioacuten correspondientes por medio del software de MATLAB
El anaacutelisis completo corresponde al movimiento alternativo durante un ciclo termodinaacutemico
DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN
Programa para determinar el desplazamiento ldquoxrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de
360 grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
81
ANEXO II
VELOCIDAD DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la velocidad ldquovrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
82
ANEXO III
ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la aceleracioacuten ldquoardquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
83
ANEXO IV
FUERZAS ALTERNATIVAS
En el anaacutelisis cineacutetico las fuerzas alternativas representan parte de la carga que actuacutea en el
pistoacuten considerando la aceleracioacuten del mismo en la segunda ley de Newton Se utilizoacute el
software de MATLAB durante este anaacutelisis
Programa para determinar las fuerzas alternativas de primer orden y segundo orden durante un
movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
84
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL DESPLAZAMIENTO
LA VELOCIDAD LA ACELERACIOacuteN Y FUERZAS ALTERNATIVAS DE INERCIA ES
syms x
Longitud de la Biela
L=144
Radio De La Manivela
r=0432
Carrera Del Piston
C=2r
Angulo entre eje de la biela con Cilindro (beta)
b=0
lamda=rL
________DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Deslizamiento angular de la Manivela (alpha)
a = 0pi184pi
Desplazamineto del Piston
x=r(1-cos(a))+L((1-(lamda^2)(sin(a))^2))^12
x=r(1-cos(a))
y=010720
subplot(221)
plot(yx)
ylabel(Desplazamiento Del Piston (m))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________VELOCIDAD DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Velocidad del Piston
V=diff (x)
y=010710
subplot(222)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
85
plot(yV)
ylabel(Velocidad Del Piston (ms))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Aceleracioacuten del Piston
A=diff (V)
y=010700
subplot(223)
plot(yA)
ylabel(Aceleracioacuten Del Piston (ms^2))
xlabel(GRADOS)
grid on
Masa
m=660
Revoluciones Por Minuto
n=2700
Velocidad Angular
W=(2pin)60
lamda=rL
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE PRIMER ORDEN_________
F1=m(W^2)rcos(a)biela de longitud infinita
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE SEGUNDO ORDEN_________
F2=m(W^2)rlamdacos(2a)biela de longitud infinita
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
86
F2=m(W^2)r(cos(a)+lamdacos(2a))biela de longitud finita
y=010720
subplot(224)
plot(yF1r-yF2b-)
ylabel(Fuerzas Alternativos (N))
xlabel(GRADOS)
legend(Fza Inercia 1deg Orden Fza Inercia 2deg Orden)
grid on
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
87
ANEXO V
ANAacuteLISIS DE LA FUERZA EN LA BIELA
Programa para determinar la fuerza durante el movimiento alternativo del pistoacuten
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA LA FUERZA EN LA
BIELA ES
Diagrama Par-Motor
function[F]=Fbexplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00432
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
88
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Fb=F(1-(lambda^2)(sin(alphar))^2)^05
plot(alphaFb)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Fuerza en la Biela N))
title(Fb Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
89
ANEXO VI
DIAGRAMA PAR-MOTOR
Programa para determinar el par-motor durante el movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
90
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL PAR-MOTOR ES
Diagrama Par-Motor
function[Mt1]=ParMotorExplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00437
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Mt1=Fr(sin(alphar))+(((lambdasin(alphar)))cos(alphar))(sqrt(1-
lambda^2((sin(alphar))^2)))
plot(alphaMt1)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Par Motor(Nm))
title(Par Motor Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
91
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
92
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
IX
ABSTRACT
This research is of type and scope exploratory descriptive correlational and explanatory with
a mechanical and quantitative approach Which has the purpose of identifying the faults in a
connecting rod that is a moving part of a four-stroke internal combustion engine and four cylinders
ignition by spark powered by octane When analyzing the thermal and structural behavior of the
object of study of this research based on the three possible diagrams for combustible air mixtures
stoichiometric rich and poor and by analysis of heat transfer by convection the corresponding
coefficient is determined for when the connecting rod is subjected to overheating Subsequently
kinetic and kinematic analyzes were performed based on the characteristics of the VW Golf MK4
Gti 18T engine using the MATLAB software Following the geometry of the connecting rod with
real dimensions was generated in the SOLIDWORKS software Finally the behavior and reaction
of the connecting rod were simulated both for transient and structural thermal flow in ANSYS
The results obtained show that the efforts and the deformations in the connecting rod in
comparison with the performance limits of the material are within the permissible limits in
addition to the identification of the vulnerable points before a possible failure or fracture
Keywords connecting rod internal combustion engine overheating thermo-static
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
1
INTRODUCCIOacuteN
Los motores de combustioacuten interna son los maacutes usados en los automoacuteviles los cuales en
ocasiones presentan fallas mecaacutenicas tan diversas como la cantidad de componentes del motor
Diferentes autores han determinado dentro de la diversidad de problemas relacionados con la biela
del motor los siguientes la fatiga el pasador que conecta a la biela del pistoacuten el cual recibe una
gran cantidad de desgaste el motor revolucionado el agua que ingresa al cilindro del motor en el
momento de la chispa la cual puede ocasionar que la biela se doble y deformaciones de la biela por
sobrecalentamiento por ello es importante que el sistema de lubricacioacuten se encuentre en buen
estado Asociado a esto es importante que se verifique el tratamiento teacutermico de los ciguumlentildeales de
tal forma que se tenga una resistencia adecuada Que en caso de presentarse alguno de estos
problemas la reparacioacuten del motor implica no solo la reposicioacuten de la biela sino de todas las piezas
afectas e incluso el cambio o restitucioacuten completa del motor
1 Planteamiento del problema
Preferentemente cuando se realiza la reparacioacuten de un motor de auto se debe comprobar el
estado de todas las piezas moacuteviles y fijas antes de la realizacioacuten de un trabajo de verificacioacuten pero
en la mayoriacutea de ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa revisioacuten de su estado
Una biela es un elemento fundamental en el funcionamiento de un motor ya que trasforma la
energiacutea quiacutemica generada por la combustioacuten en una energiacutea cineacutetica siendo el enlace entre la
absorcioacuten de la energiacutea mecaacutenica por lo que la biela es el elemento maacutes tensionado de un motor
y su correcto disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes Por lo anterior la biela es robusta en su
disentildeo pero a la vez debe ser lo maacutes ligera posible para reducir la inercia y soportar los esfuerzos
mecaacutenicos a los que se encuentra sometida [1]
La biela soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del
ciguumlentildeal hacia arriba un trabajo realmente duro el que realiza la biela Se construye de acero
forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al material aguantar ese inmenso
trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta conseguir la forma de la biela
[2]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
2
Asociado a esto al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentan desgastes excesivos y prematuros los cuales pueden ocasionar una falla es por esto
importante considerar un buen sistema de lubricacioacuten durante el funcionamiento del motor La
temperatura en la caacutemara de combustioacuten debe ser superior a los 2000 degK siendo eacutesta una
temperatura instantaacutenea pues disminuye durante el tiempo de expansioacuten y escape de gases Es por
lo tanto necesario disipar el calor producido en la explosioacuten y si el sistema no funciona
correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como consecuencia
deformaciones importantes por sobrecalentamiento [3]
Una biela arqueada o retorcida sobre su eje provoca un ruido en el motor y este arqueamiento es
ocasionado por un diaacutemetro excesivo en el pie o cabeza de la biela o por un peso inadecuado del
elemento [4] En la rectificacioacuten de un motor de combustioacuten interna se rectifican 21 brazos de biela
en un mes lo que significa que estos elementos no son cambiados ya que los brazos de biela estaacuten
disentildeados para tener una vida infinita y estaacute sometido a millones de repeticiones de ciclos de carga
[5]
Es pertinente mencionar que con relacioacuten a las fallas mecaacutenicas de los motores relacionadas a la
biela de un motor se han encontrado investigaciones realizadas en diversos paiacuteses como Ecuador
Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico las cuales se detallan en apartados posteriores Que
conjuntamente a la constante evolucioacuten tecnoloacutegica de la ingenieriacutea en general y el disentildeo
mecaacutenico en particular se decidioacute analizar cuaacuteles son los factores que influyen en el
comportamiento de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) Se
plantea entonces el siguiente problema de investigacioacuten
iquestCuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor de VW1 Golf MK4 Gti
18 T
1 Propoacutesito de la investigacioacuten
El propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar y analizar el comportamiento
termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) que
1 VW Agencia de Autos VolksWagen
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
3
es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico La finalidad es identificar las
fallas de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros
encendido por chispa accionado por gasolina que sirva de apoyo para el buen funcionamiento de
la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten
Frecuentemente la reparacioacuten de un auto depende del cuidado y buen mantenimiento que se deacute
al vehiacuteculo caso contrario esto va influir en el desgaste anticipado de los elementos fijos y moacuteviles
de un motor Ademaacutes en muchas ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa
revisioacuten de su estado o de un anaacutelisis de sus propiedades mecaacutenicas Por tales razones la
justificacioacuten de la presente investigacioacuten estaacute basado en diferentes aspectos los cuales se describen
a continuacioacuten
Conveniencia Reparar el motor tiene varias fases y las fallas tienen diferentes consecuencias
por lo cual hay que hacer un buen diagnoacutestico en cada una de sus piezas principalmente en las
bielas sin embargo no se conoce especiacuteficamente cuales son los problemas que origina la
falla de esta pieza El resultado esperado para la presente investigacioacuten seraacute realizar un anaacutelisis
termo-estaacutetico que permitiraacute identificar los esfuerzos y deformaciones para tomar decisiones
acertadas y precauciones de riesgo que puede generar el sobrecalentamiento del motor
Implicacioacuten praacutectica El analizar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un
motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa
permitiraacute determinar la fuerza axial para posteriormente identificar la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica Con estos datos junto con la simulacioacuten de la geometriacutea estaacutetica y
estructural de la biela permitiraacuten identificar posibles deformaciones Los resultados podraacuten
confirmar su aplicabilidad ya que ayudaraacuten a tomar precauciones importantes para que el
motor tenga un excelente funcionamiento evitando riesgos fatales que pueden extenderse a la
destruccioacuten total del motor Se evidenciaraacute la necesidad de maacutes investigaciones destacaacutendose
los beneficios de la simulacioacuten poniendo en evidencia su relevancia social y su practicidad
Finalmente este estudio participa en el avance positivo en el campo de la ingenieriacutea mecaacutenica
Relevancia Social Al tener una posible solucioacuten aproximada mediante el anaacutelisis del
elemento finito el anaacutelisis estructural de la fuerza sobre la biela y la realizacioacuten de la
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
4
simulacioacuten para esfuerzos y deformaciones se podraacuten tener productos de calidad a menor
costo mejorar los procesos existentes y tambieacuten estudiar fallos de un componente estructural
o un equipo teniendo un impacto positivo debido a que permitiraacute que el motor de combustioacuten
interna tenga menos dantildeos
Valor Teoacuterico La elaboracioacuten del trabajo de investigacioacuten traeraacute como beneficio
herramientas metodoloacutegicas para estudios relacionados con las ciencias exactas
contribuyendo con aportes significativos a la aplicacioacuten de la teoriacutea de motores de combustioacuten
interna lo que permitiraacute el enriquecimiento de la ingenieriacutea mecaacutenica
3 Objetivos
31 Objetivo general
Analizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor VW Golf MK4
Gti 18T
32 Objetivos especiacuteficos
Identificar el comportamiento termo - estaacutetico de la biela en un motor de combustioacuten interna
de 4 tiempos y 4 cilindros encendido por chispa
Determinacioacuten de la fuerza axial que actuacutea en una biela en un motor VW Golf MK4 Gti 18T
Obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiomeacutetrica
Identificar posibles deformaciones de la biela con base en la simulacioacuten de su geometriacutea
estaacutetica y estructural
Elaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de un motor VW Golf MK4 Gti 18T
4 Alcances
La investigacioacuten se realizoacute en una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos
y cuatro cilindros encendido por chispa
Se trabajaron las etapas de anaacutelisis termo - estaacutetico y determinacioacuten de la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica dentro de la caacutemara del cilindro
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
5
Para la realizacioacuten de estas etapas se utilizoacute el software SolidWorks para generar la geometriacutea
real de la biela Se utilizoacute asiacute mismo ANSYS para la simulacioacuten estaacutetica estructural para
identificar esfuerzos y deformaciones de la biela
5 Organizacioacuten del estudio
El desarrollo de esta investigacioacuten comprende cinco capiacutetulos los cuales se describen a
continuacioacuten
Capiacutetulo 1 Estado del Arte la descripcioacuten de las investigaciones relacioacuten a las fallas
mecaacutenicas de los motores relacionadas a la biela de un motor relacionadas en diversos paiacuteses
como Ecuador Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico
Capiacutetulo 2 Marco Teoacuterico se desarrolla inicialmente el marco conceptual sobre las bielas los
componentes de las bielas anaacutelisis estaacutetico y teacutermico motor de combustioacuten haciendo eacutenfasis en
el disentildeo mecaacutenico de una biela
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea se abordan los aspectos metodoloacutegicos de la investigacioacuten como son
enfoque alcance formulacioacuten de hipoacutetesis disentildeo seleccioacuten de la muestra recoleccioacuten de datos
y el procesamiento y anaacutelisis de datos
Capiacutetulo 4 Anaacutelisis e interpretacioacuten de Resultados se analizan e interpretan los resultados
obtenidos en las pruebas de simulacioacuten
Capiacutetulo 5 Conclusiones y Recomendaciones se presentan las conclusiones
recomendaciones y aportaciones de la experiencia adquirida durante la investigacioacuten realizada
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
6
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE
Como ya se mencionoacute anteriormente el propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar
y analizar el comportamiento termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa (ECH) que es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico
Y con la finalidad de identificar las fallas de la biela y que estos resultados sirvan de apoyo para el
buen funcionamiento de la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
Resultado de la buacutesqueda sobre las investigaciones relacionadas con el propoacutesito de esta
investigacioacuten Se encontroacute que en Ecuador Reyes Cantildeizares y Villacres [6] realizaron un estudio
el cual consistioacute en analizar un brazo de biela de un motor que ha alcanzado el kilometraje
necesario para una reparacioacuten y no presenta ninguna falla en su estructura y comparar los
resultados con el brazo de una biela nueva Para desarrollar este anaacutelisis realizaron un ensayo de
traccioacuten bajo la norma ASTM con el fin de obtener los valores del liacutemite de fluencia y la resistencia
a la traccioacuten del material del que estaacute hecho el elemento A partir de los resultados obtenidos los
valores praacutecticos de las propiedades mecaacutenicas de los brazos de biela cumplen con los datos
teoacutericos del tipo de material del cual estaacuten fabricadas A su vez se demostroacute que el brazo de biela
de un vehiacuteculo con un recorrido de 1197599 km mejoroacute su estructura y sus propiedades
mecaacutenicas debido a la temperatura de los ciclos de trabajo del motor que van entre los 800 y 950
degC Los resultados mostraron que las propiedades mecaacutenicas del elemento mejoraron con el tiempo
y con la temperatura de funcionamiento del motor debido al tratamiento teacutermico de normalizacioacuten
A partir de los anaacutelisis realizados se determinoacute que el brazo de biela usado se encuentra en
condiciones oacuteptimas para ser utilizado en una reparacioacuten de motor asegurando asiacute el adecuado
funcionamiento y evitando el reemplazo del elemento lo que dio como resultado un ahorro
econoacutemico
Estudios elaborados en Brasil por Valdeacutez et al [7] indican que los motores de combustioacuten
interna son los maacutes usuales en los automoacuteviles y sirven para producir fuerza Entre los problemas
que se han encontrado son las fallas de las bielas relacionadas con otras fallas y especiacuteficamente
de los ciguumlentildeales los cuales fueron analizados dando un incorrecto rectificado de los muntildeones
produciendo alta generacioacuten de calor sobre las superficies en contacto originando pequentildeas fisuras
por fatiga teacutermica El valor de dureza promedio obtenido del nuacutecleo del ciguumlentildeal fue de 26 puntos
en la escala Rockwell C que equivale aproximadamente a 255 puntos en la escala Brinell y a una
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
7
resistencia de 85 kgmm2 Se concluye que el tratamiento teacutermico de bonificado realizado sobre el
ciguumlentildeal se desarrolloacute fuera de las normas obtenieacutendose una resistencia menor al liacutemite miacutenimo
recomendado De los resultados del anaacutelisis metalograacutefico se pudo identificar la presencia de
austenita retenida cuya proporcioacuten afecta inversamente la dureza y la resistencia final En los
resultados que se obtuvieron los autores mencionan que es necesario realizar un tratamiento
teacutermico de endurecimiento superficial como la nitruracioacuten Tambieacuten recomiendan estudiar la
bitaacutecora del tratamiento teacutermico utilizado en la produccioacuten del ciguumlentildeal con el fin de identificar
la etapa del tratamiento teacutermico que presenta el problema [8]
De igual forma indagaciones elaboradas en Argentina por Cravino et Al [9] mencionan que
existen diversos problemas cuando llegan a tener fallas las bielas de un motor por lo que los
autores mencionan que analizaron las dificultades desde el punto de vista dimensional metaluacutergico
y mecaacutenico a fin de determinar las causas probables de dichas fallas Seguacuten los resultados
obtenidos el material de la biela corresponde a un acero del tipo SAE 1141 que no concuerda con
el requerido por el fabricante No se encontraron defectos microestructurales o superficiales en el
material asociados con la falla La superficie de fractura presenta un comienzo deacutebil que finaliza
con las caracteriacutesticas fibrosas de un proceso duacutectil La causa probable de la falla del componente
se atribuye a una sobrecarga que produjo superacioacuten en el liacutemite elaacutestico del material y que
posteriormente dio lugar al pandeo plaacutestico del componente variando su geometriacutea y
fracturaacutendose totalmente Esta falla se debioacute a que el elemento estuvo sometido a un esfuerzo
mayor al que corresponderiacutea en condiciones normales de funcionamiento
Estudios realizados en Espantildea por Gonzaacutelez [10] mencionan que la naturaleza de las fuerzas que
afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de inercia En la
investigacioacuten sobre el disentildeo de una biela el autor utilizoacute el software de aplicacioacuten Working Model
que ayudoacute para el anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico mediante la simulacioacuten La finalidad fue calcular
las fuerzas aplicadas en la cabeza y el pie de la biela para posteriormente hacer un anaacutelisis de
elementos finitos que definieran los esfuerzos En los resultados obtenidos se logroacute disminuir la
longitud de la biela la cual permitioacute compactar maacutes el motor y reducir su peso De esta forma el
consumo y las emisiones del motor seraacuten menores que es uno de los grandes objetivos actualmente
de la industria automoviliacutestica Al realizar la simulacioacuten para el pandeo de la biela se aplicoacute un
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
8
valor de α2=2 obteniendo una carga criacutetica de pandeo de 3799522 N por lo que la carga para
evitar el fenoacutemeno de pandeo es σpandeo3 = 15663 MPa Con estos datos el autor afirma que la
biela no va a sufrir pandeo en ninguacuten caso considerando ademaacutes que el cuerpo estaacute
sobredimensionado
Aunado a lo anterior investigaciones realizadas en Meacutexico por Espinoza indican que las fallas
de los autos se deben al kilometraje recorrido de los cuales causan desgastes inevitables para el
motor provocando todo tipo de fallas incluyendo los de las bielas Los propietarios de los
vehiacuteculos necesitan por lo tanto recurrir a expertos que reparen los vehiacuteculos y garanticen su
funcionamiento [11] En el Estado de Meacutexico en especial en la zona de Texcoco se cuenta con
talleres que se encargan de la reparacioacuten de vehiacuteculos en general Eacutestos aun cuando ofrecen el
servicio de reparacioacuten de motores no trabajan directamente con este tipo de especiacutefico de
reparacioacuten sino que acuden a talleres especializados en rectificacioacuten para remediar los dantildeos
internos en los mismos Muchas veces no se dedican a la reparacioacuten de fallas de bielas debido a
que existen muchos factores que influyen en este tipo de descompostura En los motores la
principal fuente de energiacutea es la gasolina que es el combustible empleado con mayor frecuencia
por lo tanto es importante la calidad de ella para el oacuteptimo funcionamiento [12]
De igual forma Riesco et al [13] en estudios realizados en Hidalgo para comparar los modelos
de transferencia de calor y duracioacuten de la combustioacuten en el comportamiento de los ciclos
termodinaacutemicos de los motores de combustioacuten interna alternativos Dentro de los resultados
obtenidos los autores mencionan que los ciclos de aire estaacutendar con leyes de quemado permiten
tener resultados maacutes aproximados a los reales que los ciclos teoacutericos de aire estaacutendar Esto se debe
principalmente a que con los meacutetodos de simulacioacuten se toman en cuenta las peacuterdidas de energiacutea
por refrigeracioacuten y no se supone que la adicioacuten de calor se realice a presioacuten o volumen constante
sino que su velocidad se controla mediante expresiones empiacutericas Los resultados muestran que la
eleccioacuten tanto del modelo de transferencia de calor como el de la duracioacuten de la combustioacuten es
muy subjetiva y debido a que los sistemas de los motores se cambian contantemente se deberaacuten
ajustar las constantes que aparecen en dichos modelos para cada motor en particular
2 Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente a PMS 3 Inestabilidad elaacutestica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos y que se manifiesta por la aparicioacuten de
desplazamientos importantes transversales a la direccioacuten principal e compresioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
9
Figura 1Estado del arte
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
10
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
Un auto estaacute compuesto por diferentes piezas entre las cuales se encuentran filtro de aire
carburador distribuidor bomba de gasolina bobina de encendido filtro de aceite bomba de aceite
caacuterter aceite lubricante toma de aceite cables de alta tensioacuten de bujiacuteas bujiacutea balanciacuten muelle de
vaacutelvula vaacutelvula de escape vaacutelvula de admisioacuten lumbrera de admisioacuten caacutemara de combustioacuten
varilla empujadora aacuterbol de levas aros de pistoacuten pistoacuten biela buloacuten ciguumlentildeal muacuteltiple de escape
refrigeracioacuten del motor varilla medidora de aceite volante y motor de arranque
21 Conceptualizacioacuten del motor
La palabra motor proviene del latiacuten motoris que significa mover y en lo que se refiere a
automoacuteviles estos se encuentran disentildeados por varios elementos entre los cuales se encuentran los
motores el cual da vida a un auto sin eacutel no hay movimiento Un automoacutevil utiliza una fuente de
energiacutea mecaacutenica para poder moverse la cual se obtiene mediante una transformacioacuten de otros tipos
de energiacutea dentro del motor como la eleacutectrica de combustioacuten o la combinacioacuten de ambas
Seguacuten Renzo [14] el motor de un auto es un motor de combustioacuten interna el cual obtiene energiacutea
mecaacutenica desde la energiacutea quiacutemica que se genera cuando explota el combustible en el interior El
motor estaacute formado por un conjunto de caacutemaras de combustioacuten llamadas cilindros dentro de las
cuales se producen sus cuatro tiempos de funcionamiento admisioacuten compresioacuten explosioacuten y
escape
Para Fersainz [15] un motor es una maacutequina que convierte el calor producido por la explosioacuten
(en el caso de los de gasolina) o la combustioacuten (en el caso de dieacutesel) del combustible en un
movimiento con suficiente fuerza para que las ruedas giren y el vehiacuteculo pueda desplazarse El
autor menciona que en los motores convencionales los autos se ponen en movimiento debido a
una chispa que se genera en la mezcla de vapor de combustible y aire comprimido dentro de un
cilindro sellado haciendo que la mezcla se queme raacutepidamente y proporciona energiacutea
Se puede concluir que un motor es una maacutequina compuesta por varios elementos el cual puede
proporcionar energiacutea utilizando alguacuten tipo de combustible para que tenga un funcionamiento
adecuado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
11
22 Clasificacioacuten de motores
Existen diferentes tipos de motores entre los cuales se encuentran los eleacutectricos los teacutermicos
eacutestos se subdividen en motores de combustioacuten externa e interna y los hiacutebridos Los cuales se
describen a continuacioacuten
221 Motores eleacutectricos
En este tipo de autos el combustible utilizado es la electricidad Eacutesta se convierte en energiacutea
mecaacutenica mediante una interaccioacuten entre campos magneacuteticos opuestos generados por imanes y un
conductor de electricidad Debido a una constante atraccioacuten y repulsioacuten magneacutetica entre ellos se
produce una rotacioacuten continua dentro del motor generando energiacutea necesaria para el movimiento
del vehiacuteculo [16] La figura 2 muestra un motor eleacutectrico
Para Enriquez [17] los motores eleacutectricos representan los caballos de batalla de la industria y
del movimiento en general Su uso se da ademaacutes en hospitales escuelas edificios de oficinas y
centros comerciales en donde se usan para aplicaciones en suministro de agua calefaccioacuten
enfriamiento y muchas otras rutinas de trabajo Estos motores son usados en los automoacuteviles
modernos aunque son maacutes complejos que el simple cableado eleacutectrico y se usan en casi todos los
aspectos operativos del automoacutevil [18]
Un motor eleacutectrico transforma la energiacutea eleacutectrica en energiacutea mecaacutenica para impulsar el
funcionamiento de una maacutequina [19]
Figura 2 Motor eleacutectrico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
12
Se puede concluir que un motor eleacutectrico es una maacutequina que tiene la capacidad de transformar
energiacutea eleacutectrica en mecaacutenica de tal forma que permita el movimiento de un vehiacuteculo Su tamantildeo
y su volumen es reducido y su potencia puede ser alta
222 Motores teacutermicos
Los motores teacutermicos son maacutequinas que tienen por objeto transformar energiacutea caloriacutefica en
energiacutea mecaacutenica directamente utilizable [20] Eacutestos se clasifican en motores de combustioacuten
externa y motores de combustioacuten interna los cuales se describen en las secciones 224 y 23
respectivamente
223 Motores hiacutebridos
Un sistema hiacutebrido se basa en una fuente de combustioacuten interna de gasolina combinado con un
motor eleacutectrico para propulsar el vehiacuteculo tal como se visualiza en la figura 3
Este tipo de motor reduce las emisiones y aumenta la eficiencia de combustible Los vehiacuteculos
hiacutebridos utilizan la energiacutea mucho maacutes eficientemente que los sistemas de gasolina convencionales
[19] Se denomina motor hiacutebrido a un vehiacuteculo en el cual la energiacutea eleacutectrica que lo impulsa
proviene de bateriacuteas y de un motor de combustioacuten interna que mueve un generador Entre sus
ventajas se encuentran 1) su autonomiacutea ya que eacutesta depende del combustible almacenado en el
tanque 2) tiene un alto y uniforme rendimiento incluso a bajas temperaturas 3) el motor de
combustioacuten interna funciona bajo un estrecho margen de carga y velocidad lo que incrementa su
eficiencia [21]
Figura3 Motor hiacutebrido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
13
Para Chang [22] un motor hiacutebrido es aquel que combina un motor de combustioacuten interna y un
motor eleacutectrico los cuales tienen una mayor eficiencia energeacutetica y esto se debe a que este tipo de
motores son maacutes pequentildeos y por lo tanto consumen poca energiacutea
Por lo expuesto anteriormente se puede decir que un motor hiacutebrido es aquel que tiene una
combinacioacuten de un motor de combustioacuten interna y un motor eleacutectrico Esta combinacioacuten optimiza
su funcionamiento para un mejor rendimiento
224 Motores de combustioacuten externa
En la figura 4 se muestra un ejemplo de motor de combustioacuten externa Al igual que los motores
de combustioacuten interna son motores teacutermicos en los cuales el motor alcanza un estado teacutermico
mayor mediante la transmisioacuten de energiacutea teacutermica [23]
Su principal funcioacuten es hacer trabajo mecaacutenico a expensas de la expansioacuten y contraccioacuten de un
gas en un recinto cerrado El motor cuenta con un desplazador que hace que el gas pase de la zona
friacutea a la zona caliente y luego a la zona friacutea nuevamente producieacutendose consecuentemente su
tendencia a la expansioacuten y su posterior contraccioacuten [24]
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
14
Los motores de combustioacuten externa seguacuten Meza [24] son maacutequinas que realizan una conversioacuten
de energiacutea caloriacutefica en energiacutea mecaacutenica El rendimiento teacutermico de estos los motores se ve
limitado por varios factores principalmente por la peacuterdida de energiacutea por la friccioacuten y la
refrigeracioacuten
23 Motores de combustioacuten interna
Un motor de combustioacuten interna es un motor teacutermico en el cual se produce una combustioacuten del
fluido del motor transformando la energiacutea quiacutemica en teacutermica a partir de la cual se obtiene energiacutea
mecaacutenica Un ejemplo de este tipo de motor se aprecia en la figura 5
Estos motores tienen como principal fuente de energiacutea la gasolina Eacuteste es el combustible
empleado con mayor frecuencia por lo que es importante su calidad para un oacuteptimo
funcionamiento Un buen combustible debe tener un octanage aceptable ya que la gasolina debe
explotar dentro del cilindro para generar el movimiento del pistoacuten [26]
Este tipo de motores transforma el calor generado por el combustible ya sea dieacutesel o gasolina
en movimiento mecaacutenico del automoacutevil Durante este proceso el oxiacutegeno del aire se mezcla con el
combustible y hace que este uacuteltimo explote (en el caso de la gasolina) generando gases cuya fuerza
de expansioacuten teacutermica acciona sobre el pistoacuten que a su vez empuja el ciguumlentildeal y hace que eacuteste
ponga en movimiento las ruedas del automoacutevil [28]
Figura 5 Motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
15
Seguacuten Creus [29] un motor de combustioacuten interna utiliza la energiacutea interna del combustible para
que el motor realice un trabajo Dichos motores son ampliamente utilizados como fuentes de
alimentacioacuten en lugares de difiacutecil acceso Sin embargo los motores de combustioacuten interna de
dieacutesel tienen un rango de fallo por cada antildeo de explotacioacuten de entre 25 a 50
Se conoce como motores de combustioacuten interna (o endoteacutermicos) alternativos a cualquier tipo de
maacutequinas que a partir de energiacutea quiacutemica sean capaces de convertirla y obtener energiacutea mecaacutenica
para su uso El arranque de los motores se lleva a cabo en su caacutemara interna y sucede al momento
de ser encendido [20]
El motor de combustioacuten interna es la unidad energeacutetica y motriz de los medios de transporte
maacutequinas y equipos que se utilizan en actividades de diversas ramas de la economiacutea [30]
Se puede decir que un motor de combustioacuten interna es aquel que es capaz de convertir la energiacutea
quiacutemica en mecaacutenica para que se pueda utilizar de manera oacuteptima
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna
La clasificacioacuten de los motores puede ser extensa esto debido al disentildeo y mecanismos
mecaacutenicos A continuacioacuten se describen algunas clasificaciones
Respecto a la forma de los cilindros Su distribucioacuten puede ser en ldquoVrdquo o ldquoen liacuteneardquo esto
depende de la cantidad de cilindros existentes los cuales van en funcioacuten de la potencia del
motor Normalmente los motores de automoacuteviles son de 4 o 6 cilindros distribuidos en ldquoVrdquo
Referente a la forma de refrigeracioacuten Pueden ser refrigerados por liacutequido que normalmente
es agua donde el calor es evacuado al radiador del auto Tambieacuten pueden ser refrigerados por
aire donde se necesita de un ventilador que ayude a circular el aire alrededor del motor
Concerniente a las caras de los pistones Los motores convencionales utilizan una cara activa
de los pistones que se conocen como pistones de simple efecto Son aquellos que se
encuentran en contacto con el fluido activo y recibe el impacto de la energiacutea quiacutemica De igual
forma existen motores que utilizan los pistones de doble efecto los cuales funcionan en dos
direcciones y usan dos cilindros con dos pistones y dos bielas conectados a su respectivo
ciguumlentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
16
Respecto a la presioacuten del aire a la caacutemara de combustioacuten En las maacutequinas convencionales
el aire de la atmoacutesfera entra directamente a la caacutemara y la presioacuten es la atmosfeacuterica Dichos
motores usan un comprensor que se encargan de comprimir el fluido antes de conducirlo al
interior del motor
Referente a la introduccioacuten de combustible a la caacutemara interna Se clasifican en motores
de inyeccioacuten y carburacioacuten en estos uacuteltimos se mezclan los fluidos operantes para
posteriormente introducirlo a la caacutemara por medio de una vaacutelvula reguladora
Concerniente al ciclo operativo Se refiere a la cantidad de operaciones que el fluido activo
ejecuta en el cilindro La duracioacuten del ciclo la mide el pistoacuten
Respecto al tipo de encendido Esta clasificacioacuten radica en el modo de encendido con el ciclo
termodinaacutemico con el que opera la maacutequina [28]
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna
Los elementos de un motor de combustioacuten interna son biela pistoacuten y ciguumlentildeal los cuales se
describen en los siguientes apartados
24 Conceptualizacioacuten de la biela
La biela es el elemento del motor encargado de transmitir al ciguumlentildeal la presioacuten de los gases que
actuacutea sobre el pistoacuten Es un elemento de difiacutecil lubricacioacuten y es una parte criacutetica del motor por lo
que su disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes [31] Por lo general las bielas se fabrican de acero
templado aunque en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio
[32] tal como se muestra en la figura 6
Para Morillo Ibaquingo amp Benavides [33] una biela es un elemento mecaacutenico que conecta el
pistoacuten al ciguumlentildeal Sirve ademaacutes para transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
transformando esta fuerza de lineal a rotativa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
17
Figura 6Biela
Para Alzalluacute [34] por o tro lado la biela se encuentra intercalada entre el pistoacuten y el ciguumlentildeal
Soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del ciguumlentildeal hacia
arriba Se construyen de acero forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al
material aguantar ese inmenso trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta
conseguir la forma de la biela Su cuerpo adopta una forma de ldquodoble Trdquo
Las bielas estaacuten sometidas en su trabajo a esfuerzos de compresioacuten traccioacuten y tambieacuten de flexioacuten
muy grandes y por ello se fabrican con materiales resistentes pero a la vez han de ser lo maacutes
ligeros posibles Generalmente estaacuten fabricadas de acero con silicio manganeso y cromo Son
perforadas es decir se les crea un conducto por donde circula el aceite bajo presioacuten desde la
cabeza hasta el pasador con el fin de lograr una buena lubricacioacuten [27]
241 Elementos de una biela
En la figura 7 como puede apreciarse estaacute conformada por el pie que es el extremo que va
unido al buloacuten que a su vez va enganchado en el ciguumlentildeal Este es el extremo maacutes pequentildeo de la
biela El Cuerpo es la zona central de la biela que debe soportar la mayor parte de los esfuerzos
pero al estar en continuo movimiento tambieacuten debe de ser ligero por ello se suele construir con
forma de doble T
La Cabeza igual que el Pie y Cuerpo es la parte que va unida al ciguumlentildeal A diferencia del pie la
cabeza va dividida en dos mitades una de ellas unida al cuerpo y la otra (sombrerete) separada de
eacuteste requirieacutendose dos tornillos para unirse a eacutel Estaacuten tambieacuten el casquillo o cojinete Tornillos
de dilatacioacuten y vaacutestago de biela Por lo general las bielas se fabrican de acero templado aunque
en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio [35]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
18
Figura 7 Partes de la biela
La biela es la pieza que estaacute encargada de transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela
Los metales de los que estaacuten hechas las bielas deben reunir diversas caracteriacutesticas las cuales se
describen a continuacioacuten
Resistencia a la fatiga La firmeza que recubre a la biela debe ser mayor que la presioacuten de la
carga dinaacutemica en la peliacutecula del aceite mayor de las cargas de explosiones en la caacutemara de
combustioacuten y mayor que las cargas por inercia de las masas rotantes
Conformidad El casquillo del metal de la biela debe tener la geometriacutea exacta para mantener
el aceite en un nivel consistente con la resistencia a la fatiga de la aleacioacuten
Compatibilidad Es la resistencia que tiene el material de las diferentes aacutereas de unioacuten
Resistencia a la corrosioacuten El lubricante debe tener un determinado grado de acidez que
corroeraacute la superficie del material por lo que el metal de la biela debe ser capaz de resistir lo
mejor posible este efecto
Incrustabilidad En el aceite de los motores se encuentran partiacuteculas de basura que la
superficie del metal de la biela debe ser capaz de aceptar con el menor dantildeo posible [36]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
19
243 Fallas en las bielas del motor
Existen diferentes circunstancias por las que puede fallar una biela en un motor entre las cuales se
encuentran
Fatiga Es una falla de las bielas rotas y aunque la estructura de las bielas de motor estaacute hecha
para resistir las altas fatigas producto de las altas revoluciones en el motor esto no duraraacute para
siempre
Pasador El pasador que conecta la biela al pistoacuten recibe una gran cantidad de desgaste Si
este pasador suelta la varilla de conexioacuten ya no estaraacute conectada al motor lo que resulta en un
problema para eacutel
Motor revolucionado Un motor revolucionado es la principal causa de falla de las varillas
de conexioacuten de los motores nuevos y de alto rendimiento
Agua en el motor Si entra mucha agua en el cilindro en el momento de la chispa la biela se
puede doblar o romper [37]
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten
El pistoacuten es el encargado de darle la fuerza generada por la explosioacuten a la biela para que ella
haga el resto y debido a los esfuerzos tanto de friccioacuten como de calor a los que estaacute sometido el
pistoacuten se fabrica con materiales muy resistentes al calor y al esfuerzo fiacutesico pero siempre
empleando materiales ligeros para aumentar su velocidad faacutecilmente y poder alcanzar regiacutemenes
de rotacioacuten elevados [38] Los pistones se fabrican de aluminio silicio niacutequel y magnesio [39] un
ejemplo de pistoacuten se muestra en la figura 8
Figura8 Pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
20
Seguacuten Gontildei amp Rojas [40] se denomina pistoacuten a uno de los elementos baacutesicos del motor de
combustioacuten interna Se trata de una pieza que se ajusta al interior de las paredes del cilindro
mediante aros flexibles llamados anillos Efectuacutea movimientos obligando al fluido que ocupa el
cilindro a modificar su presioacuten y volumen
Un pistoacuten estaacute constituido por partes cabeza arcos y cubos del perno La funcioacuten del pistoacuten es
cerrar y obturar la caacutemara de combustioacuten interna asiacute como recibir la fuerza causa en la combustioacuten
a traveacutes de la biela y transmitirla al ciguumlentildeal como fuerza de torsioacuten tambieacuten transmite el calor
producido por los gases de combustioacuten hacia las paredes del cilindro para que sean refrigeradas por
el lubricante El pistoacuten se desplaza raacutepidamente por el interior de los cilindros el cual tiene
segmentos los cuales consiguen la estanquidad necesaria entre el pistoacuten y las paredes del cilindro
De este modo se evita que parte del gas comprimido se escape hacia la parte inferior del motor Por
ese motivo el pistoacuten debe estar fabricado de un material ligero y resistente a la vez Atravesando el
pistoacuten se observa un orificio pasante A traveacutes de este orificio el pistoacuten se une a la biela por
mediacioacuten de un buloacuten de acero [41]
El pie de la biela es el que la une al pistoacuten por medio del buloacuten el cuerpo por su parte asegura la
rigidez de la pieza y la cabeza gira sobre el codo del ciguumlentildeal como puede apreciarse en la figura
9
Los pistones del motor mantienen un movimiento constante hacia arriba y hacia abajo mientras
que el ciguumlentildeal genera un movimiento circular de modo que el auto puede avanzar Los pistones
de un motor se mueven arriba y abajo por el ciguumlentildeal dentro de los cilindros en el motor Las
explosiones que ocurren en estos cilindros de empuje contra los pistones permiten llevarlos de
vuelta y comenzar el ciclo otra vez Los pistones estaacuten conectados al ciguumlentildeal para asegurar que se
mueva con ellos y mantener sus movimientos regulados [42]
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
21
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal
En la figura 10 se aprecia el ciguumlentildeal encargado de transformar el movimiento de la biela en
movimiento rotatorio o circular Junto con el pistoacuten y la biela se considera la pieza maacutes importante
del motor Es una pieza que ha de soportar grandes esfuerzos por eso se construye de materiales
muy resistentes para que puedan aguantar cualquier movimiento sin romperse
El ciguumlentildeal es un aacuterbol de transmisioacuten que junto con las bielas transforma el movimiento
alternativo en circular o viceversa Consiste en un conjunto de manivelas una de ellas llamada
muntildeequilla y dos brazos que acaban en el eje giratorio del ciguumlentildeal Los ciguumlentildeales se utilizan en
los motores de combustioacuten de los automoacuteviles donde el movimiento lineal de los pistones dentro
de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del ciguumlentildeal
que a su vez se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia El ciguumlentildeal
es un elemento estructural del motor [43]
Para Aacutelvarez [42] el ciguumlentildeal estaacute situado en el motor de un vehiacuteculo y convierte la fuerza creada
por los pistones del motor El ciguumlentildeal estaacute conectado a todos los pistones en el motor y el volante
En la figura 11 se puede observar la articulacioacuten de la biela el pistoacuten y el ciguumlentildeal donde el
movimiento es rotativo para su adecuado funcionamiento Estos tres elementos no pueden
funcionar en forma separada
Figura 10Ciguentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
22
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal
Debido a los impulsos provocados por los pistones se presentan diferentes vibraciones
determinadas por el nuacutemero de revoluciones las cuales pueden provocar la rotura del ciguumlentildeal y
ruido excesivo en el motor Su funcioacuten es impulsar la fuerza de cada uno de los cilindros a traveacutes
del mecanismo de las bielas Estaacuten fabricados con materiales de acero cementado templado y con
aleaciones de niacutequel y cromo Estos materiales permiten tener un tratamiento teacutermico
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes
Desde hace tiempo la ingenieriacutea automotriz se ha enfocado en el disentildeo y la fabricacioacuten de
superficies que permitan reducir la friccioacuten principalmente en los cojinetes [364546]
Los cojinetes son los encargados de unir la biela con el ciguumlentildeal para evitar que haya rozamiento
entre ellos y evitar peacuterdidas de potencia y averiacuteos Tienen forma de media luna tal como se aprecia
en la figura 12 y se colocan entre el ciguumlentildeal y la cabeza de las bielas Estos deben ser construidos
con gran precisioacuten pues cualquier mala elaboracioacuten puede impactar en el funcionamiento del
motor
Figura 12Cojinetes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
23
Seguacuten Suaacuterez [47] los cojinetes son punto de apoyo de ejes para sostener su peso guiarlos en su
rotacioacuten y evitar deslizamientos Van colocados directamente en el bastidor de la pieza y los
cojinetes trabajan en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal
De acuerdo con Suaacuterez Toro amp Veacutelez [48] los cojinetes son que piezas de metal que descansan
y giran en cualquier eje de un motor Son dispositivos que se colocan entre la porcioacuten fija y la
porcioacuten giratoria de un motor y sirven para reducir al miacutenimo la friccioacuten entre ambas Los cojinetes
se fabrican con pequentildeas esferas metaacutelicas sin embargo no garantizan una vida uacutetil extensa El
rendimiento de los cojinetes es afectado por las condiciones de velocidad materiales en contacto
temperatura lubricacioacuten tipo de carga entre otros
271 Clasificacioacuten de los cojinetes
Los cojinetes se clasifican por friccioacuten o deslizamiento y de rodamiento Eacutestos se explican a
continuacioacuten
Cojinetes de friccioacuten o deslizamiento El cojinete de friccioacuten estaacute compuesto por dos pistas
una interior y otra exterior Eacutestas tienen contacto directo por medio de deslizamiento o friccioacuten
La reduccioacuten del rozamiento se realiza seguacuten la seleccioacuten de materiales y lubricantes Los
lubricantes tienen la funcioacuten de crear una peliacutecula deslizante que separe los dos materiales o
evite el contacto directo Para Veacutelez [49] los cojinetes de friccioacuten son aquellas piezas que
entre mayor es la friccioacuten es maacutes difiacutecil el movimiento entre los dos objetos En el caso de
maacutequinas la friccioacuten ocasiona el desgaste de las piezas
Seguacuten Arias [50] los cojinetes de friccioacuten son puntos de apoyo de ejes y aacuterboles para sostener
su peso guiarlos en su rotacioacuten y evitar deslizamientos Van montados en soportes para
facilitar su montaje tal como se aprecia en la figura13 Mientras que para Espitia [51] es el
elemento mecaacutenico capaz de soportar los gorrones de los ejes giratorios que se caracteriza por
un reducido coeficiente de rozamiento asiacute como por la posibilidad de ser lubricado
constantemente Otra caracteriacutestica importante reside en el hecho de que el material del
cojinete debe ser maacutes blando que el eje para evitar el deterioro de eacuteste en el caso de una
lubricacioacuten defectuosa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
24
Figura 13Cojinetes de friccioacuten
Cojinetes de rodamiento Es un elemento mecaacutenico que reduce la friccioacuten entre un eje y las
piezas conectadas a eacuteste por medio de rodadura el cual sirve de apoyo y facilita su
desplazamiento Los elementos de rodadura pueden ser bolas o rodillos son piezas que
requieren facilitar la ejecucioacuten de rigurosos tratamientos teacutermicos para obtener piezas de gran
resistencia al desgaste y a la fatiga Se caracterizan por ser de escaso rozamiento sobre todo
en el arranque por tener mayor velocidad admisible y un menor consumo de lubricante Para
Meacuterida [52] los cojinetes de rodamiento son elementos mecaacutenicos que aseguran un enlace
moacutevil entre dos elementos de un mecanismo uno de los cuales se encuentra en rotacioacuten con
respecto al otro Su funcioacuten principal es la rotacioacuten relativa de dichos elementos bajo carga
con precisioacuten y con un rozamiento miacutenimo
Seguacuten Galicia [53] estos tipos de cojinetes estaacuten constituidos por dos anillos rodantes
separados entre siacute por unos cuerpos tambieacuten rodantes interpuestos entre eacutestos cuya forma
variacutea seguacuten su uso pudiendo ser de diferentes formas bolas rodillos ciliacutendricos agujas etc
En ellos el gorroacuten del aacuterbol y la superficie de rodadura del soporte estaacuten separados por
elementos rodantes de forma que con el giro del gorroacuten o del cojinete se genera un
movimiento de rodadura y no de deslizamiento tal como se muestra en la figura 14
Figura 14Cojinetes de rodamiento
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
25
Seguacuten Jaramillo [54] cerca de 40 de la energiacutea total transformada por un motor de combustioacuten
interna de un automoacutevil se disipa como trabajo de las fuerzas de friccioacuten La disminucioacuten de las
peacuterdidas por friccioacuten es un factor clave para lograr un mejor uso de los combustibles y la proteccioacuten
del medio ambiente El sistema anillo-pistoacuten-camisa responde por peacuterdidas equivalentes a 50 o
60 del total de las peacuterdidas por friccioacuten en un motor de estos
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos
En la figura 15 se puede observar la estructura baacutesica de un motor de cuatro tiempos el cuaacutel es
conocido por motor OTTO [55] Se usa como maacutequina motriz en automoacuteviles comerciales consta
de un ciclo de cuatro procesos los cuales se describen a continuacioacuten
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos
Como se mencionoacute anteriormente el ciclo consta de cuatro tiempos El primer tiempo
corresponde al de admisioacuten que es el momento que el pistoacuten estaacute en el punto maacutes alto conocido
como Punto Muerto Superior (PMS) Posteriormente la vaacutelvula de admisioacuten se abre y el propio
pistoacuten por el vaciacuteo que se crea dentro del cilindro aspira la mezcla (aire y combustible) hasta llegar
al punto maacutes bajo del cilindro del Punto Muerto Inferior (PMI)
El segundo tiempo se refiere a la compresioacuten donde el pistoacuten se encuentra en el punto maacutes bajo
(PMI) En este momento la vaacutelvula de admisioacuten se cierra y el pistoacuten empieza a ascender
comprimiendo la mezcla hasta llegar al punto maacutes alto del cilindro (PMS)
Figura 15Motor de cuatro tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
26
Respecto al tercer tiempo que concierne a la expansioacuten una vez que se ha comprimido la mezcla
la bujiacutea hace saltar una chispa y enciende la mezcla aumentando la presioacuten en el cilindro y
haciendo descender el pistoacuten hacia el punto maacutes bajo (PMI)
En el cuarto tiempo que corresponde al escape de gases es cuando el pistoacuten llega al punto maacutes
bajo (PMI) se abre la vaacutelvula de escape y el pistoacuten empieza a ascender empujando los gases
quemados hacia el exterior En el momento que llega al punto maacutes alto (PMS) la vaacutelvula de escape
se cierra En la figura 16 se muestra el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa basado en el ciclo Otto de cuatro tiempos o fases importantes admisioacuten
compresioacuten explosioacuten y escape [56]
Otto propuso cuatro principios del motor de cuatro tiempos que son maacuteximo volumen del
cilindro con miacutenima superficie de paredes maacutexima velocidad de trabajo posible maacutexima relacioacuten
de expansioacuten posible y maacutexima presioacuten posible al comienzo de la expansioacuten
En los motores de cuatro tiempos el pistoacuten sube y baja cuatro veces en el interior del cilindro
para realizar el ciclo completo La distribucioacuten se compone de vaacutelvulas que se abren y cierran
totalmente sincronizadas con el movimiento del pistoacuten Cuando el pistoacuten desciende el cilindro se
llena de aire y gasolina para lo cual la vaacutelvula de admisioacuten permanece abierta Posteriormente
despueacutes de producirse la explosioacuten en el interior del cilindro la vaacutelvula de escape se abre para que
los humos procedentes de la explosioacuten puedan salir hacia el tubo de escape del automoacutevil En este
tipo de motores se requiere de dos vaacutelvulas por cada cilindro
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
27
29 Sistema de encendido
El sistema de encendido es el encargado de encender la mezcla de aire y de combustible en el
momento que se requiera Para esta investigacioacuten el sistema de encendido es por inyeccioacuten directa
de gasolina o por chispa que son aquellos que inyectan la gasolina directamente dentro del cilindro
Este sistema permite un mayor control de la mezcla y por tanto del comportamiento del motor En
los motores de gasolina la mezcla se enciende gracias a la bujiacutea que proporciona una chispa lo
suficientemente potente como para comenzar la reaccioacuten El propio sistema de encendido tiene que
controlar el momento en el que la chispa ha de saltar para que se encienda la mezcla y sea lo maacutes
eficaz y factible posible La combustioacuten se realiza en el momento en que el pistoacuten estaacute en el punto
maacutes alto (PMS) de esta manera la mezcla se empieza a encender
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa
La caracteriacutestica principal de la inyeccioacuten directa de gasolina es que la mezcla se produce dentro
de la caacutemara de combustioacuten Durante la admisioacuten soacutelo entra aire por la (s) vaacutelvula (s) de admisioacuten
la gasolina es inyectada directamente en la caacutemara de combustioacuten por inyectores de alta presioacuten
[57] tal como se aprecia en la figura 17
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
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292 Ventajas de la inyeccioacuten directa
Existen ventajas cuando se usa el encendido por chispa las cuales se describen a continuacioacuten
La gasolina se evapora directamente dentro del cilindro absorbiendo el calor del aire contenido
en eacuteste reduciendo la temperatura de la mezcla en la caacutemara de combustioacuten lo que disminuye
el riesgo de autoencendido e incrementa el rendimiento y la potencia
Ayuda a aumentar el rendimiento inyectando la gasolina directamente en el cilindro
Con respecto a la prevencioacuten del autoencendido la mayor contribucioacuten de la inyeccioacuten directa
de gasolina es cuando el motor trabaja en carga estratificada y por tanto no inflamable lo que
evita el autoencendido
Eficiencia en el periodo de admisioacuten debido a que soacutelo entra aire al cilindro inyectando la
gasolina despueacutes
Disminucioacuten del consumo de gasolina si se tiene poca gasolina el motor puede llegar a
funcionar esto permite que el motor aporte la energiacutea requerida con un aporte de gasolina
sustancialmente menor Esta disminucioacuten del consumo de gasolina disminuye tambieacuten de
emisiones de 1198621198742 Este contaminante es un producto del proceso de combustioacuten que soacutelo puede
reducirse disminuyendo el consumo de gasolina
Mejor rendimiento del motor debido a que la mezcla que se encuentra cerca de las paredes es
escasa y la temperatura de los gases de combustioacuten es mucho menor por lo que las peacuterdidas
por calor cedido a las paredes del cilindro tambieacuten se ven reducidas [58]
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa
Estos motores de encendido por chispa o inyeccioacuten directa tienen tambieacuten algunas desventajas
las cuales son
Se requiere de una bomba de alta presioacuten para proveer la gasolina a los inyectores con la
presioacuten requerida Eacutesta bomba toma la gasolina del depoacutesito y la alimenta regulando su presioacuten
de salida
Los inyectores deben ser aptos para resistir las altas presiones para inyectar gasolina
directamente en el cilindro y tambieacuten deben soportar las condiciones de la caacutemara de
combustioacuten tanto las altas temperaturas como las altas presiones derivadas de la combustioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
29
El sistema de encendido debe ser capaz de suministrar maacutes energiacutea debido a que el chorro de
gasolina puede impactar directamente con la bujiacutea mojaacutendola o la chispa apagarse debido a las
fuertes corrientes de aire y necesitar una segunda chispa
Se requiere de una sonda lambda de banda ancha que permita medir las variaciones en la carga
estratificada
Se necesita que la Unidad de Control de Motor (ECU) tenga mayor potencia de caacutelculo para
administrar las sentildeales que recibe y las salidas de control pues el motor tiene distintos modos
de operacioacuten y la ECU debe ser capaz de administrar las sentildeales que recibe para cada uno de
ellos y procesar las oacuterdenes en consecuencia
La cabeza del pistoacuten tiene que ser redisentildeada para que cuando el motor trabaja con carga
estratificada dirija la nube de mezcla rica en gasolina correctamente hacia la bujiacutea [59]
294 Descripcioacuten del proceso de encendido
Para encender el motor de gasolina se necesita una chispa entre los dos electrodos de la bujiacutea
para producir la temperatura necesaria para que la mezcla encienda para lo cual se requieren
tensiones muy altas En la figura 18 se aprecia que en el momento en que se pone en contacto la
llave de arranque se cierra el circuito y la bateriacutea comienza a entregar voltaje el cual es muy bajo
ya que corresponde a 12 voltios Para incrementarlo entre los electrodos de las bujiacuteas la bobina
con ayuda del ruptor consigue cambiar a 30000 voltios Esta tensioacuten es enviada al delco donde
se encuentra el distribuidor giratorio que reparte la tensioacuten a la bujiacutea correspondiente [60]
Figura18 Sistema de encendido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
30
495 Componentes del sistema de encendido
El sistema de encendido en motores de gasolina tiene los elementos que se describen a
continuacioacuten
Alternador es un dispositivo que se acciona directamente por el motor que se encarga de
generar corriente para cargar bateriacutea Al estar directamente accionado por el motor si se suben
las revoluciones del motor tambieacuten aumenta la corriente generada
Bateriacutea Es la encargada de suministrar la energiacutea eleacutectrica para que circule hacia la bujiacutea
Dicha energiacutea viene dada por la reaccioacuten quiacutemica del plomo y aacutecido sulfuacuterico
Bobina Se encarga de transformar la baja tensioacuten que proviene de la bateriacutea en una tensioacuten
alta para hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea la cual consta de dos filamentos
enrollados Cuando el primero recibe la corriente de la bateriacutea el ruptor interrumpe la corriente
que pasa por eacuteste entonces al filamento secundario se le induce una corriente maacutes alta capaz
de hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea y encender la mezcla
Ruptor Se encuentra situado dentro del distribuidor y se encarga de interrumpir
perioacutedicamente la corriente en el filamento primario de la bobina para que la corriente sea
inducida en el secundario Esta interrupcioacuten es en base a la apertura de dos contactos los cuales
son comandados por una leva accionado por y a la misma velocidad que el aacuterbol de levas
Distribuidor Es el encargado de repartir la alta tensioacuten a la bujiacutea en cada momento Va
centrado en el delco donde tambieacuten se situacutea el ruptor y los reguladores de encendido
Bujiacutea Es el elemento que se encarga de hacer saltar la chispa para que encienda la mezcla de
aire y gasolina Estaacute recubierta de un aislante para disipar el calor generado en la caacutemara de
combustioacuten ya que estaacute lsquoen contacto directo con las explosiones
210 Sobrecalentamiento
El sobrecalentamiento del motor es la condicioacuten en la cual la temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y si se mantiene mucho tiempo llega a producir dantildeos graves en el
motor como torceduras y roturas de vaacutelvulas brazos de biela soplado de empaques torceduras de
culatas roturas de pistones etc
El tiempo de calentamiento de los motores modernos es prolongado sobre todo cuando las
condiciones ambientales son desfavorables y cuando la calefaccioacuten del motor se enciende Durante
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
31
el calentamiento del motor la vaporizacioacuten del combustible se dificulta y el catalizador no funciona
a plenitud por esto la reduccioacuten del tiempo de calentamiento del motor es esencial Para lo cual es
necesario reducir el volumen de refrigerante la masa del motor mejorar el aislamiento del motor
emplear sistemas calentadores adicionales emplear una unidad electroacutenica de control para
manipular la termodinaacutemica del motor y de esta misma manera controlar el desempentildeo teacutermico
todas estas medidas serviraacuten para reducir el tiempo del calentamiento y ayudaraacuten a un mejor
funcionamiento del motor [61]
El sobrecalentamiento del motor puede ser causado por cualquier cosa que disminuya la
capacidad del sistema de refrigeracioacuten para absorber transportar y disipar el calor Por lo tanto
los motores pueden sobrecalentarse por una variedad de razones Algunas se deben a que el
termostato se encuentre en mal estado debido a que es una vaacutelvula que abre y cierra conforme se
encuentre la temperatura del motor Es decir el refrigerante del motor caliente pasa a traveacutes del
radiador cuando el termostato estaacute en posicioacuten abierta Cuando se encuentra en posicioacuten cerrada el
refrigerante se queda en el motor y raacutepidamente se calienta ocasionando un sobrecalentamiento
del motor
De igual forma el tener un radiador con fugas u obstrucciones conduce a elevadas temperaturas
del motor y sobrecalentamiento del mismo Asiacute como el tener mangueras con agujeros hace que se
produzcan fugas o se interrumpa el flujo del refrigerante Tambieacuten un ventilador con oscilacioacuten
libre y teniendo un aspa rota no puede mantener una velocidad adecuada lo que origina
sobrecalentamiento del motor
En los motores de combustioacuten interna modernos soacutelo una tercera aparte de la energiacutea interna se
convierte en trabajo uacutetil Las dos terceras partes restantes de la energiacutea se transforman en calor a
peacuterdida evacuadas por el sistema de escape el sistema de enfriamiento y calor radiado y rechazado
por conveccioacuten a traveacutes de las partes soacutelidas del motor El sobrecalentamiento durante el ciclo
completo del motor genera una distribucioacuten de energiacutea dentro de la caacutemara de combustioacuten En
general el calor se transporta hacia la culata la camisa los puertos de escape y el pistoacuten el cual
estaacute ligado a la biela la cual si tiene defectos acabaraacute por destruir el motor [61]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
32
Es por tanto importante estar pendiente de la temperatura a la cual estaacute trabajando el motor
debido a que un sobrecalentamiento puede provocar dantildeos serios empezando por la ruptura del
empaque la deformacioacuten de los cilindros y desgaste en los anillos Estaacuten tambieacuten los dantildeos en los
codos del ciguumlentildeal y la biela Esta uacuteltima ya que se encuentra sometida a fuerzas axiales de
compresioacuten convirtieacutendola en el elemento maacutes tensionado dentro del motor Estaacute ademaacutes expuesta
a cargas producto de la presioacuten generada en la caacutemara de combustioacuten y por la alta friccioacuten entre
los elementos deslizantes Al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentaraacuten desgastes excesivos y prematuros que pueden ocasionar una falla Si este sistema no
funciona correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como
consecuencia deformaciones importantes por sobrecalentamiento [62]
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor
La cinemaacutetica proviene del griego κινεω kineo que significa movimiento Estudia las leyes del
movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo originan y se limita esencialmente al
estudio de la trayectoria en funcioacuten del tiempo [63] La cinemaacutetica se ocupa de aspectos del
movimiento aparte de considerar masa y fuerza Un anaacutelisis cinemaacutetico simula el movimiento de
mecanismos por lo que cumple los requisitos de los perfiles de los motores cinemaacuteticos y de
cualquier conexioacuten de unioacuten por leva en ranura o por engranajes Este tipo de anaacutelisis se usa para
obtener informacioacuten sobre la posicioacuten velocidad y aceleracioacuten de entidades geomeacutetricas y
conexiones interferencia entre componentes las curvas trazadas del movimiento del mecanismo y
los envolventes de movimiento que capturan el movimiento del mecanismo como una pieza
Seguacuten Forno [64] la cinemaacutetica analiza los factores de tiempo y espacio del movimiento de un
sistema es decir describe el movimiento de los cuerpos en teacuterminos de tiempo desplazamiento
velocidad aceleracioacuten y tiempo de desplazamiento
Para Suaacuterez [65] el anaacutelisis cinemaacutetico se utiliza para evaluar el movimiento del mecanismo
gobernado por motores cinemaacuteticos Se puede utilizar cualquier motor cinemaacutetico de eje de
movimiento con un perfil lo que produciraacute una aceleracioacuten finita
Las fuerzas que afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de
inercia Una vez conocidas las fuerzas de combustioacuten en el pistoacuten se usa software especializado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
33
que ayuda en el calculoacute del anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico integrando las fuerzas de inercia
debidas a la masa de cada componente del mecanismo biela-manivela [66]
Para realizar este anaacutelisis es necesario considerar las masas de cada una de las piezas asiacute como
el reacutegimen de giro Esto permitiraacute realizar la simulacioacuten y calcular las fuerzas aplicadas en la cabeza
y el pie de la biela para poder luego hacer un anaacutelisis de elementos finitos que definan los
esfuerzos En el capiacutetulo III se describen la pieza construida a traveacutes del Software de aplicacioacuten
SOLIDWORKS
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor
El anaacutelisis cineacutetico estudia las fuerzas que provocan que un sistema se mueva es decir que
produzcan o cambien el movimiento de un objeto El estudio de las fuerzas que inducen el
movimiento parte desde un movimiento lineal o angular El anaacutelisis cineacutetico puede ser de tipo lineal
o angular El primero involucra la descripcioacuten de un movimiento en liacutenea recta Por otro lado la
cinemaacutetica angular se refiere a la descripcioacuten de un movimiento alrededor de un aacutengulo fijo [64]
El anaacutelisis cineacutetico es cuando un cuerpo estaacute en reposo para acelerarlo hasta una cierta velocidad
y se necesita un determinado trabajo [67] Esa energiacutea que se obtiene en la aceleracioacuten es
conservada por el cuerpo como energiacutea cineacutetica hasta que modifique su velocidad
Concretamente se llama cineacutetica o cinemaacutetica a la especialidad de la fiacutesica centrada en el anaacutelisis
del movimiento dejando de lado el estudio de las fuerzas que lo originan La cineacutetica en este
marco suele estudiar la trayectoria de un cuerpo en movimiento en funcioacuten del tiempo [68]
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor
La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama transferencia de calor la cual se produce
siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se
ponen en contacto hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las
temperaturas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
34
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se usoacute en el software ANSYS el cual permitioacute realizar el
anaacutelisis teacutermico que consiste en la aplicacioacuten del meacutetodo de elementos finitos para calcular la
distribucioacuten de temperatura en una estructura soacutelida en este caso la biela de un motor de
combustioacuten interna Con dicho anaacutelisis se resolvioacute el problema de la transferencia teacutermica
conjugada que involucra el caacutelculo de la simulacioacuten de la conduccioacuten conveccioacuten e irradiacioacuten
teacutermica [66]
Los procesos de los motores de combustioacuten interna son complejos para poder realizar un anaacutelisis
completo de los mismos por lo que se requiere el usoacute de procesos teoacutericos para realizar caacutelculos
Eacutestos son denominados modelos matemaacuteticos para los cuales se usa simulacioacuten herramienta de
gran apoyo para estudiar el comportamiento de los motores de combustioacuten interna desde el punto
de vista termodinaacutemico Con estos softwares de apoyo es posible estudiar la influencia de
determinados paraacutemetros como son la geometriacutea operacioacuten y combustioacuten en las prestaciones de
un motor [69]
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico
La simulacioacuten permite examinar el comportamiento del modelo en condiciones de operacioacuten
reales Ayuda a evaluar las caracteriacutesticas estructurales y el perfil teacutermico proporciona tambieacuten
potentes herramientas para examinar el rendimiento de los mecanismos Sirve para reflejar las
fuerzas materiales y condiciones de liacutemite a las que se veraacute sometido el modelo real para adaptarlo
mejor a criterios de disentildeo especiacuteficos
Existen diversos Softwares de aplicacioacuten para diferentes fines como es el caso de CAD que
sirve para disentildear modelos en tercera dimensioacuten (3D) que posteriormente se analizan por el
meacutetodo de elementos finitos Tal es el caso del software CATIA que es uno de los maacutes utilizados
actualmente en la industria para encontrar paraacutemetros como las dimensiones de diaacutemetro del pistoacuten
longitud de la biela ancho de biela diaacutemetros interiores de cabeza y pie espesores de cabeza y
pie ancho y alto de la seccioacuten tipo I y diaacutemetro de los tornillos de fijacioacuten Tanto el CAD y CATIA
son simuladores que permiten determinar lo antes mencionado
Tambieacuten existe el Software ANSYS que sirve para disentildear analizar y simular partes de piezas
sometidas a fenoacutemenos fiacutesicos usadas en ingenieriacutea y disentildeo mecaacutenico Ayuda a resolver
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
35
problemas fiacutesicos como problemas de esfuerzos teacutermicos fluidos vibracioacuten y otras Dentro de este
software se encuentra la seccioacuten de Anaacutelisis Mecaacutenico que sirve para resolver situaciones muy
particulares en disentildeo mecaacutenico como elementos estructurales lineales no lineales y anaacutelisis
dinaacutemico Con este moacutedulo se puede evaluar el comportamiento asignar materiales y resolver
ecuaciones elaborar anaacutelisis teacutermicos acoplamientos fiacutesicos que involucren acuacutestica elementos
piezoeleacutectricos e interaccioacuten teacutermica con eleacutectrica El software ANSYS se usoacute para este proyecto
Asiacute mismo es necesario sentildealar que para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el
software MATLAB herramienta matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para
la representacioacuten de datos matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor Los resultados
de MATLAB junto con el Software ANSYS permiten predecir coacutemo se comporta y reacciona la
biela en su entorno real Posteriormente se importa la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
y se realizan el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico por medio de la simulacioacuten
De igual forma se emplea para esta investigacioacuten el software SOLIDWORKS que se usa para
el disentildeo mecaacutenico con el que se crea geometriacutea en tercera dimensioacuten (3D) usando paraacutemetros
soacutelidos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
36
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA
La metodologiacutea de la investigacioacuten se define como la disciplina que se encarga del estudio criacutetico
de los procedimientos y medios aplicados por los seres humanos que permiten alcanzar y crear el
conocimiento en el campo de la investigacioacuten cientiacutefica Representa la forma en la que se va a
organizar el proceso de la investigacioacuten de examinar los resultados y de presentar posibles
soluciones al problema Toda investigacioacuten a desarrollar debe llevar un orden loacutegico La
metodologiacutea de la presente investigacioacuten estaacute basada en la propuesta de los autores Hernaacutendez
Fernaacutendez y Baptista [70] ya que tiene un enfoque bastante amplio y flexible que se puede adaptar
de manera general a los requerimientos y alcances del estudio cubriendo los puntos esenciales que
guiacutean el disentildeo y elaboracioacuten de la investigacioacuten Los pasos seguidos se muestran en la figura19
31 Enfoque de la investigacioacuten
Existen dos enfoques dentro de la investigacioacuten el cuantitativo y el cualitativo Hernaacutendez [70]
define a la investigacioacuten cuantitativa como aquella investigacioacuten que utiliza la recoleccioacuten de datos
para comprobar una hipoacutetesis con base a una medicioacuten numeacuterica para establecer un anaacutelisis
estadiacutestico con el propoacutesito de conocer la tendencia del comportamiento y la aprobacioacuten de teoriacuteas
El desarrollo de esta investigacioacuten tuvo un enfoque cuantitativo el cual seguacuten Fernaacutendez [71] se
fundamenta en un esquema deductivo y loacutegico que busca formular preguntas de investigacioacuten e
hipoacutetesis para posteriormente probarlas
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
37
Esta investigacioacuten parte del enfoque mecaacutenico propuesto por diferentes autores que hacen
referencia a los diferentes motores que existen asiacute como los elementos que lo conforman La
finalidad es identificar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten
interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa asiacute como determinar la fuerza
axial de la biela Tambieacuten obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de
combustioacuten estequiomeacutetrica y simular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela para identificar
posibles deformaciones y posteriormente realizar el anaacutelisis cinemaacutetico del motor
32 Alcance de la investigacioacuten
El alcance de esta investigacioacuten es exploratoria correlacional descriptiva y explicativa Al
respecto Fernaacutendez et [71] al se establece que ldquolos estudios exploratorios se realizan cuando el
objetivo consiste en examinar un tema poco estudiadordquo en este caso los factores que influyen en
el sobrecalentamiento de una biela
El alcance correlacional tiene como finalidad establecer una relacioacuten entre dos o maacutes variables
[70] y referente a esta investigacioacuten se llevoacute a cabo la correlacioacuten de variables del calor liberado
en la caacutemara de combustioacuten y el sobrecalentamiento del motor Esta correlacioacuten implica una
relacioacuten causal entre dichas variables ya sea de forma positiva o en forma negativa y una relacioacuten
causal implica que un evento es consecuencia de otro que le antecede y que sin eacuteste el uacuteltimo no
se presentaraacute
La investigacioacuten tambieacuten es descriptiva puesto que se describen los fenoacutemenos alcanzados en el
transcurso de todo el proceso Busca especificar propiedades caracteriacutesticas y rasgos importantes
de cualquier fenoacutemeno que se analice [71] en este caso la relacioacuten de compresioacuten presioacuten
atmosfeacuterica aacuterea del pistoacuten presioacuten atmosfeacuterica dentro de la caacutemara de combustioacuten presioacuten que
detona la mezcla dentro de la caacutemara de combustioacuten fuerza temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
y geometriacutea de la biela En este sentido en esta investigacioacuten se describieron las variables antes
mencionadas mismas que se especifican en el capiacutetulo cuatro detallando sus propiedades y
caracteriacutesticas
De igual forma la investigacioacuten tiene un alcance explicativo derivado de que seguacuten Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Bautista mencionan que estaacute orientada a la comprobacioacuten de hipoacutetesis las cuales
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
38
sirven para el anaacutelisis de variables [71] que se expresan con hechos verificables para que el
investigador tenga la capacidad de anaacutelisis y siacutentesis para su interpretacioacuten En el desarrollo de este
trabajo la hipoacutetesis establecida se encuentra en el apartado 33 del presente capiacutetulo y los resultados
obtenidos se explican en el capiacutetulo cuatro donde se explican los fenoacutemenos hallados entre
variables describiendo por queacute ocurrieron dichos eventos y en queacute condiciones se manifestaron
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis
En toda investigacioacuten es importante plantear variables ya que eacutestas permiten relacionar algunos
conceptos que hacen referencia a las caracteriacutesticas que se van a estudiar Para Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Baptista [70] una variable es una propiedad que puede fluctuar y cuya variacioacuten es
susceptible de medirse u observarse Las variables adquieren valor para la investigacioacuten cientiacutefica
cuando llegan a relacionarse con otras variables es decir si forman parte de una hipoacutetesis o una
teoriacutea Y una variable independiente se refiere a ldquoaquella donde el investigador puede manipular
ciertos efectos en otras palabras supone la causa del fenoacutemeno estudiadordquo Y la variable
dependiente implica ldquoel efecto producido por la variable independiente es decir representa lo que
se quiere determinar en forma directa en la investigacioacutenrdquo
La hipoacutetesis planteada en este trabajo es una hipoacutetesis correlacional donde si alguna de las
variables sufre alguna modificacioacuten esto afectaraacute a otras variables correspondientes A
continuacioacuten se muestra la hipoacutetesis de la presente investigacioacuten
Hipoacutetesis nula
H01 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten influye en el sobrecalentamiento
de un motor de combustioacuten interna
Variables
Variables independientes Calor liberado en la caacutemara de
Combustioacuten
Variable dependiente Sobrecalentamiento del motor
Ya identificadas las variables es necesario establecer la operacionalidad de las mismas y
con base a lo anterior se observa en la tabla 1 la clasificacioacuten de las mismas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
39
TABLA 1 CONCEPTUALIZACIOacuteN DE VARIABLE
Variable Definicioacuten Conceptual Indicadores
Calor liberado en la
caacutemara de
combustioacuten
Se refiere a la quema de combustible
suministrados por el motor de
combustioacuten interna de tal manera
que el aire se expanda y acelere para
proporcionar una corriente de gas
uniformemente calentada en todas las
condiciones requeridas por el motor
de combustioacuten interna Esta tarea
debe realizarse con la miacutenima peacuterdida
de presioacuten y con la maacutexima liberacioacuten
de calor para el limitado espacio
disponible [31]
Reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten
Sobrecalentamiento
del motor
Es la condicioacuten en la cual la
temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y llega
a producir dantildeos graves en el motor
como torceduras y roturas de
vaacutelvulas brazos de biela soplado de
empaques torceduras de culatas y
roturas de pistones [41]
Lubricacioacuten deficiente
Fallo en sistema de
enfriamiento
Hipoacutetesis alterna
HA1 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten no influye en el
sobrecalentamiento de un motor de combustioacuten interna
34 Disentildeo de la investigacioacuten
El tipo de disentildeo que se usoacute fue el no experimental donde la investigacioacuten que se realiza se hace
sin la manipulacioacuten deliberada de las variables y donde se observan los fenoacutemenos para
posteriormente analizarlos en este caso el calor liberado en la caacutemara de combustioacuten y el
sobrecalentamiento del motor donde dichas variables estaacuten relacionadas con diferentes elementos
que son la combustioacuten estequiomeacutetrica presioacuten atmosfeacuterica fuerza de la biela y geometriacutea de la
biela Estos elementos sirvieron para poder realizar el anaacutelisis cineacutetico cinemaacutetico y teacutermico por
transferencia de calor motivo de la presente investigacioacuten
A su vez es una investigacioacuten transaccional donde se recolectaron los datos en un momento y
tiempo uacutenico permitieacutendose describir las variables anteriormente mencionadas El propoacutesito fue
describir las variables y analizar su incidencia e interrelacioacuten en un momento dado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
40
Por otra parte este trabajo se basoacute en un disentildeo no experimental con la informacioacuten derivada
basada en datos primarios obtenidos directamente de la realidad En el desarrollo de la presente
investigacioacuten la informacioacuten se obtuvo mediante el modelado mecaacutenico el cual ayudoacute a predecir
el comportamiento y reaccioacuten de la biela en su entorno real
35 Seleccioacuten de la muestra
El desarrollo de esta investigacioacuten se realizoacute tomando como objeto de estudio a un motor VW
Golf MK4 Gti 18T En la tabla 2 se muestran las especificaciones de este motor
Se utilizoacute un acero SAE 4340 de medio carbono aleado con Cr-Ni-Mo debido a que posee buena
resistencia a la fatiga alta templabilidad excelente tenacidad regular maquinabilidad y baja
soldabilidad Es apto para piezas y herramientas de grandes exigencias mecaacutenicas Se usa para los
maacutes altos esfuerzos estaacuteticos y dinaacutemicos en piezas como ciguumlentildeales bielas cardanes pintildeones
pernos y tornillos de alta resistencia engranajes para maacutequinas discos de freno barras de torsioacuten
y aacuterboles de transmisioacuten [72] En la tabla 3 se muestran las composiciones quiacutemicas
TABLA 2 CARACTERIacuteSTICAS DEL MOTOR
Variable Definicioacuten Conceptual
Motor V 4
Combustible Gasolina
Alimentacioacuten MPI
Situacioacuten Transversal
Cilindrada 1781 cm3
Diaacutemetro por carrera 810 x 864 mm
Vaacutelvulas 16 vaacutelvulas
Sobrealimentacioacuten Turbo + Intercooler
Relacioacuten de Comprensioacuten 95
Potencia 210 PS or 207 bhp o 154 kw 5700 rmp
Par maacuteximo 300 Nm o 221 lbft 2700 rpm
Caja de cambios 6 velocidades manual
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
41
TABLA 3 PORCENTAJE DE COMPOSICIOacuteN QUIacuteMICA DEL ACERO USADO
De igual forma en la tabla 4 se pueden apreciar las caracteriacutesticas del tratamiento teacutermico y las
propiedades mecaacutenicas que se deben tener para cumplir con lo establecido para el procedimiento
36 Recoleccioacuten de datos
Para el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico se emplea la simulacioacuten con ANSYS y poder predecir coacutemo
se comporta y reacciona la biela en su entorno real El software SOLIDWORKS se emplea para
incorporar la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
TABLA 4 TRATAMIENTO TEacuteRMICO Y PROPIEDADES MECAacuteNICAS
Tratamiento teacutermico
(Valores en 0C)
Propiedades mecaacutenicas
Forjado 850 - 1100 Bonificado
Normalizado 870 - 900 Resistencia a la
traccioacuten
95 ndash 105 kgfmm2
Revenido 530 - 670 Liacutemite de fluencia 60 ndash 74 kgfmm2
Recocido 750 - 850 Dureza (HB) 280 - 340
Templado Aceite 840 - 880 Elongacioacuten 10 ndash 18
Composicioacuten quiacutemica ()
C 038 ndash 043
Mn 060 ndash 080
Si 015 ndash 035
P 0035 Maacutex
S 004 Maacutex
Cr 070 ndash 090
Ni 165 ndash 200
Mo 020 ndash 030
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
42
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el software de MATLAB herramienta
matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para la representacioacuten de datos
matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor El objetivo de dicho anaacutelisis fue
identificar la falla de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro
cilindros encendido por chispa accionado por gasolina cuando por diversas causas alcanza
temperaturas elevadas generando esfuerzos y deformaciones superiores a los liacutemites de cedencia
del material Para este anaacutelisis se determinoacute la fuerza axial generadora del maacuteximo torque aplicado
al ciguumlentildeal del motor Como se trata de un motor alternativo el movimiento parte desde el punto
muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) recorriendo el pistoacuten una longitud de
carrera C=2r por cada vuelta del ciguumlentildeal Ya que se trata de un motor de cuatro tiempos el
ciguumlentildeal daraacute dos vueltas por ciclo termodinaacutemico [73] En este caso se consideroacute solamente un
punto donde la biela es normal a la manivela que es donde se produce el maacuteximo toque Se hizo el
anaacutelisis el elemento finito (FEA por su siglas en ingles Finite Element Analysis ) para obtener una
solucioacuten aproximada a este problema de ingenieriacutea para obtener un producto de calidad a menor
costo mejorando asiacute procesos existentes o para estudiar fallos de eacuteste componente estructural El
anaacutelisis teacutermico por transferencia de calor cineacutetico y cinemaacutetico se describe en el capiacutetulo 4 del
presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
43
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Generalidades
Los motores de los autos principalmente los de combustioacuten interna (MCI) son motores donde
los gases generados en la reaccioacuten exoteacutermica resultan de un proceso de combustioacuten que empuja
al pistoacuten desplazaacutendolo en el interior de un cilindro y haciendo girar al ciguumlentildeal El funcionamiento
ciacuteclico de estos motores suele tener fallas constantes debido a muacuteltiples factores entre los cuales
destacan problemas con los cojinetes fallas en las bielas pistoacuten ciguumlentildeal entre otros
El arranque de los motores de combustioacuten se lleva a cabo en su caacutemara interna en donde se forma
el fluido activo Esta caacutemara forma parte de un cilindro dentro del cual se mueve un pistoacuten mismo
que forma parte del mecanismo en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal Y para que un motor
tenga un buen funcionamiento es necesario tener una buena lubricacioacuten refrigeracioacuten y suministro
de energiacutea eleacutectrica tal como se aprecia en la figura 20
La lubricacioacuten debe mantener engrasados los mecanismos moacuteviles tambieacuten sirve como
refrigerante al absorber el calor disipado Su principal funcioacuten radica en la aplicacioacuten de un manto
superficial de aceite recubriendo asiacute los elementos moacuteviles El sistema refrigerante es el que
mantiene una temperatura constante del motor durante su funcionamiento y lo hace mediante la
eliminacioacuten de exceso de calor que se pudiera generar en su funcionamiento Gracias a la energiacutea
eleacutectrica funcionan los dispositivos tales como las bombas hidraacuteulicas agua refrigerante los
cuales provocan el flujo que hace posible la circulacioacuten de los fluidos a lo largo de los ductos
correspondientes
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
44
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se consideroacute el auto VW Golf [74] tal como se aprecia
en la figura 21
Este auto tiene un motor MK4 GTI 18T de cuatro cilindros con turbocompresor formalmente
conocido como el 18 20VT R4 e informalmente conocido simplemente como el 18T Se ha
utilizado en casi todas las aplicaciones de cuatro cilindros de VW Utiliza un bloque de motor de
hierro fundido y culata de aluminio con doble aacuterbol de levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte
de la fuerza inherente de este motor viene del uso de un ciguumlentildeal de acero forjado a troque dividido
en bielas forjadas y pistones forjados Su potencia es de 150 caballos de fuerza a 5800 rpm Su
principal caracteriacutestica es su sistema de turbo y de induccioacuten Utiliza un turbocompresor de VW
de origen algo equivalente a un Garrett T30
421 Aplicaciones del 18T
El 18T se ha utilizado en casi todos los autos que tienen cuatro cilindros de VW como son VW
Polo GTI Golf MkIV Bora Jetta New Beetle S Passat B5 y Sagitar Desde Audi que es la marca
de lujo de VW el motor tambieacuten se ha trasladado a los modelos en esa divisioacuten incluyendo la A3
A4 A6 y TT Quattro Sport Otros fabricantes de automoacuteviles en utilizar el 18T han sido el
fabricante espantildeol SEAT (en el Leon Mk1 Cupra R y Toledo) y Skoda para su edicioacuten limitada
Octavia VRS
Figura 21VW Golf
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
45
El 18T utiliza un bloque de motor de hierro fundido y una culata de aluminio con doble aacuterbol de
levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte de la fuerza inherente de este motor se debe al uso de un
ciguumlentildeal de acero forjado a troquel bielas ldquoSplit forjadordquo y pistones Mahle forjado El 18T ha
llegado en docenas de diferentes configuraciones desde que se ofrecioacute por primera vez con
potencias que van desde 150 caballos de fuerza a 5800 rpm (en la mayoriacutea de los polos Golf
hoteles escarabajos y Passat) hasta 236 caballos de fuerza a 5700 rpm para el Audi TT Quattro
Sports
En lo que respecta a la induccioacuten aparte de su cabeza la principal caracteriacutestica del 18T es su
sistema turbo e induccioacuten El turbo alimenta uno de los pocos verdaderos colectores de admisioacuten
de longitud variable en el mercado de hoy A bajas revoluciones el aire fluye a traveacutes de un
conjunto de tubos de colada la ingesta de largas y delgadas para mejorar el par a bajo reacutegimen y
la facilidad de conduccioacuten A altas revoluciones una solapa se abre para conectar gran espacio
abierto del colector de admisioacuten (plenum) casi directamente a la culata sin pasar por los tubos y
aumentar el poder de gama alta
43 Anaacutelisis de datos
431 Anaacutelisis cinemaacutetico
El movimiento alterno del pistoacuten se transforma en movimiento circular continuo del eje mediante
el sistema biela-manivela Para efectos de caacutelculo el movimiento circular de la manivela se
considera uniforme sin error apreciable En la figura 22 se muestra la nomenclatura que se utilizoacute
en este anaacutelisis [73]
Figura 22 Nomenclatura
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
46
Donde
L=Longitud de la biela
r=Radio de la manivela
C=Carrera del pistoacuten
x=Deslizamiento del pistoacuten referido al PMS
α=Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente al PMS
β= Aacutengulo que forma el eje de la biela con el del cilindro
I Desplazamiento
De acuerdo a la geometriacutea del motor y como muestra la figura 22 se obtiene la ecuacioacuten para el
desplazamiento (x) correspondiente entre el PMS y PMI donde λ es un paraacutemetro de la relacioacuten
del radio a la longitud de la biela (Ver Anexo I) la cual es
119909 = 119903 ((1 minus cos prop) + 119871(1 minus radic1 minus 12058221199041198901198992 prop))
Donde λ =119903
119871 119902119906119890 119903119890119901119903119890119904119890119899119905119886 119906119899119886 119903119890119897119886119888119894oacute119899 119886119897119890119886119905119900119903119894119886
Si la biela fuera de longitud infinita (λ=0) se desplazariacutea mantenieacutendose siempre paralela a siacute
misma por lo que tendriacuteamos la expresioacuten simplificada
119909 = 119903(1 minus cos prop)
Se utilizoacute el software MATLAB para graficar coacutemo se comporta el sistema del punto muerto
superior al punto muerto inferior correspondiente a los 360 grados del movimiento de la Manivela
Se obtiene la figura 23 misma que se muestra a continuacioacuten
Figura 23 Desplazamiento
Des
pla
zam
ien
to d
el p
istoacute
n e
n m
etro
s
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
47
II Velocidad
Para obtener la ecuacioacuten de la velocidad se derivoacute la ecuacioacuten de desplazamiento (ver Anexo II)
guardaacutendola en una nueva variable (V) lo que se puede apreciar en la figura 24
Figura 24Velocidad del pistoacuten
III Aceleracioacuten
Para obtener la ecuacioacuten de la aceleracioacuten se derivoacute la ecuacioacuten de velocidad (Ver Anexo III)
asignando su valor a una nueva variable (A) la cual se muestra en la figura 25
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten
Vel
oci
dad
del
pis
toacuten
(m
s)
Angulo de manivela en grados
Ace
lera
cioacute
n d
el p
istoacute
n (
ms
2)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
48
432 Anaacutelisis cineacutetico
I Fuerzas alternativas de inercia
Conociendo las leyes que regulan el movimiento del conjunto biela manivela resulta faacutecil
obtener una relacioacuten de las fuerzas que generan dicho movimiento En efecto las partes dotadas de
movimiento alternativo estaacuten sometidas a fuerzas de inercia calculadas por medio de la segunda
ley de Newton que expresada en funcioacuten de la segunda derivada del desplazamiento dan como
resultado
119865 = minus119898 lowast 1205962 lowast 119903 (cos 120572 + 120582 lowast cos 2120572)
La primera y segunda parte de la ecuacioacuten representan respectivamente las fuerzas alternativas
de primero y segundo orden (ver Anexo IV) En la ecuacioacuten anterior ldquomrdquo corresponde a la masa de
la biela que para la muestra seleccionada tiene un valor de 066 kg se muestra en la figura 26
Figura 26Fuerzas alternativas
La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten cinemaacutetica En la figura 27
se puede observar el movimiento al considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante el
proceso de expansioacuten De este resultado se obtiene la fuerza maacutexima para posteriormente
considerarla en el anaacutelisis estaacutetico de la simulacioacuten en el software de ANSYS Los resultados se
encuentran en el Anexo V y en la figura 27 se aprecia la representacioacuten graacutefica del anaacutelisis de la
biela Este anaacutelisis se hizo mediante el software de MATLAB
Fu
erza
s al
tern
ativ
as (
N)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
49
Figura 27 Fuerzas en la biela
II Diagrama par-motor
La fuerza resultante que actuacutea sobre el pistoacuten corresponde a la suma de las fuerzas alternativas
de inercia y de la correspondiente a la presioacuten del gas durante la explosioacuten Eacutesta equilibrada por la
fuerza de reaccioacuten en la biela y variacutea en cada posicioacuten del movimiento La figura 28 muestra el
diagrama par motor que se utiliza para este anaacutelisis La nomenclatura es la misma que se utilizoacute en
el anaacutelisis cinemaacutetico con la inclusioacuten de las fuerzas [73]
Figura 28Diagrama par-motor
Angulo de manivela en grados
Fu
erza
en
la
bie
la (
N)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
50
Figura 29Par-motor de explosioacuten
Nuevamente mediante el software MATLAB se realiza el anaacutelisis de movimiento durante el
proceso de expansioacuten de 360deg a 540deg debido a que se trata de un motor de 4 tiempos lo que implica
que el ciguumlentildeal gire dos vueltas correspondieacutendole a la primera vuelta la admisioacuten y compresioacuten
(Ver Anexo VI) lo cual se aprecia en la figura 29
El punto maacuteximo de esta graacutefica representa un par-motor de 311 N-m que se aproxima al par
motor que el fabricante ofrece para este motor seleccionado como muestra Es importante
considerar que a este punto le corresponde un aacutengulo de 388deg equivalente a 28deg a partir del punto
muerto superior y seraacute considerado para obtener la fuerza axial en la biela de su correspondiente
graacutefica
433 Anaacutelisis termodinaacutemico
I Eficiencia del ciclo Otto ideal
La figura 30 muestra el ciclo en un diagrama P-v La eficiencia o rendimiento del ciclo es la
relacioacuten entre el trabajo neto y la cantidad de calor que entra al sistema [75]
Par
-mo
tor
(N
m)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
51
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen
Es decir
119890119900119905119905119900 =119882119899119890119905119900
119902119890119899119905
Por primera ley de la termodinaacutemica
119882119899119890119905119900 = 119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
Considerando calores especiacuteficos constantes
119890119900119905119905119900 =119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119862119907(1198794 minus 1198791)
119862119907(1198793 minus 1198792)= 1 minus
(1198794 minus 1198791)
(1198793 minus 1198792)
Para el proceso 1-2 compresioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987511198811119896 = 11987521198812
119896 there41198752
1198751= (
1199071
1199072)
119896
= 119903119896
Doacutende r= la relacioacuten de compresioacuten definida como 119903 =1199071
1199072
Para el mismo proceso la ecuacioacuten de los gases ideales es
11987511199071
1198791=
11987521199072
1198792 there4
1198752
1198751=
1199072
1199071∙
1198792
1198791= 119903
1198792
1198791= 119903119896
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
52
Realizando la igualacioacuten se obtiene la temperatura para el estado dos del ciclo
1198792 = 1198791119903119896minus1
De manera similar para el proceso 3-4 de expansioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987531198813119896 = 11987541198814
119896 there41198753
1198754= (
1199074
1199073)
119896
= 119903119896
Y la ecuacioacuten correspondiente de los gases ideales es
11987531199073
1198793=
11987541199074
1198794there4
1198753
1198754=
1199074
1199073∙
1198793
1198794= 119903
1198793
1198794= 119903119896
Realizando la igualacioacuten correspondiente se obtiene la temperatura para el estado 3 del ciclo
1198793 = 1198794119903119896minus1
Con las relaciones de temperatura para los estados 2 y 3 se obtiene la eficiencia del ciclo Otto
en funcioacuten de la relacioacuten de compresioacuten
119890119900119905119905119900 = 1 minus1198794 minus 1198791
1198794119903119896minus1 minus 1198791119903119896minus1= 1 minus
1198794 minus 1198791
119903119896minus1(1198794 minus 1198791)
119890 = 1 minus1
119903119896minus1
Para el anaacutelisis de la muestra seleccionada le corresponde una relacioacuten de compresioacuten de r=95
obtenieacutendose una eficiencia teacutermica del 60
119890 = 1 minus1
9514minus1= 06
En la figura 31 se muestra un referente de la eficiencia teacutermica en funcioacuten de la relacioacuten de
compresioacuten para un motor Otto y Diesel [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
53
Figura 31 Eficiencia teacutermica
II Temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
Cuanto maacutes pequentildea es la perdida de calor tanto mayor resulta el aumento de la temperatura En
el caso liacutemite que no haya peacuterdida de calor hacia los alrededores (Q=0) la temperatura de los
productos alcanzaraacute un maacuteximo conocido como temperatura de flama adiabaacutetica o combustioacuten
adiabaacutetica
La temperatura de flama adiabaacutetica de un proceso de combustioacuten de flujo estacionario se
determina aplicando la primera ley de la termodinaacutemica considerando la caacutemara de combustioacuten
como un volumen de control totalmente aislado (adiabaacutetico) con la siguiente ecuacioacuten
119867119901119903119900119889 = 119867119903119890119886119888119905
sum 119873119901(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg) = sum 119873119903(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg)
Doacutende Np= nuacutemero de moles de los productos
Nr = nuacutemero de moles de los reactivos
ℎ119891= entalpiacutea de formacioacuten
ℎ minus ℎdeg= variacioacuten de entalpiacutea
Una vez que se especifican los reactivos y los estados resulta faacutecil determinar las entalpiacuteas de
los reactivos Sin embargo debido a que la temperatura de los productos no se conoce antes de los
caacutelculos el caacutelculo de la entalpia de los productos no es directa Por consiguiente la determinacioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
54
de la temperatura de flama adiabaacutetica requiere el uso de una teacutecnica iterativa a menos que se
disponga de ecuaciones para los cambios de entalpiacutea sensible de los productos de combustioacuten
La temperatura de flama adiabaacutetica se determina luego a partir de estos dos resultados mediante
interpolacioacuten Cuando el oxidante es aire los gases producto se componen principalmente de N2 y
una buena primera suposicioacuten para la temperatura de flama adiabaacutetica se obtiene tratando todos
los gases productos como N2 En las caacutemaras de combustioacuten la temperatura maacutexima a la que se
puede llegar esta limitada por condiciones metaluacutergicas [75] Se analizaron los tres tipos de mezcla
para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla teoacuterica o estequiomeacutetrica
mezcla pobre y mezcla rica
II1 Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El modelo utilizado para los tres tipos de mezcla es una caacutemara de combustioacuten en la cual se
simula la inyeccioacuten de combustible octano 119862811986718 con las cantidades de aire suministrado siendo la
composicioacuten quiacutemica del aire de 1198742 + 3761198732 lo que equivale a 79 de N2 y 21 de O2 Tanto el
combustible como el aire se consideran como los reactivos y los gases de escape como productos
tal como se aprecia en la figura 32
La ecuacioacuten teoacuterica para este caso es
119862811986718 + 119908(1198742 + 3761198732) rarr 1198831198621198742 + 1198841198672119874 + 1198851198732
Doacutende W X Y Z representan los coeficientes estequiomeacutetricos determinaacutendose por balanceo
de los elementos quiacutemicos de la ecuacioacuten
119862 8 = 119883
119867 18 = 2119884 there4 119884 = 9
119874 2119882 = 2119883 + 119884 there4 119882 = 125
119873 376(2)119882 = 2119885 there4 119885 = 47
Se obtiene asiacute la ecuacioacuten estequiomeacutetrica balanceada
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
55
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos y considerando un proceso
adiabaacutetico se obtiene la ecuacioacuten para los tres tipos de mezcla
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ)
Donde
ℎ119891298= Entalpiacutea de deformacioacuten durante la reaccioacuten
∆ℎ= Variacioacuten de la entalpiacutea con respecto al estado de referencia
Los valores de entalpiacuteas para esta reaccioacuten se obtienen de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y
A-26 [75] Para este caso resulta
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9324] + 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]
+47[0 + ℎ1198732minus 8669] = 1[minus249950 + 0] minus 125[0 + 0] minus 47[0 + 0]
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 47ℎ1198732
= 5646081
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realiza iterativamente proponiendo como inicio que toda la
energiacutea es absorbida por el N2 ya que es el elemento que posee el mayor nuacutemero de moles
64ℎ1198732= 5646081
ℎ1198732= 88220015
119896119869
119896119898119900119897
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de temperatura aproximado de
119879 = 2650deg119870
Y tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen los valores
que se muestran en la tabla 5
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
56
TABLA 5 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA
Temperatura T=2600degK T=2450degK T=2200degK
Sustancia h(kJkmol)
8CO2 1099592 1025752 903512
9H2O 1028457 955647 836460
47N2 4072550 3814003 3385880
6130599 5795402 5125852
Interpolando los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2450degK y 2200degK se
obtiene la temperatura 119879 = 239424deg119870
II2 Mezcla pobre (110 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Ecuacioacuten real (10 exceso de aire) es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 1251198742 + 5171198732
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
Sustituyendo los valores de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y A-26 [75] se obtiene
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364]
kJ
kmol1198621198742
+ 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]kJ
kmol1198671198742
+125[0 + ℎ1198732minus 8682]
kJ
kmol1198742
+ 517[0 + ℎ1198732minus 8669]
kJ
kmol1198732
= 1[minus249950 + 0]kJ
kmol119862811986718
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 125ℎ1198742
517ℎ1198732= 56976778119896119869119896119898119900119897
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno
6995ℎ1198732= 56976778
ℎ1198732= 8145357827
119870119869
119870119898119900119897
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
57
TABLA 6 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA POBRE
Temperatura T=2400degK T=2450degK T=2200degK T=2250degK
Sustancia h(kJkmol)
8 CO2 1001216 1025752 903512 927872
9 H2O 931572 955647 836460 860058
125 02 1039675 106390 94355 9674625
517 N2 4100844 41954033 3724468 38183552
61376055 62831923 5558795 570303145
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2500deg119870
Nuevamente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen
los valores que se muestran en la tabla 6
Realizando la interpolacioacuten de los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2200degK
y 2250degK se obtiene la temperatura 119879 = 2248144deg119870
II3 Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es la siguiente
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
La ecuacioacuten real (85 de aire) es
119862811986718 + 10625(1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 91198672119874 + 375119862119874 + 39951198732
Aplicando la primera ley de la termodinaacutemica para sistemas reactivos y adiabaacutetico se obtiene
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
TABLA 7 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA
Sustancia hf h 298 degk
KJKmol
C₈H₁₈ -249950 -----
O₂ 0 8682
N₂ 0 8669
H₂O -241820 9904
CO₂ -393520 9364
CO -110530 8669
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
58
Posteriormente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se
obtienen los valores que se muestran en la tabla 7
Y sustituyendo los valores en la foacutermula antes mencionada se obtienen los resultados siguientes
425 (minus393520 + ℎ119862119874₂ minus 9364) + 375 (minus110530 + ℎ119862119874 minus 8669) + (minus 241820
+ ℎ119867₂119874 minus 9904) + 3995 (0 + ℎ119873₂ minus 8669) ndash 1(minus 249950
+ 0) ndash 10625 (0 + 0) ndash 3995 (0 + 0) = 0
425 ℎ119862119874₂ + 375 ℎ119862119874 + 9 ℎ119867₂119874 + 3995 ℎ119873₂ = 45211458
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno 5695 ℎ119873₂ = 45211458
ℎ119873₂ = 7938798 = 79388 kJkmol
De la tabla A-18 [75] de propiedades del nitroacutegeno se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2400deg119870
Tabulando los valores correspondientes de la entalpiacutea a la temperatura indicada se muestran en
la tabla 8
Interpolando entre los valores de 2300degK y 2200degK se obtiene la temperatura para esta
mezcla 119879 = 2223305deg119870
TABLA 8 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA RICA
Temperatura T=2400 T=2300 T=2200
Sustancia h(KJKmol)
425 Co₂ 531896 50589875 47999075
375 Co₂ 30005625 28629375 272580
9 H₂O 931572 883791 836460
3995 N₂ 3168834 30232562 2877998
sum 493235825 46992397 446702875
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
59
434 Temperatura real de combustioacuten
Las temperaturas de combustioacuten adiabaacutetica obtenidas en el apartado que aborda el tema de la
temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para los tres tipos de mezclas reflejan un paraacutemetro
cuantitativo sin embargo no es posible que el motor alcance dichos valores Esto es debido a la
Segunda Ley de la Termodinaacutemica en su postulado de Kelvin Plank refirieacutendose precisamente al
rendimiento del motor que de acuerdo a la relacioacuten de compresioacuten establecida se determinoacute que
es de 60 Este valor equivale al maacuteximo rendimiento posible con el cual se determinaraacute la
temperatura real del motor para los tres tipos de mezclas Eacutesta temperatura seraacute considerada para
el anaacutelisis de transferencia de calor en la biela
I Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El poder caloriacutefico del combustible representa la cantidad de calor liberado cuando se quema por
completo en un proceso de flujo estacionario En este anaacutelisis se considera el poder caloriacutefico
inferior debido a que el agua en los productos se considera en fase de vapor correspondieacutendole un
valor de 44430 kJkmol [75]
Involucrando una eficiencia de 60 se determina la cantidad de calor real utilizado en los tres
diagramas y mediante el anaacutelisis de estequiometria se obtiene la temperatura real correspondiente
al maacuteximo valor del ciclo en el proceso de explosioacuten
El anaacutelisis parte de la ecuacioacuten teoacuterica (100 de aire) para los tres tipos de mezclas que se
analizan en este apartado
De acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica para esta reaccioacuten de combustioacuten la
ecuacioacuten de la cantidad de calor liberado es
minus 119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
El valor de 119876119903119890119886119897 se determina al involucrar el rendimiento de 60 del poder caloriacutefico del
combustible y a la vez multiplicaacutendolo por la masa molar del combustible de 114231 kgkmol
obteniendo un valor de 3045170119896119869
119896119898119900119897
Los valores de ℎ119891deg y ℎ de los componentes a 298degK son los que se muestran en la tabla 9 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
60
TABLA 9 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Sustancia 119945 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948
kjkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119925120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 47(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten en funcioacuten de las entalpiacuteas de los elementos de los
productos que se resuelve por el meacutetodo iterativo
8ℎ 1198621198742
+ 9 ℎ1198671198742+47ℎ1198732
=2600911 kJkmol
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero total
de moles lo que produce 2600911 119896119869
(8 + 9 + 47) 119896119898119900119897= 4063923
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido correspondieacutendole un valor de T=131374degK A partir de este valor
se proponen valores inferiores y posteriormente realizar una interpolacioacuten lineal como se muestra
en la tabla 10 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
61
TABLA 10 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Temperatura T=1180degK T=1200degK T=1220degK
Sustancia h(KJKmol)
120790 119914119926120784 421792 430784 439816
120791 119919120784119926 391581 399420 407304
120786120789 119925120784 1696888 1728519 1760244
Total 2510261 2558723 2607364
Interpolando entre las temperaturas de 1200degK y 1220degK se obtiene que la temperatura real de
combustioacuten es T = 1217347 degK
II Mezcla pobre (110 aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten con 10 de exceso de aire es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 1251198742 + 91198672119874 + 5171198732
La ecuacioacuten de combustioacuten de acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
Los valores de las entalpiacuteas ℎ119891deg + ℎ de las sustancias a T= 298degK son los que se muestran en la
tabla 11 [75]
Sustituyendo valores correspondientes en la ecuacioacuten se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 125(0 + ℎ1198742minus 8682)
kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 517(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
62
TABLA 11 ENTALPIA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA POBRE REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119926120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten
8ℎ1198621198742+125 ℎ1198742
+ 9 ℎ1198671198742+517ℎ1198732
=26525078 kJ
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de
moles lo que produce
26525078 119896119869
(8 + 125 + 9 + 517) 119896119898119900119897= 379200543
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido siendo T=1240degK Nuevamente se propondraacuten valores inferiores a
la temperatura obtenida para obtener la entalpiacutea correspondiente a cada sustancia por
interpolacioacuten lineal obtener el resultado correcto Se muestran los valores de la tabla 12 [75]
La interpolacioacuten entre las temperaturas de 1160degK y 1140degK da el resultado de la temperatura
real para esta mezcla 119879 = 11515385deg119870
TABLA 12 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA POBRE REAL
Temperatura T=1200degK T=1160degK T=1140degK T=1120degK
Sustancia h(kJkmol)
120790119914119926120784 430784 412816 403872 394952
120783 120784120787119926120784 4805875 4627875 453925 445075
120791119919120784119926 399420 383778 376020 327384
120787120783 120789119925120784 19013709 1831731 1797092 17625564
Total 277963365 267460375 26223765 25293999
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
63
III Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten incompleta genera la aparicioacuten de monoacutexido de carbono (CO)
en los productos
119862811986718 + 10625 (1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 375119862119900 + 91198672119874 + 39951198732
De la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg)
Los valores de ℎ119891deg + ℎ de los componentes a la temperatura de 298degK son los que se muestran
en la tabla 13 [75]
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 425(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 375(minus110530 + ℎ119862119900 minus 8669)kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 3995(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
425ℎ1198621198742+375 ℎ119862119900 + 9 ℎ1198671198742+3995ℎ1198732
=14759758 kJkmol
Eacutesta debe resolverse por iteraciones sucesivas Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el
lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de moles obtenieacutendose 14759758 kJ
(425 + 375 + 9 + 3995) 119896119898119900119897= 25917
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente a esta entalpia
la temperatura aproximada siendo T=870degK Realizando un procedimiento similar a las mezclas
anteriores se obtiene la tabla 14 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
64
TABLA 13 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 8682
119925120784 0 8669
119914119926120784 -393520 9364
Co -110530 8669
119919120784119926 -241820 9904
TABLA 14 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA RICA REAL
Temperatura T=860degK T=850degK T=840degK T=830degK T=820degK
Sustancia h(KJKmol)
120786 120784120787119914119926120784 150008 14778525 14556675 1433525 141151
120785 120789120787119914119926 96630 954225 94215 9301125 9181125
120791119919120784119926 272160 268614 265086 261558 258048
120785120791 120791120787119925120784 10231195 10104154 9977113 9850871 9724629
Total 15419175 152223715 150257905 148300885 146347315
Interpolando entre las temperaturas de 830degK y 820degK se obtiene una temperatura de
combustioacuten para esta mezcla de 119879 = 8264deg119870
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten
En el apartado 433 se determinoacute una cantidad de calor liberado por la reaccioacuten quiacutemica de
combustioacuten de Q = 3045170 kJkmol = 26658 kJkg Esta energiacutea en forma de calor se tomaraacute en
cuenta para calcular el coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
Para este anaacutelisis se considera un modo de transferencia de calor por conveccioacuten entre un soacutelido
y un gas adyacente Seguacuten Cengel entre maacutes raacutepido es el movimiento de un fluido mayor es la
transferencia de calor por conveccioacuten [76]
De acuerdo con la ley de Newton del enfriamiento esta forma de transferencia de calor se expresa
mediante la ecuacioacuten honoriacutefica de este autor
119888119900119899119907 = ℎ119860119904( 119879119904 minus 119879infin )
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
65
Doacutende
h = coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
As = aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la
transferencia de calor
Ts = temperatura de la superficie
Tinfin = temperatura de los gases de combustioacuten
Para determinar el aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la conveccioacuten se considera un
cilindro con las dimensiones de la muestra seleccionada con un tamantildeo de 81 mm de diaacutemetro por
864 mm de carrera entonces
As = πDL = π(81 cm)(864 cm) = 2198612cm2 = 2198612x10-4 m2
Es necesario determinar la rapidez o tasa de transferencia de calor para lo cual se determina la
relacioacuten aire combustible para una mezcla con 85 de aire
119903119886119888frasl =
119898119886
119898119888=
119873119886
119873119888
119872119886
119872119888=
(10625)(426)(2897)
114231= 115
119896119892119886119894119903119890
119896119892119888119900119898119887
Doacutende
Na Nc corresponden al nuacutemero de moles del aire y el combustible respectivamente
Ma Mc son la masa molar del aire y la mezcla respectivamente
Desplazamiento por cilindro = V1 ndash V2 = 1800 cm34 = 450 cm3
Relacioacuten de compresioacuten r = 95 =V1V2
Resolviendo se obtiene un volumen inicial V1 = 502941 cm3
Utilizando condiciones iniciales presioacuten de 100 kPa y temperatura de 298degK Mediante la
ecuacioacuten de estado se determina la masa de aire
ma = 11987511198811119872
1198771199061198791
= (100)(5029411990910minus4)(2897)
(8314)(298)= 0000588 k119892
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
66
Con la relacioacuten aire combustible se determina la masa del combustible
119898119888 = 119898119886
119903119886119888=
0000588
115= 000005113 k119892
El calor total liberado durante la combustioacuten es
119876 = 119902119898119888 = 26658119896119869
119896119892(000005113 119896119892) = 1363035 119896119869
El flujo de calor por cilindro para una velocidad del motor de 2700 rpm es
119876 = 1363035119870119869 (1
2119888119894119888119897119900119904
119903119890119907
) (2700119903119890119907
119898119894119899) (1
119898119894119899
60 119904 ) = 306682 119896119882
Esta es la cantidad de flujo de calor que se considera para determinar el coeficiente de
transferencia de calor por conveccioacuten de la siguiente forma
ℎ = 119888119900119899119907
119860119904 ( 119879119904minus119879infin )=
306682 119882
(219861211990910minus41198982)(25minus5533)deg119862= 26398355 119882
1198982deg119862frasl
44 Simulacioacuten
Durante el presente anaacutelisis la geometriacutea de la biela fue elaborada en Solid Works para
posteriormente importarla al software de ANSYS en la simulacioacuten correspondiente Se selecciona
un modelo de malla refinado tal como se muestra en la figura 33 para una solucioacuten precisa y con
resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico - transitorio y estructural
Figura 33Modelo de malla
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
67
Se inicia con un anaacutelisis teacutermico transitorio tomando en cuenta los datos de la muestra del motor
seleccionado asiacute como tambieacuten los resultados obtenidos en el anaacutelisis teacutermico de combustioacuten y por
transferencia de calor El tiempo transitorio se determina con la velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira 2 revoluciones por ciclo termodinaacutemico resultando ser de
004444 segundos El primer resultado muestra la distribucioacuten de temperatura mediante la
transferencia de calor por conveccioacuten tal como se visualiza en la figura 34
Figura 34Distribucioacuten de temperatura
El segundo anaacutelisis es una simulacioacuten estaacutetica estructural vinculada con el anaacutelisis teacutermico
transitorio como se aprecia en la figura 35
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
68
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural es necesario saber la fuerza axial que actuacutea sobre la biela para
lo cual durante el anaacutelisis cineacutetico realizado en el software de Matlab se obtuvieron resultados del
par-motor durante el movimiento de la biela del PMS al PMI El par maacuteximo o torque se obtiene a
los 28deg a parir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de 15380 N Es
importante mencionar que el fabricante estima un par maacuteximo de 300 Nm a 2700 rpm y el
software de Matlab arroja un resultado de 310 Nm La distribucioacuten de temperatura es importada
para el anaacutelisis teacutermico estructural tal como se aprecia en la figura 36
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela
Mediante simulacioacuten final del anaacutelisis de flujo teacutermico-transitorio y estaacutetico-estructural se
obtienen resultados de los esfuerzos principales de Von Mises tal como se visualiza en la figura
37
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
69
Un paraacutemetro comparativo es la resistencia a la cedencia del material recomendado para la
fabricacioacuten de la biela Se utilizoacute para este caso un acero 4140 con una resistencia de 470 MPa
(recosido) y de 862 MPa (normalizado) Durante este tiempo la biela resiste con toda seguridad
el impacto de carga y temperatura Sin embargo la realidad es que normalmente el motor se
mantiene acelerado por maacutes tiempo Por ejemplo considerando que el motor trabaje durante un
minuto a la velocidad de 2700 rpm la solucioacuten que se obtiene mediante ANSYS resulta muy
considerable ya que el sobrecalentamiento se genera por estas causas La solucioacuten obtenida se
muestra en la figura 38
Definitivamente el esfuerzo maacuteximo rebasa el liacutemite de cedencia del material esto implica que
en alguacuten momento la parte maacutes vulnerable de la biela estaraacute propensa a sufrir alguna fractura lo
que comuacutenmente se conoce como ldquodesbielarrdquo el motor Esto es lo que genera mantener un motor
revolucionado aunque tambieacuten existen otras causas que contribuyen al sobrecalentamiento como
un sistema deficiente de lubricacioacuten y enfriamiento que en otro caso pueden considerarse motivo
de una investigacioacuten especiacutefica
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
70
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN
51 Conclusiones relativas a los objetivos
Cumplimiento del Objetivo general ldquoAnalizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas
de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro y cuatro cilindros encendido por chispardquo
A partir de los nuevos conocimientos obtenidos en esta investigacioacuten se puede dar por cumplido
el objetivo general teniendo en cuenta los siguientes elementos
Se realizoacute el anaacutelisis de los elementos que ocasionan la falla en un motor de cuatro tiempos
esto mediante el anaacutelisis cinemaacutetico donde se consideroacute el desplazamiento conforme a la
geometriacutea del motor y la velocidad tomando en cuenta el desplazamiento De igual forma se
tomoacute en cuenta la aceleracioacuten y se realzoacute el anaacutelisis cineacutetico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoIdentificar el comportamiento termo estaacutetico de una
biela en un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por
chispardquo
A eacuteste respecto se identificoacute el comportamiento termo estaacutetico mediante las leyes de la
termodinaacutemica para la eficiencia de un motor Otto ideal asiacute como la comprensioacuten isentroacuteprica
la relacioacuten de comprensioacuten y gases obtenieacutendose la eficiencia teacutermica del ciclo Otto
correspondiente al 60
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoDeterminar la fuerza axial de una biela en un motor de
combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Mediante el anaacutelisis cineacutetico y de las fuerzas alternativas de inercia se da por cumplido el
objetivo especiacutefico La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten
cinemaacutetica Tambieacuten es necesario considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante
el proceso de expansioacuten pues de este resultado se obtiene la fuerza maacutexima que actuacutea sobre el
pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
71
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoObtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para
una reaccioacuten de combustioacuten estequiometricardquo
Mediante el anaacutelisis teacutermico y transferencia de calor se obtuvo la temperatura de flama
adiabaacutetica a partir de los resultados mediante interpolacioacuten Se analizaron los tres tipos de
mezcla para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla estequiomeacutetrica
una mezcla pobre y una mezcla rica En el caso de la mezcla al 100 de aire se obtuvo una
estequiomeacutetrica balanceada donde se hizo la tabulacioacuten de la entalpiacutea con su correspondiente
sustancia al igual que la mezcla pobre obtenieacutendose una temperatura de 119879 = 2248144deg119870
Referente a la mezcla rica se realizoacute la interpolacioacuten entre los valores de 2300degK y 2200degK
resultando una temperatura para esta mezcla de 119879 = 2223305deg119870 por lo que se da por
cumplido este objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoSimular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela
para identificar posibles deformacionesrdquo
Se realizoacute la simulacioacuten con un modelo de malla refinado en el Software de Aplicacioacuten Solid
Works donde posteriormente se importoacute al software ANSYS Se inicioacute con el anaacutelisis teacutermico
transitorio El tiempo transitorio se determina con una velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
Tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira dos revoluciones por ciclo termodinaacutemico este tiempo
resulta ser de 004444 segundos El primer resultado mostroacute la distribucioacuten de temperatura
mediante la transferencia de calor por conveccioacuten
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural se usoacute el software de MATLAB El par maacuteximo
corresponde a 28deg a partir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de
15380 N Es importante mencionar que el fabricante estimoacute un par maacuteximo de 300 Nm a 2700
rpm mientras que el software de MATLAB arrojoacute un resultado de 310 Nm Por lo que se da
por cumplido el objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoElaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de
un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
72
Respecto al anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico se encontroacute que para la fabricacioacuten de la biela es
recomendable la resistencia de la cedencia es decir un acero 4140 con una resistencia de 470
MPa (recosido) y de 862 MPa (normalizado) Con estos paraacutemetros la biela resistiraacute con toda
seguridad el impacto de carga y temperatura
52 Aportaciones originales
La presente investigacioacuten tiene cuatro aportaciones las cuales se describen a continuacioacuten
Un primer aporte de esta investigacioacuten consistioacute en haber realizado un anaacutelisis cinemaacutetico
considerando el desplazamiento la velocidad y aceleracioacuten lo cual fue el objeto de estudio
para producir cambios en la biela de un motor VW Golf MK4 GTI 18T Respecto a la revisioacuten
de las fuentes primarias se encontraron los fundamentos teoacutericos necesarios para la
elaboracioacuten de dicha investigacioacuten que al ser analizado y aplicado dio un diagnoacutestico de la
situacioacuten actual de las fallas de una biela
Una segunda aportacioacuten fue el haber realizado el anaacutelisis estaacutetico estructural para saber la
fuerza axial que actuacutea sobre la biela Para esto durante el anaacutelisis cineacutetico se utilizoacute el software
de MATLAB con el que se obtuvieron resultados del par-motor durante el movimiento de la
biela del PMS al PMI
La tercera aportacioacuten de esta investigacioacuten consistioacute en realizar un anaacutelisis teacutermico por
transferencia de calor para poder identificar la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
considerando tres tipos de mezcla que son 100 de aire mezcla pobre y mezcla rica Asiacute como
la determinacioacuten de la temperatura real de combustioacuten y sus mezclas correspondientes para
obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiometrica
La cuarta aportacioacuten de esta investigacioacuten fue la generacioacuten de la geometriacutea de la biela usando
el software en Solid Works posteriormente importada al software de ANSYS la obtencioacuten de
una solucioacuten precisa y con resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico transitorio y estructural
|
53 Recomendaciones para futuros estudios
Se recomienda para futuros estudios profundizar en la temaacutetica de mecaacutenica Los problemas que
deja abiertos esta investigacioacuten para futuros estudios son los siguientes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
73
Se evidencia la necesidad de que las empresas dedicadas a la fabricacioacuten de piezas mecaacutenicas
establezcan paraacutemetros y realicen simulaciones adecuadas de las piezas que conforman los
autos para que no tengan fallas en un futuro
Se recomienda realizar investigaciones en el aacuterea de mecaacutenica que deacute seguimiento a las liacuteneas
de investigacioacuten de termo fluidos y disentildeo implementando un laboratorio de pruebas de
motores de combustioacuten interna que aunado a la simulacioacuten los resultados seriacutean maacutes eficientes
Difusioacuten de los resultados de esta investigacioacuten con la presentacioacuten de los mismo en congresos
y revistas
Finalmente se recomienda realizar investigaciones correspondientes a las fallas mecaacutenicas
diferentes a las abordadas en este estudio en relacioacuten con los motores de combustioacuten interna y
los factores que inciden negativamente
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
74
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70 Hernaacutendez R Fernaacutendez C Baptista P (2012) ldquoMetodologiacutea de la investigacioacutenrdquo 5ta Edicioacuten
Editorial McGraw Hill Meacutexico
71 Hernaacutendez R Fernaacutendez C Baptista P (2010) ldquoMetodologiacutea de la investigacioacutenrdquo 5ta Edicioacuten
Editorial McGraw Hill Meacutexico
72 Herrera A Garciacutea M Quintana R amp Acevedo M (2001) ldquoRecuperacioacuten de aacuterboles
ciguumlentildeales de motores de combustioacuten internardquo Centro Azuacutecar 28(2) 27-32 Obtenido de
httpgogalegroupcompsidop=IFMEampu=puampid=GALE|A146742423ampv=21ampit=rampsid=sum
monampauthCount=1
73 Giacosa D (1989) ldquoMotores Endotermicosrdquo Meacutexico Meacutexico Omega
74 UltimateSPECS (2000) ldquoVolswagen Golf 4 GTI 18Trdquo Obtenido de
httpswwwultimatespecscomescar-specsVolkswagen3126Volkswagen-Golf-4-GTI-18T-
Edition-(210)html
75 Yunus A C (2015) ldquoTermodinaacutemica (Octava ed)rdquo (S S Virgilio Gonzaacutelez y Pozo Trad)
Meacutexico Mc Graw Hill
76 Cengel Y A (2016) ldquoTransferencia de Calor y Masardquo Meacutexico Mc Graw Hill
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
80
ANEXOS
ANEXO I
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y utilizando la nomenclatura de la figura 22 se determinaron el
desplazamiento velocidad y aceleracioacuten correspondientes por medio del software de MATLAB
El anaacutelisis completo corresponde al movimiento alternativo durante un ciclo termodinaacutemico
DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN
Programa para determinar el desplazamiento ldquoxrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de
360 grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
81
ANEXO II
VELOCIDAD DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la velocidad ldquovrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
82
ANEXO III
ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la aceleracioacuten ldquoardquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
83
ANEXO IV
FUERZAS ALTERNATIVAS
En el anaacutelisis cineacutetico las fuerzas alternativas representan parte de la carga que actuacutea en el
pistoacuten considerando la aceleracioacuten del mismo en la segunda ley de Newton Se utilizoacute el
software de MATLAB durante este anaacutelisis
Programa para determinar las fuerzas alternativas de primer orden y segundo orden durante un
movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
84
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL DESPLAZAMIENTO
LA VELOCIDAD LA ACELERACIOacuteN Y FUERZAS ALTERNATIVAS DE INERCIA ES
syms x
Longitud de la Biela
L=144
Radio De La Manivela
r=0432
Carrera Del Piston
C=2r
Angulo entre eje de la biela con Cilindro (beta)
b=0
lamda=rL
________DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Deslizamiento angular de la Manivela (alpha)
a = 0pi184pi
Desplazamineto del Piston
x=r(1-cos(a))+L((1-(lamda^2)(sin(a))^2))^12
x=r(1-cos(a))
y=010720
subplot(221)
plot(yx)
ylabel(Desplazamiento Del Piston (m))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________VELOCIDAD DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Velocidad del Piston
V=diff (x)
y=010710
subplot(222)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
85
plot(yV)
ylabel(Velocidad Del Piston (ms))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Aceleracioacuten del Piston
A=diff (V)
y=010700
subplot(223)
plot(yA)
ylabel(Aceleracioacuten Del Piston (ms^2))
xlabel(GRADOS)
grid on
Masa
m=660
Revoluciones Por Minuto
n=2700
Velocidad Angular
W=(2pin)60
lamda=rL
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE PRIMER ORDEN_________
F1=m(W^2)rcos(a)biela de longitud infinita
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE SEGUNDO ORDEN_________
F2=m(W^2)rlamdacos(2a)biela de longitud infinita
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
86
F2=m(W^2)r(cos(a)+lamdacos(2a))biela de longitud finita
y=010720
subplot(224)
plot(yF1r-yF2b-)
ylabel(Fuerzas Alternativos (N))
xlabel(GRADOS)
legend(Fza Inercia 1deg Orden Fza Inercia 2deg Orden)
grid on
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
87
ANEXO V
ANAacuteLISIS DE LA FUERZA EN LA BIELA
Programa para determinar la fuerza durante el movimiento alternativo del pistoacuten
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA LA FUERZA EN LA
BIELA ES
Diagrama Par-Motor
function[F]=Fbexplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00432
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
88
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Fb=F(1-(lambda^2)(sin(alphar))^2)^05
plot(alphaFb)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Fuerza en la Biela N))
title(Fb Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
89
ANEXO VI
DIAGRAMA PAR-MOTOR
Programa para determinar el par-motor durante el movimiento alternativo del pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
90
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL PAR-MOTOR ES
Diagrama Par-Motor
function[Mt1]=ParMotorExplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00437
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Mt1=Fr(sin(alphar))+(((lambdasin(alphar)))cos(alphar))(sqrt(1-
lambda^2((sin(alphar))^2)))
plot(alphaMt1)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Par Motor(Nm))
title(Par Motor Explosion)
end
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
91
PRODUCTOS ACADEacuteMICOS
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
92
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
1
INTRODUCCIOacuteN
Los motores de combustioacuten interna son los maacutes usados en los automoacuteviles los cuales en
ocasiones presentan fallas mecaacutenicas tan diversas como la cantidad de componentes del motor
Diferentes autores han determinado dentro de la diversidad de problemas relacionados con la biela
del motor los siguientes la fatiga el pasador que conecta a la biela del pistoacuten el cual recibe una
gran cantidad de desgaste el motor revolucionado el agua que ingresa al cilindro del motor en el
momento de la chispa la cual puede ocasionar que la biela se doble y deformaciones de la biela por
sobrecalentamiento por ello es importante que el sistema de lubricacioacuten se encuentre en buen
estado Asociado a esto es importante que se verifique el tratamiento teacutermico de los ciguumlentildeales de
tal forma que se tenga una resistencia adecuada Que en caso de presentarse alguno de estos
problemas la reparacioacuten del motor implica no solo la reposicioacuten de la biela sino de todas las piezas
afectas e incluso el cambio o restitucioacuten completa del motor
1 Planteamiento del problema
Preferentemente cuando se realiza la reparacioacuten de un motor de auto se debe comprobar el
estado de todas las piezas moacuteviles y fijas antes de la realizacioacuten de un trabajo de verificacioacuten pero
en la mayoriacutea de ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa revisioacuten de su estado
Una biela es un elemento fundamental en el funcionamiento de un motor ya que trasforma la
energiacutea quiacutemica generada por la combustioacuten en una energiacutea cineacutetica siendo el enlace entre la
absorcioacuten de la energiacutea mecaacutenica por lo que la biela es el elemento maacutes tensionado de un motor
y su correcto disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes Por lo anterior la biela es robusta en su
disentildeo pero a la vez debe ser lo maacutes ligera posible para reducir la inercia y soportar los esfuerzos
mecaacutenicos a los que se encuentra sometida [1]
La biela soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del
ciguumlentildeal hacia arriba un trabajo realmente duro el que realiza la biela Se construye de acero
forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al material aguantar ese inmenso
trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta conseguir la forma de la biela
[2]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
2
Asociado a esto al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentan desgastes excesivos y prematuros los cuales pueden ocasionar una falla es por esto
importante considerar un buen sistema de lubricacioacuten durante el funcionamiento del motor La
temperatura en la caacutemara de combustioacuten debe ser superior a los 2000 degK siendo eacutesta una
temperatura instantaacutenea pues disminuye durante el tiempo de expansioacuten y escape de gases Es por
lo tanto necesario disipar el calor producido en la explosioacuten y si el sistema no funciona
correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como consecuencia
deformaciones importantes por sobrecalentamiento [3]
Una biela arqueada o retorcida sobre su eje provoca un ruido en el motor y este arqueamiento es
ocasionado por un diaacutemetro excesivo en el pie o cabeza de la biela o por un peso inadecuado del
elemento [4] En la rectificacioacuten de un motor de combustioacuten interna se rectifican 21 brazos de biela
en un mes lo que significa que estos elementos no son cambiados ya que los brazos de biela estaacuten
disentildeados para tener una vida infinita y estaacute sometido a millones de repeticiones de ciclos de carga
[5]
Es pertinente mencionar que con relacioacuten a las fallas mecaacutenicas de los motores relacionadas a la
biela de un motor se han encontrado investigaciones realizadas en diversos paiacuteses como Ecuador
Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico las cuales se detallan en apartados posteriores Que
conjuntamente a la constante evolucioacuten tecnoloacutegica de la ingenieriacutea en general y el disentildeo
mecaacutenico en particular se decidioacute analizar cuaacuteles son los factores que influyen en el
comportamiento de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) Se
plantea entonces el siguiente problema de investigacioacuten
iquestCuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor de VW1 Golf MK4 Gti
18 T
1 Propoacutesito de la investigacioacuten
El propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar y analizar el comportamiento
termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna encendido por chispa (ECH) que
1 VW Agencia de Autos VolksWagen
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
3
es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico La finalidad es identificar las
fallas de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros
encendido por chispa accionado por gasolina que sirva de apoyo para el buen funcionamiento de
la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
2 Justificacioacuten de la investigacioacuten
Frecuentemente la reparacioacuten de un auto depende del cuidado y buen mantenimiento que se deacute
al vehiacuteculo caso contrario esto va influir en el desgaste anticipado de los elementos fijos y moacuteviles
de un motor Ademaacutes en muchas ocasiones los brazos de biela son reutilizados sin una previa
revisioacuten de su estado o de un anaacutelisis de sus propiedades mecaacutenicas Por tales razones la
justificacioacuten de la presente investigacioacuten estaacute basado en diferentes aspectos los cuales se describen
a continuacioacuten
Conveniencia Reparar el motor tiene varias fases y las fallas tienen diferentes consecuencias
por lo cual hay que hacer un buen diagnoacutestico en cada una de sus piezas principalmente en las
bielas sin embargo no se conoce especiacuteficamente cuales son los problemas que origina la
falla de esta pieza El resultado esperado para la presente investigacioacuten seraacute realizar un anaacutelisis
termo-estaacutetico que permitiraacute identificar los esfuerzos y deformaciones para tomar decisiones
acertadas y precauciones de riesgo que puede generar el sobrecalentamiento del motor
Implicacioacuten praacutectica El analizar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un
motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa
permitiraacute determinar la fuerza axial para posteriormente identificar la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica Con estos datos junto con la simulacioacuten de la geometriacutea estaacutetica y
estructural de la biela permitiraacuten identificar posibles deformaciones Los resultados podraacuten
confirmar su aplicabilidad ya que ayudaraacuten a tomar precauciones importantes para que el
motor tenga un excelente funcionamiento evitando riesgos fatales que pueden extenderse a la
destruccioacuten total del motor Se evidenciaraacute la necesidad de maacutes investigaciones destacaacutendose
los beneficios de la simulacioacuten poniendo en evidencia su relevancia social y su practicidad
Finalmente este estudio participa en el avance positivo en el campo de la ingenieriacutea mecaacutenica
Relevancia Social Al tener una posible solucioacuten aproximada mediante el anaacutelisis del
elemento finito el anaacutelisis estructural de la fuerza sobre la biela y la realizacioacuten de la
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
4
simulacioacuten para esfuerzos y deformaciones se podraacuten tener productos de calidad a menor
costo mejorar los procesos existentes y tambieacuten estudiar fallos de un componente estructural
o un equipo teniendo un impacto positivo debido a que permitiraacute que el motor de combustioacuten
interna tenga menos dantildeos
Valor Teoacuterico La elaboracioacuten del trabajo de investigacioacuten traeraacute como beneficio
herramientas metodoloacutegicas para estudios relacionados con las ciencias exactas
contribuyendo con aportes significativos a la aplicacioacuten de la teoriacutea de motores de combustioacuten
interna lo que permitiraacute el enriquecimiento de la ingenieriacutea mecaacutenica
3 Objetivos
31 Objetivo general
Analizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas de una biela de un motor VW Golf MK4
Gti 18T
32 Objetivos especiacuteficos
Identificar el comportamiento termo - estaacutetico de la biela en un motor de combustioacuten interna
de 4 tiempos y 4 cilindros encendido por chispa
Determinacioacuten de la fuerza axial que actuacutea en una biela en un motor VW Golf MK4 Gti 18T
Obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiomeacutetrica
Identificar posibles deformaciones de la biela con base en la simulacioacuten de su geometriacutea
estaacutetica y estructural
Elaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de un motor VW Golf MK4 Gti 18T
4 Alcances
La investigacioacuten se realizoacute en una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos
y cuatro cilindros encendido por chispa
Se trabajaron las etapas de anaacutelisis termo - estaacutetico y determinacioacuten de la temperatura de
combustioacuten adiabaacutetica dentro de la caacutemara del cilindro
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
5
Para la realizacioacuten de estas etapas se utilizoacute el software SolidWorks para generar la geometriacutea
real de la biela Se utilizoacute asiacute mismo ANSYS para la simulacioacuten estaacutetica estructural para
identificar esfuerzos y deformaciones de la biela
5 Organizacioacuten del estudio
El desarrollo de esta investigacioacuten comprende cinco capiacutetulos los cuales se describen a
continuacioacuten
Capiacutetulo 1 Estado del Arte la descripcioacuten de las investigaciones relacioacuten a las fallas
mecaacutenicas de los motores relacionadas a la biela de un motor relacionadas en diversos paiacuteses
como Ecuador Brasil Argentina Espantildea e incluso Meacutexico
Capiacutetulo 2 Marco Teoacuterico se desarrolla inicialmente el marco conceptual sobre las bielas los
componentes de las bielas anaacutelisis estaacutetico y teacutermico motor de combustioacuten haciendo eacutenfasis en
el disentildeo mecaacutenico de una biela
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea se abordan los aspectos metodoloacutegicos de la investigacioacuten como son
enfoque alcance formulacioacuten de hipoacutetesis disentildeo seleccioacuten de la muestra recoleccioacuten de datos
y el procesamiento y anaacutelisis de datos
Capiacutetulo 4 Anaacutelisis e interpretacioacuten de Resultados se analizan e interpretan los resultados
obtenidos en las pruebas de simulacioacuten
Capiacutetulo 5 Conclusiones y Recomendaciones se presentan las conclusiones
recomendaciones y aportaciones de la experiencia adquirida durante la investigacioacuten realizada
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
6
CAPIacuteTULO 1 ESTADO DEL ARTE
Como ya se mencionoacute anteriormente el propoacutesito de la presente investigacioacuten consiste en estudiar
y analizar el comportamiento termo-estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa (ECH) que es accionado con gasolina como combustible y 100 aire teoacuterico
Y con la finalidad de identificar las fallas de la biela y que estos resultados sirvan de apoyo para el
buen funcionamiento de la misma y que contribuya a incrementar su vida uacutetil
Resultado de la buacutesqueda sobre las investigaciones relacionadas con el propoacutesito de esta
investigacioacuten Se encontroacute que en Ecuador Reyes Cantildeizares y Villacres [6] realizaron un estudio
el cual consistioacute en analizar un brazo de biela de un motor que ha alcanzado el kilometraje
necesario para una reparacioacuten y no presenta ninguna falla en su estructura y comparar los
resultados con el brazo de una biela nueva Para desarrollar este anaacutelisis realizaron un ensayo de
traccioacuten bajo la norma ASTM con el fin de obtener los valores del liacutemite de fluencia y la resistencia
a la traccioacuten del material del que estaacute hecho el elemento A partir de los resultados obtenidos los
valores praacutecticos de las propiedades mecaacutenicas de los brazos de biela cumplen con los datos
teoacutericos del tipo de material del cual estaacuten fabricadas A su vez se demostroacute que el brazo de biela
de un vehiacuteculo con un recorrido de 1197599 km mejoroacute su estructura y sus propiedades
mecaacutenicas debido a la temperatura de los ciclos de trabajo del motor que van entre los 800 y 950
degC Los resultados mostraron que las propiedades mecaacutenicas del elemento mejoraron con el tiempo
y con la temperatura de funcionamiento del motor debido al tratamiento teacutermico de normalizacioacuten
A partir de los anaacutelisis realizados se determinoacute que el brazo de biela usado se encuentra en
condiciones oacuteptimas para ser utilizado en una reparacioacuten de motor asegurando asiacute el adecuado
funcionamiento y evitando el reemplazo del elemento lo que dio como resultado un ahorro
econoacutemico
Estudios elaborados en Brasil por Valdeacutez et al [7] indican que los motores de combustioacuten
interna son los maacutes usuales en los automoacuteviles y sirven para producir fuerza Entre los problemas
que se han encontrado son las fallas de las bielas relacionadas con otras fallas y especiacuteficamente
de los ciguumlentildeales los cuales fueron analizados dando un incorrecto rectificado de los muntildeones
produciendo alta generacioacuten de calor sobre las superficies en contacto originando pequentildeas fisuras
por fatiga teacutermica El valor de dureza promedio obtenido del nuacutecleo del ciguumlentildeal fue de 26 puntos
en la escala Rockwell C que equivale aproximadamente a 255 puntos en la escala Brinell y a una
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
7
resistencia de 85 kgmm2 Se concluye que el tratamiento teacutermico de bonificado realizado sobre el
ciguumlentildeal se desarrolloacute fuera de las normas obtenieacutendose una resistencia menor al liacutemite miacutenimo
recomendado De los resultados del anaacutelisis metalograacutefico se pudo identificar la presencia de
austenita retenida cuya proporcioacuten afecta inversamente la dureza y la resistencia final En los
resultados que se obtuvieron los autores mencionan que es necesario realizar un tratamiento
teacutermico de endurecimiento superficial como la nitruracioacuten Tambieacuten recomiendan estudiar la
bitaacutecora del tratamiento teacutermico utilizado en la produccioacuten del ciguumlentildeal con el fin de identificar
la etapa del tratamiento teacutermico que presenta el problema [8]
De igual forma indagaciones elaboradas en Argentina por Cravino et Al [9] mencionan que
existen diversos problemas cuando llegan a tener fallas las bielas de un motor por lo que los
autores mencionan que analizaron las dificultades desde el punto de vista dimensional metaluacutergico
y mecaacutenico a fin de determinar las causas probables de dichas fallas Seguacuten los resultados
obtenidos el material de la biela corresponde a un acero del tipo SAE 1141 que no concuerda con
el requerido por el fabricante No se encontraron defectos microestructurales o superficiales en el
material asociados con la falla La superficie de fractura presenta un comienzo deacutebil que finaliza
con las caracteriacutesticas fibrosas de un proceso duacutectil La causa probable de la falla del componente
se atribuye a una sobrecarga que produjo superacioacuten en el liacutemite elaacutestico del material y que
posteriormente dio lugar al pandeo plaacutestico del componente variando su geometriacutea y
fracturaacutendose totalmente Esta falla se debioacute a que el elemento estuvo sometido a un esfuerzo
mayor al que corresponderiacutea en condiciones normales de funcionamiento
Estudios realizados en Espantildea por Gonzaacutelez [10] mencionan que la naturaleza de las fuerzas que
afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de inercia En la
investigacioacuten sobre el disentildeo de una biela el autor utilizoacute el software de aplicacioacuten Working Model
que ayudoacute para el anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico mediante la simulacioacuten La finalidad fue calcular
las fuerzas aplicadas en la cabeza y el pie de la biela para posteriormente hacer un anaacutelisis de
elementos finitos que definieran los esfuerzos En los resultados obtenidos se logroacute disminuir la
longitud de la biela la cual permitioacute compactar maacutes el motor y reducir su peso De esta forma el
consumo y las emisiones del motor seraacuten menores que es uno de los grandes objetivos actualmente
de la industria automoviliacutestica Al realizar la simulacioacuten para el pandeo de la biela se aplicoacute un
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
8
valor de α2=2 obteniendo una carga criacutetica de pandeo de 3799522 N por lo que la carga para
evitar el fenoacutemeno de pandeo es σpandeo3 = 15663 MPa Con estos datos el autor afirma que la
biela no va a sufrir pandeo en ninguacuten caso considerando ademaacutes que el cuerpo estaacute
sobredimensionado
Aunado a lo anterior investigaciones realizadas en Meacutexico por Espinoza indican que las fallas
de los autos se deben al kilometraje recorrido de los cuales causan desgastes inevitables para el
motor provocando todo tipo de fallas incluyendo los de las bielas Los propietarios de los
vehiacuteculos necesitan por lo tanto recurrir a expertos que reparen los vehiacuteculos y garanticen su
funcionamiento [11] En el Estado de Meacutexico en especial en la zona de Texcoco se cuenta con
talleres que se encargan de la reparacioacuten de vehiacuteculos en general Eacutestos aun cuando ofrecen el
servicio de reparacioacuten de motores no trabajan directamente con este tipo de especiacutefico de
reparacioacuten sino que acuden a talleres especializados en rectificacioacuten para remediar los dantildeos
internos en los mismos Muchas veces no se dedican a la reparacioacuten de fallas de bielas debido a
que existen muchos factores que influyen en este tipo de descompostura En los motores la
principal fuente de energiacutea es la gasolina que es el combustible empleado con mayor frecuencia
por lo tanto es importante la calidad de ella para el oacuteptimo funcionamiento [12]
De igual forma Riesco et al [13] en estudios realizados en Hidalgo para comparar los modelos
de transferencia de calor y duracioacuten de la combustioacuten en el comportamiento de los ciclos
termodinaacutemicos de los motores de combustioacuten interna alternativos Dentro de los resultados
obtenidos los autores mencionan que los ciclos de aire estaacutendar con leyes de quemado permiten
tener resultados maacutes aproximados a los reales que los ciclos teoacutericos de aire estaacutendar Esto se debe
principalmente a que con los meacutetodos de simulacioacuten se toman en cuenta las peacuterdidas de energiacutea
por refrigeracioacuten y no se supone que la adicioacuten de calor se realice a presioacuten o volumen constante
sino que su velocidad se controla mediante expresiones empiacutericas Los resultados muestran que la
eleccioacuten tanto del modelo de transferencia de calor como el de la duracioacuten de la combustioacuten es
muy subjetiva y debido a que los sistemas de los motores se cambian contantemente se deberaacuten
ajustar las constantes que aparecen en dichos modelos para cada motor en particular
2 Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente a PMS 3 Inestabilidad elaacutestica que puede darse en elementos comprimidos esbeltos y que se manifiesta por la aparicioacuten de
desplazamientos importantes transversales a la direccioacuten principal e compresioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
9
Figura 1Estado del arte
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
10
CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO
Un auto estaacute compuesto por diferentes piezas entre las cuales se encuentran filtro de aire
carburador distribuidor bomba de gasolina bobina de encendido filtro de aceite bomba de aceite
caacuterter aceite lubricante toma de aceite cables de alta tensioacuten de bujiacuteas bujiacutea balanciacuten muelle de
vaacutelvula vaacutelvula de escape vaacutelvula de admisioacuten lumbrera de admisioacuten caacutemara de combustioacuten
varilla empujadora aacuterbol de levas aros de pistoacuten pistoacuten biela buloacuten ciguumlentildeal muacuteltiple de escape
refrigeracioacuten del motor varilla medidora de aceite volante y motor de arranque
21 Conceptualizacioacuten del motor
La palabra motor proviene del latiacuten motoris que significa mover y en lo que se refiere a
automoacuteviles estos se encuentran disentildeados por varios elementos entre los cuales se encuentran los
motores el cual da vida a un auto sin eacutel no hay movimiento Un automoacutevil utiliza una fuente de
energiacutea mecaacutenica para poder moverse la cual se obtiene mediante una transformacioacuten de otros tipos
de energiacutea dentro del motor como la eleacutectrica de combustioacuten o la combinacioacuten de ambas
Seguacuten Renzo [14] el motor de un auto es un motor de combustioacuten interna el cual obtiene energiacutea
mecaacutenica desde la energiacutea quiacutemica que se genera cuando explota el combustible en el interior El
motor estaacute formado por un conjunto de caacutemaras de combustioacuten llamadas cilindros dentro de las
cuales se producen sus cuatro tiempos de funcionamiento admisioacuten compresioacuten explosioacuten y
escape
Para Fersainz [15] un motor es una maacutequina que convierte el calor producido por la explosioacuten
(en el caso de los de gasolina) o la combustioacuten (en el caso de dieacutesel) del combustible en un
movimiento con suficiente fuerza para que las ruedas giren y el vehiacuteculo pueda desplazarse El
autor menciona que en los motores convencionales los autos se ponen en movimiento debido a
una chispa que se genera en la mezcla de vapor de combustible y aire comprimido dentro de un
cilindro sellado haciendo que la mezcla se queme raacutepidamente y proporciona energiacutea
Se puede concluir que un motor es una maacutequina compuesta por varios elementos el cual puede
proporcionar energiacutea utilizando alguacuten tipo de combustible para que tenga un funcionamiento
adecuado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
11
22 Clasificacioacuten de motores
Existen diferentes tipos de motores entre los cuales se encuentran los eleacutectricos los teacutermicos
eacutestos se subdividen en motores de combustioacuten externa e interna y los hiacutebridos Los cuales se
describen a continuacioacuten
221 Motores eleacutectricos
En este tipo de autos el combustible utilizado es la electricidad Eacutesta se convierte en energiacutea
mecaacutenica mediante una interaccioacuten entre campos magneacuteticos opuestos generados por imanes y un
conductor de electricidad Debido a una constante atraccioacuten y repulsioacuten magneacutetica entre ellos se
produce una rotacioacuten continua dentro del motor generando energiacutea necesaria para el movimiento
del vehiacuteculo [16] La figura 2 muestra un motor eleacutectrico
Para Enriquez [17] los motores eleacutectricos representan los caballos de batalla de la industria y
del movimiento en general Su uso se da ademaacutes en hospitales escuelas edificios de oficinas y
centros comerciales en donde se usan para aplicaciones en suministro de agua calefaccioacuten
enfriamiento y muchas otras rutinas de trabajo Estos motores son usados en los automoacuteviles
modernos aunque son maacutes complejos que el simple cableado eleacutectrico y se usan en casi todos los
aspectos operativos del automoacutevil [18]
Un motor eleacutectrico transforma la energiacutea eleacutectrica en energiacutea mecaacutenica para impulsar el
funcionamiento de una maacutequina [19]
Figura 2 Motor eleacutectrico
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
12
Se puede concluir que un motor eleacutectrico es una maacutequina que tiene la capacidad de transformar
energiacutea eleacutectrica en mecaacutenica de tal forma que permita el movimiento de un vehiacuteculo Su tamantildeo
y su volumen es reducido y su potencia puede ser alta
222 Motores teacutermicos
Los motores teacutermicos son maacutequinas que tienen por objeto transformar energiacutea caloriacutefica en
energiacutea mecaacutenica directamente utilizable [20] Eacutestos se clasifican en motores de combustioacuten
externa y motores de combustioacuten interna los cuales se describen en las secciones 224 y 23
respectivamente
223 Motores hiacutebridos
Un sistema hiacutebrido se basa en una fuente de combustioacuten interna de gasolina combinado con un
motor eleacutectrico para propulsar el vehiacuteculo tal como se visualiza en la figura 3
Este tipo de motor reduce las emisiones y aumenta la eficiencia de combustible Los vehiacuteculos
hiacutebridos utilizan la energiacutea mucho maacutes eficientemente que los sistemas de gasolina convencionales
[19] Se denomina motor hiacutebrido a un vehiacuteculo en el cual la energiacutea eleacutectrica que lo impulsa
proviene de bateriacuteas y de un motor de combustioacuten interna que mueve un generador Entre sus
ventajas se encuentran 1) su autonomiacutea ya que eacutesta depende del combustible almacenado en el
tanque 2) tiene un alto y uniforme rendimiento incluso a bajas temperaturas 3) el motor de
combustioacuten interna funciona bajo un estrecho margen de carga y velocidad lo que incrementa su
eficiencia [21]
Figura3 Motor hiacutebrido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
13
Para Chang [22] un motor hiacutebrido es aquel que combina un motor de combustioacuten interna y un
motor eleacutectrico los cuales tienen una mayor eficiencia energeacutetica y esto se debe a que este tipo de
motores son maacutes pequentildeos y por lo tanto consumen poca energiacutea
Por lo expuesto anteriormente se puede decir que un motor hiacutebrido es aquel que tiene una
combinacioacuten de un motor de combustioacuten interna y un motor eleacutectrico Esta combinacioacuten optimiza
su funcionamiento para un mejor rendimiento
224 Motores de combustioacuten externa
En la figura 4 se muestra un ejemplo de motor de combustioacuten externa Al igual que los motores
de combustioacuten interna son motores teacutermicos en los cuales el motor alcanza un estado teacutermico
mayor mediante la transmisioacuten de energiacutea teacutermica [23]
Su principal funcioacuten es hacer trabajo mecaacutenico a expensas de la expansioacuten y contraccioacuten de un
gas en un recinto cerrado El motor cuenta con un desplazador que hace que el gas pase de la zona
friacutea a la zona caliente y luego a la zona friacutea nuevamente producieacutendose consecuentemente su
tendencia a la expansioacuten y su posterior contraccioacuten [24]
Figura 4 Motor de combustioacuten externa (turbina de gas)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
14
Los motores de combustioacuten externa seguacuten Meza [24] son maacutequinas que realizan una conversioacuten
de energiacutea caloriacutefica en energiacutea mecaacutenica El rendimiento teacutermico de estos los motores se ve
limitado por varios factores principalmente por la peacuterdida de energiacutea por la friccioacuten y la
refrigeracioacuten
23 Motores de combustioacuten interna
Un motor de combustioacuten interna es un motor teacutermico en el cual se produce una combustioacuten del
fluido del motor transformando la energiacutea quiacutemica en teacutermica a partir de la cual se obtiene energiacutea
mecaacutenica Un ejemplo de este tipo de motor se aprecia en la figura 5
Estos motores tienen como principal fuente de energiacutea la gasolina Eacuteste es el combustible
empleado con mayor frecuencia por lo que es importante su calidad para un oacuteptimo
funcionamiento Un buen combustible debe tener un octanage aceptable ya que la gasolina debe
explotar dentro del cilindro para generar el movimiento del pistoacuten [26]
Este tipo de motores transforma el calor generado por el combustible ya sea dieacutesel o gasolina
en movimiento mecaacutenico del automoacutevil Durante este proceso el oxiacutegeno del aire se mezcla con el
combustible y hace que este uacuteltimo explote (en el caso de la gasolina) generando gases cuya fuerza
de expansioacuten teacutermica acciona sobre el pistoacuten que a su vez empuja el ciguumlentildeal y hace que eacuteste
ponga en movimiento las ruedas del automoacutevil [28]
Figura 5 Motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
15
Seguacuten Creus [29] un motor de combustioacuten interna utiliza la energiacutea interna del combustible para
que el motor realice un trabajo Dichos motores son ampliamente utilizados como fuentes de
alimentacioacuten en lugares de difiacutecil acceso Sin embargo los motores de combustioacuten interna de
dieacutesel tienen un rango de fallo por cada antildeo de explotacioacuten de entre 25 a 50
Se conoce como motores de combustioacuten interna (o endoteacutermicos) alternativos a cualquier tipo de
maacutequinas que a partir de energiacutea quiacutemica sean capaces de convertirla y obtener energiacutea mecaacutenica
para su uso El arranque de los motores se lleva a cabo en su caacutemara interna y sucede al momento
de ser encendido [20]
El motor de combustioacuten interna es la unidad energeacutetica y motriz de los medios de transporte
maacutequinas y equipos que se utilizan en actividades de diversas ramas de la economiacutea [30]
Se puede decir que un motor de combustioacuten interna es aquel que es capaz de convertir la energiacutea
quiacutemica en mecaacutenica para que se pueda utilizar de manera oacuteptima
231 Clasificacioacuten de los motores de combustioacuten interna
La clasificacioacuten de los motores puede ser extensa esto debido al disentildeo y mecanismos
mecaacutenicos A continuacioacuten se describen algunas clasificaciones
Respecto a la forma de los cilindros Su distribucioacuten puede ser en ldquoVrdquo o ldquoen liacuteneardquo esto
depende de la cantidad de cilindros existentes los cuales van en funcioacuten de la potencia del
motor Normalmente los motores de automoacuteviles son de 4 o 6 cilindros distribuidos en ldquoVrdquo
Referente a la forma de refrigeracioacuten Pueden ser refrigerados por liacutequido que normalmente
es agua donde el calor es evacuado al radiador del auto Tambieacuten pueden ser refrigerados por
aire donde se necesita de un ventilador que ayude a circular el aire alrededor del motor
Concerniente a las caras de los pistones Los motores convencionales utilizan una cara activa
de los pistones que se conocen como pistones de simple efecto Son aquellos que se
encuentran en contacto con el fluido activo y recibe el impacto de la energiacutea quiacutemica De igual
forma existen motores que utilizan los pistones de doble efecto los cuales funcionan en dos
direcciones y usan dos cilindros con dos pistones y dos bielas conectados a su respectivo
ciguumlentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
16
Respecto a la presioacuten del aire a la caacutemara de combustioacuten En las maacutequinas convencionales
el aire de la atmoacutesfera entra directamente a la caacutemara y la presioacuten es la atmosfeacuterica Dichos
motores usan un comprensor que se encargan de comprimir el fluido antes de conducirlo al
interior del motor
Referente a la introduccioacuten de combustible a la caacutemara interna Se clasifican en motores
de inyeccioacuten y carburacioacuten en estos uacuteltimos se mezclan los fluidos operantes para
posteriormente introducirlo a la caacutemara por medio de una vaacutelvula reguladora
Concerniente al ciclo operativo Se refiere a la cantidad de operaciones que el fluido activo
ejecuta en el cilindro La duracioacuten del ciclo la mide el pistoacuten
Respecto al tipo de encendido Esta clasificacioacuten radica en el modo de encendido con el ciclo
termodinaacutemico con el que opera la maacutequina [28]
232 Elementos de un motor de combustioacuten interna
Los elementos de un motor de combustioacuten interna son biela pistoacuten y ciguumlentildeal los cuales se
describen en los siguientes apartados
24 Conceptualizacioacuten de la biela
La biela es el elemento del motor encargado de transmitir al ciguumlentildeal la presioacuten de los gases que
actuacutea sobre el pistoacuten Es un elemento de difiacutecil lubricacioacuten y es una parte criacutetica del motor por lo
que su disentildeo y fabricacioacuten son muy importantes [31] Por lo general las bielas se fabrican de acero
templado aunque en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio
[32] tal como se muestra en la figura 6
Para Morillo Ibaquingo amp Benavides [33] una biela es un elemento mecaacutenico que conecta el
pistoacuten al ciguumlentildeal Sirve ademaacutes para transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
transformando esta fuerza de lineal a rotativa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
17
Figura 6Biela
Para Alzalluacute [34] por o tro lado la biela se encuentra intercalada entre el pistoacuten y el ciguumlentildeal
Soporta los continuos empujes del pistoacuten hacia abajo y los constantes esfuerzos del ciguumlentildeal hacia
arriba Se construyen de acero forjado con una teacutecnica denominada estampacioacuten que permite al
material aguantar ese inmenso trabajo y consiste en golpear un trozo de metal repetidas veces hasta
conseguir la forma de la biela Su cuerpo adopta una forma de ldquodoble Trdquo
Las bielas estaacuten sometidas en su trabajo a esfuerzos de compresioacuten traccioacuten y tambieacuten de flexioacuten
muy grandes y por ello se fabrican con materiales resistentes pero a la vez han de ser lo maacutes
ligeros posibles Generalmente estaacuten fabricadas de acero con silicio manganeso y cromo Son
perforadas es decir se les crea un conducto por donde circula el aceite bajo presioacuten desde la
cabeza hasta el pasador con el fin de lograr una buena lubricacioacuten [27]
241 Elementos de una biela
En la figura 7 como puede apreciarse estaacute conformada por el pie que es el extremo que va
unido al buloacuten que a su vez va enganchado en el ciguumlentildeal Este es el extremo maacutes pequentildeo de la
biela El Cuerpo es la zona central de la biela que debe soportar la mayor parte de los esfuerzos
pero al estar en continuo movimiento tambieacuten debe de ser ligero por ello se suele construir con
forma de doble T
La Cabeza igual que el Pie y Cuerpo es la parte que va unida al ciguumlentildeal A diferencia del pie la
cabeza va dividida en dos mitades una de ellas unida al cuerpo y la otra (sombrerete) separada de
eacuteste requirieacutendose dos tornillos para unirse a eacutel Estaacuten tambieacuten el casquillo o cojinete Tornillos
de dilatacioacuten y vaacutestago de biela Por lo general las bielas se fabrican de acero templado aunque
en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de aluminio o de titanio [35]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
18
Figura 7 Partes de la biela
La biela es la pieza que estaacute encargada de transmitir al ciguumlentildeal la fuerza recibida del pistoacuten
242 Caracteriacutesticas de los metales de una biela
Los metales de los que estaacuten hechas las bielas deben reunir diversas caracteriacutesticas las cuales se
describen a continuacioacuten
Resistencia a la fatiga La firmeza que recubre a la biela debe ser mayor que la presioacuten de la
carga dinaacutemica en la peliacutecula del aceite mayor de las cargas de explosiones en la caacutemara de
combustioacuten y mayor que las cargas por inercia de las masas rotantes
Conformidad El casquillo del metal de la biela debe tener la geometriacutea exacta para mantener
el aceite en un nivel consistente con la resistencia a la fatiga de la aleacioacuten
Compatibilidad Es la resistencia que tiene el material de las diferentes aacutereas de unioacuten
Resistencia a la corrosioacuten El lubricante debe tener un determinado grado de acidez que
corroeraacute la superficie del material por lo que el metal de la biela debe ser capaz de resistir lo
mejor posible este efecto
Incrustabilidad En el aceite de los motores se encuentran partiacuteculas de basura que la
superficie del metal de la biela debe ser capaz de aceptar con el menor dantildeo posible [36]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
19
243 Fallas en las bielas del motor
Existen diferentes circunstancias por las que puede fallar una biela en un motor entre las cuales se
encuentran
Fatiga Es una falla de las bielas rotas y aunque la estructura de las bielas de motor estaacute hecha
para resistir las altas fatigas producto de las altas revoluciones en el motor esto no duraraacute para
siempre
Pasador El pasador que conecta la biela al pistoacuten recibe una gran cantidad de desgaste Si
este pasador suelta la varilla de conexioacuten ya no estaraacute conectada al motor lo que resulta en un
problema para eacutel
Motor revolucionado Un motor revolucionado es la principal causa de falla de las varillas
de conexioacuten de los motores nuevos y de alto rendimiento
Agua en el motor Si entra mucha agua en el cilindro en el momento de la chispa la biela se
puede doblar o romper [37]
25 Conceptualizacioacuten del pistoacuten
El pistoacuten es el encargado de darle la fuerza generada por la explosioacuten a la biela para que ella
haga el resto y debido a los esfuerzos tanto de friccioacuten como de calor a los que estaacute sometido el
pistoacuten se fabrica con materiales muy resistentes al calor y al esfuerzo fiacutesico pero siempre
empleando materiales ligeros para aumentar su velocidad faacutecilmente y poder alcanzar regiacutemenes
de rotacioacuten elevados [38] Los pistones se fabrican de aluminio silicio niacutequel y magnesio [39] un
ejemplo de pistoacuten se muestra en la figura 8
Figura8 Pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
20
Seguacuten Gontildei amp Rojas [40] se denomina pistoacuten a uno de los elementos baacutesicos del motor de
combustioacuten interna Se trata de una pieza que se ajusta al interior de las paredes del cilindro
mediante aros flexibles llamados anillos Efectuacutea movimientos obligando al fluido que ocupa el
cilindro a modificar su presioacuten y volumen
Un pistoacuten estaacute constituido por partes cabeza arcos y cubos del perno La funcioacuten del pistoacuten es
cerrar y obturar la caacutemara de combustioacuten interna asiacute como recibir la fuerza causa en la combustioacuten
a traveacutes de la biela y transmitirla al ciguumlentildeal como fuerza de torsioacuten tambieacuten transmite el calor
producido por los gases de combustioacuten hacia las paredes del cilindro para que sean refrigeradas por
el lubricante El pistoacuten se desplaza raacutepidamente por el interior de los cilindros el cual tiene
segmentos los cuales consiguen la estanquidad necesaria entre el pistoacuten y las paredes del cilindro
De este modo se evita que parte del gas comprimido se escape hacia la parte inferior del motor Por
ese motivo el pistoacuten debe estar fabricado de un material ligero y resistente a la vez Atravesando el
pistoacuten se observa un orificio pasante A traveacutes de este orificio el pistoacuten se une a la biela por
mediacioacuten de un buloacuten de acero [41]
El pie de la biela es el que la une al pistoacuten por medio del buloacuten el cuerpo por su parte asegura la
rigidez de la pieza y la cabeza gira sobre el codo del ciguumlentildeal como puede apreciarse en la figura
9
Los pistones del motor mantienen un movimiento constante hacia arriba y hacia abajo mientras
que el ciguumlentildeal genera un movimiento circular de modo que el auto puede avanzar Los pistones
de un motor se mueven arriba y abajo por el ciguumlentildeal dentro de los cilindros en el motor Las
explosiones que ocurren en estos cilindros de empuje contra los pistones permiten llevarlos de
vuelta y comenzar el ciclo otra vez Los pistones estaacuten conectados al ciguumlentildeal para asegurar que se
mueva con ellos y mantener sus movimientos regulados [42]
Figura9Unioacuten pistoacuten y biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
21
26 Conceptualizacioacuten del ciguumlentildeal
En la figura 10 se aprecia el ciguumlentildeal encargado de transformar el movimiento de la biela en
movimiento rotatorio o circular Junto con el pistoacuten y la biela se considera la pieza maacutes importante
del motor Es una pieza que ha de soportar grandes esfuerzos por eso se construye de materiales
muy resistentes para que puedan aguantar cualquier movimiento sin romperse
El ciguumlentildeal es un aacuterbol de transmisioacuten que junto con las bielas transforma el movimiento
alternativo en circular o viceversa Consiste en un conjunto de manivelas una de ellas llamada
muntildeequilla y dos brazos que acaban en el eje giratorio del ciguumlentildeal Los ciguumlentildeales se utilizan en
los motores de combustioacuten de los automoacuteviles donde el movimiento lineal de los pistones dentro
de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del ciguumlentildeal
que a su vez se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia El ciguumlentildeal
es un elemento estructural del motor [43]
Para Aacutelvarez [42] el ciguumlentildeal estaacute situado en el motor de un vehiacuteculo y convierte la fuerza creada
por los pistones del motor El ciguumlentildeal estaacute conectado a todos los pistones en el motor y el volante
En la figura 11 se puede observar la articulacioacuten de la biela el pistoacuten y el ciguumlentildeal donde el
movimiento es rotativo para su adecuado funcionamiento Estos tres elementos no pueden
funcionar en forma separada
Figura 10Ciguentildeal
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
22
Figura 11Unioacuten de biela pistoacuten y ciguumlentildeal
Debido a los impulsos provocados por los pistones se presentan diferentes vibraciones
determinadas por el nuacutemero de revoluciones las cuales pueden provocar la rotura del ciguumlentildeal y
ruido excesivo en el motor Su funcioacuten es impulsar la fuerza de cada uno de los cilindros a traveacutes
del mecanismo de las bielas Estaacuten fabricados con materiales de acero cementado templado y con
aleaciones de niacutequel y cromo Estos materiales permiten tener un tratamiento teacutermico
27 Conceptualizacioacuten de Cojinetes
Desde hace tiempo la ingenieriacutea automotriz se ha enfocado en el disentildeo y la fabricacioacuten de
superficies que permitan reducir la friccioacuten principalmente en los cojinetes [364546]
Los cojinetes son los encargados de unir la biela con el ciguumlentildeal para evitar que haya rozamiento
entre ellos y evitar peacuterdidas de potencia y averiacuteos Tienen forma de media luna tal como se aprecia
en la figura 12 y se colocan entre el ciguumlentildeal y la cabeza de las bielas Estos deben ser construidos
con gran precisioacuten pues cualquier mala elaboracioacuten puede impactar en el funcionamiento del
motor
Figura 12Cojinetes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
23
Seguacuten Suaacuterez [47] los cojinetes son punto de apoyo de ejes para sostener su peso guiarlos en su
rotacioacuten y evitar deslizamientos Van colocados directamente en el bastidor de la pieza y los
cojinetes trabajan en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal
De acuerdo con Suaacuterez Toro amp Veacutelez [48] los cojinetes son que piezas de metal que descansan
y giran en cualquier eje de un motor Son dispositivos que se colocan entre la porcioacuten fija y la
porcioacuten giratoria de un motor y sirven para reducir al miacutenimo la friccioacuten entre ambas Los cojinetes
se fabrican con pequentildeas esferas metaacutelicas sin embargo no garantizan una vida uacutetil extensa El
rendimiento de los cojinetes es afectado por las condiciones de velocidad materiales en contacto
temperatura lubricacioacuten tipo de carga entre otros
271 Clasificacioacuten de los cojinetes
Los cojinetes se clasifican por friccioacuten o deslizamiento y de rodamiento Eacutestos se explican a
continuacioacuten
Cojinetes de friccioacuten o deslizamiento El cojinete de friccioacuten estaacute compuesto por dos pistas
una interior y otra exterior Eacutestas tienen contacto directo por medio de deslizamiento o friccioacuten
La reduccioacuten del rozamiento se realiza seguacuten la seleccioacuten de materiales y lubricantes Los
lubricantes tienen la funcioacuten de crear una peliacutecula deslizante que separe los dos materiales o
evite el contacto directo Para Veacutelez [49] los cojinetes de friccioacuten son aquellas piezas que
entre mayor es la friccioacuten es maacutes difiacutecil el movimiento entre los dos objetos En el caso de
maacutequinas la friccioacuten ocasiona el desgaste de las piezas
Seguacuten Arias [50] los cojinetes de friccioacuten son puntos de apoyo de ejes y aacuterboles para sostener
su peso guiarlos en su rotacioacuten y evitar deslizamientos Van montados en soportes para
facilitar su montaje tal como se aprecia en la figura13 Mientras que para Espitia [51] es el
elemento mecaacutenico capaz de soportar los gorrones de los ejes giratorios que se caracteriza por
un reducido coeficiente de rozamiento asiacute como por la posibilidad de ser lubricado
constantemente Otra caracteriacutestica importante reside en el hecho de que el material del
cojinete debe ser maacutes blando que el eje para evitar el deterioro de eacuteste en el caso de una
lubricacioacuten defectuosa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
24
Figura 13Cojinetes de friccioacuten
Cojinetes de rodamiento Es un elemento mecaacutenico que reduce la friccioacuten entre un eje y las
piezas conectadas a eacuteste por medio de rodadura el cual sirve de apoyo y facilita su
desplazamiento Los elementos de rodadura pueden ser bolas o rodillos son piezas que
requieren facilitar la ejecucioacuten de rigurosos tratamientos teacutermicos para obtener piezas de gran
resistencia al desgaste y a la fatiga Se caracterizan por ser de escaso rozamiento sobre todo
en el arranque por tener mayor velocidad admisible y un menor consumo de lubricante Para
Meacuterida [52] los cojinetes de rodamiento son elementos mecaacutenicos que aseguran un enlace
moacutevil entre dos elementos de un mecanismo uno de los cuales se encuentra en rotacioacuten con
respecto al otro Su funcioacuten principal es la rotacioacuten relativa de dichos elementos bajo carga
con precisioacuten y con un rozamiento miacutenimo
Seguacuten Galicia [53] estos tipos de cojinetes estaacuten constituidos por dos anillos rodantes
separados entre siacute por unos cuerpos tambieacuten rodantes interpuestos entre eacutestos cuya forma
variacutea seguacuten su uso pudiendo ser de diferentes formas bolas rodillos ciliacutendricos agujas etc
En ellos el gorroacuten del aacuterbol y la superficie de rodadura del soporte estaacuten separados por
elementos rodantes de forma que con el giro del gorroacuten o del cojinete se genera un
movimiento de rodadura y no de deslizamiento tal como se muestra en la figura 14
Figura 14Cojinetes de rodamiento
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
25
Seguacuten Jaramillo [54] cerca de 40 de la energiacutea total transformada por un motor de combustioacuten
interna de un automoacutevil se disipa como trabajo de las fuerzas de friccioacuten La disminucioacuten de las
peacuterdidas por friccioacuten es un factor clave para lograr un mejor uso de los combustibles y la proteccioacuten
del medio ambiente El sistema anillo-pistoacuten-camisa responde por peacuterdidas equivalentes a 50 o
60 del total de las peacuterdidas por friccioacuten en un motor de estos
28 Motor encendido por chispa de cuatro tiempos
En la figura 15 se puede observar la estructura baacutesica de un motor de cuatro tiempos el cuaacutel es
conocido por motor OTTO [55] Se usa como maacutequina motriz en automoacuteviles comerciales consta
de un ciclo de cuatro procesos los cuales se describen a continuacioacuten
281 Ciclo Otto de cuatro tiempos
Como se mencionoacute anteriormente el ciclo consta de cuatro tiempos El primer tiempo
corresponde al de admisioacuten que es el momento que el pistoacuten estaacute en el punto maacutes alto conocido
como Punto Muerto Superior (PMS) Posteriormente la vaacutelvula de admisioacuten se abre y el propio
pistoacuten por el vaciacuteo que se crea dentro del cilindro aspira la mezcla (aire y combustible) hasta llegar
al punto maacutes bajo del cilindro del Punto Muerto Inferior (PMI)
El segundo tiempo se refiere a la compresioacuten donde el pistoacuten se encuentra en el punto maacutes bajo
(PMI) En este momento la vaacutelvula de admisioacuten se cierra y el pistoacuten empieza a ascender
comprimiendo la mezcla hasta llegar al punto maacutes alto del cilindro (PMS)
Figura 15Motor de cuatro tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
26
Respecto al tercer tiempo que concierne a la expansioacuten una vez que se ha comprimido la mezcla
la bujiacutea hace saltar una chispa y enciende la mezcla aumentando la presioacuten en el cilindro y
haciendo descender el pistoacuten hacia el punto maacutes bajo (PMI)
En el cuarto tiempo que corresponde al escape de gases es cuando el pistoacuten llega al punto maacutes
bajo (PMI) se abre la vaacutelvula de escape y el pistoacuten empieza a ascender empujando los gases
quemados hacia el exterior En el momento que llega al punto maacutes alto (PMS) la vaacutelvula de escape
se cierra En la figura 16 se muestra el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna
encendido por chispa basado en el ciclo Otto de cuatro tiempos o fases importantes admisioacuten
compresioacuten explosioacuten y escape [56]
Otto propuso cuatro principios del motor de cuatro tiempos que son maacuteximo volumen del
cilindro con miacutenima superficie de paredes maacutexima velocidad de trabajo posible maacutexima relacioacuten
de expansioacuten posible y maacutexima presioacuten posible al comienzo de la expansioacuten
En los motores de cuatro tiempos el pistoacuten sube y baja cuatro veces en el interior del cilindro
para realizar el ciclo completo La distribucioacuten se compone de vaacutelvulas que se abren y cierran
totalmente sincronizadas con el movimiento del pistoacuten Cuando el pistoacuten desciende el cilindro se
llena de aire y gasolina para lo cual la vaacutelvula de admisioacuten permanece abierta Posteriormente
despueacutes de producirse la explosioacuten en el interior del cilindro la vaacutelvula de escape se abre para que
los humos procedentes de la explosioacuten puedan salir hacia el tubo de escape del automoacutevil En este
tipo de motores se requiere de dos vaacutelvulas por cada cilindro
Figura 16 Funcionamiento de un motor de 4 tiempos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
27
29 Sistema de encendido
El sistema de encendido es el encargado de encender la mezcla de aire y de combustible en el
momento que se requiera Para esta investigacioacuten el sistema de encendido es por inyeccioacuten directa
de gasolina o por chispa que son aquellos que inyectan la gasolina directamente dentro del cilindro
Este sistema permite un mayor control de la mezcla y por tanto del comportamiento del motor En
los motores de gasolina la mezcla se enciende gracias a la bujiacutea que proporciona una chispa lo
suficientemente potente como para comenzar la reaccioacuten El propio sistema de encendido tiene que
controlar el momento en el que la chispa ha de saltar para que se encienda la mezcla y sea lo maacutes
eficaz y factible posible La combustioacuten se realiza en el momento en que el pistoacuten estaacute en el punto
maacutes alto (PMS) de esta manera la mezcla se empieza a encender
291 Funcionamiento de la inyeccioacuten directa
La caracteriacutestica principal de la inyeccioacuten directa de gasolina es que la mezcla se produce dentro
de la caacutemara de combustioacuten Durante la admisioacuten soacutelo entra aire por la (s) vaacutelvula (s) de admisioacuten
la gasolina es inyectada directamente en la caacutemara de combustioacuten por inyectores de alta presioacuten
[57] tal como se aprecia en la figura 17
Figura 17Componentes de un sistema de inyeccioacuten directa
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
28
292 Ventajas de la inyeccioacuten directa
Existen ventajas cuando se usa el encendido por chispa las cuales se describen a continuacioacuten
La gasolina se evapora directamente dentro del cilindro absorbiendo el calor del aire contenido
en eacuteste reduciendo la temperatura de la mezcla en la caacutemara de combustioacuten lo que disminuye
el riesgo de autoencendido e incrementa el rendimiento y la potencia
Ayuda a aumentar el rendimiento inyectando la gasolina directamente en el cilindro
Con respecto a la prevencioacuten del autoencendido la mayor contribucioacuten de la inyeccioacuten directa
de gasolina es cuando el motor trabaja en carga estratificada y por tanto no inflamable lo que
evita el autoencendido
Eficiencia en el periodo de admisioacuten debido a que soacutelo entra aire al cilindro inyectando la
gasolina despueacutes
Disminucioacuten del consumo de gasolina si se tiene poca gasolina el motor puede llegar a
funcionar esto permite que el motor aporte la energiacutea requerida con un aporte de gasolina
sustancialmente menor Esta disminucioacuten del consumo de gasolina disminuye tambieacuten de
emisiones de 1198621198742 Este contaminante es un producto del proceso de combustioacuten que soacutelo puede
reducirse disminuyendo el consumo de gasolina
Mejor rendimiento del motor debido a que la mezcla que se encuentra cerca de las paredes es
escasa y la temperatura de los gases de combustioacuten es mucho menor por lo que las peacuterdidas
por calor cedido a las paredes del cilindro tambieacuten se ven reducidas [58]
293 Desventajas de la inyeccioacuten directa
Estos motores de encendido por chispa o inyeccioacuten directa tienen tambieacuten algunas desventajas
las cuales son
Se requiere de una bomba de alta presioacuten para proveer la gasolina a los inyectores con la
presioacuten requerida Eacutesta bomba toma la gasolina del depoacutesito y la alimenta regulando su presioacuten
de salida
Los inyectores deben ser aptos para resistir las altas presiones para inyectar gasolina
directamente en el cilindro y tambieacuten deben soportar las condiciones de la caacutemara de
combustioacuten tanto las altas temperaturas como las altas presiones derivadas de la combustioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
29
El sistema de encendido debe ser capaz de suministrar maacutes energiacutea debido a que el chorro de
gasolina puede impactar directamente con la bujiacutea mojaacutendola o la chispa apagarse debido a las
fuertes corrientes de aire y necesitar una segunda chispa
Se requiere de una sonda lambda de banda ancha que permita medir las variaciones en la carga
estratificada
Se necesita que la Unidad de Control de Motor (ECU) tenga mayor potencia de caacutelculo para
administrar las sentildeales que recibe y las salidas de control pues el motor tiene distintos modos
de operacioacuten y la ECU debe ser capaz de administrar las sentildeales que recibe para cada uno de
ellos y procesar las oacuterdenes en consecuencia
La cabeza del pistoacuten tiene que ser redisentildeada para que cuando el motor trabaja con carga
estratificada dirija la nube de mezcla rica en gasolina correctamente hacia la bujiacutea [59]
294 Descripcioacuten del proceso de encendido
Para encender el motor de gasolina se necesita una chispa entre los dos electrodos de la bujiacutea
para producir la temperatura necesaria para que la mezcla encienda para lo cual se requieren
tensiones muy altas En la figura 18 se aprecia que en el momento en que se pone en contacto la
llave de arranque se cierra el circuito y la bateriacutea comienza a entregar voltaje el cual es muy bajo
ya que corresponde a 12 voltios Para incrementarlo entre los electrodos de las bujiacuteas la bobina
con ayuda del ruptor consigue cambiar a 30000 voltios Esta tensioacuten es enviada al delco donde
se encuentra el distribuidor giratorio que reparte la tensioacuten a la bujiacutea correspondiente [60]
Figura18 Sistema de encendido
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
30
495 Componentes del sistema de encendido
El sistema de encendido en motores de gasolina tiene los elementos que se describen a
continuacioacuten
Alternador es un dispositivo que se acciona directamente por el motor que se encarga de
generar corriente para cargar bateriacutea Al estar directamente accionado por el motor si se suben
las revoluciones del motor tambieacuten aumenta la corriente generada
Bateriacutea Es la encargada de suministrar la energiacutea eleacutectrica para que circule hacia la bujiacutea
Dicha energiacutea viene dada por la reaccioacuten quiacutemica del plomo y aacutecido sulfuacuterico
Bobina Se encarga de transformar la baja tensioacuten que proviene de la bateriacutea en una tensioacuten
alta para hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea la cual consta de dos filamentos
enrollados Cuando el primero recibe la corriente de la bateriacutea el ruptor interrumpe la corriente
que pasa por eacuteste entonces al filamento secundario se le induce una corriente maacutes alta capaz
de hacer saltar la chispa entre los electrodos de la bujiacutea y encender la mezcla
Ruptor Se encuentra situado dentro del distribuidor y se encarga de interrumpir
perioacutedicamente la corriente en el filamento primario de la bobina para que la corriente sea
inducida en el secundario Esta interrupcioacuten es en base a la apertura de dos contactos los cuales
son comandados por una leva accionado por y a la misma velocidad que el aacuterbol de levas
Distribuidor Es el encargado de repartir la alta tensioacuten a la bujiacutea en cada momento Va
centrado en el delco donde tambieacuten se situacutea el ruptor y los reguladores de encendido
Bujiacutea Es el elemento que se encarga de hacer saltar la chispa para que encienda la mezcla de
aire y gasolina Estaacute recubierta de un aislante para disipar el calor generado en la caacutemara de
combustioacuten ya que estaacute lsquoen contacto directo con las explosiones
210 Sobrecalentamiento
El sobrecalentamiento del motor es la condicioacuten en la cual la temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y si se mantiene mucho tiempo llega a producir dantildeos graves en el
motor como torceduras y roturas de vaacutelvulas brazos de biela soplado de empaques torceduras de
culatas roturas de pistones etc
El tiempo de calentamiento de los motores modernos es prolongado sobre todo cuando las
condiciones ambientales son desfavorables y cuando la calefaccioacuten del motor se enciende Durante
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
31
el calentamiento del motor la vaporizacioacuten del combustible se dificulta y el catalizador no funciona
a plenitud por esto la reduccioacuten del tiempo de calentamiento del motor es esencial Para lo cual es
necesario reducir el volumen de refrigerante la masa del motor mejorar el aislamiento del motor
emplear sistemas calentadores adicionales emplear una unidad electroacutenica de control para
manipular la termodinaacutemica del motor y de esta misma manera controlar el desempentildeo teacutermico
todas estas medidas serviraacuten para reducir el tiempo del calentamiento y ayudaraacuten a un mejor
funcionamiento del motor [61]
El sobrecalentamiento del motor puede ser causado por cualquier cosa que disminuya la
capacidad del sistema de refrigeracioacuten para absorber transportar y disipar el calor Por lo tanto
los motores pueden sobrecalentarse por una variedad de razones Algunas se deben a que el
termostato se encuentre en mal estado debido a que es una vaacutelvula que abre y cierra conforme se
encuentre la temperatura del motor Es decir el refrigerante del motor caliente pasa a traveacutes del
radiador cuando el termostato estaacute en posicioacuten abierta Cuando se encuentra en posicioacuten cerrada el
refrigerante se queda en el motor y raacutepidamente se calienta ocasionando un sobrecalentamiento
del motor
De igual forma el tener un radiador con fugas u obstrucciones conduce a elevadas temperaturas
del motor y sobrecalentamiento del mismo Asiacute como el tener mangueras con agujeros hace que se
produzcan fugas o se interrumpa el flujo del refrigerante Tambieacuten un ventilador con oscilacioacuten
libre y teniendo un aspa rota no puede mantener una velocidad adecuada lo que origina
sobrecalentamiento del motor
En los motores de combustioacuten interna modernos soacutelo una tercera aparte de la energiacutea interna se
convierte en trabajo uacutetil Las dos terceras partes restantes de la energiacutea se transforman en calor a
peacuterdida evacuadas por el sistema de escape el sistema de enfriamiento y calor radiado y rechazado
por conveccioacuten a traveacutes de las partes soacutelidas del motor El sobrecalentamiento durante el ciclo
completo del motor genera una distribucioacuten de energiacutea dentro de la caacutemara de combustioacuten En
general el calor se transporta hacia la culata la camisa los puertos de escape y el pistoacuten el cual
estaacute ligado a la biela la cual si tiene defectos acabaraacute por destruir el motor [61]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
32
Es por tanto importante estar pendiente de la temperatura a la cual estaacute trabajando el motor
debido a que un sobrecalentamiento puede provocar dantildeos serios empezando por la ruptura del
empaque la deformacioacuten de los cilindros y desgaste en los anillos Estaacuten tambieacuten los dantildeos en los
codos del ciguumlentildeal y la biela Esta uacuteltima ya que se encuentra sometida a fuerzas axiales de
compresioacuten convirtieacutendola en el elemento maacutes tensionado dentro del motor Estaacute ademaacutes expuesta
a cargas producto de la presioacuten generada en la caacutemara de combustioacuten y por la alta friccioacuten entre
los elementos deslizantes Al no tener un adecuado sistema de lubricacioacuten en las partes moacuteviles se
presentaraacuten desgastes excesivos y prematuros que pueden ocasionar una falla Si este sistema no
funciona correctamente la resistencia mecaacutenica de la biela se veraacute afectada teniendo como
consecuencia deformaciones importantes por sobrecalentamiento [62]
2101 Anaacutelisis cinemaacutetico del motor
La cinemaacutetica proviene del griego κινεω kineo que significa movimiento Estudia las leyes del
movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo originan y se limita esencialmente al
estudio de la trayectoria en funcioacuten del tiempo [63] La cinemaacutetica se ocupa de aspectos del
movimiento aparte de considerar masa y fuerza Un anaacutelisis cinemaacutetico simula el movimiento de
mecanismos por lo que cumple los requisitos de los perfiles de los motores cinemaacuteticos y de
cualquier conexioacuten de unioacuten por leva en ranura o por engranajes Este tipo de anaacutelisis se usa para
obtener informacioacuten sobre la posicioacuten velocidad y aceleracioacuten de entidades geomeacutetricas y
conexiones interferencia entre componentes las curvas trazadas del movimiento del mecanismo y
los envolventes de movimiento que capturan el movimiento del mecanismo como una pieza
Seguacuten Forno [64] la cinemaacutetica analiza los factores de tiempo y espacio del movimiento de un
sistema es decir describe el movimiento de los cuerpos en teacuterminos de tiempo desplazamiento
velocidad aceleracioacuten y tiempo de desplazamiento
Para Suaacuterez [65] el anaacutelisis cinemaacutetico se utiliza para evaluar el movimiento del mecanismo
gobernado por motores cinemaacuteticos Se puede utilizar cualquier motor cinemaacutetico de eje de
movimiento con un perfil lo que produciraacute una aceleracioacuten finita
Las fuerzas que afectan a la biela son fundamentalmente de dos tipos las de combustioacuten y las de
inercia Una vez conocidas las fuerzas de combustioacuten en el pistoacuten se usa software especializado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
33
que ayuda en el calculoacute del anaacutelisis cinemaacutetico y dinaacutemico integrando las fuerzas de inercia
debidas a la masa de cada componente del mecanismo biela-manivela [66]
Para realizar este anaacutelisis es necesario considerar las masas de cada una de las piezas asiacute como
el reacutegimen de giro Esto permitiraacute realizar la simulacioacuten y calcular las fuerzas aplicadas en la cabeza
y el pie de la biela para poder luego hacer un anaacutelisis de elementos finitos que definan los
esfuerzos En el capiacutetulo III se describen la pieza construida a traveacutes del Software de aplicacioacuten
SOLIDWORKS
2102 Anaacutelisis cineacutetico del motor
El anaacutelisis cineacutetico estudia las fuerzas que provocan que un sistema se mueva es decir que
produzcan o cambien el movimiento de un objeto El estudio de las fuerzas que inducen el
movimiento parte desde un movimiento lineal o angular El anaacutelisis cineacutetico puede ser de tipo lineal
o angular El primero involucra la descripcioacuten de un movimiento en liacutenea recta Por otro lado la
cinemaacutetica angular se refiere a la descripcioacuten de un movimiento alrededor de un aacutengulo fijo [64]
El anaacutelisis cineacutetico es cuando un cuerpo estaacute en reposo para acelerarlo hasta una cierta velocidad
y se necesita un determinado trabajo [67] Esa energiacutea que se obtiene en la aceleracioacuten es
conservada por el cuerpo como energiacutea cineacutetica hasta que modifique su velocidad
Concretamente se llama cineacutetica o cinemaacutetica a la especialidad de la fiacutesica centrada en el anaacutelisis
del movimiento dejando de lado el estudio de las fuerzas que lo originan La cineacutetica en este
marco suele estudiar la trayectoria de un cuerpo en movimiento en funcioacuten del tiempo [68]
2103 Anaacutelisis por transferencia de calor
La parte de la fiacutesica que estudia estos procesos se llama transferencia de calor la cual se produce
siempre que existe un gradiente teacutermico o cuando dos sistemas con diferentes temperaturas se
ponen en contacto hasta alcanzar el equilibrio teacutermico es decir hasta que se igualan las
temperaturas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
34
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se usoacute en el software ANSYS el cual permitioacute realizar el
anaacutelisis teacutermico que consiste en la aplicacioacuten del meacutetodo de elementos finitos para calcular la
distribucioacuten de temperatura en una estructura soacutelida en este caso la biela de un motor de
combustioacuten interna Con dicho anaacutelisis se resolvioacute el problema de la transferencia teacutermica
conjugada que involucra el caacutelculo de la simulacioacuten de la conduccioacuten conveccioacuten e irradiacioacuten
teacutermica [66]
Los procesos de los motores de combustioacuten interna son complejos para poder realizar un anaacutelisis
completo de los mismos por lo que se requiere el usoacute de procesos teoacutericos para realizar caacutelculos
Eacutestos son denominados modelos matemaacuteticos para los cuales se usa simulacioacuten herramienta de
gran apoyo para estudiar el comportamiento de los motores de combustioacuten interna desde el punto
de vista termodinaacutemico Con estos softwares de apoyo es posible estudiar la influencia de
determinados paraacutemetros como son la geometriacutea operacioacuten y combustioacuten en las prestaciones de
un motor [69]
211 Simulacioacuten y disentildeo mecaacutenico
La simulacioacuten permite examinar el comportamiento del modelo en condiciones de operacioacuten
reales Ayuda a evaluar las caracteriacutesticas estructurales y el perfil teacutermico proporciona tambieacuten
potentes herramientas para examinar el rendimiento de los mecanismos Sirve para reflejar las
fuerzas materiales y condiciones de liacutemite a las que se veraacute sometido el modelo real para adaptarlo
mejor a criterios de disentildeo especiacuteficos
Existen diversos Softwares de aplicacioacuten para diferentes fines como es el caso de CAD que
sirve para disentildear modelos en tercera dimensioacuten (3D) que posteriormente se analizan por el
meacutetodo de elementos finitos Tal es el caso del software CATIA que es uno de los maacutes utilizados
actualmente en la industria para encontrar paraacutemetros como las dimensiones de diaacutemetro del pistoacuten
longitud de la biela ancho de biela diaacutemetros interiores de cabeza y pie espesores de cabeza y
pie ancho y alto de la seccioacuten tipo I y diaacutemetro de los tornillos de fijacioacuten Tanto el CAD y CATIA
son simuladores que permiten determinar lo antes mencionado
Tambieacuten existe el Software ANSYS que sirve para disentildear analizar y simular partes de piezas
sometidas a fenoacutemenos fiacutesicos usadas en ingenieriacutea y disentildeo mecaacutenico Ayuda a resolver
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
35
problemas fiacutesicos como problemas de esfuerzos teacutermicos fluidos vibracioacuten y otras Dentro de este
software se encuentra la seccioacuten de Anaacutelisis Mecaacutenico que sirve para resolver situaciones muy
particulares en disentildeo mecaacutenico como elementos estructurales lineales no lineales y anaacutelisis
dinaacutemico Con este moacutedulo se puede evaluar el comportamiento asignar materiales y resolver
ecuaciones elaborar anaacutelisis teacutermicos acoplamientos fiacutesicos que involucren acuacutestica elementos
piezoeleacutectricos e interaccioacuten teacutermica con eleacutectrica El software ANSYS se usoacute para este proyecto
Asiacute mismo es necesario sentildealar que para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el
software MATLAB herramienta matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para
la representacioacuten de datos matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor Los resultados
de MATLAB junto con el Software ANSYS permiten predecir coacutemo se comporta y reacciona la
biela en su entorno real Posteriormente se importa la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
y se realizan el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico por medio de la simulacioacuten
De igual forma se emplea para esta investigacioacuten el software SOLIDWORKS que se usa para
el disentildeo mecaacutenico con el que se crea geometriacutea en tercera dimensioacuten (3D) usando paraacutemetros
soacutelidos
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
36
CAPIacuteTULO 3 METODOLOGIacuteA
La metodologiacutea de la investigacioacuten se define como la disciplina que se encarga del estudio criacutetico
de los procedimientos y medios aplicados por los seres humanos que permiten alcanzar y crear el
conocimiento en el campo de la investigacioacuten cientiacutefica Representa la forma en la que se va a
organizar el proceso de la investigacioacuten de examinar los resultados y de presentar posibles
soluciones al problema Toda investigacioacuten a desarrollar debe llevar un orden loacutegico La
metodologiacutea de la presente investigacioacuten estaacute basada en la propuesta de los autores Hernaacutendez
Fernaacutendez y Baptista [70] ya que tiene un enfoque bastante amplio y flexible que se puede adaptar
de manera general a los requerimientos y alcances del estudio cubriendo los puntos esenciales que
guiacutean el disentildeo y elaboracioacuten de la investigacioacuten Los pasos seguidos se muestran en la figura19
31 Enfoque de la investigacioacuten
Existen dos enfoques dentro de la investigacioacuten el cuantitativo y el cualitativo Hernaacutendez [70]
define a la investigacioacuten cuantitativa como aquella investigacioacuten que utiliza la recoleccioacuten de datos
para comprobar una hipoacutetesis con base a una medicioacuten numeacuterica para establecer un anaacutelisis
estadiacutestico con el propoacutesito de conocer la tendencia del comportamiento y la aprobacioacuten de teoriacuteas
El desarrollo de esta investigacioacuten tuvo un enfoque cuantitativo el cual seguacuten Fernaacutendez [71] se
fundamenta en un esquema deductivo y loacutegico que busca formular preguntas de investigacioacuten e
hipoacutetesis para posteriormente probarlas
Figura 19Metodologiacutea de la investigacioacuten del presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
37
Esta investigacioacuten parte del enfoque mecaacutenico propuesto por diferentes autores que hacen
referencia a los diferentes motores que existen asiacute como los elementos que lo conforman La
finalidad es identificar el comportamiento termo - estaacutetico de una biela en un motor de combustioacuten
interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispa asiacute como determinar la fuerza
axial de la biela Tambieacuten obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de
combustioacuten estequiomeacutetrica y simular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela para identificar
posibles deformaciones y posteriormente realizar el anaacutelisis cinemaacutetico del motor
32 Alcance de la investigacioacuten
El alcance de esta investigacioacuten es exploratoria correlacional descriptiva y explicativa Al
respecto Fernaacutendez et [71] al se establece que ldquolos estudios exploratorios se realizan cuando el
objetivo consiste en examinar un tema poco estudiadordquo en este caso los factores que influyen en
el sobrecalentamiento de una biela
El alcance correlacional tiene como finalidad establecer una relacioacuten entre dos o maacutes variables
[70] y referente a esta investigacioacuten se llevoacute a cabo la correlacioacuten de variables del calor liberado
en la caacutemara de combustioacuten y el sobrecalentamiento del motor Esta correlacioacuten implica una
relacioacuten causal entre dichas variables ya sea de forma positiva o en forma negativa y una relacioacuten
causal implica que un evento es consecuencia de otro que le antecede y que sin eacuteste el uacuteltimo no
se presentaraacute
La investigacioacuten tambieacuten es descriptiva puesto que se describen los fenoacutemenos alcanzados en el
transcurso de todo el proceso Busca especificar propiedades caracteriacutesticas y rasgos importantes
de cualquier fenoacutemeno que se analice [71] en este caso la relacioacuten de compresioacuten presioacuten
atmosfeacuterica aacuterea del pistoacuten presioacuten atmosfeacuterica dentro de la caacutemara de combustioacuten presioacuten que
detona la mezcla dentro de la caacutemara de combustioacuten fuerza temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
y geometriacutea de la biela En este sentido en esta investigacioacuten se describieron las variables antes
mencionadas mismas que se especifican en el capiacutetulo cuatro detallando sus propiedades y
caracteriacutesticas
De igual forma la investigacioacuten tiene un alcance explicativo derivado de que seguacuten Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Bautista mencionan que estaacute orientada a la comprobacioacuten de hipoacutetesis las cuales
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
38
sirven para el anaacutelisis de variables [71] que se expresan con hechos verificables para que el
investigador tenga la capacidad de anaacutelisis y siacutentesis para su interpretacioacuten En el desarrollo de este
trabajo la hipoacutetesis establecida se encuentra en el apartado 33 del presente capiacutetulo y los resultados
obtenidos se explican en el capiacutetulo cuatro donde se explican los fenoacutemenos hallados entre
variables describiendo por queacute ocurrieron dichos eventos y en queacute condiciones se manifestaron
33 Formulacioacuten de la hipoacutetesis
En toda investigacioacuten es importante plantear variables ya que eacutestas permiten relacionar algunos
conceptos que hacen referencia a las caracteriacutesticas que se van a estudiar Para Hernaacutendez
Fernaacutendez amp Baptista [70] una variable es una propiedad que puede fluctuar y cuya variacioacuten es
susceptible de medirse u observarse Las variables adquieren valor para la investigacioacuten cientiacutefica
cuando llegan a relacionarse con otras variables es decir si forman parte de una hipoacutetesis o una
teoriacutea Y una variable independiente se refiere a ldquoaquella donde el investigador puede manipular
ciertos efectos en otras palabras supone la causa del fenoacutemeno estudiadordquo Y la variable
dependiente implica ldquoel efecto producido por la variable independiente es decir representa lo que
se quiere determinar en forma directa en la investigacioacutenrdquo
La hipoacutetesis planteada en este trabajo es una hipoacutetesis correlacional donde si alguna de las
variables sufre alguna modificacioacuten esto afectaraacute a otras variables correspondientes A
continuacioacuten se muestra la hipoacutetesis de la presente investigacioacuten
Hipoacutetesis nula
H01 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten influye en el sobrecalentamiento
de un motor de combustioacuten interna
Variables
Variables independientes Calor liberado en la caacutemara de
Combustioacuten
Variable dependiente Sobrecalentamiento del motor
Ya identificadas las variables es necesario establecer la operacionalidad de las mismas y
con base a lo anterior se observa en la tabla 1 la clasificacioacuten de las mismas
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
39
TABLA 1 CONCEPTUALIZACIOacuteN DE VARIABLE
Variable Definicioacuten Conceptual Indicadores
Calor liberado en la
caacutemara de
combustioacuten
Se refiere a la quema de combustible
suministrados por el motor de
combustioacuten interna de tal manera
que el aire se expanda y acelere para
proporcionar una corriente de gas
uniformemente calentada en todas las
condiciones requeridas por el motor
de combustioacuten interna Esta tarea
debe realizarse con la miacutenima peacuterdida
de presioacuten y con la maacutexima liberacioacuten
de calor para el limitado espacio
disponible [31]
Reaccioacuten quiacutemica de la
combustioacuten
Sobrecalentamiento
del motor
Es la condicioacuten en la cual la
temperatura del motor se eleva a
valores maacutes altos de lo normal y llega
a producir dantildeos graves en el motor
como torceduras y roturas de
vaacutelvulas brazos de biela soplado de
empaques torceduras de culatas y
roturas de pistones [41]
Lubricacioacuten deficiente
Fallo en sistema de
enfriamiento
Hipoacutetesis alterna
HA1 El calor liberado en la caacutemara de combustioacuten no influye en el
sobrecalentamiento de un motor de combustioacuten interna
34 Disentildeo de la investigacioacuten
El tipo de disentildeo que se usoacute fue el no experimental donde la investigacioacuten que se realiza se hace
sin la manipulacioacuten deliberada de las variables y donde se observan los fenoacutemenos para
posteriormente analizarlos en este caso el calor liberado en la caacutemara de combustioacuten y el
sobrecalentamiento del motor donde dichas variables estaacuten relacionadas con diferentes elementos
que son la combustioacuten estequiomeacutetrica presioacuten atmosfeacuterica fuerza de la biela y geometriacutea de la
biela Estos elementos sirvieron para poder realizar el anaacutelisis cineacutetico cinemaacutetico y teacutermico por
transferencia de calor motivo de la presente investigacioacuten
A su vez es una investigacioacuten transaccional donde se recolectaron los datos en un momento y
tiempo uacutenico permitieacutendose describir las variables anteriormente mencionadas El propoacutesito fue
describir las variables y analizar su incidencia e interrelacioacuten en un momento dado
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
40
Por otra parte este trabajo se basoacute en un disentildeo no experimental con la informacioacuten derivada
basada en datos primarios obtenidos directamente de la realidad En el desarrollo de la presente
investigacioacuten la informacioacuten se obtuvo mediante el modelado mecaacutenico el cual ayudoacute a predecir
el comportamiento y reaccioacuten de la biela en su entorno real
35 Seleccioacuten de la muestra
El desarrollo de esta investigacioacuten se realizoacute tomando como objeto de estudio a un motor VW
Golf MK4 Gti 18T En la tabla 2 se muestran las especificaciones de este motor
Se utilizoacute un acero SAE 4340 de medio carbono aleado con Cr-Ni-Mo debido a que posee buena
resistencia a la fatiga alta templabilidad excelente tenacidad regular maquinabilidad y baja
soldabilidad Es apto para piezas y herramientas de grandes exigencias mecaacutenicas Se usa para los
maacutes altos esfuerzos estaacuteticos y dinaacutemicos en piezas como ciguumlentildeales bielas cardanes pintildeones
pernos y tornillos de alta resistencia engranajes para maacutequinas discos de freno barras de torsioacuten
y aacuterboles de transmisioacuten [72] En la tabla 3 se muestran las composiciones quiacutemicas
TABLA 2 CARACTERIacuteSTICAS DEL MOTOR
Variable Definicioacuten Conceptual
Motor V 4
Combustible Gasolina
Alimentacioacuten MPI
Situacioacuten Transversal
Cilindrada 1781 cm3
Diaacutemetro por carrera 810 x 864 mm
Vaacutelvulas 16 vaacutelvulas
Sobrealimentacioacuten Turbo + Intercooler
Relacioacuten de Comprensioacuten 95
Potencia 210 PS or 207 bhp o 154 kw 5700 rmp
Par maacuteximo 300 Nm o 221 lbft 2700 rpm
Caja de cambios 6 velocidades manual
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
41
TABLA 3 PORCENTAJE DE COMPOSICIOacuteN QUIacuteMICA DEL ACERO USADO
De igual forma en la tabla 4 se pueden apreciar las caracteriacutesticas del tratamiento teacutermico y las
propiedades mecaacutenicas que se deben tener para cumplir con lo establecido para el procedimiento
36 Recoleccioacuten de datos
Para el anaacutelisis estaacutetico y teacutermico se emplea la simulacioacuten con ANSYS y poder predecir coacutemo
se comporta y reacciona la biela en su entorno real El software SOLIDWORKS se emplea para
incorporar la geometriacutea de la biela con dimensiones reales
TABLA 4 TRATAMIENTO TEacuteRMICO Y PROPIEDADES MECAacuteNICAS
Tratamiento teacutermico
(Valores en 0C)
Propiedades mecaacutenicas
Forjado 850 - 1100 Bonificado
Normalizado 870 - 900 Resistencia a la
traccioacuten
95 ndash 105 kgfmm2
Revenido 530 - 670 Liacutemite de fluencia 60 ndash 74 kgfmm2
Recocido 750 - 850 Dureza (HB) 280 - 340
Templado Aceite 840 - 880 Elongacioacuten 10 ndash 18
Composicioacuten quiacutemica ()
C 038 ndash 043
Mn 060 ndash 080
Si 015 ndash 035
P 0035 Maacutex
S 004 Maacutex
Cr 070 ndash 090
Ni 165 ndash 200
Mo 020 ndash 030
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
42
37 Procesamiento y anaacutelisis de los datos
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y cineacutetico del motor se utilizoacute el software de MATLAB herramienta
matemaacutetica que ayudoacute en el desarrollo de la investigacioacuten para la representacioacuten de datos
matriciales funciones y simulacioacuten del sistema del motor El objetivo de dicho anaacutelisis fue
identificar la falla de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro
cilindros encendido por chispa accionado por gasolina cuando por diversas causas alcanza
temperaturas elevadas generando esfuerzos y deformaciones superiores a los liacutemites de cedencia
del material Para este anaacutelisis se determinoacute la fuerza axial generadora del maacuteximo torque aplicado
al ciguumlentildeal del motor Como se trata de un motor alternativo el movimiento parte desde el punto
muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) recorriendo el pistoacuten una longitud de
carrera C=2r por cada vuelta del ciguumlentildeal Ya que se trata de un motor de cuatro tiempos el
ciguumlentildeal daraacute dos vueltas por ciclo termodinaacutemico [73] En este caso se consideroacute solamente un
punto donde la biela es normal a la manivela que es donde se produce el maacuteximo toque Se hizo el
anaacutelisis el elemento finito (FEA por su siglas en ingles Finite Element Analysis ) para obtener una
solucioacuten aproximada a este problema de ingenieriacutea para obtener un producto de calidad a menor
costo mejorando asiacute procesos existentes o para estudiar fallos de eacuteste componente estructural El
anaacutelisis teacutermico por transferencia de calor cineacutetico y cinemaacutetico se describe en el capiacutetulo 4 del
presente trabajo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
43
CAPIacuteTULO 4 ANAacuteLISIS E INTERPRETACIOacuteN DE RESULTADOS
41 Generalidades
Los motores de los autos principalmente los de combustioacuten interna (MCI) son motores donde
los gases generados en la reaccioacuten exoteacutermica resultan de un proceso de combustioacuten que empuja
al pistoacuten desplazaacutendolo en el interior de un cilindro y haciendo girar al ciguumlentildeal El funcionamiento
ciacuteclico de estos motores suele tener fallas constantes debido a muacuteltiples factores entre los cuales
destacan problemas con los cojinetes fallas en las bielas pistoacuten ciguumlentildeal entre otros
El arranque de los motores de combustioacuten se lleva a cabo en su caacutemara interna en donde se forma
el fluido activo Esta caacutemara forma parte de un cilindro dentro del cual se mueve un pistoacuten mismo
que forma parte del mecanismo en forma conjunta con la biela y el ciguumlentildeal Y para que un motor
tenga un buen funcionamiento es necesario tener una buena lubricacioacuten refrigeracioacuten y suministro
de energiacutea eleacutectrica tal como se aprecia en la figura 20
La lubricacioacuten debe mantener engrasados los mecanismos moacuteviles tambieacuten sirve como
refrigerante al absorber el calor disipado Su principal funcioacuten radica en la aplicacioacuten de un manto
superficial de aceite recubriendo asiacute los elementos moacuteviles El sistema refrigerante es el que
mantiene una temperatura constante del motor durante su funcionamiento y lo hace mediante la
eliminacioacuten de exceso de calor que se pudiera generar en su funcionamiento Gracias a la energiacutea
eleacutectrica funcionan los dispositivos tales como las bombas hidraacuteulicas agua refrigerante los
cuales provocan el flujo que hace posible la circulacioacuten de los fluidos a lo largo de los ductos
correspondientes
Figura 20Diagrama de bloques de un motor de combustioacuten interna
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
44
42 Motor VW Golf MK4 GTI 18T
Para el desarrollo de esta investigacioacuten se consideroacute el auto VW Golf [74] tal como se aprecia
en la figura 21
Este auto tiene un motor MK4 GTI 18T de cuatro cilindros con turbocompresor formalmente
conocido como el 18 20VT R4 e informalmente conocido simplemente como el 18T Se ha
utilizado en casi todas las aplicaciones de cuatro cilindros de VW Utiliza un bloque de motor de
hierro fundido y culata de aluminio con doble aacuterbol de levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte
de la fuerza inherente de este motor viene del uso de un ciguumlentildeal de acero forjado a troque dividido
en bielas forjadas y pistones forjados Su potencia es de 150 caballos de fuerza a 5800 rpm Su
principal caracteriacutestica es su sistema de turbo y de induccioacuten Utiliza un turbocompresor de VW
de origen algo equivalente a un Garrett T30
421 Aplicaciones del 18T
El 18T se ha utilizado en casi todos los autos que tienen cuatro cilindros de VW como son VW
Polo GTI Golf MkIV Bora Jetta New Beetle S Passat B5 y Sagitar Desde Audi que es la marca
de lujo de VW el motor tambieacuten se ha trasladado a los modelos en esa divisioacuten incluyendo la A3
A4 A6 y TT Quattro Sport Otros fabricantes de automoacuteviles en utilizar el 18T han sido el
fabricante espantildeol SEAT (en el Leon Mk1 Cupra R y Toledo) y Skoda para su edicioacuten limitada
Octavia VRS
Figura 21VW Golf
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
45
El 18T utiliza un bloque de motor de hierro fundido y una culata de aluminio con doble aacuterbol de
levas y cinco vaacutelvulas por cilindro Parte de la fuerza inherente de este motor se debe al uso de un
ciguumlentildeal de acero forjado a troquel bielas ldquoSplit forjadordquo y pistones Mahle forjado El 18T ha
llegado en docenas de diferentes configuraciones desde que se ofrecioacute por primera vez con
potencias que van desde 150 caballos de fuerza a 5800 rpm (en la mayoriacutea de los polos Golf
hoteles escarabajos y Passat) hasta 236 caballos de fuerza a 5700 rpm para el Audi TT Quattro
Sports
En lo que respecta a la induccioacuten aparte de su cabeza la principal caracteriacutestica del 18T es su
sistema turbo e induccioacuten El turbo alimenta uno de los pocos verdaderos colectores de admisioacuten
de longitud variable en el mercado de hoy A bajas revoluciones el aire fluye a traveacutes de un
conjunto de tubos de colada la ingesta de largas y delgadas para mejorar el par a bajo reacutegimen y
la facilidad de conduccioacuten A altas revoluciones una solapa se abre para conectar gran espacio
abierto del colector de admisioacuten (plenum) casi directamente a la culata sin pasar por los tubos y
aumentar el poder de gama alta
43 Anaacutelisis de datos
431 Anaacutelisis cinemaacutetico
El movimiento alterno del pistoacuten se transforma en movimiento circular continuo del eje mediante
el sistema biela-manivela Para efectos de caacutelculo el movimiento circular de la manivela se
considera uniforme sin error apreciable En la figura 22 se muestra la nomenclatura que se utilizoacute
en este anaacutelisis [73]
Figura 22 Nomenclatura
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
46
Donde
L=Longitud de la biela
r=Radio de la manivela
C=Carrera del pistoacuten
x=Deslizamiento del pistoacuten referido al PMS
α=Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posicioacuten correspondiente al PMS
β= Aacutengulo que forma el eje de la biela con el del cilindro
I Desplazamiento
De acuerdo a la geometriacutea del motor y como muestra la figura 22 se obtiene la ecuacioacuten para el
desplazamiento (x) correspondiente entre el PMS y PMI donde λ es un paraacutemetro de la relacioacuten
del radio a la longitud de la biela (Ver Anexo I) la cual es
119909 = 119903 ((1 minus cos prop) + 119871(1 minus radic1 minus 12058221199041198901198992 prop))
Donde λ =119903
119871 119902119906119890 119903119890119901119903119890119904119890119899119905119886 119906119899119886 119903119890119897119886119888119894oacute119899 119886119897119890119886119905119900119903119894119886
Si la biela fuera de longitud infinita (λ=0) se desplazariacutea mantenieacutendose siempre paralela a siacute
misma por lo que tendriacuteamos la expresioacuten simplificada
119909 = 119903(1 minus cos prop)
Se utilizoacute el software MATLAB para graficar coacutemo se comporta el sistema del punto muerto
superior al punto muerto inferior correspondiente a los 360 grados del movimiento de la Manivela
Se obtiene la figura 23 misma que se muestra a continuacioacuten
Figura 23 Desplazamiento
Des
pla
zam
ien
to d
el p
istoacute
n e
n m
etro
s
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
47
II Velocidad
Para obtener la ecuacioacuten de la velocidad se derivoacute la ecuacioacuten de desplazamiento (ver Anexo II)
guardaacutendola en una nueva variable (V) lo que se puede apreciar en la figura 24
Figura 24Velocidad del pistoacuten
III Aceleracioacuten
Para obtener la ecuacioacuten de la aceleracioacuten se derivoacute la ecuacioacuten de velocidad (Ver Anexo III)
asignando su valor a una nueva variable (A) la cual se muestra en la figura 25
Figura 25Aceleracioacuten del pistoacuten
Vel
oci
dad
del
pis
toacuten
(m
s)
Angulo de manivela en grados
Ace
lera
cioacute
n d
el p
istoacute
n (
ms
2)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
48
432 Anaacutelisis cineacutetico
I Fuerzas alternativas de inercia
Conociendo las leyes que regulan el movimiento del conjunto biela manivela resulta faacutecil
obtener una relacioacuten de las fuerzas que generan dicho movimiento En efecto las partes dotadas de
movimiento alternativo estaacuten sometidas a fuerzas de inercia calculadas por medio de la segunda
ley de Newton que expresada en funcioacuten de la segunda derivada del desplazamiento dan como
resultado
119865 = minus119898 lowast 1205962 lowast 119903 (cos 120572 + 120582 lowast cos 2120572)
La primera y segunda parte de la ecuacioacuten representan respectivamente las fuerzas alternativas
de primero y segundo orden (ver Anexo IV) En la ecuacioacuten anterior ldquomrdquo corresponde a la masa de
la biela que para la muestra seleccionada tiene un valor de 066 kg se muestra en la figura 26
Figura 26Fuerzas alternativas
La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten cinemaacutetica En la figura 27
se puede observar el movimiento al considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante el
proceso de expansioacuten De este resultado se obtiene la fuerza maacutexima para posteriormente
considerarla en el anaacutelisis estaacutetico de la simulacioacuten en el software de ANSYS Los resultados se
encuentran en el Anexo V y en la figura 27 se aprecia la representacioacuten graacutefica del anaacutelisis de la
biela Este anaacutelisis se hizo mediante el software de MATLAB
Fu
erza
s al
tern
ativ
as (
N)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
49
Figura 27 Fuerzas en la biela
II Diagrama par-motor
La fuerza resultante que actuacutea sobre el pistoacuten corresponde a la suma de las fuerzas alternativas
de inercia y de la correspondiente a la presioacuten del gas durante la explosioacuten Eacutesta equilibrada por la
fuerza de reaccioacuten en la biela y variacutea en cada posicioacuten del movimiento La figura 28 muestra el
diagrama par motor que se utiliza para este anaacutelisis La nomenclatura es la misma que se utilizoacute en
el anaacutelisis cinemaacutetico con la inclusioacuten de las fuerzas [73]
Figura 28Diagrama par-motor
Angulo de manivela en grados
Fu
erza
en
la
bie
la (
N)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
50
Figura 29Par-motor de explosioacuten
Nuevamente mediante el software MATLAB se realiza el anaacutelisis de movimiento durante el
proceso de expansioacuten de 360deg a 540deg debido a que se trata de un motor de 4 tiempos lo que implica
que el ciguumlentildeal gire dos vueltas correspondieacutendole a la primera vuelta la admisioacuten y compresioacuten
(Ver Anexo VI) lo cual se aprecia en la figura 29
El punto maacuteximo de esta graacutefica representa un par-motor de 311 N-m que se aproxima al par
motor que el fabricante ofrece para este motor seleccionado como muestra Es importante
considerar que a este punto le corresponde un aacutengulo de 388deg equivalente a 28deg a partir del punto
muerto superior y seraacute considerado para obtener la fuerza axial en la biela de su correspondiente
graacutefica
433 Anaacutelisis termodinaacutemico
I Eficiencia del ciclo Otto ideal
La figura 30 muestra el ciclo en un diagrama P-v La eficiencia o rendimiento del ciclo es la
relacioacuten entre el trabajo neto y la cantidad de calor que entra al sistema [75]
Par
-mo
tor
(N
m)
Angulo de manivela en grados
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
51
Figura 30 Ciclo termodinaacutemico Otto presioacuten-volumen
Es decir
119890119900119905119905119900 =119882119899119890119905119900
119902119890119899119905
Por primera ley de la termodinaacutemica
119882119899119890119905119900 = 119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
Considerando calores especiacuteficos constantes
119890119900119905119905119900 =119902119890119899119905 minus 119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119902119904119886119897
119902119890119899119905= 1 minus
119862119907(1198794 minus 1198791)
119862119907(1198793 minus 1198792)= 1 minus
(1198794 minus 1198791)
(1198793 minus 1198792)
Para el proceso 1-2 compresioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987511198811119896 = 11987521198812
119896 there41198752
1198751= (
1199071
1199072)
119896
= 119903119896
Doacutende r= la relacioacuten de compresioacuten definida como 119903 =1199071
1199072
Para el mismo proceso la ecuacioacuten de los gases ideales es
11987511199071
1198791=
11987521199072
1198792 there4
1198752
1198751=
1199072
1199071∙
1198792
1198791= 119903
1198792
1198791= 119903119896
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
52
Realizando la igualacioacuten se obtiene la temperatura para el estado dos del ciclo
1198792 = 1198791119903119896minus1
De manera similar para el proceso 3-4 de expansioacuten isentroacutepica la ecuacioacuten de proceso es
11987531198813119896 = 11987541198814
119896 there41198753
1198754= (
1199074
1199073)
119896
= 119903119896
Y la ecuacioacuten correspondiente de los gases ideales es
11987531199073
1198793=
11987541199074
1198794there4
1198753
1198754=
1199074
1199073∙
1198793
1198794= 119903
1198793
1198794= 119903119896
Realizando la igualacioacuten correspondiente se obtiene la temperatura para el estado 3 del ciclo
1198793 = 1198794119903119896minus1
Con las relaciones de temperatura para los estados 2 y 3 se obtiene la eficiencia del ciclo Otto
en funcioacuten de la relacioacuten de compresioacuten
119890119900119905119905119900 = 1 minus1198794 minus 1198791
1198794119903119896minus1 minus 1198791119903119896minus1= 1 minus
1198794 minus 1198791
119903119896minus1(1198794 minus 1198791)
119890 = 1 minus1
119903119896minus1
Para el anaacutelisis de la muestra seleccionada le corresponde una relacioacuten de compresioacuten de r=95
obtenieacutendose una eficiencia teacutermica del 60
119890 = 1 minus1
9514minus1= 06
En la figura 31 se muestra un referente de la eficiencia teacutermica en funcioacuten de la relacioacuten de
compresioacuten para un motor Otto y Diesel [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
53
Figura 31 Eficiencia teacutermica
II Temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
Cuanto maacutes pequentildea es la perdida de calor tanto mayor resulta el aumento de la temperatura En
el caso liacutemite que no haya peacuterdida de calor hacia los alrededores (Q=0) la temperatura de los
productos alcanzaraacute un maacuteximo conocido como temperatura de flama adiabaacutetica o combustioacuten
adiabaacutetica
La temperatura de flama adiabaacutetica de un proceso de combustioacuten de flujo estacionario se
determina aplicando la primera ley de la termodinaacutemica considerando la caacutemara de combustioacuten
como un volumen de control totalmente aislado (adiabaacutetico) con la siguiente ecuacioacuten
119867119901119903119900119889 = 119867119903119890119886119888119905
sum 119873119901(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg) = sum 119873119903(ℎ119891 + ℎ minus ℎdeg)
Doacutende Np= nuacutemero de moles de los productos
Nr = nuacutemero de moles de los reactivos
ℎ119891= entalpiacutea de formacioacuten
ℎ minus ℎdeg= variacioacuten de entalpiacutea
Una vez que se especifican los reactivos y los estados resulta faacutecil determinar las entalpiacuteas de
los reactivos Sin embargo debido a que la temperatura de los productos no se conoce antes de los
caacutelculos el caacutelculo de la entalpia de los productos no es directa Por consiguiente la determinacioacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
54
de la temperatura de flama adiabaacutetica requiere el uso de una teacutecnica iterativa a menos que se
disponga de ecuaciones para los cambios de entalpiacutea sensible de los productos de combustioacuten
La temperatura de flama adiabaacutetica se determina luego a partir de estos dos resultados mediante
interpolacioacuten Cuando el oxidante es aire los gases producto se componen principalmente de N2 y
una buena primera suposicioacuten para la temperatura de flama adiabaacutetica se obtiene tratando todos
los gases productos como N2 En las caacutemaras de combustioacuten la temperatura maacutexima a la que se
puede llegar esta limitada por condiciones metaluacutergicas [75] Se analizaron los tres tipos de mezcla
para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla teoacuterica o estequiomeacutetrica
mezcla pobre y mezcla rica
II1 Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El modelo utilizado para los tres tipos de mezcla es una caacutemara de combustioacuten en la cual se
simula la inyeccioacuten de combustible octano 119862811986718 con las cantidades de aire suministrado siendo la
composicioacuten quiacutemica del aire de 1198742 + 3761198732 lo que equivale a 79 de N2 y 21 de O2 Tanto el
combustible como el aire se consideran como los reactivos y los gases de escape como productos
tal como se aprecia en la figura 32
La ecuacioacuten teoacuterica para este caso es
119862811986718 + 119908(1198742 + 3761198732) rarr 1198831198621198742 + 1198841198672119874 + 1198851198732
Doacutende W X Y Z representan los coeficientes estequiomeacutetricos determinaacutendose por balanceo
de los elementos quiacutemicos de la ecuacioacuten
119862 8 = 119883
119867 18 = 2119884 there4 119884 = 9
119874 2119882 = 2119883 + 119884 there4 119882 = 125
119873 376(2)119882 = 2119885 there4 119885 = 47
Se obtiene asiacute la ecuacioacuten estequiomeacutetrica balanceada
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
55
Figura 32 Caacutemara de combustioacuten del motor
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos y considerando un proceso
adiabaacutetico se obtiene la ecuacioacuten para los tres tipos de mezcla
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298 + ∆ℎ)
Donde
ℎ119891298= Entalpiacutea de deformacioacuten durante la reaccioacuten
∆ℎ= Variacioacuten de la entalpiacutea con respecto al estado de referencia
Los valores de entalpiacuteas para esta reaccioacuten se obtienen de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y
A-26 [75] Para este caso resulta
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9324] + 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]
+47[0 + ℎ1198732minus 8669] = 1[minus249950 + 0] minus 125[0 + 0] minus 47[0 + 0]
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 47ℎ1198732
= 5646081
La solucioacuten de esta ecuacioacuten se realiza iterativamente proponiendo como inicio que toda la
energiacutea es absorbida por el N2 ya que es el elemento que posee el mayor nuacutemero de moles
64ℎ1198732= 5646081
ℎ1198732= 88220015
119896119869
119896119898119900119897
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de temperatura aproximado de
119879 = 2650deg119870
Y tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen los valores
que se muestran en la tabla 5
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
56
TABLA 5 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA
Temperatura T=2600degK T=2450degK T=2200degK
Sustancia h(kJkmol)
8CO2 1099592 1025752 903512
9H2O 1028457 955647 836460
47N2 4072550 3814003 3385880
6130599 5795402 5125852
Interpolando los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2450degK y 2200degK se
obtiene la temperatura 119879 = 239424deg119870
II2 Mezcla pobre (110 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
Ecuacioacuten real (10 exceso de aire) es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 1251198742 + 5171198732
Aplicando Primera Ley de la Termodinaacutemica para sistemas reactivos
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
Sustituyendo los valores de las tablas A-18 A-19 A-20 A-23 y A-26 [75] se obtiene
8[minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364]
kJ
kmol1198621198742
+ 9[minus241820 + ℎ1198672119874 minus 9904]kJ
kmol1198671198742
+125[0 + ℎ1198732minus 8682]
kJ
kmol1198742
+ 517[0 + ℎ1198732minus 8669]
kJ
kmol1198732
= 1[minus249950 + 0]kJ
kmol119862811986718
8ℎ1198621198742+ 9ℎ1198672119874 + 125ℎ1198742
517ℎ1198732= 56976778119896119869119896119898119900119897
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno
6995ℎ1198732= 56976778
ℎ1198732= 8145357827
119870119869
119870119898119900119897
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
57
TABLA 6 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA POBRE
Temperatura T=2400degK T=2450degK T=2200degK T=2250degK
Sustancia h(kJkmol)
8 CO2 1001216 1025752 903512 927872
9 H2O 931572 955647 836460 860058
125 02 1039675 106390 94355 9674625
517 N2 4100844 41954033 3724468 38183552
61376055 62831923 5558795 570303145
De la tabla A-18 [75] se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2500deg119870
Nuevamente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se obtienen
los valores que se muestran en la tabla 6
Realizando la interpolacioacuten de los valores obtenidos de las entalpiacuteas entre los valores de 2200degK
y 2250degK se obtiene la temperatura 119879 = 2248144deg119870
II3 Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten teoacuterica es la siguiente
119862811986718 + 125(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 91198672119874 + 471198732
La ecuacioacuten real (85 de aire) es
119862811986718 + 10625(1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 91198672119874 + 375119862119874 + 39951198732
Aplicando la primera ley de la termodinaacutemica para sistemas reactivos y adiabaacutetico se obtiene
Σ119901119903119900119889119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ) = Σ119903119890119886119888119905119873119894(ℎ119891298deg + ∆ℎ)
TABLA 7 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA
Sustancia hf h 298 degk
KJKmol
C₈H₁₈ -249950 -----
O₂ 0 8682
N₂ 0 8669
H₂O -241820 9904
CO₂ -393520 9364
CO -110530 8669
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
58
Posteriormente tabulando la entalpiacutea de la sustancia con su correspondiente temperatura se
obtienen los valores que se muestran en la tabla 7
Y sustituyendo los valores en la foacutermula antes mencionada se obtienen los resultados siguientes
425 (minus393520 + ℎ119862119874₂ minus 9364) + 375 (minus110530 + ℎ119862119874 minus 8669) + (minus 241820
+ ℎ119867₂119874 minus 9904) + 3995 (0 + ℎ119873₂ minus 8669) ndash 1(minus 249950
+ 0) ndash 10625 (0 + 0) ndash 3995 (0 + 0) = 0
425 ℎ119862119874₂ + 375 ℎ119862119874 + 9 ℎ119867₂119874 + 3995 ℎ119873₂ = 45211458
Considerando como primer anaacutelisis que todo es Nitroacutegeno 5695 ℎ119873₂ = 45211458
ℎ119873₂ = 7938798 = 79388 kJkmol
De la tabla A-18 [75] de propiedades del nitroacutegeno se obtiene el valor de la temperatura
119879 = 2400deg119870
Tabulando los valores correspondientes de la entalpiacutea a la temperatura indicada se muestran en
la tabla 8
Interpolando entre los valores de 2300degK y 2200degK se obtiene la temperatura para esta
mezcla 119879 = 2223305deg119870
TABLA 8 VALORES DE ENTALPIacuteA PARA MEZCLA RICA
Temperatura T=2400 T=2300 T=2200
Sustancia h(KJKmol)
425 Co₂ 531896 50589875 47999075
375 Co₂ 30005625 28629375 272580
9 H₂O 931572 883791 836460
3995 N₂ 3168834 30232562 2877998
sum 493235825 46992397 446702875
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
59
434 Temperatura real de combustioacuten
Las temperaturas de combustioacuten adiabaacutetica obtenidas en el apartado que aborda el tema de la
temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para los tres tipos de mezclas reflejan un paraacutemetro
cuantitativo sin embargo no es posible que el motor alcance dichos valores Esto es debido a la
Segunda Ley de la Termodinaacutemica en su postulado de Kelvin Plank refirieacutendose precisamente al
rendimiento del motor que de acuerdo a la relacioacuten de compresioacuten establecida se determinoacute que
es de 60 Este valor equivale al maacuteximo rendimiento posible con el cual se determinaraacute la
temperatura real del motor para los tres tipos de mezclas Eacutesta temperatura seraacute considerada para
el anaacutelisis de transferencia de calor en la biela
I Mezcla teoacuterica (100 de aire)
El poder caloriacutefico del combustible representa la cantidad de calor liberado cuando se quema por
completo en un proceso de flujo estacionario En este anaacutelisis se considera el poder caloriacutefico
inferior debido a que el agua en los productos se considera en fase de vapor correspondieacutendole un
valor de 44430 kJkmol [75]
Involucrando una eficiencia de 60 se determina la cantidad de calor real utilizado en los tres
diagramas y mediante el anaacutelisis de estequiometria se obtiene la temperatura real correspondiente
al maacuteximo valor del ciclo en el proceso de explosioacuten
El anaacutelisis parte de la ecuacioacuten teoacuterica (100 de aire) para los tres tipos de mezclas que se
analizan en este apartado
De acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica para esta reaccioacuten de combustioacuten la
ecuacioacuten de la cantidad de calor liberado es
minus 119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
El valor de 119876119903119890119886119897 se determina al involucrar el rendimiento de 60 del poder caloriacutefico del
combustible y a la vez multiplicaacutendolo por la masa molar del combustible de 114231 kgkmol
obteniendo un valor de 3045170119896119869
119896119898119900119897
Los valores de ℎ119891deg y ℎ de los componentes a 298degK son los que se muestran en la tabla 9 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
60
TABLA 9 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Sustancia 119945 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948
kjkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119925120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 47(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten en funcioacuten de las entalpiacuteas de los elementos de los
productos que se resuelve por el meacutetodo iterativo
8ℎ 1198621198742
+ 9 ℎ1198671198742+47ℎ1198732
=2600911 kJkmol
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero total
de moles lo que produce 2600911 119896119869
(8 + 9 + 47) 119896119898119900119897= 4063923
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido correspondieacutendole un valor de T=131374degK A partir de este valor
se proponen valores inferiores y posteriormente realizar una interpolacioacuten lineal como se muestra
en la tabla 10 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
61
TABLA 10 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA TEOacuteRICA REAL
Temperatura T=1180degK T=1200degK T=1220degK
Sustancia h(KJKmol)
120790 119914119926120784 421792 430784 439816
120791 119919120784119926 391581 399420 407304
120786120789 119925120784 1696888 1728519 1760244
Total 2510261 2558723 2607364
Interpolando entre las temperaturas de 1200degK y 1220degK se obtiene que la temperatura real de
combustioacuten es T = 1217347 degK
II Mezcla pobre (110 aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten con 10 de exceso de aire es
119862811986718 + 1375(1198742 + 3761198732) rarr 81198621198742 + 1251198742 + 91198672119874 + 5171198732
La ecuacioacuten de combustioacuten de acuerdo con la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)
Los valores de las entalpiacuteas ℎ119891deg + ℎ de las sustancias a T= 298degK son los que se muestran en la
tabla 11 [75]
Sustituyendo valores correspondientes en la ecuacioacuten se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 8(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 125(0 + ℎ1198742minus 8682)
kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 517(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
62
TABLA 11 ENTALPIA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA POBRE REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 -
119925120784 0 -
119914119926120784 -393520 9364
119926120784 0 8669
119919120784119926 -241820 9904
Lo que genera la siguiente ecuacioacuten
8ℎ1198621198742+125 ℎ1198742
+ 9 ℎ1198671198742+517ℎ1198732
=26525078 kJ
Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de
moles lo que produce
26525078 119896119869
(8 + 125 + 9 + 517) 119896119898119900119897= 379200543
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente la entalpia que
se aproxime al valor obtenido siendo T=1240degK Nuevamente se propondraacuten valores inferiores a
la temperatura obtenida para obtener la entalpiacutea correspondiente a cada sustancia por
interpolacioacuten lineal obtener el resultado correcto Se muestran los valores de la tabla 12 [75]
La interpolacioacuten entre las temperaturas de 1160degK y 1140degK da el resultado de la temperatura
real para esta mezcla 119879 = 11515385deg119870
TABLA 12 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA POBRE REAL
Temperatura T=1200degK T=1160degK T=1140degK T=1120degK
Sustancia h(kJkmol)
120790119914119926120784 430784 412816 403872 394952
120783 120784120787119926120784 4805875 4627875 453925 445075
120791119919120784119926 399420 383778 376020 327384
120787120783 120789119925120784 19013709 1831731 1797092 17625564
Total 277963365 267460375 26223765 25293999
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
63
III Mezcla rica (85 de aire)
La ecuacioacuten real de combustioacuten incompleta genera la aparicioacuten de monoacutexido de carbono (CO)
en los productos
119862811986718 + 10625 (1198742 + 3761198732) rarr 4251198621198742 + 375119862119900 + 91198672119874 + 39951198732
De la primera ley de la Termodinaacutemica
minus119876119903119890119886119897 = sum 119873119901( ℎ119891deg + ℎ minus ℎdeg)- sum 119873119903( ℎ119891deg)
Los valores de ℎ119891deg + ℎ de los componentes a la temperatura de 298degK son los que se muestran
en la tabla 13 [75]
Sustituyendo en la ecuacioacuten anterior se obtiene
minus3045170119896119869
119896119898119900119897
= 425(minus393520 + ℎ1198621198742minus 9364)
kJ
kmol1198621198742
+ 375(minus110530 + ℎ119862119900 minus 8669)kJ
kmol1198742
+ 9(minus241820 + ℎ1198671198742minus 9904)
kJ
kmol1198671198742
+ 3995(0 + ℎ1198732minus 8669)
kJ
kmol1198732
minus 1(minus249950) kJ
kmol119862811986718
425ℎ1198621198742+375 ℎ119862119900 + 9 ℎ1198671198742+3995ℎ1198732
=14759758 kJkmol
Eacutesta debe resolverse por iteraciones sucesivas Una primera suposicioacuten se obtiene al dividir el
lado derecho de la ecuacioacuten por el nuacutemero de moles obtenieacutendose 14759758 kJ
(425 + 375 + 9 + 3995) 119896119898119900119897= 25917
kJ
kmol
Ya que el 1198732 tiene el mayor nuacutemero de moles se busca en la tabla correspondiente a esta entalpia
la temperatura aproximada siendo T=870degK Realizando un procedimiento similar a las mezclas
anteriores se obtiene la tabla 14 [75]
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
64
TABLA 13 ENTALPIacuteA DE FORMACIOacuteN Y ENTALPIacuteA EN EL ESTADO DE REFERENCIA DE 298 degK MEZCLA RICA REAL
Sustancia 119943deg kJkmol 120784120791120790deg119948 kJkmol
119914120790119919120783120790 -249950 -
119926120784 0 8682
119925120784 0 8669
119914119926120784 -393520 9364
Co -110530 8669
119919120784119926 -241820 9904
TABLA 14 VALORES DE ENTALPIacuteAS PARA MEZCLA RICA REAL
Temperatura T=860degK T=850degK T=840degK T=830degK T=820degK
Sustancia h(KJKmol)
120786 120784120787119914119926120784 150008 14778525 14556675 1433525 141151
120785 120789120787119914119926 96630 954225 94215 9301125 9181125
120791119919120784119926 272160 268614 265086 261558 258048
120785120791 120791120787119925120784 10231195 10104154 9977113 9850871 9724629
Total 15419175 152223715 150257905 148300885 146347315
Interpolando entre las temperaturas de 830degK y 820degK se obtiene una temperatura de
combustioacuten para esta mezcla de 119879 = 8264deg119870
435 Anaacutelisis de transferencia de calor por conveccioacuten
En el apartado 433 se determinoacute una cantidad de calor liberado por la reaccioacuten quiacutemica de
combustioacuten de Q = 3045170 kJkmol = 26658 kJkg Esta energiacutea en forma de calor se tomaraacute en
cuenta para calcular el coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
Para este anaacutelisis se considera un modo de transferencia de calor por conveccioacuten entre un soacutelido
y un gas adyacente Seguacuten Cengel entre maacutes raacutepido es el movimiento de un fluido mayor es la
transferencia de calor por conveccioacuten [76]
De acuerdo con la ley de Newton del enfriamiento esta forma de transferencia de calor se expresa
mediante la ecuacioacuten honoriacutefica de este autor
119888119900119899119907 = ℎ119860119904( 119879119904 minus 119879infin )
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
65
Doacutende
h = coeficiente de transferencia de calor por conveccioacuten
As = aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la
transferencia de calor
Ts = temperatura de la superficie
Tinfin = temperatura de los gases de combustioacuten
Para determinar el aacuterea superficial a traveacutes de la cual tiene lugar la conveccioacuten se considera un
cilindro con las dimensiones de la muestra seleccionada con un tamantildeo de 81 mm de diaacutemetro por
864 mm de carrera entonces
As = πDL = π(81 cm)(864 cm) = 2198612cm2 = 2198612x10-4 m2
Es necesario determinar la rapidez o tasa de transferencia de calor para lo cual se determina la
relacioacuten aire combustible para una mezcla con 85 de aire
119903119886119888frasl =
119898119886
119898119888=
119873119886
119873119888
119872119886
119872119888=
(10625)(426)(2897)
114231= 115
119896119892119886119894119903119890
119896119892119888119900119898119887
Doacutende
Na Nc corresponden al nuacutemero de moles del aire y el combustible respectivamente
Ma Mc son la masa molar del aire y la mezcla respectivamente
Desplazamiento por cilindro = V1 ndash V2 = 1800 cm34 = 450 cm3
Relacioacuten de compresioacuten r = 95 =V1V2
Resolviendo se obtiene un volumen inicial V1 = 502941 cm3
Utilizando condiciones iniciales presioacuten de 100 kPa y temperatura de 298degK Mediante la
ecuacioacuten de estado se determina la masa de aire
ma = 11987511198811119872
1198771199061198791
= (100)(5029411990910minus4)(2897)
(8314)(298)= 0000588 k119892
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
66
Con la relacioacuten aire combustible se determina la masa del combustible
119898119888 = 119898119886
119903119886119888=
0000588
115= 000005113 k119892
El calor total liberado durante la combustioacuten es
119876 = 119902119898119888 = 26658119896119869
119896119892(000005113 119896119892) = 1363035 119896119869
El flujo de calor por cilindro para una velocidad del motor de 2700 rpm es
119876 = 1363035119870119869 (1
2119888119894119888119897119900119904
119903119890119907
) (2700119903119890119907
119898119894119899) (1
119898119894119899
60 119904 ) = 306682 119896119882
Esta es la cantidad de flujo de calor que se considera para determinar el coeficiente de
transferencia de calor por conveccioacuten de la siguiente forma
ℎ = 119888119900119899119907
119860119904 ( 119879119904minus119879infin )=
306682 119882
(219861211990910minus41198982)(25minus5533)deg119862= 26398355 119882
1198982deg119862frasl
44 Simulacioacuten
Durante el presente anaacutelisis la geometriacutea de la biela fue elaborada en Solid Works para
posteriormente importarla al software de ANSYS en la simulacioacuten correspondiente Se selecciona
un modelo de malla refinado tal como se muestra en la figura 33 para una solucioacuten precisa y con
resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico - transitorio y estructural
Figura 33Modelo de malla
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
67
Se inicia con un anaacutelisis teacutermico transitorio tomando en cuenta los datos de la muestra del motor
seleccionado asiacute como tambieacuten los resultados obtenidos en el anaacutelisis teacutermico de combustioacuten y por
transferencia de calor El tiempo transitorio se determina con la velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira 2 revoluciones por ciclo termodinaacutemico resultando ser de
004444 segundos El primer resultado muestra la distribucioacuten de temperatura mediante la
transferencia de calor por conveccioacuten tal como se visualiza en la figura 34
Figura 34Distribucioacuten de temperatura
El segundo anaacutelisis es una simulacioacuten estaacutetica estructural vinculada con el anaacutelisis teacutermico
transitorio como se aprecia en la figura 35
Figura 35Flujo transitorio y estaacutetico estructural
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
68
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural es necesario saber la fuerza axial que actuacutea sobre la biela para
lo cual durante el anaacutelisis cineacutetico realizado en el software de Matlab se obtuvieron resultados del
par-motor durante el movimiento de la biela del PMS al PMI El par maacuteximo o torque se obtiene a
los 28deg a parir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de 15380 N Es
importante mencionar que el fabricante estima un par maacuteximo de 300 Nm a 2700 rpm y el
software de Matlab arroja un resultado de 310 Nm La distribucioacuten de temperatura es importada
para el anaacutelisis teacutermico estructural tal como se aprecia en la figura 36
Figura 36Importacioacuten de la temperatura de la biela
Mediante simulacioacuten final del anaacutelisis de flujo teacutermico-transitorio y estaacutetico-estructural se
obtienen resultados de los esfuerzos principales de Von Mises tal como se visualiza en la figura
37
Figura 37 Estado final de esfuerzos de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
69
Un paraacutemetro comparativo es la resistencia a la cedencia del material recomendado para la
fabricacioacuten de la biela Se utilizoacute para este caso un acero 4140 con una resistencia de 470 MPa
(recosido) y de 862 MPa (normalizado) Durante este tiempo la biela resiste con toda seguridad
el impacto de carga y temperatura Sin embargo la realidad es que normalmente el motor se
mantiene acelerado por maacutes tiempo Por ejemplo considerando que el motor trabaje durante un
minuto a la velocidad de 2700 rpm la solucioacuten que se obtiene mediante ANSYS resulta muy
considerable ya que el sobrecalentamiento se genera por estas causas La solucioacuten obtenida se
muestra en la figura 38
Definitivamente el esfuerzo maacuteximo rebasa el liacutemite de cedencia del material esto implica que
en alguacuten momento la parte maacutes vulnerable de la biela estaraacute propensa a sufrir alguna fractura lo
que comuacutenmente se conoce como ldquodesbielarrdquo el motor Esto es lo que genera mantener un motor
revolucionado aunque tambieacuten existen otras causas que contribuyen al sobrecalentamiento como
un sistema deficiente de lubricacioacuten y enfriamiento que en otro caso pueden considerarse motivo
de una investigacioacuten especiacutefica
Figura 38 Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
70
CAPIacuteTULO 5 ANAacuteLISIS Y DISCUSIOacuteN
51 Conclusiones relativas a los objetivos
Cumplimiento del Objetivo general ldquoAnalizar cuaacuteles son los elementos que causan las fallas
de una biela de un motor de combustioacuten interna de cuatro y cuatro cilindros encendido por chispardquo
A partir de los nuevos conocimientos obtenidos en esta investigacioacuten se puede dar por cumplido
el objetivo general teniendo en cuenta los siguientes elementos
Se realizoacute el anaacutelisis de los elementos que ocasionan la falla en un motor de cuatro tiempos
esto mediante el anaacutelisis cinemaacutetico donde se consideroacute el desplazamiento conforme a la
geometriacutea del motor y la velocidad tomando en cuenta el desplazamiento De igual forma se
tomoacute en cuenta la aceleracioacuten y se realzoacute el anaacutelisis cineacutetico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoIdentificar el comportamiento termo estaacutetico de una
biela en un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por
chispardquo
A eacuteste respecto se identificoacute el comportamiento termo estaacutetico mediante las leyes de la
termodinaacutemica para la eficiencia de un motor Otto ideal asiacute como la comprensioacuten isentroacuteprica
la relacioacuten de comprensioacuten y gases obtenieacutendose la eficiencia teacutermica del ciclo Otto
correspondiente al 60
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoDeterminar la fuerza axial de una biela en un motor de
combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Mediante el anaacutelisis cineacutetico y de las fuerzas alternativas de inercia se da por cumplido el
objetivo especiacutefico La fuerza axial que actuacutea sobre la biela variacutea de acuerdo a la posicioacuten
cinemaacutetica Tambieacuten es necesario considerar las fuerzas debidas a la presioacuten del gas durante
el proceso de expansioacuten pues de este resultado se obtiene la fuerza maacutexima que actuacutea sobre el
pistoacuten
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
71
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoObtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para
una reaccioacuten de combustioacuten estequiometricardquo
Mediante el anaacutelisis teacutermico y transferencia de calor se obtuvo la temperatura de flama
adiabaacutetica a partir de los resultados mediante interpolacioacuten Se analizaron los tres tipos de
mezcla para motores encendidos por chispa que corresponden a una mezcla estequiomeacutetrica
una mezcla pobre y una mezcla rica En el caso de la mezcla al 100 de aire se obtuvo una
estequiomeacutetrica balanceada donde se hizo la tabulacioacuten de la entalpiacutea con su correspondiente
sustancia al igual que la mezcla pobre obtenieacutendose una temperatura de 119879 = 2248144deg119870
Referente a la mezcla rica se realizoacute la interpolacioacuten entre los valores de 2300degK y 2200degK
resultando una temperatura para esta mezcla de 119879 = 2223305deg119870 por lo que se da por
cumplido este objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoSimular la geometriacutea estaacutetica y estructural de la biela
para identificar posibles deformacionesrdquo
Se realizoacute la simulacioacuten con un modelo de malla refinado en el Software de Aplicacioacuten Solid
Works donde posteriormente se importoacute al software ANSYS Se inicioacute con el anaacutelisis teacutermico
transitorio El tiempo transitorio se determina con una velocidad de rotacioacuten de 2700 rpm
Tomando en cuenta que el ciguumlentildeal gira dos revoluciones por ciclo termodinaacutemico este tiempo
resulta ser de 004444 segundos El primer resultado mostroacute la distribucioacuten de temperatura
mediante la transferencia de calor por conveccioacuten
Para el anaacutelisis estaacutetico estructural se usoacute el software de MATLAB El par maacuteximo
corresponde a 28deg a partir del PMS punto en el cual la fuerza axial en la biela resulta ser de
15380 N Es importante mencionar que el fabricante estimoacute un par maacuteximo de 300 Nm a 2700
rpm mientras que el software de MATLAB arrojoacute un resultado de 310 Nm Por lo que se da
por cumplido el objetivo especiacutefico
Cumplimiento del objetivo especiacutefico ldquoElaborar un anaacutelisis de las posibles fallas de la biela de
un motor de combustioacuten interna de cuatro tiempos y cuatro cilindros encendido por chispardquo
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
72
Respecto al anaacutelisis cineacutetico y cinemaacutetico se encontroacute que para la fabricacioacuten de la biela es
recomendable la resistencia de la cedencia es decir un acero 4140 con una resistencia de 470
MPa (recosido) y de 862 MPa (normalizado) Con estos paraacutemetros la biela resistiraacute con toda
seguridad el impacto de carga y temperatura
52 Aportaciones originales
La presente investigacioacuten tiene cuatro aportaciones las cuales se describen a continuacioacuten
Un primer aporte de esta investigacioacuten consistioacute en haber realizado un anaacutelisis cinemaacutetico
considerando el desplazamiento la velocidad y aceleracioacuten lo cual fue el objeto de estudio
para producir cambios en la biela de un motor VW Golf MK4 GTI 18T Respecto a la revisioacuten
de las fuentes primarias se encontraron los fundamentos teoacutericos necesarios para la
elaboracioacuten de dicha investigacioacuten que al ser analizado y aplicado dio un diagnoacutestico de la
situacioacuten actual de las fallas de una biela
Una segunda aportacioacuten fue el haber realizado el anaacutelisis estaacutetico estructural para saber la
fuerza axial que actuacutea sobre la biela Para esto durante el anaacutelisis cineacutetico se utilizoacute el software
de MATLAB con el que se obtuvieron resultados del par-motor durante el movimiento de la
biela del PMS al PMI
La tercera aportacioacuten de esta investigacioacuten consistioacute en realizar un anaacutelisis teacutermico por
transferencia de calor para poder identificar la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica
considerando tres tipos de mezcla que son 100 de aire mezcla pobre y mezcla rica Asiacute como
la determinacioacuten de la temperatura real de combustioacuten y sus mezclas correspondientes para
obtener la temperatura de combustioacuten adiabaacutetica para una reaccioacuten de combustioacuten
estequiometrica
La cuarta aportacioacuten de esta investigacioacuten fue la generacioacuten de la geometriacutea de la biela usando
el software en Solid Works posteriormente importada al software de ANSYS la obtencioacuten de
una solucioacuten precisa y con resultados confiables en el anaacutelisis teacutermico transitorio y estructural
|
53 Recomendaciones para futuros estudios
Se recomienda para futuros estudios profundizar en la temaacutetica de mecaacutenica Los problemas que
deja abiertos esta investigacioacuten para futuros estudios son los siguientes
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
73
Se evidencia la necesidad de que las empresas dedicadas a la fabricacioacuten de piezas mecaacutenicas
establezcan paraacutemetros y realicen simulaciones adecuadas de las piezas que conforman los
autos para que no tengan fallas en un futuro
Se recomienda realizar investigaciones en el aacuterea de mecaacutenica que deacute seguimiento a las liacuteneas
de investigacioacuten de termo fluidos y disentildeo implementando un laboratorio de pruebas de
motores de combustioacuten interna que aunado a la simulacioacuten los resultados seriacutean maacutes eficientes
Difusioacuten de los resultados de esta investigacioacuten con la presentacioacuten de los mismo en congresos
y revistas
Finalmente se recomienda realizar investigaciones correspondientes a las fallas mecaacutenicas
diferentes a las abordadas en este estudio en relacioacuten con los motores de combustioacuten interna y
los factores que inciden negativamente
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
74
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Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
80
ANEXOS
ANEXO I
Para el anaacutelisis cinemaacutetico y utilizando la nomenclatura de la figura 22 se determinaron el
desplazamiento velocidad y aceleracioacuten correspondientes por medio del software de MATLAB
El anaacutelisis completo corresponde al movimiento alternativo durante un ciclo termodinaacutemico
DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN
Programa para determinar el desplazamiento ldquoxrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de
360 grados
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ANEXO II
VELOCIDAD DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la velocidad ldquovrdquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
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ANEXO III
ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN
Programa para determinar la aceleracioacuten ldquoardquo del pistoacuten durante un movimiento angular de 360
grados
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ANEXO IV
FUERZAS ALTERNATIVAS
En el anaacutelisis cineacutetico las fuerzas alternativas representan parte de la carga que actuacutea en el
pistoacuten considerando la aceleracioacuten del mismo en la segunda ley de Newton Se utilizoacute el
software de MATLAB durante este anaacutelisis
Programa para determinar las fuerzas alternativas de primer orden y segundo orden durante un
movimiento alternativo del pistoacuten
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LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL DESPLAZAMIENTO
LA VELOCIDAD LA ACELERACIOacuteN Y FUERZAS ALTERNATIVAS DE INERCIA ES
syms x
Longitud de la Biela
L=144
Radio De La Manivela
r=0432
Carrera Del Piston
C=2r
Angulo entre eje de la biela con Cilindro (beta)
b=0
lamda=rL
________DESPLAZAMIENTO DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Deslizamiento angular de la Manivela (alpha)
a = 0pi184pi
Desplazamineto del Piston
x=r(1-cos(a))+L((1-(lamda^2)(sin(a))^2))^12
x=r(1-cos(a))
y=010720
subplot(221)
plot(yx)
ylabel(Desplazamiento Del Piston (m))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________VELOCIDAD DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Velocidad del Piston
V=diff (x)
y=010710
subplot(222)
Anaacutelisis por sobrecalentamiento de la biela de un motor de combustioacuten interna encendido por chispa
85
plot(yV)
ylabel(Velocidad Del Piston (ms))
xlabel(aacutengulo de la Manivela)
grid on
________ACELERACIOacuteN DEL PISTOacuteN EN FUNCIOacuteN DE AacuteNGULO DE
MANIVELA_________
Aceleracioacuten del Piston
A=diff (V)
y=010700
subplot(223)
plot(yA)
ylabel(Aceleracioacuten Del Piston (ms^2))
xlabel(GRADOS)
grid on
Masa
m=660
Revoluciones Por Minuto
n=2700
Velocidad Angular
W=(2pin)60
lamda=rL
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE PRIMER ORDEN_________
F1=m(W^2)rcos(a)biela de longitud infinita
________FUERZA ALTERNA INERCIA DE SEGUNDO ORDEN_________
F2=m(W^2)rlamdacos(2a)biela de longitud infinita
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86
F2=m(W^2)r(cos(a)+lamdacos(2a))biela de longitud finita
y=010720
subplot(224)
plot(yF1r-yF2b-)
ylabel(Fuerzas Alternativos (N))
xlabel(GRADOS)
legend(Fza Inercia 1deg Orden Fza Inercia 2deg Orden)
grid on
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ANEXO V
ANAacuteLISIS DE LA FUERZA EN LA BIELA
Programa para determinar la fuerza durante el movimiento alternativo del pistoacuten
LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA LA FUERZA EN LA
BIELA ES
Diagrama Par-Motor
function[F]=Fbexplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00432
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
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lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Fb=F(1-(lambda^2)(sin(alphar))^2)^05
plot(alphaFb)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Fuerza en la Biela N))
title(Fb Explosion)
end
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ANEXO VI
DIAGRAMA PAR-MOTOR
Programa para determinar el par-motor durante el movimiento alternativo del pistoacuten
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LA PROGRAMACIOacuteN EN EL SOFTWARE DE MATLAB PARA EL PAR-MOTOR ES
Diagrama Par-Motor
function[Mt1]=ParMotorExplosion
alpha=3602540
alphar=alpha(pi180)
r=00437
L=0144
Ma=66
dmm=87
dm=dmm1000
lambda=rL
omega=2700((2pi)60)
x=(r(1-cos(alphar)))+L(1-(sqrt((1-((lambda)^2)(sin(alphar))^2))))
V=(pidm^2)(x+01)
Px=91807(V^14)
Fx=Px(pidm^2)
Fa=-Ma(omega^2)r((cos(alphar))+((lambda)(cos(2alphar))))
F=Fx-Fa
Mt1=Fr(sin(alphar))+(((lambdasin(alphar)))cos(alphar))(sqrt(1-
lambda^2((sin(alphar))^2)))
plot(alphaMt1)
grid on
xlabel(Grados(deg))
ylabel(Par Motor(Nm))
title(Par Motor Explosion)
end
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PRODUCTOS ACADEacuteMICOS
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