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FECHA

NUMERO RAEPROGRAMA Programa de ingenieria Aeronutica de la Universidad de San Buenaventura Bogot

AUTOR GARCIA ROJAS, Carlos EduardoTITULO Diseo de un banco de pruebas para el motor de pistn ciclo otto de cuatro tiempos amc 200.

PALABRAS CLAVES Motor, Banco de pruebas, Estructura, Esfuerzos.

DESCRIPCION

Este proyecto presenta un diseo de un banco de prueba para el motor AMC 200 de cuatro tiempos ciclo Otto, el cual posee una metodologa bsica para el diseo de motores de cuatro tiempos, una seleccion de los sensores de adquisicin de datos, un diseo de la estructura del banco de prueba y la elaboracin de los planos de ingenieria y construccin.

LVAREZ Jess. Motores alternativos de combustin interna: Caractersticas operativas del motor. Edicions UPC, 2005. p. 100. ISBN:84-8301-818-5

CREUS SOLE, Antonio. Instrumentacin industrial, septima edicin. Espaa: Marcombo S.A, 2005, p.1 359. ISBN 84-267-1361-0

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J. KATES Edgar. Motores diesel y de gas de alta compresin. Segunda edicin. Barcelona: Editorial Revert, 1981: p. 205. ISBN:84-291-4837-X

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NTC 5613:2008, Referencias bibliograficas. Contenido, forma y estructura

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FUENTES BIBLIOGRAFICAS

NUMERO RAEPROGRAMA Programa de ingenieria Aeronutica de la Universidad de San Buenaventura Bogot

CONTENIDO

Objetivo General: Disear un banco de pruebas para el motor de pistn ciclo Otto de cuatro tiempos AMC 200.

1.4.2 Objetivos Especficos Planificar una metodologa bsica para el diseo del motor de cuatro tiempos Seleccionar los sensores de adquisicin de datos para el banco de prueba Disear la estructura del banco de prueba Elaborar planos de ingenieria y de construccin.

ENFOQUE DE LA INVESTIGACINEl presente proyecto est enfocado a la investigacin Emprico-analtica, ya que el inters del proyecto es tcnico, orientado a la interpretacin y transformacin del mundo material.

3.2 LNEA DE INVESTIGACIN DE USB / SUB-LNEA DE FACULTAD / CAMPO TEMTICO DEL PROGRAMA Campo temtico del programa de ingeniera aeronutica. Motores. Lnea de investigacin de la universidad.Tecnologas actuales. La sub-lnea de investigacin de la facultad:Instrumentacin y control de procesos

Para el proceso de investigacin, se recurri como primera medida a la literatura disponible en centros como la biblioteca de la Universidad de San Buenaventura, biblioteca Luis ngel Arango, biblioteca Nacional, as como algunos libros de bibliotecas privadas y libros afines. Una vez se reuni el material en torno al funcionamiento de los diversos sistemas del motor y de los diversos instrumentos de medicin del banco se procedi a seleccionar el instrumental que se considero necesario para realizar las mediciones bsicas en el laboratorio.Al concluir la primera parte de la investigacin se inicio el proceso de diseo del banco de pruebas, configuracin del tipo de sistema de freno a utilizar en el banco y de la configuracin del panel de carga. Al finalizar este diseo se realizan los clculos estructurales de la seccin de pruebas y por ltimo se desarrolla la metodologa y programacin para el diseo bsico de un motor de cuatro tiempos

El diseo de la estructura del banco de prueba consta de dos secciones que son: el panel decontrol y la seccion de pruebas. El panel de control fue diseado de tal forma que el estudiantetenga un facil acceso a toda la instrumentacion para poder controlar sus mediciones desdeeste punto, con la ventaja de tener un espacio donde puede apuntar todos los movimientos querealice en las pruebas.La seccin de pruebas la compone el motor, el reductor de velocidad y el generador entreotros, los cuales son montados sobre una mesa con eleastomeros y se encuentraindependiente del panel de control para evitar factores que afecten la medidad en el panel deintrumentos por causa de ruidos que generen vibraciones.

El diseo del freno motor, por medio del conjunto reductor - generador - panel de carga, esexitoso ya que permite fijar la velocidad rotacional deseada en el motor para dar paso a lamedicion de las variables operacionales, por medio de la instrumentacin digital montada en elpanel de control y en el motor.

La elaboracin de planos de ingenieria y de construccin, son de vital importancia para laetapa de construccin ya que es la base fundamental para la realizacion de este proceso, enellos se muestra detalladamente que materiales se utilizan y las formas de cada una de laspiezas con medidas y representaciones determinadas.

METODOLOGIA

CONCLUSIONES

DISEO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA EL MOTOR DE PISTN CICLO OTTO DE CUATRO TIEMPOS AMC 200.

CARLOS EDUARDO GARCIA ROJAS

UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO INGENIERA AERONUTICA BOGOT D.C.

2010

DISEO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA EL MOTOR DE PISTN CICLO OTTO DE CUATRO TIEMPOS AMC 200.

CARLOS EDUARDO GARCIA ROJAS CODIGO 2000174011

Proyecto de grado Director

ARNOLD ESCOBAR GARZON Ingeniero Aeronutico

UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO INGENIERA AERONUTICA BOGOT D.C.

2010

Nota de aceptacin:

________________________________________ ________________________________________ ________________________________________ ________________________________________ ________________________________________ ________________________________________ ________________________________________

__________________________________

Firma Presidente del jurado

__________________________________ Firma del jurado

___________________________________ Firma del jurado

Bogot, D.C Octubre de 2010

AGRADECIMIENTOS Y DEDICATORIA

Este trabajo es la muestra de una larga dedicacin y de un gran aprendizaje de la

vida laboral cotidiana e ingenieril. Espero que el proyecto sea de gran beneficio

para nuevos estudiantes de ingenieria de la universidad de San Buenaventura y

as lograr cumplir con el objetivo propuesto. Deseo dedicar y agradecer con

inmensa gratitud a todos aquellos que de una u otra manera me ayudaron en el

desarrollo del proyecto.

Agradezco inmensamente a mis padres, Israel Garca y Ana Leticia Rojas, que

confiaron en m, me brindaron la posibilidad de lograr mis metas y que siempre

estn presentes para cualquier acontecimiento de mi vida, siendo la fuente de

apoyo y cario perfecto, deseo mostrarles mi inmensa gratitud y orgullo hacia

ellos, porque sin su apoyo no hubiese podido llegar a ser el buen ingeniero y

persona que soy.

Gracias a mi asesor de tesis, Arnold Escobar, por brindarme su apoyo

incondicional en la realizacin del proyecto y ser el gua durante el transcurso de

este largo trabajo, brindndome soluciones para hacer posible el desarrollo de

este banco de prueba.

Agradezco a Dios por darme la sabidura para solucionar cada uno de los

tropiezos que surgieron en el desarrollo de este proyecto y darme la energa para

no bajar nunca la cabeza ante las dificultades. Tambin agradezco a Andrea

Gutirrez por su lindo aporte sentimental y por estar incondicionalmente en las

situaciones buenas y malas.

Y a todas aquellas personas que siempre llevo en mi corazn como mi hermana y

mi familia, infinitas gracias les doy por su apoyo moral.

CONTENIDO

Pg. INTRODUCCIN......14 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........15

1.1 ANTECEDENTES.....15

1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROYECTO.......18 1.3 JUSTIFICACIN........18 1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN......19

1.4.1 Objetivo General.......19

1.4.2 Objetivos Especficos.......19

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO....19

1.5.1 Alcances........19 1.5.2 Limitaciones..20 2 MARCO DE REFERENCIA ..20

2.1 MARCO TERICO - CONCEPTUAL....20

2.1.1 Motor de cuatro tiempos......20

2.1.2 Componentes del motor de cuatro tiempos.............22 2.1.2.1 Cilindro....... 22

2.1.2.2 Pistn...24 2.1.2.3 Anillos......25 2.1.2.4 Biela.....26

2.1.2.5 Sistema Biela-Cigeal....29 2.1.2.6 Carter........30 2.1.3 Sistemas del motor de cuatro tiempos......31

2.1.3.1 Sistema de lubricacin......31

2.1.3.2 Sistema de refrigeracin.......34 2.1.3.3 Sistema de encendido.......36 2.1.3.4 Sistema elctrico.....38

3 DISEO METODOLGCO ...40

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN.......40

3.2 LNEA DE INVESTIGACIN DE USB/SUBLINEA DE FACULTAD/CAMPO TEMTICO DEL PROGRAMA..40 3.3 TCNICAS DE RECOLECCIN DE INFORMACIN......41 4 DESARROLLO INGENIERIL: METODOLOGA BSICA PARA

EL DISEO DEL MOTOR A CUATRO TIEMPOS.....42 4.1 PROPIEDADES GEOMTRICAS DE LOS MOTORES DE CUATRO

TIEMPOS...42 4.1.1 Relacin carrera del pistn dimetro......43 4.1.2 Desplazamiento del motor.........44 4.1.3 Relacin de compresin...................44 4.1.4 Relacin biela - manivela - carrera- dimetro.........46

4.1.5 Velocidad media del pistn.............47

4.1.6 Fuerza media que desarrolla la manivela por el pistn....47

4.1.7 Porcentaje de espacio muerto........47

4.2 PROPIEDADES TRMICAS Y PARMETROS DE FUNCIONAMIENTO........48

4.2.1 Eficiencia trmica.....48

4.2.2 Temperatura al final de la compresin.....49

4.2.3 Calor agregado por unidad de masa........49 4.2.4 Trabajo por unidad trmica.....50 4.2.5 Potencia mx.......50

4.2.6 Flujo de masa mx...........50

4.2.7 Presin media efectiva........51

4.2.8 Potencia indicada................52

4.2.9 Rendimiento mecnico...52

4.2.10 Potencia al freno........53

4.2.11 Rendimiento volumtrico......53

4.2.12 Consumo especfico de combustible.....54

4.2.13 Medicin del torque mximo........55

4.3. FUNCIONAMIENTO GENERAL DEL BANCO DE PRUEBA.....56 4.4 CLCULO BSICO PARA EL DISEO DE MOTORES CUATRO TIEMPO..........56

5. DESARROLLO DEL PROYECTO...........60 5.1 INSTRUMENTACIN DEL BANCO DE PRUEBA.....61 5.1.1 Dispositivos para el panel de control....61 5.1.1.1 Tacmetros (medidor de la velocidad rotacional)....63

5.1.1.2 Medidor de flujo de combustible.....66

5.1.1.3 Medidor de suministro de aire......70

5.1.1.4 Medidor de temperatura.....73 5.1.1.5 Voltmetro - Ampermetro (Medidores del generador y regulador).........77 5.1.1.6 Accesorios del panel de control......82 5.1.2 Dispositivos de la seccin de prueba.........84 5.1.2.1 Descripcin de los dispositivos.....84 5.2.1.1 Motor AMC 200......84 5.2.1.2 Reductor de velocidad.......85 5.2.1.3 Generador elctrico....86 5.2.1.4 Accesorios...87 5.2 DISEO ESTRUCTURAL DEL BANCO DE PRUEBAS......90 5.2.1 Clculo estructural de la seccin de pruebas.........90 5.2.1.1 Calculo esttico.91 5.2.1.2 Deformacin de la estructura modelada en ANSYS....114 6. CONCLUSIONES....118 7. RECOMENDACIONES..119 BIBLIOGRAFA.......120 ANEXOS .....123

LISTA DE TABLAS

Pg.

Tabla1. Ficha tcnica motor AMC 200.....42 Tabla 2. Metodologa bsica del diseo de un motor de cuatro tiempos, programada en EXCEL: Parmetros iniciales....58 Tabla 3. Metodologa bsica del diseo de un motor de cuatro tiempos, programada en EXCEL: Parmetros a calcular..59 Tabla 4. Tacmetros digitales....64 Tabla 5. Vacumetros digitales.71 Tabla 6. Termmetros digitales.....75 Tabla 7. Tipos de termocupla........77 Tabla 8. Ampermetros digitales....79 Tabla 9. Voltmetros digitales....81 Tabla 10. Clculo estructural...110 Tabla 11. Propiedades del material: Acero estructural A36....114

LISTA DE FIGURAS

Pg. Figura 1. Banco de pruebas CT 110........16 Figura 2. Banco de pruebas CT 159.....17 Figura 3. Ciclo Otto..........21 Figura 4. Geometra del cilindro, pistn, biela, cigeal.........45 Figura 5. Panel de control......61 Figura 6. Descarga de combustible desde el recipiente calibrado ....67 Figura 7. Ubicacin del sensor de presin en el motor........73

Figura 8. Componentes del acople......88 Figura 9. Seccin estructural a calcular (estructura base)...93 Figura 10. Vista Superior.....93 Figura 11. Vista lateral.....94 Figura 12. Seccin de barras (k-l y h-g) y (a*-c* y b*-d*)95 Figura 13. Clculo de la seccin (a*-c* y b*-d*)...96

Figura 14. Clculo de la seccin (k-l y h-g)......97

Figura 15. Seccin de barras (k-j y h-i)..98

Figura 16. Clculo de la seccin (k-j y h-i)....98

Figura 17. Seccin de barras (m-n y f-e)...99

Figura 18. Clculo de la seccin (m-n y f-e).99

Figura 19. Estructura base simplificada...100

Figura 20. Clculo de la seccin (a-r)........101

Figura 21. Clculo de la seccin (b-k*).102

Figura 22. Clculo de la seccin (c-p)..103

Figura 23. Clculo de la seccin (d-o)......104

Figura 24. Clculo de la seccin (r-o).......105

Figura 25. Clculo de la seccin (a-d)..106

Figura 26. Esfuerzo cortante puro.112

Figura 27. Banco de la seccin de prueba modelado en ANSYS...115

Figura 28. Esfuerzos cortantes puros (ANSYS)..116

Figura 29. Deformaciones en la seccin de pruebas.117

LISTA DE ANEXOS

Pg. ANEXO 1 Variables utilizadas en la metodologa para el diseo de un motor de cuatro tiempos.........................................123

ANEXO 2 Ficha tcnica del acero estructural A36.........125

ANEXO 3 Instrumentacin del banco de pruebas..129

Anexo A. Tacmetro digital.....129 Anexo B. Balanza digital.............135 Anexo C. Cronmetro digital......136 Anexo D. Vacumetro.....137 Anexo E. Termmetro digital......142 Anexo F. Amperimetro.........145 Anexo G. Voltimetro..........149 Anexo H. Caja de conexiones elctricas..........153 Anexo I. Reductor de velocidad RG 06....157 Anexo J. Generador elctrico GTA161AIHJ ...160 ANEXO 4 Planos de ingenieria del banco de pruebas163 ANEXO 5 Anlisis en el proceso de soldadura mig/mag.196

RESUMEN

En este proyecto de grado se realizo el diseo del banco de prueba para el motor

de combustin interna AMC 200.

Se escogieron dispositivos e instrumentacin necesaria para el buen desempeo

del la maquina y se diseo el banco de pruebas con el freno motor y la estructura.

En la estructura se realizaron clculos estructurales en secciones donde las

cargas son apreciables y se simulo la deformacin en Ansys. Por ltimo se

muestra la metodologa bsica para el diseo de un motor de cuatro tiempos.

14

INTRODUCCIN

Este proyecto se presenta con el fin de lograr un avance en el aprendizaje de

motores recprocos de cuatro tiempos para el estudiante de Ingeniera

Aeronutica, ya que tendr la oportunidad de ratificar elementos con el manejo

directo de todas las variables que afectan el funcionamiento del motor, se

desarrolla para proporcionar al estudiante un conocimiento ms profundo en este

tipo de motores. La universidad cuenta con una serie de laboratorios para llevar a

cabo pruebas experimentales en diversos campos de ingeniera, pero no posee un

laboratorio para motores recprocos de cuatro tiempos, el propsito del proyecto

es realizar el diseo de un banco de pruebas para el motor AMC 200, donde el

estudiante pueda realizar pruebas para diferentes parmetros del motor.

El grupo de investigacin en motores de la Universidad de San Buenaventura-

Bogot GIMOC, han venido trabajando en diseo, construccin y mtodos de

enseanza; la metodologa que la universidad ha implementado en la materia de

Motores de pistn se ha dado de manera terica, con este proyecto se busca

tecnificar la metodologa de la materia, para que as el estudiante pueda obtener

una formacin ms completa, enfatizando en la parte experimental de los motores

de cuatro tiempos.

Finalmente, rene diferentes areas de formacin acadmica como son el rea de

motores, el rea de estructuras, el rea de diseo, programacin, modelos

matemticos, entre otros; los cuales son de vital importancia para la realizacin

del proyecto y de futuras investigaciones en el campo de los motores.

15

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 ANTECEDENTES

El primer banco de prueba el cual fue montado para la construccin del primer

motor diesel data del siglo XX, del ao 1893. Se conoce muy poco acerca de este

banco, sin embargo los alcances que ha tenido el desarrollo en bancos de prueba

para motores de combustin interna han ido evolucionando en el transcurso de los

aos, ya que en estos motores se han llevado a cabo mejoras en cuanto al

rendimiento del mismo.

Todos los motores de nueva construccin son sometidos a una larga serie de

mediciones alternadas con severas pruebas de durabilidad y de carga, que se

repiten hasta una precisa puesta a punto, las pruebas principales son las que

sirven para obtener los valores relativos al par motor, la presin media efectiva, la

potencia desarrollada, el consumo especfico de combustible, los diferentes

rendimientos as como la composicin de los gases de escape.

En los bancos de pruebas, los motores se instalan en un soporte debidamente

diseado para realizarles las pruebas de laboratorio. El eje de salida del motor se

acopla a un freno para ofrecer resistencia a la rotacin del motor. El motor debe

tener los elementos para que pueda trabajar en forma continua durante los

periodos que incluyen las pruebas. Por este motivo el motor se debe equipar con

dispositivos que permitan medir las variables y tambin lograr que el proceso se

lleve bajo condiciones estables.

A los dispositivos fundamentales para la medicin de las diferentes variables se

suele adicionar la instrumentacin necesaria para medir los parmetros requeridos

y los medios para ajustar la carga de operacin.

16

En algunos casos se debe conectar auxiliares como sobrealimentadores o

enfriadores que tengan fuente exterior de energa, para que no tomen potencia del

motor.

Finalmente, los bancos de prueba que existen hoy da en el mercado, tratan de

obtener del motor, la mayor cantidad de parmetros indispensables para la

optimizacin del mismo, para obtener estos parmetros, los cuales son necesarios

para el anlisis del motor recproco, es necesario realizar ensayos sobre un banco

de pruebas. Se encuentra en el mercado diversos bancos de pruebas los cuales

cuentan con ciertas especificaciones que los difieren unos de otros, como las

siguientes:

Figura 1. Banco de pruebas CT110

Fuente: G.U.N.T. Equipment for engineering education. Disponible en:

http://www.gunt.de/static/s3689_3.php

Con este banco de pruebas se mide la potencia de motores de combustin interna

de hasta 7,5kW. El banco de pruebas completo consta de dos elementos

principales: CT 110 como unidad de mando y de carga y un motor opcional: motor

de gasolina de cuatro tiempos (CT 100.20), motor de gasolina de dos tiempos

(CT 100.21), as como dos motores Diesel de cuatro tiempos (CT 100.22,

17

refrigerado por aire, con inyeccin directa; CT 100.23, refrigerado por agua, con

inyeccin indirecta).

La funcin principal del CT 110 es poner a disposicin la potencia de frenado

requerida.

Figura 2. Banco de pruebas CT 159

Fuente: Ibd.

Con este banco de pruebas se mide la potencia de motores de combustin interna

de hasta 2,2kW. El banco de pruebas completo consta de tres elementos

principales: CT 159 para el alojamiento del motor y para el mando, la unidad

universal de accionamiento y frenado HM 365 como unidad de carga y un motor

opcional: motor Diesel de cuatro tiempos (CT 151), motor de gasolina de dos

tiempos (CT 153), as como dos motores de gasolina de cuatro tiempos (CT 150;

CT 152, motor con compresin variable).

La funcin principal de CT 159 es el alojamiento del motor, su abastecimiento de

combustible y aire y la adquisicin y la indicacin de datos de medicin relevantes.

El motor se monta sobre un fundamento aislado contra las vibraciones y se

conecta a la unidad HM 365 a travs de una transmisin por correa. 1

1 G.U.N.T-Equipment for engineering education http://www.gunt.de/static/s3689_3.php

18

1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROYECTO

En la universidad, existen laboratorios para diferentes asignaturas, pero no

cuentan con un banco de pruebas para el laboratorio de motores. Este proyecto

presenta un diseo de un banco de prueba, el cual va a ser de gran ayuda para

los estudiantes de ingenieria aeronutica ya que podrn realizar pruebas prcticas

experimentales en dicho banco.

Cmo disear un banco de prueba para un motor de pistn ciclo Otto de cuatro

tiempos?

1.3 JUSTIFICACIN

Se diseara un banco de pruebas para un motor de cuatro tiempos (motor

prototipo AMC 200), que evala el funcionamiento del mismo y arroje

principalmente curvas de potencia y consumo especfico de combustible en

funcin de la frecuencia rotacional del motor (RPM). El banco cuenta con un

programa que contiene la metodologa bsica de construccin de un motor de

cuatro tiempos, para que el estudiante realice pruebas didcticas de comparacin

y as pueda comprender la teora con mayor facilidad.

El proyecto propone una visin de aprendizaje con mayor tecnologa, formando

ingenieros competentes para la industria colombiana. Contando con un banco de

prueba el docente tendr una herramienta esencial para la comparacin terico-

prctica y corroboracin de previos anlisis realizados por el estudiante de

ingeniera. El estudiante tendr la posibilidad de operar y manipular la maquina,

comparar diagramas y corroborar clculos tericos con clculos experimentales

para poder dar un veredicto real del anlisis.

19

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN

1.4.1 Objetivo General: Disear un banco de pruebas para el motor de pistn

ciclo Otto de cuatro tiempos AMC 200.

1.4.2 Objetivos Especficos

Planificar una metodologa bsica para el diseo del motor de cuatro

tiempos

Seleccionar los sensores de adquisicin de datos para el banco de prueba

Disear la estructura del banco de prueba

Elaborar planos de ingenieria y de construccin.

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO

1.5.1 Alcances: El proyecto presenta el diseo de un banco de prueba para el

motor de cuatro tiempos (prototipo motor: AMC 200), el cual proporcionar

mltiples beneficios para los estudiantes de motores, donde tendrn la

oportunidad de corroborar elementos experimentalmente, con el manejo directo de

todas las variables que afectan el funcionamiento de los motores y obteniendo

curvas de potencia, consumo especifico de combustible, temperaturas y

presiones, en funcin de la frecuencia rotacional (RPM), las cuales son

procesadas en un programa, el cual analiza lgicamente esta informacin, para

as poder comprender la teora con mayor facilidad, identificar los efectos de

modificaciones previamente establecidas, probar teoras desarrolladas y verificar

la informacin del fabricante.

20

1.5.2 Limitaciones: El grupo de investigacin (GIMOC) cuenta con dos fases

para la realizacin del laboratorio de motores, que son el diseo y la construccin.

Este proyecto limita la etapa de construccin enfocndose directamente con la

etapa de diseo del banco de pruebas.

La etapa de diseo limita el clculo estructural de la seccin de prueba en un

clculo esttico, ya que las cargas ejercidas sobre este banco son despreciables

en comparacin a la resistencia estructural del mismo. Por otra parte se limita la

metodologa del diseo de un motor de cuatro tiempos, a una metodologa bsica

enfocada en el funcionamiento del motor AMC200.

2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 MARCO TERICO - CONCEPTUAL

2.1.1 Motor de cuatro tiempos: El banco de pruebas a desarrollar es para un

motor reciproco de cuatro tiempos, se estudia en primera medida la parte

termodinmica, investigando acerca de cada uno de los ciclos operativos del

motor.

Se denomina motor de cuatro tiempos, al que precisa cuatro, o en ocasiones

cinco, carreras del pistn o mbolo - dos vueltas completas del cigeal - para

completar el ciclo termodinmico de combustin. Estos cuatro tiempos son:

1 Tiempo (Admisin)

2 Tiempo (Compresin)

3 Tiempo (Expansin)

4 Tiempo (Escape)

21

Figura 3. Ciclo Otto

Fuente: William H. Crouse, Donald L. Anglin. Mecanica de la motocicleta.

Barcelona:Mc Graw-Hill,2004. p 61.

22

Primer tiempo o admisin: en esta fase el descenso del pistn aspira la

mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado o el aire

en motores diesel. La vlvula de cierre se encuentra cerrada, mientras que

la admisin por el contrario permanece abierta.

Segundo tiempo o compresin: cuando se llega al punto muerto superior,

la vlvula de admisin se cierra, y en este momento se comprime el gas

contenido dentro de la cmara.

Tercer tiempo o explosin: cuando el pistn se encuentra en el punto

muerto superior o (pms), la mezcla se encuentra totalmente en la presin

mxima. La buja provoca la chispa y se inflama la mezcla, por otro el

combustible es suministrado por medio del inyector, esta mezcla se auto

inflama a causa de la presin y temperaturas encontradas dentro de la

cmara. El pistn es empujado hacia el punto muerto inferior a causa de la

explosin y es la nico tiempo en el que se obtiene trabajo.

Cuarto tiempo o escape: en esta fase el pistn vuelve a ascender a punto

muerto superior, y de esta forma los gases son expulsados a travs de la

vlvula de escape, y de esta forma reinicia el ciclo de cuatro tiempos

2.1.2 Componentes del motor de cuatro tiempos:

2.1.2.1 Cilindro: El cilindro consta de dos partes prcticamente, un barril y una

cabeza tambin llamada culata.

El barril es fabricado de acero forjado con aleacin al cromo-nquel-molibdeno,

con cuerda en la parte superior para unirse a la cabeza mediante l apriete

trmico la cual es fabricada de aleacin de aluminio, ambos con aletas de

enfriamiento integradas. Los requisitos bsicos para su diseo y que deben

cumplir los cilindros usados en motores alternativos de aviacin son:

23

Proveer el espacio suficiente para encerrar la carga de mezcla que en cada

revolucin se requiere para, mediante reaccin qumica dar lugar a la

formacin de energa calorfica.

Servir de gua al embolo en su movimiento alterno.

Desalojar energa calorfica en mayor cantidad posible como producto de la

combustin.

Servir de soporte para las guas y vlvulas. Contar con un espacio

adecuado para la colocacin de la buja y en su caso los inyectores de

combustin.

Contar con una zona para ubicar y sujetar a los ductos o mltiples de

admisin y escape.

Adems de todos los requisitos antes sealados, los cilindros de uso aeronutico

deben ser los ms ligeros posibles.

La cabeza del cilindro fabricada de aleacin de aluminio como se menciona

anteriormente, tiene como funciones principales:

1) Alojar la cmara de combustin

2) Permitir el alojamiento del mecanismo de vlvulas

3) Permitir el alojamiento de las lumbreras (Bujas, ductos de admisin y

escape)

A estos cilindros se les aplican unas pruebas llamadas Pruebas No Destructivas

(N.D.T.) (No Destructing Test), cuando son prcticamente nuevos.

24

A la cabeza del barril se le practica una prueba llamada (P.T.) o Penetrant Test,

una prueba de penetramiento en el cual se establece que no sea propenso a

rupturas con facilidad

Al barril del cilindro se le practica el (M.T.) o Magnetic Test, esta es una prueba

magntica

2.1.2.2 Pistn: Fabricadas de aleacin de aluminio, las hay de tres tipos:

Cabeza Plana

Cabeza Cncava

Cabeza Convexa

Existen caractersticas definidas del material que servir para su construccin,

siendo el diseador con base a su experiencia quien seleccione el material y en

nuestro caso lo haremos con fundamento a la reglamentacin y a lo indicado en

nuestros medios de investigacin.

Con estos antecedentes a continuacin se indican las funciones que desempea

l embolo especficamente para un motor de aviacin, ya que ellos estn llamados

a satisfacer un gran nmero de requisitos, por tanto:

Debe tomar toda la carga de la presin del gas, sin que el material de

construccin se distorsione apreciablemente.

Ajustar perfectamente en las paredes del cilindro para evitar golpes o

ralladuras.

El material de construccin debe de tener un coeficiente de expansin lineal

que le permita no quedar apretado cuando la temperatura aumente, ni

demasiado flojo cuando se enfre.

25

Ser capaz de difundir una gran cantidad de calor tomado de la combustin

que se produce en la cmara de combustin, a su vez su construccin

evitara la formacin de puntos calientes.

Las dimensiones del faldn debern permitir transferencias de calor a las

paredes del cilindro y asa el lubricante. El lubricante no deber elevar

demasiado su temperatura ya que ello altera sus cualidades de lubricacin.

Por lo menos debe permitir el alojamiento de 3 anillos.

El material ser lo ms ligero posible.

Su diseo final deber ser tal que resista suficientemente el desgaste

prematuro.

2.1.2.3 Anillos: Fabricados de hierro colado con algo de acero, estos vienen en

los piones y desempean un papel muy importante dentro del cilindro.

Existen tres clases de aillos y estos son:

1) Anillo de Compresin

2) Anillo Aceitero

3) Anillo Raspador

Las funciones de estos anillos son:

Evitar que se escape la mezcla en el momento de la compresin

Facilitar el aceite al barril

Raspar el exceso de aceite

Transferir temperatura al exterior

26

Esta ltima de transferir temperatura al exterior lo hace por conveccin ya que

existe contacto de dos superficies; recordamos que la temperatura por conveccin

es cuando el aire de un ambiente se pone en contacto con la superficie de un

cerramiento a una temperatura distinta, el proceso resultante de intercambio de

calor se denomina transmisin de calor por conveccin. Este proceso es una

experiencia comn, pero una descripcin detallada del mecanismo es complicada

dado que adems de la conduccin hay que considerar el movimiento del aire en

zonas prximas a la superficie.

En el caso de que la fuerza motriz que mueve el aire proceda exclusivamente de

la diferencia de densidad en el aire que resulta del contacto con la superficie a

diferente temperatura y que da lugar a fuerzas ascensionales se producir el

proceso de transmisin denominado conveccin libre o natural.

Cuando exista una fuerza motriz exterior, como el viento, que mueva el aire sobre

una superficie a diferente temperatura se producir una conveccin forzada, que

debido al incremento de la velocidad del aire se transmitir una mayor cantidad

de calor que en la conveccin libre para una determinada diferencia de

temperatura. En el caso de que se superpongan ambas fuerzas motrices, por ser

de magnitudes semejantes, el proceso se denomina conveccin mixta. En

cualquiera de los casos el fenmeno se puede evaluar mediante la Ley de Newton

del enfriamiento.

2.1.2.4 Biela: Es el eslabn que convierte el movimiento lineal a movimiento

alterno y este a un circular continuo que hace girar a la flecha o cigeal por

medio del par motor.

Es definida estructuralmente como una columna corta, la cual tiene dos

condiciones de trabajo, que depende de la condicin de sus puntos de fijacin,

para el diseo de la biela, debe ser considerada la condicin mas desfavorable

27

que provoca la concentracin del esfuerzo de fractura en la parte media del

cuerpo.

Esta condicin crtica es cuando se encuentra sus extremos fijos por lo tanto lo

que hay que definir es el esfuerzo de ruptura de la seccin transversal de la biela,

considerando que estar cumpliendo con los siguientes requisitos.

Soportar los esfuerzos de compresin debido a las cargas combinados de

fuerzas de gases y de inercia (fuerza neta).

Soportar los esfuerzos de tensin provocados por las fuerzas de inercia.

Soportar a la tensin producida por el latigazo derivado de la fuerza de

aceleracin lateral.

Constantes de fijacin 1/10000, 1/40000.

Para cubrir estos requisitos y sabiendo que se trata de una columna corta, que

tome en cuenta la relacin de esbeltez, es calculada la seccin transversal

mediante el uso de la formula de Rankine, que define perfectamente la falla de

esta columna y que en nuestro caso corresponde al elemento de seguridad de los

componentes de sistema biela-manivela.

Como esta frmula relaciona al esfuerzo permisible de trabajo del material de

fabricacin, con su radio de giro de la forma o rea de la seccin transversal y el

tipo con que estn tomados los extremos del elemento definidos a travs de una

constante de fijacin e deber de obtener el valor del rea transversal que tendr

la biela.

Dentro de la biela tenemos los cojinetes que son piezas cuya funcin fundamental

es reducir los coeficientes de friccin entre un eje y un soporte. En su forma ms

sencilla, los cojinetes no sustituyen piezas separadas del soporte, sino que estn

28

formados por una delgada capa de material adecuado, aplicada a las superficies

de aqul encaradas al rbol o eje giratorio. Los casos ms complicados, el

cojinete presenta la forma de un casquillo cortado en dos manguitos por un plano

diametral y provisto de diminutos resaltes que, al alojarse en las correspondientes

cavidades del soporte, impiden los movimientos relativos de ste respecto al

propio cojinete.

Para que trabajen correctamente, es necesario practicar en ellos y en los

soportes, unas ranuras por las que pueda circular el lubricante. Segn la clase de

contacto entre ejes y cojinetes, stos pueden ser cojinetes de desplazamiento,

construidos con metales blancos, bronces, bronces con plomo o bronces y hierros

sinterizados. Entre los diversos tipos de esta clase de cojinetes, los ms

empleados son los cojinetes de empuje Michell, con segmentos orientables, cuya

movilidad facilita la formacin de un velo lubricante al cambiar la velocidad,

permitiendo superar as la comn rigidez de las superficies inclinadas. Tambin

son muy utilizados los cojinetes de rozadura o simplemente rozamientos, que

reducen a una dcima aproximadamente el coeficiente de rozamiento con

respecto a los cojinetes de deslizamiento, aunque presentan la desventaja de

ocupar un mayor espacio radial. Entre los tipos de rozamientos ms difundidos

cabe citar:

Los cojinetes para cargas radiales o cojinetes a bolas

Los cojinetes radiales de una corona de rodillos cilndricos

Los cojinetes para cargas axiales o cojinetes de rodillos cnicos (los ms

utilizados)

Los cojinetes de agujas.

Se le denomina biela o conecting road y existen dos tipos de bielas para los

motores a pistn, est la biela sencilla y la biela maestra.

29

2.1.2.5 Sistema Biela-Cigeal: Como sistema la biela est ligado al sistema del crankshaft o cigeal entonces se relaciona el sistema biela-cigeal como un

sistema mecnico interno principal del motor, es la interfase entre la energa

liberada en la combustin del combustible y la energa mecnica resultante.

Su importancia radica en que es el sistema del motor que relaciona todos los

movimientos que en l se producen, para obtener un trabajo til en el eje de

salida.

Este mecanismo transforma el movimiento rectilneo alternativo del pistn en el

movimiento de rotacin variado del cigeal. Consta de un pistn articulado a una

biela y sta a su vez conectada a una manivela o cigeal, estas articulaciones

son a travs de bujes o cojinetes de metal anti-friccin.

El funcionamiento es el siguiente: El pistn confinado a moverse en un recinto

cerrado o camisa, produce un movimiento rectilneo alternativo, primero baja

debido a la accin de la presin que ejercen sobre l los gases de la combustin

en su expansin, y como est vinculado a una biela sta lo acompaa en su

movimiento, pero a su vez como la biela est vinculada a la manivela del cigeal,

produce la rotacin de ste, el movimiento contina, cuando el pistn sube debido

a la inercia de los contrapesos del cigeal, logrando una vuelta completa, luego

el ciclo se repite dando como resultado el movimiento de rotacin del cigeal, el

cual transmite este movimiento al exterior a la mquina que est acoplada.

El sistema funciona sin inconvenientes si se mantiene el rgimen de revoluciones

fijado para el motor y no se producen detenciones indeseadas.

Para que este sistema funcione deben responder correctamente otros sistemas

relacionados a l como son el de lubricacin y el de refrigeracin para evitar su

engrane. Adems debe asegurarse una correcta combustin para mantener el

movimiento alternativo del pistn.

30

Si el mecanismo produce un funcionamiento irregular, prdida de rendimiento,

dificultad en el arranque, engrane del motor o una detencin brusca, es posible

que el mecanismo biela-manivela se encuentre daado, presentando un desgaste

excesivo de los cojinetes de friccin, o exista una interferencia fuera de rango

entre pistn y camisa debida a depsitos de residuos carbonosos o a un

calentamiento excesivo de sus partes, por falta de lubricacin y/o de refrigeracin.

La reparacin de este mecanismo, no es muy simple, requiere el desmontaje de

sus partes componentes, una revisin y control de dimensiones, tolerancias,

alineacin y paralelismo de sus componentes, en general se requerir verificar si

la biela no est torcida, si el eje del buje de biela y el eje del cojinete de friccin no

han perdido paralelismo y el estado de los metales anti-friccin, del mun del

cigeal y su concentricidad. Probablemente la reparacin adems, consista en el

reemplazo del buje y metales anti-friccin de la biela, el perno de pistn, rectificar

el mun del cigeal y tambin comprobar el estado y fijacin de sus

contrapesos.

Respecto a la seguridad de las personas, hay que tener en cuenta que el sistema

consta fundamentalmente de partes en movimiento y que slo podr acceder a

ellas con el motor detenido y fro, por otro lado estos mecanismos funcionan

lubricados, utilizando para ello un circuito que los provee de aceite a cierta

presin, en consecuencia, hay que extremar las precauciones en la manipulacin

del lubricante evitando derrames y teniendo presente el grado de inflamabilidad.

2.1.2.6 Carter: Son hechos usualmente de aluminio, y es la estructura dentro

de la cual se pueden contener varios elementos slidos o lquidos. El motor de

aviacin se divide en tres partes mecnicamente:

Carter de nariz, (Hlice y reductores planetarios)

31

Carter de potencia, (Bloke, cilindros, pistones, cigeal)

Carter de accesorios (Gobernador, generador, arranque, magnetos)

Las funciones del Carter son:

Permite el alojamiento a diferentes unidades como el cigeal, eje de levas,

piones, etc.

Permite el alojamiento del aceite

Permite la traccin de la hlice al fuselaje

2.1.3 Sistemas del motor de cuatro tiempos: El sistema de alimentacin de

combustible de un motor de combustin interna consta: de un depsito de

combustible, un dispositivo que atomiza el combustible y la bomba de

inyeccin. Se llama carburador (motores pasados) o inyectores (motores

actuales) al dispositivo utilizado para pulverizar el combustible y despus

ser quemado en el proceso de combustin. 2.1.3.1 Sistema de lubricacin: Una bomba de engranajes toma aceite del

crter del motor y lo enva al filtro con cierta presin regulada por medio de

conductos interiores y exteriores hacia las partes que va a lubricar o refrigerar.

Cuando termina de realizar la funcin de lubricacin, este pasa por el radiador a

fin de expulsar el calor absorbido y retornar nuevamente al crter para reiniciar el

ciclo.

Generalmente lo constituyen partes del sistema de lubricacin tales como:

Filtro: Evita que pasen las impurezas o partes plomo, esta debe cambiarse

cada 50 horas

Bomba de aceite: Lo constituyen un par de piones, las presiones que

maneja son entre 40PSI y 90PSI, esta se mueve debido a que un pin se

encuentra conectado al cigeal

32

Vlvula de Bypass: Es un resorte y una bola, encargada de la obstruccin

del paso de aceite hacia el filtro y bomba de aceite

Vlvula reguladora presin de aceite: Encargada de mantener constante la

presin de aceite para diferentes regmenes de potencia hasta de 120 lb, la

vlvula de bypass en full potencia llega hasta 90 lb si esta se daa baja la

presin de aceite

Radiador: Es el encargado de mantener la temperatura normal del aceite

dentro del motor su funcin ms exactamente es refrigerar

Varilla medidora: La funcin de esta varilla es medir la cantidad de aceite

6/4 como mnimo para un motor de 2 galones

Tubo de relleno: Este es por donde se adiciona el aceite. Algunas funciones

del aceite son evitar el contacto pieza con pieza, lubricar, limpiar, accin

hidrulica y caractersticas de lubricacin:

Grado de inflamacin: Es la mxima temperatura que soporta el aceite

antes de que se produzca llama

Punto de encendido: Es la mxima temperatura que soporta el aceite antes

de llegar a perder sus propiedades lubricantes sea antes de encenderse o

producir la llama.

Punto de congelacin: Mnima temperatura que soporta el aceite antes de

que se congele; la mnima temperatura del aceite para un rendimiento

aceptable del motor es aprox. de 30C

33

Viscosidad: Es el grosor del aceite y la unidad en que se mide la viscosidad

del aceite es (Centistokes) en esta caracterstica del aceite se encuentran

tres elementos muy importantes que son:

1. Aditivos: Mejora la adherencia en superficies lisas

2. Dispersantes: Son aquellos que evitan la formacin de grumos

3. Detergente o limpiador: Encargado de limpiar el aceite

Este sistema mantiene lubricadas todas las partes mviles del motor, ya que

mantiene en movimiento mecanismos con elementos las cuales producen friccin

entre s, de la misma forma que sirve como medio refrigerante, en conclusin la

funcin del sistema es evitar el contacto metal con metal a fin de evitar daos al

interior del motor.

Para el sistema de Lubricacin para un motor Turbo cargado, lo nico que se

adiciona para este sistema es una bomba de excavacin, el cual extrae el aceite

que se encuentra dentro del turbo.

Encontramos dos tipos de sistemas de lubricacin:

1. Hmedo : Generalmente lo encontramos en los motores recprocos,

consiste en que todo el aceite por efecto de la gravedad, cae al oil

sump o crter de aceite

2. Seco: Este tipo de lubricacin lo encontramos en los motores a reaccin,

consiste en una bomba de excavacin que extrae el aceite que circula

en el motor y lo manda al reservoi

34

2.1.3.2 Sistema de refrigeracin: Este sistema elimina el exceso de calor que

se genera dentro del motor. Su funcin es la de extraer el calor generado dentro

del motor, para que este se mantenga dentro de unos regmenes de temperaturas

eficientes.

Si el motor no se mantiene dentro de los regmenes de temperaturas, corre el

riesgo de perder la integridad del motor hasta llegar a la completa inutilidad de

este. Hay dos tipos de refrigeracin.

Sistema de refrigeracin por agua: Consta de una bomba de circulacin

(hay sistemas que no la utilizan), un fluido refrigerante, por lo general agua

o agua ms producto qumico (Glicol), para cambiar ciertas propiedades del

agua pura, uno o ms termostatos, un radiador o intercambiador de calor

segn el motor, un ventilador o u otro medio de circulacin de aire y

conductos rgidos y flexibles para efectuar las conexiones de los

componentes.

En la mayora de los sistemas de refrigeracin, la bomba de circulacin

toma el refrigerante (fluido activo) del radiador, que repone su nivel del

depsito auxiliar, y lo impulsa al interior del motor refrigerando todas

aquellas partes ms expuestas al calor, puede incluir refrigerar el mltiple

de admisin, camisas, culatas o tapa de cilindro, radiador de aceite, etc.,

pasa a travs de uno o varios termostatos y regresa al radiador donde se

enfra al circular por tubos pequeos de gran superficie de disipacin, el

intercambio de calor generalmente se realiza con el aire circundante el cual

es forzado a travs del radiador utilizando un ventilador que generalmente

es accionado por el mismo motor.

Sistema de refrigeracin por aire: Es el sistema donde el fluido activo es

el aire circundante, el cual es forzado por medio de una deflectoras que

35

posee el motor para ser conducido por las partes del motor que se quieren

refrigerar, cilindros, tapas de cilindros, radiador de aceite, etc.

En la parte posterior del motor encontramos los Cowl-flaps, estos son los

encargados de que el aire se mantenga dentro del motor

En general para verificar que el sistema funciona bien, los motores

disponen de uno o varios termmetros que indican en cada instante la

temperatura del motor que se desea medir. La temperatura medida por los

termmetros debe encontrarse en el rango de temperatura aceptado por el

fabricante para las condiciones de funcionamiento del motor.

Sistema con refrigerante: Este sistema consiste en controlar de forma

peridica el correcto nivel de fluido refrigerante, de la misma forma que el

radiador se encuentre libre de incrustaciones que obturen los conductos en

los cuales circula el fluido y el aire, igualmente el fluido refrigerante que se

usado, contenga la proporcin correcta de anticongelante de acuerdo al

ambiente donde funciona dicho motor y finalmente, la bomba de circulacin

se encuentre en buen estado y funcionando correctamente.

Las fallas se detectan precozmente si se observa los indicadores de

temperatura, estando atentos a incrementos inusuales de la misma; por eso

es aconsejable instalar protecciones y/o alarmas que paren el motor por

alta temperatura.

Los cuidados pueden abarcar desde un buen mantenimiento, rellenar fluido

refrigerante y limpieza externa del radiador hasta reparaciones con el

reemplazo de componentes daados como bomba de agua, termostatos,

radiador, mangueras, conexiones, etc.

Las precauciones de seguridad se basan fundamentalmente en trabajar con

el motor detenido y fro para evitar incidentes con objetos en movimiento y

36

quemaduras. Para cuidar el medio ambiente debe disponerse

adecuadamente el fluido refrigerante cuando se reemplaza evitando

derrames.

Los fluidos refrigerantes actuales son a base de alcoholes especialmente

los glicoles, que mezclados con agua en distintas proporciones protegen al

sistema de refrigeracin y al motor de daos por congelamiento cuando

funciona en regiones con muy bajas temperaturas. Segn la proporcin de

fluido anticongelante en el agua, variar el punto de congelamiento de la

mezcla, debindose adecuar la misma a cada regin de trabajo.

2.1.3.3 Sistema de encendido: Este sistema provee la energa elctrica

necesaria para producir el encendido de la mezcla combustible. Su

importancia radica en que su presencia garantiza el inicio de la

combustin en los motores que funcionan bajo el principio del ciclo Otto,

produciendo una chispa que enciende la mezcla combustible

La funcin principal es la de convertir energa elctrica de baja tensin

en alta tensin y distribuirla a cada uno de los cilindros del motor consta

bsicamente de:

Generador de corriente o batera Arrollamiento primario Interruptor mecnico Condensador Arrollamiento secundario Distribuidor y bujas

El generador de corriente o una batera suministra energa elctrica que

circula a travs de un interruptor mecnico y un condensador a un circuito

primario de una bobina, cuando se abre el interruptor se produce una

variacin rpida, ayudada por el condensador, del campo magntico, que

37

produce el paso de corriente por el arrollamiento primario, lo cual induce en

el arrollamiento secundario una tensin muy elevada (14000 o 20000 V),

esta tensin se distribuye al cilindro correspondiente de acuerdo a la

secuencia de encendido y provoca en los extremos de una buja una chispa

en el interior del motor, que es la que enciende finalmente la mezcla

combustible.

Sistema de encendido por magnetos: El alternador genera energa

elctrica a partir de la energa mecnica suministrada por el mismo motor,

sta se rectifica por medio de un circuito electrnico, y se almacena en un

condensador, cuando se genera la seal de disparo que es provista por un

circuito elctrico de bobinas captoras y segn la secuencia de encendido

del motor, la llave electrnica dispara la carga del condensador sobre un

arrollamiento primario cuya variacin del campo magntico induce una

corriente de alto voltaje en un arrollamiento secundario, la cual se conduce

hasta la buja correspondiente del cilindro del motor, que enciende la

mezcla combustible.

El funcionamiento de este sistema se puede verificar, si el funcionamiento

del motor se produce de manera uniforme y sin interrupciones. Para

asegurarnos que este sistema funciona bien, se pueden realizar mediciones

elctricas para verificar que a la salida del dispositivo generador y

sincronizador la corriente de baja tensin producida es la estipulada por el

fabricante y se detecta en la secuencia requerida por el motor. El

componente ms difcil de inspeccionar es la buja, ya que puede no

presentar fallas cuando se la prueba en condiciones que no son las de

funcionamiento real.

38

La mejor manera de controlar si el sistema funciona es la de comprobar la

llegada de energa elctrica de alto voltaje hasta la buja, debindose

verificar esta ltima por separado y con dispositivos especiales para ese fin.

Las fallas ms frecuentes, son la rotura o prdida de aislamiento de una

buja, y se manifiesta por un funcionamiento desparejo a un rgimen o en

todo rgimen de marcha del motor. Si hubiera una discontinuidad elctrica

de algn arrollamiento o del cable de buja, la falla sera total, no

produciendo el encendido de la mezcla en el cilindro en cuestin. Los

circuitos electrnicos componentes tambin son susceptibles de falla y

deben ser inspeccionados por personal especializado.

La reparacin del sistema al igual que en los sistemas convencionales, se

limitan a la verificacin del sincronismo del encendido y al reemplazo de los

componentes daados, ya que todas las reparaciones deben ser realizadas

por personal idneo en electricidad y electrnica y con instrumental de

taller.

2.1.3.4 Sistema elctrico: La funcin del sistema elctrico es mantener el flujo

constante de corriente, ahora bien se puede observar que con relacin

al motor, su participacin no es de mucha importancia ya que el motor

no funciona con corriente, aunque se necesita para darle arranque al

motor, su participacin no se extiende ms all.

En el sistema elctrico se encuentra los siguientes elementos:

Arranque o starter: Es el encargado de prender el motor

Alternador: Es el encargado de cargar la batera, ya sea de 12 o 24 voltios, y adems convierte la corriente alterna en corriente directa.

39

Regulador de voltaje: Es el encargado de mantener el voltaje constante en el sistema.

Regulador de sobre voltaje: Es el encargado de suplir al regulador de voltaje en caso de que este falle.

Batera: Es el encargado de cargar la energa, las hay de dos tipos de acido para los motores a pistn y de nquel para los motores a reaccin.

Switches: Son encargados de servir de puente en el sistema elctrico.

Breaker: Son los encargados de prevenir el sobrepaso del amperaje.

Fusibles: Sirven de resistencias para los sobrepasos de voltaje, esto para que el dao no se produzca directamente en alguna parte importante del

sistema elctrico sino para que el dao caiga en los fusibles, son como

escudos para el sistema elctrico.

Ampermetro: Es el encargado de medir el amperaje, sea la corriente que est pasando por determinado dispositivo.

40

3. DISEO METODOLGICO

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN

El presente proyecto est enfocado a la investigacin Emprico-analtica, ya que el

inters del proyecto es tcnico, orientado a la interpretacin y transformacin del

mundo material.

3.2 LNEA DE INVESTIGACIN DE USB / SUB-LNEA DE FACULTAD /

CAMPO TEMTICO DEL PROGRAMA

Campo temtico del programa de ingeniera aeronutica.

Motores.

Lnea de investigacin de la universidad.

Tecnologas actuales.

La sub-lnea de investigacin de la facultad:

Instrumentacin y control de procesos.

41

3.3 TCNICAS DE RECOLECCIN DE INFORMACIN

Para el proceso de investigacin, se recurri como primera medida a la literatura

disponible en centros como la biblioteca de la Universidad de San Buenaventura,

biblioteca Luis ngel Arango, biblioteca Nacional, as como algunos libros de

bibliotecas privadas y libros afines. Una vez se reuni el material en torno al

funcionamiento de los diversos sistemas del motor y de los diversos instrumentos

de medicin del banco se procedi a seleccionar el instrumental que se considero

necesario para realizar las mediciones bsicas en el laboratorio.

Al concluir la primera parte de la investigacin se inicio el proceso de diseo del

banco de pruebas, configuracin del tipo de sistema de freno a utilizar en el banco

y de la configuracin del panel de carga. Al finalizar este diseo se realizan los

clculos estructurales de la seccin de pruebas y por ltimo se desarrolla la

metodologa y programacin para el diseo bsico de un motor de cuatro tiempos.

42

4. DESARROLLO INGENIERIL - METODOLOGA BSICA PARA EL DISEO DEL MOTOR DE CUATRO TIEMPOS

El proyecto al ser totalmente terico no fue posible realizar mediciones con el

banco en operacin, debido a que la construccin de este, se llevara a cabo en la

segunda fase de desarrollo por el grupo de investigacin GIMOC.

En la investigacin terica, se presentan las ecuaciones generales para

determinar las diferentes variables de motor

4.1 PROPIEDADES GEOMTRICAS DE LOS MOTORES DE CUATRO TIEMPOS

Para comenzar a realizar los clculos de los parmetros bsicos del motor se

debe definir diferentes aspectos, primero se toma como modelo al motor AMC 200

el cual es el prototipo a desarrollar.

En segunda estancia se toman los datos iniciales de la ficha tcnica dada por

fabricante del motor, que en su defecto, de no tenerla se tendra que realizar una

tabla de especificaciones de motores similares al propuesto, para as poder

obtener los datos deseados.

Tabla 1. Ficha tcnica motor AMC 200

Tipo Cruiser

Tipo de motor Mono cilndrico 4 tiempos

Cilindraje 198 cm3.

Dimetro por carrera 69 x 53 mm

43

Relacin de compresin 9,2 a 1

Potencia mxima 15 HP / 9000rpm

Sistema de refrigeracin Por aire y radiador de aceite

Fuente: AMC Motorcycles, Wind speed 200cc. Disponible en: http://www.amc-

motos.com/

Donde el dimetro y carrera del pistn son:

4.1.1 Relacin carrera del pistn dimetro: Para motores cuya relacin

carrera - dimetro del pistn es menor a la unidad, como es el caso, se conocen

como motores supe cuadrados: (ecuacin 1) 2

Tambin se asumen condiciones atmosfricas estndar a nivel del mar como:

2 Y. Calventus. Tecnologa energtica y medio ambiente II. Universidad Politcnica de Catalua. Barcelona: UPC, 2006: p. 19. ISBN:84-8301-849-7

44

4.1.2 Desplazamiento del motor: Es uno de los principales clculos que se

deben realizar para determinar las caractersticas de un motor a cuatro tiempos. El

desplazamiento del motor es el volumen desplazado por el motor en un ciclo

completo de trabajo, equivalente a dos vueltas en el eje del motor. (Ecuacin 2)3

= Volumen desplazado.

= Dimetro del cilindro.

= longitud de de carrera.

= Desplazamiento del motor.

Numero de cilindros

4.1.3 Relacin de compresin: Es la relacin del volumen desplazado por el

cilindro y el volumen de la cmara de combustin, sea es la relacin existente

entre el volumen total del aire desplazado y el volumen de la cmara de

combustin. Que para este motor, segn la (tabla 1) es de 9,2. (Ecuacin 3)4

,

3 ESCOBAR Arnold. Metodologa de diseo para motores de pistn de dos tiempos: Volumen desplazado. Bogot: Editorial Bonaventuriana, 2009, p.59. ISBN:978-958-8422-20-6

4H.CROUSE William. Mecnica de la motocicleta: Relacin de compresin. Barcelona: McGraw-Hill,2004, p.78. ISBN: 84-267-0850-1

45

Volumen del cilindro

Relacin de compresin = 9,2

Volumen de la cmara de combustin

Figura 4. Geometra del cilindro, pistn, biela, cigeal

Fuente: Y. Calventus, R. Carreras. Tecnologa energtica y medio ambiente II, primera edicin. Capitulo 1.Barcelona:Edicions UPC,2006. p 17.

46

4.1.4 Relacin biela - manivela - carrera- dimetro: La relacin del dimetro del

cilindro y la carrera del pistn (distancia comprendida entre el punto muerto inferior

y el punto muerto superior): (ecuacin 4)5

Y la relacin de la longitud de la biela con la longitud de la manivela:

Adems, la carrera y la manivela estn relacionados por: L = 2 por tanto

Los valores tpicos de estos parmetros en motores medianos y pequeos, segn

Heywood6, son: y y aplica para motores de combustin

interna alternativos a gasolina. Se asumi ya que el motor AMC200 por su

dimensin est catalogado como motor mediano para as obtener el valor

aproximado de la longitud de la biela.

5 Y. Calventus, Op.Cit., p.20

6 Heywood. Internal Combustion Engine Fundamentals. New York: McGraw Hill, 1988. p.43

47

4.1.5 Velocidad media del pistn: Es la velocidad aproximada a la real, que

lleva el pistn dentro del cilindro. (Ecuacin 5)7

4.1.6 Fuerza media que desarrolla la manivela por el pistn: Es la fuerza que

realiza la manivela la cual va conectada directamente con el pistn. (Ecuacin 6)8

4.1.7 Porcentaje de espacio muerto: Los cilindros de los compresores siempre

se fabrican con espacio muerto; esto es necesario para evitar el golpe del embolo

contra la tapa al llegar este a la posicin extrema.

El volumen del espacio muerto habitualmente se aprecia en proporciones o

porcentajes de volumen de trabajo del cilindro y se llama volumen relativo del

espacio muerto: (Ecuacin 7)9

7LVAREZ Jess. Motores alternativos de combustin interna: Caractersticas operativas del motor. Edicions UPC, 2005. p. 100. ISBN:84-8301-818-5

8 Ibid., p.96-98

9 J. KATES Edgar. Motores diesel y de gas de alta compresin. Segunda edicin. Barcelona: Editorial Revert, 1981: p. 205. ISBN:84-291-4837-X

48

4.2 PROPIEDADES TRMICAS Y PARMETROS DE FUNCIONAMIENTO:

Los coeficientes politrpicos estn dados segn el ciclo de trabajo trmico en el

cual se est trabajando por tanto:

En compresin;

En expansin; 1,4 El poder calorfico a volumen constante ser:

Y la constante de los gases ideales ser:

4.2.1 Eficiencia trmica: En un motor de pistn donde el combustible es

gasolina, no se alcanza un 100% de la eficiencia trmica. Es decir, no puede

aprovechar todo el calor generado por la combustin para transformarlo en fuerza

motriz, ya que los motores de combustin interna a gasolina aproximadamente

solo el 30% de la energa calrica que disponen, la transforman en movimiento y

la otra parte la disipan (prdida), hacia la atmsfera. (Ecuacin 8)10

10 LVAREZ Jess. Op. Cit., p. 57

49

4.2.2 Temperatura al final de la compresin: Despus de la etapa de admisin

el pistn presiona el flujo y como este no tiene por donde escapar, se genera un

aumento significativo de temperatura. (Ecuacin 9)11

Donde es la temperatura a la entrada del motor

4.2.3 Calor agregado por unidad de masa: Es tambin llamado calor especfico

a volumen constante y es la cantidad de calor cedido o liberado por un gramo de

una sustancia, para variar su temperatura en un grado. (Ecuacin 10)12

Donde es el calor calorfico a volumen constante del aire

t2

11 MORAN Michael. Fundamentos de termodinmica tcnica. Segunda edicin. Barcelona: Editorial revert. 2004: p.438. ISBN:84-291-4313-0

12 J. KATES Edgar. Op. Cit. P. 169

50

4.2.4 Trabajo por unidad trmica: Es la cantidad de calor real cedida por el

motor para generar trabajo. (Ecuacin 11)13

4.2.5 Potencia mx.: Cantidad de trabajo realizado por unidad de masa.

(Ecuacin 12)14

4.2.6 Flujo de masa mx.: Para obtener la cantidad de flujo msico entrante en

un motor es necesario conocer las condiciones a las que est expuesto en el

exterior. (Ecuacin 13)15

Velocidad de giro = 9000 rpm = 150rev/s

13 Y. Calventus, Op.Cit., p.35


15 Ibid., p. 245

51

Reemplazamos en anteriores ecuaciones

4.2.7 Presin media efectiva: La es una medida muy til del

funcionamiento relativo del motor y se obtiene dividiendo el trabajo por ciclo, por el

volumen desplazado en el cilindro por ciclo. (Ecuacin 14)16

Es el trabajo por ciclo

Realiza un ciclo cada dos revoluciones del rbol motor = 2

El ciclo se realiza en cuatro carreras del pistn y realiza un ciclo cada dos

revoluciones del rbol motor.

16 J. KATES Edgar. Op. Cit. p. 205.

52

La presin media efectiva mxima al freno ya est prefijada para un motor bien

diseado y es prcticamente constante en un amplio rango de tamaos de

motores.

4.2.8 Potencia indicada: Es la potencia desarrollada dentro del cilindro del

motor, por la expansin de los gases de la combustin. Es decir la potencia

indicada por los ciclos son usados para expulsar los gases de escape e inducir

carga fresca. (Ecuacin 15)17

La potencia indicada es mayor que la potencia en el eje dentro del cilindro

Parte de esta potencia es necesaria para vencer la friccin de las partes mviles

de la mquina (perdidas mecnicas), mover los elementos y accesorios, cargar el

aire fresco dentro del cilindro en la carrera de admisin y expulsar los gases

residuales en la carrera de escape.

4.2.9 Rendimiento mecnico: Algunos valores tpicos del rendimiento mecnico

a plena carga son cerca del 90% para regmenes en torno a 1800 2400 rpm,

disminuyendo al 75% cuando el motor alcanza la mxima velocidad nominal. A

medida que se rebaja la carga en el motor, disminuye el rendimiento mecnico,

llegando a valer cero eventualmente en operacin al ralent18.

17 H.CROUSE William. Op. Cit., p. 80

18 HEYWOOD. Op. Cit., p. 254

53

4.2.10 Potencia al freno: Es la potencia real que produce el motor, sea la

potencia disponible en el eje de una mquina se conoce como la potencia al freno.

(Ecuacin 16)19

4.2.11 Rendimiento volumtrico: El sistema de admisin, compuesto

generalmente por: el filtro de aire, carburador y mariposa, colector de admisin,

puerto de admisin y vlvula de admisin; restringe la cantidad de aire que un

motor puede inducir. Un factor importante que influye en la disminucin de aire

que entra al motor es el poco tiempo que tiene de apertura las vlvulas de

admisin debido a las altas RPM. Por este motivo se realiza un adelanto en la

apertura de la vlvula de admisin antes de que el pistn comience el descenso o

carrera de admisin hacia el punto muerto inferior. Se suele emplear entonces, el

rendimiento volumtrico , como parmetro que indica la efectividad del proceso

de llenado del cilindro en el motor. ste se usa solo con motores de cuatro

tiempos los cuales tienen un proceso distinto de induccin. (Ecuacin 17)20

19 H.CROUSE William. Op. Cit., p. 79

20 J. KATES Edgar. Op. Cit., p. 212

54

4.2.12 Consumo especfico de combustible: Es un parmetro muy utilizado

porque relaciona el flujo msico de combustible por unidad de potencia de salida,

lo que representa una medida de la eficiencia de un motor, usando el combustible

suministrado para producir trabajo. Para poder calcular este parmetro es

necesario conocer de ante mano el flujo msico y la potencia por tanto:

(Ecuacin 18)21

Donde el flujo msico est relacionado directamente con: (Ecuacin 18)22

La masa del combustible es:

Por lo tanto el consumo especfico de combustible es de:


22 BEDFORD Anthony. Dinmica: mecnica para ingeniera: Pearson Educacion, 2000: p.220

55

4.2.13 Medicin del torque mximo: Es el momento de de fuerza del motor o

par motor que se ejerce sobre el eje de transmisin de potencia. La potencia

desarrollada por el motor es proporcional a la velocidad angular o frecuencia

rotacional del eje de transmisin.

La potencia elctrica seria igual al torque en (N*m) por la velocidad angular

(rotacional) que estara dada en (rad/s) y es de esta ecuacin de donde podemos

despejar el torque, ya que los otros dos valores ya son conocidos. (Ecuacin 19)23

23 PRADO Santiago. Calculo diferencial para ingenieros. Mxico: Pearson, 2006. p. 425. ISBN:970-26-0803-1

56

4.3 FUNCIONAMIENTO GENERAL DEL BANCO DE PRUEBA

En la seccin de prueba se encuentra acoplado el motor AMC200 con una salida

mxima de 9000 RPM a un reductor de velocidad el cual reduce a 1800 RPM

siendo esta la velocidad mxima de entrada al generador elctrico el cual esta

acoplado al mismo reductor velocidad pero en su salida.

El generador est conectado elctricamente con el panel de carga donde se

encuentran 14 resistencias de 800 W y una de ellas es regulada por un dimer. Al

energizarse todas las resistencias al tiempo, se frenara totalmente el rotor del

generador elctrico y por ende el eje del motor AMC200.

Estas resistencias son monitoreadas desde el panel de instrumentos por medio

de interruptores y de un Dimer (regulador de intensidad de voltaje) los cuales

regulan la cantidad de carga que se desee aplicar.

Despus de encendido el motor se fija la mxima velocidad rotacional de 9000

RPM, por lo tanto el generador tambin gira con su mxima velocidad, se

comienza a cargar el generador por medio de los interruptores y el dimer de cada

una de las resistencia dependiendo de las revoluciones que se quieran fijar en el

motor, para poder empezar a realizar las pruebas experimentales de los diversos

parmetros que se deseen calcular.

4.4 CLCULO BSICO PARA EL DISEO DE MOTORES

CUATRO TIEMPOS

El programa para el clculo de parmetros bsicos de un motor de cuatro tiempos,

toma los datos suministrados por el fabricante y resuelve fcil y rpidamente las

incgnitas que el estudiante desee obtener y as poder hacer la comparacin con

los datos que se obtengan de las prcticas experimentales.

57

Las siguientes tablas muestran los diferentes parmetros termodinmicos del

motor, calculados tericamente en funcin a los datos del prototipo AMC 200.

En la primera tabla se encuentran los datos iniciales con los cuales se comienza a

resolver los parmetros incgnita que se deseen calcular, tales como:

desplazamiento del motor

volumen de la cmara de combustin

relacin dimetro-carrera

velocidad media del pistn

temperatura al final de la compresin

eficiencia trmica

flujo msico de aire de entrada

temperatura max

presin media efectiva

potencia indicada

potencia al freno

rendimiento volumtrico

flujo msico de combustible

consumo especfico de combustible

Torque

58

Tabla 2. Metodologa bsica del diseo de un motor de cuatro tiempos, programada en EXCEL. Parmetros iniciales

PARMETROS INICIALES IDENTIFICACION VALOR UNIDADES

TIPO DE MOTOR TM Monocilindro adimensional CILINDRAJE CIL 198 [cm3] DIMETRO DEL CILINDRO d 0,069 [m] CARRERA DEL PISTN L 0,053 [m] RELACION DE COMPRESIN

Rc 9,2

adimensional

FRECUENCIA ROTACIONAL n 9000 [RPM] POTENCIA MAXIMA POTENCIA max 15 [HP]

NMERO DE CILINDROS N 1

adimensional

CONSTANTE POLITRPICA DE EXPANSIN

Ke 1,4

adimensional

CONSTANTE POLITRPICA DE COMPRRESIN

Kc 1,2

adimensional

CAPACIDAD CALORFICA Cv 1004 [J/(kg*K)]

CONSTANTE DE LOS GASES IDEALES

R 287

[J/(kg*K)]

REVOLUCIONES POR CICLO n' 2 adimensional PRESIN ATMOSFRICA P1 101325 [Pa] TEMPERATURA AMBIENTE T1 288,16 [K] CONSTANTE RELACIN BIELA MANIVELA

z 4 adimensional

RENDIMIENTO MECNICO nmec 0,75 adimensional

MASA DEL COMBUSTIBLE Mcom 3,15E-06 [kg]

DENSIDAD ESTANDAR DEN 1,225 [kg/m3]

Area del cilindro/pistn AV2 0,003739289 [m2] Volumen del cilindro V2 0,000198182 [m3] Relacin biela-carrera a 0,0265 [m] Potencia mxima en watts POT max 11190 [W]

Trabajo por ciclo We 149,2 [J]

Fuente: Autor.

59

Tabla 3. Metodologa bsica del diseo de un motor de cuatro tiempos. Programada en EXCEL: Parmetros a calcular.

PRAMETRO A CALCULAR IDENTIFICACION VALOR UNIDADES

RELACIN CARRERA DEL PISTN DIMETRO 0,768115942 adimensional DESPLAZAMIENTO DEL MOTOR Dm 0,000198182 [m3]

VOLUMEN DE LA CAMARA DE COMBUSTIN V1 2,41686E-05 [m3]

RELACIN DIMETRO-CARRERA Rbs 1,301886792 adimensional

BIELA l 0,106 [m]

VELOCIDAD MEDIA DEL PISTN U 15,9 [m/s]

PORCENTAJE DE ESPACIO MUERTO e 10,86956522 [%]

FUERZA MEDIA QUE DESARROLLA LA MANIVELA POR EL PISTN

Pm 2,811320755 [N]

TEMPERATURA AL FINAL DE LA COMPRESIN T2 530,2144 [K]

EFICIENCIA TRMICA ef 0,72826087 adimensional

CALOR AGREGADO POR UNIDAD DE MASA Qh 1131,037624 [J/kg]

TRABAJO POR UNIDAD TERMICA W 823,6904438 [Nm/kg]

FLUJO DE MSICO DE AIRE DE ENTRADA m 0,018210725 [kg/s]

TEMPERATURA MAX T3 2107,672732 [K]

PRESIN MEDIA EFECTIVA Pme 751,8328896 [J/m3]

POTENCIA INDICADA POTind 11,175 [W]

POTENCIA AL FRENO POTfreno 8,38125 [W]

RENDIMIENTO VOLUMTRICO nv 100.0149521 %

FLUJO DE MSICO DE COMBUSTIBLE FMC 0.00023625 [kg/s]

CONSUMO ESPECFICO DE COMBUSTIBLE gef 2.11126E-05 [kg/s*W]

Fuente: Autor.

60

5. DESARROLLO DEL PROYECTO

Despus de investigar sobre el tipo de instrumentacin necesario para monitorear

el funcionamiento del un motor y poder hacer posible la realizacin de pruebas

didcticas en el laboratorio, se realizo un estudio acerca del funcionamiento de los

diferentes sistemas del motor y de los diversos instrumentos de medicin

montados en los vehculos, se procedi a seleccionar el instrumental que se

considero necesario para realizar las mediciones bsicas en el laboratorio.

Es conveniente aclarar que para la realizacin de la investigacin no se logro

encontrar un documento relacionado directamente con mediciones de laboratorio

en motores de cuatro tiempos o con diseo de bancos de pruebas.

El banco de pruebas desarrollado es fundamentalmente un panel de control, un

panel de carga y una seccin de pruebas, el cual efecta experiencias didcticas

del motor de cuatro tiempos, marca AMC, que tiene las siguientes

especificaciones:

Tipo: Cruiser

Tipo de motor: Mono cilndrico 4 tiempos

Cilindraje: 198 cm3

Dimetro por carrera: 69 x 53 mm

.

Relacin de compresin: 9,2 a 1

Potencia mxima: 15 HP / 9000 RPM

Sistema de refrigeracin: Por aire y radiador de aceite.

61

5.1 INSTRUMENTACIN DEL BANCO DE PRUEBA

Para el anlisis experimental de los motores de combustin interna, se debe

disponer de elementos de medicin, en este caso para el banco de prueba del

motor AMC200 se utilizan sensores digitales por su mayor exactitud y su fcil

operacin.

Figura 5. Panel de control

Fuente: Autor.

5.1.1 Dispositivos para el panel de control: El panel de instrumentos se halla

localizado en la parte frontal del panel de control, el cual va anclado a la mesa por

medio de tornillos en sus extremos, los dispositivos de medicin y control se

encuentran distribuidos sobre el este mismo panel.

62

Para un banco de prueba se requiere un mnimo de instrumentos para poder

efectuar las mediciones pertinentes, tanto en el panel de control como en la

seccin de pruebas del motor. Para el panel de control tenemos los siguientes

sensores:

Tacmetro.

Indicador de temperatura.

Vacumetro.

Voltmetro.

Ampermetro.

Balanza digital.

Cronometro.

Vaso con graduacin de nivel.

Adems de los anteriores instrumentos de adquisicin de datos, se instalan en el

panel de control los siguientes accesorios:

Dimer de 800 watts.

Interruptores.

Caja de conexiones elctricas.

Contacto maestro y pulsador de corte de funcionamiento.

Por ltimo se instala un enmallado de proteccin al panel de carga, el cual asla

las resistencias del contacto del operario. Los dispositivos se clasificaron de la

siguiente forma:

Porcentaje de viabilidad: Para cada uno de los dispositivos que se van a instalar en el banco, se presentan tres opciones, las cuales estn

expuestas en tablas de porcentaje de viabilidad. Los dispositivos que se

63

encuentran en estas tablas cumplen con las caractersticas deseadas para

el correcto funcionamiento en el banco, su porcentaje de viabilidad se basa

en varios aspectos como son: el precio, la exactitud de medida y la facilidad

de adquisicin. Como el precio y la exactitud de los dispositivos son

similares en cada una de las tablas, el aspecto sobresaliente para

escogerlo fue la facilidad de adquisicin en el mercado.

5.1.1.1 Tacmetros (medidor de la velocidad rotacional): El rgimen de giro

del motor debe ser medido con el fin de poder determinar la potencia producida

por el mismo en un instante dado de tiempo.

Tipos de tacmetros: Existen tacmetros que dan la lectura directa. Los

cuales pueden ser mecnicos, electrnicos o digitales.

Los tacmetros mecnicos funcionan basados en la fuerza que se ejerce a un resorte por medio de un mecanismo

giratorio y que marca la desviacin de una aguja sobre una

escala graduada.

Los tacmetros electrnicos poseen la ventaja de poderse colocar a cualquier distancia del banco, pudindose situar

dentro del panel de control. El tacmetro electrnico es un

pequeo alternador conectado al eje y cuando gira genera un

voltaje que es proporcional a la velocidad. En el tacmetro

electrnico se producen impulsos elctricos a una frecuencia

proporcional a la velocidad del eje. Estos impulsos llegan a un

contador que suma los impulsos en un corto periodo de

tiempo que es fijo. Estos tacmetros promedian la velocidad

dando una buena aproximacin. Otra aplicacin es la de

64

detectar una deficiente puesta a punto, ya que al presentarse

este caso, la aguja indicadora, presentara una oscilacin

errnea, al operar en marcha mnima o ralent, lo que puede

significar un excesivo avance del encendido o un mal reglaje

de la mezcla del carburador.

Los tacmetros digitales miden de manera exacta el nmero

de revoluciones de un objeto, y en la pantalla o LCD se puede

visualizar la velocidad de rotacin y numero de revoluciones,

es una herramienta de trabajo fcil de entender para

comprensin del operario.

Se presentan 3 opciones para escoger el tacmetro a utilizar en el banco y son las

siguientes:

Tabla 4. Tacmetros digitales

TACOMETROS CARACTERISTICAS

PORCENTAJE DE VIABILIDAD

BAJO MEDIO ALTO

INST

RUM

ENTO

S

AUTONICS MP5W4N

*Medidor de pulsos escalizables 5 dgitos Tipo Indicador * Rango Mximo del display 19999 99999 * Entrada A - B, NPN/PNP, 50 KHz Max. * Alimentacin para sensor 12VDC ,Alimentacin 1 00-240VAC *Dimensiones: w96X48mm

x

x

x

x

x

65

KUBLER Codix 524

*Tensin de alimentacin: 10-30 V DC, con proteccin de polari-dad inversa *Consumo de corriente: mx. 55 mA *Presentacin: 6 dgitos rojos de 7 segmentos de LED 8 mm [0,315 "] de alto *Dimensin: medidas 48 x 24 mm [1,89 x 0,945 "] segn la norma DIN 43 700; RAL 7021, gris *Mostrar temporizador de intervalo: 0,001 s ... 999999 h

x

x

x

x

x

AUTONICS LA7N

*Dimensin: medidas 48 x 24 mm [1,89 x 0,945 "] *Voltaje de entrada: H:6-240 VDC, L: 0-2 VDC *Batera de litio interna *precio

*Tipo de terminal de tornillo

*Pantalla de LCD

*Controlado por microprocesador

x

x

x

x

x

x

x

Fuente: Autor

Para el banco se escoge el tacmetro AUTONICS MP5W4N, con alimentacin de

100-240VAC, el cual est ubicado en el panel de instrumentos y conectado tanto

al sensor como -a la caja de conexiones elctricas. Se opta por el sensor de

proximidad inductivo PR124DP, de dimetro 12mm, con un alcance de 4mm y

alimentacin de 12 a 24VDC, Salida PNP NA, marca AUTONICS, el cual es

66

ubicado al lado del cigeal del motor a no ms de 4mm, para que el sensor

pueda tomar la seal se deben realizar cuatro puntos balanceados alrededor del

eje para que este sensor inductivo capte la seal por vuelta del cigeal.

Para ver el diagrama de conexiones y dimensiones ver Anexo A.

5.1.1.2 Medidor de flujo de combustible: Para obtener la relacin de

combustible real, y realizar el clculo del consumo del motor, se debe disponer de

una medida del caudal del combustible consumido. La rata con que el motor

consume el combustible se puede determinar de varias maneras.

Estas mediciones se pueden hacer por peso o por volumen, midiendo el tiempo

que tarda en desocupar un recipiente (deposito) o midiendo el peso del

combustible por medio de una balanza, con el fin de realizar una medida directa

de consumo en mililitros (ml) contra tiempo (t).

Tipos de medidor de flujo: Se usa un tanque pequeo graduado donde se

puede medir el consumo por diferencia de nivel del combustible. En este

tipo de medidor de flujo se conecta de manera adecuada un cronometro

que se activa cuando el liquido comienza a fluir.

El recipiente medidor (deposito), esta calibrado para que se pueda leer en:

volumen ml/s o en peso gr/s.

Por masa: Se toma el peso en masa de una cantidad fija de combustible en el recipiente que est ubicado sobre una balanza

electrnica, el cual se debe descargar a travs de un orificio hacia el

motor, a medida que se va consumiendo, su peso en masa va

disminuyendo. Este procedimiento se realiza por un tiempo

determinado el cual debe ser contabilizado.

67

Por volumen: Se basa en el principio de que la descarga de un fluido a travs de un orificio depende de la cabeza o altura de la superficie

sobre el orificio, por medio de la siguiente relacin:

Figura 6. Descarga de combustible desde el recipiente calibrado.

Fuente: Autor

(ml/s)

68

El orificio se utiliza para medir el caudal que sale de un recipiente o pasa a

travs de una tubera. El orificio en el caso de un recipiente, puede hacerse

en la pared o en el fondo. Es una abertura generalmente redonda, a travs

de la cual fluye lquido y puede ser de arista aguda o redondeada.

La ventaja de este mtodo es su alta sensibilidad para mostrar los cambios

que ocurren en el fluido.

Este accesorio puede tener una vlvula con tres posiciones:

- A la entrada de la bomba de gasolina

- Al tanque de la gasolina

- Al retorno de la bomba

Las tres posiciones de la vlvula del medidor operan para su adecuado

funcionamiento. La marcha normal es la posicin intermedia, obturando el

retorno. Para el llenado es la posicin derecha permitiendo que el retorno

llene el vaso de nivel. Para la medicin de experimentacin se coloca la

perilla en la posicin izquierda donde por la variacin de volumen o peso se

puede tomar el combustible consumido en un determinado tiempo.

Para el banco de prueba se adapto un medidor de flujo ms sencillo pero

con el mismo principio del recipiente calibrado, el cual tiene una capacidad

de 2 litros de combustible y est montado sobre una balanza digital en el

panel de control, junto a l esta el cronometro de tiempo.

El recipiente es conectado a una manguera en el orificio ubicado en la parte

baja del mismo, desde all fluye combustible hacia la entrada del carburador

en el motor por efecto de la fuerza gravitacional.

Despus se fija un tiempo para realizar la prueba del consumo de

combustible. La densidad de la gasolina (sin plomo de 95 octanos) es de

aproximadamente 0.76 g/cm3 a diferencia de la del agua que es

69

aproximadamente 1 g/cm3

, por lo tanto el litro no equivale a un kilogramo

sino a 760 gramos. Ya que:

Masa= volumen * densidad

La densidad de la gasolina variar dependiendo de la clase de la misma, se

toma la gasolina de 95 octanos como una referencia para el clculo. Todas

las gasolinas tienen una densidad inferior a la de agua.

La balanza digital es un instrumento de medicin que se caracteriza por dos

rasgos fundamentales: su gran rango de pesaje y su capacidad para

obtener el peso con una precisin asombrosa

En cuanto a su estructura, esta conforman por un plato cuya funcin es la

del pesado, que adems es extrable, con lo cual la limpieza del aparato en

su totalidad podr ser ejecutada sin demasiadas dificultades (opcional).

Este instrumento va ubicado sobre la mesa del panel de control al costado

derecho del mismo y conectado a la caja de conexiones

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