Artículo Científico / Scientific Paper

FUNCIONAMIENTO Y CALCULOS DEL MOTOR (MEP)Erick Llivisaca1

Resumen Abstract

A través de este documento podemos observar y reconocer los componentes internos que posee un motor de combustión interna (MEP) su forma de convertir el movimiento rotacional (cigüeñal) en lineal (pistón) y viceversa basándonos en el mecanismo biela-manivela. También podremos explicar brevemente el funcionamiento de cada uno de los cuatro tiempos o carreras que posee dicho motor, donde los nombres para cada tiempo son Admisión, Compresión, Explosión y Escape, los cuales trabajan juntamente con las válvulas para producir una correcta combustión; utilizando el ciclo Otto (termodinámica) podremos observar el desplazamiento de los pistones y las curvas que produce en un diagrama P-V.Utilizaremos fórmulas que se basan en el diámetro del cilindro y otros aspectos para tener conocimiento sobre el diseño de partes fundamentales de un motor, donde a través de medidas experimentales podremos comparar con los datos que entregan las formulas, para saber si el motor que diagnosticamos podrá estar dentro del rango de las medidas establecidas.

Palabras Clave: Componentes, tiempos, fórmulas, diseño, motor.

Through this document we can see and recognize the components having an internal combustion engine (MEP) your way to convert rotational motion (crank) Linear (plunger) and vice versa based on the connecting rod-crank mechanism. We will also briefly explain the operation of each of the four times or having said motor racing, where the names for each period are intake, compression, power and exhaust, which work together with the valves to produce proper combustion; using the Otto cycle (thermodynamic) we can see the movement of the pistons and curves produced in a PV diagram.We use formulas that are based on the cylinder diameter and other aspects to have knowledge about the design of key parts of an engine, where through experimental measurements we can compare with the data delivered formulas to see if the engine diagnosed may be within the range of established measures.

Keywords: Components, time, formulas, design, engine.

1 Estudiante de Ingeniería Mecánica Automotriz – Universidad Politécnica Salesiana – Sede CuencaAutor para correspondencia: erick-clr@hotmail.com.

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Artículo Científico / Scientific Paper

1. IntroducciónEl motor de gasolina o explosión es una maquina térmica que transforma la energía química del combustible en energía mecánica a través de un proceso termodinámico; dicha energía es aprovechada en el eje del motor (cigüeñal) para poner en movimiento el vehículo. La gasolina mezclada con el aire en proporción conveniente se comprime por medio de un pistón o embolo y se hace explosionar (la mezcla aire-gasolina) por medio de una chispa proporcionada por un sistema de encendido. La enorme fuerza explosiva es recibida por el pistón y se convierte en energía mecánica por el mecanismo clásico de biela manivela [3].

2. Configuración de un MEPUn motor de combustión interna y encendido por chispa se configura básicamente como muestra la Figura 1, donde puede verse que está constituido por un cilindro, en cuyo interior se aloja un pistón unido por medio de la biela al codo del cigüeñal, formando un mecanismo simple de biela y manivela capaz de transformar el movimiento rectilíneo alternativo de sube y baja del pistón, en giro del cigüeñal.

Figura 1. Configuracion de un motor de combustion interna

El cilindro recibe en su parte superior a la culata, en la que se forma la cámara de combustión y se aloja la bujía y dos válvulas: una de admisión y otra de escape, que en determinados momentos del ciclo de funcionamiento ponen el cilindro en comunicación con el sistema de alimentación de aire y combustible, o con el exterior, a través de

los conductos respectivos de admisión y escape. Ambas válvulas son gobernadas por un mecanismo accionado por el cigüeñal, de manera que sus movimientos de apertura y cierre están sincronizados y corresponden a posiciones determinadas del giro.Con el movimiento alternativo del pistón son comprimidos los gases en el interior del cilindro y, más concretamente en el espacio de la culata y el pistón (cámara de combustión). En ese instante se hace saltar una chispa eléctrica en la bujía, que provoca la inflamación de los gases generando una presión que impulsa hacia abajo el pistón, haciendo girar al cigüeñal.El pistón se ajusta perfectamente a las paredes del cilindro por medio de unos aros o segmentos, que evitan posibles fugas de gases entre ambos. En la parte inferior del cilindro se acopla el cárter inferior.La distancia entre el p.m.s. (punto muerto superior) y el p.m.i. (punto muerto inferior) se llama carrera. El volumen comprendido entre el p.m.s. y el p.m.i. se llama cilindrada [1].

3. Principio de funcionamiento MEP (Ciclo Otto)

Figura 2. Ciclo Otto o de cuatro tiempos [3].

Fase de admisión; con las válvulas de admisión abiertas y las de escape cerradas, el embolo se desplaza desde el p.m.s. hacia el p.m.i. Debido a esto se crea en el interior del cilindro una pequeña depresión, suficiente para inducir la entrada de gases a través del conducto de

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admisión. Estos gases serán aire o una mezcla de aire y combustible, dependiendo del tipo de motor. Cuando el embolo llega al p.m.i. las válvulas de admisión se cierran y comienza la siguiente fase.

Fase de compresión: con las válvulas de admisión y escape cerradas el embolo se desplaza desde el p.m.i. hacia el p.m.s. comprimiendo el fluido contenido en el cilindro. En las cercanías del p.m.s. se produce el salto de chispa en el caso de un motor de encendido provocado.

Fase de expansión: la combustión, entre otros efectos, produce un aumento de presión de los gases contenidos en el cilindro, empujando al embolo, que se desplaza desde el p.m.s. hacia el p.m.i. Este desplazamiento es el único del que se obtiene trabajo.

Fase de escape: En el p.m.i. se abre la válvula de escape y embolo comienza a desplazarse hacia el p.m.s. expulsando los gases quemados hacia el exterior del cilindro. Cuando el embolo llega al p.m.s. se cierra la válvula de escape y se inicia un nuevo ciclo [2].

Figura 3. Diagrama del Ciclo Otto teórico [4].

4. Formulas

Figura 4. Diagrama del mecanismo biela-manivela [3].

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5. Resultados 5.1 Elementos faltantes

Tabla 1: Elementos faltantes [5].Elementos faltantes CantidadTapa válvula 1

Bujía 1Balancín 1Muelle 1Pernos apriete cabezote 2

5.2 Registro de resultados

Tabla 2: Registro de resultados [5].Nombre del elemento

Medida (mm)

Nombre del elemento

Medida (mm)

D cilindro 1 83.5 l pistón 1 114.2D cilindro 2 83.4 l pistón 2 114.3D cilindro 3 83.25 l pistón 3 114.2D cilindro 4 83.5 l pistón 4 114.3S pistón 1 73.54 L pistón 1 53.06S pistón 2 72.18 L pistón 2 54.52S pistón 3 73.44 L pistón 3 53.16S pistón 4 71.88 L pistón 4 54.82

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Figura 5. Medida de carrera de pistón y diámetro de cilindro [5].

Tabla 3: Registro de resultados [5].Elemento Medida (cc)

cámara 1 37

cámara 2 37

cámara 3 37

cámara 4 37

cilindro 1 402.49

cilindro 2 394.42

cilindro 3 400.02

cilindro 4 393.72

5.3 Comprobación de la ecuación del desplazamiento biela-manivela

Tabla 4: Comprobación de la ecuación biela-manivela [5].

Angulo (grados)

l+r L S (calculado) (mm)

S (medido) (mm)

Error

0 126.6 124.8 1.8 0 1.845 126.6 91.2 35.4 33.3 2.190 126.6 54.52 72.02 69.54 2.48135 126.6 79.6 47 45.2 1.8180 126.6 124.8 1.8 0 1.8225 126.6 91.2 35.4 33.4 2.1270 126.6 54.52 72.02 69.52 2.48315 126.6 79.6 47 45.1 1.8370 126.6 124.8 1.8 0 1.8

Figura 6. Medida de carrera de pistón en 90° y en 45° [5].

5.4 Distancia entre ejes de cilindros Muestra los rangos de distancia entre cilindros, tomando como referencia el propio diámetro del cilindro. El diámetro del cilindro es 83.5 mm

Tabla 5: Distancia entre ejes de cilindros [5].Tipo de motor Distancia entre

ejes de cilindros consecutivos

Distancia calculada (mm)

Motores en línea de encendido provocado

(1.1-1.25)D (91.85-104.38)

5.5 Dimensiones relativas de pistones

Figura 7. Esquema de dimensiones básicas de diseño del pistón [2].

A continuación se dan algunas dimensiones del pistón referidas a su diámetro D. El diámetro del pistón es 82.8 mm

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Tabla 6: Dimensiones relativas de pistón [5].Dimensiones Rango típico Rango

calculado (mm)

Altura (H) (0.6-1.5)D (49.68-124.2)Distancia del bulón a la

cabeza ( )(0.3-0.6)D (24.84-49.68)

Longitud de la falda (0.4-0.7)D (33.12-57.96)Diámetro exterior del

bulón ( )

(0.2-0.4)D (16.56-33.12)

Altura de segmentos (Estanqueidad (h))

(0.02-0.025)D (1.66-2.07)

Altura de segmentos

(Rascadores ( ))(0.04-0.045)D (3.31-3.73)

Juego diametral en cabeza

0.004D 0.331

Juego diametral en falda 0.0015D 0.124

5.6 Dimensiones relativas del cigüeñal

Figura 8. Partes del cigüeñal de un motor de 4 cilindros en línea [2].

Figura 9. Medida de diámetro de muñequilla y apoyo de bancada [5].

Se dan una serie de datos generales que pueden orientar la elección de las dimensiones del cigüeñal. Donde D es el diámetro del cilindro que es 83.5mm, es el diámetro de la muñequilla que es 49.75mm y es el diámetro de apoyo de la bancada que es 54.70 mm. La longitud de la muñequilla es 27.05mm y la longitud del apoyo de bancada es 31.4mm, todos estos datos son medidos.

Tabla 7: Dimensiones relativas del cigüeñal [5].Dimensiones MEP MEP

calculado (mm)

Diámetro de la

muñequilla

(0.55-0.65)D (45.93-54.28)

Longitud de la

muñequilla (0.45-0.6) (22.39-29.85)

Diámetro del apoyo de

bancada

(0.60-0.70)D (50.1-58.45)

Longitud del apoyo de

bancada

(0.45-0.6) (24.62-32.82)

5.7 Relaciones geométricas típicas entre válvulas y cilindro

Figura 10. Relaciones geométricas entre válvulas y cilindro [2].

El diámetro del cilindro es 83.5 mm

Tabla 8: Dimensiones de las válvulas a partir del diámetro del cilindro [5].

Válvula Medido (mm)

Calculado (mm)

Error

Admisión 37.85 36.74 1.11Escape 32.45 31.73 0.72Distancia entre válvulas

9.4 10.02 0.62

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6. Experimento para determinar el volumen de la cámara de combustiónEl volumen inicial de aceite que pusimos en la probeta fue de 110ml y al verter en la cámara de combustión nos sobro un volumen de 73ml por lo tanto el volumen de la cámara de combustión es 37ml.

Figura 11. Medida del volumen de la cámara de combustión [5].

7. ConclusionesReconociendo la forma, nombre y posición de cada elemento aprendí cuál es su función en el sistema para lograr que el mismo funcione correctamente. El desplazamiento de los pistones y la apertura o cierre de las válvulas deben estar muy bien sincronizados para lograr una eficiente combustión, por lo que cabe recalcar que el tiempo es muy importante para cada ciclo.Realizamos un análisis del M.E.P. donde nos basamos en formulas sustentadas logrando reconocer dimensiones y rangos que comparamos con el diseño ya existente para estudiarlo y compararlo, para verificar que este dentro del rango que se ha propuesto en dichas formulas, ya que si no se encontrara en los rangos saber cuál es el proceso que deberíamos tomar para obtener una solución (aumentar, reducir, etc.).No se puede obtener valores exactos ya que cada instrumento posee un cierto porcentaje de error debido a que posee una lectura mínima.

Referencias

Libros:[1] J. M. Alonso, “Técnicas del automóvil

MOTORES”, 11va ed., pag. 14.[2] F. Payri, “Motores de combustión interna

alternativos”, Ed. Reverte, pag. 28-29; 877; 893; 906.

Manuales:[3] W. Contreras, “Funcionamiento y cálculos de

motor (MEC)”, pag. 3-6.

Recursos de Internet:[4] Aviación ULM, “Gráficos motor, ciclo Otto”

[online]. Disponible en: http://www.aviacionulm.com/graficosmotor/otto.jpg

Autor:[5] E. Llivisaca, Cuenca - Ecuador, Oct. 09,

2015.

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Modelado Pistón (SolidWorks)

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