Diseño y construcción de un motor didactico de combustion interna de cuatro...

r'f ,ruufu'ffiiluun

GAI,I

@RBORACION T¡NIVENSITARIA AT'TONOHA DE OCCIDNTTE

DISEÑO Y CONSTnI¡CCION DB T'N T{OIOR DIDAGTICO

DE @I,IH'STION INTERT{A DE CUATNO TIE{POS

VICROR HT'GO BEJANANO IB|ORIO

CARTÍ)S EIX'ARDO üNUE ANISTIZABAL

lhivcridod rutonomo d¡ 0ccid¡nn

S¡crión libiiotro

15e55

DIVISION DB INGBIIERTAS

PNOGRAI{A DE INGHIIERIA üBCAilICA

I]ISEftO Y CtrhIEiTRUtrCION DE UH F!üTtrR DIDAtrTItrO

DE trI]I.IBUsTItrN INTERNA DE CUATRO TIEI"IPOS

VIETtrR HUGiO BEJARANB TENERIO

CARLÚs EDUARDS DUtrUE ARISTIZAEAL

Trabajo de grado presentadocomo requisir.o parcial parafiptar al tj.tulo de Ingeniero

l"lecánico.

Dirertor¡ INE- HEBERT JARAFIILLtr

CALI

üEfrFNftACIDN UNIVERSITARIA AUTÜNtrHA DE BtrtrIDENTE

DIVISION DE INGENIERIAS

FRtrGRAHA DE INEENIERIA I'TEtrANItrA

1?93

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Aprobado ¡x)r eI comlte de trabaJo

de grado r @n cuqrli.mlento de losrequi-si-üos exigidos lxrr IaCor¡nración Unlversttaria Autonoma

de Occidente, para optar aI titulode Ingeniero Mecanico-

Jurado -

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CaIi, Octubre de 1.998

AE}RAI}ECIHIENTOS

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TABTA DE CONTEHIDO

INTRODUCCION

1. Calculo compoelclón mezcla.

2. Proceso admieión y eompreslón.

3. Proceso combustlón y expansión.

4. Prlnclpales parametroe deI clclo.5. Clclo real y caracterlstlcae de velocldad.

6. Balance termlco del moton.

7. Cinematlca mecanlsmo blela-manlvela.

B. Dlnamlca mecanlemo blela-manlvela.

9. Dlseño del pletón.

10. Dleefio de Ia ble1a.

11. Dleeño del clgueñaI.

BIELIOGRAFIA

PAG.

3

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33

39

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FIGURA 1.

FIGURA Z.

FIGURA 3.

FIGURA 4,

FIGURA 5.

FIGURA 6.

FIGURA 7.

FIGURA 8,

FIGURA 9.

TAETA DE FIq'RA5

Dlagrana lndlcador.

Panametroe efectlvos.

Mecanismo Bie1a-ManlveIa.

Curvas de traslacÍón, velocldad y

aceleraelón del pletón,

Variación de Ia magnltud de velocldad.

Curvae dlnamlcas del motor.

Ptetón.

Biela.

Cigueña1.

PAG.15

16

20

2L

2L

26

zg

32

35

REflfiEN

EI prs¡ente trabaJo tÍene con f in, orientar a ios

estudlantes de Ia asignatura de motoree de combust,iór¡

interna en eI calcúIo y dlseño de motores a gasolina.

Esta herramienta de b:rabajo ae realizo con baee en un

motor Chrysler íJ6O c. i. d, pudiendose comprobar mediarrte

el paquet,e de computador, la veracidad de los calcúlos

obienidrlsr por este.

A continuación encontrar.emos ]os dato6 en forma senei.lla

y r:rdenada, sigiendo la mÍsma secuenci.a con Ia cual eIpaquete realiza eus calcú.los para facilitar de esta forma

una facil comprensión del material didáctico. se

recomj.enda tener cor¡s¡i.stencia en las unidades para pocier

real i,zat una buena practic¿i tanto con eI paquete de

cornput,ador, eomo con el motor didáctieo.

v1

TNTnI)DI,'CCION

Los equipos energétlcos que más aceptaclón han tenido en

los medloa de transporte han sldo los motores

alternatlvos de combustión interna.

La peculiaridad de los motores térmicos de este tipoconsJ-ste en que eI proceso de combustión de la mezcla del

carburante con eI aire y la transformación de la energía

termica en mecánlea tiene lugar dentro del cilindro del

motor.

tas ventajas que ofrecen los motoreg de combustión

interna: alto rendimiento economfco y duración, asÍ como

la posibilidad de emplear en elloe combustible lÍquido y

gaaeoso, fueron Ia cauca gurr desde su aparlción a

prlnclpios de la eegunda mitad del aiglo XIX, empiezan a

desplazar a las máquinas de vapor.

asi. eomo palpamos eI augue de la indust.rÍa automotriz

eepecial de la automovilistlca la cual nos invade con

Es

en

dlferentes tÍpoe de modelos de loe cualeÉr se noa asegura

por sua fabricantes eron los más veloces, potentes,

económicos, uniformes en su marcha y muchas otras

caracteristicas de tipo constructlvo que noa evocan a un

dificil entendlmlento de como pueden comblnarEe todos

estos fact,ores en un mlsmo motor y cuando para lograr una

gran eflciencla en un aspecto hay que entrar en

detrimento de otro.

Por todo Io anterior, decldimos erear Ia poeibilidad de

tener una herramienta didáctica en el estudio de los

motores de combustión interna encaminada especlficamente

a servlr cle investigación a qulen quiera conocer como se

comporta un motor a gasollna-

Flsperarnos que esta obra se constltuya en elemente de

desarro.llo de nuestra Institueión, como conplemento a lafornación profeslonal de los estudlantes de ingenlerla.

Los Autores

Cali, A€oeto de 1.993

1- CAT{UT¡ COMPOSICION I{EZCIA

En los motores de combustión interna,Ia energia térmlca

necesari.a para cubrir eI trabajo mecáni.co, Be obtiene

como resultado de las reacciones quÍmicas entre eI

comt¡ustible, gasolina o A.C.P.M en nuestro medio t y el

oxigeno del aire. Estas reacciones en los motores

modernos ae suceden en un tiempo bastante Ilmitado, de

escasamente algunae milésimas de segundo,, debiendo ser

una mezcla homogénea y de fáeil evaporación para asegurar

un rápldo y aeguro arranque del motor, además

lndependiente de la temperatura del exterior, impedir Ia

formación de sarro y carboncilla sobre lae euperficles de

la cámara de combuettble contrl-buyendo a Ia dlemlnución

del desgaete y corroslón de1 eEpe.jo del cillndro, losa

anÍIlos del émbolo y el plsüón, asegurar las condiciones

de una oportuna y completa combustión y Ia disminución de

Ia cantidad de componentes tóxicos de los productos de laconbuetlón.

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2. PROCESO ADIIISION Y @MPNESION

Para hablar del pnoceso de admlsión eE lndlspeneable

vincularlo con eI de eercape o expulsión de los productos

de Ia combuetlón y luego sf lntroducir en éI la carga de

la mezcla aire-combustible. Es por ésto que el proceso de

aúnisión ee debe analizar tonando en consideraeión loe

parametros que caracterizan eI deaarrollo del proeeso de

escapeo exaürinando todo eI compleJo de fenómenos que se

refieren aI lntercamblo de gas¡es en conjunto, además lacarga freeca sumlnisürada depende de Ia calidad con que

ere limpie eI cllindro. La dlsminución de Ia preslón en eI

slstema de ad¡nisión y en eI cj.lindro depende del régimen

de velocidad del motor, de lae reslstencias hldráulicasen los elementos del sistema, del área de las secclones

de paso de la mezcla fresca, de Ia densidad de la misma.

La veloctdad de las válvulas de1 motor es pequeña, lo que

origina que las fuerzae de inercia que aparecen no aean

eonsiderables, ésto aaegura un trabaJo flable de laspiezas del mecaniemo de válvulae.

Hablando ahora del proceso de eompresión, observamos eI

aumento de preeión y temperatura de Ia mezcla, parámetros

éstos que aI elevarse favorecen Ia conbustión, así como

eI hecho de que Ia mezcla ae encuentra en un pequeño y

compacto volumen.

De un buen proceeo de compresión depende una buena

combuetión de Ia mezcla, V de E¡er así habrá poca

posibilidad de creacfón de carbonilla, recalentamlento de

piezas causadas por un pre-encendldo y detonaciones.

Ios parametros aI final de la compreslón ae hallan

tomando un valor medlo del exponente polltróplco y

considerándolo constante para todo eI proceso, esto por

gue resulta dificil calcularlos analitieamente.

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3- PROCESO COI{Br¡STION Y EXPAilSIOil.

Eete proceero queda deflnldo por las propiedades que tenga

el combustlble para reacclonar químfcamenter por las

condicj-ones de transferencia de calor y eI paso de calor

a 1as paredes. La velocidad de reacción depende en gran

parte de }a homogenidad de la ¡nezcla.

Dn¡rante este corto período de tiempo se sucede la más

alta presión de1 ciclo, ocaslonando por con€iigulente las

mayoreÉr fuerzas reaccionantee sobre las piezaE.

Este proceeio de combustión transcurre en fage gaEeosra, Erl

el que las reacclones de oxidaclón ae desarrollan a

velocidacles elevadas para que el combustible 1íquido se

convierta en vapor y se mezcle con el aLre.

EI calor que E¡e despre¡¡de de la combustión de la mezcla

aire-combustible dentro de] cl1lndro se conEume en

calentar eI f1uído operante y en realizar el trabaio

exterlor. Parte de1 calor pasa a las paredea durante elproceso de conbustión y en Ia posterior expansión.

EI proceÍro de expansión, Ilamado tambÍén carrera de

trabajo, es en el cual E¡e produce eI trabajo mecánico

debido a Ia energía termlca desprendlda durante la

conbustión.

Debido a que e} exponente politrópico de expansión ea

determinado por Ia Ínfluencia coniunta de factoreer BE

debe eleJLr conslderando resultadoe¡ experi¡nentales que se

tienen y que se han hallado durante Ia investlgación de

motores analogos-

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desprendido en

de

1a

este proceso ea transfonmar el calor

combustión en trabaJo mecánico-

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4. PRINCIPAT.ES PARA}ÍETTOS DEL CICI¡

Entre los parámetros que caracterizan eI clclo real de

trabaJo deI motor, figuran los siguientes: Presión

indicada media, potencia indicada, rendimiento indicado y

consumo lndicado de combustible.

Como result,ado de Ia realización del ciclo de trabajo de

una parte de energía termica desprendlda al quemarse eI

combustible ee convlerte en energia mecánica. AI trabaio

efectuado durante un ciclo y determinado por el diagrama

lndicador Be Ie denomlna trabajo Índicado de1 ciclo.

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5. CICIO REAL Y CARACTTRISTICAS DE VET¡CIDAD.

EI vehiculo automotor opera siendo variables lae

condiciones de carga, velocldad y en diferentes terrenoe.

Por Io consfguiente 1a potencia del motor siempre deberá

corresponder a aquella que aea necesaria para el rnotor

del vehiculo, con la velocldad requerida y aÉeEurando 1as

cualidades dinámicas dadae a elevados índices de economía

de combustible.

La máxlma potencia efecti.va que el motor puede

desarrollar en torlos los regimenes de velocidad está

limitada lag caracteristicas externas de velocldad.

Para analizar el funcionamiento de1 motor es necesario

tener una serie de earacterÍsticas que determinan lavariación de 6us principales índices en función de

algunos de sus parámetroe caracterlsticos tales como lafrecuencj-a de rotación, potencia efectivar pdF motor

efectivo, consumo horario de combusttble y

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6- BAÍ.AIICE TENMICO DEL T{CIFOR.

EI balance termlco del motor da la noclón sobne Ia

repartición del calor que ¡¡e desprende durante la

combuEtión del combuEtlble. Puede srer compuesto, de un

modo aproximado a baee de cálcuIos técnicos o determinado

mediante un estudio de laboratorio.

Para determinar la tendencia de1 aprovecha¡niento de calory las vías de su meJoramiento, así como los datoe

necesarios para eI cáIculo del sistema de enfriamiento,

se debe establecer en que se gasta eI calor i-ntroducido

aI motor, Con este fin aI investigar eI motor se

determi.nan los componentee separados del balance térmico

en función de los diferentes parámetroa que caracterizan

las condiciones de explotaeÍón, como fron la carga,

frecuencia de rotación, composlción de la mezcla,etc., y

factores constructivos como tipo de motor, grado de

compreslón, diámetro del pistón y otros

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7 . CINEMATICA TIECANIST{O BIET,A-T{A}IIVETA.

Durante eI funcionamiento del motor en eI mecanlgmo de

biela y mani-vela aparecen eefuerzos cuya nagnitud y

caracter se determinan por la investigación clnemática y

dinámi.ca del mecanisno indicado.

tae características cinemáticas ste examlnan a una

velocidad eetable del funcionamiento del motor, es decir,

aI srer corriente el número de revolucioneg del clgueñal.

EI cáIculo del mecánismo biela-manivela ee eumple para

determinar fundamentalmente el desplaza¡¡iento, la

velocidad y la aceleración del pj.stón.

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8. DINAI{ICA DEL [trCAilISMO BIETA-I{ANIVEIA.

El anáIisls de lae fuerzas que actuan en eI mecánismo

biela-manivela es indiepeneable para calcular Ia

resÍstencia mecánica de las piezae del motor y para

determinar las eargas sobre los coiinetes. En 1o general,

se analizan dos tlpos de fuerzag: la de presión de los

EÍaaes y las fuerzas de inercia de las ma€rae tanto de

movimiento rotativo como alternativo, degpreciándose las

fuerzas de frlcción.

En la determinacÍón de las fuerzas de

subdividen las masaa en tres grupoa:

1nerc1-a

a.

b.

Piezae con motor alternativo, o Eea eI grupo del

pi.stón incluidos Los anillos y el bulón.

Piezae con motor rotatlvo, o e;ea las partes que glran

con eI clgueñal.

de

de

eI

1a

Piezas con

l.a bi.el-a

motor planoparal.elo, o eea eI grupo

cual ae Eepara en doe sietemag

c.

referencia para ner repartida entre loe dos grupos

anteriores.

Posteriormente se hace el equilibrio y al uniformidad de

Ia ¡narcha del motore que incluye Ia colocación de los

contrapesos para asreEurar que no haya vibraciones en elsistema.

A mayor número de cilindros ae neceÉrÍtan menos¡ cantldad

de contrapecoa.

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9. DISEÑO DEL PISIICN.

El plstón es un pequeño vaEo metalico inetalado con un

pequeño juego en eI cilindro. El recibe Ia preefón de loe

gases en expanslón y la transmite a travée del bulón y Ia

biela al cigueñal. EI pistón se somete aI efecto de altastemperaturas y presiones y a una veloeldad bastante

grande. EI movimiento desuniforme del pistón lleva a Ia

aparición de fuerzas de inercia las cuales en Los motores

de regimen rápido alcanzan grandes valoree. De aeuerdo

con Ias condfciones de funclonaniento, el material del

pistón debe poaeer altas cualldades meeánicas y altaresj-stencia al deegaste, ser llgero y dislpar bien eIcalor. Todas estas condiciones lae reunen las aleacones

de aluminLo.

Entre todos los inconvenientes de los plEtones fabricados

en las aleaciones de aluminio conviene seña1ar un Eran

coeficiente de dilatación linea] (debido a éeto E¡e debe

aumentar eI. juego entre }as paredes del cilindro y eIpistón) y el empeoramiento de las propiedades mecánicas a

merlida gue va subiendo la temperatura. Para eliminar esta

última desventaja, los pistonea de aleación de aluminlo

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10. DISEÑO DE I.A BTEÍA.

La bl.ela es eI elemento qrre acopla el platón aI cigueñaly tranemite a este úItlmo los esfuerzos recibidos de

aquel- La biela debe ser resistente, ríglda y ligera. Ee

estampada en acero al carbono o aleada, de alta calidad y

Iuego ee somete aI tratamiento mecánieo térmico.

La biela ee subdlvide para su eatudlo en ple de biela que

ee al parte que acopla eI plstón, cuerpo de la biela (que

generalmente se contruye en doble T) y la cabeza de Iabiela que eE Ia parte que acopla con el muñon del

clgueñalr €n esta última parte se encuentran Ia tapa y

los pernos ffiadores de l.a tapa.

En cuanto a las formag constructivae de Ia biela, las hay

de diferentes tipos dependtendo de la inatalación de lamlsura con eI cigueñalr €ln algunos casos se hace enterizay eI clgueñal desarmable, aunque Io mas comun es 1o

contrario.

Las bielas así sean desarmables, se contruyen en conjunto

y al labrado de aposento del coJineteprecisisón, ocaeionando que no se puedan

las tapas de diferentes bielae.

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11. DISEÑO DEL CIGT'EÑAL-

Et cigueñal recibe a través de Ia blela, los egfuerzos

procedentes de los pistones y los transfiere a loe

meeanismos de transmisión de potencla. EI acclona

diferenteg mecanlsmos del motor.

Durante el funcionamiento deI motor, eI cigueñal está

sometido al efecto de las fuerzas de presión de ros gasee

y las fuerzas de inerciar güB orlginan en el cigueñal

deforrnaciones por torsión, frexión y compresi.ón. Ademáe

las unionee del árbol se someten aI desajuste por

fricción.

Los cigueñales se estampan en acero de alto earbono o

bien Ee moldean de fundición aI magneeio, siendo este

último más sencirlo y barato. Todas ras superficles delcigueñar se someten a la eraboraeión mecániea y con una

precisión elevada ee labran las unLones der árbol. para

aumentar la dureza y la reslstencia aI desgaste, lasuniones de apoyo del cigueñar y los de biela se someten

al tempre superficial carentándolos por corrientes de

alta tensión a una profunrlidad de 1.8 a 5.0 mm.

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