UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
CONSTRUCCIÓN DE UN INSTRUMENTO DE MEDIDA DE FLUJO DE AIRE PARA LA PREPARACIÓN DE CABEZOTES
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
DIEGO ADALBERTO GARCÍA MERA
MSC. ALEXANDER PERALVO
Quito, Marzo 2012
III
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2011
Reservados todos los derechos de reproducción
IV
DECLARACIÓN
Yo DIEGO ADALBERTO GARCÍA MERA, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________
Diego Adalberto García Mera
C.I. 0401118633
V
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Construcción de un instrumento de medida de flujo de aire para la preparación de cabezotes”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Diego García, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
Msc. Alexander Peralvo
DIRECTOR DEL TRABAJO
C.I. 1718133448
VI
DEDICATORIA
A mis Padres y mis Hermanos, ya que con su esfuerzo
he podido cumplir un objetivo más de mi vida.
VII
AGRADECIMIENTO
Quiero empezar agradeciendo a Dios por haberme dado la oportunidad de
terminar mis estudios, como también a mis Padres por su gran esfuerzo y
todas sus enseñanzas, a mis Abuelitos, mis Hermanos, mis Tíos, mi Tías,
por haberme dado siempre su respaldo y apoyo incondicional.
A la Arq. Mercedes Mera por su respaldo en toda mi carrera.
A los Ingenieros Nilo García y Gerardo García por su ayuda inmejorable para
la elaboración de la presente investigación.
A mi novia por su gran apoyo a través de toda mi carrera, al equipo P-
Powering por permitirme el desarrollo profesional.
A las personas que de una u otra manera contribuyeron con mi crecimiento
profesional.
VIII
ÍNDICE GENERAL
PRELIMINARES
Pagina en Blanco………………………………..…… I
Carátula………………………………………………. II
Declaración ………….……………………………..... IV
Certificación ………………..……………………...…. V
Dedicatoria………………………….……………..…. VI
Agradecimiento…………………………………….… VII
Índice General…………………………………….….. VIII
Índice de Figuras..…………………………………... XIV
Índice de Tablas……………………………………… XVII
Índice de Anexos……………………………….……. XVIII
Resumen……………………………………………..… XX
Summary…………………………………………..…… XXI
IX
CAPÍTULO I ..................................................................................................... 3
1. MECÁNICA DE FLUIDOS ..................................................................... 3
1.1. TIPOS DE FLUJO ........................................................................... 3
1.1.1. FLUJO TURBULENTO: ............................................................ 3
1.1.2. FLUJO LAMINAR: .................................................................... 7
1.1.3. FLUJO INCOMPRESIBLE: ...................................................... 7
1.1.4. FLUJO COMPRESIBLE: .......................................................... 8
1.1.5. FLUJO PERMANENTE O FLUJO ESTACIONARIO: .............. 8
1.1.6. FLUJO NO PERMANENTE: ..................................................... 9
1.1.7. FLUJO UNIFORME: ................................................................. 9
1.1.8. FLUJO NO UNIFORME: ........................................................ 10
1.1.9. FLUJO UNIDIMENSIONAL: ................................................... 10
1.1.10. FLUJO BIDIMENSIONAL: ...................................................... 11
1.1.11. FLUJO TRIDIMENSIONAL: ................................................... 11
1.1.12. FLUJO IDEAL: ........................................................................ 12
1.1.13. FLUJO AXIAL: ........................................................................ 12
1.2. MOVIMIENTO DE UN FLUIDO POR UN CONDUCTO ............... 13
X
1.2.1. ONDAS DE AMPLITUD FINITA ............................................. 13
1.2.1.1. Ondas de compresión y de expansión ............................... 15
1.3. LEY DE BOYLE-MARIOTTE (LEY FUNDAMENTAL DE LOS
GASES) ................................................................................................... 18
1.4. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD ................................................... 19
1.5. TEOREMA DE BERNOULLI ......................................................... 20
1.6. NÚMERO DE REYNOLDS ........................................................... 21
1.7. VENTILADORES .......................................................................... 22
1.7.1. CLASIFICACIÓN DE LOS VENTILADORES......................... 23
1.7.1.1. Clasificación según la presión total desarrollada ............... 23
1.7.1.2. Clasificación según la dirección del flujo ............................ 23
1.7.2. Teoría de los ventiladores ...................................................... 24
CAPITULO II .................................................................................................. 29
2. CABEZOTES ....................................................................................... 29
2.1. INTRODUCCIÓN .......................................................................... 29
2.2. TIPOS DE CABEZOTES .............................................................. 30
2.2.1. TIPOS DE CABEZOTES SEGÚN EL INTERCAMBIO DE GAS
30
XI
2.2.1.1. Cabezote de contracorriente .............................................. 30
2.2.1.2. Cabezote con circulación transversal ................................. 31
2.2.2. TIPOS DE CABEZOTES SEGÚN EL ÁRBOL DE LEVAS .... 31
2.2.2.1. SOHC .................................................................................. 31
2.2.2.2. DOHC .................................................................................. 32
2.2.3. TIPOS DE CABEZOTES SEGÚN LOS MODELOS
CONSTRUCTIVOS DE DISTRIBUCIÓN DE VÁLVULAS ................... 33
2.2.3.1. Cabezote con regulación de válvulas por taqués de platillos
33
2.2.3.2. Cabezote con regulación de válvulas por palanca de
arrastre o palanca oscilante ............................................................. 34
2.2.3.3. Cabezote con regulación de válvulas por balancines ........ 34
2.2.3.4. Cabezote con regulación de válvulas por varillas .............. 35
2.3. CONSTRUCCIÓN ......................................................................... 36
2.4. MATERIALES ............................................................................... 38
2.5. COMPONENTES .......................................................................... 39
2.5.1. CONDUCTOS DE ADMISIÓN Y ESCAPE ............................ 39
2.5.2. VÁLVULAS ............................................................................. 40
XII
2.5.2.1. Válvula de admisión ............................................................ 40
2.5.2.2. Válvula de escape ............................................................... 40
2.5.3. RESORTES DE VÁLVULAS .................................................. 41
2.5.4. ÁRBOL DE LEVAS ................................................................. 41
2.6. ONDAS DE PRESIÓN EN EL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN ........... 42
2.7. DINÁMICA DE APERTURA Y CIERRE DE LAS VÁLVULAS ...... 45
CAPÍTULO III ................................................................................................. 49
3. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ........................................................... 49
3.1. MEZCLA DE AIRE COMBUSTIBLE ............................................. 49
3.1.1. CARACTERÍSTICAS DEL AIRE ............................................ 50
3.1.2. PRESIÓN ATMOSFÉRICA .................................................... 51
3.1.3. CARACTERÍSTICAS DEL COMBUSTIBLE........................... 51
3.1.3.1. Octanaje .............................................................................. 51
3.1.3.2. Curva de destilación ........................................................... 52
3.1.3.3. Volatilidad ............................................................................ 52
3.1.3.4. Contenido de azufre ............................................................ 52
3.2. SISTEMAS DE FORMACIÓN DE LA MEZCLA ............................ 53
XIII
3.2.1. SISTEMA CON CARBURADOR ............................................ 53
3.2.1.1. Tipos de carburadores ........................................................ 54
3.2.2. SISTEMA DE INYECCIÓN ELECTRÓNICA .......................... 55
3.2.2.1. Sistema de inyección mono-punto ...................................... 55
3.2.2.2. Sistema de inyección multipunto ........................................ 56
3.2.3. SISTEMAS DE ADMISIÓN VARIABLE .................................. 57
CAPITULO IV ................................................................................................ 63
4. DISENO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ............................... 63
4.1. FASE DE CONSTRUCCIÓN ........................................................ 63
4.1.1. DISEÑO .................................................................................. 63
4.1.2. DIMENSIONES DEL EQUIPO ............................................... 64
4.1.3. MATERIALES Y ACCESORIOS ............................................ 69
4.2. CARACTERÍSTICAS DEL INSTRUMENTO ................................. 71
4.2.1. MANÓMETROS ..................................................................... 72
4.2.2. ADAPTADOR ......................................................................... 75
4.2.3. SOPLADOR ............................................................................ 75
4.3. COSTO DEL FLUJÓMETRO ........................................................ 76
XIV
4.4. GUÍA DE FUNCIONAMIENTO DEL FLUJÓMETRO .................... 78
4.5. MANTENIMIENTO DEL INSTRUMENTO .................................... 80
4.6. PRUEBAS ..................................................................................... 81
4.6.1. ORDEN DE TRABAJO ........................................................... 81
4.6.2. CÁLCULOS ............................................................................ 81
CAPÍTULO V ................................................................................................. 86
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................... 86
5.1. CONCLUSIONES ......................................................................... 86
5.2. RECOMENDACIONES ................................................................. 88
6. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................... 90
7. GLOSARIO DE TÉRMINOS: ............................................................... 92
8. ANEXOS .............................................................................................. 95
XV
ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. No. 1: Movimiento de un flujo turbulento. ................................................. 3
Fig. No. 2: La rugosidad genera turbulencia. .................................................. 4
Fig. No. 3: La turbulencia en el flujo de entrada genera medidas erroneas. .. 5
Fig. No. 4: Gradientes de presión adversos penetran por atrás del flujo. ....... 5
Fig. No. 5: La temperatura genera turbulencia. ............................................... 6
Fig. No. 6: Combinaciones de caudales generan turbulencia......................... 6
Fig. No. 7: Flujo laminar. .................................................................................. 7
Fig. No. 8: Flujo incompresible ........................................................................ 7
Fig. No. 9: Flujo compresible. .......................................................................... 8
Fig. No. 10: Flujo permanente. ........................................................................ 8
Fig. No. 11: Flujo no permanente. ................................................................... 9
Fig. No. 12: Flujo uniforme. ............................................................................. 9
Fig. No. 13: Flujo no uniforme. ...................................................................... 10
Fig. No. 14: Flujo unidimensional. ................................................................. 10
Fig. No. 15: Flujo bidimensional. ................................................................... 11
Fig. No. 16: Flujo tridimensional. ................................................................... 12
Fig. No. 17: Flujo ideal incompresible y carente de fricción. ......................... 12
Fig. No. 18: Flujo axial. .................................................................................. 13
Fig. No. 19: Movimiento de un fluido por un conducto. ................................. 13
Fig. No. 20: Ondas de amplitud finita. ........................................................... 15
XVI
Fig. No. 21: Onda de compresión las partículas y la onda van en el mismo sentido. .......................................................................................................... 16
Fig. No. 22: Onda de expansión las partículas y la onda van en diferentes sentidos. ......................................................................................................... 16
Fig. No. 23: Fuerzas producidas por los diferentes álabes. .......................... 23
Fig. No. 24: Ventilador Axial. ......................................................................... 24
Fig. No. 25: Cabezote de motor. ................................................................... 29
Fig. No. 26: Cabezote de contracorriente. .................................................... 30
Fig. No. 27: Cabezote con circulación transversal. ....................................... 31
Fig. No. 28: Componentes de un motor SOHC ............................................. 32
Fig. No. 29: Componentes de un motor DOHC. ............................................ 33
Fig. No. 30: Cabezote con regulación de válvulas por taqués de platillos.... 33
Fig. No. 31: Cabezote con regulación de válvulas por palanca de arrastre u oscilante. ........................................................................................................ 34
Fig. No. 32: Cabezote con regulación de válvulas por balancines. .............. 35
Fig. No. 33: Cabezote con regulación de válvulas por varillas. .................... 35
Fig. No. 34: Robots manipuladores para fundición de cabezotes de aleación de aluminio. .................................................................................................... 36
Fig. No. 35: Válvula. ...................................................................................... 40
Fig. No. 36: Resorte de válvulas. .................................................................. 41
Fig. No. 37: Árbol de levas. ........................................................................... 42
Fig. No. 38: Conducto de admisión con un ángulo de 3 a 6º de inclinación. 43
Fig. No. 39: Diagrama de válvulas. ............................................................... 48
XVII
Fig. No. 40: Funcionamiento de un carburador. ............................................ 54
Fig. No. 41: Esquema básico de un sistema mono-punto. ........................... 56
Fig. No. 42: Inyección multipunto. ................................................................. 57
Fig. No. 43: Sistema de admisión ajustable BMW. ....................................... 59
Fig. No. 44: Dimensión y estructura de los conductos de admisión. ............ 61
Fig. No. 45: Estructura de admisión resonante. ............................................ 62
Fig. No. 46: Diseño en 3D ............................................................................. 63
Fig. No. 47: Plano General. ........................................................................... 65
Fig. No. 48: Dimensiones parte superior ....................................................... 66
Fig. No. 49: Dimensiones parte inferior. ........................................................ 67
Fig. No. 50: Conjunto válvula reguladora ...................................................... 68
Fig. No. 51: Cartilla de mediciones. ............................................................... 74
Fig. No. 52: Adaptador cabezote. .................................................................. 75
Fig. No. 53: Aspas axiales. ............................................................................ 76
XVIII
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Dimensiones totales del instrumento. .................................................. 64
Tabla 2: Materiales utilizados en el prototipo. .................................................... 69
Tabla 3: Accesorios utilizados en el prototipo. ................................................... 70
Tabla 4: Combinaciones orificios de medida. ..................................................... 71
Tabla 5: Cálculo de los orificios. ......................................................................... 72
Tabla 6: Divisiones del manómetro inclinado. .................................................... 73
Tabla 7: Costo del instrumento. .......................................................................... 77
Tabla 8: Para válvula de admisión de cámara semiesférica y válvula de
escape en general. ............................................................................................. 83
Tabla 9: Para válvulas de admisión de cámaras cuñas. .................................... 84
XIX
INDICE DE ANEXOS
Anexo No. 1: Construcción gabinete parte superior ..................................... 95
Anexo No. 2: Construcción Gabinete parte inferior ....................................... 95
Anexo No. 3: Armado del Gabinete ............................................................... 96
Anexo No. 4: Pintura del gabinete ................................................................. 96
Anexo No. 5: Parte posterior ......................................................................... 97
Anexo No. 6: Conjunto válvula reguladora .................................................... 97
Anexo No. 7: Acoples mangueras ................................................................. 98
Anexo No. 8: Subconjunto válvula reguladora .............................................. 98
Anexo No. 9: Válvula reguladora, acoples y cañerías para medición. .......... 99
Anexo No. 10: Bases del soplador ............................................................... 99
Anexo No. 11: Coraza del soplador ............................................................. 100
Anexo No. 12: Aspas del soplador .............................................................. 100
Anexo No. 13: Soplador ............................................................................... 101
Anexo No. 14: Soplador con mangueras .................................................... 101
Anexo No. 15: Chapa con seguros para los orificios de medida ................ 102
Anexo No. 16: Flujómetro ............................................................................ 102
Anexo No. 17: : Flujómetro en 3D ............................................................... 103
Anexo No. 18: Tablas de sopladores .......................................................... 104
Anexo No. 19: Recorrido del aire a traves del eqipo ................................... 104
Anexo No. 20: Plano coraza soplador ......................................................... 105
XX
Anexo No. 21: Plano mecanismo del soplador ........................................... 106
Anexo No. 22: Plano álabes ........................................................................ 107
Anexo No. 23: Orden de trabajo .................................................................. 108
Anexo No. 24: Prueba de flujo de un cabezote de Mini austin 1300CC ..... 109
Anexo No. 25: Potencial de flujo a traves de la válvula .............................. 110
Anexo No. 26: Potencia teórica a la que se podría llegar modificando el cabezote ...................................................................................................... 111
Anexo No. 27: Pruebas realizadas en el cabezote del mini austin 1300 CC ..................................................................................................................... 112
XXI
RESUMEN
El presente proyecto tiene como objetivo diseñar un instrumento para medir
la resistencia a la circulación del aire que se genera en todo el sistema de
alimentación del motor y sistema de escape. Para probar múltiples o
conductos de admisión del cabezote el aire es aspirado a través de este
hacia el interior del equipo, por medio de una válvula se regula la presión,
dicho aire es expulsado al exterior a través de unos orificios calibrados que
miden el caudal de flujo (CFM) para pruebas de escape se sigue el proceso
inverso.
La presión de prueba se mide con un manómetro de columna de agua que
tiene un orificio conectado al exterior para tomar la presión atmosférica, el
otro orificio va conectado a la entrada de la celda de aspiración. Se puede
calibrar el flujo a diferentes presiones de prueba por ejemplo 5”, 8”, 10”,
etc.(pulgada de columna de agua), haciendo una prueba de flujo del
cabezote a 10”, se puede calcular la potencia del motor y el régimen
correspondiente.
Esta presión se regula con una válvula ubicada en frente del panel de
control. El porcentaje de flujo se lee en un manómetro inclinado que como en
el caso anterior, tiene un orificio conectado al exterior y otro conectado a la
celda de expulsión este manómetro tiene una escala que va de 0 a 100 que
es el porcentaje.
Este instrumento está compuesto básicamente por un soplador, una válvula
reguladora de presión, cinco orificios calibrados que se combinan para
diferentes caudales, tres manómetros y adaptadores para los diferentes
elementos a medir.
XXII
ABSTRACT
This project aims to design an instrument to measure the resistance to air
flow that is generated throughout the power system of the engine and
exhaust system. To test multiple or stubborn inlet of air is provided through
an aspirated into the equipment through a pressure regulating valve, the air
is exhausted to the outside through orifices calibrated to measure the flow
rate (CFM) exhaust testing is the reverse process.
The test pressure is measured with a water column manometer that has a
hole connected to the outside atmospheric pressure to take the other port is
connected to the inlet of the vacuum cell. You can calibrate the flow test at
different pressures such as 5 ", 8", 10 ", etc.. (Inch of water column), with a
flow test of stubborn to 10", one can calculate the engine power and the
relevant scheme.
This pressure is regulated with a valve located in front control panel. Flow
rate is read on a gauge inclined as in the previous case, has a hole
connected to the outside and one connected to the cell to expel this gauge
has a scale ranging from 0 to 100 which is the percentage.
This instrument consists basically of a blower, a pressure regulating valve,
five holes that combine calibrated for different flow rates, three gauges and
adapters for the different elements to be measured.
1
1. Planteamiento del problema
1.1. Los cabezotes que se preparan para competencias necesitan ciertas
modificaciones en las toberas de admisión y escape y no se cuenta con
los equipos adecuados, estas modificaciones se las realiza muchas
veces de forma empírica.
1.2. La preparación del cabezote es una parte fundamental de la
preparación de motores en especial en las toberas de admisión y
escape ya que sabiendo aprovechar esto podemos aumentar hasta en
un 30% la potencia de un motor dependiendo del tipo del mismo, para
lo cual se debería tecnificar la preparación con instrumentos adecuados
que nos simulen o predigan el aumento necesario para la potenciación.
2. Objetivos
2.1. Objetivo General
Construir un instrumento que mida el flujo de aire que pasa atraves de un
conducto.
2.2. Objetivos específicos
2.2.1. Definir cada una de las partes que se necesitará para la construcción.
2.2.2. Establecer el diseño para la realización del instrumento.
2.2.3. Orientar las acciones de acuerdo al diseño para fabricar el
instrumento de medida de flujo de aire.
2.2.4. Demostrar el funcionamiento del instrumento mediante la realización
de pruebas.
2
3. Justificación
Es un instrumento muy necesario que deberían tener todos los preparadores
de vehículos ya que así se podría preveer si los cabezotes han sido
correctamente modificados e incluso significaría un gran ahorro ya que la
mayoría espera a que el motor funcione para saber si se ha hecho un buen
trabajo.
4. Hipótesis
Si se selecciona cada una de las partes adecuadas para establecer un
diseño que permita cumplir la función del instrumento y sea de fácil
utilización demostrando el funcionamiento mediante pruebas entonces se
habrá construido un instrumento de medida de flujo de aire.
5. Aspectos metodológicos
5.1. Investigación de la información necesaria para el proceso de diseño y
la ejecución del planteamiento de nuestra investigación.
5.2. El campo que abarca la investigación está dirigido a la parte automotriz
que se dedica a modificar motores específicamente a la preparación de
cabezotes.
5.3. La investigación será experimental porque se construira el prototipo
para medir el flujo de aire que pasa por los conductos..
5.4. También es una investigación de tipo relacional, ya que se pretende
mostrar la causa – efecto de las variables sobre el proceso de la
preparación de cabezotes.
3
CAPÍTULO I
1. MECÁNICA DE FLUIDOS
La mecánica de fluidos es la parte de la mecánica que estudia las leyes del
comportamiento de los fluidos en equilibrio, y en movimiento.1
1.1. TIPOS DE FLUJO
Los tipos de flujos obedecen a la variable que sea de interés en una
situación dada. Esas variables pueden referirse al fluido o al flujo mismo, y
entre ellas se pueden mencionar la viscosidad, la densidad, la permanencia,
el orden, la región, la vorticidad y el comportamiento espacial del flujo.
1.1.1. FLUJO TURBULENTO:
En este tipo de flujo las partículas del fluido se mueven en trayectorias
erráticas, es decir, en trayectorias muy irregulares sin seguir un orden
establecido, ocasionando la transferencia de cantidad de movimiento de una
porción de fluido a otra( Fig. No.1), de modo similar a la transferencia de
cantidad de movimiento molecular pero a una escala mayor.
Fuente:http://www.uam.es/departamentos/medicina/anesnet/gasbonee/lectures/edu42/encyc
lopedia/airflow/airflow.html
Fig. No. 1: Movimiento de un flujo turbulento.
1 Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas, Claudio Mataix, pag. 21
4
En este tipo de flujo, las partículas del fluido pueden tener tamaños que van
desde muy pequeñas, hasta las muy grandes, del orden de millares de pies
cúbicos por ejemplo en una ráfaga de viento.
En un flujo turbulento podemos encontrar que se desarrollan mayores
esfuerzos cortantes en los fluidos, al igual que las pérdidas de energía
mecánica, que a su vez varían con la primera potencia de la velocidad.
Factores que hacen que un flujo se torne turbulento:
- La alta rugosidad superficial de la superficie de contacto con el flujo,
sobre todo cerca del borde de ataque y a altas velocidades, irrumpe
en la zona laminar de flujo y lo vuelve turbulento. (Fig. No. 2)
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 2: La rugosidad genera turbulencia.
- Alta turbulencia en el flujo de entrada (Fig No. 3). En particular para
pruebas en túneles de viento, hace que los resultados nunca sean
iguales entre dos túneles diferentes.
5
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 3: La turbulencia en el flujo de entrada genera medidas
erroneas.
- Gradientes de presión adversos como los que se generan en cuerpos
gruesos (Fig. No. 4), penetran por atrás el flujo y a medida que se
desplazan hacia delante lo "arrancan".
Fuente: http://www.monografias.com/trabajos14/hidro-termodinamica/hidro-
termodinamica.shtml
Fig. No. 4: Gradientes de presión adversos penetran por atrás del flujo.
- Calentamiento de la superficie por el fluido, asociado y derivado del
concepto de entropía, si la superficie de contacto está muy caliente,
6
transmitirá esa energía al fluido y si esta transferencia es lo
suficientemente grande se pasará a flujo turbulento.
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 5: La temperatura genera turbulencia.
- En situaciones que involucren combinaciones de baja viscosidad, alta
velocidad o grandes caudales, el flujo laminar no es estable, lo que
hace que se transforme en flujo turbulento.
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 6: Combinaciones de caudales generan turbulencia.
7
1.1.2. FLUJO LAMINAR:
Se caracteriza porque el movimiento de las partículas del fluido se produce
siguiendo trayectorias bastante regulares, separadas y perfectamente
definidas dando la impresión de que se tratara de laminas o capas casi de
forma paralelas entre si, las cuales se deslizan suavemente unas sobre
otras, sin que exista mezcla macroscópica o intercambio transversal entre
ellas.(Figura No.7)
Fuente:http://www.uam.es/departamentos/medicina/anesnet/gasbonee/lectures/edu42/encyc
lopedia/airflow/airflow.html
Fig. No. 7: Flujo laminar.
1.1.3. FLUJO INCOMPRESIBLE:
Es aquel en el cual los cambios de densidad de un punto a otro son
despreciables, mientras se examinan puntos dentro del campo de flujo.
Fuente: http://dc196.4shared.com/doc/EzKlRvIu/preview.html
Fig. No. 8: Flujo incompresible
8
1.1.4. FLUJO COMPRESIBLE:
Es aquel en el cual los cambios de densidad de un punto a otro no son
despreciables.
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 9: Flujo compresible.
1.1.5. FLUJO PERMANENTE O FLUJO ESTACIONARIO:
Este tipo de flujo se caracteriza porque las condiciones de velocidad de
escurrimiento en cualquier punto no cambian con el tiempo, o sea que
permanecen constantes con el tiempo o bien, si las variaciones en ellas son
tan pequeñas con respecto a los valores medios. Así mismo en cualquier
punto de un flujo permanente, no existen cambios en la densidad, presión o
temperatura con el tiempo.(Figura No. 10)
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 10: Flujo permanente.
9
1.1.6. FLUJO NO PERMANENTE:
En este tipo de flujo en general las propiedades de un fluido y las
características mecánicas del mismo serán diferentes de un punto a otro
dentro de su campo, además si las características en un punto determinado
varían de un instante a otro se dice que es un flujo no permanente.
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 11: Flujo no permanente.
1.1.7. FLUJO UNIFORME:
Este tipo de flujos son poco comunes y ocurren cuando el vector velocidad
en todos los puntos del escurrimiento es idéntico tanto en magnitud como en
dirección para un instante dado. (Figura No. 12)
Fuente: https://www.meted.ucar.edu/sign_in_es
Fig. No. 12: Flujo uniforme.
10
1.1.8. FLUJO NO UNIFORME:
Este tipo de flujo se encuentra cerca de fronteras sólidas por efecto de la
viscosidad. (Figura No. 13)
Fuente: https://www.meted.ucar.edu/sign_in_es
Fig. No. 13: Flujo no uniforme.
1.1.9. FLUJO UNIDIMENSIONAL:
Es un flujo en el que el vector de velocidad sólo depende de una variable
espacial, es decir que se desprecian los cambios de velocidad transversales
a la dirección principal del escurrimiento. Dichos flujos se dan en tuberías
largas y rectas.
Fuente: http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/08/direccion-del-flujo-.html
Fig. No. 14: Flujo unidimensional.
11
1.1.10. FLUJO BIDIMENSIONAL:
Es un flujo en el que el vector velocidad sólo depende de dos variables
espaciales. En este tipo de flujo se supone que todas las partículas fluyen
sobre planos paralelos a lo largo de trayectorias que resultan idénticas si se
comparan los planos entre si, no existiendo, por tanto, cambio alguno en
dirección perpendicular a los planos.
Fuente: http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/08/direccion-del-flujo-.html
Fig. No. 15: Flujo bidimensional.
1.1.11. FLUJO TRIDIMENSIONAL:
El vector velocidad depende de tres coordenadas espaciales, en este caso
los componentes de la velocidad en tres direcciones mutuamente
perpendiculares son función de las coordenadas espaciales x, y, z, y del
tiempo.
12
Fuente: http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/08/direccion-del-flujo-.html
Fig. No. 16: Flujo tridimensional.
1.1.12. FLUJO IDEAL:
Es aquel flujo incompresible y carente de fricción. La hipótesis de un flujo
ideal es de gran utilidad al analizar problemas que tengan grandes gastos de
fluido, como en el movimiento de un aeroplano o de un submarino. Un fluido
que no presente fricción resulta no viscoso y los procesos en que se tenga
en cuenta su escurrimiento son reversibles.
Fuente: http://www.scielo.org.ar/scielo.php?pid=S1850-
15322007000400007&script=sci_arttext
Fig. No. 17: Flujo ideal incompresible y carente de fricción.
1.1.13. FLUJO AXIAL:
Es aquel en el que el fluido entra y sale del rotor al mismo radio, y sin
componentes radiales de importancia en su velocidad.
13
Fuente: http://www.scielo.org.ve/scielo.php?pid=S0798-
40652007000300008&script=sci_arttext
Fig. No. 18: Flujo axial.
1.2. MOVIMIENTO DE UN FLUIDO POR UN CONDUCTO
Fuente: http://www.formulamoto.es/reportajes-tecnologia/sistemas-de-admision
Fig. No. 19: Movimiento de un fluido por un conducto.
1.2.1. ONDAS DE AMPLITUD FINITA
El flujo gaseoso que opera en un motor de combustión interna, tiene un
comportamiento bastante inestable, este cambia sus parámetros de presión,
temperatura y velocidad a lo largo de todo el funcionamiento del mismo.
14
Cuando se cierra la válvula de admisión, la velocidad del gas es igual a cero,
cuando se abre nuevamente, la diferencia de presión comienza a acelerar
las moléculas del gas combustible hacia el interior del cilindro, este
desplazamiento del fluido ocurre de un modo dinámico.
Las pequeñas variaciones de presión que son detectadas por el oído se
denominan ondas acústicas. La amplitud de presión de esas ondas es de
muy bajo orden. El límite de esfuerzo para este es de 130 decibeles y crea
una onda de presión que es de 0,000306 kg/cm2 y si la presión atmosférica
a nivel del mar se toma como 1,033 kg/cm2, la relación de presión se define
como:
Rp=(P+Pi)/Patm2
Rp= (1,033+0,000306)/1,033 = 1,00029
Esto en el caso de estar a nivel del mar, para nuestro caso que tenemos una
presión atmosférica de 1,475 kg/cm2 sería:
Rp= (1,475+0,000306)/1,475 = 1,0002075
Esta es la interferencia de presión cuando se la compara con la presión
atmosférica.
Las ondas que son de mayor presión que las ondas acústicas se las
denomina ondas de amplitud finita. Este tipo de ondas son las que se
generan en un motor de combustión interna, la amplitud de presión de una
onda puede ser tan grande que en un sistema de escape puede haber
relaciones de presión mayores de 3.
2 Rp= Relacion de presión P=Presión atmosférica Pi= Ondas Acusticas de presión
15
Esta relación de presión, comparada con una onda acústica tiene una
amplitud de presión que es aproximadamente 10000 veces más grande.3
Fuente: Diseño de motores para competición, Carlos Funes, pag. 33
Fig. No. 20: Ondas de amplitud finita.
1.2.1.1. Ondas de compresión y de expansión
Hay dos tipos de ondas que pueden viajar por un conducto las ondas de
compresión que tienen un pico de presión por encima de la presión
atmosférica y las ondas de expansión. La relación de presión de una onda
de compresión es siempre mayor que 1, mientras que la de expansión es
menor que la unidad.
Una onda de compresión viaja en línea recta, la onda y las partículas van en
la misma dirección con la salvedad que la onda va adelante y las partículas
por detrás, otra característica es que la velocidad de la onda es
considerablemente mayor a la de las partículas. Entonces se puede decir
que esta onda impulsa al gas combustible en una determinada dirección
(Fig. No.21).
3 Diseño de motores para competición, Carlos Funes, pag. 30
16
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 21: Onda de compresión las partículas y la onda van en el
mismo sentido.
El comportamiento de una onda de expansión es inverso, la onda viaja en un
sentido y las partículas en otro (Fig. No. 22). Una analogía a este
comportamiento es el fenómeno de la inercia, cuando aceleramos un
automóvil, este va hacia adelante pero nuestro cuerpo tiende a irse hacia
atrás. Este tipo de ondas se dan tanto en admisión como en escape.
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 22: Onda de expansión las partículas y la onda van en
diferentes sentidos.
Las ondas de amplitud finita cuando alcanzan un cambio de sección a lo
largo de un conducto. Este cambio de sección puede ser de cualquier tipo
sea abierto, cerrado, parcialmente abierto, de menor a mayor o de mayor a
17
menor. En todo el proceso de llenado del motor desde que ingresa la mezcla
al cilindro hasta que salen los gases residuos de la combustión, nos
encontramos con cualquiera de las secciones antes dichas, múltiples de
admisión, carburador, válvulas, escape, cámara de combustión, cámara de
expansión, etc.
Cuando una onda de compresión se refleja en un extremo cerrado como
podría ser en una válvula, la onda y las partículas retornan en la misma
dirección hasta la próxima reflexión, es decir, si iban de izquierda a derecha
lo harán luego de la reflexión de derecha a izquierda.
Cuando una onda de expansión se refleja en un extremo cerrado, su
comportamiento es similar al anterior, retorna en sentido contrario. Si la onda
viaja hacia la derecha, las partículas lo hacen hacia la izquierda, cuando se
refleja, la onda irá hacia la izquierda y las partículas a la derecha.
Cuando las ondas de amplitud finita se reflejan en extremos abiertos sucede
algo diferente.
Una onda de compresión cuando se refleja en un extremo abierto, se
transforma en una onda de expansión suponiendo que vaya hacia la
derecha, en ambos casos las partículas viajaran hacia la derecha y esto
contribuirá a impulsar a las mismas en ese sentido. Lo mismo ocurre cuando
la que se refleja es una onda de expansión, esta se transformará en una
onda de compresión y las partículas tendrán similar comportamiento.
Si se diseña un múltiple de admisión con una determinada longitud para que
a cierto régimen al abrirse la válvula se refleje una onda de compresión, si
esta viajaba de izquierda a derecha, las partículas también viajaban en ese
sentido, al reflejarse y transformarse en una onda de expansión como en
esta las partículas van en sentido contrario siempre irán hacia la derecha y la
18
onda hacia la izquierda por lo tanto lograremos un buen llenado de los
cilindros.
Si por el contrario, lo que se refleja es una onda de expansión las partículas
irán hacia la izquierda y al reflejarse también. Esto producirá que se vuelva
la mezcla, lo que se llama como reflujo con el consiguiente mal llenado de
los cilindros.
Independientemente de las características constructivas de cada motor
siempre que la presión en el conducto de admisión sea mayor que en el
cilindro este tendrá un buen llenado sin importar en que posición se
encuentre el pistón en el momento del cierre de la válvula.
1.3. LEY DE BOYLE-MARIOTTE (LEY FUNDAMENTAL DE LOS GASES)
Las tres magnitudes que determinan las condiciones en que se encuentra un
gas son:
- La presión
- El volumen
- La temperatura
Cuando varía una de las magnitudes, dos o las tres a la vez, se dice que el
gas sufre una transformación.
Las transformaciones que sufre un gas, cuando varían la presión y el
volumen manteniéndose constante la temperatura, se rigen por la ley de
Boyle-Mariotte, que dice:
A temperatura constante, el producto de la presión a que esta sometido un
gas por el volumen que ocupa se mantiene constante.
19
La fórmula que representa dicha ley es:
1. 1 2. 2
Donde:
- P1 es la presión antes de la transformación.
- V1 es el volumen antes de la transformación.
- P2 es la presión después de la transformación.
- V2 es el volumen después de la transformación.
1.4. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
En el estado estacionario, la ley de conservación de masa exige que el
caudal másico por sección sea uniforme:
m δ. A1. v1 δ. A2. v2 constante
Donde:
m = Caudal másico
δ = Densidad
A = Área de la sección transversal
v = Velocidad de circulación
En el caso de los fluidos incompresibles (δ= constante) el flujo volumétrico
también debe ser constante:
Q A1. v1 A2. v2 constante
Donde:
Q = Caudal
20
A = Área de la sección transversal
v = Velocidad de circulación
1.5. TEOREMA DE BERNOULLI
Fuente: Manual de la técnica del automóvil, Bosch, pag. 53
Fig. No. 23: Teorema de Bernoulli.
De la ecuación de la continuidad se deduce que entre A1 y A2 se produce
una aceleración, la cual conlleva un aumento de la energía cinética que debe
ser provocada por un gradiente de presión siendo p1 > p2. De acuerdo con
la ley de conservación de la energía, en un fluido en circulación, la suma de
la presión estática p, de la presión cinética y de la presión geodésica se
mantiene constante. Si se desprecian las pérdidas por rozamiento se cumple
además para el fluido en circulación en una conducción no horizontal:
p112
δ. v1 δ. g. h1 p212
δ. v2 δ. g. h2
Donde:
21
p = Presión
δ = Densidad
v = Velocidad de circulación
g = Aceleración de la gravedad
h = Altura
1.6. NÚMERO DE REYNOLDS
La observación directa es imposible para fluidos que se encuentran en
conductos opacos, no se puede saber con exactitud el comportamiento de
este, en especial con las pérdidas de energía, esto particularmente depende
bastante si el flujo es laminar o turbulento, para analizar experimental y
analíticamente se debe tomar en cuenta de cuatro variables:
- La densidad del flujo
- La viscosidad del flujo
- El diámetro del conducto
- Velocidad promedio del flujo
La ecuación muestra la definición básica del número de Reynolds:
. .
Donde:
NR = Número de Reynolds
D = Diámetro del ducto
22
v = Velocidad promedio del fluido
p = Densidad del fluido
u = Viscosidad del fluido
Cuando el número de Reynolds se encuentra por debajo de 2100 se sabe
que el flujo es laminar, el intervalo entre 2100 y 4000 se considera como flujo
de transición y para valores mayores de 4000 se considera como flujo
turbulento.
1.7. VENTILADORES
Un ventilador esencialmente es una bomba de gas en vez de líquido. Por
tanto un ventilador es una turbomáquina de fluido generadora para gases.
La única diferencia es que los líquidos son poco compresibles y los gases
muy compresibles, lo cual puede afectar fundamentalmente al diseño de la
máquina. Sin embargo, siempre que el gas no varíe sensiblemente de
densidad, y por tanto de volumen específico (es decir, siempre que el gas
sea prácticamente incompresible).
El gas prácticamente puede suponerse incompresible si ΔP<1000mm c.a. y
si ΔP>1000mm c.a.4 empiezan a sentirse los efectos de la compresibilidad
del gas.
Ventilador es una turbomáquina que absorbe energía mecánica y restituye
energía a un gas comunicandole un incremento de presiones menor que
1000mm c.a.5
4 ΔP= Variación de presión c.a.= Columna de agua 5 Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas, Claudio Mataix, pag. 393
23
1.7.1. CLASIFICACIÓN DE LOS VENTILADORES
1.7.1.1. Clasificación según la presión total desarrollada
Ventiladores de:
- Baja presión: presión total desarrollada inferior a 100 mm c.a.
- Media presión: presión total desarrollada superior a 100 e inferior a
300 mm c.a.
- Alta presión: presión total desarrollada superior a 300 e inferior a 1000
mm c.a.
1.7.1.2. Clasificación según la dirección del flujo
Ventiladores centrífugos: En los ventiladores centrífugos la trayectoria del
fluido sigue la dirección del eje del rodete a la entrada y está perpendicular al
mismo a la salida. Pueden ser de álabes curvados hacia adelante, álabes
rectos o álabes inclinados o curvados hacia atrás.6
Fuente: http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/simul_vent.htm
Fig. No. 24: Fuerzas producidas por los diferentes álabes.
6 http://www.extractores.com.mx/centrifugos.htm
24
Ventiladores axiales: Los ventiladores axiales están compuestos
básicamente de un rotor de dos a trece paletas, solidario a un eje propulsor
movido por un motor que impulsa aire en una trayectoria recta, con salida de
flujo helicoidal.7
Fuente: http://www.extractores.com.mx/ventiladores%20axiales.htm
Fig. No. 25: Ventilador Axial.
1.7.2. Teoría de los ventiladores
En todos los problemas de ingeniería relacionados con ventiladores de aire
puede suponerse este un gas perfecto. Como además puede suponerse
incompresible, su densidad dentro de la máquina no variara por efecto de la
compresión; pero si variará la densidad de un lugar a otro con la presión
barométrica y la temperatura, según la ecuación de los gases perfectos:
O bien:
7 http://www.extractores.com.mx/ventiladores%20axiales.htm
25
Donde:
ν= Volumen específico del gas
R= constante del gas, que para el aire vale R= 29,27 m/ºC
T= temperatura absoluta en ºK
Al llamado estado normal del aire corresponde:
La presión normal = presión media anual del aire a nivel del mar
760 . 1,033
- La temperatura normal
0 °
Sustituyendo en la ecuación de los gases perfectos se obtiene:
- El peso específico normal del aire
1,293 /
En los ventiladores no suele utilizarse ni refrigeración intermedia ni
refrigeración final como en los compresores, porque al ser la compresión
pequeña la elevación de temperatura es pequeña también.8
La ecuación de Bernouilli es válida para los ventiladores, con tal que se
utilice en ella el peso específico del gas:
2
Donde:
8 Mecánica de fluidos y máquinas hidraulicas,Claudio Mataix, pag. 397
26
ps = Presión de salida
pe = Presión de entrada
vs = Velocidad de salida
ve = Velocidad de entrada
; incremento de presión total o presión útil del ventilador,
llamada también presión manométrica.
; Presión estática.
; Presión dinámica.
El rendimiento hidráulico para los ventiladores estará dado por:
Donde:
P = Presión manométrica.
Pt = Presión teórica.
La presión teórica a su vez estará dada por la ecuación de Euler para los
ventiladores:
27
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 26: Representación de velocidades en un ventilador.
Donde:
δ = Densidad del fluido
cu = Velocidad absoluta del fluido
cm = Velocidad relativa del fluido respecto al rotor
u = Velocidad lineal del rotor
La potencia útil para los ventiladores estará dada por:
75
Donde:
28
Nu = Potencia útil
Q = Caudal
P = Presión
CV = Caballo de vapor
29
CAPITULO II
2. CABEZOTES
2.1. INTRODUCCIÓN
El cabezote es la parte superior de un motor de combustión interna que
permite el cierre de las cámaras de combustión.
Constituye el cierre superior del bloque motor y en motores sobre ella se
asientan las válvulas de admisión y de escape, teniendo orificios para tal fin.
El cabezote presenta una doble pared para permitir la circulación del líquido
refrigerante. Si el motor de combustión interna es de encendido provocado
(motor Otto), lleva orificios roscados donde se sitúan las bujías. En caso de
ser de encendido por compresión (motor Diesel) en su lugar lleva los orificios
para los (inyectores).9
Fuente: http://www.automotriz.net/tecnica/conocimientos-basicos-03.html
Fig. No. 27: Cabezote de motor.
9 http://campus.fortunecity.com/duquesne/623/home/culata/culata_solo_texto.htm
30
2.2. TIPOS DE CABEZOTES
La forma y las características de los cabezotes siempre han ido
estrechamente ligadas a la evolución de los motores y, en especial, han
venido condicionadas por el tipo de distribución y por la forma de la cámara
de combustión.
Existen miles de cabezotes diferentes, que han sido creados a través del
tiempo, pero que para poder separarlos en diferentes tipos se los puede
diferenciar por sus materiales, su construcción, sus componentes.10
2.2.1. TIPOS DE CABEZOTES SEGÚN EL INTERCAMBIO DE GAS
2.2.1.1. Cabezote de contracorriente
El canal de aspiración y el de escape desembocan en el mismo lado del
cabezote. Esta disposición reduce el espacio disponible para tender los
conductos de aire fresco y gas de escape, pero gracias a las cortas
distancias presenta notables ventajas para la sobrealimentación. También si
se monta el motor transversalmente en el vehículo se obtienen ventajas en
cuanto a la disposición de los conductos.
Fuente: Manual de la técnica del autonóvil, Bosch, pag. 467
Fig. No. 28: Cabezote de contracorriente.
10 http://www.arpem.com/tecnica/culata/culata_p.html
31
2.2.1.2. Cabezote con circulación transversal
Las tuberías de aspiración y de escape se encuentran en los lados opuestos
del motor, de modo que crea un flujo diagonal de aire fresco y gas de
escape. Esta disposición permite guiar los tubos con mayor libertad y facilita
la hermetización.11
Fuente: Manual de la técnica del autonóvil, Bosch, pag. 467
Fig. No. 29: Cabezote con circulación transversal.
2.2.2. TIPOS DE CABEZOTES SEGÚN EL ÁRBOL DE LEVAS
2.2.2.1. SOHC
Un motor single overhead camshaft o SOHC (en español "arbol de levas en
cabeza simple") es un tipo de motor de combustión interna que usa un árbol
de levas, ubicado en la culata, para operar las válvulas de escape y
admisión del motor. El mismo árbol de levas maneja ambos tipos de
válvulas, las de admisión y las de escape.12
11 Manual de la técnica del automóvil, Bosch, pag. 467. 12 http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_SOHC
32
Fuente: http://www.samarins.com/glossary/dohc.html
Fig. No. 30: Componentes de un motor SOHC
2.2.2.2. DOHC
Un motor double overhead camshaft o DOHC (en español "doble árbol de
levas en cabeza") es un tipo de motor de combustión interna que usa dos
árboles de levas, ubicados en la culata, para operar las válvulas de escape y
admisión del motor.
Los motores DOHC tienden a presentar una mayor potencia que los SOHC,
aun cuando el resto del motor sea idéntico. Esto se debe a que el hecho de
poder manejar por separado las válvulas de admisión y de escape permite
configurar de una manera más específica los tiempos de apertura y cierre, y
por ende, tener mayor fluidez en la cámara de combustión.13
13 http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_DOHC
33
Fuente: http://www.samarins.com/glossary/dohc.html
Fig. No. 31: Componentes de un motor DOHC.
2.2.3. TIPOS DE CABEZOTES SEGÚN LOS MODELOS CONSTRUCTIVOS DE DISTRIBUCIÓN DE VÁLVULAS
2.2.3.1. Cabezote con regulación de válvulas por taqués de platillos
Donde un platillo guiado en el cabezote absorbe la fuerza del lado de la leva
y la transmite a la válvula con su base.(Fig. No. 32)
Fuente: Manual de la técnica del autonóvil, Bosch, pag. 468
Fig. No. 32: Cabezote con regulación de válvulas por taqués de
platillos.
34
2.2.3.2. Cabezote con regulación de válvulas por palanca de arrastre o
palanca oscilante
Donde la fuerza de la leva y del lado de las levas se transmite o absorbe
mediante una palanca alojada en el cabezote que oscila entre la válvula y la
leva. La palanca oscilante intermedia puede, además de transmitir la fuerza
y absorber la fuerza lateral, multiplicar la carrera de la leva (Fig. No.33).
Fuente: Manual de la técnica del autonóvil, Bosch, pag. 468
Fig. No. 33: Cabezote con regulación de válvulas por palanca de
arrastre u oscilante.
2.2.3.3. Cabezote con regulación de válvulas por balancines
Donde el balancín oscila en un eje de balancín dispuesto entre el árbol de
levas y la válvula. En este caso, también se acostumbra a realizar una
multiplicación de la carrera de la válvula hasta la carrera deseada (Fig. No.
34).
35
Fuente: Manual de la técnica del autonóvil, Bosch, pag. 468
Fig. No. 34: Cabezote con regulación de válvulas por balancines.
2.2.3.4. Cabezote con regulación de válvulas por varillas
Si el árbol de levas está alojado en el cárter del cigüeñal, el balancín no es
accionado directamente por la leva, sino por una varilla de tope y un taqué
intercalados (Fig. No.35).14
Fuente: Manual de la técnica del autonóvil, Bosch, pag. 468
Fig. No. 35: Cabezote con regulación de válvulas por varillas.
14 Manual de la técnica del automóvil, Bosch, pag 468.
36
2.3. CONSTRUCCIÓN
Fuente: http://almadeherrero.blogspot.com/2011/02/motor-mtm-krupp-e-z-62115.html
Fig. No. 36: Robots manipuladores para fundición de cabezotes de
aleación de aluminio.
Los fabricantes para la construcción de los cabezotes tienen 3 objetivos
principales:
- Buen rendimiento
- Poca contaminación
- Bajo costo de construcción
Estas 3 metas no siempre son compatibles y, frecuentemente, obligan a
soluciones de compromiso. En especial, es probable que la introducción de
normas anticontaminación cada vez más rigurosas, conduzca a sacrificar el
rendimiento y el valor de la potencia máxima. En general, se estudian la
forma y la inclinación de los conductos de admisión y de escape de forma
que se cree la mayor turbulencia inducida en la cámara de combustión, sin
disminuir la velocidad de la carga y, por tanto, el rendimiento volumétrico.
37
La sección transversal de los conductos debe conservarse constante durante
toda su longitud o, como máximo, con pequeñas conicidades.
Las dimensiones de la cámara de combustión y su forma están
estrechamente relacionadas con la elección de una relación carrera/diámetro
adecuada. Por lo normal, se considera que la superficie de la válvula de
escape debe ser aproximadamente igual al 60-80 % de la válvula de
admisión. En el caso de motores de prestaciones elevadas se suele recurrir
a la complicada solución de adoptar tres, cuatro o cinco válvulas por cilindro.
En efecto, la sección efectiva de paso de dos válvulas pequeñas es
considerablemente superior, para una misma elevación, que la de una sola
válvula de superficie igual a la suma de las superficies de las dos válvulas de
diámetro inferior.
Debido a que casi todo el espacio disponible en la cámara se emplea para
colocar convenientemente las válvulas, quedan pocas opciones para la
situación de la bujía que, por encima de todo, debe colocarse teniendo en
cuenta al mismo tiempo la necesidad de desmontaje para su mantenimiento.
Sin embargo, su proximidad a una de las válvulas depende también de las
características de forma de la cámara.
Con frecuencia, la forma de la cámara está condicionada por exigencias de
mecanizado y, por tanto, de economía de realización. Por ejemplo, para
simplificar la construcción en el Alfa Romeo Alfasud, la culata era plana y la
cámara de combustión se hallaba practicada totalmente en el pistón.
Tras la determinación de los conductos y de la cámara de combustión, se
efectúa la elección del tipo de mando de la distribución, por lo general
relacionado con consideraciones económicas. La solución con árbol de levas
en cabeza complica la fusión de manera considerable. En efecto, las almas
interiores resultan más complicadas o de construcción más costosa. Por ello,
en este caso el cabezote se descompone frecuentemente en 2 partes: la
38
inferior comprende las cámaras de combustión, los conductos de admisión y
escape y las válvulas, mientras que la superior lleva los soportes del árbol de
levas y las guías para los empujadores o los bulones de soporte de los
balancines.
Se pone un cuidado especial en el estudio de las canalizaciones para el
paso del agua de refrigeración, tanto para simplificar las realizaciones
internas como para obtener un intercambio térmico eficiente y evitar la
formación de puntos calientes en la culata, con las consiguientes
deformaciones Y fenómenos de preencendido de la mezcla, que pueden
determinar la perforación de los pistones.
Un razonamiento análogo vale para el estudio de los conductos que llevan el
aceite de lubricación de las válvulas, balancines y árbol de levas en cabeza.
El retorno de este aceite al cárter tiene lugar a través de los orificios de los
árboles de levas o de canalizaciones adecuadas.
2.4. MATERIALES
Los cabezotes se construyen tanto de fundición como de aleación de
aluminio. En los motores más modernos se prefieren generalmente las
aleaciones ligeras, debido a la notable ventaja en términos de reducción de
peso y a las inmejorables características de fusibilidad y disipación del calor.
Los soportes de la distribución se obtienen mediante fusión a presión, que
permite realizar piezas con acabados óptimos y de paredes delgadas. La
parte inferior del cabezote se realiza mediante colada en coquilla o, algunas
veces, en arena.
Las guías de las válvulas se introducen a presión en la culata en el caso de
que ésta sea de fundición. Dichas guías se construyen de fundición, cuya
composición debe estudiarse de acuerdo con el material empleado para las
válvulas, a fin de evitar el peligro de agarrotamiento. Para los cabezotes de
39
aleación ligera se emplean guías de bronce, que se adaptan mejor a las
dilataciones del material. También los asientos de las válvulas se introducen
a presión en el cabezote y, al igual que las guías, se les da su medida
definitiva mediante mecanizados sucesivos una vez introducidos. Dichos
asientos se construyen de fundición o de acero, con un aporte eventual de
material resistente a las temperaturas elevadas y a la corrosión (estelita) en
el caso de los asientos de las válvulas de escape.
2.5. COMPONENTES
2.5.1. CONDUCTOS DE ADMISIÓN Y ESCAPE
Es el conjunto de los elementos recorridos por los gases a la entrada o a la
salida de los cilindros. El aire aspirado por el motor lo recibe éste de la
atmósfera a través de un filtro, del carburador, del colector de admisión y de
las lumbreras de la culata, hasta llegar a la cámara de combustión; el
conjunto de tubos que llevan el aire hasta los cilindros es lo que se define
como conducto de aspiración o de admisión. Análogamente, conducto de
escape es el que lleva los gases desde la culata hasta el exterior; por tanto,
contiene el silenciador y los tubos de enlace. Cuando los motores son de
varios cilindros, los sistemas de admisión y de escape están compuestos de
conductos más o menos acoplados entre sí para formar, en la zona de
unión, el colector. A lo largo de los conductos se producen fenómenos
fluidodinámicos que afectan a la inercia y a la compresibilidad de la mezcla
de aire y gasolina y de los gases de escape. Estos fenómenos tienen gran
influencia sobre el llenado de los cilindros (y, por tanto, sobre la potencia que
puede rendir el motor), hasta llegar a constituir una verdadera
sobrealimentación.
40
2.5.2. VÁLVULAS
Fuente: http://revestimientos-especiales.blogspot.com/2011/06/8-revestimiento-de-
valvulas.html
Fig. No. 37: Válvula.
2.5.2.1. Válvula de admisión
Permite el ingreso de la mezcla aire combustible a la cámara de combustión
para realizar un buen llenado de esta, trabajan a una temperatura entre 200
a 300 grados centígrados, las válvulas de admisión se refrigeran con gases
frescos que entran por los conductos de admisión.
2.5.2.2. Válvula de escape
Elimina los gases productos de la combustión a través de los conductos de
escape y se encuentran trabajando a una temperatura entre 600 y 800
grados centígrados, se disipa su calor cuando toma contacto con el asiento
de válvula.
41
2.5.3. RESORTES DE VÁLVULAS
La función de los resortes de válvulas, es cerrar las mismas y mantenerlas
presionadas en sus asientos. La mínima carga tiene lugar cuando estas se
encuentran cerradas. La depresión producida dentro del cilindro actúa sobre
las válvulas y tiende a separarlas de sus asientos, por lo tanto el resorte
deberá contrarrestar esta fuerza.
Fuente: http://www.clasimotores.com/fotos/anuncio/8216
Fig. No. 38: Resorte de válvulas.
2.5.4. ÁRBOL DE LEVAS
Es el encargado de abrir las válvulas en los tiempos correspondientes para
que ingresen y salgan los gases del motor. Para que el cilindro tenga un
buen llenado es conveniente que la válvula, permanezca en su máxima
apertura el mayor tiempo posible, que las operaciones de apertura y cierre
se lleven a cabo con suavidad para evitar que las válvulas choquen en sus
asientos y efectos excesivos de inercia en las mismas.
42
Fuente: http://ec.kalipedia.com/tecnologia/tema/graficos-arbol-levas-
motor.html?x1=20070822klpingtcn_68.Ges&x=20070822klpingtcn_68.Kes
Fig. No. 39: Árbol de levas.
2.6. ONDAS DE PRESIÓN EN EL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN
Las ondas de presión en el múltiple de admisión se forman de la siguiente
manera:
Si los gases producto de la combustión son convenientemente expulsados
por el sistema de escape, y la onda de expansión generada en este ultimo
llega al cilindro cuando se abre la válvula de admisión (AAA), las moléculas
del gas combustible fluirán hacia el cilindro, esto se debe a que las partículas
tendrán una dirección interior-exterior en el escape por el comportamiento de
este tipo de onda. Al mismo tiempo, si por el extremo abierto del canal de
admisión la onda reflejada se transforma en onda de compresión, la onda
retornará hacia el cilindro y agregará moléculas de gas a las ya existentes
incrementando la diferencia de presión entre la admisión y el cilindro.
Es de fundamental importancia el diseño del múltiple en cuanto a su sección
y su longitud. Cabe aclarar que continuamente las ondas de amplitud finita
43
se van reflejando y cambiando, es posible incrementar el número de
pulsaciones a un valor dado simplemente acortando la longitud del conducto.
Del mismo modo para reducir el número de pulsaciones alargarlo.
Con un conducto inclinado entre 3 a 6 grados logramos un mejor llenado que
con un conducto recto pues la densidad de carga se ve incrementada a
expensas de reducir la velocidad del gas por la válvula.
Fuente: Diseño motores para competición, Carlos Funes, pag. 31.
Fig. No. 40: Conducto de admisión con un ángulo de 3 a 6º de
inclinación.
La mayor aspiración se producirá cuando la velocidad instantánea del pistón
sea máxima, siempre antes de los 90 grados de giro del cigüeñal. Una baja
velocidad del gas por la válvula ocasionará una débil reflexión de onda que
no podrá ser aprovechada convenientemente.
El tamaño y alzada de la válvula, es de suma importancia para lograr un
buen llenado, un diámetro y una elevación excesiva no siempre significan un
buen rendimiento.
44
En el sistema de escape un mal barrido de los gases quemados reduce la
performance de dos maneras. Primero, la eficiencia volumétrica se ve
disminuida porque estos gases ocupan un volumen que podría ser llenado
con la mezcla proveniente de la admisión. Segundo, la alta presión que tiene
el cilindro causada por la evacuación parcial impulsa una parte del gas
residual a la admisión en el momento de la apertura de la válvula, la mezcla
fresca al ponerse en contacto con estos gases calientes se dilata, crece su
volumen y por lo tanto disminuye su llenado en peso que es lo que estamos
buscando.
Si le damos una longitud adecuada al sistema de escape el resultado será
una onda de expansión que arribará al cilindro ayudando a la remoción de
los gases quemado, bajando la presión en el interior del mismo y
contribuyendo a crear esa presión diferencial con la admisión en el momento
de cruce (AAA+RCE)15. Es importante no unir los tubos de escape siguiendo
el orden de encendido para evitar interferencias con otros cilindros.
Cuando la válvula de escape se abre el pistón está en carrera descendente,
la sección liberada por la misma tiene que ser lo suficientemente grande,
para posibilitar la remoción de los gases quemados antes que el pistón
comience su carrera ascendente, de lo contrario, será este quien empuje a
esos gases creando una presión perjudicial.
Un factor muy importante a la hora de dimensionar tanto el colector de
admisión como el de escape, son las RPM. En el caso de la admisión cuanto
más largo sea el colector más bajo se ubicará el torque máximo, esto ocurre
porque a las RPM más altas, la reflexión negativa desde el extremo del
colector no pueden alcanzar el cilindro a tiempo para ayudar con ondas
residuales. Con colectores más cortos se conseguirá potencia a RPM más
altas.
15 AAA= adelanto de apertura en admisión RCE= retardo de cierre en escape
45
Sin embargo la magnitud de la onda reflejada dependerá de la diferencia en
los cambios de las secciones respectivas. Si la onda se aproxima a un
extremo de caño abierto que descarga hacia la atmósfera como pueden ser
la boca de un carburador o el final del escape, la amplitud de esta onda será
máxima. Si el cambio de sección es pequeño también habrá una reflexión
pero de menor magnitud. Un colector de escape de menor diámetro ayudará
a RPM bajas y uno mayor a la inversa.
Cuando una onda de compresión se refleja en un cambio de sección como
puede ser una cámara del escape parte de esta onda se transformara en
una onda de expansión y al restante continúa hasta el extremo abierto y
recién allí ocurre el resto de la reflexión.16
2.7. DINÁMICA DE APERTURA Y CIERRE DE LAS VÁLVULAS
AAE17 - este tiempo ocurre durante la carrera de expansión y es el comienzo
del escape, un adecuado avance en la apertura le permitirá a la presión del
cilindro bajar por si misma para que el retorno del gas quemado a la
admisión en AAA sea mínimo. Esto es casi imposible para que la presión en
el interior del cilindro sea igual o menor que la presión en la admisión en la
apertura de la válvula a altas RPM del motor. Si esto ocurre puede ser que el
AAE se este dando con mucha anticipación y desperdiciamos presión de
expansión que puede seguir produciendo trabajo.
Si el AAE ocurre demasiado tarde, el gas quemado dentro del cilindro no
será evacuado correctamente y el desplazamiento hacia arriba del pistón se
requerirá para empujar los gases fuera del mismo, con el consiguiente
incremento del trabajo de bombeo y pérdida de potencia también habrá un
incremento del retorno a la admisión en AAA por la elevada presión que se
genera. Desde el punto de vista de las investigaciones, se ha demostrado
16 Diseño motores para competición, Carlos Funes, pag. 31. 17 AAE= adelanto de apertura en escape
46
que este punto AAE es menos significativo en términos de pérdida de
performance a bajas vueltas que el RCA o el RCE. Por lo tanto, el AAE debe
ser lo suficientemente rápido para satisfacer las demandas a altas RPM. Sin
perder en regímenes bajos o intermedios rendimiento térmico. Cuando más
acotado sea el régimen de utilización del motor más simple será su cálculo.
AAA18 - es el comienzo del tiempo de admisión y cruce de válvulas, es el
punto menos sensible de toda la secuencia de las válvulas con un apropiado
ajuste del escape un AAA más temprano puede ser mejor utilizado, esto se
debe a la fuerte onda residual que se generará en la carga fresca, si esto no
ocurre entonces en la apertura de la válvula ingresarán gases de la
combustión provenientes del cilindro hacia la admisión con la consiguiente
dilución y calentamiento de la mezcla fresca. Hay varios factores que
influyen en este punto unas RPM bajas, una baja presión del múltiple de
admisión que ocurre cuando su sección es demasiado pequeña, una
carburación muy restringida, etc.
Con un AAA demasiado temprano ocurre lo mismo la presión en el cilindro
será mayor que en la admisión y retornará el gas combustible por el múltiple
provocando un llenado deficiente y una notable pérdida de potencia.
Es muy difícil definir un motor y que funcione en un amplio rango de RPM.
Es común ver a un motor que a un cierto régimen se lo escucha bien pero si
se lo sigue acelerando por sobre la admisión se forma un spray que es la
mezcla que retorna.
RCE19 - el retardo en el cierre de escape no es solo la finalización de este
ciclo sino también el final del tiempo de cruce de válvulas. A bajas vueltas el
RCE manejará la cantidad de gases de escape que retornarán al cilindro
desde el caño del mismo. Este retorno ocurre por dos razones, primero,
porque este cierre tiene lugar cuando el pistón está descendiendo, y a bajas 18 AAA= adelanto de apertura en admisión. 19 RCE= Retardo de cierre en escape.
47
vueltas la velocidad del gas por el escape es reducida y es más fácil para el
pistón absorber gases provenientes del escape durante la carrera de
admisión. Segundo, la onda residual negativa u onda de expansión que se
reflejo en el extremo del caño es siempre seguida por una onda de
compresión positiva. Cuando la velocidad del motor es baja, la onda residual
junto con la onda de compresión arribarán prematuramente, la onda de
compresión forzará a los gases de escape a regresar al cilindro. Se puede
usar un cono con angulo de generatriz de 7 grados en el extremo del escape
de manera de bajar la amplitud de la onda de compresión que sigue la onda
residual. Este cono disminuye el retorno a regímenes bajos e intermedios.
RCA20 - es el más importante a considerar en la cinemática de movimiento
de la válvula de admisión para un motor a combustión interna. Este retardo
ocurre cuando el pistón está subiendo y es crítico si la velocidad del gas por
la admisión y el fenómeno de reflexión de ondas no están lo suficientemente
estudiados como para resistir el incremento de presión en el cilindro. Un
cierre tardío reducirá la eficiencia volumétrica a bajas revoluciones y la
incrementará a altas. La determinación de este valor dependerá de la
velocidad del gas por la válvula, la velocidad del pistón y las ondas de
presión.
20 RCA= Retardo de cierre en admisión.
48
Fuente: Diseño motores para competición, Carlos Funes, pag. 110.
Fig. No. 41: Diagrama de válvulas.
49
CAPÍTULO III
3. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN
El sistema de alimentación de combustible de un motor consta de un
depósito, una bomba de combustible y un dispositivo dosificador de
combustible que vaporiza o atomiza el combustible desde el estado líquido,
en las proporciones correctas para poder ser quemado. Se llama carburador
al dispositivo que hasta ahora venía siendo utilizado con este fin en los
motores Otto. Ahora los sistemas de inyección de combustible lo han
sustituido por completo por motivos medioambientales. Su mayor precisión
en el dosaje de combustible inyectado reduce las emisiones de CO2, y
aseguran una mezcla más estable. En los motores diesel se dosifica el
combustible de manera no proporcional al aire que entra, sino en función del
mando de aceleración y el régimen motor (mecanismo de regulación)
mediante una bomba inyectora de combustible.
En los motores de varios cilindros el combustible vaporizado se lleva los
cilindros a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión. La
mayor parte de los motores cuentan con un colector de escape o de
expulsión, que transporta fuera del vehículo y amortigua el ruido de los
gases producidos en la combustión.
3.1. MEZCLA DE AIRE COMBUSTIBLE
Un motor necesita para su funcionamiento una determinada relación aire-
combustible. La combustión completa teóricamente ideal está en una razón
de masa de 14,7:1. Ésta se denomina también relación estequeométrica. Es
decir, para la combustión de 1 kg de combustible se precisan 14,7 kg de
aire. Expresado en volumen: 1 litro de combustible se quema totalmente con
aproximadamente 9500 litros de aire.
50
El consumo específico de combustible de un motor depende esencialmente
de la proporción de la mezcla aire y combustible. Para la combustión
completa real y para un consumo de combustible lo más reducido posible es
necesario que haya un exceso de aire, al que sin embargo se han puesto
límites debido a la inflamabilidad de la mezcla y a la duración disponible de
la combustión.
La mezcla de aire y combustible tiene además una influencia decisiva en la
eficacia de los sistemas de tratamiento posterior de gases de escape. 21
3.1.1. CARACTERÍSTICAS DEL AIRE
Aire es la mezcla de gases que constituyen la atmósfera, que permanecen
alrededor de la tierra por fuerza de la gravedad, e indispensable para la
vida.22
En el caso automotriz el aire influye en el rendimiento de un vehículo, en el
caso del motor sin aire no se pudiera realizar una combustión, la cual es
fundamental para el cumplimiento de los ciclos de este.
El aire tiene factores que influyen en el rendimiento de un motor como:
- Densidad (1,2 kg/m3)
- Temperatura (ºC)
- Presión atmosférica (1,475 kg/cm2 en la ciudad de Quito)
21 Manual de la técnica del automóvil, Bosch, pag. 605 22 http://www.educarchile.cl/Portal.Base/Web/VerContenido.aspx?ID=181917
51
3.1.2. PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Sobre la superficie libre de un líquido reina la presión del gas que sobre ella
existe. Esta presión puede adquirir un valor cualquiera en un recipiente
cerrado; pero si el recipiente está abierto, sobre la superficie libre del líquido
reina la presión atmosférica debida al peso de la columna de aire que gravita
sobre el fluido.
La presión atmosférica varía con la temperatura y la altitud:
- Presión atmosférica normal a 0ºC y al nivel del mar es de 760 mm Hg.
- Presión atmosférica a 20ºC a 1820 metros sobre el nivel del mar es
de 545 mm Hg.
3.1.3. CARACTERÍSTICAS DEL COMBUSTIBLE
La gasolina, como todo producto derivado del petróleo es una mezcla de
hidrocarburos en las cuales las propiedades de octanaje y volatilidad
proporcionan al motor del vehículo un arranque fácil en frío, una potencia
máxima durante la aceleración, la no dilución del aceite y un funcionamiento
normal y silencioso bajo las condiciones de operación del motor.
La gasolina tiene cuatro propiedades principales:
3.1.3.1. Octanaje
El octanaje se la define como la principal propiedad de la gasolina ya que
esta altamente relacionada al rendimiento del motor del vehículo. El octanaje
se refiere a la medida de la resistencia de la gasolina a ser comprimida en el
52
motor. En el Ecuador la gasolina extra tiene 80 octanos, y la gasolina super
89 octanos.23
Con respecto a la combustión, esta, en condiciones normales se realiza de
manera rápida y silenciosa, pero cuando el octanaje es inadecuado para el
funcionamiento del motor, la combustión se produce de manera violenta
causando una explosión o detonación que por su intensidad puede causar
daños serios al motor del vehículo.
3.1.3.2. Curva de destilación
Esta propiedad se relaciona con la composición de la gasolina, su volatilidad
y su presión de vapor. Indica la temperatura a la cual se evapora un
porcentaje determinado de gasolina, tomando una muestra de referencia.
3.1.3.3. Volatilidad
La volatilidad es una propiedad la cual se mida al igual que la presión de
vapor. Esta registra de manera indirecta el contenido de los componentes
volátiles que brinden la seguridad del producto durante su transporte y
almacenamiento. Esta propiedad debe a su vez estar en relación con las
características del ambiente de altura, temperatura y humedad, para el
diseño del almacenamiento del producto.
3.1.3.4. Contenido de azufre
Esta propiedad se encuentra altamente relacionada con la cantidad poseída
de azufre (S) presente en el producto. Dentro de la cantidad, se encuentran
determinados promedios y estadísticas en la cual en producto no puede
sobrepasar o resaltar, ya que si esto sucede la gasolina puede tener efectos
23 http://www.repsol.com/ec_es/productos_y_servicios/productos/ecpscombustibles/combustibles/
53
corrosivos sobre las partes metálicas del motor y sobre los tubos de escape.
A su vez, al salir del tubo de escape, esta produce un alto grado de
contaminación en el ambiente, produciendo a su vez las conocidas lluvias
ácidas.24
3.2. SISTEMAS DE FORMACIÓN DE LA MEZCLA
Los sistemas de inyección o los carburadores tienen la tarea de preparar una
mezcla de aire y combustible que se adapte lo mejor posible a cada uno de
los estados de funcionamiento del motor.
3.2.1. SISTEMA CON CARBURADOR
Una bomba de alimentación de combustible accionada por el árbol de levas
o de distribución, succiona el combustible desde el depósito y lo conduce al
carburador. Un diseño adecuado limita la presión máxima de suministro. En
caso de ser necesario se puede poner un filtro antes o después de la bomba.
El carburador opera básicamente con el mismo principio de un pulverizador
de pintura. Cuando el aire es soplado, cruzando el eje de la tubería
pulverizadora, la presión interior de la tubería cae. El líquido en el
pulverizador es por consiguiente aspirado dentro de la tubería y atomizado
cuando es rozado por el aire. Mientras mayor sea la rapidez del flujo de aire
que atraviesa la parte superior de la tubería de aspiración, mayor es la
depresión en esta tubería y una mayor cantidad de líquido es aspirada
dentro de la tubería.25
24 http://www.ingenieroambiental.com/?pagina=1124 25 http://es.wikipedia.org/wiki/Carburador
54
Fuente: http://www.taringa.net/posts/autos-motos/3226857/Entra-y-aprende-que-es-un-
carburador_.html
Fig. No. 42: Funcionamiento de un carburador.
3.2.1.1. Tipos de carburadores
- Carburadores de flujo descendente: son los más comunes. Las
posibilidades favorables de disposición de la cubeta de flotador y de
los diferentes sistemas de toberas dan lugar a formas constructivas
apropiadas que en combinación con los tubos de admisión diseñados
en consecuencia consiguen que la preparación y distribución de la
mezcla sea óptima.
- Carburadores de flujo horizontal: presentan ventajas cuando la altura
constructiva del motor debe ser especialmente baja.
- Sistema de carburación controlado electrónicamente: este carburador
posee varios sensores que digitalizan las señales análogas, y pueden
ser controladas por una unidad de control electrónica para su
regulación.
55
3.2.2. SISTEMA DE INYECCIÓN ELECTRÓNICA
La inyección electrónica es una forma de inyección de combustible, tanto
para motores de gasolina, en los cuales lleva ya varias décadas implantada,
como para motores diesel, cuya introducción es relativamente más reciente.
Se puede subdividir en varios tipos (mono-punto, multipunto, secuencial,
simultánea) pero básicamente todas se basan en la ayuda de la electrónica
para dosificar la inyección del carburante y reducir la emisión de agentes
contaminantes a la atmósfera y a la vez optimizar el consumo.
Este sistema ha reemplazado al carburador en los motores de gasolina. Su
introducción se debió a un aumento en las exigencias de los organismos de
control del medio ambiente para disminuir las emisiones de los motores.
En los motores diesel ha sustituido a la bomba inyectora, con inyectores
mecánicos, por una bomba de alta presión con inyectores
electrohidráulicos.26
3.2.2.1. Sistema de inyección mono-punto
La característica principal de este sistema es la forma en que realiza la
inyección mediante un solo inyector.
El sistema de inyección con un solo inyector, inyecta el carburante por
intermitencia en el colector de admisión a una presión relativamente baja,
emitiendo la realización de una mezcla controlada electrónicamente evitando
toda pérdida.
Un sistema de comando electrónico calcula la cantidad de aire aspirado por
el motor y la velocidad de rotación del mismo para calcular la cantidad de 26 http://es.wikipedia.org/wiki/Inyecci%C3%B3n_electr%C3%B3nica
56
carburante a inyectar. La presión del aire que entra en el colector de
admisión es medida por un sensor de presión y enviada a la unidad central;
al mismo tiempo se mide también la temperatura de este aire para tener en
cuenta las variaciones de presión con la temperatura.
Fuente: http://lacasadeltuercas.blogspot.com/2010/05/inyeccion-monopunto.html
Fig. No. 43: Esquema básico de un sistema mono-punto.
3.2.2.2. Sistema de inyección multipunto
En los sistemas de inyección multipunto, cada cilindro utiliza una válvula de
inyección que pulveriza el combustible antes de la válvula de admisión del
motor, para que el combustible pulverizado se mezcle con el aire
produciendo la mezcla que resultará en la combustión. Las válvulas de
inyección son comandadas electromagnéticamente, abriendo y cerrando, por
medio de impulsos eléctricos provenientes de la unidad de comando. Para
obtener una perfecta distribución del combustible, sin pérdidas por
condensación, se debe evitar que el chorro de combustible toque en las
paredes internas de la admisión. Por lo tanto, el ángulo de inyección de
57
combustible difiere de motor a motor. Para cada tipo de motor existe un tipo
de válvula de inyección (inyector).27
Fuente: http://mecatronic-mecatronica.blogspot.com/2009/03/inyeccion-electronica-
introduccion-los.html
Fig. No. 44: Inyección multipunto.
3.2.3. SISTEMAS DE ADMISIÓN VARIABLE
El sistema de admisión variable se utiliza para mejorar la entrada de aire a
los cilindros en dependencia del régimen al que se encuentre el motor,
mejorando directamente el par motor a esos regímenes y en consecuencia
las prestaciones de motor.
Los colectores de admisión convencionales no disponen de la flexibilidad,
con la que cuentan los colectores de admisión variable, para adaptarse a los
distintos regímenes del motor.
Con los colectores de admisión convencionales se consigue un par motor
elevado a un numero de revoluciones bajo o una potencia elevada para un 27 http://www.viva‐internet.com/demos/3paginas/productos.htm
58
numero de revoluciones alto, pero no se consigue las dos condiciones a la
vez, por eso la necesidad de un sistema eficaz para todos los regímenes de
funcionamiento del motor.
Los sistemas de admisión variable generalmente se utilizan en motores con
cuatro válvulas por cilindro para compensar la falta de par motor a bajo
número de r.p.m..
Los tubos de admisión en motores con carburador o con inyección mono-
punto, necesitan, para una distribución uniforme de la mezcla de aire-
gasolina, tubos cortos individuales de igual longitud para cada cilindro, lo que
imposibilita diseñar un sistema de admisión variable optimo para estos
motores. Al contrario en los motores con sistemas de inyección multipunto,
donde el combustible es inyectado en el tubo de admisión o directamente en
la cámara de combustión (inyección directa) a muy poca distancia delante de
la válvula de admisión. En estos sistemas los tubos de admisión transportan
solo aire lo que permite un buen diseño de los tubos para mejorar la
admisión de aire.
Las dimensiones de los tubos del colector de admisión deberían adaptarse al
número de revoluciones del motor. Lo ideal sería disponer de sistemas de
aspiración ajustables en continuo, en los que los conductos se alargaran y
encogieran, para poder graduar la longitud de los tubos desde la válvula de
admisión del motor hasta el colector. Estos sistemas de aspiración
ajustables en continuo son muy complicados, caros y difícil de fabricar.
En estos últimos años se han hecho grandes progresos. La marca Audi, por
ejemplo, ha sustituido en su motor V8 el múltiple de admisión con tubos
variables de dos fases (tubo largo y estrecho para bajas r.p.m. y tubo ancho
y corto para altas r.p.m.) por otro de tres fases. Honda también utiliza para
sus motores V6 un sistema de aspiración de tres fases.
59
Pero ha sido BMW la que se atrevido, con la introducción de su motor de 8V
con Valvetronic de la serie 7 (año 2001), el primer fabricante que instalo un
sistemas de aspiración continuo. Está formado por una carcasa de
magnesio, a la cual también se han montado externamente las toberas del
combustible y de inyección. La geometría interna tan compleja del engranaje
de velocidad variable fabricado de material plástico solo pudo llevarse a
cabo gracias a la alta tecnología. La pieza compleja gira sobre rodamientos y
experimenta torsión por medio de un servomotor eléctrico. La longitud de los
tubos de admisión varia de 670 a 230 mm. Hasta 3500 r.p.m. se mantiene,
en principio, toda su longitud.
Fuente: http://www.aficionadosalamecanica.com/admision-variable.htm
Fig. No. 45: Sistema de admisión ajustable BMW.
La mayoría de los fabricantes de automóviles no pueden permitirse tal
inversión y, por motivos económicos, prefieren los múltiples de admisión con
dos fases para diferentes longitudes y secciones de los tubos de admisión.
60
La forma que se elige para el conducto de aspiración depende tanto del
modo de construcción del respectivo motor, como del numero de cilindros. El
numero de cilindros juega un papel importante, por cuanto que determina las
forma de oscilaciones y la fuerza de las pulsaciones en el sistema de
aspiración.
Podemos mejorar la admisión de aire teniendo en cuenta:
- Las dimensiones de los tubos de la admisión: Los conductos de
admisión para instalaciones de inyección multipunto (Fig. No.45), son
independientes y se unen en un depósito colector (3), comunicado
con la atmósfera a través de una mariposa de paso (4). La mejora de
la admisión de aire depende de la longitud y configuración del tubo (2)
y de las revoluciones del motor. Las aperturas de las válvulas de
admisión crean un movimiento de aire hacia el depósito (3), donde se
produce la vuelta de los mismos hacia el cilindro a gran velocidad, por
esta razón a estos tubos se les denomina también como tubos
oscilantes de admisión. Los tubos oscilantes de admisión anchos y
cortos repercuten favorablemente en la admisión de aire a altas
r.p.m.. Los tubos largos y delgados mejoran la admisión a bajas
r.p.m..
61
Fuente: http://www.aficionadosalamecanica.com/admision-variable.htm
Fig. No. 46: Dimensión y estructura de los conductos de admisión.
- La estructura o configuración de los tubos de admisión: dependiendo
del número de cilindros del motor, se puede estructurar un sistema de
admisión tal, que mejore la entrada de aire, aprovechando el efecto
de la resonancia que se produce en los conductos de admisión. El
sistema de admisión (Fig. No.47) para un motor de 6 cilindros en línea
optimizado para aprovechar las ventajas del efecto de la resonancia,
se configura uniendo los cilindros que tienen iguales intervalos de
encendido mediante tubos cortos (2), a un depósito común por cada
grupo (3), estos depósitos comunican con la atmósfera a través de un
depósito único (5), y una mariposa de estrangulación (6) le pone en
contacto con la atmósfera, la conexión entre (5) y (3), se hace con
unos tubos de resonancia orientados (4), que aumentan la velocidad
del aire.La separación de los depósitos (3), de los dos grupos de
cilindros (A y B) con dos tubos de resonancia impiden que se solapen
los fenómenos de flujo en dos cilindros vecinos en orden de
62
encendido. Si el orden de encendido es : 1-5-3-6-2-4 no hay dos
admisiones seguidas dentro de cada depósito.
Fuente: http://www.aficionadosalamecanica.com/admision-variable.htm
Fig. No. 47: Estructura de admisión resonante.
63
CAPITULO IV
4. DISENO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
4.1. FASE DE CONSTRUCCIÓN
Esta fase se inicio con la elaboración de los planos del diseño del prototipo,
en los que se definió: diseño, dimensiones, materiales y accesorios, por citar
los aspectos más importantes.
4.1.1. DISEÑO
El diseño del instrumento está basado en cumplir las funciones de éste, de
manera que su utilización sea ergonómica; con el fin de desarrollar las
diferentes pruebas de manera fácil y cómoda.
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 48: Diseño en 3D
64
4.1.2. DIMENSIONES DEL EQUIPO
Las dimensiones del instrumento se encuentran detalladas en el siguiente
cuadro (Tabla No.1).
Dimensión Milímetros
Altura 1736
Ancho 746
Profundidad 578
Elaborado por: Diego García
Tabla 1: Dimensiones totales del instrumento.
Las dimensiones del instrumento se encuentran detalladas en las siguientes
figuras:
65
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 49: Plano General.
66
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 50: Dimensiones parte superior
67
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 51: Dimensiones parte inferior.
68
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 52: Conjunto válvula reguladora
69
4.1.3. MATERIALES Y ACCESORIOS
Los materiales y accesorios necesarios para la construcción se detalla en los
cuadros siguientes:
Material Unidad Cantidad
Melanina mdf blanco espesor 18mm Plancha 1,5
Manguera corrugada 80mm de
diámetro
Metros 2
Chapa metálica de 3.2 mm x 560 x 710 Plancha 1
Manguera de plástico diam. Interior
5mm
Metros 2
Cañería de acrílico transparente 8mm Metros 3
Cañería de cobre diámetro 7mm Metros 1,5
Polipropileno Plancha 1
Ruedas Unidad 4
Cierres rápidos para válvulas Unidad 5
Elaborado por: Diego García
Tabla 2: Materiales utilizados en el prototipo.
70
Accesorios Unidad Cantidad
Soplador 5 a 7 m3/min Unidad 1
Manivela Unidad 1
Varilla roscada M 12 x 1.75 x
270
Unidad 1
Bridas para manguera Unidad 4
Tornillos para madera Caja 1
Cable bipolar forrado de 2,5mm Metros 2
Lámparas Unidad 2
Elaborado por: Diego García
Tabla 3: Accesorios utilizados en el prototipo.
El material del que se va a construir la base del instrumento es de melanina
mdf de 18 mm debido a que presenta una estructura uniforme y homogénea
y una textura fina que permite que sus caras y cantos tengan un acabado
perfecto. La estabilidad dimensional, es óptima, pero su peso es muy
elevado. Constituye una base excelente para el instrumento debido a que al
estar expuesto a vibraciones el mdf absorbe gran cantidad de estas. Otra de
sus ventajas en el medio es su costo debido a que los metales, para la
elaboración son más elevados.
71
4.2. CARACTERÍSTICAS DEL INSTRUMENTO
El instrumento presenta la capacidad de medir el caudal de aire que pasa a
través de un conducto, hasta de 185 cfm28 utilizando 9 rangos determinados
por las combinaciones dadas por los orificios:
Orificio Nro. Caudal (cfm)
1 10
2 18
1+2 29
1+3 40
1+2+3 59
1+3+4 84
1+2+3+4 105
1+2+3+5 140
1+2+3+4+5 185
Elaborado por: Diego García
Tabla 4: Combinaciones orificios de medida.
Estas combinaciones están dadas por la ecuación de continuidad de los
fluidos:
1. 1 2. 2
28 Cfm = (cubic feet per minute) Pie cubico por minuto.
72
Donde:
Q = Caudal
A = Área
v = Velocidad del fluido
De aquí nace que:
# Diámetro [m]
Radio [m] Área [m2]
Caudal [cfm]
Caudal [m3/s]
Caudal [m3/h]
Velocidad [m/s]
1 0,020 0,010 0,00008 10,000 0,005 16,800 59,4182 0,025 0,013 0,00012 18,000 0,009 30,600 69,2643 0,031 0,016 0,00019 29,000 0,014 49,200 71,5034 0,038 0,019 0,00028 44,000 0,021 75,000 73,4795 0,051 0,025 0,00051 79,000 0,037 134,400 73,678
Elaborado por: Diego García
Tabla 5: Cálculo de los orificios.
0,085
181,4
4.2.1. MANÓMETROS
El manómetro vertical mide la presión del sistema en pulgadas de columna
de agua. Se utiliza para esto un manómetro en U con un tubo de diámetro de
5mm en donde se va a dar la medida y otro de 12mm de diámetro donde se
almacena el agua que, el agua es absorbida por una depresión generada por
el soplador por el tubo de 5mm.
73
La presión que se genera está calculada por:
∆
De donde la presión generada a 10 pulgadas de columna de agua:
0,99826 25,4
25,35
Un manómetro inclinado mide el caudal en porcentaje de 0 a 100 de caudal
que pasa a través del conducto. El tubo de medición es de 5mm de diámetro
tiene una longitud total de 333,75mm con una inclinación de 8º, el tubo está
lleno de agua para medir el porcentaje de flujo dividido de la siguiente
manera.(Tabla No. 6) (Fig. No. 51).29
Porcentaje
División C/U
[mm] Divisiones [mm]
0%-10% 0,495 10 4,95
10%-20% 0,99 10 9,9
20%-30% 1,68 10 16,8
30%-40% 1,98 10 19,8
40%-50% 3,47 10 34,7
50%-60% 3,76 10 37,6
60%-70% 4,36 10 43,6
70%-80% 5,05 10 50,5
80%-90% 5,15 10 51,5
90%-100% 6,44 10 64,4
Total [mm] 333,75
Elaborado por: Diego García
29 Diseño motores para competición, Carlos Funes
74
Tabla 6: Divisiones del manómetro inclinado.
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 53: Cartilla de mediciones.
La presión necesaria para alcanzar el 100% es:
.
0,99826 . 33,375 . 8⁰
4,63
75
4.2.2. ADAPTADOR
El instrumento puede medir cualquier conducto de admisión, escape,
múltiples de admisión o escape, carburadores utilizando un adaptador
simulando que este sea el cilindro(Fig. No.54 ).
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 54: Adaptador cabezote.
4.2.3. SOPLADOR
Para este instrumento se va a utilizar un soplador para incrementar la
presión y provocar un flujo de aire su función es similar a la de una bomba
en un sistema de flujo de líquidos tomando en cuenta que la compresibilidad
de los gases requiere métodos especiales de análisis del rendimiento de
tales dispositivos. El soplador trabaja entre 5 a 7 m3/min y aproximadamente
hasta 10 psi por lo que es suficiente esta presión para el instrumento que se
va a desarrollar. Vamos a utilizar un soplador con aspas axiales debido a
76
que se tendrá una presión estática mayor para el soplador y así se reduce
los remolinos del aire.
Fuente: Diseño de motores para competición, Carlos Funes, pag. 56
Fig. No. 55: Aspas axiales.
4.3. COSTO DEL FLUJÓMETRO
El costo de construcción del instrumento es de 887,20 USD, los cuales se
desglosan en el siguiente cuadro.
Materiales, accesorios y
mano de obra
Cantidad Costo
Unitario USD
Costo Total
USD
Melanina mdf blanco
espesor 18mm
1,5 77,80 116,70
Manguera corrugada
80mm de diámetro
2 20 40
Chapa 3.2 mm x 560 x 710 1 23,50 23,50
Manguera de plástico
diam. Interior 5mm
2 4,50 9
77
Cañería de acrílico
transparente 8mm
3 7,80 23,40
Cañería de cobre diámetro
7mm
1,5 10,50 15,75
Polipropileno 1 60 60
Ruedas 4 3,25 13
Cierres rápidos para
válvulas
5 7 35
TOTAL MATERIALES 336,35
Soplador 5 a 7 m3/min 1 234,55 234,55
Manivela 1 35 35
Varilla roscada M 12 x 1.75
x 270
1 15 15
Bridas para manguera 4 1,50 6
Tornillos para madera 1 2,30 2,30
Cable bipolar forrado de
2,5mm
2 1,50 3
Lámparas 2 2,50 5
TOTAL ACCESORIOS 300,85
TOTAL MANO DE OBRA 250
COSTO TOTAL DEL EQUIPO 887,20
Elaborado por: Diego García
Tabla 7: Costo del instrumento.
78
4.4. GUÍA DE FUNCIONAMIENTO DEL FLUJÓMETRO
El cabezote se monta sobre el flujómetro por intermedio de un cilindro
adaptador, este debe tener su diámetro interior igual al cilindro del motor en
el cual se instalará dicho cabezote, la tolerancia del adaptador puede ser +-
1.6mm del diámetro del cilindro.
Colocar las válvulas del cilindro a medir (admisión, escape y la bujía)
Utilizar resortes blandos (con una constante elástica no tan alta) y un
dispositivo que permita abrir las válvulas para las diferentes posiciones de
prueba.
El método normal, es colocar una ménsula sujeta al cabezote y mediante un
tornillo que rosque en dicha ménsula presionar el vástago de la válvula,
haciendo que esta se abra.
Un comparador micrométrico se colocará en contacto con la válvula, a los
efectos de poder ir midiendo con precisión su apertura.
Sobre la entrada del cabezote debe colocarse una embocadura cónica que
tenga un ángulo de generatriz aproximado de 30° y radio generoso para
evitar la formación de turbulencias que provocan una lectura errónea.
Primero, se hace una prueba de flujo y se realizan las mediciones con el
cabezote sin modificar de manera de poder cuantificar los resultados
obtenidos. (se debe anotar los valores).
Una vez realizadas todas las mediciones se procede a rediseñar, modificar,
etc. Y se vuelve a hacer las pruebas respectivas en las mismas condiciones
de presión y temperatura.
79
Si el porcentaje de flujo es mayor, el trabajo a resultado positivo, de lo
contrario, se tendrá que seguir modificando hasta obtener los valores
deseados o máximos posibles.
Aquí hay que tener mucha precaución ya que el aparato mide el paso de
aire.
Si se agranda un conducto seguramente el porcentaje de flujo será mayor, el
problema se va a suscitar cuando este el motor armado y en funcionamiento.
La forma ideal de trabajar es no modificar los diámetros y tratar de hacer
eficientes los conductos con los mismos valores con los que partimos.
Ejemplo:
Si se tiene un conducto de admisión en un cabezote que tiene diámetro
30mm con válvula de 38mm y que estándar da una medida de 48 cfm.
Modificando sin cambiar los diámetros obtengo 63 cfm el trabajo fue positivo.
Siempre se comienza modificando un conducto (admisión, ángulo y asiento
de la válvula, cámara de combustión, conducto de escape, etc.)
Y se hacen las pruebas de flujo hasta obtener el máximo rendimiento. Luego
se copiará el trabajo realizado en el resto de la tapa y una vez finalizados, se
vuelven a hacer las pruebas de flujo para corregir diferencias.
Para trabajar con el múltiple de admisión, se procede de la misma manera.
Se fija el cabezote y se efectúan las mediciones correspondientes.
Proceder de la misma manera que en los conductos de admisión como en
los de escape.
80
4.5. MANTENIMIENTO DEL INSTRUMENTO
El mantenimiento lo podemos definir como el complejo de las actividades
que tienen el fin de conservar las propiedades físicas del equipo en
condiciones de funcionamiento seguro, eficiente y económico.
De esta manera la primera acción a efectuar luego y antes de cada
utilización del instrumento limpiar los residuos de aceites, grasas o cualquier
tipo de suciedad que puede afectar la medida o en el peor de los casos
dañar el instrumento.
El mantenimiento también incluye las siguientes actividades con frecuencia
mensual, trimestral, semestral o anual de los componentes móviles y de la
estructura:
- Inspección: que consiste en un examen regular del equipo y sus
conexiones, con el objeto de detectar una posible falla.
- Servicio: que consiste en trabajos para mantener el buen aspecto y el
buen funcionamiento del equipo. Incluye limpieza, pintura, tratamiento
anticorrosivo, entre las principales acciones a ser tomadas.
- Reparación: agrupa los trabajos necesarios para la corrección de los
defectos del equipo y/o sus conexiones.
- Cambio: esta operación consiste en sustituir los componentes que se
encuentran defectuosos.
81
4.6. PRUEBAS
4.6.1. ORDEN DE TRABAJO
Este documento es importante para llevar de manera ordenada el proceso
de obtención de datos, esta debe tener los datos suficientes para poder
realizar una prueba adecuada.
La hoja de trabajo debe tener los siguientes datos:
- Número de orden
- Marca del vehículo
- Trabajo a realizarse
- Datos técnicos
- Observaciones
- Firma del responsable
4.6.2. CÁLCULOS
Con los datos obtenidos en la orden de trabajo se puede realizar los cálculos
con los cuales nos podemos basar para partir para cualquier modificación
que se quisiera realizar.
Para los cabezotes se debe calcular el potencial de flujo a través de la
válvula con los siguientes pasos:
- Calcular la superficie del pistón; (Sp):
82
. 4
- Calcular la velocidad del pistón; (Vp):
.30
- Calcular la sección de paso de la válvula; (Fp [cm2]):
0,7854 . á . cos 30
- Calcular la velocidad del gas por la válvula; (Vg):
- Transformar la sección de paso de cm2 a pulg2:
- Calcular la constante:
á
- Buscar la constante en las siguientes tablas:
30 Alzada = Apertura de la válvula para permitir el ingreso o salida de aire A = ángulo del asiento de la válvula
83
L/D 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
3” 7.4 15 22.5 30 32 33
5” 9.6 19.3 29 38.8 41.4 42.5
8” 12.2 24.4 36.7 49.1 52.3 53.8
10” 13.6 27.3 41 54.9 58.5 60.1
15” 16.7 33.4 50.2 67.2 71.6 73.6
20” 19.2 38.6 58 77.6 82.7 85
25” 21.5 43.2 64.9 80.7 92.5 95.1
28” 22.8 45.6 68.6 91.8 98 101
36” 25.8 51.8 77.8 104 111 114
Fuente: Diseño de motores para competición, Carlos Funes, pag. 59
Tabla 8: Para válvula de admisión de cámara semiesférica y válvula de
escape en general.
84
L/D 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
3” 7.4 15 22.5 25.7 27.5 28.6
5” 9.6 19.3 29 33.2 35.5 37
8” 12.2 24.4 36.7 42 45 46.8
10” 13.6 27.3 41 47 50.2 52.3
15” 16.7 33.4 50.2 57.5 61.5 64
20” 19.2 38.6 58 66.4 71.1 74
25” 21.5 43.2 64.9 74.2 79.5 82.6
28” 22.8 45.6 68.6 78.5 84 87.4
30” 25.8 51.8 77.8 89 95.3 99.2
Fuente: Diseño de motores para competición, Carlos Funes, pag. 60
Tabla 9: Para válvulas de admisión de cámaras cuñas.
- Multiplico la constante de la tabla por la sección de paso de la válvula
(Fp) y se obtiene el flujo teórico.
- Para calcular la potencia multiplico el flujo teórico obtenido por 0,43
para obtener la potencia en HP de cada conducto.
85
Con estos datos obtenidos podemos llegar a un estimado de cuanto
podemos mejorar:
- Aplico la fórmula
0,7854 . á .
- Transformo a pulg2 y multiplico por la misma constante de la tabla
Así se puede saber hasta que punto se puede modificar teóricamente un
conducto de un cabezote.
86
CAPÍTULO V
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. CONCLUSIONES
Un método tradicionalmente conocido en el mundo automotriz para los
motores de competición es la preparación del cabezote; el cual lo podemos
lograr de una manera técnica y con datos reales del cambio realizado en el
cabezote utilizando el prototipo que se ha construido.
La acción de preparar un cabezote está basada en la potencia, fiabilidad y
estabilidad que puede brindar un cabezote después de haber sido
modificado. Los constituyentes del cabezote responsables en gran parte de
esos efectos deseables buscados.
El desarrollo de la potencia de un cabezote que se encuentra sin alcanzar su
máximo rendimiento es la principal razón por la cual se utiliza este
instrumento. Otra ventaja de utilizar el equipo es poder identificar posibles
fallas en los diferentes conductos como suciedad en los conductos, daños en
estos o desgastes.
Por motivos netamente económicos no se empleó como material para su
construcción acero inoxidable, que es el material que se recomienda para
equipos automotrices, porque no existe alguna variación en los datos que se
marcan, y no fue necesario el empleo de acero inoxidable para el prototipo,
sino que se optó por utilizar melanina mdf. También por este mismo motivo
no se utilizó como fluido para la construcción de los manómetros el mercurio,
que es el fluido recomendado para la construcción de manómetros, porque
las mediciones también pueden ser realizadas con agua.
87
El equipo consta de un manómetro adicional que se encuentra en la parte
derecha de la cartilla de medición, el que sirve para medir la depresión
generada en cualquier cabezote, sistema de admisión o escape, hasta
incluso se lo puede utilizar para verificar las pérdidas de vacío generadas en
los motores de vehículos en funcionamiento.
Las pruebas se las realiza a una presión de entrada de 10 pulgadas de
columna de agua debido a que es la presión de entrada que un motor
genera en su alimentación de la mezcla aire-combustible.
La turbulencia en la entrada de aire no permite dar una medida correcta en
el porcentaje de flujo de aire que pasa por un cabezote. La variación en la
temperatura del aire genera una medida errónea. La presión atmosférica
influye también en la medida realizada.
Las medidas que da el equipo son reales para el lugar donde estas son
tomadas, es decir hay que tener en cuenta que la temperatura y la presión
atmosférica, porque son factores que influyen directamente en la potencia
final del motor.
Si fue posible construir un equipo para medir el flujo de aire que pasa por un
conducto con una tecnología simple pero a la vez funcional, debido a que es
una herramienta para trabajo diario en especial para la preparación de
motores donde es un equipo indispensable para tener datos reales de lo que
se ha modificado.
88
5.2. RECOMENDACIONES
Los procedimientos deberán seguirse lo más fielmente posible para que los
resultados obtenidos en esta investigación se produzcan.
El equipo construido deberá mantenerse limpio y se le deberá dar un uso
adecuado para asegurar su funcionamiento normal. Los conductos a ser
medidos deben estar totalmente limpios para evitar medidas incorrectas.
Se debe llenar la hoja de trabajo para realizar los cálculos previos y analizar
los elementos que se pueden modificar o si hay alguna falla.
El equipo construido es apto para medir cualquier tipo de cabezote, sistema
de admisión o sistema de escape, siempre y cuando se tenga un adaptador
por el que no exista ninguna fuga de presión. Esta investigación se ha
centrado en los cabezotes y algunos sistemas de admisión, sin embargo
también resulta una gran herramienta si se va a medir en conductos de
escape.
El prototipo construido cuenta con una válvula que se controla manualmente
regular la presión de entrada de aire, es recomendable no cerrarla
completamente esta válvula porque se estaría forzando el mecanismo del
soplador.
De igual manera se debe tener en cuenta antes de encender el equipo que
los orificios de medida se encuentran todos tapados porque se podría tener
daños en los manómetros.
En cuanto al lugar donde se debe realizar cualquier prueba se recomienda
que el prototipo se encuentre en un piso totalmente horizontal para que las
mediciones sean las adecuadas.
89
Para la correcta medición de los cabezotes se debe tener en cuenta que se
necesita un adaptador que simule el cilindro del motor. También que en la
entrada de el conducto que se va a realizar la medición se debe colocar una
corneta para que no se genere una medición errónea.
Se debe realizar la medición no solo de uno de los conductos del cabezote
sino se debe medir todos los conductos de este a las mismas
condiciones(temperatura, presión), para poder observar las variaciones que
existen en los diferentes conductos.
90
6. BIBLIOGRAFÍA
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Mott, Robert, “Mecánica de fluidos Aplicada”, Cuarta Edición, Mexico,
1996
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Argentina.
Gonzalez, Tomas, Del Río, Gonzalo,Tena, Jose, Torres, Benjamín,
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Burgues, Peter, “How to build, modify & power tune cylinder heads”,
British Library, 2006.
Serway, Faughn, “Física”, Quinta edición, México, 2001
Bosch GMBH, Robert, “Manual de la técnica del automóvil”, 2005
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Editorial CEAC, “Manual CEAC del automóvil”, 2006.
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Zaragoza, España, 1997.
www.automecanico.com
http://web.mac.com/fjguerra/Personal/6o_Semestre_files/Re.pdf
http://campus.fortunecity.com/duquesne/623/home/culata/culata_solo
_texto.htm
91
http://www.arpem.com/tecnica/culata/culata_p.html
http://www.refaccionesexpress.com/refex/news.php?method=viewArti
cle&id=53
http://www.sportcarclub.com/foro/viewtopic.php?t=2381&sid=a79896a
2d24bdcc6f5fb6cb4b8b02ff8
http://avdiaz.files.wordpress.com/2008/10/mecc3a1nica-i-
ecuacic3b3n-de-bernoulli-modo-de-compatibilidad.pdf
http://diccionario.motorgiga.com/diccionario/conductos-de-admision-y-
de-escape-definicion-significado/gmx-niv15-con193658.htm
http://www.todomotores.cl/competicion/valvulas_carrera.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Poppet_valve
http://www.solerpalau.es/formacion_01_27.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Air_flow_meter
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_DOHC
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_SOHC
http://www.naikontuning.com/articulos/sistema-admision-variable/
http://www.emc.uji.es/asignatura/obtener.php?letra=9&codigo=29&fich
ero=1082540441929
http://www.repsol.com/ec_es/productos_y_servicios/productos/ecpsco
mbustibles/combustibles/
92
7. GLOSARIO DE TÉRMINOS:
AAA adelanto de apertura en admisión por parte del árbol de levas.
AAE adelanto de apertura en escape por parte del árbol de levas.
Álabes es la paleta curva de una turbomáquina o máquina de fluido
rotodinámica. Forma parte del rodete y, en su caso, también del difusor o del
distribuidor.
Balancín brazo metalico que oscila sobre un eje o birlo. En algunos
mecanismos de valvulas, se utiliza para convertir la fuerza ascendente de
uno de sus extremos,en fuerza descendente en el otro.
Cabezote pieza metálica que se ajusta al bloque de los motores de
explosión y cierra el cuerpo de los cilindros.
CFM Pies cúbicos por minuto en inglés (Cubic Feet per Minute - siglas
CFPM o CFM) es una unidad de medida no incluida en el Sistema
Internacional de Unidades que mide el flujo de un gas o líquido que indica
cuánto volumen, en pies cúbicos, pasa a través de un punto fijo en un
minuto. Cuanto más elevado es el CFPM, mejor es la succión. Para convertir
pies cúbicos por minuto a metros cúbicos por hora basta multiplicar por
1699.
Combustible cuerpo o sustancia que puede arder, sobre todo si con ello
produce energía.
Compresión fuerza o presión que se ejerce sobre algo con el fin de reducir
su volumen.
Conducto Canal, comúnmente cubierto, que sirve para dar paso y salida a
los fluidos.
Constante variable matemática o de cualquier otra ciencia que tiene un
valor fijo en un determinado proceso, cálculo.
93
Coraza material que cubre los álabes del soplador.
Estandar (std.) es como el fabricante entrega un producto basado con
normas.
Estequiométrica es la ciencia que mide las proporciones según las cuales
se deben combinar los elementos químicos.
Expansión extensión, difusión, dilatación de los fluidos.
Fluido cuerpo cuyas moléculas tienen entre sí poca coherencia, y toma
siempre la forma del recipiente donde está contenido:
Flujea mide la cantidad de fluido que pasa por un conducto.
Flujo acción y resultado de fluir los líquidos y los gases.
Flujómetro instrumento que sirve para medir el paso de aire.
Gabinete armazón que contiene varios elementos.
Gradientes de presión indica la diferencia de presión entre dos puntos
diferentes.
Manómetros instrumento para medir la presión de los líquidos y gases.
Onda cada una de las elevaciones que se forman en la superficie de un
fluido.
Prototipo primer ejemplar de alguna cosa que se toma como modelo para
crear otros de la misma clase.
Prueba razón o argumento con que se demuestra la verdad o falsedad de
una cosa.
RCA retardo de cierre en admisión por parte del árbol de levas.
RCE retardo de cierre en escape por parte del árbol de levas.
Rodete a través del cual pasa un fluido de forma continua, cambiando éste
su cantidad de movimiento por acción de la máquina.
94
Vorticidad se define como la circulación por unidad de área en un punto del
flujo.
Leva pieza que gira alrededor de un punto que no es su centro,
transformando el movimiento circular continuo en otro rectilíneo alternativo:
Taqué vástago que transmite la acción del árbol de levas a las válvulas de
admisión y de escape de un motor de explosión.
Válvula pieza que, colocada en una abertura, sirve para dejar libre o cerrar
un conducto.
95
8. ANEXOS
Anexo No. 1: Construcción gabinete parte superior
Anexo No. 2: Construcción Gabinete parte inferior
96
Anexo No. 3: Armado del Gabinete
Elaborado por: Diego García
Anexo No. 4: Pintura del gabinete
Elaborado por: Diego García
97
Anexo No. 5: Parte posterior
Elaborado por: Diego García
Anexo No. 6: Conjunto válvula reguladora
Elaborado por: Diego García
98
Anexo No. 7: Acoples mangueras
Elaborado por: Diego García
Anexo No. 8: Subconjunto válvula reguladora
Elaborado por: Diego García
99
Anexo No. 9: Válvula reguladora, acoples y cañerías para medición.
Elaborado por: Diego García
Anexo No. 10: Bases del soplador
Elaborado por: Diego García
100
Anexo No. 11: Coraza del soplador
Elaborado por: Diego García
Anexo No. 12: Aspas del soplador
Elaborado por: Diego García
101
Anexo No. 13: Soplador
Elaborado por: Diego García
Anexo No. 14: Soplador con mangueras
Elaborado por: Diego García
102
Anexo No. 15: Chapa con seguros para los orificios de medida
Elaborado por: Diego García
Anexo No. 16: Flujómetro
Elaborado por: Diego García
103
Anexo No. 17: : Flujómetro en 3D
Elaborado por: Diego García
104
Anexo No. 18: Tablas de sopladores
Fuente: Equipos industriales pro-metal
Anexo No. 19: Recorrido del aire a traves del eqipo
Elaborado por: Diego García
105
Anexo No. 20: Plano coraza soplador
Fuente: Equipos industriales pro-metal
106
Anexo No. 21: Plano mecanismo del soplador
Fuente: Equipos industriales pro-metal
107
Anexo No. 22: Plano álabes
Fuente: Equipos industriales pro-metal
108
Anexo No. 23: Orden de trabajo
Orden de Trabajo No. Fecha:
Marca del vehículo
Trabajo a realizarse
Datos técnicos: Medida Unidades
Diametro del cilindro mm Temperatura
Carrera del pistón mm Hora
Diámetro de la Valvula mm
Diámetro Vastago mm
Alzada de la válvula mm
RPM potencia maxima RPM Relación de compresión :1
Número de cilindros Unidad
Presión atmosférica mmhg
Observaciones
Firma del responsable
Elaborado por: Diego García
109
Anexo No. 24: Prueba de flujo de un cabezote de Mini austin 1300CC
Orden de Trabajo No. 2 Fecha: 21/12/2011
Marca del vehículo Mini austin 1300
Trabajo a realizarse Prueba de flujo de aire a traves de la álvula
Datos técnicos: Medida Unidades
Diametro del cilindro 74,6 mm Temperatura 20
Carrera del pistón 72,3 mm Hora 15:30
Diámetro de la Valvula 36,8 mm
Diámetro Vastago 6 mm
Alzada de la válvula 6,1 mm
RPM potencia maxima 4500 RPM Relación de compresión 9,5 :1
Número de cilindros 4 Unidad
Presión atmosférica 546 mmhg
Observaciones
Diego García Firma del responsable
Fuente: Investigación propia
Elaborado por: Diego García
110
Anexo No. 25: Potencial de flujo a traves de la válvula
Potencial de flujo a traves de la valvula
Mini austin 1300 cm3 pulg3 Lts Cilindrada 1264,06 77,11 1,264058Cil unit. 316,01 19,28
Motor ford std mm cm M
Diam. Del cil 74,6 7,46
Carrera 72,3 7,23 0,0723
Diam. Valvula 36,8 3,68
Diam. Vastago 6 0,6
Alzada de la válv 6,1 0,61
RPM pot max 4500
Rc 9,5
#de cil 4
0 m.s.n.m
2800 m.s.n.m (Quito) Unidades
Flujo 38,00 27,2513 Cfm Potencia 16,34 65,36 46,87 HP
RPM de pot max 4337,008 RPM
Sup. Del Piston 43,71 cm2
Velocidad del pistón 10,85 m/s
Seccion de paso de la válvula 4,47 cm2
Velocidad del gas x valv. 106,14 m/s
L/D 0,17 Cte. 54,9
Presion media efectiva 10,73 Kg/cm2
Par motor de la pot max 10,79 mkg
Eficiencia volumétrica 109,45 %
Fuente: Investigación propia
Elaborado por: Diego García
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Anexo No. 26: Potencia teórica a la que se podría llegar modificando el
cabezote
Flujo 88,10 cfm
X cilindro 37,88 Hp
Pot Tot 151,54 Hp 108,6678 En quito RPM 10054,85 RPM
Fuente: Investigación propia
Elaborado por: Diego García
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Anexo No. 27: Pruebas realizadas en el cabezote del mini austin 1300 CC
Pruebas realizadas en el cabezote a 10 pulgadas de presión
Orificios cfm Prueba
1 cfm
total 1 Prueba
2 cfm
total 2 Prueba
3 cfm
total 3 Prueba
4 cfm
total 4 PromedioPotencia x
cilindro Pot. Tot.
1 10 100% 10,00 100% 10,00 100% 10,00 100% 10,00 10,00 4,30 17,20 2 18 100% 18,00 100% 18,00 100% 18,00 100% 18,00 18,00 7,74 30,96
1+2 29 100% 29,00 100% 29,00 100% 29,00 100% 29,00 29,00 12,47 49,88 1+3 40 65% 26,00 63% 25,20 63% 25,20 64% 25,60 25,50 10,97 43,86
1+2+3 59 100% 59,00 100% 59,00 100% 59,00 100% 59,00 59,00 25,37 101,48 1+3+4 84 100% 84,00 100% 84,00 100% 84,00 100% 84,00 84,00 36,12 144,48
1+2+3+4 105 100%
105,00 100% 105,00 100% 105,00 100% 105,00 105,00 45,15 180,60
1+2+3+5 140 100%
140,00 100% 140,00 100% 140,00 100% 140,00 140,00 60,20 240,80
1+2+3+4+5
185 100%
185,00 100% 185,00 100% 185,00 100% 185,00 185,00 79,55 318,20
Conclusiones: Realizadas las pruebas en los cuatro cilindros se a logrado medir un flujo promedio de 25,5 cfm por conducto
dando una potencia de 10,97 HP por cilindro, y potencia total de 43,86 HP. Pero modificando el cabezote se podría tener una
potencia de 108 HP.
Fuente: Investigación propia
Elaborado por: Diego García
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Anexo 28: GUÍA DE FUNCIONAMIENTO DEL FLUJÓMETRO
El cabezote se monta sobre el flujómetro por intermedio de un cilindro
adaptador, este debe tener su diámetro interior igual al cilindro del motor en
el cual se instalará dicho cabezote, la tolerancia del adaptador puede ser +-
1.6mm del diámetro del cilindro.
Colocar las válvulas del cilindro a medir (admisión, escape y la bujía)
Utilizar resortes blandos (con una constante elástica no tan alta) y un
dispositivo que permita abrir las válvulas para las diferentes posiciones de
prueba.
El método normal, es colocar una ménsula sujeta al cabezote y mediante un
tornillo que rosque en dicha ménsula presionar el vástago de la válvula,
haciendo que esta se abra.
Un comparador micrométrico se colocará en contacto con la válvula, a los
efectos de poder ir midiendo con precisión su apertura.
Sobre la entrada del cabezote debe colocarse una embocadura cónica que
tenga un ángulo de generatriz aproximado de 30° y radio generoso para
evitar la formación de turbulencias que provocan una lectura errónea.
Primero, se hace una prueba de flujo y se realizan las mediciones con el
cabezote sin modificar de manera de poder cuantificar los resultados
obtenidos. (se debe anotar los valores).
Una vez realizadas todas las mediciones se procede a rediseñar, modificar,
etc. Y se vuelve a hacer las pruebas respectivas en las mismas condiciones
de presión y temperatura.
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Si el porcentaje de flujo es mayor, el trabajo a resultado positivo, de lo
contrario, se tendrá que seguir modificando hasta obtener los valores
deseados o máximos posibles.
Aquí hay que tener mucha precaución ya que el aparato mide el paso de
aire.
Si se agranda un conducto seguramente el porcentaje de flujo será mayor, el
problema se va a suscitar cuando este el motor armado y en funcionamiento.
La forma ideal de trabajar es no modificar los diámetros y tratar de hacer
eficientes los conductos con los mismos valores con los que partimos.
Ejemplo:
Si se tiene un conducto de admisión en un cabezote que tiene diámetro
30mm con válvula de 38mm y que estándar da una medida de 48 cfm.
Modificando sin cambiar los diámetros obtengo 63 cfm el trabajo fue positivo.
Siempre se comienza modificando un conducto (admisión, ángulo y asiento
de la válvula, cámara de combustión, conducto de escape, etc.)
Y se hacen las pruebas de flujo hasta obtener el máximo rendimiento. Luego
se copiará el trabajo realizado en el resto de la tapa y una vez finalizados, se
vuelven a hacer las pruebas de flujo para corregir diferencias.
Para trabajar con el múltiple de admisión, se procede de la misma manera.
Se fija el cabezote y se efectúan las mediciones correspondientes.
Proceder de la misma manera que en los conductos de admisión como en
los de escape.