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Universidad Pontificia Bolivariana Seccional BucaramangaLaboratorio de Motores de Combustión Interna

c© Facultad de Ingeniería Mecánica01_2015

GUÍAS DE LABORATORIO DE MOTORES DE COMBUSTIÓNINTERNA

Campus Universitario. Ultima Actualización 13 de Marzo de 2015Facultad de Ingeniería Mecánica

Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga

Este documento recoge lás prácticas de laboratorio del curso de Motores de Combustión In-terna de la facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Pontificia Bolivariana SeccionalBucaramanga

FUNCIONAMIENTO YRECONOCIMIENTO DE UNMOTOR DE COMBUSTION

INTERNA

Introducción

El reconocimiento de los elementos constitutivos de unmotor de combustión interna alternativo es básico para laconceptualización de los parámetros característicos de estasmáquinas térmicas y para la comprensión de su funciona-miento. Esta práctica busca que los estudiantes se acercan ala máquina real, particularmente aquellos que nunca lo hanhecho en cursos precedentes.

Objetivos

1. Identificar los diferentes componentes de un motor mo-nocilíndrico de combustión interna alternativa de cuatro y/odos tiempos y advertir la manera en que interactúan paratransformar el trabajo de expansión compresión del cilindroen trabajo de eje en el cigüeñal.

2. Desarrollar habilidades para la manipulación y uso decomponentes mecánicos y herramientas de taller de uso co-rriente en motores de combustión interna alternativos.

Duración

Cinco sesiones semanales de 2 horas.

Procedimiento General

1. Cada grupo de trabajo recibe un motor monocilindricode cuatro tiempos, de encendido por chispa y de aproxima-damente 6[HP].

Figura 1. : Motor a Gasolina cuatro tiempos (Foto de referenciatomada de internet)

2. El motor es encendido y se verifica que opere sin pro-blemas por un corto periodo de tiempo.

3. Haciendo uso de la herramienta suministrada por el la-boratorio los integrantes deben planear y ejecutar las acti-vidades que sean necesarias para desarmar el motor de com-bustión interna y separar los componentes de los mecanismosprincipales que lo conforman. Todas las etapas del procesodeben documentarse por escrito y deben soportarse por unregistro fotográfico completo.

4. Las piezas deben limpiarse y etiquetarse de manera in-dependiente a medida que se avanza en el proceso de desar-me. El proceso termina cuando todos los componentes hayansido inspeccionados, limpiados y etiquetados.

5. Se inicia el proceso de ensamble del motor. El procesotermina cuando el motor queda nuevamente disponible parasu operación.

6. Se hacen pruebas de encendido y funcionamiento en va-cío de los motores rearmados.

Organización de los grupos de trabajo

Los grupos de trabajo serán de máximo 5 estudiantes. To-dos los integrantes deben participar en las actividades desa-rrolladas y deben hacer reconocimiento de todos los elemen-tos del motor.

Elaborado por Javier Mauricio Castellanos Olarte 1

2 CAMPUS UNIVERSITARIO. ULTIMA ACTUALIZACIÓN 13 DE MARZO DE 2015

Informe y sustentación de resultados

Al finalizar las actividades planteadas, los estudiantes de-ben someter un informe escrito con el recuento de las activi-dades desarrollas, señalando los componentes en el registrofotográfico de las mismas. Todos los informes serán susten-tados oralmente.

Material Complementario

Bonnick, Alan. A Practical Approach to Motor VehicleEngineering and Maintenance. 3 edition. Amsterdam; Bos-ton: Routledge, 2011.

ELABORACIÓN DE CURVADE CONSUMO TOTAL DE

COMBUSTIBLE DE UNMOTOR DE COMBUSTIÓNINTERNA ALTERNATIVO

Introducción

El uso del método gravimétrico para la evaluación del con-sumo de combustible de los motores de combustión internaalternativos constituye una herramienta simple para elaborarlas curvas de consumo específico delos mismos. El métodogravimétrico requiere que el combustible sea pesado entre 2instantes de tiempo específicos para establecer el flujo mási-co que consume el motor en una condición determinada.

Objetivos

Generar las curvas de consumo total de combustible de unmotor monocilíndrico de encendido por compresión hacien-do uso del método gravimétrico.

Duración

Una sesión de 2 horas.


1. Identificar los diferentes componentes del banco depruebas a utilizar.

Figura 2. : Banco Motor a Gasolina (7Hp Aprox.)

Figura 3. : Banco Motor Diesel (9Hp Aprox.)2. Fijar la revoluciones más bajas posibles en el motor.

Cuando se hayan estabilizado se ajusta el cero de la balanzay simultáneamente se contabiliza el tiempo de prueba.

3. Cuando se llegue al minuto de prueba se registra el pesode la balanza.

4. Incrementado el paso de combustible al motor, se reali-zan los pasos anteriores para 5 velocidades diferentes, espa-ciadas entre si 50[rpm] como mínimo.

5. Con la información obtenida se construye una curvaConsumo[gm/s] vs Velocidad[rpm].

Organización de los grupos de trabajo y reportede resultados

La información será recolectada por los estudiantes engrupos de dos integrantes. Se debe entregar un manuscritocon las tablas de datos y las curvas confeccionadas.


Marquez Benavibes, Freddy; Rojas Tarazona, Miller Snei-der. Diseño y construccion de un Banco de Pruebas para Mo-tores Monocilindricos de Cuatro Tiempos a Gasolina. Buca-ramanga : Universidad Pontificia Bolivariana-Seccional Bu-caramanga, 2011

Hernandez Rueda, Alexander; Portillo Ortega, CristianLeonardo. Diseño y Construcción de un Banco de Pruebasde un Motor Diesel. Bucaramanga : Universidad PontificiaBolivariana-Seccional Bucaramanga, 2011.

LATEX MODE 3

ELABORACIÓN DE LASCURVAS DE TORQUE,

POTENCIA y CONSUMOESPECÍFICO DE UN MOTORDE COMBUSTIÓN INTERNA

ALTERNATIVO

Introducción

La caracterización del desempeño de los motores de com-bustión interna alternativos, particularmente el uso de las cur-vas de potencia, constituyen una de las herramientas más ge-neralizadas para evaluar el desempeño de estas máquinas tér-micas. Estandares Internacionales como el SAE J1349, sonampliamente utilizados para la obtención de estas curvar.

Objetivos

1. Generar las curvas Potencia vs Velocidad, Torque vsVelocidad y Consumo específico vs Velocidad de un motorde cuatro tiempos y cuatro cilindros, tipo boxer haciendo usode la potencia consumida por un dinamómetro hidráulico yel procedimiento señalado en la Norma SAE J1349.

Duración

Una sesión de 2 horas



Figura 4. : Banco de frenado hidráulico2. Se realizan 8 mediciones por prueba(Presión, caudal,

consumo total de combustible y rpm). El punto inicial corres-ponde a las 3400[rpm]. Se incrementa la carga haciendo quelas revoluciones disminuyan a intervalos de 400[rpm] hastallegar a la potencia y al torque máximo. Al alcanzar estospuntos, si el motor no logra estabilizarse con facilidad, seincrementa la carga paulatinamente para reducir la velocidaden intervalos de 100[rpm] hasta que se alcancen 800[rpm]que es el punto de ralenti del motor.

3. Con la información obtenida y la eficiencia mecánicaestimada para la transmisión del banco de pruebas se cons-truye una curva Potencia[W] vs Velocidad[rpm] en el eje delmotor.

4. Se elaboran las curvas de Torque[Kg-m] vs Veloci-dad[rpm] en el eje del motor.

5. Se elaboran las curvas de Consumo específico[gm/kW]vs Velocidad[rpm] del motor.


La información será recolectada por los estudiantes engrupos de dos integrantes. Se debe entregar un manuscritocon las tablas de datos y las curvas confeccionadas.


Zambrano Mantilla, Rafael Andrés; Nuñez Prada, Chris-tian Martín. Obtención de las curvas de desempeño de unmotor de combustión interna alternativo en un Banco dePruebas. Bucaramanga : Universidad Pontificia Bolivariana-Seccional Bucaramanga, 2013.

EVALUACIÓN DE LASCURVAS DE PRESIÓN EN UNCILINDRO DE UN MOTOR DE

COMBUSTIÓN INTERNAALTERNATIVO

Introducción

La potencia indicada del motor puede derivarse a partirdel denominado diagrama indicador. En la actualidad con elapoyo de la electrónica y los computadores, la tarea que enun principio requería un complicado banco de pruebas desa-rrollado únicamente por fabricantes y algunas universidades,ahora involucra instrumentos comerciales como medidoresde presión y codificadores rotatorios, dispuestos adecuada-mente sobre el motor siguiendo procedimientos metódicos ycuidadosos. Para registrar los cambios de presión instantá-neos dentro del cilindro, se utilizan transductores piezoeléc-tricos debido a las altas frecuencias acústicas que se generanen la cámara de combustión, y para determinar el volumende manera indirecta, se utiliza un codificador rotatorio gene-ralmente óptico que mide el ángulo de giro del cigüeñal delmotor con respecto a un punto de referencia.

Objetivos

1. Generar la curva de Presión dentro de un cilindro de unmotor de combustión interna alternativo de cuatro tiemposde encendido por chispa utilizando el punto muerto superiorcomo punto de referencia para todos los ciclos de potencia.

2. Identificar la cadena de medición del banco de pruebasque permite la obtención de la curva de presión en el cilindro.

3. Analizar el comportamiento de la curva de presión den-tro del cilindro del motor cuando se introducen cambios enparámetros de operación del motor como la ignición y la re-lación aire combustible.

Duración

Una sesión de 2 horas.




Figura 5. : Banco de motor instrumentado2. Identificar los elementos de la cadena de medición del

banco de pruebas.3. Obtener la curva de presión con el motor funcionando

en ralenti. Variar la velocidad del motor y obtener la curvaen tres puntos diferentes a mayor velocidad, sin superar las4000[rpm].

4. Obtener la curva de presión con el motor funcionan-do en ralenti incrementando la relación combustible aire queingresa al motor. Variar la velocidad del motor y obtener lacurva en tres puntos diferentes a mayor velocidad, sin superarlas 4000[rpm].

5. Volver a las condiciones inciales y despues modificarel avance del encendido. Obtener la curva de presión con elmotor funcionando en ralenti incrementando la relación com-bustible aire que ingresa al motor. Variar la velocidad delmotor y obtener la curva en tres puntos diferentes a mayorvelocidad, sin superar las 4000[rpm].


La información será recolectada por los estudiantes engrupos de dos integrantes. Se debe entregar un manuscritocon una descripción de las curvas obtenidas y un análisis so-bre la influencia de los cambios en los parámetros operativosdel motor.


DEMIZU, A., INOUE, I. Apparatus for Detecting andCalculating the Indicated Mean Effective Pressure fora Multi-Cylinder Engine During Real Time. US Patent005229945A, 20 de Julio (1993).

ELABORACION DE LASCURVAS DE PRESIÓN

TEÓRICAS EN UN CILINDRODE UN MOTOR DE

COMBUSTIÓN INTERNAALTERNATIVO

Introducción

El uso de los ciclos teóricos de gas ideal ofrecen una formasencilla para determinar la potencia indicada del cilindro deun motor y de otros parámetros importantes para su análisis.Si bien las suposiciones y simplificaciones adoptadas indu-cen desviaciones con respecto a los diagramas indicadoresreales obtenidos midiendo la presión dentro del cilindro, sonmuy útiles para estudiar los efectos generales en la poten-cia indicada y en las curvas de presión cuando se modificandiversos parámetros geométricos y operativos del motor.

Figura 6. : Curvas teóricas elaboradas en EES

Objetivos

1. Generar la curva de Presión Vs Volumen dentro del cilin-dro de un motor dado a partir de la aplicación de los ciclosteóricos de gas ideal para motores de cuatro de encendido porchispa, utilizando como herramienta el software EES R© .2. Generar la curva Presión vs posición angular dentro del ci-lindro de un motor dado a partir de la aplicación de los ciclosteóricos de gas ideal para motores de cuatro de encendido porchispa, utilizando como herramienta el software EES R© .3. Variar algunos parámetros geométricos del cilindro paracomparar las curvas de presión vs posición angular obteni-das.

Duración

Dos sesiones de 2 horas.


1. Verificar el correcto funcionamiento de la versión acadé-mica profesional del software EES R© .

LATEX MODE 5

2. Definir los parámetros geométricos y operativos para elmotor de cuatro tiempos de encendido por chispa que servi-rá como base para la aplicación del modelo teórico de gasideal(Cilindrada, número de cilindros, diámetro y carrera delpistón, longitud de la biela, radio de la manivela, Tipo decombustible, poder calorífico, eficiencia de combustión, re-lación aire-combustible, Temperatura de admisión, Presiónde admisión, Presión de escape, velocidad de operación delmotor).3. Escribir todas las ecuaciones necesarias para identificar lasTemperaturas y presiones que limitan todos los procesos teó-ricos que componen el ciclo. Resolver el sistema de ecuacio-nes con el solucionador del programa.4. Habilite función para operaciones matriciales: $ArraysON5. Cree la parejas ordenadas de datos Presión y Volumen co-rrespondientes a cada uno de los extremos de los procesosteóricos que componen el ciclo correspondiente. Por ejem-plo, las parejas de datos de Presión y Volumen que descri-ben los estados inicial y final del proceso de adición de ca-lor a volumen constante en un ciclo Otto se escribirían así:V23[0..1]=[Vc,Vc] y P23[0..1]=[P2,P3], donde Vc es el vo-lumen muerto (o volumen en en el Punto muerto superior),P2 es la presión al inicio del proceso y P3 es la presión alfinal.6. Los procesos isentrópicos de los ciclos teóricos se descri-ben como una sucesión de subprocesos entre los estados ini-cial y final. Para construir la gráfica se deben relacionar almenos 50 puntos de estos subprocesos. La función Duplica-te se puede usar para crear automáticamente las parejas dedatos que describen los extremos de estos subprocesos. Porcada dato para un estado de presión dada, se debe definir eldato para el volumen correspondiente.7. Al finalizar se tiene un arreglo matricial de datos que con-tienen los puntos que permiten hacer la gráfica. Para los pro-cesos isobáricos e isométricos se tienen dos pares de datos:uno para la presión y otro para el volumen. En el caso delos procesos isentrópicos(compresión y expansión) las varia-ble en la matriz deben tener al menos 50 datos tanto para lapresión como para el volumen.8. Utilizando el botón New Plot Window grafique los pun-tos de la compresión isentrópica (Arrays Table). Agregue lospuntos de la expansión isentrópica (Arrays Table) utilizan-do el boton Overlay Plot. Agregue los puntos de los proce-sos isotérmicos e isobáricos utilizando nuevamente el botónOverlay Plot y buscando los datos en la matriz (Arrays Ta-ble)9. Para construir el diagrama Presión vs Posición angular, sedeben generar parejas que relacionen la Presión y la corres-pondiente posición angular del cigüeñal. Nuevamente, paralos procesos isobáricos e isométricos de deben generar pare-jas de datos que indiquen los extremos, y para los procesosisentrópicos, un dato de presión por cada grado. Para facilitarla construcción de la gráfica se recomienda trabajar entre -360◦ y 360◦ los ciclos de cuatro tiempos y entre -180◦ y 180◦los ciclos de cuatro tiempos; con los procesos de admisión ycompresión en el rango negativo y con la expansión y escapeen el rango positivo. Se debe replicar el proceso descrito para

construir la gráfica P-V para crear las parejas ordenadas P-θ.10. Utilizando el boton New Plot Window grafique los pun-

tos de la compresión isentrópica (Arrays Table). Agregue lospuntos de la expansión isentrópica (Arrays Table) utilizandoel boton Overlay Plot. Recuerde que es un motor de cuatrotiempos y la posición angular debe graficarse entre -360◦ y360◦. Agregue los puntos de los procesos isotérmicos e iso-báricos utilizando nuevamente el botón Overlay Plot.

11. Modifique al menos dos parámetros geométricos y unooperativo del motor y construya nuevamente la curva Pre-sión vs posición angular en la misma ventana del diagramaanterior, utilizando las indicaciones de los puntos anterioresy el comando Overlay Plot.

12. Elabore un reporte con las ecuaciones utilizadas, las gráfi-cas obtenidas y las conclusiones generales del trabajo reali-zado.


La actividad será realizada en grupos de dos estudiantes. Sedebe imprimir un reporte con las ecuaciones utilizadas y losdiagramas obtenidos.


EES Help Manual. Documento de ayuda del software EESProfesional Académic R© ; PULKRABEK, W.W. EngineeringFundamentals of the Internal Combustion Engine: PEAR-SON PRENTICE HALL, 2003.

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓNDE UN DINAMOMETRO DE

ABSORCIÓN TIPO FRICCIÓN

Introducción

El uso de dinamometros para determinar las curvas de poten-cia y torque de un motor es una estrategia amplimanente uti-lizada para caracterizar y estudiar los motores de combustióninterna. Esta práctica busca que los estudiantes conceptuali-cen el principio de medición de los dinamómetros de fricciónde manera que construyan un prototipo funcional para deter-minar experimentalmente la potencia y el torque de un motorreal a determinadas revoluciones de operación.

Objetivos

1. Aplicar experimentalmente el principio de medición utili-zado en los dinamometros para construir las curvas de poten-cia y de torque de los motores de combustión interna alterna-tivos.2. Abordar un mini-proyecto de diseño y construcción de unprototipo de dinamómetro de absorción que permita medirexperimetalmente la potencia y el torque de un motor decombustión interna alternativo de baja potencia.3. Desarrollar habilidades para la manipulación y uso decomponentes mecánicos y herramientas de taller de uso co-rriente en motores de combustión interna alternativos.


Figura 7. : Esquema de un freno pronny típico (Tomada de inter-net)

Duración

Seis sesiones semanales de 2 horas.


1. El instructor señala la potencia y torque de motor que se vacaracterizar experimentalente (en principio se trata del mis-mo que se utilizó en la prueba de funcionamiento y recono-cimento de un motor). De igual manera determina el tipo dedinamómetro de absorción que debe construirse.2. El equipo de trabajo inicia con el proceso de diseño y pre-para un informe preliminar.(dos sesiones)3. Se inicia el proceso de construcción y pruebas del prototi-vo (cuatro sesiones)4. Se socializa el informe final del proyecto.

Organización de los grupos de trabajo

Los grupos de trabajo serán de máximo 8 estudiantes. To-dos los integrantes deben participar en las actividades desa-rrolladas aunque pueden organizar subgrupos de trabajo condiferentes responsabilidades. La construcción del prototipose realizará en el Laboratorio de procesos industriales y laspruebas en el Laboratorio de motores.

Informe y sustentación de resultados

Al finalizar las actividades planteadas, los estudiantes debensometer un informe escrito con el recuento de las actividadesdesarrollas incluyendo cálculos y resultados experimentales.


Bonnick, Alan. A Practical Approach to Motor Vehicle En-gineering and Maintenance. 3 edition. Amsterdam; Boston:Routledge, 2011. PULKRABEK, W.W. Engineering Fun-damentals of the Internal Combustion Engine: PEARSONPRENTICE HALL, 2003.Webpages de referencia:http://yourdyno.com/brakeabsorber-dynos/;

http://www.rcdon.com/html/gr-5_turboshaft_engine_project7.html;

https://endless-sphere.com/forums/viewtopic.php?f=2&t=24024&p=348385&hilit=dyno

Figura 8. : Ejemplos de frenos de fricción usados en dinamóme-tros de baja potencia (Tomados de internet)

http://yourdyno.com/brakeabsorber-dynos/

http://www.rcdon.com/html/gr-5_turboshaft_engine_project7.html

http://www.rcdon.com/html/gr-5_turboshaft_engine_project7.html



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