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

Centro de Desarrollo Industrial del Ecuador, “Ventiladores

Industriales”, Quito, 1989.

Funes, Carlos, “Diseño de Motores para Competición”, Córdova,

Argentina.

Gonzalez, Tomas, Del Río, Gonzalo,Tena, Jose, Torres, Benjamín,

“Circuitos de fluidos”,Editex

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

Mott, Robert, “Diseño de elementos de máquinas”, México, 2006

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Thomson, 2005.

Editorial CEAC, “Manual CEAC del automóvil”, 2006.

Kushnerick, John P.;Freeman, Kerry A.;Morgantini, “Manual de

reparacion y afinacion cutlas/century/celebrity 1982-88”, Limusa,

1993.

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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

 

111  

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

 

   

 

112  

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

 

113  

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.

 

114  

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.