PROYECTO DE MOTORES Motores térmicos: transformación de energía térmica en energía mecánica. Fuentes de Energía: eléctrica, solar, nuclear, química de los combustibles.

PROYECTO DE MOTORES Exotérmicos: combustión en un quemador y la energía térmica es transmitida al fluido a través de un intercambiador. Ejemplo: caldera y turbina de vapor.

PROYECTO DE MOTORES Endotérmicos: la combustión se produce en el fluido de trabajo el cual se transforma por las reacciones de la misma. Transforman en energía mecánica a la energía química de los combustibles.

PROYECTO DE MOTORES Requerimientos: Diversificación y economía de combustibles, reducción de emisiones contaminantes y combinación con máquinas eléctricas.

PROYECTO DE MOTORES Motores Endotérmicos o de combustión interna: Alternativos. Motores Rotativos ( Turbinas de gas y pistones rotantes o Wankel). Motores a reacción.

CINEMÁTICA, DINÁMICA Y EQUILIBRADO DE MCIA Estudio cinemático: determinar posiciones velocidades y aceleraciones de distintos puntos del mecanismo.

CINEMÁTICA, DINÁMICA Y EQUILIBRADO DE MCIA Estudio dinámico: determinación de las fuerzas y momentos para el cálculo de la resistencia mecánica de los componentes y las condiciones de fricción, lubricación, vibraciones y equilibrado.

CINEMÁTICA DEL MECANISMO BIELA MANIVELA Gorrón de la manivela (punto A): se desplaza sobre un círculo de centro O y radio R. Pistón (punto B): A cada posición angular de la manivela le corresponde una posición del pistón. Biela: cabeza sólo rotación, pie sólo traslación y cuerpo traslación y giro pendular.

DINÁMICA DEL MECANISMO BIELA MANIVELA FUERZAS DE INERCIA. FUERZA DE LA PRESIÓN DE LOS GASES SOBRE LAS CARAS DEL PISTÓN. FUERZA LATERAL QUE EJERCE LA PARED DEL CILINDRO EN LA GENERATRIZ DE CONTACTO.

FUERZAS Y MOMENTOS EN MOTORES MONOCILÍNDRICOS Podemos conocer para cada ángulo del cigüeñal el valor de las fuerzas que actúan sobre los diferentes puntos del mecanismo. En particular nos interesa la fuerza aplicada sobre la biela en el punto A en el gorrón de la manivela, cuya componente tangencial genera el torque.

RESISTENCIA MECÁNICA DE LOS COMPONENTES PMS: la presión de los gases de combustión empuja a la biela hacia abajo, y la manivela ejerce la reacción ascendente.

TENSIÓN PICO SOBRE LA BIELA En un motor diesel de 4 tiempos, turbosobrealimentado de 2.8 litros de cilindrada a 3600 rpm y con una presión máxima de combustión de 110 bar, la Biela trabaja en el PMS y durante la mayor parte del ciclo a compresión.

ESFUERZOS DINÁMICOS EN LA BIELA El máximo es de 50000N, por lo que la viga debe verificar al pandeo y la sección transversal es tipo H o doble tee. En el PMS de Combustión hay compresión. En el PMS de admisión (cruce de válvulas). La biela tira hacia arriba y la manivela hacia abajo: tracción.

ESFUERZOS DINÁMICOS EN LA BIELA En los dos PMI la biela ejerce contra la manivela una fuerza vertical descendente y la manivela una reacción ascendente de 20000 N. Por lo tanto la biela trabaja a compresión.

FUERZAS DE INERCIA FRENTE A FUERZAS DE COMBUSTIÓN Si en el ejemplo anterior bajamos la velocidad de giro a 1800 rpm y mantenemos la ley de presiones en la cámara de combustión, se reducen las fuerzas de inercia.

FUERZAS DE INERCIA FRENTE A FUERZAS DE COMBUSTIÓN Esa reducción hace crecer el esfuerzo a la presión máxima de combustión de 50000 a 70000 N, dado que tienen sentidos opuestos. Esto influye en el diseño de los contrapesos de equilibrado.

ESFUERZOS EN LA BIELA DURANTE EL CICLO

FUERZA MOTRIZ

IRREGULARIDAD Es la relación entre el valor máximo y el medio del par motor. Motor monocilíndrico: 10 Motor de cuatro cilindros: 3

VOLANTE MOTOR Aunque el valor medio del par motor sea igual al valor medio del momento resistente la velocidad de rotación del motor NO se mantiene constante. En los periodos en los cuales el par motor es mayor que el resistente la velocidad de rotación aumenta. Cuando es menor que el resistente la velocidad baja.

GRADO DE IRREGULARIDAD Se define δ = ω2 – ω1 ω ω2: = valor máximo de velocidad angular ω1 = valor mínimo de velocidad angular ΔE= ½. Mi(ω22 – ω21) δ = ΔE/Mi. ω 2 ΔE: variación de energía cinética Mi: momento de inercia de las masas en rotación

GRADO DE IRREGULARIDAD Para mantener el grado de irregularidad dentro de límites aceptables es necesario asignar un momento de inercia adecuado lo que se consigue por medio del volante. Para ahorrar masa conviene obtener el momento de inercia mediante un volante del mayor diámetro posible compatible con el espacio disponible y las fuerzas centrífugas admisibles por resistencia.

EQUILIBRADO VIBRACIONES DEL GRUPO MOTOR Las fuerzas de inercia alternativas y rotativas y las fuerzas debidas a la combustión actúan sobre el block y se transmiten a los bastidores. Dado que son variables en el tiempo y los soportes del motor tienen cierta elasticidad, el motor soportará vibraciones

EQUILIBRADO DEL CIGÜEÑAL Las vibraciones causadas por las masas rotantes se eliminan mediante el equilibrado del cigüeñal. Equilibrado Estático: cuando es nula la resultante de las fuerzas centrífugas, o sea cuando el baricentro está en el eje de rotación. El árbol apoyado entre puntas se mantiene inmóvil en cualquier posición.

EQUILIBRADO DINÁMICO DEL CIGÜEÑAL El árbol está dinámicamente equilibrado cuando es nula la resultante de los momentos generadas por las fuerzas centrífugas con respecto a cualquier apoyo. Esto se da cuando tienen un plano de simetría normal al eje de rotación respecto al cual las manivelas se distribuyen simétricamente en número, forma y posición. Si esto no se cumple se deben agregar contrapesos.

VIBRACIONES CAUSADAS POR MASAS ALTERNATIVAS 1- Equilibrado de fuerzas alternativas de 1er orden dirigida según el eje del cilindro: Fa= ma. ω 2.r (cosα + λ. cos2 α) Puedo considerar a Fa como la proyección sobre el eje del cilindro de una fuerza centrífuga ficticia ma. ω 2.r generada por una masa ficticia ma igual a la de las masas alternativas pero ubicada en la manivela.

EQUILIBRADO PARCIAL DE LAS FUERZAS ALTERNATIVAS DE PRIMER ORDEN Si agregamos una masa real ma en oposición a la manivela, tendrá una componente que anulará a la Fa y ahora se originará una fuerza perpendicular al eje del cilindro que antes NO existía. Cambié las pulsaciones según el eje por otras normales al mismo que son menos perjudiciales. En general se compensa con Ma/2.

RESÚMEN DE CONDICIONES En general un motor es aceptable cuando: Regularidad del par motor. Equilibrado de fuerzas y momentos centrífugos. Equilibrado de fuerzas alternativas de primer orden.

ORDEN DE ENCENDIDO La regularización del par de un motor policilíndrico conduce a una repartición uniforme de las manivelas. El equilibrado dinámico del árbol conduce también a especiales disposiciones de la manivela. Por ambas causas estamos obligados a seguir determinados órdenes de encendido de los cilindros.

CONSIDERACIONES PRINCIPALES Obtener la mayor uniformidad de carga sobre los cojinetes de bancada alternando tanto como sea posible las combustiones en los diferentes tramos. Procurar que las aspiraciones de los cilindros alimentados por un múltiple de admisión no interfieran entre sí causando el llenado irregular y la caida del rendimiento volumétrico. Cuatro cilindros indistinto: 1.3.4.2-1.2.4.3 Seis cilindros el mejor: 1.5.3.6.2.4.

TEORÍA DE LA SEMEJANZA Permite predecir el comportamiento de los motores de diferente cilindrada. Permite inferir las prestaciones de un motor a partir de un motor semejante. Partimos de la hipótesis de la semejanza geométrica y de la equivalencia en las condiciones de operación.

CONDICIONES DE SEMEJANZA λ: Longitudes λ2: Superficies λ3: Volúmenes Para el caso de diferencia del número de cilindros no hay semejanza en sentido estricto pero sí cilindro a cilindro: Vt2/Vt1= ζ.λ3 , donde ζ=Z2/Z1

Semejanza de velocidades La velocidad del aire en el múltiple de admisión y las pérdidas mecánicas están directamente relacionadas con la velocidad lineal media del pistón. Por ello los puntos de operación homólogos serán: cm1 = cm2

Semejanza de rpm n2/n1 = cm2/2S2 : cm1/2S1= S1/S2 = 1/ λ El régimen de giro variará de forma inversamente proporcional al tamaño del motor considerado.

Comparación de rendimiento volumétrico Pérdidas de presión en filtros y colectores. Dependen del diseño geométrico de dichos elementos y de la velocidad de los gases que los atraviesan. Si asumimos que la densidad del fluido se mantiene, el valor medio de la velocidad de los gases puede expresarse en función de la velocidad media del pistón, del diámetro del pistón y del diámetro del conducto.

COMPARACIÓN DE RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO Efectos de compresibilidad. Además de las pérdidas de presión por rozamiento en las válvulas aparecen efectos de pérdida de presión por compresibilidad. Son gobernados por la velocidad de circulación del fluido caracterizado por el número de Mach. Se demuestra que es igual. Se igualan las pérdidas de presión por compresibilidad.

EFECTOS DE INERCIA Y DE ONDAS DEL FLUIDO. Los efectos de inercia dependen de la relación entre la energía cinética del fluido en la admisión y el volumen desplazado del cilindro. Es un invariante. Los efectos de onda también serán semejantes porque el ángulo girado por el motor durante el tiempo invertido por la onda de presión no variará en motores semejantes.

RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO Son iguales las pérdidas de presión, los efectos de compresibilidad, los efectos de inercia del fluido y las pulsaciones de los colectores. Por lo tanto los procesos de admisión y de escape serán iguales. Entonces se verifica igualdad de: RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO.

Semejanza de pmi y pme Ante la igualdad de todos los procesos que condicionan la evolución de la presión en cámara de combustión. Por ello los motores semejantes comparten el ciclo de trabajo y tienen: IGUAL PMI. Se demuestra que son iguales las pérdidas mecánicas debidas al proceso de bombeo,accionamiento de auxiliares y la fricción Entonces ambos motores tienen IGUAL PME.

TEORÍA DE SEMEJANZA DE MCI Los motores semejantes cuando operan en iguales condiciones de funcionamiento tienen igual PME. Esto nos permite establecer relaciones entre prestaciones de motores semejantes: PAR Y POTENCIA

POTENCIA EN MOTORES SEMEJANTES Ne= izApSn.Pme=izApCm/2. Pme Al comparar dos motores semejantes el parámetro es ζ.λ2 Es decir la POTENCIA aumenta con el número de cilindros y de forma cuadrática con la relación de semejanza.

POTENCIA POR UNIDAD DE ÁREA Y DE CILINDRADA N2/Z2.A2:N1/Z1.A1= ζ.λ2 ζ-1. λ-2 =1 Es decir la carga térmica es una magnitud que se mantiene con independencia del tamaño del motor. Es un parámetro de diseño ligado a la tecnología empleada. N2/V2:N1/V1 = ζ.λ2 ζ-1. λ-3 = λ-1 Es decir la potencia específica NO es parámetro de diseño. Los motores semejantes presentan una menor potencia específica al aumentar su volumen y masa (iguales materiales).

PAR EN MOTORES SEMEJANTES El par puede expresarse como: Me= Pme.Vt.i/2π Me2/Me1 = ζ.λ3 Es decir el PAR MOTOR crece con el número de cilindros y de forma cúbica con la relación de semejanza.

RENDIMIENTOS EN MOTORES SEMEJANTES Debido a la igualdad en Pmi ; Pme ; Pérdidas Mecánicas (en primera aproximación) los rendimientos son semejantes.

ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS El cigüeñal. Atendiendo a su montaje en la bancada puede considerarse como una viga apoyada en diferentes puntos sometida a esfuerzos de flexión y torsión alternados.

CIGÜEÑAL Las partes fundamentales del cigüeñal son: Los apoyos, que son los gorrones donde se sustenta el cigüeñal a la bancada. Las muñequillas o muñones, que son los gorrones sobre los que se articulan las bielas.

CIGÜEÑAL Los brazos, que unen las muñequillas con los apoyos, conformando las manivelas. Los contrapesos, colocados en dirección opuesta a las manivelas.

CIGÜEÑAL En los extremos se acoplan el volante de inercia de un lado y los elementos de transmición de potencia para la distribución y los sistemas auxiliares del otro.

ANÁLISIS DE LA GEOMETRÍA DEL CIGÜEÑAL El diseño de un motor se inicia definiendo la cantidad de cilindros, su diámetro, la separación entre ellos. De esta manera queda definida la LONGITUD del cigüeñal.

ANÁLISIS DE LA GEOMETRÍA DEL CIGÜEÑAL El radio de la manivela debe ser la mitad de la carrera del pistón, la cual está definida por la limitación de la Cm de diseño. Partiendo de estas premisas se deben determinar las dimensiones básicas para asegurar la resistencia estructural del cigüeñal.

ANÁLISIS DE LA GEOMETRÍA DEL CIGÜEÑAL Diametro y longitud de la muñequilla. Diámetro, longitud y número de apoyos. Recubrimiento o solape entre el diámetro de la muñequilla y el diámetro del apoyo. A mayor recubrimiento mayor rigidez tendrá el cigüeñal.

MUÑEQUILLA DEL CIGÜEÑAL El diámetro y la longitud de la muñequilla vienen determinado por los cojinetes. Pero es necesario comprobar si la geometría del cigüeñal es capaz de resistir los esfuerzos a los que estará sometido. La unión entre la muñequilla y el brazo debe hacerse con radios de acuerdo amplios para evitar la concentración de tensiones.

MUÑEQUILLA DEL CIGÜEÑAL Es habitual utilizar muñequillas huecas, dado que reducen las masas en rotación a equilibrar y disminuyen la concentración de tensiones. Los orificios de lubricación deben ubicarse en zonas que no debiliten estructuralmente al cigüeñal.

APOYOS DEL CIGÜEÑAL El diámetro de los apoyos es mayor que el de las muñequillas por tener menores limitaciones de espacio. La limitante es la velocidad de deslizamiento, que no debe superar a las 18 a 20 m/s. La unión del apoyo con el brazo debe hacerse con radios de acuerdo.

APOYOS DEL CIGÜEÑAL Del lado del volante de inercia se denomina primer apoyo. Este es más ancho que los demás pues debe resistir el peso del volante que está en voladizo. El aumento del número de apoyos da rigidez al cigüeñal, favorable para las vibraciones torsionales y flexionales.

APOYOS DEL CIGÜEÑAL El cigüeñal debe poseer un cojinete de apoyo axial o crapodina así como los sellos para evitar fuga de aceite en los extremos. Los nafteros pueden tener apoyos alternados dada las bajas presiónes de combustión. Los encendidos por compresión tienen apoyos junto a cada cilindro por los picos de presión.

APOYOS DEL CIGÜEÑAL La tendencia actual es que a pesar de las mayores pérdidas mecánicas los apoyos sean completos. El cigüeñal totalmente apoyado implica que cada muñequilla de manivela tiene apoyos a ambos lados.

BRAZOS Y CONTRAPESOS Los contrapesos equilibran como máximo del 50 al 60% de las masas rotativas. En los cigüeñales fundidos los brazos pueden ser huecos para aligerar la masa del conjunto. La tendencia es a usar mayor cantidad de contrapesos para aligerar el volante.

CONSIDERACIONES GENERALES DE DISEÑO La necesidad de aumentar la resistencia y la rigidez crecen con las presiones medias efectivas y las velocidades lineales medias de los pistones. Las mejoras de diseño han permitido mantener el tamaño del cigüeñal a pesar del aumento de la pme y el régimen de giro.

ZONA DE TRANSICIÓN DE LAS MANIVELAS Radios de acuerdo. Terminación superficial. Evitar chavetas y orificios.

MATERIALES PARA CIGÜEÑALES Están asociados a los dos procesos de fabricación. Fundición: por ser de una geometría complicada, es un método muy usado. Forja: obtengo las mejores propiedades mecánicas.

MATERIALES PARA CIGÜEÑALES Materiales Fundidos: Fundición gris con grafito esferoidal modificado con magnesio. Fundición gris maleable con estructura perlítica. Acero fundido aleado con níquel

MATERIALES PARA CIGÜEÑALES Materiales Forjados. Acero al carbono. Acero al cromo níquel molibdeno. 4340 TyR 30 HRc

MATERIALES PARA CIGÜEÑALES FUNDIDOS Son más económicos. Tienen buen comportamiento en el mecanizado de los radios de acuerdo. La baja densidad de la fundición nodular baja el peso 10% respecto al acero. Permite muñequillas y apoyos huecos que reducen el peso.

MATERIALES PARA CIGÜEÑALES Forjados: Mayor módulo de Young, mayor rigidez y mejor comportamiento para vibraciones torsionales. Mejor comportamiento para evitar el desgaste de los cojinetes por no tener microporos. Mayor dureza original y mejor comportamiento con tratamientos térmicos.

MATERIALES PARA CIGÜEÑALES MEC (diesel) se usa más el forjado porque tienen a bajo régimen un muy elevado torque. Necesitan mayor rigidez y capacidad para soportar esfuerzos a baja frecuencia. MEP (nafta) se usa más el fundido.

MATERIALES PARA CIGÜEÑALES TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS. Se busca endurecer las superficies de rozamiento minimizando las tensiones térmicas que pueden originar fisuras y falla posterior por fatiga. Temple por inducción: integrable a líneas de producción. Nitruración: mayor resistencia a fatiga y desgaste.

MECANISMO DE DISTRIBUCIÓN Es el conjunto de elementos mecánicos que producen la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape según las leyes dispuestas por cada fabricante. Gobierna las características de la comunicación del cilindro con los colectores de admisión y de escape.

ELEMENTOS DEL MECANISMO DE LA DISTRIBUCIÓN Árbol de levas; empujadores; varillas; balancines; válvulas; resortes; sistema de transmisión. De acuerdo a la posición de las válvulas y del árbol de levas se clasifican en: Árbol de levas lateral (OHV). Árbol(es) de leva a la cabeza (OHC).

DISPOSICIONES DE ACCIONAMIENTO OHV-OHC La disposición lateral OHV tiene mayor número de elementos, siendo la cadena cinemática más larga y por lo tanto más sensible a las dilataciones y a los fenómenos de inercia. La disposición a la cabeza OHC tiene una lubricación y accionamiento complicados por la lejanía entre el árbol de levas y el cigüeñal.

ÁRBOL DE LEVAS Son elementos esbeltos que contienen las levas encargadas de gobernar la apertura y cierre de acuerdo a leyes definidas. Se construyen por fundición, obteniéndose en una sóla pieza bruta el árbol con las levas. Posteriormente se tallan con precisión los perfiles de las levas y los apoyos, con tratamiento térmico y mecanizado final.

ÁRBOL DE LEVAS Requiere alta rigidez y resistencia mecánica para absorber esfuerzos flectores y torsores, así como las vibraciones que el mismo genera. Es conducido por el cigüeñal mediante elementos de transmisión (cadenas, correas o engranajes).

PERFILES DE LEVAS La forma de apertura ideal de las válvulas es aquella que permite disponer de la máxima sección de paso de gas de forma instantánea y que cierre instantáneamente en el momento adecuado. Por limitaciones asociadas a los esfuerzos y la inercia, las válvulas no pueden abrir y cerrar bruscamente, sino de acuerdo a una LEY.

PERFILES DE LEVAS Las válvulas deben asentar con firmeza. Se deben permitir dilataciones. Se debe considerar el desgaste. Para todo lo anterior, se debe diseñar el sistema con un ajuste-juego determinado. El perfil de la leva definirá la alzada o levantamiento, y consecuentemente las velocidades y aceleraciones de la válvula.

PERFIL DE LA LEVA Se deben evitar los esfuerzos bruscos al entrar en contacto la leva con el seguidor. Además los juegos mencionados deben absorberse mediante una rampa de velocidad constante zona A. Los esfuerzos de impacto son función de la velocidad de la rampa y se evalúan experimentalmente.

PERFIL DE LA LEVA Al final de la rampa, la válvula debe realizar un rápido levantamiento. La velocidad y la aceleración de ese levantamiento será función de la geometría de la zona B de la leva. La deceleración será comandada por el resorte, hasta que la válvula tenga velocidad nula, para moverla a continuación en sentido negativo, SIGUIENDO LA GEOMETRÍA DE LA LEVA

CONTINUIDAD CADENA CINEMÁTICA Es muy importante evitar que por deceleraciones muy bruscas se produzca una falta de contacto entre las piezas, perdiéndose así la continuidad de la cadena cinemática.

EMPUJADORES O TAQUÉS El movimiento de la leva es transmitido al balancín mediante el empujador y la varilla. Entre el empujador y la leva se debe lubricar por el movimiento de deslizamiento. El empujador puede tener un rodillo para evitar el desgaste. El mismo debe ser siempre en el empujador y nunca en la leva, pues variaría su perfil.

TAQUÉS HIDRÁULICOS Existen sistemas para absorber el huelgo entre el balancín y la válvula, logrando un funcionamiento más silencioso. Se denominan taqués hidráulicos. Es un mecanismo hidráulico compuesto por una camisa móvil accionada por la leva y un pistón que se mueve dentro de ella. Este pistón es el encargado de accionar la cadena cinemática.

RESORTES O MUELLES La fuerza del resorte debe ser capaz de mantener el contacto entre las levas y las válvulas. Es crucial el contacto en la deceleración . Esto depende de las masas de las partes móviles y de la aceleración generada por el perfil de la leva. Materiales 1050 o 6150.

RESORTES O MUELLES SAE 6150C: 0,48 / 0,53 Mn: 0,70 / 0,90 Si: 0,20 / 0,35 Cr: 0,80 / 1,10 V: 0,15Acero al Cr y V Buena templabilidad   Di: 3,99" (101 mm) Acero de grano fino. Alta rsistencia al a fatiga y al choque. Puede usarse en temperaturas elevadas (hasta 500 ºC)

RESORTES O MUELLES Alambres para resortes. Resortes de alta calidad. Varillas de torsión. Piezas de construcción en general sometidas a severos esfuerzos. Herramientas de mano. Laminado,forjado:1100/850ºC950630  285Normalizado:  840/880ºC    9406152160277 Recocido globulizante:755ºC650   197 Recocido de regeneracion: 815ºC6704802348201Recocido de ablandamiento:680ºC680   201Temple:840ºC aceite Revenido:540ºC1200115514

RESORTES O MUELLES La frecuencia natural debe ser muy alta para que a altas vueltas no haya resonancia. Para evitar la resonancia se usan doble resorte cilíndrico.

DISTRIBUCIÓN DESMODRÓMICA El árbol de levas gobierna completamente los movimientos de la válvula, tanto el de apertura como el de cierre. NO HAY RESORTE RECUPERADOR, sino que a través de dos levas, una de apertura y una de cierre se maneja el mecanismo evitando los movimientos oscilatorios parásitos. Se utiliza en motores de alta performance.

PERFIL, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN

TAQUÉS HIDRÁULICOS

DESMODRÓMICO

SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN

FUNDAMENTACIÓN DE LA DISTRIBUCIÓN VARIABLE Cuanto mayor es la cantidad de aire que entra al cilindro, mayor será la potencia que desarrolla el motor, por eso es fundamental el sistema de distribución que es el encargado regular los tiempos del funcionamiento del motor. La distribución del motor va estar controlada por el árbol de levas que es el elemento fundamental junto con las válvulas.

SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN VARIABLE El momento óptimo de apertura de las válvulas es diferente para cada régimen del motor, por lo que resulta imprescindible sacrificar rendimiento en todos los regímenes de giro para obtener un resultado aceptable también en todos los regímenes de giro. Lo que hace la distribución variable es precisamente cambiar el momento de apertura y cierre de las válvulas en función del régimen del motor.

SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN VARIABLE La determinación del diagrama de distribución depende de: Prestaciones (potencia, torque, rendimiento). Reducción de contaminantes químicos (óxidos de carbono) y físicos (ruido). Fiabilidad. Durabilidad.

POR QUÉ VARIABLE? La selección de parámetros de distribución para conseguir una optimización del funcionamiento en determinadas condiciones, NO ASEGURA el funcionamiento adecuado en condiciones diferentes. En los SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN VARIABLES se adapta el diagrama a cada condición operativa del motor.

CONFIGURACIONES de los Sistemas de Distribución Variable De acuerdo al cambio que producen en las leyes de apertura y cierre de válvulas: A- Modificación de la fase a perfil constante. B- Modificación de la duración a levantamiento máximo constante. C- Modificación del levantamiento a igual duración y fase. D- Modificación del perfil, manteniendo levantamiento máximo, la duración y la fase.

Modificación de perfiles en sistemas de distribución variable. Figura 27.68

SISTEMAS de DISTRIBUCIÓN VARIABLE Dos configuraciones: A partir de modificaciones en la posición de los elementos del sistema de distribución, mediante actuadores mecánicos (inerciales), eléctricos, e hidráulicos. A partir de sistemas que no utilizan árboles de levas (cam less).

SISTEMAS de DISTRIBUCIÓN VARIABLE Tipo A Sistemas tipo “A” Desfasadores. Operan mediante actuadores oleohidráulicos, cuya fuerza desfasa el mecanismo de arrastre (piñón de arrastre y árbol de levas). Figura 27.69 abajo izquierda

CONFIGURACIONES

SISTEMAS de DISTRIBUCIÓN VARIABLE Tipo B y C En estos sistemas se interponen elementos entre el árbol de levas y las válvulas. Puede ser un mecanismo de piñón y corona, que acciona al árbol de levas a diferentes velocidades. Modifican el levantamiento máximo y los instantes de apertura y cierre de las válvulas de forma contínua.

https://www.youtube.com/watch?v=MYflBZHV_wo

RENDIMIENTO MECÁNICO Fenómenos tribológicos + Fenómenos Fluidodinámicos Constituye un porcentaje elevado de las pérdidas del motor Fórmula 1 – 12 cilindros – 3,5 litros – Potencia máxima → SE PIERDEN 150 cv (de 850 cv) 50 % → PISTÓN (AROS/CILINDROS) * 50 % → En partes iguales: Distribución, cojinetes, accesorios *

PÉRDIDAS POR DESGASTE RENDIMIENTO MECÁNICO Fuerza sobre el pistón: 6000 kg (F 1) La fuerza a través de la “presión pico”, actúa sólo pocos grados de la manivela, en cambio la fuerza de inercia está siempre presente. Si tenemos en cuenta la fuerza de inercia a causa de la masa del pistón y la de la biela, casi equiparan a la de la presión. En los cojinetes de bancada, a causa del contrapesado, minimiza y a veces elimina las fuerzas de inercia en términos de desgaste.

SINTETIZANDO: El pico de presión define la Fuerza Máxima El fenómeno de inercia define la Fuerza Media Para el desgaste ( Fenómeno de Acumulación de Daño) → MANDA LA FUERZA MEDIA → MANDA LA INERCIA

MECANISMOS DE FALLA FATIGA CORROSIÓN DESGASTE: DUREZAS FUSIBLES MECÁNICOS DIFERENCIA DE MICROESTRUCTURAS

MATERIALES ANTIDESGASTE FUNDICIONES → APORTAN GRAFITO (LUBRICANTE SÓLIDO) TIENEN POROS PARA ALMACENAR LUBRICANTE LÍQUIDO

COMPONENTES MECÁNICOS DONDE HAY DESGASTE AROS Se empezaron a usar hace 150 años en las máquinas a vapor. Sirven para asegurar la estanqueidad de la cámara, evitando el paso de los gases de combustión ¿Cuál es el mecanismo que asegura esa estanqueidad? NO es la presión elástica del aro: esa tensión sólo es una precarga para apretar contra la camisa en condición de depresión del mismo.

DESGASTE EN LOS AROS DE PISTÓN La acción más importante es la propia presión del gas que actúa contra la cara inferior del alojamiento del aro y simultáneamente una carga horizontal interior al diámetro interno del aro. Estas fuerzas en juego son varios órdenes superiores a las elásticas. Por lo tanto: La estanqueidad es propiedad de la presión.

FUERZAS EN LOS AROS

FUERZAS EN LOS AROS Para ello debe garantizarse: El aro debe apoyar bien plano ( sin huecos) sobre la cara inferior del alojamiento (efecto axial) El gas debe poder ingresar en el alojamiento para apretar el aro contra la pared del cilindro (radial) Debe haber juego radial, para que el gas entre con baja pérdida de carga ( sino pierdo potencia ↓ƞ₀ ) Pero el volumen de esa cámara debe ser el mínimo posible para no retardar el flujo de gas) Si no se dan las condiciones anteriores, no sólo pierdo potencia, sino puede haber falla del aro.

FUERZAS EN LOS AROS Puede generar trefila del gas al cárter y también puede haber un fenómeno inercial del aro. Los aros deben ser por ello tanto más delgados cuanto más alto lo sea el régimen de vueltas.

PROBLEMAS DE TEMPERATURA La exigencia mencionada de la planitud del alojamiento es porque los mismos en frío son levemente cónicos, para que con el gradiente de temperatura y la consecuente dilatación del pistón, sea plano en caliente.

DISEÑO DEL PISTÓN

MATERIALES Material: 38NCD4 (4140 APROX.) Los hay Poliméricos (baja RESISTENCIA ESPECÍFICA) - Superaleaciones Bonificado a 40 HRc con anillo de Viton. Por el fuerte campo térmico puede crackizarse el aceite y el producirse el pegado de los aros. A veces se usa una barrera térmica:

BARRERA TÉRMICA

Para minimizar la potencia disipada en los aros: Mínimo número de aros Baja relación carrera-diámetro Baja viscosidad del aceite Bajo espesor del aro Baja presión elástica

RENDIMIENTO MECÁNICO ARBOL CIGÜEÑAL Toma la potencia del pistón y la transmite al eje de entrada de la caja de transmisión. De acuerdo al uso del motor, los árboles tienen diferencias: Para uso en competición, los árboles son mucho más esbeltos. En consecuencia son más deformables. Además, para no perder potencia por roce hay menos bancadas ( Ej: 4 bancadas en lugar de 7 para un 12 cilindros) Para ello, se utilizan materiales de alta resistencia, pero sobre todo de alto módulo elástico.

ARBOL CIGÜEÑAL Por eso, no resuelve el problema usar aleaciones de titanio. No se sale del acero. Materiales livianos ( aleaciones de Aluminio) a igual peso son más rígidos, pero los diámetros serán mayores → MAYOR DESGASTE Tampoco podemos usar el acero Mareging, acero al Mn, de altísima resistencia, pero austenítico , por lo tanto: E = 19300 Kg/mm² (contra 21000 kg/cm²) El cigüeñal, si sólo estuviera cargado con las fuerzas de inercia NO soporta fatiga por cargas alternativas, sino flexión constante. Esto produce la falla de los cigüeñales, cuyo riesgo crece con la flexibilidad.

ARBOL CIGÜEÑAL La elevada deformabilidad del árbol de competición genera dos problemas: El muñon de bancada NO estará paralelo al eje del cojinete. Por lo tanto, habrá en parte roce hidráulico y una parte de roce sólido → pérdida de potencia. Si fuera un rodamiento PEOR, pues no soporta desalineación. Vibración del cigüeñal en sus tres tipos fundamentales: FLEXIONALES, TORSIONALES Y AXIALES y a su vez de 1° y 2° orden.

AMORTIGUADORES TORSIONALES Que solución se propusieron para las vibraciones: AMORTIGUADORES Principio de funcionamiento: Roce viscoso o histéresis de un polímero (energía disipada). Si las vibraciones son muy intensas → ALTA ENERGÍA DISIPADA (Calentamiento y Pérdida de Potencia)

AMORTIGUADORES TORSIONALES Podemos usar un volante en el extremo del árbol con una fricción pre-fijada. Si hay baja intensidad de vibración, gira con el árbol y solidario. Si me acerco a la resonancia, se supera el valor de fricción, y el volante sigue rotando a velocidad constante mientras el árbol vibra. Pero al liberarse una masa, varía la frecuencia crítica y sle de la resonancia. Es muy importante aumentar la dureza superficial (cementación, nitruración) : superficie de elevada resistencia a la fatiga, donde es muy alta la tensión de torsión (TIZA). Con tenacidad en el núcleo. Buena terminación superficial: FATIGA BAJA

RENDIMIENTO MECÁNICO PISTONES Función de soportar la presión del gas (corona) Función de guía longitudinal a través del cilindro (pollera) En un pistón muy corto (competición), parte de la pollera también tiene función portante, por eso a veces tiene forma de “margarita” para permitir siempre un área de pasaje de los gases a través de los aros. Para compensar el gradiente axial de dilatación térmica, la cabeza no tiene un diámetro constante.

PISTONES El juego máximo en frío de la parte superior de la corona, puede ser de 0,5 a 1% del cilindro para pistón de aluminio en camisas de fundición, pero algo menor si la camisa es de aluminio. La posición del primer aro de compresión debe ser la más alta posible, pero teniendo en cuenta el gradiente axial de temperatura para evitar crackizar el aceite con las consecuencias indeseables de encolado, trafilamento de gas y agarre. En el motor turbo, los aros van más abajo. De lo contrario debe haber un sistema de refrigeración del aceite

RENDIMIENTO MECÁNICO PISTONES POLLERA GUÍA → deberá tener lubricación hidrodinámica. La pollera tiene una superficie levemente curvada para facilitar en ambos sentidos la condición hidrodinámica. Tiene además una rugosidad dada por canales circunferenciales, para guardar lubricante y promover el arresto de partículas. El juego en frío del punto más alto de la convexidad (bombatura) es muy bajo (0,13 % del cilindro) para pistón de aluminio en camisa de fundición → mejor lubricación y menos pérdidas. En caliente habrá un leve calce forzado. Al sacar el pistón luego de un correcto servicio, debe verse una zona central lúcida, que será en sintonía de un adecuado funcionamiento.

RENDIMIENTO MECÁNICO PISTONES Con motor de serie, con pistón más alto, esto no es tan crítico y a veces hay más juego para un funcionamiento mas suave, pero se pierde potencia. Si hay calce forzado → necesito mayor elasticidad radial. Se usan insertos bi-metálicos.

RENDIMIENTO MECÁNICO PISTONES: MATERIALES En general, aleación de alta resistencia mecánica de aluminio (Rm=500 MPa), Al Silicio y otros. A veces están recubiertos por un material anti-desgaste ( ej: estañado) Hay desarrollos muy especiales de aleación de magnesio Al ser elementos básicamente sometidos a fuerzas de inercia, son críticas las relaciones σ/ρ y E/ρ En este aspecto son aleaciones ventajosas. La desventaja es la menor conductancia térmica (magnesio). Esto no debería crear problemas en los motores aspirados pero en los sobrealimentados debería desarrollar la refrigeración.

PISTONES: MATERIALES El perno es construido en acero de alta resistencia, cementado, nitrurado o sulfonitrurado. Tiene alta presión específica, entre 1500 y 2500 kg/cm² sobre el pie de la biela, por eso es crucial la lubricación. La máxima solicitación del perno, por lo corto NO es la flexión sino la ovalización. Por eso, se usan en casos especiales un tubo zunchado (acero de alta resistencia por fuera (Flexión-tracción/compresión) y cerámico por dentro ( Ovalización- compresión)

PÉRDIDAS MECÁNICAS EN EL PISTÓN Roce en la pollera. Para reducir la pérdida de calor: Alto número de cilindros Baja relación carrera-diámetro Baja viscosidad del aceite Bajo peso específico (baja inercia) Biela larga (menores esfuerzos laterales) Pequeña superficie de la pollera

PÉRDIDAS MECÁNICAS EN LOS COJINETES En la primera mitad del siglo XX (rodamientos-inyección-desmodrómica)(Mercedes W196-Fangio) se usaban los rodamientos para la competición. Hoy se usan cojinetes hidrodinámicos. Después de la segunda Guerra Mundial no se podían usar soluciones costosas. Esa costumbre perduró y se trabajó en mejorarla Un F1 con turbo debe (1200 CV / 1,5 litros = 800 CV/litro) 15000 rpm→usa cojinetes

COJINETES COJINETES: Acero al carbono con resistencia más antifricción ( 100 a 700 kg/cm² a la compresión). Si hay lubricación hidrodinámica, no intervienen los materiales sino la viscosidad. El material antifricción es para el caso en que no hay lubricación hidrodinámica y con ello roce de metales incompatibles. μ=0,0025 – 0,005 “tener cuidado con la centrifugación que produce el cigüeñal”

PÉRDIDAS MECÁNICAS EN LOS COJINETES Pero de 50 rpm a 15000 rpm → Paso de presión de 6,5 bar →a presión de llegada mayor a 10 bar 10 > 6,5 : para que haya lubricación a presión Para minimizar las pérdidas en el cojinete: Mínimo número de cojinetes por cilindro.* Baja viscosidad del lubricante. Perno de pequeño diámetro. Bajo largo del cojinete. (cojinete corto) Mínima rugosidad.

PÉRDIDAS MECÁNICAS EN LOS COJINETES Obs: * Vale si los cojinetes trabajan de modo regular. Si el eje flexiona mucho por falta de bancadas, los cojinetes existentes trabajarán irregularmente → se pierde mucha potencia. “Hay desarrollos que montan los cojinetes sobre soportes esféricos que permiten orientarse angularmente” Juego cojinete: 1/1000 (diámetro del perno) Dos medios cojinetes: fractura contra fractura

MATERIALES DE COJINETES “Hay revestimientos que NO reducen la fricción, pero son anti-desgaste (Metal Blanco – Lubricante sólido consumible)” Variable Stellite Poros→fatiga

MECANISMO BIELA MANIVELA

GEOMETRÍA DE LA BIELA MANIVELA

RECORRIDO DEL PISTÓN

VELOCIDAD DEL PISTÓN

ACELERACIÓN DEL PISTÓN