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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERA Departamento de Ingeniera Mecnica
SANTIAGO
Sistema de Inyeccin Motor Otto
_________________________________________________________________________________________________________
EXPERIENCIA N ___C234___Grupo N___L2__Fecha de la
Exp______28/04/2015_____ Fecha de Entrega ___05/05/2015___
NOMBRE ASIGNATURA___________Laboratorio General
II_________________________CODIGO__15030_________
CARRERA__________Ingeniera Civil Mecnica________________Modalidad
(Diurna o Vespertina)_______Diurna __________
NOMBRE DEL
ALUMNO________Ceballos_____________Olivares_______________Juan
Pablo_____________ Apellido Paterno Apellido Materno Nombre
________________________ Firma del alumno
Fecha de Recepcin
Nota de Interrogacin ________________ Nombre del Profesor
_________Sr. Leopoldo Muoz ____________
Nota de Participacin ________________
Nota de Informe ____________________
_________________________________
Nota Final ________________________________________ Firma del
Profesor
SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA
MARCADA CON UNA X
________ Presentacin ________ Clculos, resultados, grficos
________ Caractersticas Tcnicas ________ Discusin,
conclusiones
________ Descripcin del Mtodo seguido _______ Apndice
OBSERVACIONES
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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERA
Departamento de Ingeniera Mecnica Ingeniera Civil Mecnica
Sistema de Inyeccin Motor Otto
Experiencia C234
Juan Pablo Ceballos Olivares Sr. Leopoldo Muoz.
Laboratorio General II Diurno
05-05-2015
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1 Tabla de contenido 2 Resumen del
contenido...............................................................................................................
2
3 Objetivos del trabajo
...................................................................................................................
2
3.1 Objetivo general
...................................................................................................................
2
3.1.1 Objetivos especficos
...................................................................................................
2
4 Caractersticas de los equipos e instrumentos utilizados
............................................................ 3
4.1 Equipo
..................................................................................................................................
3
4.1.1 Motor Ciclo Otto (Toyota Yaris)
....................................................................................
3
4.1.2 Equipo de diagnstico BOSCH
....................................................................................
4
5 Descripcin del mtodo seguido en la experiencia
.....................................................................
4
6 Presentacin de resultados
.........................................................................................................
5
7 Anlisis de resultados y conclusiones.
........................................................................................
7
8 Apndice: Teora del experimento
..............................................................................................
8
8.1 Turbo alimentador
................................................................................................................
8
8.1.1 VENTAJAS DE USAR TURBOALIMENTADOR
.......................................................... 8
8.1.2 Constitucin de un turbocompresor
.............................................................................
9
8.1.3 Temperatura de funcionamiento
................................................................................
10
8.1.4 El engrase del turbo
...................................................................................................
11
8.1.5 Recomendaciones de mantenimiento y cuidado para los
turbocompresores ............ 12
8.2 Inter cooler
.........................................................................................................................
12
8.3 Sistema de inyeccin Disel
..............................................................................................
13
8.3.1 Esquema del sistema
.................................................................................................
14
8.4 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA COMMON RAIL
....................................................... 15
8.4.1 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
..........................................................................
15
9 Bibliografa
................................................................................................................................
15
9.1 Referencias
........................................................................................................................
15
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2 Resumen del contenido En el marco de estudio de los motores de
combustin interna, y como experiencia final de esta etapa, se
analizaran los sistemas de inyeccin en este tipo de motores, en
base a un ciclo Otto (y se explica el Diesel); haciendo hincapi en
el funcionamiento de los turboalimentadores, turbocompresores e
intercooler.
El sistema de alimentacin de combustible y formacin de la mezcla
complementa en los motores Otto al sistema de encendido del motor,
que es el que se encarga de desencadenar la combustin de la mezcla
aire/combustible.
Este sistema es utilizado, obligatoriamente, en el ciclo del
disel desde siempre, puesto que el combustible tiene que ser
inyectado dentro de la cmara en el momento de la combustin (aunque
no siempre la cmara est sobre la cabeza del pistn).
En los motores de gasolina actualmente est desterrado el
carburador en favor de la inyeccin, ya que permite una mejor
dosificacin del combustible y sobre todo desde la aplicacin del
mando electrnico por medio de un calculador que utiliza la
informacin de diversos sensores colocados sobre el motor para
manejar las distintas fases de funcionamiento, siempre obedeciendo
las solicitudes del conductor en primer lugar y las normas de
ambientales en segundo lugar.
3 Objetivos del trabajo
3.1 Objetivo general
Familiarizar al alumno con el funcionamiento de motores Otto,
sus componentes, su control y manutencin peridica.
3.1.1 Objetivos especficos
Conocer el funcionamiento de los motores de combustin interna,
principalmente los correspondientes a ciclo Otto.
Comprender el funcionamiento del sistema de enfriamiento y
lubricacin.
Medir la compresin y algunos sensores del motor Otto.
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4 Caractersticas de los equipos e instrumentos utilizados
4.1 Equipo
4.1.1 Motor Ciclo Otto (Toyota Yaris)
Figura 1. Motor Toyota en instalaciones del Dimec.
Marca: Toyota Yaris
Tipo DOHC Octanaje 95 o superior
Cilindros 4 Cilindrada Total cm3 1327
Encendido 1-3-4-2 Claro Bujas 1,1 mm
Potencia C.V 87
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4.1.2 Equipo de diagnstico BOSCH
Figura 2.equipo diagnstico Bosch.
5 Descripcin del mtodo seguido en la experiencia Esta
experiencia comienza, como las precedentes, con una introduccin
terica, en donde se estudia el sistema de inyeccin de ambos tipos
de motores, el funcionamiento del turboalimentador, el intercooler,
y las diferencias principales entre ambos tipos de motores. Para
analizar el funcionamiento de estos sistemas, se procede a la sala
de motores, en donde se encuentra un equipo marca BOSCH, una parte
de este se conecta al computador del motor del vehculo y la otra se
conecta inalmbricamente mediante un sistema Bluetooth al
computador. Este registra y muestra en pantalla todas las
caractersticas que se observan en el motor, permitiendo analizar el
comportamiento del motor. Finalmente se realizaran algunas
conclusiones, comentarios y observaciones personales con respecto
al laboratorio y la investigacin personal realizada.
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6 Presentacin de resultados El equipo de diagnstico entrega la
siguiente grfica de algunos parmetros medidos en la
experiencia.
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7 Anlisis de resultados y conclusiones. Se observa la clara
diferencia en los datos entregados por el computador antes y despus
de que el motor es encendido, lo que nos confirma que el equipo est
funcionando de forma correcta. Al acelerar el motor se observa el
aumento inmediato (prcticamente instantneo), en lo que identifican
los sensores, aumentando la cantidad de aire que se est
introduciendo a la mezcla, la temperatura del refrigerante, las
revoluciones y la cantidad de combustible que estn entregando los
inyectores. En la segunda imagen se observa un grfico de los datos
antes mencionados. Cabe mencionar que esto es solo una parte de la
amplia gama de opciones que nos entrega la interfaz del programa
proporcionado por Bosch. Se observa que al provocar
intencionalmente una falla en el motor, en nuestro caso se
desactivo el sensor de temperatura del refrigerante, el computador
del vehculo est programado para tomar una decisin, como no sabe la
temperatura de este asume el peor caso (que esta con una elevada
temperatura), accionando de forma inmediata el electroventilador y
seguramente encendiendo el indicador check-in del tacmetro del
vehculo, indicndonos que debemos revisar el automvil. Esto es solo
una muestra de las decisiones programadas que posee el computador
de un motor. Los sistemas de inyeccin de los motores de combustin
interna, son altamente tiles y ventajosos para aumentar el
rendimiento de estos sistemas, ya que mediante sensores controlan
con exactitud la mezcla aire-combustible y atomizan en forma
adecuada el combustible para ayudar a formar una mezcla ms homognea
con el aire, consumiendo la cantidad adecuada del mismo y generando
un mayor par motor, lo que se ve reflejado en un mayor
rendimiento.
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8 Apndice: Teora del experimento
8.1 Turbo alimentador El turboalimentador es una mquina de
mecanismo muy simple y de alta tecnologa, a travs del cual se logra
una importante mejora en el rendimiento trmico de los motores a
explosin. El xito de la utilizacin del turboalimentador se basa en
que su funcionamiento es activado por la energa que normalmente se
pierde a travs de la emisin de gases de escape hacia el ambiente.
Estos gases tienen una importante cantidad de energa calrica que es
aprovechada por el turbo para producir el accionamiento del mismo,
logrando con ello un gran aumento de la potencia del motor. El
principio de funcionamiento es el siguiente: a la salida de los
gases de escape del motor se le acopla una carcasa de turbina, en
la que el flujo de gases logra un considerable aumento de
velocidad. Luego pasan a travs de una turbina, que al aprovechar la
energa de los gases, la hace girar a altas revoluciones. Por ltimo,
despus de dejar gran parte de su energa, salen hacia el ambiente.
La turbina es solidaria a un eje que est alojado en una caja de
cojinetes, y que transmite el giro hacia una rueda compresora,
tambin solidaria al mismo eje. Esta rueda compresora aspira el aire
del ambiente a travs del filtro de aire y lo hace circular a travs
de la carcasa compresora, aumentando la presin y velocidad del
flujo de aire. Con ello se logra un llenado de aire en el motor que
es altamente superior al que se obtendra si el mismo motor no
tuviese instalado el turboalimentador. Habiendo ingresado esta
cantidad adicional de aire al motor, es posible entonces obtener
una mezcla aire-combustible que permite mejorar considerablemente
la potencia especfica del motor.
8.1.1 VENTAJAS DE USAR TURBOALIMENTADOR - Al mejorar la
eficiencia, se obtienen ahorros de combustible (para la misma
potencia entregada) de entre un 10 y un 15%. - A igual consumo de
combustible, la mejora de potencia puede ser elevada a valores de
10 al 30% (o ms), segn el diseo y la eleccin efectuada sobre el
turboalimentador que equipar la unidad. - La extraordinaria mejora
que se obtiene en el proceso de mezcla aire - combustible reduce
considerablemente la emisin de humo y la contaminacin ambiental. -
La posibilidad de efectuar un buen llenado de aire dentro del
cilindro, hace posible que en grandes alturas (donde la densidad de
aire es menor) la performance de los motores tenga inmejorables
resultados.
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8.1.2 Constitucin de un turbocompresor
Los elementos principales que forman un turbo son el eje comn
(3) que tiene en sus extremos los rodetes de la turbina (2) y el
compresor (1) este conjunto gira sobre los cojinetes de apoyo, los
cuales han de trabajar en condiciones extremas y que dependen
necesariamente de un circuito de engrase que los lubrica.
Por otra parte el turbo sufre una constante aceleracin a medida
que el motor sube de revoluciones y como no hay lmite alguno en el
giro de la turbina empujada por los gases de escape, la presin que
alcanza el aire en el colector de admisin sometido a la accin del
compresor puede ser tal que sea ms un inconveniente que una ventaja
a la hora de sobrealimentar el motor. Por lo tanto se hace
necesario el uso de un elemento que limite la presin en el colector
de admisin. Este elemento se llama vlvula de descarga o vlvula
waste gate(4).
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8.1.3 Temperatura de funcionamiento
Como se ve en la figura las temperaturas de funcionamiento en un
turbo son muy diferentes, teniendo
en cuenta que la parte de los componentes que estn en contacto
con los gases de escape pueden
alcanzar temperaturas muy altas (650 C), mientras que los que
est en contacto con el aire de
aspiracin solo alcanzan 80 C.
Estas diferencias de temperatura concentrada en una misma pieza
(eje comn) determinan valores
de dilatacin diferentes, lo que comporta las dificultades a la
hora del diseo de un turbo y la eleccin
de los materiales que soporten estas condiciones de trabajo
adversas. El turbo se refrigera en parte
adems de por el aceite de engrase, por el aire de aspiracin
cediendo una determinada parte de su
calor al aire que fuerza a pasar por el rodete del compresor.
Este calentamiento del aire no resulta
nada favorable para el motor, ya que no solo dilata el aire de
admisin de forma que le resta densidad
y con ello riqueza en oxgeno, sino que, adems, un aire demasiado
caliente en el interior del cilindro
dificulta la refrigeracin de la cmara de combustin durante el
barrido al entrar el aire a una
temperatura superior a la del propio refrigerante lquido.
Los motores de gasolina, en los cuales las
temperaturas de los gases de escape son entre 200
y 300C ms altas que en los motores disel, suelen
ir equipados con carcasas centrales refrigeradas por
agua. Cuando el motor est en funcionamiento, la
carcasa central se integra en el circuito de
refrigeracin del motor. Tras pararse el motor, el calor
que queda se expulsa utilizando un pequeo circuito
de refrigeracin que funciona mediante una bomba
elctrica de agua controlada por un termostato. En un
principio cuando se empez la aplicacin de los
turbocompresores a los motores de gasolina, no se
tuvo en cuenta la consecuencia de las altas temperaturas que se
podan alcanzar en el colector de
escape y por lo tanto en el turbo que est pegado a l como bien
se sabe. La consecuencia de esta
imprevisin fue una cantidad considerable de turbos carbonizados,
cojinetes defectuosos y pistones
destruidos por culpa de la combustin detonante. Hoy en da los
carteres de los cojinetes de los
turbocompresores utilizados para sobrealimentar motores Otto se
refrigeran exclusivamente con agua
y se han desarrollado y se aplican materiales ms resistentes al
calor. Los fondos de los pistones de
los motores turbo casi siempre se refrigeran por medio de
inyeccin de aceite. Con estas medidas se
han solucionado la mayor parte de los problemas que tienen los
motores de gasolina sobrealimentados
por turbocompresor, eso s, siempre teniendo presente que si por
algn motivo la temperatura de
escape sobrepasa durante un tiempo prolongado el lmite mximo de
los 1000C el turbo podr sufrir
daos.
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8.1.4 El engrase del turbo
Como el turbo est sometido a altas temperaturas de
funcionamiento, el engrase de los cojinetes deslizantes es muy
comprometido, por someterse el aceite a altas temperaturas y
desequilibrios dinmicos de los dos rodetes en caso de que se le
peguen restos de aceites o carbonillas a las paletas curvas de los
rodetes (alabes de los rodetes) que producirn vibraciones con
distintas frecuencias que entrando en resonancia pueden romper la
pelcula de engrase lo que producir microgripajes. Adems el eje del
turbo est sometido en todo momento a altos contrastes de
temperaturas en donde el calor del extrem caliente se transmite al
lado ms fro lo que acenta las exigencias de lubricacin porque se
puede carbonizar el aceite, debindose utilizar aceites homologados
por el API y la ACEA para cada pas donde se utilice.
Se recomienda despus de una utilizacin severa del motor con
recorridos largos a altas velocidades, no parar inmediatamente el
motor sino dejarlo arrancado al ralent un mnimo de 30 seg. Para
garantizar una lubricacin y refrigeracin ptima para cuando se
vuelva arrancar de nuevo. El cojinete del lado de la turbina puede
calentarse extremadamente si el motor se apaga inmediatamente
despus de un uso intensivo del motor. Teniendo en cuenta que el
aceite del motor arde a 221 C puede carbonizarse el turbo.
El engrase en los turbos de geometra variable es ms comprometido
aun, porque adems de los rodamientos tiene que lubricar el conjunto
de varillas y palancas que son movidas por el depresor neumtico, al
coger suciedades (barnices por deficiente calidad del aceite), hace
que se agarroten las guas y compuertas y el turbo deja de trabajar
correctamente, con prdida de potencia por parte del motor.
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8.1.5 Recomendaciones de mantenimiento y cuidado para los
turbocompresores
El turbocompresor est diseado para durar lo mismo que el motor.
No precisa de mantenimiento especial; limitndose sus inspecciones a
unas comprobaciones peridicas. Para garantizar que la vida til del
turbocompresor se corresponda con la del motor, deben cumplirse de
forma estricta las siguientes instrucciones de mantenimiento del
motor que proporciona el fabricante:
-Intervalos de cambio de aceite -Mantenimiento del sistema de
filtro de aceite -Control de la presin de aceite -Mantenimiento del
sistema de filtro de aire El 90% de todos los fallos que se
producen en turbocompresores se debe a las siguientes causas:
-Penetracin de cuerpos extraos en la turbina o en el compresor
-Suciedad en el aceite -Suministro de aceite poco adecuado (presin
de aceite/sistema de filtro) -Altas temperaturas de gases de escape
(deficiencias en el sistema de encendido/sistema de
alimentacin).
Estos fallos se pueden evitar con un mantenimiento frecuente.
Cuando, por ejemplo, se efecte el mantenimiento del sistema de
filtro de aire se debe tener cuidado de que no se introduzcan
fragmentos de material en el turbocompresor.
8.2 Inter cooler El intercooler es un intercambiador (radiador)
aire-aire o aire-agua que se encarga de enfriar el aire comprimido
por el turbocompresor o sobre alimentador de un motor de combustin
interna. Normalmente los gases al comprimirse adiabticamente (sin
cesin de calor al entorno) se calientan; se puede ver al hinchar la
rueda de una bicicleta que la vlvula se calienta. En el caso del
turbo los gases salen a un temperatura de unos 90-120C. Este
calentamiento es indeseado, porque los gases al calentarse pierden
densidad, con lo que la masa de oxgeno por unidad de volumen
disminuye. Esto provoca que la eficiencia volumtrica del motor
disminuya y as la potencia del motor disminuye, ya que hay menos
oxgeno (masa) para la combustin. El intercooler rebaja la
temperatura del aire de admisin a unos 60 C, con lo que la ganancia
de potencia gracias al intercooler est en torno al 10-15%, respecto
a un motor solamente sobrealimentado (sin intercooler). Lo habitual
es que los intercooler sean de aire-aire. Aunque en algunos casos,
se tiene posibilidad de aadir un pequeo chorro de agua que humedece
el exterior del intercooler para que al evaporarse se enfre y
aumentar la potencia durante un rato. En motores que tienen una
preparacin un tanto ms "extrema" se ha experimentado en la
"congelacin" del intercooler por un corto lapso de tiempo para
ganar potencia extra, esto se puede hacer mediante descargas de CO2
comprimido sobre el mismo.
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8.3 Sistema de inyeccin Disel Al final de la carrera de
compresin el aire que ha entrado al cilindro durante la carrera de
admisin
previa, ha sido confinado a un pequeo volumen llamado cmara de
combustin y sometido a una
fuerte compresin y est muy caliente. Si en ese momento se
inyecta al interior del cilindro la cantidad
adecuada de combustible Disel pulverizado, este se inflamar y
producir el debido incremento de
presin que acta sobre el pistn para producir la carrera de
fuerza del motor. El mecanismo que se
ocupa de dosificar, pulverizar e introducir al cilindro en el
instante y por el tiempo adecuados el
combustible al cilindro se llama sistema de inyeccin.
El proceso de inyectar combustible en el motor Disel puede
resumirse en pocas palabras como se
ha hecho, y aparentemente parece ser simple, pero en realidad
est rodeado de un gran nmero de
particularidades que hacen de l, una de las mayores conquistas
tecnolgicas realizadas por el
hombre en la mecnica de precisin del siglo XX. Baste decir que
este sistema tiene que poder inyectar
con gran exactitud y a grandes presiones (entre 120 y 400
kg/cm), volmenes de lquido que pueden
ser comparables con el de la cabeza de un alfiler, con un
comienzo y tiempo de duracin muy exactos,
a frecuencias que pueden llegar a ms de 2000 ciclos por segundo,
y por un perodo de millones de
ciclos sin fallo. Smele a eso que la inyeccin se produce en una
cmara donde hay combustin
simultnea a la inyeccin, en un ambiente caliente y agresivo y me
dir si no es un verdadero milagro
tecnolgico haberlo conseguido y perfeccionado.
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8.3.1 Esquema del sistema
Durante el desarrollo del motor Disel, los fabricantes han
elaborado diferentes sistemas mecnicos
que cumplen con los requisitos de trabajo descritos
anteriormente, uno de los ms utilizados es el
sistema Bosch.
En l, una bomba capaz de dosificar y elevar la presin a los
valores necesarios para la inyeccin y
en el momento preciso del combustible, gira arrastrada por el
motor a travs de un acoplamiento,
esta bomba es la bomba de inyeccin. Unos conductos de alta
presin llevan el combustible hasta
los inyectores, que son los encargados de producir el aerosol
dentro del cilindro.
Una pequea bomba adosada a la bomba de inyeccin y accionada por
esta, trasiega el combustible
desde el depsito y la alimenta hacindolo pasar por un juego de
filtros. La capacidad de bombeo de
esta bomba de trasiego es muy superior a las necesidades del
motor, lo que sirve para incluir un
regulador de presin que adeca y estabiliza la presin de
alimentacin a la bomba de inyeccin,
desviando por el retorno el combustible en exceso. Este
combustible en exceso sirve adems para
refrigerar la bomba de inyeccin.
Un mecanismo especial encargado de regular el avance a la
inyeccin se interpone entre el
acoplamiento al motor y la bomba de inyeccin. Al final de la
bomba y acoplado a ella, se encuentra
el regulador de velocidad, este regulador incluye una palanca de
accionamiento que se acopla al
mecanismo del pedal del acelerador, desde donde el conductor
puede aumentar y disminuir la
potencia o velocidad de giro del motor.
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8.4 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA COMMON RAIL Este sistema se
emplea actualmente en motores disel de inyeccin directa, por lo que
se necesita inyectar a una presin muy elevada (hasta 2000 bares),
ya que la cmara de por s se encuentra a alta presin y temperatura,
y a una velocidad muy rpida, para garantizar la pulverizacin y
mezcla con el aire antes de la combustin, inyectndose directamente
en la cmara en la parte final de la carrera de compresin.
8.4.1 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA En la automocin se utilizan
principalmente el sistema inyector bomba y el common rail en
vehculos disel, siendo ms empleado este ltimo en estos motores. En
este artculo pretendemos explicar este sistema. Como vemos en el
dibujo, hay una bomba de baja presin que toma combustible del
depsito y lo lleva a la bomba de alta presin, tras pasar por un
filtro. Esta bomba de alta presin, que est accionada por el cigeal
del motor, manda el combustible al ral comn, y de aqu va a los
inyectores. Una parte de este combustible se inyecta en el motor, y
parte vuelve al depsito. Este combustible que vuelve al depsito se
controlar con el limitador de presin. El rail sirve por tanto para
acumular combustible que se inyectar en el motor. Tambin sirve para
amortiguar las oscilaciones y perturbaciones producidas por la
bomba de alta presin.
9 Bibliografa
Apuntes profesor Leopoldo Muoz.
9.1 Referencias http://www.automotriz.net/tecnica/
http://www.sabelotodo.org/automovil/sistencendido.html.
