Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Unidad Profesional Ticomán

BANCO DE PRUEBAS DE UN MOTOR RECÍPROCO

Nombre del Alumno: Montoya Robles José Carlos

Grupo: 8AV1

RENDIMIENTOS Y PRUEBAS DE

SISTEMAS PROPULSIVOS

Profesor: Ing. JUAN ESCAMILLA GARCÍA

Instituto Politécnico Nacional OBJETIVO

Por medio de la presente investigación el alumno reconocerá e identificará las diferentes pruebas realizadas a un motor reciproco de uso aeronáutico, además

INTRODUCCIÓN

Antes de empezar con la descripción de un banco de pruebas de un motor aeronáutico de combustión interna alternativo se comenzará por definir algunos conceptos básicos pero necesarios para el desarrollo de este trabajo.

MOTOR AERONÁUTICO

 Un motor de avión es el componente del sistema de propulsión de un avión que genera energía mecánica. Los motores de avión son casi siempre o motores de pistones ligeros o turbinas de gas. Este artículo es un resumen de los tipos básicos de motores de aeronaves y los conceptos de diseño empleados en el desarrollo de motores para aviones. 

Fig. 1 Motor aeronáutico en configuración radial de siete cilindros.

Instituto Politécnico Nacional MOTORES RECIPROCOS (MCIA)

Los motores son los mecanismos que transforman la energía química presente en el combustible en energía mecánica. En el motor esta energía mecánica se manifiesta en la rotación de un eje del motor, al que se une el mecanismo que se quiere mover (por ejemplo una hélice).

El motor alternativo de aviación está formado por una serie de cilindros donde se comprime la mezcla aire-combustible y se inflama. La mezcla se prepara previamente en un dispositivo denominado carburador, o en un sistema de inyección. La combustión de la mezcla produce un incremento de la presión del gas en el interior del cilindro, aplicándose esta sobre el embolo. El movimiento lineal del embolo (pistón), ascendente y descendente en el cilindro, se transforma finalmente, en otro movimiento circular mediante un sistema articulado, que hace girar el eje del motor.

Por la forma de construcción y ordenación de sus cilindros, los motores alternativos pueden ser: motores en línea, de cilindros horizontales y opuestos, en estrella o radiales.

Los motores de cilindros horizontales y opuestos constituyen la solución actual en la gama de baja potencia.

CICLO DE TRABAJO (OTTO)

En la fase de admisión, la válvula de admisión se abre y el pistón se desplaza hacia abajo en el cilindro, aspirando la mezcla de combustible y aire. La válvula de admisión se cierra cerca del final de la carrera de admisión y el pistón se mueve hacia arriba del cilindro, comprimiendo la mezcla. Al aproximarse el pistón a la parte superior del cilindro en la carrera de compresión, se enciende la bujía y la mezcla se inflama. Los gases de la combustión se calientan y expansionan con gran rapidez, lo que aumenta la presión en el cilindro, forzando al pistón de nuevo a bajar en lo que se denomina carrera de expansión

Fig. 2 Motor alternativo Lycoming IO-540 en configuración horizontal opuesto de seis cilindros.

Instituto Politécnico Nacional o motriz. La válvula de escape se abre y forzados los gases por la subida del pistón pasan a través de ella para salir al exterior del cilindro.

VIDA ÚTIL DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVO

Los factores de los que depende el buen funcionamiento de nuestros motores y que influirán directamente en el tiempo de vida de los mismos son:

Calidad de operación

Cantidad de la operación

Condición del medio ambiente

De acuerdo a condiciones:

Normales

Anormales

Fortuitas

FACTORES QUE DISMINUYEN EL TIEMPO DE VIDA DE UN MOTOR

Los principales son 3: Uso

Como ya se mencionó anteriormente, el mal uso de nuestros motores hace que se desgasten sus partes más rápidamente, provocando descomposturas o alteraciones que a largo plazo acortaran el tiempo de vida de todo el motor. Algunas malas acciones que disminuyen el tiempo de vida son:

No dejar calentar bien el motor

Utilizar otro tipo de aceite

Utilizar otro tipo de gasolina que afectara la combustión

Fig. 3 Fases del ciclo otto.

Instituto Politécnico Nacional Sobrecalentar el motor

Someter el motor a ambientes muy agresivos de uso como, hielo o arena.

CorrosiónLa corrosión no solo afecta al motor si no a toda la aeronave, esto se debe varias veces a la acumulación de humedad en ciertas partes del motor a causa de la entrada de agua por el tanque de combustible o en su defecto a la combinación de soluciones salinas dentro del motor, esto es muy común en motores que operan a nivel del mar ya que los vapores que entran en el motor contienen partículas de sal que con el tiempo se transforman en corrosión. La corrosión también se puede formar por dejar de utilizar el motor por periodos

Mal mantenimiento

El mantenimiento aunque puede agrandar el tiempo de vida de nuestro motor, también puede hacer lo contrario si no se siguen las tareas adecuadas y en el tiempo establecido para cada motor, algunas de las malas acciones de mantenimiento que reducen el tiempo de vida del motor o que tal vez lo dejen fuera de operación son: Uso de partes o componentes hechizos

Mala planeación de programas de mantenimiento

Realizar trabajos sin el uso del manual

Fig. 4 Deterioro del motor por uso rutinario.

Fig. 5 Deterioro del motor por corrosión.

Instituto Politécnico Nacional Utilizar partes de otra aeronave que no cumplan con los parámetros de medidas o materiales

Fig. 6 Deterioro del motor por la aplicación de un incorrecto mantenimiento

Instituto Politécnico Nacional

DESARROLLO

TIPOS DE PRUEBAS

Podemos separar los ensayos a que se puede ser sometido un motor en tres clases:

pruebas de rutina o aceptación: son llevados por el fabricante o el comprador del motor, a los efectos de verificar que sus rendimientos sean las especificadas y efectuar los ajustes necesarios antes de su puesta en servicio.

pruebas comparativas que incluyen los ensayos de nuevos tipos de motores o modificaciones de diseño.

pruebas de investigación, que son emprendidos con el objeto de estudiar algún aspecto de la producción de trabajo por el motor que no haya sido completamente comprendido.

PROCEDIMIENTO GENERAL DE LAS PRUEBAS

1. Es conveniente el empleo de planillas especiales para cada ensayo.2. Es conveniente verificar el correcto funcionamiento de los instrumentos a

utiliza.3. Es conveniente una marcha corta del motor previo al ensayo.4. Las mediciones generalmente efectuadas son relativas a lo siguiente:

Fig. 7 Banco de pruebas a un motor Lycoming IO-540

Instituto Politécnico Nacional potencia del motor, se mide el par motriz y la velocidad de rotación. consumo del motor, tanto de combustible, lubricantes y algunas veces

el aire. comportamiento del motor, para lo que será necesario medir sus

temperaturas de operación, y algunas presiones (manómetros). condiciones atmosféricas, se miden presión, temperatura y humedad

relativa ambientes.

MEDICIONES DE POTENCIA

Para esta medición son requeridos un tacómetro para medir la velocidad de rotación y un cuplómetro para medir el par motor.

A fin de medir el par motor es necesario resistirla, por medio de un freno, oponiendo un par resistente igual al par motor.

El par motor o la resistente se miden cargando un peso F en el extremo de un brazo de palanca de longitud “l” con el que impide la rotación del estator del freno o del cárter y soporte del motor.

FRENOS DINAMOMÉTRICOS - CAPACIDAD Y ESTABILIDAD.

Se denomina freno dinamométrico, al aparato destinado a absorber y disipar la energía mecánica entregada por el árbol de un motor con el objeto de efectuar la medición de su el par motor.

El freno dinamométrico es acoplado al árbol del motor cuya el par motor se desea medir. Puesto este en marcha el freno opone un par resistente, que limita la velocidad de rotación del motor.

Las condiciones que debe cumplir un freno son:

ser capaz de absorber una potencia superior a la máxima que puede entregar el motor que se debe ensayar.

ser estable, es decir que si llega a aumentar el par motor, la cupla resistente debe crecer hasta estabilizar la marcha del motor a una velocidad solo levemente superior.

debe ser capaz de evacuar o disipar rápidamente sin calentamiento la energía calorífica en que se transforma el trabajo mecánico entregado por el motor.

Los diferentes tipos de freno que se emplean son:

Instituto Politécnico Nacional a fricción sólida,(prony) carecen de aplicación práctica para el ensayo de

motores a combustión interna pero suelen emplearse en otros casos. Son inestables.

a fricción fluida,(Froude) o hidráulicos son los más utilizados, consisten en un rotor que gira dentro de una carcasa llena de agua, con el objeto de producir una importante fricción interna en el líquido, y entre el líquido y las partes fija y móvil del freno.

El trabajo mecánico entregado por el motor es así transformado en calor, elevando la temperatura del agua, el agua caliente es evacuada fuera del freno y enfriada para recirculación.

CONDICIÓN DE ESTABILIDAD DEL FRENO.

Para que un freno sea estable es necesario que a un aumento del par motor reaccione con un aumento de cupla resistente a fin de impedir que el motor se acelere demasiado. Los frenos a fricción fluída son estables.

MEDICIÓN DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE.

El objeto inmediato de esta mediación es conocer el rendimiento real o efectivo del motor, o sea proporción de la energía consumida bajo forma de combustible es transformada en trabajo útil, y que proporción es pérdida.

El método más simple y el más exacto, es medir con un cronómetro el tiempo que tarda el motor en consumir un volumen dado de combustible.

Todo lo que es necesario para efectuar esta medición es un vaso de capacidad conocida conectado por medio de una llave de tres vías al tubo que transporta el combustible del tanque principal al motor.

La capacidad del vaso de medida debe ser tal, que a plena carga el motor demore aproximadamente 1 minuto en consumir su volumen de combustible. Para que la medida del tiempo demorado en consumir el combustible sea exacta, es necesario que se controle visualmente cuando el nivel de combustible desciende rápidamente, de modo que las marcas indicadoras del volumen calibrado deben encontrarse en gargantas estrechas.

MEDICIÓN DEL CONSUMO DE AIRE.

Esta medición es de suma importancia en ciertos ensayos, especialmente en los de carburación y es asimismo muy útil en los ensayos de motores prototipo para la determinación del rendimiento volumétrico.

Instituto Politécnico Nacional En efecto, la potencia y rendimiento de un motor son afectados por muchos factores que tendremos oportunidad de analizar durante este curso, pero en el fondo la capacidad de un motor para producir trabajo depende de su capacidad para quemar combustible, o sea de la cantidad de aire fresco que es capaz de aspirar, de ahí el interés que tiene su determinación

INDICADORES

Tiene por objeto conocer lo más extenso posible las variaciones y valores de las presiones dentro del cilindro del motor a pistón y se realiza empleando un instrumento llamado “indicador de diagrama” o simplemente “indicador”.

Para velocidades de rotación superiores a las 800 rpm se utilizan otros tipos de indicadores, que pasamos a estudiar y que son los únicos que pueden emplearse con buenos resultados en el estudio de motores rápidos.

MICROINDICADOR “COLLINS”.

El mecanismo registrador de las presiones consiste en un pistón de forma esférica, que se mueve en un cilindro roscado directamente a la cabeza del cilindro del motor.

El pistón por medio de una varilla actúa deformando un resorte de lámina empotrado (cantilever), en cuyo extremo libre lleva la aguja incriptora.

Cuando funciona el motor, la aguja se desplaza verticalmente siguiendo las variaciones de presión, y la hoja de celuloide se desplaza por rotación horizontalmente en forma alternativa, siguiendo los movimientos del pistón.

INDICADOR DE RAYOS CATÓDICOS

En este aparato el brazo indicador esta sustituido por un haz de electrones, eliminándose de este modo, prácticamente, el efecto de la inercia.

El haz usado es de un oscilógrafo a rayos catódicos, en que los electrones emitidos por un cátodo son proyectados contra una pantalla fluorescente por la atracción ejercida por un ánodo perforado, que se mantiene altamente positivo, con respecto al catodo.Los electrones pasan a través de la perforación en el ánodo y chocan con la pantalla fluorescente, que es iluminada en el punto de contacto.

Instituto Politécnico Nacional Esta haz de electrones puede ser enfocado de modo que la zona iluminada de la pantalla sea puntual, y como es sabido, puede ser desviado electrotastica o magnéticamente.

APLICACIÓN DE LOS PROCEDIMIENTOS DE LABORATORIO

Consiste este ensayo en determinar que influencia tiene la velocidad de rotación de un motor sobre el par motor, potencia efectiva y consumo especifico, manteniendo el acelerador del motor totalmente abierto y haciendo variar solamente la velocidad de rotación.

Para ello se pone en marcha el motor colocado en el freno y luego de un cierto periodo de calentamiento de marcha lenta, se comienza a abrir el acelerador del motor con lo que su velocidad de rotación tiende a elevarse. Aumentando el par motor resistente del freno se reduce la velocidad a la mínima de funcionamiento regulador y se continua abriendo el acelerador del motor, con lo que su velocidad crece nuevamente: la reducimos de nuevo con el freno y así sucesivamente hasta tener el motor funcionando frenado a la velocidad mínima de funcionamiento regular y con el acelerador totalmente abierto; sea esto obtenido por ejemplo a una velocidad de rotación de 400 R.P.M.

Tomamos entonces un primer juego de lectura de el par motor en el freno y consumo en el flujometro de combustible, correspondientes a 400 rpm.

Para tomar luego las lecturas correspondientes a 600 rpm debemos permitir al motor que aumente su velocidad de rotación, lo que hacemos actuando sobre el elemento regulador de la cupla resistente del freno hasta que el taquímetro nos indique que la

velocidad de rotación del motor es 600 rpm.

Si bien para permitir que el motor se acelere hemos debido disminuir la cupla resistente del freno, esto no significa que necesariamente cuando el motor alcance a 600 rpm su el par motor será inferior a la que teníamos a 400 rpm.

Obtenida la velocidad de 600 rpm tomamos el juego de lectura de el par motor y consumo pasando luego a 800 rpm en la misma forma ( posición 3 del elemento regulador del freno) y así sucesivamente hasta cubrir la gama de velocidades de operación segura del motor.

Una vez alcanzada la máxima velocidad de funcionamiento seguro del motor y habiendo tomado lectura cada 200 rpm por ejemplo, podemos comenzar a disminuir la velocidad de rotación del motor actuando sobre el elemento regulador

Instituto Politécnico Nacional del freno en sentido contrario o sea aumentando la cupla resistente para reducir la velocidad de rotación del motor,y tomar nuevamente juegos de lectura cada 200 rpm por ejemplo hasta llegar a 400 rpm, donde para parar el motor vamos cerrando gradualmente el acelerador y descargando el freno.

Los valores obtenidos de el par motor y consumo de motor la primera y segunda parte del ensayo, debe ser coincidente o presentar solo ligeras diferencias.

Procedemos a continuación a calcular los valores de la potencia del motor mediante la formula:

Ne: Cm.n o bien Ne: P.n

716.2 K

Mediante el empleo del freno pueden también trazarse las denominadas “curvas de utilización” de los motores, que corresponden a las variaciones de el par motor, potencia y consumo de motor en función de la velocidad, cuando aquel se encuentra vinculado a un cierto sistema de utilización, como ser una hélice aérea o un vehículo terrestre. En tal caso el frenado debe reemplazar al sistema de carga que se utiliza realmente en el motor.

La curva de utilización del motor de aviación puede obtenerse en el freno siguiendo una de las curvas (1)-(2)-(3)y(4) del freno, que en este caso operara con su elemento regulador en posición fija. La variaciones de velocidad y cuplas se obtiene actuando sobre el acelerador del motor.

DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA INDICADA DE UN MOTOR.

Es posible determinar la potencia indicada del motor de varias maneras, las más exactas por medio del indicador de diagramas.

Cuando se tiene el diagrama de funcionamiento del motor trazando en el sistema coordinado P.V.(presión-volumen), se puede determinar por planimetría, la ordenada media del ciclo.

ARRASTRE ELÉCTRICO DE UN MOTOR

Esta prueba denominada en ingles “motoring test”, consiste en hacer girar un motor en condiciones similares a las de funcionamiento pero sin suministro de energía para su funcionamiento.

Instituto Politécnico Nacional Por ejemplo en el caso de un motor a explosión, cortando el suministro de combustible o el encendido. Se emplea para ello un motor eléctrico de corriente continua acoplado al árbol cigüeñal, del motor de ensayo.

La potencia entregada por el motor será igual a la potencia consumida por las resistencias pasivas del motor que denominaremos Nf (potencia de frotamiento).

Se procura que las condiciones en que se encuentra el motor para la motoring test, sean las mismas o muy similares a las de funcionamiento normal.

Para ello se calienta previamente el motor y luego se lo hace girar arrastrado eléctricamente.

PRUEBA DE MORSE

Otro ensayo interesante, que se realiza por medio del freno y es un método simple y exacto de determinar el rendimiento mecánico de un motor, o en otras palabras su potencia indicada (sin descontar la perdidas por frotamiento), consiste en anular sucesivamente y por turno el funcionamiento de cada uno de los cilindros de un motor a pistón, (cortando el encendido por ejemplo).

Se mide la potencia al freno del motor con todos sus cilindros funcionando, a una velocidad, y luego se anulan sucesivamente todos los cilindros, descargando el freno para permitir al motor con un cilindro menos, girar a la velocidad del ensayo, y medimos la potencia del motor con cada uno de los cilindros anulados

CONCLUSIONES

El objetivo principal del presente trabajo es lograr hacer una resolución completa de los problemas que presentan los motores de combustión interna alternativos apoyándose en diferentes pruebas y equipo para la detección de posibles fallas o problemas. El banco de pruebas también va encaminado al mejoramiento de los procesos termodinámicos y mecánicos para obtener una mayor eficiencia del motor y reducir las fallas al mínimo.

Como se sabe, es esencial que el motor aeronáutico no falle y que la vida útil de los componentes sea la mayor posible, para esto es esencial realizar las pruebas correspondientes y utilizar las partes adecuadas ya que de esta forma el motor estará trabajando de forma adecuada sin llegar a la falla; caso contrario con los motores de los automóviles ya que están diseñados para que fallen o necesiten piezas de repuesto en poco tiempo (menor rango de confiabilidad), por lo tanto se vuelve pate del consumismo ya que los estándares de seguridad no son los mismos que en las aeronaves.