Motores de Combustin InternaSistema de Enfriamiento de un motorEstudiantes de Ingeniera Mecnica

NDICE

INTRODUCCIN21. OBJETIVOS DEL PROYECTO22. MARCO TERICO23. RESUMEN44. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA45. ESQUEMA CINEMTICO DEL MECANISMO56. DISEO DE LA LEVA DE PLACA PLANA57. CLCULOS REPRESENTATIVOS (SOLUCIN DEL PROBLEMA)68. ANLISIS DE RESULTADO DEL DISEO DE LEVA.. .9 8.1 ANLISIS DE FUNCIN CICLOIDAL...... 9 8.2 ANLISIS DE EXCENTRICIDAD..... 14 8.3 ANLISIS DE FUNCIONES....... 169. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES..... 1710. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS Y DIGITALES..... 1711. ANEXOS....... 18

RESUMENEn el proyecto se describirn principios bsicos y conocimientos adquiridos en motores de combustin interna aplicados en el sistema de enfriamiento. Se considerarn los conceptos termodinmicos. Se analizar los componentes del sistema, as como su respectivo funcionamiento. Tambin se mostrar una aplicacin del mismo y ciertas consideraciones termodinmicas.

INTRODUCCINEl rendimiento de un Motor de Combustin Interna (MCI) est asociado a su capacidad para convertir el total de la energa suministrada por la combustin en trabajo til.Para elevar el rendimiento trmico del motor es ideal operarlo a temperaturas lo ms elevadas posible, pero hay una limitantes como los materiales (resistencia trmica o punto de fusin), lo cual se hace necesario que haya una buena remocin de calor para un mejor desempeo del mismo y as prevenir fallas debido a la fatiga trmica.Larefrigeracin en motores de combustin internaes necesaria para eliminar el calor generado por la quema del combustible (superior a 2000C), y no transformado en energa mecnica, durante el funcionamiento de stos. La principal funcin de la refrigeracin es mantener todos los componentes dentro del rango de temperaturas de diseo del motor evitando su destruccin por deformacin y agarrotamiento.

1. OBJETIVOS DEL PROYECTO

Comprender las funciones del sistema de enfriamiento. Analizar los componentes del sistema de enfriamiento as como sus funciones. Aplicar conceptos termodinmicos.

2. MARCO TERICOEl calor en el motor se desarrolla por la compresin de aire en el cilindro, la combustin y por la friccin de las partes mviles. Cada vez que la temperatura del motor sea mayor a los alrededores habr la tendencia del flujo de calor desde el motor.

Figura 1. Esquema General del sistema de enfriamiento

Existen diferentes denominaciones que hacen referencia al sistema principal aunque en realidad en todo motor participan, en diferente medida, varios sistemas simultneamente. Estos seran los principales:Por agua (portermosifno por circulacin forzada), por aire (el de la marcha o forzado con ventilador), mixta y por aceite.El nivel del estado trmico del motor puede garantizarse de manera indefinida slo si el calor Qr, resultado de la combustin y transferido a las paredes de la cmara de combustin y el generado por la friccin de los componentes mecnicos, puede disiparse a un sistema de enfriamiento o sistema recuperador de energa a la misma velocidad de su generacin. El calor que debe disiparse al sistema de enfriamiento es funcin del rgimen de velocidad y del rgimen de carga del motor, lo que hace necesario que el sistema disipador o recuperador de energa deba tener suficiente capacidad de respuesta, acorde con la variacin de esos mismos regmenes. En general, el calor disipado o recuperado puede determinarse por la expresin (1):

Donde C es el calor especfico del sistema de enfriamiento, G es el caudal del lquido de enfriamiento por unidad de tiempo, Ts es la temperatura del agua a la salida del motor, Ten es la temperatura del agua a la entrada del motor. El calor especfico reducido para fines prcticos puede hallarse como C = Cl*Gl + Cm*Gm, siendo Cl y Cm los calores especficos del lquido y del metal y, Gl y Gm las masas del lquido y del metal que participan en la acumulacin de calor, respectivamente.

El calor puede ser transferido por conduccin, conveccin y radiacin. En el motor ocurren los tres tipos. Desde el motor la transferencia de calor ocurre principalmente por conveccin en el evento de descarga.En el motor aproximadamente 1/3 del calor disipado del combustible es transferido como trabajo til, un 30% es perdido en los gases de descarga y otro 30% se pierde por el agua de enfriamiento.El calor perdido por los gases y por radiacin depende de la carga del motor y no puede ser controlada directamente

3. COMPOSICIN GENERAL DE UN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

Figura 2. Composicin general de un sistema de enfriamiento.

En la figura 2 se presenta un esquema general de un sistema de enfriamiento de motor, el cual consta de: 1-Motor, 2-Radiador, 3-Bomba, 4-Accionamiento del ventilador, 5-Ventilador, 6-Termostato, 7-Caja de agua, 8-Tanque de expansin o desgasificador, 9-Calentador del habitculos, 10-Intercambiador de calor de los gases de escape, 11-Persianas de control del flujo de aire. Dentro del motor puede encontrarse adicionalmente un enfriador del aceite del motor y un intercambiador de tubos aceite-agua.

4. MODELADO DEL PROCESO DE ENFRIAMIENTO DEL MOTORUn modelo sencillo que permite analizar la evolucin de la temperatura del motor est dado por:

Donde Qi es la cantidad de calor que recibe el sistema de enfriamiento por parte del motor, Qr es la cantidad de calor evacuada por el sistema de enfriamiento a travs del radiador y los elementos recuperadores o aprovechadores de energa.

5. ANLISIS DE CADA COMPONENTE DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTORADIADOREst situado generalmente en la parte delantera del vehculo, de forma que reciba directamente el paso de aire a travs de sus paneles y aletas refrigerantes durante el desplazamiento del mismo y donde se enfra el agua procedente del motor.En el radiador el calor es retirado por el aire que pasa por el a travs de l. En los vehculos el aire es aspirado por el ventilador y asistido por el movimiento del carro. El rendimiento del radiador depende de la velocidad del aire y del agua. Si se incrementa la cantidad ya sea de aire o agua se eleva el coeficiente de transferencia de calor.El radiador est formado por dos depsitos, uno superior y otro inferior, unidos entre si por una serie de tubos finos rodeados por numerosas aletas de refrigeracin, o por una serie de paletas en forma de nidos de abeja que aumentan la superficie radiante de calor. Tanto los tubos y aletas como los paneles se fabrican en aleacin ligera generalmente de latn, facilitando, con su mayorconductibilidadtrmica, la rpida evacuacin de calor a la atmsfera.

Anlisis Termodinmico del RadiadorEl radiador es generalmente un intercambiador de calor de flujo cruzado destinado a transmitir el calor del lquido enfriador al aire circundante. El clculo del radiador se efecta en el siguiente orden:

Se determina la cantidad de calor Ql [kw] disipada a travs del sistema de enfriamiento durante el trabajo del motor en el rgimen de potencia nominal:

Donde ql es la entrega relativa de calor al sistema de enfriamiento, Hi es el poder calorfico del combustible y Gc es el flujo msico de combustible. La cantidad de calor evacuada del motor a travs del lquido enfriador QlC, se toma igual a la cantidad de calor transmitida al aire circundante Qaire y es equivalente a: QlC =Qaire= kc Ql =1,1 Ql..

El caudal del aire [m3/s] que pasa a travs del radiador est dada por:

Donde Caire es el calor especfico medio del aire, aire es la densidad del aire y T es el incremento de temperatura del aire que fluye en el radiador. El caudal de aire en [m3/s] para motores a gasolina es (0,03...0,055)Ne y para los motores Diesel es (0,015...0,04)Ne [1].

El caudal de circulacin [L/s] del lquido enfriador que pasa a travs del radiador es:

Donde Cl es el calor especfico del lquido refrigerante, 1 es la densidad del lquido enfriador y, Tl = Tent-Tlsal = 6...12 C es la disminucin de temperatura del lquido de enfriamiento al fluir por el radiador. El valor ptimo de la temperatura Tent se toma en el rango 80...95C.

1. La temperatura media del lquido en el radiador Tlm es:

2. La temperatura media del aire Taire_m que pasa a travs del radiador:

La temperatura del aire a la entrada del radiador Taire_ent se toma como 40C.

VENTILADORAdosado generalmente a la polea de la bomba, que activa el paso de aire a travs del radiador. El rotor tiene cuatro o seis aspas inclinadas convenientemente para la aspiracin del aire y est fabricado en chapa o plstico duro.En muchos diseos el ventilador es movido por un motor elctrico. ste motor es comandando por un termostato que se encuentra en el bloque de cilindro o en la culata en contacto con el agua, de tal manera que al alcanzar sta un temperatura determinada, cierra el circuito elctrico poniendo en marcha el motor y el ventilador.

Anlisis Termodinmico del Ventilador

El ventilador se instala en los sistemas de enfriamiento, junto con el enfocador, para crear un flujo forzado de aire, que pase a travs del panel del radiador. Al seleccionar el ventilador deben conocerse la presin del aire creada por ste, pai [Pa] y el caudal de aire Vaire [m3/s]. La velocidad circular del aspa del ventilador [m/s] en su dimetro exterior es:

Donde a es un coeficiente que depende de la forma de las aspas: a=2,2...2,9 para aspas curvilneas, a=2,8...3,5 para aspas planas, pai=600-1000 [Pa] (es determinada por la resistencia aerodinmica del ducto de aire). Partiendo de premisas de carcter acstico se toma u 110 [m/s]. El dimetro del ventilador [m] es:

Donde Vaire es el caudal del ventilador, determinado por la ecuacin (8) si el sistema de enfriamiento es lquido, vaire es la velocidad de clculo del aire en el rotor. En los ductos de aire esta velocidad depende de la relacin del rea "de seccin viva" del crculo descrito por las aspas del ventilador, sobre la superficie frontal del radiador; esta relacin se puede tomar igual a 0,45...0,6 con lo que vaire=13...40 [m/s].

BOMBA CENTRFUGASe halla instalada en el bloque del motor y es movida directamente por la polea delcigeal, a travs de una transmisin por correatrapezoidal. Dicha bomba aspira el agua del radiador y la hace circular por el interior del bloque y la culata para refrigerar los cilindros y la cmara de combustin.La bomba est formadas por una carcasa de aleacin ligera o de fundicin (en los motores ms antiguos), unida al bloque del motor con interposicin de una junta de cartn amiantopara hacer estanca la unin. En el interior de la misma se mueve unaturbinade aletas unida al rbol de mando de la bomba, el cual se apoya sobre la carcasa por medio de uno o doscojinetesde bolas, con un retn acoplado al rbol para evitar fugas de agua a travs del mismo. En el otro extremo del rbol va montado un cubo al cual se une la polea de mando, y el ventilador.

La presin necesaria para hacer circular el agua se obtiene de la bomba. Las bombas centrfugas operan de 1200-3500 RPM.

TANQUE DE EXPANSINEl agua en el sistema de enfriamiento se expande al aumentar su temperatura y el exceso de agua se almacena en el tanque de expansin. Este tanque se localiza en el punto ms alto del sistema, lo que permite mantener una presin constante en el sistema lo que ayuda a evitar la formacin de sacos de aire y ayuda a compensar el agua del sistema que se pierde por evaporacin o fugas. El tamao del tanque depende de la capacidad de agua de todo el sistema incluyendo el espacio de la chaqueta. El volumen del tanque no debe ser menor que el 5% de la capacidad total de agua para permitir la expansin del agua desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de operacin cuando sale del motor.

INTERCAMBIADOR DE CALORSe usa un intercambiador de calor del tipo tubo carcasa. El agua de enfriamiento fluye dentro de los tubos mientras que el agua no tratada por la carcasa que tiene unos deflectores para dirigir el flujo en diferente direccin y as permitir que toda la longitud del tubo est en contacto con el lquido de enfriamiento. La presin del agua no tratada debe ser menor que la que fluye dentro de los tubos.

CONTROLES Termmetros. Reguladores. Alarma. Parada Automtica. Manmetros.

6. DISEO DE LA LEVA DE PLACA PLANASe debe tener en cuenta que para el diseo de la leva se debe saber escoger las curvas de desplazamiento o de temporizacin, esto tomando en cuenta la Ley fundamental del diseo de levas, la cual indica que:La ecuacin de posicin del seguidor (Y = s) debe ser continua durante todo el ciclo. Adems, la primera y segunda derivadas de la ecuacin de posicin tambin deben ser continuas, Y = v y Y = a respectivamente. La tercera derivada de esta ecuacin (Y = J) no necesariamente debe ser continua, pero sus discontinuidades deben ser finitas.Si nos basamos en estas condiciones se evitarn futuros cambios bruscos en el movimiento de la leva-seguidor lo que conduce a choques o agitaciones innecesarias entre ambos elementos y el sistema en general.

Primero se decide utilizar la placa plana con seguidor de rodillo. Como segundo punto se selecciona el rodillo de acuerdo al tamao de la leva. Esto es muy importante para el diseo, ya que si se escoge con coherencia se evita futuros incovenientes.Otro parmetro importante para el diseo es el ngulo de presin, ya que si se pasa del lmite este mecanismo tender a tener vibraciones. Se lo puede mejorar variando la leva o cambiando las funciones. Para nuestro diseo no hay excentricidad. Se asumir el dimetro del rodillo de acuerdo a las condiciones antes mencionadas.

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