INFLUENCIA EN LA GENERACIÓN DE
POTENCIA Y SU COMPORTAMIENTO
TERMODINÁMICO DE UN MOTOR DE
COMBUSTIÓN INTERNA AL MODIFICAR
LA ESTRUCTURA EN LOS PISTONES
AUTORES:
Xavier Orbea
Gabriel Macas
Moisés Mora
Gabriel Cordova
Walter Mora
RESUMEN
En un motor de combustión interna el peso (kg) de sus componentes internos y materiales del cual están fabricados muchas veces limitan las posibilidades de mejorar su funcionalidad que se desea pero no en todos los casos, es por este motivo que se realizará una ligera modificación a los pistones de un MCI determinando el alcance de este, estructuras de fabricación, proporciones, mecanizados de estas partes móviles mediante la investigación cualitativa de carácter analítica y comparativa, cambiando su configuración para nuestra funcionalidad deseada en par y potencia, además de realizar una simulación sistemática mediante gráficas y valores comparativos del motor original frente al motor modificado para así señalar como principal incidencia la mejora que proporciona en este caso el aligerar proporcionalmente las masas del pistón para un motor de combustión interna, con el fin de realizar las debidas modificaciones a esta pieza móvil de alto régimen de funcionalidad y esfuerzos dentro del motor logrando un análisis pertinente de los resultados obtenidos en función de la potencia generada tanto en el motor de serie como el modificado las masas de sus pistones
Palabras claves
Motor de combustión interna, Termodinámica, Potencia
ABSTRACT:
In an internal combustion engine, the weight (kg) of its internal components and materials from which they are manufactured often limit the possibilities of improving its desired functionality but not in all cases, it is for this reason that a slight modification will be made. to the pistons of an MCI determining its scope, manufacturing structures, proportions, machining of these moving parts through qualitative analytical and comparative research, changing its configuration for our desired functionality in torque and power, in addition to performing a simulation systematic by means of graphs and comparative values of the original engine versus the modified engine in order to point out as the main impact the improvement provided in this case by proportionally lightening the piston masses for an internal combustion engine, in order to make the appropriate modifications to this moving part with high functionality and stress regime within of the engine achieving a pertinent analysis of the results obtained as a function of the power generated both in the series engine as well as the modified piston masses
INTRODUCCIÓN
Cuando requerimos más allá de los alcances máximos de nuestro motor en dependencia a lo que nosotros queramos usar, ya sea en cualquier tipo de competición, entonces se plantea el siguiente estado negativo existente:
¿Cómo incide la composición estructural y proporciones de masa del pistón en un motor de combustión interna en su funcionalidad y rendimiento potencial para su posterior uso en competiciones? Ya que la permisibilidad de rendimiento máximo de un motor está en dependencia de la calidad y estructura de sus partes móviles internas y la carencia de propuestas analíticas de modificaciones en este caso del pistón son mayores, por tal motivo se plantea esta problemática en el motor de combustión interna.
La determinación del máximo potencial de un motor es predecible puesto a que las modificaciones y diferentes adaptaciones mecánicas lo permiten, por tal razón la siguiente investigación se fundamentará en el propio análisis teórico y técnico del aligerado de masas del pistón en un MCI, con el fin de determinar el alcance máximo de funcionamiento que mejorará el propio motor en dependencia a las capacidades y propiedades físicas del tipo de pistón al realizar dicho análisis por medio de las pruebas físicas o puesta en marcha del MCI, en otras palabras, con la finalidad de que las medidas proporcionales y cambios de rendimiento que tendrá este motor se podrá obtener una síntesis comparativa de los resultados esperados frente a los que ya tenía el mismo de serie.
En los motores de combustión interna al realizar mecanizados en los diferentes componentes internos del mismo como lo es el pistón, se puede obtener un mejor rendimiento del motor además de mejorar la distribución de las fuerzas que actúan en el mecanismo biela-manivela.
Bajo este marco conceptual, se formuló como objetivo general del estudio: Analizar la estructura de diseño de un pistón en un MCI mediante la investigación para aumentar la potencia con un pistón de mejores prestaciones.
Derivado de este gran objetivo se formularon tres específicos: 1) Determinar el funcionamiento, alcance y propiedades del pistón del MCI mediante el estudio investigativo; 2) Modificar las masas y estructura del pistón de un MCI determinando su alcance máximo de aligerado de peso sin ocasionar fallos.; y 3) Evaluar los resultados que se esperan dentro de los esquemas de funcionamiento del MCI antes y después de la modificación.
2. Metodología
La metodología a efectuar en el proyecto comprende la síntesis analítica para revisar los resultados y datos que se pretende mejorar como lo es el rendimiento y fuerza del motor, para determinar conjuntamente los valores de modificación se realizará con un motor Fiat Uno 1,6 Litros, el cual se tomarán sus datos técnicos que se presentan en la Tabla 1 para su procedente cálculo matemático de su estado dinámico y cinemático.
Además, cabe resaltar que el peso o masa la cual se va a rebajar al pistón será de un 7% a su peso original, estando dentro del rango máximo modificable a esta parte móvil, no se realizarán pruebas de funcionamiento real, más bien se darán las pautas para determinar si este valor proporcional de aligerado es el ideal para este tipo de motor.
La metodología a efectuar en el proyecto comprende la síntesis analítica para revisar los resultados y datos que se pretende mejorar como lo es el rendimiento y fuerza del motor, para determinar conjuntamente los valores de modificación se realizará con un motor Fiat Uno 1,6 Litros, el cual se tomarán sus datos técnicos que se presentan en la Tabla 1 para su procedente cálculo matemático de su estado dinámico y cinemático.
Además, cabe resaltar que el peso o masa la cual se va a rebajar al pistón será de un 7% a su peso original, estando dentro del rango máximo modificable a esta parte móvil, no se realizarán pruebas de funcionamiento real, más bien se darán las pautas para determinar si este valor proporcional de aligerado es el ideal para este tipo de motor.
Datos del motor
| Combustible: | Gasolina | Disposición de cilindros: | En línea |
| Modelo: | Tipo 1.6 litros | Diámetro: | 88.64 mm |
| Potencia máxima: (cv) | 89 | Carrera | 67.4 mm |
| Revoluciones Potencia máxima: (rpm) | 6000 | N° válvulas: | 8 |
| Torque máximo: (Nm) | 138 | Cilindrada: | 1580 cc |
| Revoluciones Torque máximo: (rpm) | 3000 | Alimentación: | Carburador Weber 32/34 TLDE |
| Ubicación: | Delantero transversal | Relación de compresión: | 9,2:1 |
| N° cilindros: | 4 | Árbol de levas: | 1 a la cabeza |
| masa del pistón. | 0.26 Kg | Masa de la biela: | 0,68 Kg |
| Posición angular: | 43° | Lo: | 40 mm |
| Presión del cilindro: | 98,21 N/cm2 | Longitud de la biela: | 122,4 mm |
Tabla 1: Ficha técnica del motor Fiat 1 cilindrada 1600 cc (Monkey Motor, 2019)
CÁLCULOS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR
Velocidad instantánea del pistón:
Velocidad media del pistón:
$$ Vm=\frac{s*n}{30} $$ $$ Vm=\frac{67.4*3000}{30} $$ $$ Vm=6.74\frac{m}{s} $$Aceleración del pistón
$$ a=\frac{(\frac{π*n}{30})^2*r}{1000}(cosα+\frac{λ}{2}cos2α) $$ $$ a=\frac{(\frac{π*3000}{30})^2*33.7}{1000} $$ $$ a=2497.49 m/s^2 $$Fuerza de los gases:
$$ FG=Po*A $$ $$ FG=98.21 N/cm^2*(\frac{π*(8.64cm)^2}{4}) $$ $$ FG=5768.02 N $$Fuerza de las masas:
$$ Fm=ma*a $$ $$ ma=mp+\frac{mb*Lo}{L} $$ $$ Fm=(mp+\frac{mb*Lo}{L})*a $$ $$ Fm=(0.26kg+\frac{0.68kg*40mm}{122.4mm})*2497.49m/s^2 $$ $$ Fm=1204.35 N $$Fuerza tangencial:
$$ Ft=FG-Fm $$ $$ Ft=5758.02-1204.35N $$ $$ FT=4553.67 N $$Fuerza de biela:
$$ Fb=\frac{Ft}{cosα} $$ $$ Fb=\frac{4553.67N}{cos43} $$ $$ Fb=6226.35N $$Fuerza tangencial de la biela:
$$ Ftg=Fb*sen(α+β) $$ $$ Ftg=6226.35N*sen(43°+(sen^{-1}(0.28*sen43°))) $$ $$ Ftg=5037.78N $$Par motor:
$$ Mo=Ftg*r $$ $$ Mo=5037.78\frac{N*33.7}{1000} $$ $$ Mo=169.77 Nm $$Potencia del motor
$$ Po=Mo*w $$ $$ Po=169.77\frac{Nm*π*3000}{30} $$ $$ Po=53334.82\frac{w*1Hp}{746w} $$ $$ Po=71.49Hp $$Estos valores de dieron con los datos antes de la modificación o trucado del pistón, ahora suponiendo que reduciremos un 7% del peso a los pistones es decir de 0,26 kg pasaron a 0,24 Kg obtendremos los siguientes valores:
Fuerza de las masas:
$$ Fm=ma*a $$ $$ ma=mp+\frac{mb*Lo}{L} $$ $$ Fm=(mp+\frac{mb*Lo}{L})*a $$ $$ Fm=(0.24kg+\frac{068kg*40mm}{122.4mm})*2497.49 \frac{m}{s^2} $$ $$ Fm=1154.40N $$Fuerza tangencial:
$$ Ft=FG-Fm $$ $$ Ft=5768.02-1154.40N $$ $$ FT=4603.62N $$Fuerza de la biela:
$$ Fb=\frac{Ft}{cosα} $$ $$ Fb=\frac{4603.62N}{cos43} $$ $$ Fb=6294.66N $$Fuerza tangencial de la biela
$$ Ftg=Fb*sen(α+β) $$ $$ Ftg=6294.42N*sen(43+(sen^{-1}(0.28*sen43))) $$ $$ Ftg=6109.42N $$Par motor:
$$ Mo=Ftg*r $$ $$ Mo=6109.42\frac{N+33.7}{1000} $$ $$ Mo=205.89Nm $$Potencia del motor:
$$ Po=Mo*w $$ $$ Po=205.89\frac{Nm*π*3000}{30} $$ $$ Po=64682.25\frac{w*1Hp}{746w} $$ $$ Po=86.71 Hp $$2. RESULTADOS
Análisis de resultados
Tabla comparativa de los resultados pre y post al realizar el aligerado de masas en el pistón.
| PARAMETROS | MOTOR ORIGINAL | MOTOR TRUCADO |
|---|---|---|
| Fuerza de los gases | 5758,02 N | 5758,02 N |
| Fuerza de las masas | 1204,35 N | 1154,40 N |
| Fuerza total | 4553,57 N | 4302,62 N |
| Fuerza de la biela | 6226,35 N | 6294,66 N |
| Fuerza tangencial | 5037,78 N | 6109,42 N |
| Par motor | 169,77 Nm | 205,89 Nm |
| Potencia | 71,49 Hp | 86,71 Hp |
Tabla 2: Resultados antes y después de realizar el trucaje al pistón.
Como pudimos observar en los resultados finales de la Tabla 2 se estableció que al reducir considerablemente el 7% de la masa del pistón obtendremos un valor potencialmente mayor con respecto al par motor y la potencia, además de todas fuerzas actuantes el análisis dinámico del motor como lo fueron las fuerzas de las masas, fuerza de la biela y tangencial aumentaron considerablemente su rendimiento.
Según los datos obtenidos mediante esta investigación, se puede observar que la fuerza de los gases no varía esto se debe a que no se modifica el cilindro ni los conductos por donde ingresar los mismos por lo que los gases que se producen dentro van ser los mismos tanto antes como después de realizar la modificación del pistón.
En cuanto a la fuerza de las masas vemos que sí varían, esto se debe a las modificaciones que se realizaron en el pistón, es decir que si disminuimos el peso de dicho componente por ende vamos a reducir la fuerza que este posee.
Además, tenemos la fuerza de la biela en la cual se puede observar que en los datos obtenidos al realizar las modificaciones correspondientes es notable el incremento de fuerza. Al igual en la fuerza tangencial también se evidencia que esta aumenta, esto se da por la disminución de peso del pistón.
En cuanto al par motor, que es la fuerza aplicada a una distancia, según los datos al realizar las modificaciones esta aumenta considerablemente, por lo que podemos decir, que la fuerza que ejerce la explosión o combustión al pistón para que baje y haga girar al cigüeñal ahora va ser mayor a la que se consigue con un pistón estándar.
Con todo lo dicho anteriormente comprobamos que al aligerar las masas del pistón de un motor generalmente a gasolina mejoramos gradualmente todos los parámetros requeridos para el trucaje del motor en este caso del propio pistón. Además, señalando que si se reduce un poco la masa de la biela obtendremos un mejor estado en el mecanismo biela-manivela, pero en este proyecto solo nos enfocamos en el trucaje del pistón.
EVALUACION DE RENDIMIENTO
En este contexto se evaluará y aprobará la mejora proporcional de rendimiento y fuerza del motor Fiat 1 si aligeramos las masas de los pistones, como es consecuente se determinaron los valores comparativos con el motor original y el motor trucado.
El par motor de este automotor en su esfuerzo máximo calculado con sus valores originales es de 169,77 Nm a 3000 revoluciones de torque máximo entonces mediante una regla de valores determinamos los siguientes valores que muestra la siguiente tabla.
| RPM | PAR MOTOR STANDART | PAR MOTOR TRUCADO |
|---|---|---|
| 750 | 42,44 Nm | 51,47 Nm |
| 1500 | 84,89 Nm | 102,95 Nm |
| 2000 | 113,18 Nm | 137,26 Nm |
| 2700 | 152,79 Nm | 185,30 Nm |
| 3000 | 169,77 Nm | 205,89 Nm |
Tabla 3: Valores de fuerza del motor original y trucado
Imagen 3. Gráfica de Fuerza del motor Fiat 1 originales y trucado
Como se observa en la Imagen 3 se presenta que al aligerar un 7% las masas de los pistones del motor de un Fiat 1 ganamos considerablemente un 21,28 % de par motor, de 169,77 Nm aumentamos a 205,89 Nm a 3000 revoluciones en torque máxima con respecto a los valores originales, por lo que podemos decir que este estudio y análisis cuantitativo en fuerza da resultados óptimos para mejorar las condiciones de Par motor en este automotor.
La potencia máxima de este automotor calculado con sus valores originales es de 71,59 Hp a 6000 revoluciones de potencia máxima según el manual de fabricante, que sus valores se pueden observar en la Tabla 1, entonces mediante una regla de valores determinamos los siguientes valores que muestra la siguiente tabla.
| RPM | POTENCIA MOTOR STANDART | POTENCIA MOTOR TRUCADO |
|---|---|---|
| 750 | 8,95 Hp | 10,84 Hp |
| 2000 | 23,86 Hp | 28,90 Hp |
| 3500 | 41,76 Hp | 50,58 Hp |
| 5000 | 59,66 Hp | 72,26 Hp |
| 6000 | 71,59 Hp | 86,71 Hp |
Tabla 4: Valores de potencia del motor original y trucado
Imagen 4. Gráfica de potencia del motor Fiat 1 originales y trucado
Como es de notar en la anterior imagen tenemos que al reducir o aligerar las masas de los pistones del motor de un Fiat 1 ganamos un 21,28 % de potencia que es proporcional al valor de la fuerza que se demostró anteriormente, por lo que a valores originales obtuvimos un 71,59 Hp frente a los 86,71 Hp que ganamos a 6000 revoluciones máxima de potencia según el fabricante, todo esto realizando las modificaciones debidas en el pistón obteniendo los resultados esperados en la propuesta y objetivos del proyecto
3. CONCLUSIONES
Para aprovechar el máximo potencial de un motor de combustión interna al realizar las modificaciones en la estructura de un pistón debemos tener en cuenta las capacidades, físicas de dicho pistón, así como sus dimensiones para estimar los cálculos y ver las posibilidades de disminución aligeramiento de masas en el tenemos diferentes tipos de pistones como diésel y gasolina.
En los pistones podemos hacer recortes en falda recortes de internos en la cabeza para obtener el mínimo peso posible y una resistencia máxima al desgaste para así mantener todo en equilibrio, una vez esto empezará el proceso de mecanizado y así tener la dimensión de profundidad que se va a mecanizar en las diferentes zonas el pistón, hasta llegar a la forma definitiva, una vez comprobado el peso determinado por el cálculo el pistón, estará listo para su ensamble.
Con el incremento de Potencia se tendrá a cambio un incremento del consumo de combustible el desgaste de las partes móviles internas podría ser mayor que en condiciones estándar; no obstante, es de suprema importancia utilizar pistones de buena calidad y resistencia al desgaste prematuro en condiciones de funcionamiento elevadas a las de su normal rendimiento, esto con el fin de asegurar y proporcionar un motor de larga durabilidad.
Finalmente, mediante la realización de las simulaciones cuantitativas se pudo obtener un análisis crítico esperado, ya que se comprobó que al realizar un aligerado de las masas de los pistones de un motor en consideración, ganamos fuerza y potencia como resultado de una buena funcionalidad del propio motor y aprovechar su capacidad al máximo.
4. RECOMENDACIONES
Siempre tomar en cuenta el alcance máximo de aligerado de los componentes del motor de combustión interna, antes de realizar cualquier tipo de aligerado de sus componentes.
Es recomendable analizar los resultados finales en comparación de los valores antes del trucaje del motor para determinar si este motor estaría apto o no a estas nuevas estimaciones de funcionamiento, caso contrario se generarían sobrecalentamientos en los componentes internos y echaremos a perder todo el motor.
Estas desventajas y otras, que se suponen tendrán el motor modificado, deberían ser analizadas también, para compararlas contra los resultados que se pueden obtener.
BIBLIOGRAFÍA
- N. Cadena. (2017). Daños de pistones, Detección y reparación. Neuenstadt am Kocher, Alemania. Automóvil. Barcelona: MarCombo.
- Garcia, M. (Abril de 2018). prueba de ruta. Obtenido de https://www.pruebaderuta.com/datos-importantes-acerca-del-piston.php
- García & E. Cendales. (2014). Motores de combustión interna (MCI). Ciencia e Ingeniería Neogranadina, vol. 26, núm. 1, 2016. Universidad Militar Nueva Granada, España.
- Sánchez Camarco, E. (2010). Cálculo y diseño de un pistón de aluminio. México D.F.: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Instituto Politécnico Nacional