NOCIONES ELEMENTALES - POTENCIA
CICLO
Se llama ciclo a una serie de transformaciones que conducen un cuerpo de un estado inicial a otro estado final.
Cuando el estado inicial del cuerpo coincide con el estado final, se llama ciclo cerrado.
Cuando el estado inicial del cuerpo no coincide con el estado final, se llama ciclo abierto.
Un ciclo se puede representar gráficamente en un sistema de ejes ortogonales, presión y volumen; allí se indican las series de transformaciones que sufre para pasar de un estado a otro. Cuando las transformaciones del ciclo son todas reversibles, el ciclo se dice que es reversible o perfecto. Si algunas de las transformaciones no son reversibles, el ciclo se dice que es irreversible o imperfecto.
De lo antedicho, aplicado al motor a explosión, decimos: Ciclo de funcionamiento de un motor a explosión es el conjunto de operaciones a que se debe someter la mezcla con que se alimenta para obtener la transformación de la energía térmica (que da el combustible) en energía mecánica (que obtenemos en el eje cigüeñal).
FUERZA
La experiencia diaria demuestra que, gracias a determinados esfuerzos musculares, el hombre se mueve o pone también en movimiento los objetos que lo rodean; así, levanta un libro, arroja una pelota, mueve una silla, etc.
Cuando se ve mover algún objeto que no tiene vida propia, no se duda de la existencia de una causa exterior que produce dicho movimiento. Esa causa exterior se denomina fuerza.
De lo dicho sacamos la definición: Fuerza es todo aquello capaz de producir el movimiento de los cuerpos.
La presión de la mezcla quemada contra la cabeza del pistón, por ejemplo, es una fuerza.
La fuerza se mide convencionalmente en kilos.
Al producirse la explosión de la mezcla dentro del cilindro de un motor, hemos hablado de una presión que en el sistema métrico que está convenido usar en nuestro país, se expresa en kilos por centímetro cuadrado (Kg/cm2 ).
Conociendo la presión por cm2 , es fácil calcular la fuerza total sobre el pistón; basta para ello calcular la superficie útil del pistón.
Ejemplo: Presión interior: 5 Kg/cm2
Superficie pistón: 100 cm2
La fuerza total de empuje será: F =5 x 100 =500 kilos.
TRABAJO
Cuando una fuerza desplaza un cuerpo, produce trabajo.
En consecuencia, trabajo es el producto de la fuerza por espacio; se mide en kilográmetros, y se expresa: 'I' =F X e.
El kilográmetro es el trabajo necesario para elevar un peso de un kilo a un metro de altura, y se abrevia Kgm.
Ejemplo : Para elevar un hombre de 75 kilos a 2 metros de altura, debe efectuarse un trabajo de:
T =F x e =75 X 2 = 150 Kilográmetros.
POTENCIA
Potencia es la cantidad de trabajo efectuado en la unidad de tiempo.
Si analizamos detenidamente la definición de potencia, vemos que es la medida de la velocidad con que se efectúa el trabajo.
Mientras que el trabajo es el producto de fuerza por espacio (T= F x e), la potencia es el producto de una fuerza por el espacio recorrido en un segundo; pero la distancia recorrida en un segundo es la velocidad, de manera que potencia es fuerza por velocidad.
Como la unidad de trabajo es el kilográmetro, la unidad de potencia sería kilográmetro sobre segundo; pero en la práctica la unidad de potencia que se emplea es el caballo de vapor (C. V.).
Mediante experiencias prácticas se determinó que un caballo de vigor excepcional puede elevar un cuerpo de 75 kilos a una velocidad de un metro por segundo.
En consecuencia, todo motor capaz de ejecutar un trabajo de 75 Kilográmetros por segundo, tiene la potencia de un caballo de vapor (1 C. V.).
De aquí se saca en conclusión que si sabemos el trabajo que ejecuta un motor en un segundo, es fácil saber la potencia desarrollada, pues solo hace falta dividir por 75.
Dentro de la denominación de potencia tenemos tres subdivisiones, que son: Potencia teórica, Potencia indicada y Potencia efectiva.
Potencia teórica de un motor es la potencia que desarrollaría si se transformase íntegramente la energía térmica contenida en el combustible, en energía mecánica ; es decir , si la transformación de energía se efectuara sin pérdidas.
Potencia indicada es aquella que se calcula mediante el diagrama práctico obtenido con el indicador.
Las fórmulas que se aplican, son las siguientes:
siendo:
C. Vi = Potencia indicada, en C. V.
pi = Presión media obtenida por el diagrama, en Kg/cm2 •
D = Diámetro del cilindro, en centímetros.
C = Carrera del pistón, en centímetros.
n = Vueltas por minuto del motor, en el momento de obtener el diagrama.
Para motores de doble efecto se debe reemplazarse en las fórmulas por 2 n.
Potencia efectiva es el trabajo efectivo en un segundo que se obtiene concentrado en el extremo del eje cigüeñal.
Es fácil comprender que la potencia efectiva es menor que la indicada, por cuanto en el extremo del eje cigüeñal obtenemos la potencia utilizable después de haber restado de la indicada todas las pérdidas que se producen por una u otra causa dentro del funcionamiento del motor.
Para conocer la potencia efectiva de un motor, entre uno de los tantos elementos de que se dispone, está el freno por fricción.
NOTA: Se usa también frecuentemente como unidad de potencia el H. P. (abreviatura de la palabra inglesa Horse Power ). Esta unidad inglesa equivale al trabajo necesario para elevar un peso de 33.000 libras inglesas (14.968 kilos) a 12 pulgadas (un pie) de altura (0,3048. metro) en un minuto.
En unidades métricas , esto equivale a una potencia de:
14.968 x 0,3048 = 4.562 kilográmetros por minuto.
El trabajo por segundo es 60 veces menor.
4.500 --= 76kgm. 60
Como se ve, entre el C. V. y el H. P. hay la diferencia de una unidad; por eso debe cuidarse al expresar la potencia en C. V. o en H. P.
PRINCIPIO DEL FRENO COMO ELEMENTO DEL CALCULO PARA LA POTENCIA
El más común de los frenos por fricción que se emplea para determinar la potencia efectiva de un motor, es el llamado Freno de Prony. Su principio de funcionamiento se basa en establecer un equilibrio entre el par motor a determinar (motor) y otro par del cual se conoce la intensidad (freno).
Está construido de la siguiente forma (fig. 2):
Un collar formado por una lámina o cinta de acero G. C. H. abraza, interponiéndole ta cos de madera Y, a la parte superior del vo lante A, manchón o polea fija al eje cigüeñal del motor en prueba.
Dos tornillos atraviesan la palanca D, y llevan en sus extremos las tuercas E. E', que sirven para ajustar contra el volante los tacos de madera Y y la zapata B, colocada en la parte inferior.
La palanca D está equilibrada por el contrapeso Q; y cuando las tuercas E.E' (que aprietan el collar) están flojas, el freno no soporta ningún esfuerzo, y por consecuen cia, debe permanecer horizontal; es decir, en equilibrio.
La palanca D lleva en el extremo N una lámina de hierro curvada en arco NK de cen tro O. Esta disposición permite que el brazo de palanca LOK de la fuerza P permanezca constante, pues ella impide la variación de la distancia del centro O a cualquier punto del arco KN.
El platillo M, suspendido de K por un en lace flexible, sirve para recibir pesos P.
Los topes T. T. tienen por objeto limitar el movimiento de la palanca D.
FUNCIONAMIENTO DEL FRENO DE "PRONY"
Para utilizar el freno se empieza por independizar el motor de todas las resistencias exteriores; se aplica el treno en el extremo del eje cigüeñal, y luego se comprueba ei equilibrio de la palanca D. Hecho esto, se carga el platillo M con un cierto número de pesas; se pone el motor en marcha, y después se van apretando progresivamente las tuercas E. E', hasta que el motor adquiera la velocidad deseada. Se carga entonces el platillo o se quitan pesas hasta que el conjunto del aparato quede en equilibrio; es decir, hasta que la palanca D quede horizontal, y por lo tanto sin apoyar en los topes T. T.
En estas condiciones el freno nos da la medida directa del par motor.
Si L es la distancia entre los dos planos verticales que pasan, uno por el eje cigüeñal del motor y el otro por el punto de donde está suspendido el peso P, el par motor tendrá por valor P x L.
Expresaremos ahora este par motor en función del trabajo que está desarrollando el motor .
Sea F la fuerza de frotamiento (desconocida) aplicada en la periferia de radio r; el par motor será entonces igual a: F x r, de donde tenemos que:
Conociendo F, resultará fácil determinar la potencia del motor; para ello bastará calcu lar el trabajo de esta fuerza durante un se gundo.
Si el motor gira a n vueltas por minuto, un punto cualquiera del volante recorre un espacio en un segundo igual a :
Pero el trabajo de la fuerza F en un se gundo nos da la potencia efectiva del motor; luego:
o, lo que es lo mismo:
Kilográmetros por segundo, que expresada en C. V., nos queda:
RENDIMIENTOS
A continuación se dan únicamente las de finiciones de los distintos rendimientos que interesan a los motores.
A) Rendimiento térmico
Llámase rendimiento térmico a la comparación entre la cantidad de calor transfor mado en trabajo y la cantidad de calor su ministrado por el combustible consumido .
Llámase rendimiento térmico teórico aquel que resulta de calcular matemáticamente, en base al diagrama teórico, la relación que existe entre la cantidad de calor que se recibirá del motor en forma de trabajo y la cantidad de calor que se entregaría al motor en forma de combustible.
Llámase rendimiento térmico indicado aquel que resulta de calcular matemáticamente, en base al diagrama real obtenido del motor, la cantidad de calor recibido del motor en forma de trabajo y la cantidad de calor que se entregó al motor en forma de combustible.
B) Rendimiento de calidad
Llámase rendimiento de calidad a la rela ción que existe entre el rendimiento térmico indicado y el rendimiento térmico teórico.
C) Rendimiento mecánico
Llámase rendimiento mecánico a la relación que existe entre el trabajo obtenido y el trabajo perdido como consecuencia de las resistencias internas propias del motor.
D) Rendimiento económico
Llámase rendimiento económico al producto de multiplicar los rendimientos térmicos, de calidad y mecánico.
E) Rendimiento volumétrico
Llámase rendimiento volumétrico de la cilindrada de un motor a cuatro tiempos, a la relación entre el volumen de mezcla que ha entrado en el cilindro durante el período de aspiración y el volumen de mezcla que debería entrar en igual período, pero a la presión atmosférica de 760 mm.
En este rendimiento influyen varios factores : construcción del motor, sistema de distribución, velocidad del pistón, superficie de los orificios de aspiración y escape, ca rrera de las válvulas de aspiración y escape, si el motor es a 2 ó 4 tiempos, altura del motor sobre el nivel del mar y lugar donde está instalado el motor.
F) Rendimiento gravimétrico
Llámase rendimiento gravimétrico a la relación entre el peso de la mezcla efectiva mente admitida por el cilindro y el peso de la mezcla que correspondería admitir para ese mismo volumen de cilindrada en condiciones normales.
NOTA: Para que se conozca la forma como se pierde la energía calorífica del combustible quemado en el cilindro, se dan los siguientes datos:
30 % se pierde de calor en el agua de en friamiento.
40 % se pierde en los gases de escape. 2 % lo absorbe la instalación eléctrica.
4 % se pierde por el rozamiento mecánico interno del motor. Disponible en el eje cigüeñal, 24 % .
4 % se pierde por rozamiento en embrague, cambio, transmisión, etc.
5 % se pierde por rendimiento de propulsión.
Disponible: 15 % para vencer las fuerzas de rozamiento, resistencia del aire, etc., que se oponen a la marcha del vehículo.
DEFINICIONES
Diámetro del cilindro es la medida interior de la parte cilíndrica donde se desliza el pistón en su movimiento de vaivén. La abre viatura convencional es: D.
Punto muerto superior es la posición más alta que puede ocupar el pistón en el cuerpo del cilindro. La abreviatura convencional es: P.M.S.
Punto muerto inferior es la posición más baja que puede ocupar el pistón en el cuerpo del cilindro., La abreviatura convencional es: P.M. I.
Carrera del pistón es la distancia que recorre el pistón cuando se traslada de un punto muerto al otro en el interior del cilindro. Hay que distinguir dos carreras: la descendente y la ascendente. La abreviatura convencional es: C.
Radio de brazo cigüeñal es la distancia que existe entre el centro del perno de brazo cigüeñal hasta el centro del perno de ban cada del eje cigüeñal. La abreviatura convencional es: r.
Longitud de biela es la distancia medida desde el centro del perno de brazo cigüeñal hasta el centro del perno de pistón . La abreviatura convencional es: L.
Relación entre carrera y diámetro es la cifra que se obtiene dividiendo la carrera por el diámetro (ambas medidas en milímetros). Esta medida varía entre 0,8 y 2. La abrevia tura convencional es: CjD.
Relación entre longitud de biela y carrera es la cifra que se obtiene dividiendo la lon gitud de la biela por la carrera (ambas me didas en milímetros) . Varia en los motores comunes entre 1,6 y 2,8. La abreviatura con vencional es: L/C.
Desplazamiento del pistón es la distancia que recorre el pistón desde una posición de terminada hasta el punto muerto más pró ximo, cuando el brazo de cigüeñal se aparta un cierto ángulo de la posición correspondiente a ese punto muerto. Se suele designar con la letra X.
Superficie de pistón es la superficie de la cabeza del pistón, expuesta a la acción de la mezcla quemada. Se considera como superficie útil del pistón a la superficie de un círculo cuyo diámetro sea igual al diámetro del cilindro considerado. La abreviatura convencionales: Su.
Cilindrada del cilindro es el volumen de aire o de mezcla que puede aspirar el cilindro cuando su pistón se desplaza desde el punto muerto superior (P. M. S.) hasta el punto muerto inferior (P. M. I.). La abreviatura convencional es: V.
Cilindrada total es la suma de las cantidades de mezcla que aspiran todos los cilindros de un motor de cuatro tiempos, cada dos vueltas del eje cigüeñal. Se abrevia: Vt.
Número de cilindros es la cantidad de ci lindros que puede tener un motor, y varía entre 1y 24. Los motores comunes llevan un número par, por lo general; los de aviación, radiales o estrella, en un plano, un número impar, y en dos planos, un número par. Se designa el número de cilindros con la letra: N.
Cámara de compresión es la cámara que queda en el cilindro cuando el pistón está en el punto muerto superior. También suele llamarse cámara de explosión o cámara de combustión. Se le designa con la letra: v.
Volumen total del cilindro es la capacidad del cilindro cuando el pistón está en el punto muerto inferior. Es la suma de la cilindrada más la cámara de compresión. Se lo designa con la suma de V + v.
Compresión es la relación entre el volumen total del cilindro y el volumen de la cámara de compresión . Es la cifra que se obtiene de dividir V + v por el volumen de la cámara de compresión v. Se designa la compresión con la letra c.
La cifra que se obtiene mediante esa división expresa el Indice de compresión volumétrico, y es un dato puramente convencional, que no expresa la presión alcanzada al final de la compresión . Al estudiar Indice de com pr esión, en el Capítulo V, veremos que la presión real de compresión depende de diver sos factores.
Velocidad de rotación son las vueltas por minuto del eje cigüeñal del motor. Al número que las representa , se le agrega la abreviatura v. p. m.
En las fórmulas el número de vueltas por minuto se abrevia con la letra n.
Sentido de rotación: Cuando el eje cigüeñal gira en el sentido de las agujas de un reloj, mirando el motor del lado contrario al acoplamiento, se dice que el motor es de rotación derecha, e inversamente.
Velocidad media del pistón es la distancia que recorre el pistón en un segundo, inter pretándose esta definición como la suma li neal de los movimientos de vaivén que reali za el pistón en un segundo.
Motores cuadrados son aquellos cuya ca rrera es igual o casi igual al diámetro del cilindro.
Motores alargados son aquellos cuya ca rrera es considerablemente mayor que el diá metro del cilindro.
Motores chatos son aquellos cuya carrera es menor que el diámetro.
Motores centrados son aquellos en que la línea imaginaria paralela al eje del cilindro, que pasa por el centro del perno del pistón, pasa también por el centro del perno de bancada.
Motores desplazados son aquellos en que la línea imaginaria paralela al eje del cilindro, que pasa por el centro del perno de pistón, está desplazada del centro del perno de bancada.
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FUENTE:
M.J.D.
Maq 306 Motores a Explosión Capítulo 2 Nociones Elementales
