OBJETIVOS CONTENIDO. L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación. L1.- Pérdidas mecánicas. Lubricación

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1 OBJETIVOS Identificar los diferentes tipos de pérdidas mecánicas en un MCIA Analizar los factores que más afectan a cada tipo de pérdidas, así como las formas de reducirlas Conocer los diferentes métodos de medida de pérdidas mecánicas Analizar los sistemas de lubricación como forma de reducción de las pérdidas mecánicas por fricción Conocer los diferentes tipos de sistemas de lubricación Conocer los requerimientos que se deben exigir a un aceite lubricante CONTENIDO Introducción. Análisis de pérdidas Pérdidas por fricción Pérdidas por bombeo Determinación de pérdidas mecánicas Lubricación esumen FICCIÓN

2 INTODUCCIÓN Pérdidas mecánicas: factores que causan que pmi > pme Existen diversos fenómenos que pueden ser incluidos dentro de este grupo El valor de las pérdidas mecánicas es significativo, disminuyendo la potencia en ~20% en el mejor de los casos Una de los principales factores son las pérdidas por fricción. La existencia de fricción entre las piezas implica la necesidad de un sistema de lubricación FICCIÓN La potencia medida en el eje es menor que el resultado de integrar el diagrama de indicador pme pmi pmpm El término de pérdidas mecánicas puede dividirse: Cuantificación: pmpm pm pmb pma pmc pme pmpm m 1 e m i pmi pmi FICCIÓN

3 El rendimiento mecánico varía de forma considerable según el punto de funcionamiento Valor máximo 0.7~0.9 A ralentí 0 Pérdidas por accionamiento de auxiliares: Bomba de aceite, de agua, de combustible, alternador Ventilador del radiador, compresor aire acondicionado, aire secundario Bomba de vacío, dirección asistida Optimización: accionamiento discontinuo de los auxiliares FICCIÓN OZAMIENTO Existen piezas en contacto que experimentan un movimiento relativo Las pérdidas dependen del coeficiente de fricción y de la carga normal En general, la existencia de una capa lubricante permite funcionar en régimen hidrodinámico c f f0 f1 pl n FICCIÓN

4 OZAMIENTO Diagrama de Stribeck FICCIÓN OZAMIENTO Cojinetes: Esfuerzos según diagrama polar Las deformaciones aumentan la fricción 20-30% de las pérdidas Segmentos: Funcionamiento crítico en PMS y PMI Segmento de compresión 50-70% de las pérdidas Pistón: Cojinete oscilante Poco desgaste de la falda FICCIÓN

5 OZAMIENTO Considerando la contribución a la normal debida a: Peso de las piezas 3 Fp K1 L Fuerzas de inercia 2 2 Fi K2 L cm (cos cos 2...) Presión de los gases en la cámara 2 Fg K3 pmil Es posible deducir: pm 2 ( C p L Cicm Cg pmi) f Disminución de pérdidas de fricción: Aligerar piezas Aumentar juegos (pistón-cilindro y cojinetes) Pistones de falda corta Disminuir número de segmentos y tensión radial Eliminar deslizamientos Optimización aceite (f) FICCIÓN OZAMIENTO Ejemplo de pistones de falda corta: FICCIÓN

6 Son debidas al proceso de renovación de la carga lazo de bombeo (en el caso de motores 2T ya están contabilizadas en el ciclo indicado) FICCIÓN Proceso de escape: Puede disminuirse la presión media de escape mediante el AAE (aprovechar el escape instantáneo) educción de pérdidas en el escape Sección válvulas escape Diseño colector Línea de escape Silenciador FICCIÓN

7 Proceso de admisión (I): Aumento de la sección de paso en válvulas (evitar condiciones sónicas y caída de presión) Optimización del diagrama de distribución Optimización de la línea de admisión: Sintonizado Caída de presión en filtros, codos, etc. p V FICCIÓN Proceso de admisión (II): Efecto de la mariposa (MEP) Alternativas para la eliminación de la mariposa Mezclas pobres Combustión estratificada Dilución del aire de admisión (EG) Distribución variable (cierre temprano o tardío de la válvula) FICCIÓN

8 SÍNTESIS El régimen de giro (c m ) es el factor que más importantemente afecta a pmpm: pmr f(c m2 ) pmb aumenta con c m (efectos de compresibilidad y fricción fluida) La regulación de la carga en MEP también afecta a la pmpm m n Nota: 1 m pmpm pmi aunque pmpm se mantenga (MEC), ƞ m disminuye al disminuir la carga FICCIÓN MECÁNICAS Existen varios procedimientos para la determinación de pérdidas mecánicas: Diagrama de indicador Arrastre ecta de Willans Método Morse Deceleración libre Ecuaciones semiempíricas MEDIDA ESTIMACIÓN FICCIÓN

9 MECÁNICAS Diagrama de indicador. Precisa una medida de presión en cámara De la integración del diagrama Wi De la integración del lazo de bombeo Wb A partir de una medida de potencia/par We Auxiliares: se determinan por separado Wa+Wc El término de fricción se obtiene por diferencia Es un método complejo (errores de medida, de fase entre las señales, etc.) y que requiere instrumentación cara e intrusiva FICCIÓN MECÁNICAS Arrastre Mediante un motor eléctrico (usualmente un dinamo-freno actuando como motor), se arrastra el motor sin combustión La potencia absorbida corresponde a las pérdidas mecánicas Debe considerarse que al no haber combustión: Disminuyen las cargas asociadas a la pmi Varían presiones en el caso de motores sobrealimentados Disminución de temperatura de funcionamiento (juegos y viscosidad del aceite) Debe hacerse rápidamente tras cesar la combustión Permite medida de pérdidas de diferentes elementos FICCIÓN

10 MECÁNICAS ecta de Willans Linealidad entre gasto de combustible y PME No apto para MEP Hipótesis a n cte: η i = cte. pmpm cte.. m f K pme pmpm Kpmi m f Kpmi K gif K N N n 2V i i T ' m f [ kg / s] rpm 2000 rpm 1500 rpm 1000 rpm pmpm [bar] pme[bar] FICCIÓN MECÁNICAS Método Morse Desactivación sucesiva de cada cilindro N N N N (1) e (2) e (3) e (4) e N 1 N 1 N 0 N e1 e2 e3 e4 N N N N pm1 pm2 pm3 pm4 4 k 1 N ( 4 4 k ) e 3 Nek N pmk 3Ne N z pm N pm z 1 Ne k 1 k 1 k 1 Modificación de las presiones y temperaturas al desactivar el cilindro N ( k ) e FICCIÓN

11 MECÁNICAS Deceleración libre En deceleración libre, sin combustión, se cumple: M pm I Conocido I se mide α Si no es conocido I, se puede colocar un volante de inercia, con Ic conocido: M pm pm I M I Ic ' Ic ' ' 1 Como en el caso del arrastre, la variación de temperatura debe ser tenida en cuenta. Además, n varía (n(t) Mpm(t)) M pm FICCIÓN DETEMINACIÓN DE MECÁNICAS Ecuaciones semiempíricas: Bishop (ejemplos) Pérdidas del sistema de distribución pmpm n D D Pérdidas en cojinetes de bancada y en cabeza de biela pmpm D n S 1000 Pérdidas en conjunto pistón-segmentadura pmpm S a K D v 2 S b cm D S FICCIÓN

12 Condiciones de lubricación: Conjunto Desplazam. T P Velocidad relativa Pistón-camisa Alternativo Alta Moderada Alta Pistón-biela Oscilante Moderada Muy alta Baja Biela-cigüeñal Cigüeñal-bloque Árbol de levasempujadores otativo Baja Alta Alta otativo Baja Muy alta Baja Válvula de escape Alternativo Muy alta Baja Moderada Eje turbogrupo otativo Alta Baja Muy alta FICCIÓN Tipos de sistemas de lubricación: Barboteo: Abandonado en los motores modernos Aplicado en algunos puntos (falda del pistón) A presión: Sistema habitual Bomba de aceite Circuito específico Por mezcla: Motores 2T pequeños (directa o por separado) FICCIÓN

13 Sistema de lubricación a presión: Caudales de aceite de l/hkw Presión de aceite del orden de 3~7 bar FICCIÓN Bomba de aceite Potencia: kw FICCIÓN

14 Funcionamiento N, p N a p p tarado m abomba, m aceite aceite caliente aceite frío ( N a ) La válvula de alivio permite limitar el consumo de potencia n m a, circuito m aválvula, FICCIÓN Detalles constructivos FICCIÓN

15 Aceites Funciones: Lubricar efrigerar Limpiar Sellar Proteger Causas de degradación: Modificaciones físico-químicas intrínsecas Propiedades: Tenacidad Fluidez Poca volatilidad Ausencia de residuos Estabilidad Dispersividad, detergencia Alcalinidad y carácter antioxidante Contaminación (residuos de la combustión, impurezas metálicas por desgaste, polvo atmosférico, agua, combustible) FICCIÓN Composición de los aceites: Aceite base Paquete de aditivos Clasificación: Por viscosidad (grado SAE) Por tipo de servicio (API, ACEA, JASO, etc.) FICCIÓN

16 Grado SAE 10,000 5,000 Visc. Dinámica (cp) SAE 10W SAE 30 SAE 10W30 Visc. Cinemática (cst) T (ºC) FICCIÓN Cambio de aceite. Evolución histórica kw / l aceite l aceite / V T FICCIÓN año km entre cambios motores Opel ~2.5 l

17 ESUMEN Las pérdidas mecánicas suponen un porcentaje importante de la potencia total El rendimiento mecánico depende de las condiciones de funcionamiento Las pérdidas mecánicas incluyen la fricción, el bombeo y el accionamiento de auxiliares (y compresor mecánico) Existen diversos métodos alternativos (y aproximados) para la determinación de las pérdidas mecánicas El sistema de lubricación es clave en los MCIA FICCIÓN BIBLIOGAFÍA F. Payri y J.M. Desantes "Motores de Combustión Interna Alternativos" (Cap. 6 y 7) J.B. Heywood "Internal Combustion engines Fundamentals" (Cap. 13). Stone "Introduction to Internal Combustion Engines" (Cap. 11). van Basshuysen y F. Schäfer "Internal Combustion Engine Handbook: Basics, Components, Systems and Perspectives" (Cap. 8 y 9)