LABORATORIO DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA-"RELACIÓN DE COMPRESIÓN"

RESUMEN: Partiendo de un análisis al motor usado para realizar estas prácticas de compresión tanto en seco como en húmedo, se debe tener en cuenta que es un motor con aproximadamente 15 años de uso o más, que ya ha sufrido varias reparaciones y que ha estado en periodos largos de tiempo sin funcionar. Dichas reparaciones lo hace más propenso a ser fuente de aparición de varias fallas, ya sea por el mismo desgaste de sus piezas móviles, sobrecargas o simplemente como resultado de fallas reparadas con anterioridad pero que repercuten en el correcto funcionamiento de otros sistemas y mecanismos en el motor.
En esta práctica, mediante la implementación de pruebas de compresión tanto húmedas como secas, se desea determinar principalmente posibles problemas o fallas en el motor por diversos síntomas en el funcionamiento del mismo, como por ejemplo:
• Expulsión de humos de cualquier color.
• Necesidad de aceleración más de lo normal para desplazarse (falta de potencia).
• Elevado consumo de combustible.
• Revoluciones en ralentí muy variables.
• Problemas de arranque del motor.
• Apagones constantes.
• Aumento de consumo de agua o refrigerantes.
Mediante la realización de pruebas de compresión se hace posible determinar las posibles causas de estos síntomas, como ejemplo de ello se tiene:
• Posicionamiento inadecuado de bujías o escapes por las mismas, ya sea por los enroscados o por la misma chispa que se debería producir.
• Válvulas en mal estado, tanto descalibradas como dañadas. Si no se produce el correcto asentamiento de estas válvulas se pueden estar presentando fugas al momento de la compresión.
• Fugas si el bloque del motor o las camisas presenta cuarteaduras.
• Anillos de los pistones desgastados o dañados.
• Problemas de lubricación.
Todo esto se hace notable en los resultados obtenidos después de las prácticas realizadas, debido al porcentaje de diferencia que se tiene entre las presiones de los cilindros (entre cada uno de ellos), y la misma diferencia que hay en la presión de cada uno de los mismos en seco y después en húmedo.

INTRODUCCIÓN: El presente informe comprende el estudio de la prueba de compresión seca y húmeda en cada uno de los cilindros de un motor que trabaja bajo las condiciones de ciclo Otto a carburación, con una cilindrada de 1400〖cm〗^3. Esto con el fin de identificar una posible falla que puede tener el motor y causados por distintos factores que pueden ser determinados por medio de esta prueba, tales como fallas en los anillos de los cilindros, obstrucción en las válvulas o des calibración de estas, cilindros en más funcionamiento y estado.
Según el fabricante se establecen unos niveles óptimos de presión que deben tener los cilindros, además que se establece un porcentaje de diferencia entre los mismos que no deben ser mayores al 10%, lo cual será comparado con los resultados obtenidos en las pruebas realizadas a este motor. Además, resulta muy útil adaptar la practicidad para realizar este tipo de pruebas y sus respectivas deducciones para poder establecer un criterio para el diagnóstico de un motor teniendo en cuenta estos aspectos.
Todo lo anterior es posible de calcular y concluir mediante la implementación de instrumentos sencillos como lo es un compresómetro (manómetro), ratchet, jeringa y aceite para motor (20W50 en este caso).

OBJETIVOS
Objetivo general: Comprobar el estado de motor en un vehículo con motor de combustión interna utilizando un manómetro de presión o compresómetro.

Objetivos específicos:
-Realizar respectivas investigaciones teóricas sobre el laboratorio que se va a realizar.
-Realizar investigación sobre la ficha técnica del vehículo que corresponde el motor.
-Formar estudiantes con un conocimiento avanzado sobre comprobar el estado de motores de combustión interna.
-Introducir al estudiante conocimientos básicos la prueba de compresión en motores de combustión interna
-Trabajar con herramientas que permiten analizar y visualizar el comportamiento de cada cilindro bajo la prueba de comprensión húmeda y seca.
-Realizar la comprobación de la compresión de cada cilindro del motor a temperatura de funcionamiento (motor caliente) y con su aceleración máxima.
-Apuntar las medidas obtenidas para verificar si está en buen estado la compresión de los cilindros.
-Analizar los resultados.
-Determinar el estado de funcionamiento del motor.

MARCO TEÓRICO
Terminología
En esta sección se expresa el significado de la terminología usada a lo largo del informe entre estas se encuentran variables del proceso y terminología de cálculo:

Motor de combustión interna: El propósito de los motores de combustión interna es la producción de potencia mecánica a partir de la energía química contenida en el combustible. Los motores de combustión interna se caracterizan porque la cámara de combustión, es decir, el lugar donde ocurre la oxidación del combustible se encuentra al interior del motor. El fluido de trabajo inicialmente es una la mezcla de combustible y aire y después de la combustión son los gases de combustión.

Combustible: Hace referencia a cualquier material capaz de liberar energía cuando se oxida de forma violenta con desprendimiento de calor. Supone la liberación de una energía de su forma potencial.
Aire necesario para la combustión: Cantidad de aire requerida durante el fenómeno de la combustión la cual aporta un aumento en la eficiencia del proceso.
Gases de combustión: Están compuestos por partículas sólidas y líquidas en suspensión en el aire, con tamaños comprendidos entre 0.005 y 0.01 milimicras.
Compresómetro: El compresómetro es un manómetro, el cual sirve para medir la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados, Existen básicamente dos tipos: Los de líquidos, Los de gases,
Ratchet o mango de fuerza: En una herramienta o máquina, un trinquete es una rueda o barra con dientes inclinados, que pueden moverse solo en una dirección, porque una pieza de metal evita que los dientes se muevan hacia atrás.

Aceite: Sustancia grasa de origen mineral, vegetal o animal, líquida, insoluble en agua, combustible y generalmente menos densa que el agua, que está constituida por ésteres de ácidos grasos o por hidrocarburos derivados del petróleo.

Filtro de aire: Dispositivo para separar partículas sólidas de una corriente de aire, como la entrada a un carburador, a una cámara de combustión o a un compresor.

Relación de aire a combustible: Relación o razón del peso del aire al peso del combustible en una mezcla de estos materiales.

Aire: Mezcla de gases que constituye la atmósfera terrestre y contiene aproximadamente 79% de nitrógeno, 20% de oxígeno y 1% de otros gases.

Entrehierro: Espacio que separa dos partes, tales como los electrodos de una bujía de encendido o el estator y el rotor de una máquina eléctrica.

Fugas del cilindro: Pérdida de compresión debida a fuga de gases por los anillos de un pistón.

Carbón: Sólido no metálico de color negro, duro (o suave), que se forma en la cámara de combustión sobre los electrodos de las bujías, válvulas, cabezas de cilindro, corona y anillos de pistón.

Carbonizar: Formarse depósitos de carbón dentro de la cámara de combustión o sobre una bujía.

Carburador: Dispositivo que sirve para mezclar aire y combustible en la proporción adecuada a fin de producir una mezcla de fácil combustión.

Ahogador: Válvula de mariposa situada en el carburador que restringe la cantidad de aire entrante (y, por tanto, ahoga o sofoca el carburador) y produce así el enriquecimiento de la mezcla para el arranque de un motor frío.

Combustión: El proceso en que se quema una sustancia. Efecto de arder.

Cámara de combustión: Espacio o volumen que hay en el interior del cilindro y que está limitado por la cabeza o corona del pistón, la superficie interna del cilindro y la culata o cabeza, cuando el émbolo se encuentra en su punto muerto superior.

Relación de compresión: Relación o razón del volumen interior de un cilindro de motor, cuando el pistón está en su punto muerto inferior, al volumen que se tiene cuando dicho pistón está en su punto muerto superior.

Carter: parte del motor que encierra o envuelve el cigüeñal.

Cigüeñal: Eje principal (acodado) de un motor que junto con la biela (o las bielas) transforma en rotatorio el movimiento rectilíneo alternativo del pistón (o de los pistones).

Cilindro: en un motor, cavidad de esta forma el monobloque y dentro de la cual se mueve el pistón.

Monobloque o bloque de cilindros: pieza maciza de metal en la que se forma o coloca el cilindro (o los cilindros) de un motor.

Expansión: Aumento de volumen de un gas, como el que ocurre cuando se enciende y arde la carga de mezcla combustible comprimida en el cilindro.

Motores de combustión interna: Los motores de combustión interna de mayor interés en este trabajo son los motores de encendido por chispa o de ciclo Otto y los motores de encendido por compresión o ciclo Diesel. En los motores de encendido por chispa la combustión se inicia por medio de una chispa (descarga eléctrica) ocasionada por un elemento llamado bujía, mientras en los motores de encendido por compresión la combustión se inicia al inyectar el combustible en aire a alta presión y temperatura (Jkbw, 2017).
Los motores de combustión interna objeto de estudio son los motores reciprocantes, en estos el pistón sube y baja dentro del cilindro mientras se expanden los gases de combustión, el movimiento lineal es convertido en movimiento circular mediante un mecanismo biela-manivela (EcuRed, 2013).
Desde que a Nikolaus August Otto se la otorgó la patente de un motor de combustión interna con ciclo de cuatro tiempos en 1876 , los motores de combustión interna han estado al servicio de la humanidad .Los motores de 4 tiempos se caracterizan por realizar 4 carreras del pistón bien definidas, la primera de ellas es la admisión (carrera descendente), donde la mezcla fresca de aire-combustible ingresa al cilindro, en la carrera siguiente (ascendente), la mezcla es comprimida para luego ser inflamada cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior (PMS). Al inflamarse la mezcla, esta se expande y empuja al pistón en un movimiento descendente, por último, el pistón realiza la carrera de escape (ascendente), donde se evacuan los productos de la combustión del cilindro para poder iniciar de nuevo el ciclo con la admisión de la mezcla fresca (Galeon, 2000).

Figura 1. Funcionamiento motor de combustión interna de 4 tiempos.
Fuente: (Molina, 2015)

Los motores de 4 tiempos, a diferencia de los motores de 2 tiempos, entregan una carrera de potencia por cada dos giros del cigüeñal, por lo tanto, para motores de idéntico desplazamiento y condiciones de operación, los motores de 2 tiempos entregarían teóricamente el doble de potencia que su equivalente de 4 tiempos. A pesar de la gran proliferación que han tenido los motores de combustión interna desde su invención, y de la constante evolución tecnológica de los mismos, estos siguen siendo maquinas térmicas poco eficientes (Morales, 2014).

En 1884 Alphonse Beau Rochas (1815-1893) describió los principios de los motores de 4 tiempos y además expuso las condiciones bajo las cuales la máxima eficiencia de un motor de combustión interna podría ser alcanzada. Estos principios a pesar de haber sido conocidos desde hace mucho tiempo siguen siendo un reto para los ingenieros de motores actuales, estos principios son:

1. El volumen del cilindro debe ser lo más grande posible con la mínima superficie de
   contorno.
2. El motor debe operar a la máxima velocidad posible.
3. El motor debe tener la relación de expansión más grande que sea posible.
4. La presión al inicio de la expansión debe ser lo más alta posible.

Las primeras dos condiciones buscan minimizar al máximo las pérdidas por transferencia de calor a través de las paredes del cilindro. La tercera condición reconoce que cuando la relación de expansión es mayor, es posible extraer mayor cantidad de trabajo de los gases de combustión. La cuarta condición establece que la presión al inicio de la expansión debe ser lo más alta posible, para que exista mayor potencial de expansión de los gases, lo cual resulta en una cantidad superior de trabajo transferido (Alan, 2011)

En los motores de 4 tiempos tradicionales la relación de compresión y de expansión están relacionadas y suelen ser iguales o al menos muy parecidas, pues estas se encuentran determinadas por la carrera del pistón. Sin embargo, a finales del siglo XIX James Atkinson (1846-1914) en Inglaterra fabricó un motor con una relación de expansión mayor que la carrera de compresión lo cual le permitió obtener valores superiores para la eficiencia del motor. Se reconoció entonces que la eficiencia estaba directamente relacionada con la relación de expansión, sin embargo, en aquel momento las relaciones de compresión de los motores estaban aún limitadas por la presencia de knock, el cual se debía principalmente a las características de los combustibles disponibles. A pesar de la notable contribución de Atkinson al diseño de los motores y a entender como la eficiencia se relaciona con el proceso de expansión, sus diseños no se popularizaron debido a que estos eran frágiles y tenían una baja densidad energética (Molina, 2015).

En 1892, el ingeniero alemán Rudolf Diesel (1859-1913) patentó una nueva forma de motores de combustión interna. Su concepto para iniciar la combustión consistía en comprimir inicialmente el aire, así cuando este hubiera elevado su temperatura y presión se inyecta combustible el cual se inflama al entrar en contacto con el aire caliente. Para lograr las temperaturas de encendido correctas se trabajaba con relaciones de compresión más altas, así como con combustibles líquidos en lugar de gaseosos. Mediante un análisis termodinámico de los fenómenos de expansión de los gases de combustión tanto para motores de ciclo Otto como de ciclo Diesel es posible demostrar que la relación de compresión es un factor fundamental en la eficiencia de los motores de combustión interna (Molina, 2015).

Como resumen puede afirmarse que para el caso de los motores de combustión interna su eficiencia es función de la relación existente entre el proceso de compresión y de expansión.

Clasificación de los motores de combustión interna
Existen muchos tipos de motores de combustión interna, los cuales se pueden clasificar de varias maneras, a continuación, se muestran algunas formas de clasificar los motores.
I. Aplicación: Los motores se pueden clasificar de acuerdo con su aplicación, de forma general pueden identificarse dos grupos, el primero de ellos conformado por los motores estacionarios, es decir motores que operan en un rango de revoluciones por minuto estrecho o muy reducido, en este grupo se incluyen los motores de plantas de generación eléctrica, motores de barcos e incluso los motores de las grandes locomotoras. El otro grupo corresponde a los motores no estacionarios, es decir que operan en un rango amplio de revoluciones por minuto dependiendo de la demanda de potencia, en este grupo se encuentran los motores de los automóviles, motocicletas, camiones, etc.
II. Los motores se pueden también clasificar de acuerdo con la disposición de sus cilindros, los motores pueden ser reciprocantes con sus configuraciones en línea, en V, en W, radiales, o también pueden ser motores rotativos o tipo Wankel.
III. El ciclo de trabajo también permite clasificar a los motores de combustión interna, existen motores de 4 tiempos, naturalmente aspirados, turbo cargados o súper cargados, de 2 tiempos súper cargados, turbo cargados, entre otros.
IV. Diseño y ubicación de los puertos y válvulas, los motores pueden tener válvulas sobre la cabeza, bajo la cabeza, válvulas rotatorias, puertos en la camisa del pistón estando estos al mismo lado o en lados opuestos de la camisa del pistón.
V. Combustible, existen motores de gasolina, aceite combustible (Diesel), gas natural, gas licuado de petróleo, alcoholes, hidrógeno o de combustible dual.
VI. Métodos de preparación de la mezcla aire-combustible, los motores pueden ser de carburador, inyección de combustible directa e indirecta. También de acuerdo con el tipo de mezcla con el que trabajan, la cual puede depender o no del estado de carga, puede catalogarse como de mezcla homogénea o heterogénea.
VII. Métodos de ignición de la mezcla, el combustible puede ser encendido mediante chispa o mediante compresión de la mezcla hasta alcanzar la temperatura requerida para la ignición.

Aspectos termodinámicos
Para comprender el funcionamiento de los motores de combustión interna es necesario tener los conocimientos de los conceptos de la Termodinámica, tales como trabajo y calor, los cuales son fuentes de energía (Morales, 2014).

Por energía se entiende en física la capacidad para realizar un trabajo. Se realiza un trabajo cada vez que se efectúa un desplazamiento con la aplicación de una fuerza (Morales, 2014).

Existen diferentes formas de energía como son la energía potencial, cinética, mecánica y térmica. Para efectos de este estudio solo se considera la energía mecánica y térmica a las cuales corresponde respectivamente la capacidad de producir trabajo y calor (Morales, 2014).

El trabajo es energía mecánica en transición y no puede ser almacenada en un campo o en un sistema. Cuando un campo es sometido a un trabajo en éste. Permanece solo el resultado del trabajo capaz de manifestarse bajo otra forma de energía (Morales, 2014).

Por otro lado, el calor es la energía térmica de transición a través de las superficies que limitan un sistema. Para que exista una transición del calor es necesario que exista una diferencia de temperatura entre el sistema considerado y el medio que lo rodea (Morales, 2014).

Un ciclo termodinámico es un proceso o conjunto de procesos que dejan nuevamente el sistema en el estado original que tenía antes de que se realizara. Un sistema es una porción de espacio o cantidad de materia que se selecciona para que se desarrolle el proceso. Todo lo ajeno al sistema se conoce como alrededores y el límite real o hipotético entre el sistema y sus alrededores se llama fronteras o límites del sistema (Morales, 2014).

En conclusión, el sistema puede ser cualquier cosa. Los sistemas termodinámicos generalmente se clasifican en dos grandes categorías que son:

a) Sistemas Cerrados: Un sistema es cerrado si no existe transferencia de masa entre el sistema y sus alrededores (Blas, 2014).
b) Sistemas Abiertos: Un sistema es abierto cuando existe transferencia de masa entre el sistema y sus alrededores. En un sistema abierto el cambio neto de masa es igual a cero, es decir, el flujo de masa que entra al sistema es igual al flujo de masa que sale de éste (Blas, 2014).

El estudio de los ciclos termodinámicos se lleva a cabo suponiendo que el ciclo está constituido por una serie de transformaciones termodinámicas ideales, tales como:
a) Adiabáticas: Sin flujo de calor hacia o desde el sistema.
b) Isobáricas: A presión constante.
c) Isocóricas: A volumen constante.
d) Isotérmicas: A temperatura constante.

Ciclos de funcionamiento de un motor de combustión interna.
Los ciclos utilizados en el funcionamiento de los motores de combustión interna son el ciclo Otto y el ciclo Diesel. Pero para nuestro caso como es un motor que está bajo a las funcionalidades del ciclo Otto, entraremos a ver su margen teórico solo para este ciclo.

Ciclo Otto
En 1862, el francés Beau De Rochas patentó un ciclo, el cual fue utilizado por los alemanes Otto y Langen en un motor de cuatro tiempos. Este motor fue el primero de los motores de ciclo Otto.

El ciclo mecánico de un motor Otto de cuatro tiempos, se completa con cuatro carreras del pistón y dos vueltas del cigüeñal y una del eje de levas.

En un motor de cuatro tiempos de encendido por chispa se introduce al cilindro durante el proceso de admisión una mezcla de aire y combustible con una proporción determinada como se aprecia en el esquema de la Figura 2 (a). Durante esta carrera de admisión el pistón se desplaza desde su Punto Muerto Superior (PMS) hasta su Punto Muerto Inferior (PMI), mientras la válvula de admisión permanece abierta. Una vez terminado este proceso de llenado, se comprime la mezcla de aire y combustible como se muestra en la Figura 2 (b), desplazándose el pistón desde su PMI hasta su PMS. En esta carrera de compresión permanecen cerradas las válvulas de admisión y de escape. Terminando este proceso se realiza la combustión de la mezcla aire-combustible, mediante la acción de una bujía, incrementándose la presión y la temperatura de la mezcla, mientras el volumen permanece constante en su valor mínimo. Como consecuencia de esta combustión, el pistón es lanzado de su PMS hasta el PMI, como se observa en la Figura 2 (c). Durante esta carrera de expansión las válvulas de admisión y escape permanecen cerradas (Aplicada, 2015).
Al llegar el pistón a su PMI la válvula de escape se abre, iniciándose así el proceso o carrera de escape en que los productos de combustión son descargados del cilindro hacía la atmósfera. El proceso de escape está diseñado en la Figura 2 (d). De esta manera el cigüeñal gira 180 grados por cada proceso que pase en un total de 720 grados o dos vueltas para completar los cuatro procesos; de admisión, compresión, expansión y escape (Aplicada, 2015).

Figura 2. Tiempo de un Ciclo Otto, a) Admisión, b) Compresión, c) Expansión, d) Escape. Fuente. (Molina, 2015).

Diferencia entre el ciclo Otto teórico y el ciclo Otto real
Las diferencias entre los ciclos se hacen en dos partes: En la primera, el ciclo teórico con el mejor rendimiento posible (figura 2.1) y la segunda, las desviaciones del ciclo real en la aparición práctica de un motor (figura 2.2).

Ciclo Otto teórico

[0-1]Aspiración (proceso isocórico)
La válvula de admisión se abre y se aspira una carga de aire y combustible a una
presión teóricamente igual a la atmosférica, provocando el descenso del pistón. La
válvula de escape permanece cerrada.

[1-2] Compresión (proceso adiabático)
No existe intercambio de calor entre el gas y las paredes del cilindro. La válvula
de admisión y la de escape están cerradas y el pistón comienza a subir,
comprimiendo la mezcla que se vaporiza.

[2-3] Combustión (proceso isocórico)
Ambas válvulas permanecen cerradas. Al llegar el pistón a la parte superior de su carrera, el gas comprimido se inflama por la chispa de la bujía. La combustión de toda la masa gaseosa es instantánea, por lo tanto, el volumen no variará y la presión aumentará rápidamente.

[3-4] Expansión (proceso adiabático)
El gas inflamado empuja al pistón. Durante la expansión, no hay intercambio de calor, al aumentar el volumen, la presión aumenta.

[4-1] Escape (proceso isocórico)
Cuando el pistón se encuentra en el extremo inferior de su recorrido, la válvula de admisión permanece cerrada y se abre la de escape, disminuyendo rápidamente la presión, sin variar el volumen interior. Luego manteniéndose la presión igual a la atmosférica, el volumen disminuye.

Figura 2.1. Ciclo Otto teórico.
Fuente. (Morales, 2014).

Ciclo Otto real

[0-1]Aspiración
La presión del gas durante la aspiración es inferior a la presión atmosférica, por lo tanto, el cierre de la válvula de admisión se produce después que el pistón llega al extremo inferior de su carrera, es decir, se prolonga el período de admisión y entra en el cilindro la máxima cantidad de mezcla de aire y combustible.

[1-2] Compresión
El gas cede calor al cilindro, por consiguiente, el gas se enfría y adquiere
menos presión.

[2-3] Combustión
La combustión no es instantánea y el volumen de la mezcla va variando mientras se propaga la inflamación. En este caso, el perfeccionamiento que se puede aportar para la obtención de un máximo trabajo será en la elección en que ha de producirse el encendido. La chispa debe saltar antes de que el pistón haya terminado la carrera de compresión, de esta manera aumenta considerablemente la presión alcanzada después de la combustión y de esta forma el trabajo ganado será significativo.

[3-4] Expansión
El aumento de la temperatura en el interior del cilindro durante la combustión produce en la expansión, que los gases cedan calor al cilindro y se enfrían, dando como resultado una presión menor.

[4-1] Escape
En realidad, el escape no se hace instantáneamente, sino que en este período los gases tienen aún una presión superior a la atmosférica.

Por lo tanto, la válvula de escape se abre antes de que el pistón llegue al extremo inferior de su recorrido, de este modo la presión del gas tendrá tiempo de disminuir mientras el pistón termina su carrera descendente, al realizar éste su carrera ascendente sólo encontrará delante de él gases expansionados ya casi por completo. La válvula de admisión se abre antes de que el pistón llegue al extremo superior de su recorrido, produciendo una cierta depresión en el cilindro que hace que la aspiración sea más enérgica.

Figura 2.2. Ciclo Otto real.
Fuente. (Morales, 2014).

Demostración de la ecuación del ciclo Otto

Figura 2.2. Diagrama representativo de las Ec. Del Ciclo Otto.
Fuente. (Aplicada, 2015).

notto=wn/qs wn = qa – qe

notto=1-qe/qa
qe= ∆u=Cv[t4-t1] qa= ∆u=Cv[t3-t2]

notto=1-(Cv[t4-t1])/(Cv[t3-t2])
notto=1-(Cv[t4/t1-1])/(Cv[t3/t2-1])
S1=S2

S3=S4
Cv*ln t2/t1=-R ln v2/v1=R ln⁡〖v1/v2〗

Cv= R/(k-1)
ln T2/T1=R/Cvln⁡〖v1/v2〗
ln T2/T1=R/(R/(k-1))ln⁡〖v1/v2〗
ln T2/T1=(k-1)*ln⁡〖v1/v2〗
ln T2/T1=ln[v1/v2]^(k-1)
T2/T1= [v1/v2]^(k-1)
k=Cp/Cv [1.3-1.4]
V1/V2= ε

notto=1-1/ε^(k-1) (Cv[t4/t1-1])/(Cv*[t3/t2-1])
Proceso Isentrópico

T2/T1=[v1/v2]^(k-1) v4 = v1
T3/T4=[v4/v3]^(k-1) v3 = v2
T3/T4=[v1/v2]^(k-1)=ε^(K-1)
T3/T4=T2/T1=ε^(K-1)
T3/T4=T2/T1
notto=1-1/ε^(k-1)
wn = Trabajo neto Cv=cantidad calórica a volumen constante
qs = Calor suministrado t = temperatura
qa = calor de entradas k = relación de capacidades térmicas especificas ε=relación de compresión

MATERIALES Y MÉTODOS
Materiales e instrumentación
Motor a gasolina: En la Figura 2 se puede apreciar el motor a gasolina de un Renault 9 1.4 TSE/GTS, con el que cuenta el laboratorio de combustión de la universidad de Ibagué, el cual posee sus respectiva Culata, Radiador, Cables de alta, Carburador, Motor Eléctrico, Flauta de balancines, entre otros elementos. Para que esté en funcionamiento a condiciones normales y como se encuentra en el manual del fabricante.

Figura 2. Motor a gasolina de la universidad de Ibagué.
Fuente. (Universidad de ibagué, 2018).

Ficha Técnica Motor a gasolina Renault 9 1.4 TSE/GTS

Compresómetro: En la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. se observa el compresómetro que se encuentra en la universidad de Ibagué, el cual nos sirve para medir la presión de que se genera en cada uno de los cilindros.

Figura 3. Compresómetro
Fuente. (Universidad de ibagué, 2018).

Copa larga de 13/16” (pulgadas): En la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.3 se observa Copa larga de 13/16” (pulgadas) que cuenta la universidad de Ibagué el acople que se usó para desmontar cada bujía.

Figura 4. Copa larga de 13/16” (pulgadas)
Fuente: (Universidad de ibagué, 2018).

Ratchet o mango de fuerza:
Se requieren usar un soporte o apoyo para poder desmontar sin generar tanta fuerza y dificultan las bujías de cada cilindro (ver Figura 5). Para eso utilizamos el Ratchet con el que cuenta la universidad de Ibagué

Figura 5. Ratchet o mango de fuerza.
Fuente. (Universidad de ibagué, 2018).

Aceite 20w-50: Se requieren aproximadamente 5[Cm] cúbicos de aceite para realizar la prueba de compresión húmeda, entonces se utilizó el aceite 20w-50 que posee la universidad de Ibagué para la prueba (ver Figura5).

Figura 5. Aceite 20w-50.
Fuente. (Universidad de ibagué, 2018).

Jeringa: Se hace uso de la Jeringa de hasta 60[cm] cúbicos que posee la universidad de Ibagué para ingresar el aceite 20w-50 a cada uno de los cilindros en los orificios de la culata donde están puestos las bujías Figura 6.

Figura 6. Jeringa 60[cm] cúbicos.
Fuente. (Universidad de ibagué, 2018).

Llave mixta 7/8” (pulgadas): Se utilizó la llave mixta 7/8’’ que posee la universidad de Ibagué, para acomodar los cilindro 1 o 4 para así organizar los cables de alta que están conectados en el distribuidor para su orden de trabajo (Ver Figura 7).

Figura 7. Llave mixta 7/8” (pulgadas).
Fuente.(Universidad de ibagué, 2018).

Procedimiento para la medición de compresión
Indicaciones de seguridad y precaución
• Para la práctica es recomendable presentarse con vestimenta cómoda que le permita movilizarse con facilidad. (Utilizar overol, mandil).
• Siempre mantener sus manos limpias para realizar cualquier actividad (utilizar, franela, guaipe. Etc.)
• Mantener la confianza y seguridad de lo que pretende hacer, si tiene dudas pregunte al tutor.
• Si el vehículo se encuentra prendido no introducir la mano en lugares que se considere peligrosos, para personas con cabello largo se les recomienda recogerse con moños para evitar enredos con las partes móviles del vehículo.
• Utilizar siempre la herramienta adecuada para evitar posibles daños por una mala manipulación.
• Siempre esté precavido y alerta a cualquier incertidumbre, evite los juegos y las distracciones al realizar cualquier actividad.

Desarrollo de la practica utilizando el compresómetro: Utilizar un compresómetro ayudará en el diagnóstico de un cilindro mal sellado en un motor de gasolina. Haciendo esta prueba básica, puedes saber si un motor tiene problemas severos debido a una pérdida de compresión, ya que esto puede significar una pérdida de potencia y debido a ello, puede que el motor tenga que ser reconstruido.

Para ello se realizan dos métodos que son:
• La prueba de compresión seca.
• La prueba de compresión húmeda.

Se debe realizar de la siguiente forma:

I. Identificar cilindro N 0 1 (lado del volante y enumere los demás).
a. Desconecte los cables que llegan a las bujías.
b. Desconecte el cable que sale del borne (1 negativo de la bobina).
II. Desmontar bujía N 0 1 con la herramienta adecuada.
III. Colocar el compresómetro en la rosca donde va la bujía, teniendo en cuenta el tipo de acople, para que no existan fugas.
IV. Accione el motor de arranque, ya sea por medio del interruptor o directamente, observando el movimiento de la aguja hasta que se estabilice. Observación No debe dar arranque por más de 5 segundos.
a. Descargue el compresómetro para que la aguja retorne a cero (0)
V. Accione el acelerador al máximo y bloquéelo en este punto.
VI. Repita en el mismo cilindro el paso N 0 5 y tome datos.
VII. Repita los pasos 3, 4, 5 y 6 en los siguientes cilindros.

CÁLCULOS Y RESULTADOS
Calculo y análisis de eficiencia de los cilindros usando Ciclo Otto
• Sabemos que la presión atmosférica de Ibagué es: 14.6Psi (Valor Aproximado)
• Tomando la presión atmosférica de Ibagué como la presión inicial (P1) en la que inicia el Motor a gasolina Renault 9 1.4 TSE/GTS que posee la universidad de Ibagué. Teniendo en cuenta que el Ciclo Otto es utilizado para motores a gasolina (Especificado en el marco teórico), podemos entrar analizar cuál es el rendimiento térmico que tiene cada cilindro con respecto al motor. Siendo una forma de saber cual de los cilindros me está presentando inconvenientes.
• Con la prueba de compresión seca y húmeda que se realizó con el compresómetro se hallaron los siguientes datos de presión.

Tabla 1. Datos de la prueba de compresión seca.

Tabla 2. Datos de la prueba de compresión húmeda.

Sabemos que la compresión del motor influye directamente en la potencia del motor, consumo de aceite del motor y emisión de gases del motor (Autodaewoospark, 2017). Por lo que podemos decir que las presiones que sacamos de la prueba de compresión seca y húmeda vistas en la Tabla 1 y 2. Son las presiones al final del proceso de compresión (P2).
Teniendo en cuenta la demostración de las ecuaciones del ciclo Otto, y los conocimientos básicos de la termodinámica mostrados anteriormente en la Pg.11. Podemos hallar una relación de compresión para cada cilindro y con ella sacar los porcentajes de eficiencia que presenta cada cilindro al motor.
Sabemos que P_2/P_1 =T_2/T_1 *V_1/V_2  , por lo que:

k = relación de capacidades térmicas especificas
ε= relación de compresión

T_2/T_1 =ε^(k-1) ; V_1/V_2 = ε

P_2/P_1 =ε^(k-1)*ε
P_2/P_1 =ε^k
(P_2/P_1 )^(1/k)=〖〖(ε〗^k)〗^(1/k)
El termino 〖〖(ε〗^k)〗^(1/k) la k se cancelan
(P_2/P_1 )^(1/k)=ε

• Asumiendo k=1,4 que es el valor máximo en donde da las mejores eficiencias de un motor a gasolina obteniendo la siguiente tabla de resultados:

Tabla 3. Relación de compresión para cada cilindro en compresión seca.

Tabla 4. Relación de compresión para cada cilindro en compresión húmeda.

Ya teniendo la relación de compresión de cada cilindro que se muestran en la Tabla 3 y 4 podemos ir al siguiente paso, que es sacar la eficiencia para cada uno teniendo en cuenta la siguiente ecuación: 

notto=1-1/ε^(k-1)
Con esta ecuación de eficiencia del ciclo Otto podemos observar en que porcentajes oscilan cada cilindro obteniendo la siguiente tabla:

Tabla 5. Eficiencia Otto para cada cilindro en compresión seca

Tabla 6. Eficiencia Otto para cada cilindro en compresión seca

• Con los resultados tanto de la Tabla 3 y 4 como el de la Tabla 5 y 6. Podemos concluir que el cilindro# 2 está presentando valores menores que el cilindro#1, #3 y #4, por lo que genera inconvenientes de rendimiento al motor. Esto podría causarle que el consumo de gasolina incremente y su potencia disminuya.
• Para llegar mas a fondo y mirar con más precisión que problema está pasando internamente al motor realizaremos el análisis de la prueba de compresión seca y húmeda.

Análisis y cálculos de la prueba de compresión seca y húmeda

• Compresión en seco

Tabla 7. Diferencia de presiones de la prueba de compresión en seco.

• Compresión húmeda
Tabla 7. Diferencia de presiones de la prueba de compresión en húmeda.

¿Según la prueba realizada al motor cual es el estado de este, justifique su respuesta con los datos obtenidos?
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en la prueba de compresión seca, se puede notar claramente que el porcentaje de diferencia entre la presión más alta y la más baja obtenida entre los cilindros ronda el 25.43%, lo que claramente representa un problema en el funcionamiento del sistema del cilindro #2, que siempre registro la presión más baja obtenida. Se puede afirmar que el problema estaría sobre este cilindro o sus sistemas debido a que la máxima diferencia de presiones entre los demás cilindros solo alcanza el 6.56%, lo que está dentro de lo admisible, que es del 10%.
Se contemplan varios factores que me pueden estar causando este problema:

La compresión baja podría deberse a un lavado del cilindro, lo que significa que se le inyecto demasiado combustible y se ha llevado con sigo el aceite de las paredes del cilindro, dicho aceite que es el encargado de crear un sellamiento entre el pistón, los anillos y las paredes del cilindro, pero sin esta capa, la compresión se estaría escapando del cilindro y la cámara de combustión hacia el Carter.

Si en los gases se presenta humo azulado, podría tratarse de un desgaste en los anillos o en el cilindro, lo cual se procedió a verificar con la prueba de compresión húmeda, con el fin de verificar si después de vestir el aceite sobre el pistón y dejar que este se resuma a su alrededor la presión aumentara o se reducirá para así poder identificar exactamente la falla.

Lo que nos muestra la prueba de compresión, después de vestir los 5〖cm〗^3del aceite 20W50 en el cilindro sobre el piston es un aumento considerable de presión en cada uno de los pistones, pero manteniendo el mismo porcentaje de diferencia de presiones de los pistones 1,3 y 4 con respecto al pistón 2, que se sigue manteniendo la más baja, por lo que el porcentaje máximo de diferencia de estas presiones se mantuvo casi similar al de la compresión seca, rondando el 25.43% de diferencia.

Esto nos indica que la compresión estaría fallando por:
Des calibración de válvulas del cilindro #2.
Válvulas pegadas en el cilindro #2.
Fugas en el cilindro #2.
Resorte de válvula roto o varilla doblada.

Desgaste en el árbol de levas que no da apertura suficiente a las válvulas.

¿Para qué nos sirve la prueba de compresión seca y húmeda?
La prueba de compresión nos ayude a revelar la condición interna del motor, para saber que si en la cámara de combustión hay fugas, escapándose parte de la mezcla aire/combustible cuando se comprime, lo que genera perdida de potencia y un mayor consumo de combustible, para que este trabaje con las más óptima condiciones la compresión requerida debe ser igual, la prueba de compresión seca se hace para verificar que la presión de compresión este sobre los 100 psi en cada cilindro según los datos del fabricante, si está más baja la presión está fallando el motor por válvulas, anillos o por el pistón. En la prueba húmeda se ingresa el aceite a la cámara va a generar una película o una especie de sello en los anillos si la presión me da más baja podemos decir que el fallo está en la parte de anillos.

¿Porque la prueba de compresión se realiza con la válvula de aceleración totalmente abierta?
Se realiza la prueba con la válvula de aceleración abierta para que la mariposa de gases controle el aire que accede a los cilindros, regulando el flujo de aire que formara parte del proceso de combustión, estas válvulas son de un cuarto de vuelta que cuenta con un disco circular con el eje de su orificio en ángulo recto al sentido de la circulación del flujo, al estar completamente abierta esta válvula permite que entre al cilindro la mayor cantidad de flujo de aire permitiendo tener una presión mucho mejor a la hora de tomar las mediciones con nuestro manómetro

TABLA DE COMPRESIÓN RECOMENDADAS PARA LOS DIFERENTES TIPOS DE MOTORES.

• La siguiente tabla nos muestra la presión de compresión de algunas clases de motores a gasolina:

Tabla de compresión recomendadas de algunas clases de motores a gasolina

ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES

• Los cilindros logran eficiencias equitativa si están en buen estado, pero si tienen fallas o des calibración esa eficiencia varia y perjudica las condiciones normales de un motor a gasolina.
• Se identifico que un cilindro está en buenas condiciones si en la primera carrera del pistón lograr llegar al 70% del valor máximo de la compresión indicada por el fabricante. Por lo tanto, los cilindros 1,3,4 están dentro de esos parámetros.
• Si la lectura en una carrera es baja se puede estar hablando de un problema de anillos, desgaste del cilindro o fallo en las válvulas
• Para cada motor dependiendo de la relación aire-combustible para su consumo y en las condiciones ambientales que se encuentre el vehículo a si mismo varia su relación de compresión.
• Una relación de compresión en buen estado, esta en un promedio de 8 a 12 en condiciones normales.
• Los valores de compresión para un motor en excelentes condiciones de compresión están en un rango de 170PSI a 185 PSI.
• La compresión de un motor se puede tomar como "buena" desde unos 120 PSI para arriba, si está por debajo se puede decir que esta en malas condiciones y se debe hacer su respectivo mantenimiento.

RECOMENDACIONES

• El mantenimiento de los equipos, maquinaria y herramientas son de gran importancia para el buen funcionamiento, y requiere de un estudio cuidadoso de las instrucciones proporcionadas por el fabricante, antes de dar servicio a los equipos y sistemas. Los procedimiento de mantenimiento pueden variar según el tipo de maquina y complejidad relativa de las reparaciones requeridas, Alguna falla en los equipos impide tener resultados exactos y concisos
• Se debe realizar una inspección detallada a la calibración de las válvulas o a un posible desgaste en las levas para garantizar el correcto funcionamiento del motor.
• Para lograr un correcto diagnóstico de la prueba de compresiones motor debe estar a la temperatura normal de funcionamiento, para saber que esta temperatura sea normal en el motor.

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