Sistematización de los cálculos de prediseño de los motores de combustión interna Systematization of the pre-design procedures of internal combustion engines

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Date
Authors
Heano, Edison
Romero-Piedrahita, Carlos Alberto
Quintero, Héctor
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Publisher
Universidad Industrial de Santander
Abstract
Description
Internal combustion engines are complex machines that constitute an object of design, and in which diverse processes and variables encounter. In the industrial field, the design of a new engine begins with the conception of a well-established solution with consideration on the experience of the designers. To perform the structural design of an engine, it is needed to determine the forces and moments acting on its components, derived from the processes along the cycles of work, with observation of the variations of the pressures and the temperatures in the cylinder and of the forces and moments of inertia in the components of the mechanisms and the structure. It is the purpose of the present paper to introduce the development of a series of procedures to obtain the preliminary dimensions of the main components of an engine (power mechanism, engine block and cylinder head dimensions), applying the machine design fundamentals and the thermodynamic and dynamic characterization of a generic engine of combustion, using the minimum information (power, torque, engine speed, and conditions of exploitation). To systematize the engine preliminary design, a spreadsheet based on Microsoft Excel was developed. To use this spreadsheet, the user must specify composition of the fuel, the type of ignition, and the wished characteristics of the engine. The outputs of the spreadsheet are the global stoichiometric balance of fuel-air chemical reactions, the heat release rate, the indicator diagram, the forces and moments acting on the main components of the crank-train mechanism, such a valuable information required to conduct the dimensioning of the engine components making use of the fundamentals of strength of materials.
Los motores de combustión interna son máquinas complejas en las cuales concurren diversos procesos y variables y que, ante todo, constituyen objeto de diseño. En el campo industrial, el diseño de un nuevo motor empieza por la concepción de una solución bien establecida con consideración de la experiencia de los diseñadores. Para realizar el diseño estructural de un motor, se requiere determinar las fuerzas y momentos en sus componentes derivados de los procesos a lo largo de los ciclos de trabajo, con observación de las variaciones de las presiones y las temperaturas en el cilindro y de las fuerzas y momentos de inercia en los componentes de los mecanismos y la estructura. Es el propósito de esta investigación el desarrollo de una serie de procedimientos para obtener las dimensiones iniciales de un motor, aplicando las teorías de diseño adecuadas para el dimensionamiento geométrico y la caracterización termodinámica y dinámica de un motor de combustión genérico, de manera que, a partir de la información mínima de partida (potencia, par, revoluciones y condiciones de explotación), se puedan obtener las dimensiones marco de las partes del conjunto móvil y del bloque y la culata, teniendo en cuenta una base de materiales de construcción. Para la sistematización del prediseño de los motores se ha desarrollado una hoja de cálculo en la que se pueden seleccionar o especificar las características deseadas del motor y composición del combustible, se realiza la termoquímica de la combustión, se determinan las emisiones, se calculan los procesos del ciclo termodinámico real con consideración de la ley de liberación de calor, se obtiene la evolución de las presiones y temperaturas a lo largo del ciclo del motor, se calculan las fuerzas debidas a las presiones de los gases y a la masa de las partes del conjunto móvil en cada uno de ellos, se calcula el par en el cigüeñal, se obtiene la característica externa de velocidad y se realizan los cálculos previos de las partes principales del motor.
Keywords
internal combustion engine, engine design, dimensioning, forces, diagrams, characteristics, spreadsheet, diseño, fuerzas, diagramas, características, hoja de cálculo, motor de combustión
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