UNIDAD I CLASIFICACIÒN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE FLUIDOS COMPRESIBLES
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DEFINICIÒN
Se denominan máquinas de fluido aquellas que tienen como función principal intercambiar energía con un fluido que las atraviesa. Este intercambio implica directamente una transformación de energía.
FORMAS DE CLASIFICAR A LOS MOTORES DE FLUIDOS COMPRESIBLES (TIPO DE COMBUSTIÒN, CICLO TERMODINÀMICO, TIPO DE COMBUSTIBLE, DISEÑO DEL MOTOR, APLICACIÒN, APLICACIÒN, TIPO DE ENFRIAMIENTO, ETC.) Tipo de combustión externa: es una máquina que realiza una conversión de energía calorífica en energía mecánica mediante un proceso de combustión que se realiza fuera de la máquina, generalmente para calentar agua que, en forma de vapor, será la que realice el trabajo, en oposición a los motores de combustión interna, en los que la propia combustión, realizada dentro del motor, es la que lleva a cabo el trabajo. Los motores de combustión externa también pueden utilizar gas como fluido de trabajo (aire, H2 y He los más comunes) como en el ciclo termodinámico Stirling. Tipo de combustión interna: es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se emplean motores de combustión interna de cuatro tipos:El motor de explosión ciclo Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y aeronáutica. El motor diésel, motor diésel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. Se emplea en instalaciones generadoras de energía eléctrica, en sistemas de propulsión naval, en camiones, autobuses y automóviles. Tanto los
motores Otto como los diésel se fabrican en modelos de dos y cuatro tiempos. El motor rotatorio. La turbina de combustión.
TIPO DE CICLOS DE TRABAJO
1. Motores de dos tiempos: Motores donde todo el ciclo de trabajo se realiza en cada vuelta de cigüeñal. 2. Motores de cuatro tiempos: En este caso el ciclo de trabajo se realiza por cada dos vueltas del cigüeñal.
TIPO DE COMBUSTIBLE
De pólvora: Máquina en la que se prendía una carga de pólvora en el interior de un cilindro, para poder impulsar el pistón. Gasolina: Transforma la energía obtenida por combustión de una mezcla gaseosa carburada, proveniente del carburador, en energía mecánica utilizada para propulsar un émbolo que actúa sobre una biela, la cual mueve el cigüeñal y a través de transmisiones provoca el movimiento de las ruedas. Diesel: motor que aspira aire puro, sin mezcla de combustible. En el tiempo de compresión, el aire se comprime, con lo que alcanza una temperatura extraordinariamente alta. Vapor: El vapor penetra por un cilindro, por debajo de un émbolo, y se condensa con un chorro de agua fría. Este proceso genera un vacío parcial, y la presión atmosférica que actúa por encima del émbolo lo hace bajar.
TIPO DE SISTEMA DE ALIMENTACION
1. Motores de aspiración natural: Son motores en los que el cilindro de trabajo se llena por la aspiración natural del pistón al hacer vacío. 2. Motores sobre-alimentados: Están dotados de un compresor que fuerza la mezcla de aire combustible o aire solo, según el caso, en el cilindro de trabajo
DISEÑO DEL MOTOR
Según el modo de operar 1. Motores con mecanismo pistón-biela-cigüeñal: Son los motores mas utilizados en los automóviles desde sus orígenes. Este esquema de trabajo es el más representativo del motor de combustión interna. 2. Motores rotatorios: Se usan casi exclusivamente por algunos fabricantes de automóviles, principalmente para los amantes de la velocidad.
TIPO DE LUBRICACION
1. Motores de cárter húmedo: Motores donde existe un cárter que contiene aceite lubricante. 2. Motores de cárter seco: En este caso el cárter está vacío y el lubricante entra al motor mezclado con la gasolina.
TIPO DE ENFRIAMIENTO
1. Por Aire 2. Por Líquido
Las máquinas de fluido se suelen clasificar según varios principios: Según la naturaleza del fluido que las atraviesa, según el mecanismo de intercambio energético y según el sentido de intercambio energético. Según la naturaleza del fluido que las atraviesa: máquina térmica o máquina de fluido compresible: Trabaja con fluidos compresibles, ya sean condensables o no condensables. Se aprovecha la energía térmica del fluido, ya que la energía mecánica se produce mediante la expansión del fluido (incremento de su volumen específico). Al incrementar la temperatura del fluido a la entrada de la máquina, se obtendrá una mayor cantidad de energía mecánica en el eje de la máquina. Las máquinas de fluido también se clasifican atendiendo a dos criterios, la cantidad de fluido y el movimiento de la máquina.
Según el mecanismo de intercambio energético: Máquinas volumétricas o de desplazamiento positivo son aquellas máquinas que son atravesadas por cantidades discretas de fluido. Éstas a su vez se clasifican en alternativas o rotativas en función del movimiento ejercido. Turbomáquinas son aquellas máquinas que son atravesadas por un flujo continuo y que intercambian energía a través de un órgano de movimiento rotativo, es decir, un rotor. Según el sentido de intercambio energético: Si en el proceso el fluido incrementa su energía, la máquina se denomina generadora (compresores, bombas), mientras que si la disminuye, la máquina se denomina motora (turbinas, motores de explosión).
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO COMBUSTION INTERNA
DE
LOS
MOTORES
DE
Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se emplean motores de combustión interna de cuatro tipos:
EL MOTOR DE EXPLOSIÓN CICLO OTTO, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y aeronáutica. El motor diésel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. Se emplea en instalaciones generadoras de energía eléctrica, en sistemas de propulsión naval, en camiones, autobuses y automóviles. Tanto los motores Otto como los diésel se fabrican en modelos de dos y cuatro tiempos. El motor rotatorio o Wankel. La turbina de combustión.
MOTORES ENCENDIDOS POR CHISPA
Dentro de los motores de combustión interna de encendido por chispa existen dos tipos por la cantidad de tiempos que hay en un ciclo del motor: Motor de cuatro
tiempos y Motor de dos tiempos. La mayoría de estos motores el combustible que utilizan es la gasolina aunque también pueden usar metanol.
Motor de cuatro tiempos: Primer tiempo o admisión: en esta fase el descenso del pistón aspira la mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado o el aire en motores de encendido por compresión. La válvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está abierta. En el primer tiempo el cigüeñal da 180º y el árbol de levas da 90º y la válvula de admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente. Segundo tiempo o compresión: Al llegar al final de carrera inferior, la válvula de admisión se cierra, comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el ascenso del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º, y además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente. Tercer tiempo o explosión: Al llegar al final de carrera superior el gas ha alcanzado la presión máxima. En los motores de encendido provocado, salta la chispa en la bujía, provocando la inflamación de la mezcla, mientras que en los motores diésel, se inyecta con jeringa el combustible que se autoinflama por la presión y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la combustión, esta progresa rápidamente incrementando la temperatura en el interior del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistón. Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo. En este tiempo el cigüeñal da 180º mientras que el árbol de levas da 240º, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente. Cuarto tiempo o escape: En esta fase el pistón empuja cuidadosamente, en su movimiento ascendente, los gases de la combustión que salen a través de la válvula de escape que permanece abierta. Al llegar al punto máximo de carrera superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el ciclo. En este tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º y su carrera es ascendente.
Motor de dos tiempos: Fase de admisión-compresión: El pistón se desplaza hacia arriba (la culata) desde su punto muerto inferior, en su recorrido deja abierta la lumbrera de admisión. Mientras la cara superior del pistón realiza la compresión en el cilindro, la cara inferior succiona la mezcla aire combustible a través de la lumbrera. Para que esta operación sea posible el cárter ha de estar sellado. Es posible que el pistón se deteriore y la culata se mantenga estable en los procesos de combustión. Fase de potencia-escape Al llegar el pistón a su punto muerto superior se finaliza la compresión y se provoca la combustión de la mezcla gracias a una chispa eléctrica producida por la bujía. La expansión de los gases de combustión impulsa con fuerza el pistón que transmite su movimiento al cigüeñal a través de la biela. En su recorrido descendente el pistón abre la lumbrera de escape para que puedan salir los gases de combustión y la lumbrera de transferencia por la que la mezcla aire-combustible pasa del cárter al cilindro. Cuando el pistón alcanza el punto inferior empieza a ascender de nuevo, se cierra la lumbrera de transferencia y comienza un nuevo ciclo. MOTOR WANKEL: El motor Wankel es un tipo de motor de combustión interna, inventado por Félix Wankel, que utiliza rotores en vez de los pistones de los motores alternativos. En un motor Wankel se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en lugares distintos de la carcasa o bloque; es decir, viene a ser como tener un cilindro dedicado a cada uno de los tiempos.
MOTORES DE ENCENDIDO POR COMPRESION
Los motores de encendido de compresión son mejor conocidos como los motores Diesel cuyo encendido se logra por la temperatura elevada que produce la compresión del aire en el interior del cilindro. Fue inventado y patentado por Rudolf Diesel en 1895, del cual deriva su nombre. Este puede ser también de cuatro o dos tiempos. Primer tiempo admisión: La válvula de admisión se abre y permite la entrada de aire hacia el cilindro. El pistón va de su PMS hacia su PMI. La válvula de escape permanece cerrada. Segundo tiempo compresión: Tanto la válvula de admisión y de escape se encuentran cerradas. El pistón inicia su recorrido de su PMI hacia su PMS y comprime el aire que se encuentra en el
cilindro aumentando su presión y temperatura a valores muy elevados. Tercer tiempo Trabajo: Ambas válvulas se encuentran cerradas. Inicia el proceso de inyección de combustible hacia la cámara de combustión el cual por la temperatura tan elevada que se encuentra se inflama y se quema haciendo que los gases empujen el pistón de su PMS hacia su PMI produciendo una fuerza que será transmitida hacia el cigüeñal. Cuarto tiempo Escape: La válvula de escape se abre. El pistón va de su PMI hasta su PMS haciendo que los gases de la combustión salgan del cilindro.
TURBINAS
Turbina es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbo máquinas motoras. Éstas son máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua y este le entrega su energía a través de un rodete con paletas o álabes. Es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. Las turbinas constan de una o dos ruedas con paletas, denominadas rotor y estator, siendo la primera la que, impulsada por el fluido, arrastra el eje en el que se obtiene el movimiento de rotación.
TIPOS DE TURBINAS Las turbinas, por ser turbomáquinas, pueden clasificarse de acuerdo a los criterios expuestos en aquel artículo. Pero en el lenguaje común de las turbinas suele hablarse de dos subgrupos principales: Turbinas hidráulicas y Turbinas térmicas.
TURBINAS HIDRÁULICAS
Son aquéllas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio de densidad considerable a través de su paso por el rodete o por el estator; éstas son generalmente las turbinas de agua, que son las más comunes, pero igual se pueden modelar como turbinas
hidráulicas
a
los
molinos
de
viento
o
aerogeneradores.
Dentro de este género suele hablarse de: Turbinas de acción: Son aquellas en que el fluido no sufre ningún cambio de presión a través de su paso por el rodete. La presión que el fluido tiene a la entrada en la turbina se reduce hasta la presión atmosférica en la corona directriz, manteniéndose constante en todo el rodete. Su principal característica es que carecen de tubería de aspiración. La principal turbina de acción es la Pelton, cuyo flujo es tangencial. Se caracterizan por tener un número específico de revoluciones bajo (nsFlujo diagonal; Hélice->Flujo radial) y turbinas con álabes orientables (Deriaz->Flujo diagonal; Kaplan->Flujo radial). El empleo de álabes orientables permite obtener rendimientos hidráulicos mayores. El rango de aplicación (una aproximación) de las turbinas, de menor a mayor salto es: kaplanfrancis-pelton El número específico de revoluciones, de menor a mayor es: pelton-francis-kaplan. Cuanto mayor es el número específico de revoluciones, tanto mayor es el riesgo de cavitación de la turbina, es decir, una turbina kaplan tiene más probabilidad de que se de en ella el fenómeno de la cavitación que en una francis o una pelton.
TURBINAS TERMICAS Son aquéllas cuyo fluido de trabajo sufre un cambio de densidad considerable a través
de
su
paso
por
la
máquina.
Estas se suelen clasificar en dos subconjuntos distintos debido a sus diferencias fundamentales de diseño: Turbinas a vapor: su fluido de trabajo puede sufrir un cambio de fase durante su paso por el rodete; este es el caso de las turbinas a mercurio, que fueron populares en algún momento, y el de las turbinas a vapor de
agua, que son las más comunes.Turbinas a gas: En este tipo de turbinas no se espera un cambio de fase del fluido durante su paso por el rodete. También al hablar de turbinas térmicas, suele hablarse de los siguientes subgrupos: Turbinas a acción: en este tipo de turbinas el salto entálpico ocurre sólo en el estator, dándose la transferencia de energía sólo por acción del cambio de velocidad del fluido. Turbinas a reacción: el salto entálpico se realiza tanto en el rodete
como
en
el
estator,
o
posiblemente,
sólo
en
rotor.
Igual de común es clasificar las turbinas por la presión existente en ellas en relación a otras turbinas dispuestas en el mismo grupo: Turbinas de alta presión: son las más pequeñas de entre todas las etapas y son las primeras por donde entra el fluido de trabajo a la turbina. Turbinas de media presión. Turbinas de baja presión: Son las últimas de entre todas las etapas, son las más largas y ya no pueden ser más modeladas por la descripción euleriana de las turbomáquinas.
COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO DELOS SISTEMAS AUXILIARES DE LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA RECIPROCANTES.
ALIMENTACION DE COMBUSTIBLE
El sistema de combustible tiene varios objetivos; entre ellos se pueden mencionar los siguientes: Proporcionar la mezcla adecuada de aire-combustible acorde a las condiciones de operación del vehículo mezclar el aire y el combustible para el mejor aprovechamiento del combustible, dosificar el combustible o la mezcla airecombustible en la cámara de combustión. Para cumplir con estos objetivos existen diferentes sistemas de combustible entre ellos, se tienen: los sistemas carburados o de admisión natural y los sistemas de inyección que pueden ser por el tipo de inyección: Sistema carburado o de admisión natural y Sistema de inyección.
CARBURADOR
El carburador es el dispositivo que hace la mezcla de aire-combustible en los motores de gasolina. A fin de que el motor funcione más económicamente y obtenga la mayor potencia de salida, es importante que la gasolina esté mezclada con
el
aire
en
las
proporciones
óptimas.
El carburador posee una división donde la gasolina y el aire son mezclados y otra porción donde la gasolina es almacenada (cuba). Estas partes están divididas pero están conectadas por la tobera principal. La relación de aire-combustible es determinante del funcionamiento del motor. La clave es que el aire debe ser frío para que este rendimiento se haga. EI carburador opera básicamente con el mismo principio de un pulverizador de pintura. Cuando el aire es soplado, cruzando el eje de la tubería pulverizadora, la presión interior de la tubería cae. El líquido en el pulverizador es por consiguiente aspirado dentro de la tubería y atomizado cuando es rozado por el aire. Mientras mayor sea la rapidez del flujo de aire que atraviesa la parte superior de la tubería de aspiración, mayor es la caída de presión en esta tubería y una mayor cantidad de líquido es aspirada dentro de la
tubería.
INYECCION La inyección de combustible es un sistema de alimentación de motores de combustión interna, alternativo al carburador, que es el que usan prácticamente todos los automóviles europeos desde 1990, debido a la obligación de reducir las emisiones contaminantes y para que sea posible y duradero el uso del catalizador. Este sistema es utilizado, obligatoriamente, en el ciclo del diésel desde siempre, puesto que el combustible tiene que ser inyectado dentro de la cámara en el momento de la combustión (aunque no siempre la cámara está sobre la cabeza del pistón). En un principio se usaba inyección mecánica pero actualmente la inyección electrónica es común incluso en motores diésel. Los sistemas de inyección se dividen en:
Inyección multipunto y monopunto: Para ahorrar costes a veces se utilizaba un solo inyector para todos los cilindros, o sea, monopunto; en vez de uno por cada
cilindro, o multipunto. Actualmente, y debido a las normas de anticontaminación existentes en la gran mayoría de los países, la inyección monopunto ha caído en desuso.
Directa e indirecta. En los motores de gasolina es indirecta si se pulveriza el combustible en el colector de admisión en vez de dentro de la cámara de combustión ó sea en el cilindro. En los diésel, en cambio, se denomina indirecta si se inyecta dentro de una precámara que se encuentra conectada a la cámara de combustión ó cámara principal que usualmente en las inyecciones directas se encuentran dentro de las cabezas de los pistones.
ALIMENTACION DE AIRE
Para llevar a cabo la combustión completa de los hidrocarburos del combustible, es necesario aportar la cantidad suficiente de oxígeno, el cual no está en cantidad mayoritaria en el aire. Cuanto más aire y combustible seamos capaces de introducir en los cilindros del motor, mayor será la potencia que se podrá obtener, pero
mayor
será
la
masa
de
aire
necesaria
para
quemarlo.
Este sistema adecua el suministro de aire necesario para combustión en cuanto a su calidad. Es de suma importancia para el funcionamiento y la vida del motor, ya que debe suministrar el aire en cantidad necesaria y además retener partículas sólidas que tiene el aire en suspensión. Este sistema toma aire del medio ambiente, separa las impurezas en estado sólido y lo conduce hasta el múltiple de admisión o hasta el carburador. Consta de un filtro que puede ser del tipo seco o húmedo y un conducto; puede además tener adosado algún accesorio (sensores) y puede ingresar también en un compresor o sobrealimentador. El filtro de aire mediante una serie de laberintos de papel, metálico y/o líquido retiene las partículas sólidas contenidas en el aire de ingreso, luego ingresa en un conducto que lo deriva a un sobrealimentador, al múltiple de admisión o a un carburador. Este sistema funciona bien si los productos de la combustión presentan un porcentaje típico de gases que indican una buena combustión, es decir con la proporción de aire que corresponde, también la temperatura de los gases de
escape es una buena indicación. Se puede determinar la composición de los gases de combustión con un analizador de gases. Para un buen funcionamiento de este sistema debemos controlar periódicamente el filtro de aire, la frecuencia de inspección dependerá principalmente de las horas de funcionamiento y del ambiente donde está instalado el motor. Para determinar si este sistema funciona mal se pueden realizar distintas mediciones, una es el análisis de los gases de escape y otra visualmente observando los gases de escape. Como la falla más común es la obstrucción del filtro, muchas veces bastará con observar el mismo y verificar su limpieza. Generalmente los problemas de este sistema se solucionan reemplazando el elemento filtrante. Manipular elementos de este sistema es de muy bajo riesgo. Solamente hay que tener la precaución de que el motor no este funcionando. En cuanto al medio ambiente, solamente habrá que disponer los cartuchos y/o desperdicios del filtro, en lugar adecuado. Cuando el motor de combustión interna realiza la carrera de admisión puede hacer la aspiración de dos formas: Aspiración natural donde la propia succión natural del pistón sirve para llenar el cilindro. Aspiración forzada donde la succión del pistón es asistida por
un
compresor.
Esta aspiración forzada se conoce como sobrealimentación. En los motores sobrealimentados, la presión dentro del cilindro al terminar la carrera de admisión es mayor que la presión atmosférica. Esta sobre-presión supone que hay más aire dentro del cilindro que el que hubiera podido almacenarse en la aspiración natural, lo que significa a su vez, que la presión final del ciclo de compresión será también mayor. Como la eficiencia del proceso termo dinámico de conversión de energía térmica a mecánica del ciclo de trabajo del motor crece con el aumento de la presión final de la compresión, la sobrealimentación supone un incremento de la eficiencia del motor, es decir, un mejor aprovechamiento de la energía del combustible
como
trabajo
útil.
Además de la ventaja del incremento de la eficiencia, la mayor cantidad de aire aspirada permite el quemado de mayor cantidad de combustible, por lo que para
un mismo motor, la sobrealimentación supone la posibilidad de lograr un aumento notable de la potencia entregada por el motor. Si nos atenemos al simple análisis de estas ventajas manifiestas de la sobrealimentación, podríamos pensar que mientras mas se sobrealimente un motor será mejor, pero en la realidad la sobrealimentación tiene un límite a partir del cual lejos de representar ventajas empieza a ser desventajoso en el funcionamiento del motor, veamos. Hay dos factores que hay que tener en cuenta en este asunto: Cargas sobre las piezas. A medida que se sobrealimenta mas el motor, y debido al incremento del combustible que puede quemarse y con ello las presiones de trabajo, la carga sobre las partes involucradas en el ciclo de trabajo (pistones, bielas y cigüeñal) se incrementan. Este incremento tiene un límite razonable a partir del cual la durabilidad de los mecanismos se reduce notablemente. Consumo del
compresor. El dispositivo que inyecta de manera forzada la carga al motor durante la carrera de admisión se mueve desde el motor consumiendo parte de la energía producida por este, la energía consumida por un compresor depende tanto del flujo de aire que induce así como de la presión a que lo hace. A partir de cierto grado de sobrealimentación, las ventajas en eficiencia energética que supone, serán consumidas por el propio compresor y el resultado final será nulo. La sobrealimentación es realmente útil en los motores Diesel, donde la aspiración es solo de aire, mientras que su uso en los motores de gasolina, donde se aspira la mezcla de aire con combustible, no representa ventaja práctica debido a la elevada posibilidad de la auto inflamación de la mezcla durante el ciclo de compresión por la elevada presión y temperatura generadas. Solo en motores de gasolina de aplicaciones especiales como en los automóviles de competencia donde se usan combustibles de muy elevado octanaje se justifica tal práctica. Mecanismos de sobrealimentación En la práctica se utilizan dos formas de sobrealimentar los motores: Utilizando un compresor helicoidal accionado mecánicamente desde el motor y utilizando turbo-compresores accionados por los gases de escape del motor.
Compresor helicoidal
Conocidos como compresores Roots, estos sopladores se utilizan con frecuencia para sobrealimentar a los motores de combustión interna y son accionados desde el motor a través de correas o por medio de engranajes. Básicamente están constituidos por dos rotores lobulados construidos con gran precisión que giran sincronizados a través de un engranaje interno. Estos rotores entran en el cuerpo con mucha exactitud de manera que al girar atrapan el aire del exterior por un lado y lo transportan al lado de salida forzado por los lóbulos de los rotores. La forma helicoidal de los lóbulos, hace que la transferencia de aire del lado de la succión al lado de descarga se haga de manera continua y no por impulsos como sucedería
si
los
lóbulos
fueran
rectos.
Turbo-compresores: La otra vía para sobrealimentar los motores es utilizando los llamados turbo-compresores, estos dispositivos aprovechan la energía de los gases de escape para mover una turbina en cuyo eje está acoplado un compresor de
hélice.
En principio este método es más eficiente que el de compresor Roots ya que no se alimenta de la energía mecánica del motor si no que aprovecha parte de la energía que de todas formas se desecha al exterior con los gases de escape. Los problemas tecnológicos inherentes a las altas temperaturas de los gases de escape y las altas velocidades de rotación de estos aparatos hacen que los turbocompresores
sean
dispositivos
caros
y
sensibles.
El uso de una válvula limitadora de la velocidad de giro, esta válvula del tipo de diafragma recibe la presión desde el conducto de admisión, si la velocidad de la turbina y con ella la del compresor crece mucho, la presión en el conducto de admisión se hace alta, esta alta presión mueve el diafragma y levanta una válvula que deriva parte de los gases de escape a la salida sin pasar por la turbina, de esta forma se logran dos cosas; primero se mantiene la presión en el conducto de
admisión al valor máximo óptimo y segundo se impide que la velocidad de giro llegue a valores peligrosos para el turbo-compresor.
IGNICION
Ignición es el proceso de encendido de una sustancia combustible. Todos los motores de combustión interna tienen que disponer de una forma de dar comienzo a la ignición del combustible dentro del cilindro. Dicha forma es a través de la chispa. El sistema de ignición es un dispositivo diseñado y desarrollado para tal finalidad. El sistema de ignición en los motores a gasolina consta de los siguientes componentes: la batería o acumulador, la bobina o transformador, el distribuidor el platino-condensador, el módulo de ignición (vehículos más recientes), los cables de
ignición,
las
bujías
electrónico.
La corriente eléctrica fluye de la batería hacia la bobina captadora la cual envía dicha corriente a la unidad de control electrónica y cierra un circuito (imán). La bobina captadora trabaja con un reductor que hace imagen con la misma, cuando el diente del reductor queda en el vacío la unidad de control electrónico abre el circuito y se produce una corriente transitoria de alta frecuencia en el enrollado primario de la bobina de ignición, lo que a su vez induce una corriente transitoria en el enrollado secundario con una tensión más elevada alto voltaje. La unidad de control electrónico determina el tiempo que la corriente primaria deberá circular antes de ser interrumpida. La fuente de corriente eléctrica continua de bajo voltaje (12volt.) fluye de la batería conectada a un primario (enrollado primario de baja tensión) de un transformador o bobina y magnetiza el núcleo de hierro de la misma. Cuando el ruptor o platinos abren dicho circuito se produce una corriente transitoria de alta frecuencia en el enrollado primario, lo que a su vez induce una corriente transitoria en el enrollado secundario con una tensión más elevada, alto voltaje, ya que el número de espiras del secundario es mayor que el del primario. El circuito se corta muchas veces por segundo, conduciendo la corriente de alto voltaje a cada cilindro a través de un interruptor rotatorio el distribuidor. Esta alta tensión es la que produce la chispa
que salta entre los electrodos de la bujía la cual es el componente que produce la ignición. El distribuidor y el ruptor conforman un solo mecanismo y están unidos por un mismo eje conectado al árbol de levas, lo que garantiza la sincronización de las chispas. En los automóviles actuales se unas cada vez más los sistemas de ignición eléctricos, los cuales no utilizan el ruptor o platinos. Dicho sistema consta de: la unidad magnética o bobina captadora y el reductor la unidad
de
control
electrónica.
La corriente eléctrica fluye de la batería hacia la bobina captadora la cual envía dicha corriente a la unidad de control electrónica y cierra un circuito (imán). La bobina captadora trabaja con un reductor que hace imagen con la misma, cuando el diente del reductor queda en el vacío la unidad de control electrónico abre el circuito y se produce una corriente transitoria de alta frecuencia en el enrollado primario de la bobina de ignición, lo que a su vez induce una corriente transitoria en el enrollado secundario con una tensión más elevada alto voltaje. La unidad de control electrónico determina el tiempo que la corriente primaria deberá circular antes de ser interrumpida. En el sistema de ignición electrónico existe mayor eficiencia debido a que no se produce fricción o demasiado desgaste en sus componentes, como solía ocurrir en los sistemas de platino y condensador. El reductor y la unidad magnética hacen eléctricamente lo que la leva y el bloque de fricción hacen mecánicamente en el sistema con platinos. Actualmente existen diversos componentes que son fabricados para aumentar la capacidad y el rendimiento de los diferentes sistemas de ignición, de tal forma que se debe estudiar y efectuar (de acuerdo al caso) pruebas para desarrollar su eficiencia y colocar o cambiar los componentes que realmente aumenten las prestaciones del vehículo como lo son: módulos multiplicadores de chispas bobinas de alto voltaje ,cables de ignición de silicón y embobinado
bujías
con
punta
de
platino
o
múltiples
electrodos.
Dis son las siglas de "distribuitorless ignition system", lo cual se traduce al español como: "módulo integrado electrónico de bobina", lo que consiste en la combinación de la bobina de ignición y los actuadores electrónicos en un único módulo, eliminando mediante este dispositivo el distribuidor de ignición. Las informaciones sobre el avance y el punto del encendido son directamente liberadas por el ecm (electronic control module) al actuador del sistema electrónico de la bobina. Las bobinas tienen conexión de alto voltaje en cada extremidad de los secundarios por lo tanto, cada bobina acciona dos bujías de ignición, de tal manera que el módulo dis es capaz de recibir las señales en secuencia de punto electrónico del encendido. A bujía contiene dos electrodos separados entre los que la corriente de alto voltaje produce un arco eléctrico que genera la chispa que enciende el combustible dentro del cilindro. El cable de ignición utilizado para transportar corriente de alta tensión a las bujías en un motor de combustión interna, es un cable mono conductor, que está cubierto en tela impregnada de laca y silicona para aislarlo.
ESCAPE
Este sistema conduce gases del motor al exterior. Es importante porque ayuda a la expulsión de los gases del motor, a mejorar la combustión y la potencia final obtenida. La función de los motores de combustión interna es la de ayudar a los gases producidos en la combustión a escapar del motor hacia el exterior mejorar la combustión y reducir en algunos casos las emisiones de gases nocivos. Consta de un múltiple de escape, conductos, catalizador, silenciador y en algunas instalaciones, de censores auxiliares. Este sistema funciona bien si el flujo de gases hacia el exterior es continuo, de caudal acorde al régimen de marcha del motor y con pérdidas de carga admisibles requeridas por el fabricante del motor. La calidad del combustible utilizado, es importante en los sistemas con catalizador, ya que éste puede contaminarse. Las fallas más comunes de este sistema es el taponamiento de los conductos, por el depósito de partículas carbonosas, producto de una mala combustión, la obstrucción o contaminación de un catalizador
o
la
rotura
de
un
sensor.
Las reparaciones posibles son fundamentalmente la limpieza de los conductos, para extraer los depósitos de carbón, o el reemplazo de un componente como el catalizador si esta contaminado, el silenciador si está roto, o un sensor si la señal es defectuosa.
ENFRIAMIENTO
El sistema de enfriamiento es el que se encarga de que los diferentes componentes del motor se mantengan en temperaturas seguras y así evitar que el motor sufra desgastes prematuros o daños importantes y lograr con ello su máximo rendimiento. Algunas partes del motor que se deben enfriar constantemente son: Cámara de combustión, Parte alta del cilindro ,Cabeza del pistón, Válvulas de escape y de admisión ,Cilindro.
OBJETIVO DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
Reducir la temperatura dentro seguros de operación para los diferentes componentes, tanto exteriores como interiores del motor
Disminuir el desgaste de las partes
Reducir el calentamiento de los elementos de la máquina que se mueven unos con respecto a otros
Mantener una temperatura óptima para obtener el mejor desempeño del motor
Para cumplir con estos objetivos el sistema cuenta con el refrigerante que es la sustancia encargada de transferir el calor hacia el aire del medio ambiente, y debe tener las siguientes características:
Mantener el refrigerante en estado líquido evitando su evaporación. Esto se logra al cambiar el punto de evaporación de la sustancia refrigerante
Mantener el refrigerante en estado líquido evitando la formación de hielo al bajar la temperatura ambiente, esto se logra al cambiar el punto de congelación de la sustancia refrigerante
Evitar la corrosión
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO Los sistemas de enfriamiento se clasifican generalmente de acuerdo al tipo de elemento utilizado para enfriar el motor En algunos casos es un líquido y en otros es aire. Estos sistemas son muy confiables ya que no presentan fugas de la sustancia refrigerante pero no son tan eficientes como los que utilizan una sustancia líquida además de que proporcionan un mejor control de la temperatura en los cilindros y la cámara de combustión. En sistemas que manejan aire como elemento refrigerante, se requieren grandes cantidades de este elemento para enfriar al motor, por lo cual su uso está restringido a motores pequeños (como en el caso de algunas motocicletas) o en condiciones muy específicas.
CIRCUITO DEL LÍQUIDO REFRIGERANTE EN EL MOTOR Una banda acoplada a la polea del cigüeñal mueve la polea de la bomba de agua, ésta provoca el movimiento del líquido refrigerante del motor hacia el radiador, en él se hace pasar una corriente de aire movida por el ventilador hacia el líquido refrigerante, lo que le permite bajar su temperatura y, a través de unas mangueras, este líquido retorna hacia el motor para volver a iniciar el ciclo. El líquido que entra al motor transfiere parte del calor generado en la cámara de combustión removiéndolo de la parte superior del cilindro, de las válvulas de admisión y de escape, y del mismo cilindro a través de las camisas que lo envuelven y que forman parte del monoblock. Este líquido caliente es impulsado por la bomba de agua y enviado hacia el radiador pasando por el termostato concluyendo así el ciclo. Cuando el motor está por debajo de la temperatura de operación, el termostato bloquea el flujo de agua hacia el radiador, circulando éste solamente por las camisas de agua para elevar la temperatura de manera homogénea hasta un nivel óptimo. En días fríos el termostato permite apenas la circulación de refrigerante suficiente a través del radiador para eliminar el exceso de calor y mantener una temperatura adecuada en el motor. En días calurosos es probable que el termostato esté abierto por completo.
LUBRICACION
Este sistema es el que mantiene lubricadas todas las partes móviles de un motor, a
la
vez
que
sirve
como
refrigerante.
Tiene importancia porque mantiene en movimiento mecanismos con elementos que friccionan entre sí, que de otro modo se engranarían, agravándose este fenómeno con la alta temperatura en el interior del motor. El sistema consta de una bomba de circulación, un regulador de presión, un filtro de aceite, y conductos internos y externos por donde circula. Este funciona de la siguiente manera: Una bomba generalmente de engranajes, toma el aceite del depósito del motor, y lo envía al filtro a una presión regulada, se distribuye mediante conductos internos y externos del motor a las partes móviles, lubrica y refrigera las partes móviles y de ahí pasa al radiador donde absorbe un poco del calor y regresa al depósito.
ANTICONTAMINACION
Control de las emisiones del sistema de escape: El control de las emisiones del sistema de escape puede caber en tres partes: 1. Incremento de la eficiencia del motor 2. Incremento en la eficiencia del vehículo 3. Limpieza de las emisiones Convertidores Catalíticos: Los convertidores catalíticos son dispositivos que se colocan en la tubería de escape con lo que se pretende convertir varias emisiones toxicas en menos perjudiciales. Entre los elementos usados como catalizadores se incluyen platino, paladio y rodio. Los convertidores catalizadores han sido mejorados constantemente con los años. Estos hacen una mejora significativa, además de práctica, en el método de la reducción de las emisiones de los gases de escape. Su otro efecto significativo en la polución es que son incompatibles con el uso de tetra-etil de plomo te como un octano que le da más energía a la combustión de la gasolina, haciendo así que estos sean más comunes en los carros. Las emisiones de plomo son altamente
dañinas para la salud humana y su eliminación virtual ha sido uno de los éxitos más grandes en la reducción en el control de las emisiones de polución en el aire. Esfuerzos en la reducción de emisiones de vapores nocivos incluyen la captura de vapores ventilados dentro del vehículo y la reducción de estos al momento de recargar combustible.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES RECIPROCANTES DE COMBUSTION EXTERNA Un motor de combustión externa es una máquina que realiza una conversión de energía calorífica en energía mecánica mediante un proceso de combustión que se realiza fuera de la máquina, generalmente para calentar agua que, en forma de vapor,
será
la
que
realice
el
trabajo,
en
oposición a los motores de combustión interna, en los que la propia combustión, realizada dentro del motor, es la que lleva a cabo el trabajo.
Máquina de Vapor Partes que forman la Máquina de Vapor: Caldera: es el componente cuya función es la de calentar el agua hasta convertirla en vapor a alta presión. Lumbreras de entrada y salida (LE, LS): conductos de entrada y salida del vapor. Válvula de entrada (VE): permite la entrada del vapor al contenedor. Si se cierra, se corta todo el suministro de entrada de vapor. Contenedor (C): lugar donde se encuentra la válvula corredera. Válvula corredera (VC): componente que se encarga de regular la entrada y salida de vapor del cilindro. Se compone de una pieza con una cavidad, conectada a una barra que se desplaza hacia la izquierda o derecha por la acción del pistón. Estos desplazamientos hacen posible que se cambie la posición de entrada y salida del vapor para provocar el movimiento de vaivén. Cilindro (CIL): componente aislado térmicamente (para mantener la temperatura del vapor) que dispone de orificios para la entrada o salida del vapor, y contiene el pistón o émbolo, que se desplaza por su interior debido a la acción del vapor. Para que se desplace dicho pistón, dispone de dos orificios más por los extremos, por los que pasa la barra del pistón.
Pistón o émbolo (P): el pistón es un disco que ocupa la sección transversal interna del cilindro, y que está atravesado por una barra en el centro, que lo conecta al sistema de transformación del movimiento de vaivén en movimiento circular. Sistema de cambio de la válvula corredera (MI, MD): se compone de unas manivelas conectadas a la barra de la válvula corredera, que al ser accionadas por un resorte situado en la barra del pistón, hacen que cambie de posición dicha válvula. Biela (B): componente del Sistema de Transformación del Movimiento (STM) que une el pistón con la manivela. Manivela (M): componente del STM que conecta la biela con el volante y se encarga junto con la biela y el volante de transformar el movimiento de vaivén en un movimiento circular. Volante (V): último componente del STM que, por su fabricación de metal, mantiene el movimiento circular por la propia inercia de su peso.
Funcionamiento de la Máquina de Vapor En primer lugar se calienta agua en la caldera hasta que se obtiene vapor de la misma y es conducido hasta el contenedor (C) por la lumbrera de entrada (LE). Para ello se abre la válvula de entrada (VE). Si se desea cortar el suministro de vapor, por tanto, parar el funcionamiento de la máquina, se debe de volver a cerrar VE. En el momento que el vapor llega al contenedor, pasa al cilindro (CIL) por la lumbrera izquierda (LI). El vapor desplaza el pistón (P) hacia la derecha, moviendo el resorte (R), la biela (B), la manivela (M) y el volante (V). La biela junto con la manivela y el volante, se encargan de traducir el movimiento de vaivén del pistón en un movimiento circular. Desplazándose el resorte a la derecha, llega un momento que acciona la manivela de cambio derecha (MD), moviendo la válvula corredera (VC), que pasa de tapar a la lumbrera de escape (LES) y a la lumbrera derecha (LD), por imposibilitar la entrada de vapor a la lumbrera izquierda (LI) y a la lumbrera de escape (LES). Por tanto, el vapor entra ahora al cilindro (CIL) por la lumbrera derecha (LD), desplazando al pistón (P) hacia la izquierda. El vapor que ha quedado en la parte izquierda del cilindro (CIL), es presionado por el pistón (P), por lo que sale por LI hacia LES, que conduce el vapor hasta la lumbrera de salida (LS), la cual dirige el vapor
a
un
condensador
para
poder
reutilizarlo.
Como ocurría antes, el resorte (R) se va desplazando hacia la izquierda hasta que acciona la manivela de cambio izquierda (MI), volviendo a cambiar de posición la válvula corredera (VC), por lo que el vapor vuelve a entrar por la lumbrera izquierda (LI) al cilindro (CIL) moviendo al pistón (P), moviéndose este hacia la derecha. El vapor sobrante en la parte derecha del cilindro (CIL) sale por la lumbrera derecha (LD) hacia la lumbrera de escape (LES), y de ahí a la lumbrera de
salida
(LS).
A partir de este momento el funcionamiento de la máquina de vapor se repite, es decir, el pistón (P) se desplaza hacia una dirección desplazando consigo el resorte que acciona la manivela de cambio correspondiente con la dirección a la que se está desplazando dicho resorte. La pulsación de una de estas manivelas, hace que el movimiento del pistón (P) se invierta, y se desplace en la nueva dirección hasta que el resorte vuelve a pulsar una de las manivelas de cambio, y así sucesivamente. Finalizando, y como he dicho antes, todo este movimiento de vaivén es traducido por el Sistema de Transformación de Movimiento compuesto por la biela (B), la manivela (M) y el volante (V) en un movimiento rotatorio o circular, que puede ser empleado en diversos fines.
MOTORES STIRLING
El Motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling, reverendo escocés. El objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor .El principio de funcionamiento es el trabajo hecho por la expansión y contracción de un gas (normalmente helio o hidrógeno) al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se trata de un motor térmico. Este motor, de gran antigüedad, continúa en investigación gracias a la versatilidad de fuentes de energía posibles, ya que al necesitar solamente una fuente de calor, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas (energía solar térmica, todo tipo de
combustibles, uso de la biomasa, calor geotérmico, etcétera). Hoy existe una variedad de artefactos que utilizan este principio, incluso algunos con base acústica. Esta tecnología se considera que será de gran aplicación para regiones donde hay gran número de agricultores dispersos, a los cuales sería muy costoso llegar con red eléctrica. Es de esperarse que los fabricantes de motores Stirling construyan en gran escala unidades pequeñas de ese mismo tipo, (con disco solar) como por ejemplo con capacidad de producir unos 200 a 400 kilowatts/hora al mes; especialmente para los países situados a latitudes bajas, pues es en estas regiones donde la cantidad de radiación solar es grande a lo largo de todo el año y a su vez es la región donde hay mas población dispersa. El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que, en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción. Conviene advertir que no serviría como motor de coche, porque aunque su rendimiento es superior, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas. Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isocóricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas (compresión
y
expansión
a
temperatura
constante).
Funcionamiento El regenerador, que, aunque no es obligatorio, permite alcanzar mayores rendimientos. Éste, tiene la función de absorber y ceder calor en las evoluciones a volumen constante del ciclo. El regenerador es un medio poroso, con conductividad térmica despreciable. Divide al motor en dos zonas: zona caliente y zona fría. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fría a lo largo de los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador.
