CICLO TERMODINAMICO y y y y
Otto Diesel Brayton Stirling
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 de un compresor que fuerza la mezcla de aireairecombustible 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 l os motores m otores mas m as utilizados util izados 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 exclusiv amente por por algunos fabricantes fabric antes de automóviles, principalmente para los amantes de la velocidad.
TIPO DE LUBRICACION 1.
Motores de cárter húmedo: Motores donde existe un cárter cárter que contiene aceite lubricante.
CICLO TERMODINAMICO y y y y
Otto Diesel Brayton Stirling
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 de un compresor que fuerza la mezcla de aireairecombustible 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 l os motores m otores mas m as utilizados util izados 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 exclusiv amente por por algunos fabricantes fabric antes de automóviles, principalmente para los amantes de la velocidad.
TIPO DE LUBRICACION 1.
Motores de cárter húmedo: Motores donde existe un cárter cárter que contiene aceite lubricante.
2. Motores de cárter seco: En este este caso el cárter está está vacío y el lubricante entra al motor mezclado con la gasolina.
TIPO DE ENFRIAMIENTO 1.
Por Aire 2. Por Liquido Las máquinas de fluido se suelen clasificar según varios principios. y y y
Según la naturaleza del fluido que las atraviesa Según el mecanismo de intercambio energético Según el sentido de intercambio energético
SEGÚN LA NATURALEZA DEL FLUIDO QUE LAS ATRAVIESA: y
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: y
y
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).
1.3 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA 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:
y
y
y y
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.
1.3.1 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: y y
Motor de cuatro tiempos 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 9 0º 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 2 º tiempo el cigüeñal da 36 0º 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 24 0º, 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 36 0º 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.
1.3.2 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.
1.3.3 TURBINAS Turbina es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbomáquinas 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: y y
Turbinas hidráulicas Turbinas térmicas
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: y
y
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 (ns<=3 0). El distribuidor en estas turbinas se denomina inyector. Turbinas de reacción: Son aquellas en que el fluido sí sufre un cambio de presión considerable a través de su paso por el rodete. El fluido entra en el rodete con una presión superior a la atmosférica y a la salida de éste presenta una depresión. Se caracterizan por presentar una tubería de aspiración, la cual une la salida del rodete con la zona de descarga de fluido. Estas turbinas se pueden dividir atendiendo a la configuración de los álabes. Así, existen las turbinas de álabes fijos (Francis->Flujo 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: y
y
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: y
y y
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.
1.4 COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO DELOS SISTEMAS AUXILIARES DE LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA RECIPROCANTES
1.4.1 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 aire-combustible 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: y y
Sistema carburado o de admisión natural 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.
1.4.2 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: y y
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: y
y
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: y y
Utilizando un compresor helicoidal accionado mecánicamente desde el motor. 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. La figura 1 muestra uno de estos compresores montado en el motor. Básicamente están constituidos por dos rotores lobulados construidos con gran precisión que giran sincronizados a través de un engranaje interno como puede apreciarse en la vista semi desmontada de la figura 2. 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 turbo-compresores 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.
1.4.3 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: y y y y y
y y
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 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: y y y
la unidad magnética o bobina captadora 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: y y y y
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 monoconductor, que está cubierto en tela impregnada de laca y silicona para aislarlo.
1.4.4 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.
1.4.5_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
Tener una gran capacidad para intercambiar calor
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.
1.4.6 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.
1.4.7 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.
1.5 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.
1.6 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 2 00a 400 kilowats.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.
COMBUSTIÓN Y APLICACIÓN DE LOS CICLOS TERMODINÁMICOS.
2.1 CARACTERIZACIÓN DE FLAMA. Cuando se produce la combustión de un elemento inflamable en una atmósfera rica en oxígeno, se observa una emisión de luz, que puede llegar a ser intensa, denominada llama. Todas las reacciones de combustión son muy exotérmicas y desprenden gran cantidad de energía en forma de calor . La llama es provocada por la emisión de energía de los átomos de algunas partículas que se encuentran en los gases de la combustión, al ser excitados por el intenso calor generado en este tipo de reacciones.
2.2 COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES DEL AIRE Y DE LOS COMBUSTIBLES. ¿Qué es el aire? Es una mezcla homogénea que se compone de los elementos que se citan en el siguiente apartado. Composición porcentual del aire. La atmósfera terrestre está constituida principalmente por nitrógeno (7 8%) y oxígeno (2 1%). El 1% restante lo forman el argón (0,9%), el dióxido de carbono (0,03%), distintas proporciones de vapor de agua, y trazas de hidrógeno, ozono, metano, monóxido de carbono, helio, neón, kriptón y xenón. Contaminantes del aire. Los principales contaminantes del aire:
CONTAMINANTE Monóxido de carbono (CO) Dióxido de azufre (SO 2) Partículas en suspensión Plomo (Pb) Hidrocarburos no metálicos Dióxido de carbono (CO2)
PRINCIPALES FUENTES Vehículos de motor Plantas de ácido sulfúrico Vehículos de motor Vehículos de motor Vehículos de motor Todas las fuentes de combustión
Propiedades de los combustibles Las propiedades más características de un combustible son las siguientes: Composición Conocer la composición de un combustible es muy importante para poder determinar los parámetros característicos estequiométricos de la reacción de combustión y conocer si en el existen sustancias que puedan tener importancia posterior en cuanto a la contaminación o nocividad de los productos de reacción. La forma más común de indicar la composición de un combustible gaseoso es como porcentaje en volumen de cada uno de sus componentes en condiciones normales. Poder Calorífico El poder calorífico (PC) de un combustible es la cantidad de energía desprendida en la reacción de combustión, referida a la unidad empleada de combustible (Kg, Kmol, m 3) Poder calorífico Superior (PCS):
Expresa la cantidad de calor que se desprende en la reacción completa de la unidad de combustible con el agua de los humos en forma líquida a 0 ºC y 1 atm. Poder calorífico Inferior (PCI):
Expresa la cantidad de calor que se desprende en la reacción completa de la unidad de combustible con el agua de los humos en estado de vapor.
Viscosidad La viscosidad tiene gran importancia en los combustibles líquidos a efectos de su almacenamiento y transporte. Su determinación es experimental y los valores típicos se encuentran tabulados para los distintos combustibles industriales líquidos. Densidad Generalmente se determina experimentalmente y para el caso de los combustibles gaseosos se utiliza la densidad relativa al aire. En la práctica es muy importante conocer este parámetro para saber si el gas combustible se acumula en el techo o en el suelo, en caso de una fuga en un local cerrado. La densidad absoluta del aire en condiciones normales es de 1,293 kg/m3. Limite de inflamabilidad Esta propiedad es característica a los combustibles gaseosos y establece la proporción de gas y aire necesaria para que se produzca la combustión, indicando un límite superior y uno inferior. Punto de inflamación Para que una reacción de combustión se produzca, la mezcla de combustible y comburente debe alcanzar una temperatura mínima necesaria, que recibe el nombre de punto de inflamación. El punto de inflamación depende del comburente, por lo que su valor no es el mismo si se utiliza oxígeno o aire. Clasificación de los combustibles Podemos clasificar a los combustibles según su origen en comerciales y especiales.
Combustibles comerciales N aturales
o primarios
Sólidos y
y
y
carbón, madera, biomasa algunos metales (costo muy elevado) Uranio (elemento radiactivo que genera la fisión en un reactor nuclear)
Líquidos y
Petróleo y sus derivados
Gases y
y
Gas natural Gas licuado de petróleo (GLP)
Artificiales
o secundarios
Sólidos y
y
y
y
coque (destilado de carbón de hulla) carbón vegetal (destilado de la madera a 25 0ºC) Aglomerado de hulla Biomasa residual (basura y residuos urbanos, estiércol, etc.)
Líquidos y
y
Alcoholes (destilados de la biomasa) Aceites de nafta y benzol (destilados de petróleo)
Gaseosos y
y
y
Destilados de madera Destilados de la hulla Destilados de naftas de petróleo
Combustibles especiales Este tipo de combustibles generalmente se utilizan para impulsar cohetes o en usos militares. Líquidos y
y
y
H2 liquido + O 2 liquido Kerosene + O 2 liquido Dimetilhidracina [ NH 2-N(CH3)2] + N2O4
Sólidos y
y
Perclorato amónico ( NH 4ClO4) Pólvora (NaNO3 o KNO3 ,+ S + C )
2.3. ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTIÓN. ESTEQUIMETRIA DE LAS COMBUSTIONES Las consideraciones siguientes se refieren al uso de aire como comburente, ya que es el utilizado en la práctica totalidad de las instalaciones de calderas. La estequiometría de la combustión se ocupa de las relaciones másicas y volumétricas entre reactivos y productos. Los aspectos a determinar son principalmente: - Aire necesario para la combustión - Productos de la combustión y su composición Para predecir estas cantidades es preciso referirse a un proceso ideal que dependa de unos pocos parámetros, básicamente la naturaleza del combustible. COMBUSTION INCOMPLETA Los componentes del combustible no se oxidan totalmente por lo que aparecen los denominados inquemados, los más importantes son CO y H2; otros posibles inquemados son carbono, restos de combustible, etc.
COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA Es la Combustión Completa realizada con la cantidad estricta de oxígeno; es decir, el aire empleado en la combustión es el mínimo necesario para contener la cantidad de oxígeno correspondiente a la oxidación completa de todos los componentes del combustible. La expresión de esta combustión es:
CxHy + n Aire (O2 + N2) x CO2 + (y/2) H2O + 0,79 nN2 + Calor (Q) En este caso 0,21 n = x + (y/4), siendo el calor generado es el correspondiente a la combustión completa.
La combustión estequiométrica permite definir los parámetros característicos de los combustibles: PODER COMBURIVORO Es la cantidad de aire seco, medida en condiciones normales (Tª = 0°C y P=1atm), mínima necesaria para la combustión completa y estequiométrica de la unidad de combustible. Unidades habituales: Nm3/kgCombustible, Nm3/Nm3Combustible. Es un parámetro característico únicamente de la composición del combustible y puede tabularse con facilidad PODER FUMIGENO Es la cantidad de productos de la combustión (Nm3) que se producen en la combustión estequiométrica de la unidad de combustible. En función de considerar o no el vapor de agua existente en los productos de la combustión, se tienen Poderes Fumígenos Húmedo y Seco, respectivamente. COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE La mayor parte de las combustiones no transcurren en estas condiciones ideales (completa y estequiométrica), el principal aspecto a considerar será la posibilidad de que la combustión transcurra con exceso o defecto de aire, para caracterizar la proporción de oxigeno se define el parámetro ³coeficiente de exceso de aire´: n = volumen aire por unidad de combustible / Poder Comburívoro n = 1 : Combustión Estequiométrica n < 1 : Defecto de aire, se dice que la mezcla es rica n > 1 : Exceso de aire, se dice que la mezcla es pobre COMBUSTION CON DEFECTO DE AIRE La cantidad de aire utilizada no contiene el oxígeno necesario para oxidar completamente a los componentes del combustible. CxHy + n2 (O2 + N2) CO2 + CO + H2 + H2O + 0,79 n2 N2 + Calor (Q 1) Además de los productos normales de la combustión, Dióxido de carbono (CO2) y Agua (H2O), se producen inquemados como el Monóxido de Carbono (CO) e Hidrógeno (H2); en algunos casos con mucho defecto de aire puede haber incluso carbono y combustible sin quemar, en los humos. El calor producido es inferior al de la combustión completa (Q 1 Q). TEORIA DE LA COMBUSTION Página 6 COMBUSTION CON EXCESO DE AIRE En este caso la cantidad de aire aportada es superior a la correspondiente a la combustión estequiométrica; la combustión en estas condiciones puede ser completa o incompleta. - COMPLETA Su expresión es: CxHy + n1 (O2 + N2) x CO2 + (y/2) H2O + 0,21 (n1 - n) O2 + 0,79 n1 N2 + Calor (Q) 0,21 n1 x + y/4
Al emplearse más aire que el estrictamente necesario, en los humos se da la presencia de oxígeno. El calor generado (Q) es el correspondiente a la combustión completa. - INCOMPLETA La cantidad de aire utilizada es superior a la correspondiente a la combustión estequiométrica, pero a pesar de ello, debido fundamentalmente a que no se ha logrado una buena mezcla entre el combustible y el aire, los componentes del combustible no se oxidan totalmente. CxHy + n1 (O2 + N2) CO2 + CO + H2 + H2O + O2 + 0,79 n1 N2 + Calor (Q2) 2.4. Primera ley de la termodinámica y la combustión. La primera ley de la termodinámica da una definición precisa del calor, otro concepto de uso corriente. Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación de las temperaturas de ambos. Para explicar este fenómeno, los científicos del siglo XVIII conjeturaron que una sustancia que estaba presente en mayor cantidad en el cuerpo de mayor temperatura fluía hacia el cuerpo de menor temperatura. Según se creía, esta sustancia hipotética llamada calórico era un fluido capaz de atravesar los medios materiales. Ley de la Combustión Inherente Toda materia en el universo es susceptible de explotar. y
Primer Corolario
Todo lo que explota se hincha primero. y
S egundo
Corolario
Toda vez que estalle algo en el espacio exterior, habrá fuego. La razón es sencilla: no hay bomberos en el espacio. y
T ercer
Corolario
Las grandes ciudades son las substancias más explosivas conocidas por la ciencia humana. Tokio, en particular, parece ser la más inestable de estas ciudades, a menudo mencionada como "La Ciudad Fósforo".
2.4.1. TEMPERATURA DE COMBUSTIÓN. La unidad que se emplea para medir la cantidad de calor desarrollada en la combustión se la denomina poder calorífico. Se entiende por poder calorífico de un combustible, la cantidad de calor producida por la combustión completa de un kilogramo de sea sustancia. Tal unidad se la mide en cal/kg de combustible. El punto de inflamación de una mezcla esta dado por la temperatura: Para el acetileno 425 ºC Para el metano 7 00 ºC
Para el hidrógeno 5 85 ºC Para el óxido de carbono 65 0 ºC
2.4.2. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y LA COMBUSTIÓN. La segunda ley de la termodinámica o segundo principio de la termodinámica expresa, en una forma concisa, que "La cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a incrementarse con el tiempo". Más sencillamente, cuando una parte de un sistema cerrado interacciona con otra parte, la energía tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcanza un equilibrio térmico. 2.4.3. Velocidad de propagación. Descripción de la propagación
Consideremos una función =f ( x ), si reemplazamos x por x-a, obtenemos la función =f ( x-a). La forma de la curva no cambia, los mismos valores se obtienen de para valores de x aumentados en a. Si a es una cantidad positiva, la curva se traslada sin cambiar de forma hacia la derecha desde el origen a la posición a. Del mismo modo =f ( x+a) corresponde a un desplazamiento de la función hacia la izquierda, en la cantidad a. Si a=vt , donde t es el tiempo, la función "se desplaza" con velocidad v . =f ( x-vt ) describe la propagación de una perturbación representada por la función f ( x ), sin distorsión, a la largo del eje X, hacia la derecha, con velocidad v . Velocidad de propagación de una onda Todas las ondas tienen una velocidad de propagación finita., en la cuyo valor influyen las fuerzas recuperadoras elásticas del medio y determinados factores de la masa del medio: la densidad
lineal en las cuerdas; la profundidad del agua bajo la superficie, o el coeficiente adiabático, la masa molecular y la temperatura en el caso de la propagación del sonido en un gas. En todos los casos la velocidad es constante y, como siempre, será:
Pero veamos qué es el El periodo
que la onda recorre en un tiempo
.
será el tiempo que transcurre entre dos instantes consecutivos en los cuales un punto
del medio vuelve a poseer las mismas propiedades. Será pues igual del movimiento oscilatorio del punto.
siendo la frecuencia
Por su parte el espacio recorrido por la onda en ese tiempo será la distancia en tre dos puntos consecutivos que se encuentran con la misma propiedad. A esa distancia se le llama longitud de onda, . Por lo tanto No obstante, esa velocidad puede medirse en algunos casos. La ecuación que, de un modo general, nos permite determinar la velocidad en una cuerda es
Donde es la tensión a la que se encuentra sometida la cuerda. En la experiencia descrita es el peso de la masa , es decir, 2.6 DIAGRAMAS DE MEZCLAS QUEMADAS Y NO QUEMADAS. MODELOS IDEALES Los gases de combustión se evalúan cualitativa y cuantitativamente. Mediante el análisis de estos gases vamos a poder saber si la reacción de combustión va bien o mal. Podemos conocer también la energía que se está produciendo y cuanta se puede estar perdiendo. Para todo esto, lo primero es tomar muestras de los gases de combustión. La toma de muestras se realiza principalmente de dos maneras:
Por aspiración
Por filtro
En ambos casos, se recogen los gases para llevarlos a analizar. Estas muestras se recogen tanto en conductos intermedios como en la mismas chimenea de salida de gases.
Los puntos en los que tomamos la muestra vienen condicionados por lo que queramos exactamente de esa muestra. Hay que tener en cuenta que la composición de los gases va variando desde la salida de la cámara de combustión hasta que sale por la chimenea. 2.7 CICLO OTTO El ciclo Otto es el ciclo termodinámico ideal que se aplica en los motores de combustión interna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante. El ciclo consta de seis procesos, dos de los cuales se cancelan mutuamente:
E-A: admisión a presión constante A-B: compresión isentrópica B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil C-D: fuerza, expansión isentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante.
Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos. y
y
Durante la primera fase el pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro(Esto no significa que entre de forma Gaseosa). Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla.
y
y
Durante la tercera fase se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón. El la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización. En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS, expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo.
Para mejorar el llenado del cilindro, también se utilizan sistemas de sobrealimentación, ya sea mediante turbocompresores (turbos o mediante compresores volumétricos o también llamados compresores de desplazamiento positivo La eficiencia de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros, la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración. En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octanos. Una relación de compresión baja requiere combustible con bajo numero de octanos para hacer que el combustible alcance su punto de ignición. De la misma manera, una compresión alta requiere un combustible de alto numero de octanos, para evitar los efectos de detonación del combustible, es decir, que se produzca una autoignición del combustible antes de producirse la chispa en la bujía. La eficiencia media de un buen motor Otto es de un 25 a un 3 0%, inferior al rendimiento alcanzado con motores diesel, que llegan a rendimientos del 3 0 al 45%. En el ciclo otto los motores trabajan en un rango de presiones de 5 a 10 bares, una relacion de compresion de 7 a 10, donde el exceso de aire (factor lambda), toma valores de 0,9 a 1,1. 2.8 CICLO DIESEL El ciclo del motor diésel lento (en contraposición al ciclo rápido, más aproximado a la realidad) ideal de cuatro tiempos es una idealización del diagrama del indicador de un motor Diesel, en el que se omiten las fases de renovado de la masa y se asume que el fluido termodinámico que evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Además, se acepta que todos los procesos son ideales y reversibles, y que se realizan sobre el mismo fluido. Aunque todo ello lleva a un modelo muy aproximado del comportamiento real del motor, permite al menos extraer una serie de conclusiones cualitativas con respecto a este tipo de motores. Consta de las siguientes fases: y
Compresión, proceso 1-2: es un proceso de compresión adiabática reversible (isentrópica). Viene a simbolizar el proceso de compresión de la masa fresca en el motor real, en el que en
y
y
y
el pistón, estando en el punto muerto inferior (PMI), empieza su carrera de ascenso, comprimiendo el aire contenido en el cilindro. Ello eleva el estado termodinámico del fluido, aumentando su presión, su temperatura y disminuyendo su volumen específico, en virtud del efecto adiabático. En la idealización, el proceso viene gobernado por la ecuación de la isentrópica , con k índice de politropicidad isentrópico. Combustión, proceso 2-3: en esta idealización, se simplifica por un proceso isóbaro. Sin embargo, la combustión Diesel es mucho más compleja: en el entorno del PMS (en general un poco antes de alcanzarlo debido a problemas relacionados con la inercia térmica de los fluidos), se inicia la inyección del combustible ( en motores de automóviles, gasóleo, aunque basta con que el combustible sea lo suficientemente autoinflamable y poco volátil). El inyector pulveriza y perliza el combustible, que, en contacto con la atmósfera interior del cilindro, comienza a evaporarse. Como quiera que el combustible de un motor Diesel tiene que ser muy autoinflamable (gran poder detonante), ocurre que, mucho antes de que haya terminado la inyección de todo el combustible, las primeras gotas de combustible inyectado se autoinflaman y dan comienzo a una primera combustión caracterizada por ser muy turbulenta e imperfecta, al no haber tenido la mezcla de aire y combustible tiempo suficiente como para homogeneizarse. Esta etapa es muy rápida, y en el presente ciclo se obvia, pero no así en el llamado ciclo Diesel rápido, en el que se simboliza como una compresión isócora al final de la compresión. Posteriormente, se da, sobre la masa fresca que no ha sido quemada, una segunda combustión, llamada combustión por difusión, mucho más pausada y perfecta, que es la que aquí se simplifica por un proceso isóbaro. En esta combustión por difusión se suele quemar en torno al 80% de la masa fresca, de ahí que la etapa anterior se suela obviar. Sin embargo, también es cierto que la inmensa mayoría del trabajo de presión y de las pérdidas e irreversibilidades del ciclo se dan en la combustión inicial, por lo que omitirla sin más sólo conducirá a un modelo imperfecto del ciclo Diesel. Consecuencia de la combustión es el elevamiento súbito del estado termodinámico del fluido, en realidad debido a la energía química liberada en la combustión, y que en este modelo ha de interpretarse como un calor que el fluido termodinámico recibe, y a consecuencia del cual se expande en un proceso isóbaro reversible. Expansión, proceso 3-4: se simplifica por una expansión isentrópica del fluido termodinámico, hasta el volumen específico que se tenía al inicio de la compresión. En la realidad, la expansión se produce a consecuencia del elevado estado termodinámico de los gases tras la combustión, que empujan al pistón desde el PMS hacia el PMI, produciendo un trabajo. Nótese como, como en todo ciclo de motor de cuatro tiempos, sólo en esta carrera, en la de expansión, se produce un trabajo. Última etapa, proceso 4- 1: esta etapa es un proceso isocórico(Escape). desde la presión final de expansión hasta la presión inicial de compresión. En rigor, carece de cualquier significado físico, y simplemente se emplea ad hoc, para poder cerrar el ciclo ideal. Sin embargo, hay autores que no satisfechos con todas las idealizaciones realizadas, insisten en dar un siginificado físico a esta etapa, y la asocian el renovado de la carga, pues, razonan, es esto lo que se produce en las dos carreras que preceden a la compresión y siguen a la expansión: el escape de masa quemada y la admisión de masa fresca. No obstante, el escape es un proceso que requiere mucho más trabajo que el que implica este proceso (ninguno), y además ninguno de los dos procesos se da, ni por asomo, a volumen específico constante.
Es importante notar cómo, en el ciclo Diesel, no se deben confundir nunca los cuatro tiempos del motor con el ciclo termodinámico que lo idealiza, que sólo se refiere a dos de los tiempos: la carrera de compresión y la de expansión; el proceso de renovado de la carga cae fuera de los procesos del ciclo Diesel, y ni tan siquiera es un proceso termodinámico en el sentido estricto.
2.9 CICLO STIRLING El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico del motor Stirling que busca obtener el máximo rendimiento. Por ello, es semejante al ciclo de Sadi Carnot. A diferencia de la máquina de Carnot, (la cual logra la mayor eficiencia teórica) esta máquina está constituida por dos isotermas,dos isocoras y un sistema de regeneración entre las isocoras. Existe también una máquina similar según el ciclo Ericsson, la cual consta de dos isotermas y dos isobaras. También consta de un sistema de regeneración entre las isobaras como en el ciclo Stirling. El Ciclo Stirling Ideal consiste de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo: y
y
y
y
1-2.
Compresión Isotérmica del gas a la temperatura inferior. Durante este proceso se cede al exterior una cantidad de calor a la fuente fría.. 2-3. Absorción de calor a volumen constante (isocórico o isócoro). El gas absorbe del regenerador una cantidad de calor Qr y aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presión. 3-4. Expansión isoterma del gas a alta temperatura. Durante este proceso se absorbe calor de la fuente caliente. 4-1. Cesión de una cantidad de calor Qr al regenerador a volumen constante, disminuyendo la temperatura del fluido.
2.10 CICLO BRAYTON Admisión El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina
Compresor El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática AB. Cámara de combustión En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro BC. Turbina El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C D. Escape Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante DA. Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamente recircula y solo el calor es cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo del ciclo de Brayton ideal es más
aproximado que para los de ciclo abierto. El rendimiento (o eficiencia) de una máquina térmica se define, en general como ³lo que sacamos dividido por lo que nos cuesta´. En este caso, lo que sacamos es el trabajo neto útil, | W | . Lo que
nos cuesta es el calor Qc, que introducimos en la combustión. No podemos restarle el calor | Qf | ya que ese calor se cede al ambiente y no es reutilizado (lo que violaría el enunciado de KelvinPlanck). Por tanto
Sustituyendo el trabajo como diferencia de calores
Esta es la expresión general del rendimiento de una máquina térmica. 2.11 COMPARACION DE LOS CICLOS REALES CON LOS CICLOS IDEALES Ciclo Otto Teórico: Típicamente el ciclo lo describe un sistema cilindro-pistón, accionado por un mecanismo biela-manivela. La descripción del ciclo Otto teórico se hizo en un punto anterior. Aquí tenemos que recordar los siguientes aspectos básicos que valen para un ciclo de cuatro tiempos: El pistón se mueve entre dos extremos llamados Punto Muerto Superior (PMS) y Punto Muerto Inferior (PMI). Se usa el término de punto muerto pues cuando el cigueñal se mueve una cierta cantidad de grados en torno al punto muerto, el desplazamiento vertical del pistón es pequeño. En cambio cuando se mueve los mismos grados a mitad de carrera, el desplazamiento es grande. Se llama carrera la distancia que hay entre el PMS y PMI. Una carrera, por lo tanto, corresponde a media vuelta de cigueñal. El cilindro se conecta con el exterior por medio de un sistema de admisión y un sistema de escape. La admisión de mezcla aire/combustible se controla por medio de una válvula de admisión (VA) y la expulsión de gases quemados a la atmósfera se controla por medio de una válvula de escape (VE). El desplazamiento es el volumen que desplaza el pistón entre su carrera desde el PMS a PMI o vice versa. El volumen mínimo o volumen muerto es el volumen que queda adentro del cilindro cuando el pistón está justo en el PMS. El volumen máximo es el volumen dentro del cilindro cuando el pistón está en el PMI. La razón de compresión es el cuociente entre el volumen máximo y volumen mínimo. Un ciclo de 4 tiempos completo se realiza en dos revoluciones completas del motor (4 carreras): carrera de admisión (VA abierta y VE cerrada, desde PMS a PMI); carrera de compresión (VA y VE cerradas, desde PMI a PMS); carrera de trabajo (VA y VE cerradas, desde PMS a PMI) y carrera de expulsión o escape (VA cerrada, VE abierta, desde PMI a PMS).
Potencia de Bombeo: El ciclo real tiene dos áreas de trabajo. Un área positiva que corresponde a la evolución 1-2-3-4 y un área de trabajo negativo que corresponde al trabajo de aspiración 0-1 más el trabajo de expulsión 1-0. Esta área de trabajo negativo se llama trabajo de bombeo y corresponde al trabajo necesario a hacer debido al llenado y vaciado de cilindro. La potencia de bombeo es simplemente el trabajo de bombeo que se pierde por unidad de tiempo. En la práctica el motor Otto (a gasolina) controla el trabajo generado por ciclo aumentando la potencia de bombeo. En efecto, para el motor Otto, la razón aire/combustible debe mantenerse casi constante e igual a la estequiométrica en todo el rango de funcionamiento. Por lo tanto a baja potencia y rpm la solución que se adopta es estrangular la admisión, para que así entre menos masa de aire y, por lo tanto, también disminuya la cantidad de combustible. Por lo tanto el trabajo de succión que se debe hacer durante la admisión crece mucho (es trabajo negativo). Por otro lado en la descarga o vaciado del cilindro también hay un área negativa que tiende a ser importante. De hecho cuando el motor está sin carga y en ralenti, el trabajo de bombeo es igual al trabajo positivo generado por el ciclo y el trabajo neto es cero. Presión Media Efectiva: El trabajo neto que entrega el ciclo real es la suma del trabajo positivo (evolución real 1-2-3-4) más el trabajo negativo de bombeo ( 0-1 más 1-0). Podemos asimilar esta área de trabajo en un diagrama p-V a un rectángulo de área equivalente que tiene como presión mínima la presión ambiente, volumen mínimo el v olumen V_2 y volumen máximo el volumen V_ 1. La presión máxima de este ciclo teórico es la presión media efectiva. En buenas cuentas la presión media efectiva resulta de calcular un ciclo teórico, rectangular, que tiene el volumen mínimo y máximo del ciclo, presión mínima igual a la ambiente y presión máxima tal que el área de trabajo encerrado por este ciclo equivale al trabajo neto del ciclo real. Rendimiento Volumétrico: Otro concepto importante en el análisis del rendimiento que tiene un ciclo real es el rendimiento volumétrico. Este simplemente expresa el cuociente entre la masa de aire real que entra al cilindro en una embolada y la masa de aire teórica. El cilindro tiene un volumen desplazado igual a Vmax - Vmin. Si el cilindro admitiera aire (mezcla) a presión ambiente, la masa que entra sería simplemente: $$ m = \varrho \cdot (V_{max} - V_{min}) \qquad = { p_a \over R' \cdot T_a} \times (V_{max} V_{min}) $$ Un menor rendimiento volumétrico hace que el motor pierda potencia. Hay varios fenómenos que hacen que la masa de aire que entra al cilindro es menor a la teórica. En particular: y
A medida que la altura sobre el nivel del mar aumenta, la masa de aire disminuye. En vehículos antiguos, carburados, esto además da origen a mezcla excesivamente rica y pérdida adicional de potencia.
y
y
y
Si la temperatura ambiente sube, la densidad del aire disminuye y baja el rendimiento volumétrico (y potencia). La pérdida de carga en el sistema de admisión de aire disminuye el rendimiento volumétrico. En particular, filtros de aire tapados o en mal estado dan origen a este fenómeno. Cuando las revoluciones del motor son muy elevadas, los fenómenos de roce en el sistema de admisión (filtro, múltiple de admisión, válvulas) crecen más rápido que las rpm, lo cual hace que el rendimiento volumétrico caiga.
Factores que Afectan Rendimiento de Ciclo Real: SE sobreponen el ciclo Otto teórico y lo que ocurriría si la apertura y cierre de válvulas así como el encendido de mezcla ocurra justo en los puntos claves del ciclo. En la descripción que sigue se compara lo que en teoría ocurre en cada evolución del ciclo y lo que ocurriría si se sigue el ciclo teórico. Evolución 0-1; Aspiración: la válvula de admisión (VA) se abre y la válvula de escape está cerrada. En teoría el cilindro se llena con mezcla a presión ambiente. En realidad hay pérdida de carga en el sistema de admisión (filtro de aire, múltiple de admisión, flujo por válvula de admisión), esto hace que la presión en 1, p_ 1 sea menor que la presión ambiente. si en ese instante se cierra la válvula de admisión, el cilindro queda lleno de mezcla a presión significativamente menor que el ambiente. Al haber menos mezcla (menos aire), esto afectará negativamente la potencia que puede desarrollar el motor. Evolución 1-2; Compresión: esta evolución en principio es una adiabática. Como p_ 1 es menor que el ambiente, la presión p_2 también termina de estar bastante por debajo de lo que ocurre en teoría. Evolución 2-3; Combustión: La combustión en teoría es a volumen constante (isócora). Esto sería así si el tiempo de combustión fuera 0. Pero en realidad el frente de llama tiene una velocidad finita (del orden de la decena de metros por segundo). Cuando los motores Otto eran muy lentos ( 100 a 200 rpm), en la práctica la combustión se podía considerar instantánea, pero al sobrepasar las 2.000 a 3.000 rpm, la velocidad del pistón es del mismo orden de magnitud que el frente de llama. Además, al iniciarse la combustión, esta se propaga desde la bujía al entorno de la cámara de combustión. Como el frente de llama es pequeño en un inicio, la presión subre relativamente lento. Entonces si se enciende la chispa justo en el punto 2 (PMS), el pistón comenzará a bajar de inmediato y el volumen a aumentar y la presión crecer menos de lo que debería. Evolución 3-4; Carrera de trabajo: Esta evolución, en teoría, es expansión adiabática sin roce. Como el punto 3 termina a menor presión y más volumen que la teoría, es pierde área de trabajo. Evolución 4-1; apertura Válvula de Escape: en teoría, al abrir la válvula de escape (lo que debería ocurrir instantáneamente en el punto 4), la presión dentro de la cámara de combustión cae en forma instantánea de p_4 a p_a (presión ambiente). Sin embargo ocurre que la apertura de la VE no es instantánea y además los gases de escape tienen que vencer el roce de fluir en torno a la VE y del sistema de escape (múltiple de escape, catalizador, ducto de escape y silenciador). Todo esto hace que la presión no caiga instantáneamente hasta p_a, sino que más lentamente, lo cual hace que de a poco se acerque la presión a p_a. Evolución 1'-0; carrera de escape: en teoría esta evolución es a p_a. Pero en realidad la presión va cayendo hasta p_a. Esto se hace con la válvula de escape (VE) abierta. Si justo al llegar al PMS se cierra la VE y se abre la VA, ocurrirá que quedará dentro de la cámara de combustión una cierta
cantidad de gases quemados (correspondientes al volumen muerto del cilindro). Estos gases quemados disminuyen el rendimiento del próximo ciclo al quitar volumen y aire fresco para la siguiente evolución. En resumen, si se trata de abrir y cerrar válvulas y dar la chispa justo en los puntos teóricos del ciclo Otto, el rendimiento y performance se deterioran por: Mal llenado de cilindro: al admitir mezcla a presión inferior al ambiente, la masa aire/combustible que llena el cilindro es menos que la teórica, esto bajará la cantidad de trabajo que se puede generar, pues entra menos combustible y además el trabajo de admisión es negativo. Combustión no isócora: al dar la chispa justo en el PMS, se pierde trabajo por aumento de volumen durante la combustión y además porque adiabática de trabajo ocurrirá a presión menor que la teórica. Vaciado no instantáneo del cilindro: al abrir la VE justo en el PMI, el vaciado del cilindro es no instantáneo, lo cual origina trabajo negativo de vaciado. Carrera de expulsión con presión mayor a p_a: el punto anterior también hace que el trabajo de vaciado del cilindro durante toda la fase de expulsión sea mayor de lo necesario. Gases quemados en volumen muerto: al cerrar la VE justo en el PMS y al mismo tiempo abrir la VA, hace que queden gases quemados en el volumen muerto, lo cual deteriora el rendimiento del siguiente ciclo. Diferencias entre el ciclo Diesel y teórico Entre los ciclos real y teórico Diesel existen, igual que en el caso Otto, diferencias en la forma y en los valores de las presiones y temperaturas. Algunas de estas semejanzas corresponden a las del ciclo Otto; por ejemplo, las debidas a la variación de los calores específicos, a la perdida de calor y al tiempo de abertura de la válvula de escape. Otras difieren en parte y son originadas por la disociación y la perdida por bombeo. Por ultimo, una es peculiar del motor Diesel, a saber; la referente a la combustión, la cual no se verifica a presión constante en el caso del ciclo real. a) Combustión a presión constante. Como se ve en el diagrama indicado, en la practica la combustión se realiza en tales condiciones, que la presión varia durante el proceso, mientras que en el ciclo teórico habíamos supuesto que se mantenía constante. En realidad, una parte de la combustión se lleva a cabo a volumen constante, y otra parte, a presión constante, casi como en el ciclo Otto real. Tan solo en el caso de los motores muy lentos se desarrolla de forma ligeramente aproximada al proceso teórico. b) Disociación de los productos de la combustión. En el motor de encendido por compresión, la disociación no tiene un efecto tan importante como en el motor de encendido por chispa, por cuanto el exceso de aire y mezcla de los productos de la combustión son tales, que reducen la temperatura máxima y, en consecuencia, también la disociación de dichos productos. c) Perdida por bombeo. Las perdidas por bombeo son inferiores a las que se producen n ciclo Otto, puesto que no hay estrangulamiento en el aire de aspiración; en los motores de encendido por compresión no existe la válvula mariposa, característica de los motores de encendido por chispa, provistos de carburador. Por ello, la superficie negativa del ciclo Diesel real es menor que la del ciclo Otto.
Todo cuanto llevamos explicando se refiere a los motores de 4 tiempos. En los de 2 tiempos, bastante difundidos entre los de tipo Diesel resultan importantes la perdida por bombeo y la causada por la interrupción de la expansión antes del P.M.I. para dar lugar al escape. Comprendido en la perdida por bombeo se debe considerar también el trabajo necesario para realizar el barrido del cilindro del cilindro, que a menudo se efectúa por un compresor.
3.- SISTEMAS AUXILIARES DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA
3.1 SISTEMA DE COMBUSTIBLE El combustible es el elemento necesario para producir la potencia necesaria que mueve a un vehículo. En la actualidad son varios los combustibles que pueden ser utilizados en los motores; el diesel y la gasolina son los más comunes pero también se pueden utilizar: el gas licuado de petróleo (LP), el gas natural comprimido (GNC), el gas natural licuado (GNL), el propano, el metanol, el etanol y otros. Para obtener el máximo aprovechamiento de la energía del combustible se requiere mezclar con el oxígeno, el cual es obtenido del aire y así generar la combustión. Tres son los factores que influyen en el fenómeno de combustión y éstos son: 1. La temperatura La temperatura de la cámara de combustión es fundamental para generar una buena combustión. Generalmente a mayor temperatura se tiene una mejor combustión, sin embargo esto afecta las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) las cuales se incrementan al tener mayores temperaturas. Las temperaturas bajas generan una mala combustión y generalmente provocan altas emisiones de hidrocarburos no quemados (HC) y de monóxido de carbono (CO). 2. La turbulencia Se refiere a la forma en la cual se mezclan el aire y el combustible. En este sentido los fabricantes han tratado por diferentes medios de incrementar la turbulencia, algunas veces a través del diseño del múltiple de admisión, de la cabeza del pistón, de la forma de la cámara, etc. 3. El tiempo de residencia Se refiere al tiempo que la mezcla aire combustible permanece dentro de la cámara de combustión. En este tiempo, la mezcla aire combustible debería quemarse completamente. Un sistema de combustible que no cumpla los requisitos necesarios puede producir los siguientes efectos:
Sobre consumo de combustible Desgaste prematuro de partes por contaminación del lubricante con combustible y provocar adelgazamiento de la película lubricante Falta de potencia Daño al convertidor catalítico Fugas de combustible Conatos de incendio
Es por todo esto importante conocer como trabaja el sistema de combustible, las acciones que pueden afectar de manera negativa al desempeño del vehículo. Objetivo 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 aire-combustible 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 Sistema de inyección
3.1.1 PARTES, COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO El sistema de combustible alimenta el motor a gasolina o diesel que necesita un automóvil para funcionar. Si alguna de las partes del sistema de combustible falla, el motor no funcionará. En el tanque hay una unidad que informa al instrumento de medición la cantidad de gasolina en el depósito. El dato se puede leer en el tablero de instrumentos del coche. La bomba de combustible (bomba de nafta) se encuentra instalada en el tanque de combustible en los vehículos nuevos. En el recorrido de la vía de combustible en los autos de años anteriores. Los automóviles viejos tienen la bomba de combustible cerca del motor o a mitad de camino entre el tanque de combustible y el motor del coche. Si la bomba se encuentra en el tanque de combustible o en la carrocería a mitad de camino entonces funciona a electricidad con la batería del auto. Las que se encuentran cerca del motor aprovechan el movimiento del mismo para bombear el combustible y lo consiguen por acople mecánico. Los filtros de combustible son elementos críticos. El combustible limpio es indispensable para la vida útil y el rendimiento del motor a explosión. Los inyectores de combustible tienen pequeñas aberturas que se obstruyen fácilmente, por lo tanto filtrar el combustible es la única forma de prevenir tal accidente. Los filtros pueden estar antes o después de la bomba de combustible, a veces puede haber uno de cada lado. Los inyectores de combustible se comenzaron a aplicar en los autos domésticos a partir de en el vehículo de fábrica (Coche de serie).
1986
En lugar de hacer la mezcla entre combustible y aire como en el carburador, una computadora controla cuando los inyectores se abren dentro del motor. Es un sistema diferente al del ya bien conocido carburador. Este sistema resulta en una disminución de las emisiones contaminantes y en una mayor economía de combustible. El "inyector de combustible" es básicamente una pequeña válvula eléctrica que abre y cierra con señales eléctricas.
Por inyectar el combustible cerca de la cabeza del cilindro, es atomizado en pequeñas partículas, de tal modo puede quemar mejor cuando la ignición ocurre por la chispa de la bujía en cada cilíndro del motor a explosión.
3.1.2 CARBURACION El sistema carburado cuenta con un carburador el cual se encarga de dosificar la mezcla aire combustible a la cámara de combustión utilizando el principio de tubo Venturi, es decir, generando un vacío en la parte más estrecha del tubo lo cual provoca la succión del combustible al pasar el aire por este estrechamiento. El control de la dosificación se lograba en los primeros sistemas utilizando únicamente medios mecánicos, (palancas, émbolos, diafragmas, etc.) en los últimos carburadores se contaba ya con controles electrónicos. Estos sistemas tienen las siguientes características:
Son sistemas relativamente sencillos con pocos componentes
El principio de funcionamiento es por la depresión que se genera en el tubo Venturi que es la parte fundamental del diseño La velocidad del aire es mayor que la del combustible, por lo cual el combustible es arrastrado por el aire.
Generalmente proporcionan mezclas ricas de aire-combustible
Son fáciles de instalar
Son de precio bajo
No permiten un control estricto de las emisiones contaminantes
No permiten una dosificación homogénea a todos los cilindros
La presión del sistema de combustible es del orden de 5 lb/pulg2
PARTES DE UN SISTEMA DE COMBUSTIBLE CON CARBURADOR Al sistema carburado lo forman: 1.
Tanque o depósito de combustible
2. Filtro de combustible 3. Líneas de combustible 4. Bomba de combustible mecánica (de diafragma) 5. Múltiple de admisión 6. Carburador 7. Ahogador o ³choke´
8.
Válvula de aceleración
9. Línea de retorno 10.
Filtro de aire
3.1.3 SISTEMAS DE INYECCION DE COMBUSTIBLE PARA MOTORES Los sistemas de inyección de combustible permiten mejorar la dosificación del combustible debido a que el combustible es inyectado a una presión mayor en la corriente de aire, esto permite un mejor mezclado del aire con el combustible y generalmente se tiene un mejor aprovechamiento del combustible y un nivel menor de emisiones. Los inyectores utilizados en los motores de gasolina, generalmente son controlados electrónicamente lo cual permite tener un control muy preciso del tiempo de inyección y de la cantidad de combustible inyectada. Los sistemas de inyección de combustible presentan las siguientes características:
Son sistemas más complicados y tienen más componentes El principio de funcionamiento es por la presión con la que se inyecta el combustible, lograda por la bomba de alimentación y el regulador de presión del sistema La velocidad del aire es menor que la del combustible, por lo cual el combustible es mezclado mejor con el aire. Generalmente proporcionan mezclas aire-combustible pobres Son de precio medio y alto Permiten un control estricto de las emisiones contaminantes Permiten una dosificación homogénea a todos los cilindros La presión del sistema de combustible es del orden de 35 a 7 0 lb/pulg2 en motores de gasolina y mucho mayores en motores diesel (mayores de 3, 000 lb/ pulg2).
El combustible es succionado del tanque de combustible por la bomba la cual se encuentra generalmente dentro del tanque, pasando por el filtro de combustible. La bomba incrementa la presión y lo envía a través de la línea de combustible hacia el regulador donde se controla la presión a la cual será inyectado. El regulador se encarga de enviar el combustible hacia el tren de inyectores y de éste al inyector el cual se encuentra en el puerto de admisión. El aire entra a través del filtro de aire (donde está el sensor de aire) y pasa a través del cuerpo de aceleración donde se tiene la válvula de aceleración la cual está acoplada al pedal del acelerador. La posición de esta válvula definirá la potencia demandada, la cantidad de combustible necesaria será definida por la computadora (la cual toma la señal de la posición de la válvula de aceleración y de la temperatura del motor entre otras) y suministrada a través de los inyectores. La cantidad de combustible que no sea requerida se envía al tanque a través de la línea de retorno.
SISTEMAS DE INYECCIÓN MONOPUNTO Los sistemas de inyección monopunto tienen la característica de que un inyector alimenta a más de un cilindro, de tal manera que permiten una mejor dosificación de la mezcla aire combustible. Este inyector se coloca generalmente en el cuerpo de aceleración y es de mayor tamaño que los inyectores utilizados en los sistemas multipuntos.
PARTES DEL SISTEMA DE INYECCIÓN MONOPUNTO Al sistema de inyección monopunto lo forman: 1.
Tanque o depósito de combustible
2. Filtro de combustible 3. Bomba de combustible 4. Líneas de combustible 5. Regulador de presión 6. Inyector 7. Cuerpo de aceleración 8.
Válvula de aceleración
9. Línea de retorno 10.
Módulo de control electrónico (computadora)
11.
Sensores de aire
12.
Sensor de posición de la válvula de aceleración
13.
Sensor de la posición del cigüeñal
14.
Sensor de oxígeno
CIRCUITO DEL COMBUSTIBLE El combustible es succionado del tanque de combustible por la bomba la cual se encuentra generalmente dentro del tanque, pasando por el filtro de combustible. La bomba incrementa la presión y envía el combustible a través de la línea de combustible hacia el regulador donde se controla la presión a la cual será inyectado. El regulador se encarga de enviar el combustible hacia el inyector el cual se encuentra encima del cuerpo de aceleración donde se tiene la válvula de aceleración la cual está acoplada al pedal del acelerador. La posición de esta válvula definirá la potencia demandada, la cantidad de combustible necesaria será definida por la computadora (la cual toma la señal de la posición de la válvula de aceleración y de la temperatura del motor entre otras) y suministrada a través del inyector. La cantidad de combustible que no sea requerida se envía al tanque a través de la línea de retorno.
SISTEMAS DE INYECCIÓN MULTIPUNTO Los sistemas de inyección multipunto tienen la característica de que se tiene un inyector para cada cilindro, de tal manera que permiten una mejor dosificación de la mezcla aire combustible. Estos inyectores se colocan generalmente en el puerto de admisión, que es la zona en la cual se
encuentra la válvula de admisión antes de la cámara de combustión. Algunos fabricantes le denominan sistema de inyección multipuertos.
PARTES DEL SISTEMA DE INYECCIÓN MULTIPUNTO Al sistema de inyección multipunto lo forman: 1.-
Tanque o depósito de combustible
2.- Filtro de combustible 3.- Bomba de combustible 4.- Líneas de combustible 5.- Regulador de presión 6.- Riel de inyectores 7.- Inyectores 8.-
Puerto de admisión
9.- Cuerpo de aceleración 10.-
Válvula de aceleración
11.-
Línea de retorno
12.-
Módulo de control electrónico (computadora)
13.-
Sensores de aire
14.-
Sensor de posición de la válvula de aceleración
15.-
Sensor de la posición del cigüeñal
16.-
Sensor de temperatura del motor
17.-Sensor
de oxígeno
3.1.4 MOTORES DE GASOLINA Y DIESEL
Gasolina El sistema de combustible de un motor a gasolina tiene como misión el entregar la cantidad correcta de combustible limpio a su debido tiempo en la cámara de combustión del motor. Elementos generales del sistema. Suelen ser parecidos en todos los fabricante de motores a gasolina, sin embargo puede ser que en algún caso no estén todos en un motor determinado 1.
Tanque o depósito de combustible: Es el elemento donde se guarda el combustible
2. Filtro de combustible: Es el principal filtro de combustible, tiene el paso más fino, por lo que generalmente es el que se tiene que cambiar más habitualmente. 3. Bomba de combustible: Es la que impulsa el combustible a cada cilindro con la presión adecuada para su pulverización en el cilindro. Hay muchos modelos y marcas de bombas de inyección. 4. Líneas de combustible: Son las tuberías por donde circula el combustible en todo el circuito. 5. Regulador de presión: Es el que se encarga de mantener la línea de combustible a una misma presión. 6. Inyector: Son los elementos que pulverizan el combustible en la precámara o cámara de combustión.
Diesel El sistema de combustible de un motor diesel tiene como misión el entregar la cantidad correcta de combustible limpio a su debido tiempo en la cámara de combustión del motor. Elementos generales del sistema. Suelen ser parecidos en todos los fabricante de motores diesel, sin embargo puede ser que en algún caso no estén todos en un motor determinado, o que monte algún otro componente.
Deposito de combustible: Es el elemento donde se guarda el combustible para el gasto habitual del motor. Generalmente suele estar calculado para una jornada de 10 horas de trabajo teniendo en cuenta el consumo normal del motor. Líneas de combustible. Son las tuberías por donde circula el combustible en todo el circuito.
Filtro primario: Generalmente a la salida del depósito de combustible, suele ser de rejilla y solamente filtra impurezas gruesas. Bomba de transferencia: Movida por el motor, es las líneas de alta presión de combustible que presuriza el sistema hasta la bomba de inyección, puede ir montada en lugares distintos dependiendo del fabricante del motor. Filtro primario: Se puede usar generalmente como decantador de agua e impurezas más gruesas. Bomba de cebado: Sirve para purgar el sistema cuando se cambian los filtros o se desceban las tuberías. Puede ser manual y en motores más modernos eléctrica. Filtro secundario: Es el principal filtro de combustible, tiene el paso más fino, por lo que generalmente es el que se tiene que cambiar más habitualmente. Válvula de purga: Va situada generalmente en el filtro secundario y sirve para purgar el sistema, es decir, expulsar el aire cuando se esta actuando sobre la bomba de cebado. Válvula de derivación: Sirve para hacer retornar al tanque de combustible el sobrante del mismo, que impulsado por la bomba de transferencia, no es necesario para el régimen del motor en ese momento. Bomba de inyección: Es la que impulsa el combustible a cada cilindro con la presión adecuada para su pulverización en el cilindro. Hay muchos modelos y marcas de bombas de inyección. Ver artículo aparte de inyección y sus sistemas. Colector de la bomba de inyección: Es la tubería que devuelve el sobrante de la bomba de inyección. Inyectores: Son los elementos que pulverizan el combustible en la precámara o cámara de combustión.
3.2 SISTEMA DE ESCAPE
3.2.1 PARTES, COMPONENTES Y SU FUNCIONAMIENTO 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. El principio de operación se basa en las leyes de conducción de gases por cañerías y por el estudio de las ondas generadas por el flujo alternativo. Los gases producto de la combustión, son expulsados por el pistón en su carrera ascendente y salen a través de la válvula de escape al múltiple o conducto colector, de este, el sistema puede derivar en uno o varios catalizadores (motor vehicular) para disminuir las emisiones de los gases peligrosos y de allí al silenciador para disminuir el nivel sonoro del sistema. Pueden haber en el sistema uno o más censores de distinta índole en combinación con una unidad de control y actuadores para controlar o para medir algún parámetro de la combustión.
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. El control principal a realizar, es la medición de la pérdida total de carga del flujo de gases suma de las pérdidas parciales al atravesar cada componente del sistema y además un control de la calidad de los gases de escape (composición), especialmente en aquellos sistemas que tienen catalizador. 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. Las precauciones a tomar cuando se trabaja en este sistema son principalmente esperar a que se enfríe, si se realizan observaciones con el motor en marcha debe hacerse en un lugar ventilado ya que las emanaciones de gases son nocivas a la salud. Para disminuir emanaciones de gases nocivos al medio ambiente, deben controlarse los parámetros que intervienen en la combustión, y en los casos con catalizador, que no se encuentre obstruido ni contaminado.
3.2.2. TURBOCOMPRESORES Y SOPLADORES 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; de esta necesidad surge la idea de los motores sobrealimentados. La carga fresca entra al cilindro a una presión muchísimo mayor a la presión de entrada del compresor, y por tanto la temperatura de entrada será igualmente alta. La sobrealimentación consiste en establecer a la entrada de los cilindros del motor una atmósfera de aire con una densidad superior a la normal de forma que para un mismo volumen de aire, la masa de ese aire es mayor; para ello se utilizan una serie de accesorios que serán diferentes según el tipo de sobrealimentador que se utilice. El turbocompresor o turboalimentador es básicamente un compresor accionado por los gases de escape, cuya misión fundamental es presionar el aire de admisión, para de este modo incrementar la cantidad que entra en los cilindros del motor en la carrera de admisión, permitiendo que se queme eficazmente más cantidad de combustible. De este modo, el par motor y la potencia final pueden incrementarse hasta un 35 %, gracias a la acción del turbocompresor. Este dispositivo ha sido proyectado para aumentar la eficiencia total del motor. La energía para el accionamiento del turbocompresor se extrae de la energía desperdiciada en el gas de escape del motor, está compuesto de una rueda de turbina y eje, una rueda de compresor, un alojamiento central que sirve para sostener el conjunto rotatorio, cojinetes, un alojamiento de turbina y un alojamiento de compresor. La rueda de turbina está situada en el alojamiento de turbina y está montada en un extremo del eje de turbina. La rueda del compresor está situada en el alojamiento del compresor y está montada en el extremo opuesto del eje de la rueda de turbina para formar un conjunto integral rotatorio.
El conjunto rotatorio se compone de una rueda de turbina y eje formando conjunto, un aro de pistón, un espaciador de empuje, rueda de compresor y tuerca de retención de rueda. El conjunto rotatorio se apoya sobre dos cojinetes lubricados a presión mantenidos en el alojamiento central por aros de resorte. Conductos internos de aceite están perforados en el alojamiento central para proveer lubricación a los cojinetes de eje de rueda de turbina, la arandela de empuje, collarín de empuje y espaciador de empuje. El alojamiento de la turbina es una pieza de fundición de aleación resistente al calor que aloja la rueda de turbina y proporciona una entrada embridada de gas de escape del motor y una salida axialmente situada de gas de escape del turbocompresor. El alojamiento de turbina está empernado al extremo de turbina del alojamiento central, proporcionando así un conjunto compacto y libre de vibraciones. El alojamiento de compresor que aloja la rueda de compresor provee una entrada de aire de ambiente y una salida de descarga de aire comprimido. El alojamiento de compresor está sujeto por abrazaderas al extremo de compresor del alojamiento central.
SUPERCARGADOR Realmente no hay un gran misterio con el turbocargador. A medida que una mayor cantidad de aire penetre en el motor, mayor es la cantidad de combustible que puede quemar. Así que, permaneciendo constante todo lo demás, a medida que más aire entre, mayor es la potencia que sale. Los supercargadores (y sus primos, los turbocargadores) son usados para introducir más aire dentro del motor.
Para ayudar a suministrarle aun motor un volumen mayor de aire, éste debe ser forzado. Esto se consigue con un dispositivo llamado de inducción forzada. Los supercargadores son simplemente bombas de aire que reciben su mando del motor. Según es usado en los autos de pasajeros, los supercargadores reciben el mando por una correa desde el eje del cigüeñal, aun ritmo más rápido que la velocidad del motor. Debido a que cierta potencia del motor es consumida por el supercargador, la ganancia de potencia obtenida es muy superior a dicho consumo. Hay varios tipos de diseños de supercargadores, y el más común es la variedad Roots. En este diseño, la potencia del motor activa un eje que atraviesa toda la longitud de la cubierta del supercargador. Este eje se acopla a través de engranajes aun segundo eje, paralelo a él, también dentro de la cubierta. Ambos ejes tienen roto res con lóbulos que son los que se acoplan entre sí, como un engranaje muy grueso del tipo de 2 ó 3 dientes. Los ejes de los rotores con lóbulos casi tocan el interior de la cubierta. Los rotores dan vuelta de manera que los lóbulos se separen justo en la admisión de la cubierta, absorbiendo aire dentro de ésta. A medida que los rotores giran y sus lóbulos se separan uno de otro, cada uno lleva al interior de la cubierta el aire fresco atrapado en sus lóbulos. Cuando los lóbulos se vuelven a encontrar en el escape de la cubierta, los lóbulos mezcladores de los rotores obligan el aire a fluir dentro del múltiple de admisión. El girar constante de los rotores trae más aire dentro del motor del que éste puede consumir, lo que ocasiona que la acumulación de aire ejerza presión sobre el múltiple. Cuando las válvulas individuales de admisión de los cilindros se abren, el aire a presión es forzado dentro de los cilindros. Para prevenir un peligroso incremento de presión en el múltiple de admisión, una válvula controlada por la computadora del motor se abre, permitiendo que el aire recircule de nuevo hacia el lado de admisión del supercargador. Esta válvula también regula el nivel de refuerzo según las condiciones de funcionamiento del motor. Como el supercargador está conectado directamente al motor por medio de una correa, su refuerzo se consigue a todas las velocidades del motor. Esto proporciona un mejor rendimiento en toda la gama de velocidades, incluyendo las de crucero.
3.3 SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
3.3.1 PARTES, COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO La temperatura es un parámetro que afecta de manera importante el funcionamiento de los motores de combustión interna modernos. En algunas partes del motor se tienen temperaturas mayores de 1000°C (cámara de combustión), en algunos casos los gases de escape salen a 550°C. En un motor más de la tercera parte de energía que se le suministra a través del combustible se pierde en forma de calor. 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
Los sistemas de enfriamiento modernos están diseñados para mantener una temperatura homogénea entre 82° y 113°C. Un sistema que no cumpla los requisitos que se exigen puede producir los siguientes efectos:
Desgaste prematuro de partes por sobrecalentamiento, en especial en el pistón con la pared del cilindro Preignición y detonación Daño a componentes del motor o accesorios (radiador, bomba de agua, cabeza del motor, monoblock, bielas, cilindros, etc.) Corrosión de partes internas del motor Entrada de refrigerante a las cámaras de combustión Fugas de refrigerante contaminando el aceite lubricante Evaporación del lubricante Formación de películas indeseables sobre elementos que transfieren calor como los ductos del radiador Sobreconsumo de combustible Formación de lodos por baja o alta temperatura en el aceite lubricante
Es por todo esto importante conocer cómo trabaja el sistema de enfriamiento, las características que debe tener un buen refrigerante o ³anticongelante´ y las acciones que pueden afectar de manera negativa al enfriamiento del motor.
OBJETIVO DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO Reducir la temperatura dentro de rangos 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
Tener una gran capacidad para intercambiar calor
El agua es el fluido de enfriamiento básico porque es abundante, barato y fluye con facilidad. Los productos químicos que contiene un buen anticongelante mejoran las propiedades del agua y la convierten en un excelente fluido de enfriamiento. Estas sustancias están diseñadas para reducir la formación de espuma, reducir cavitación y evitar la corrosión. La base de casi todos los anticongelantes es el etilenglicol o el propilenglicol. Casi todos los fabricantes recomiendan una mezcla de 50% de anticongelante y agua (mitad y mitad), en áreas muy frías la mezcla puede ser más concentrada pero el límite es 67 % (2/3 de anticongelante y 1/3 de agua).
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. Ambos Elementos presentan características muy particulares. 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. Generalmente el aire es llevado al exterior del cilindro el cual cuenta con una serie de aletas para mejorar la transferencia de calor, en otras ocasiones el aire es utilizado además para enfriar un radiador por el cual circula el aceite lubricante y es éste el que realmente enfría al motor. 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. Al sistema de enfriamiento por aire lo forman: 1.
Ventilador (algunos mecánicos le llaman turbina)
2. Mangueras 3. Termostato 4. Poleas y bandas 5. Aletas en el cilindro 6. Bulbo de temperatura 7. Radiador de aceite 8.
Tolva
CIRCUITO DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR AIRE EN EL MOTOR Una banda acoplada a la polea del cigüeñal mueve la polea del ventilador, esto provoca el movimiento del aire por la tolva hacia las aletas de los cilindros del motor. La cantidad de aire
introducida se determina por la posición de las mamparas controladas por el termostato, una vez que son enfriados los cilindros parte del aire se hace pasar hacia un radiador el cual contiene el aceite lubricante para bajar su temperatura. El aire caliente es desechado del motor a través de unas rejillas y se vuelve a introducir aire fresco para iniciar el ciclo. En algunos vehículos este aire caliente se introduce a la cabina como parte del sistema de calefacción y mejorar las condiciones de confort de la misma.
PARTES DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO Al sistema de enfriamiento por líquido lo forman: 1.
Radiador
2. Tapón de radiador 3. Mangueras 4. Termostato 5. Ventilador 6. Tolva 7. Bomba de agua 8.
Poleas y bandas
9. Depósito recuperador (pulmón) 10.
Camisas de agua
11.
Intercambiador de calor (de aceite para motores a diesel)
12.
Bulbo de temperatura
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.
3.4 SISTEMAS DE INYECCION Ventajas de la inyección
Consumo reducido: Con la utilización de carburadores, en los colectores de admisión se producen mezclas desiguales de aire/gasolina para cada cilindro. La necesidad de formar una mezcla que alimente suficientemente incluso al cilindro más desfavorecido obliga, en general, a dosificar una cantidad de combustible demasiado elevada. La consecuencia de esto es un excesivo consumo de combustible y una carga desigual de los cilindros. Al asignar un inyector a cada cilindro, en el momento oportuno y en cualquier estado de carga se asegura la cantidad de combustible, exactamente dosificada. Mayor potencia: La utilización de los sistemas de inyección permite optimizar la forma de los colectores de admisión con el consiguiente mejor llenado de los cilindros. El resultado se traduce en una mayor potencia específica y un aumento del par motor. Gases de escape menos contaminantes: La concentración de los elementos contaminantes en los gases de escape depende directamente de la proporción aire/gasolina. Para reducir la emisión de contaminantes es necesario preparar una mezcla de una determinada proporción. Los sistemas de inyección permiten ajustar en todo momento la cantidad necesaria de combustible respecto a la cantidad de aire que entra en el motor. Arranque en frío y fase de calentamiento: Mediante la exacta dosificación del combustible en función de la temperatura del motor y del régimen de arranque, se consiguen tiempos de arranque más breves y una aceleración más rápida y segura desde el ralentí. En la fase de calentamiento se realizan los ajustes necesarios para una marcha redonda del motor y una buena admisión de gas sin tirones, ambas con un consumo mínimo de combustible, lo que se consigue mediante la adaptación exacta del caudal de éste.
3.4.1 PARTES, COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO Clasificación de los sistemas de inyección. Se pueden clasificar en función de cuatro características distintas: 1.
Según el lugar donde inyectan. 2. Según el número de inyectores. 3. Según el número de inyecciones. 4. Según las características de funcionamiento.
1.
Según el lugar donde inyectan:
INYECCION DIRECTA: El inyector introduce el combustible directamente en la cámara de combustión. Este sistema de alimentación es el mas novedoso y se esta empezando a utilizar ahora en los motores de inyección gasolina como el motor GDi de Mitsubishi o el motor IDE de Renault. INYECCION INDIRECTA: El inyector introduce el combustible en el colector de admisión, encima de la válvula de admisión, que no tiene por qué estar necesariamente abierta. Es la más usada actualmente.
2. Según el número de inyectores: INYECCION MONOPUNTO: Hay solamente un inyector, que introduce el combustible en el colector de admisión, después de la mariposa de gases. Es la más usada en vehículos turismo de baja cilindrada que cumplen normas de antipolución. INYECCION MULTIPUNTO: Hay un inyector por cilindro, pudiendo ser del tipo "inyección directa o indirecta". Es la que se usa en vehículos de media y alta cilindrada, con antipolución o sin ella.
3. Según el número de inyecciones: INYECCION CONTINUA: Los inyectores introducen el combustible de forma continua en los colectores de admisión, previamente dosificada y a presión, la cual puede ser constante o variable. INYECCION INTERMITENTE: Los inyectores introducen el combustible de forma intermitente, es decir; el inyector abre y cierra según recibe órdenes de la centralita de mando. La inyección intermitente se divide a su vez en tres tipos: SECUENCIAL: El combustible es inyectado en el cilindro con la válvula de admisión abierta, es decir; los inyectores funcionan de uno en uno de forma sincronizada. SEMISECUENCIAL: El combustible es inyectado en los cilindros de forma que los inyectores abren y cierran de dos en dos. SIMULTANEA: El combustible es inyectado en los cilindros por todos los inyectores a la vez, es decir; abren y cierran todos los inyectores al mismo tiempo.
3.4.2 SISTEMA DE ENCENDIDO CONVENCIONAL Cuando se habla de sistema de encendido generalmente nos referimos al sistema necesario e independiente capaz de producir el encendido de la mezcla de combustible y aire dentro del cilindro en los motores de gasolina o LPG, conocidos también como motores de encendido por chispa, ya que en el motor Diesel la propia naturaleza de la formación de la mezcla produce su auto-encendido. En los motores de gasolina resulta necesario producir una chispa entre dos electrodos separados en el interior del cilindro en el momento justo y con la potencia necesaria para iniciar la combustión.
Este sistema provee la energía eléctrica necesaria para producir el encendido de la mezcla combustible. Su importancia radica en que su presencia garantiza el inicio de la combustión en los motores que funcionan bajo el principio del ciclo Otto, produciendo una chispa que enciende la mezcla combustible. La función principal es la de convertir energía eléctrica de baja tensión en alta tensión y distribuirla a cada uno de los cilindros del motor. Consta básicamente de: un generador de corriente o batería, un arrollamiento primario, un interruptor mecánico, un condensador, arrollamiento secundario, un distribuidor y bujías. El funcionamiento es el siguiente: el generador de corriente o una batería suministra energía eléctrica que circula a través de un interruptor mecánico y un condensador a un circuito primario de una bobina, cuando se abre el interruptor se produce una variación rápida, ayudada por el condensador, del campo magnético, que produce el paso de corriente por el arrollamiento primario, lo cual induce en el arrollamiento secundario una tensión muy elevada ( 14000 o 20000 V), esta tensión se distribuye al cilindro correspondiente de acuerdo a la secuencia de encendido y provoca en los extremos de una bujía una chispa en el interior del motor, que es la que enciende finalmente la mezcla combustible. El funcionamiento de este sistema se puede verificar, si el funcionamiento del motor se produce de manera uniforme y sin interrupciones. Para asegurarnos que cada componente funciona bien, se pueden realizar mediciones eléctricas de continuidad, si esta existe no debería haber problemas. El componente más difícil de inspeccionar es la bujía, ya que puede no presentar fallas cuando se la prueba en condiciones que no son las de funcionamiento real. La mejor manera de controlar si el sistema funciona es la de comprobar la llegada de energía eléctrica de alto voltaje hasta la bujía, debiéndose verificar esta última por separado y con dispositivos especiales para ese fin. También controlar el suministro de energía eléctrica de baja tensión (batería o generador) Las fallas más frecuentes, son la rotura o pérdida de aislamiento de una bujía, y se manifiesta por un funcionamiento desparejo (rateo) a un régimen o en todo régimen de marcha del motor. Si huera una discontinuidad eléctrica de algún arrollamiento o del cable de bujía, la falla sería total, no produciendo el encendido de la mezcla en el cilindro en cuestión. La fuente de energía eléctrica inicial también puede fallar, cuando ello sucede, no se registra voltaje en sus bornes de salida. La reparación del sistema se limita al reemplazo del componente dañado.
Las condiciones de seguridad son las mismas requeridas para las instalaciones eléctricas, especialmente en el circuito de alto voltaje. El cuidado del medio ambiente se limita a disponer adecuadamente los elementos reemplazados.
3.4.2 SISTEMA DE ENCENDIDO ELECTRONICO En el sistema clásico el contacto tienen que manejar plenamente la corriente del primario de la bobina de encendido. Esta corriente no es muy alta, pero como el contacto la interrumpe miles de veces por minuto en el motor policilíndrico en marcha normal, el pequeño chisporroteo que se produce al abrir el contacto termina desgastándolo, por lo que es necesario de vez en vez, limarlo o sustituirlo por uno nuevo así como reajustar la distancia de apertura al valor adecuado. Cuando este contacto "se quema" un poco, la potencia de la chispa se reduce y puede, en caso grave, producir fallos y hasta detener el motor. Poco después de que el transistor era un dispositivo semiconductor terminado y confiable, comenzó a utilizarse para alargar en mucho la vida de los contactos y reducir la posibilidad de fallo. Aunque la práctica demuestra que no es así, teóricamente los componentes electrónicos no tiene porque fallar, no hay desgaste, no hay movimiento no hay factores externos mecánicos que lo
perjudiquen si se mantienen a la temperatura y humedad debidas. También la práctica ha demostrado que en cualquier caso tienen una vida muy larga. Método foto-electrónico Los LEDs son dispositivos que pueden generar luz o rayos infrarrojos casi instantáneamente cundo se les aplica corriente, su velocidad de respuesta al contrario de las luces incandescentes es muy rápida, lo mismo ocurre con los foto-diodos, dispositivos que conducen la electricidad cuando son iluminados con rayos de luz o infrarrojos y no lo hacen cuando están en la oscuridad, es decir el efecto contrario al LED. Estas posibilidades tecnológicas sugieren que si conectamos corriente a un LED y con él iluminamos un foto-diodo tendremos algo como un contacto cerrado, si interponemos un objeto opaco entre ellos, el foto-diodo queda a oscuras y no conduce, lo que representa el mismo contacto abierto. La velocidad de respuesta de ambos dispositivos es muy rápida por lo que puede resultar efectivo para nuestro sistema de encendido. En la figura 2 se representa esquemáticamente como puede sustituirse el contacto por el método foto-electrónico. En un cuerpo común se colocan de frente un LED y un foto-diodo de manera que el primero alumbre al segundo, se interpone entre ellos un disco dentado que está acoplado al motor y gira con él de manera sincronizada. El disco dentado al girar deja que los diodos "se vean" o "no se vean" de manera alternada y brusca debido al dentado, de esta manera la corriente procedente de la batería a través de la resistencia R termina alimentando por pulsos la base del transistor para establecer y quitar la corriente del primario de la bobina de encendido y lograr las chispas en las bujías. La resistencia R se usa para limitar la corriente al LED a un valor seguro y la R lo mismo, pero para la base del transistor. El contacto ha desaparecido y este sistema será muy seguro.
Método de inducción Cuando cambia el valor del campo magnético a que está sometido una bobina, en ella se induce un voltaje que dependerá de la magnitud del cambio por unidad de tiempo y del número de vueltas de la bobina. En este principio se basan los transformadores incluyendo nuestra bobina de encendido. Si construimos un pequeño generador con tantas zapatas polares como bujías tenga el motor y sincronizado con su giro, podremos generar un pulso de voltaje cada vez que sea necesario y enviar este pulso a la base del transistor, de manera que en este caso, como en los anteriores, el transistor se ocupe de producir e interrumpir la corriente en el circuito primario de la bobina en el momento justo que hace falta para producir la chispa en la bujía. En otros casos el rotor y sus zapatas polares no están imantados, la bobina está energizada con electricidad y el simple hecho de que pase frente a ella un cuerpo ferromagnético hace un cambio en el flujo electromagnético del núcleo y con ello, una pequeña variación del voltaje en la bobina. Este cambio se procesa en un circuito electrónico con el uso de comparadores y se genera el pulso que irá a parar a la base del transistor. Observe el esquema de la figura 3, la pieza dentada gira sincronizada con el motor y tiene las zapatas polares, en este caso 8 para un motor de 8 cilindros. Estas zapatas polares pasan muy cerca de núcleo (amarillo) de la bobina. Cada vez que una de estas zapatas pase frente al núcleo, se producirá un cambio en el voltaje de la bobina, este cambio será procesado y enviado a la base del transistor como un pulso eléctrico, para producir y quitar la corriente del primario y así producir la chispa en la bujía correspondiente en el momento preciso.
Método a efecto Hall Este método se basa en el efecto hall, en este caso un aro dentado y magnetizado de manera que cada diente constituye una zona imantada, gira como en el caso anterior, frente a un sensor Hall, el voltaje producido por el sensor se amplifica, se convierte en un pulso bien definido y se aplica a la base del transistor.
3.5 SISTEMA DE LUBRICACION
3.5.1 PARTES, COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO Lubricación es un proceso mediante el cual se intercala un fluido en forma de película delgada, entre las piezas metálicas que están en contacto y en movimiento.
FUNCIONES
Ayuda en la refrigeración del motor, ya que remueve el calor causado por las superficies en rozamiento. Reduce el desgaste entre las superficies en contacto. Proporciona un buen sellado entre pistón y cilindro para evitar el escape de los gases de la combustión. Conserva el motor limpio de carbón y de cenizas, porque los diluye (acción ³detergente´) los mantiene en suspensión y luego son removidos al cambiar de aceite. Protege el motor contra la corrosión y el ataque de ácidos. Sirve para amortiguar el efecto de las cargas sobre los cojinetes en los sistemas de transmisión.
SISTEMAS DE LUBRICACIÓN DEL MOTOR Puede ser de varios tipos: 1.
2. 3.
1.
Barboteo o salpicadura A presión forzada Por mezcla en el combustible
Barboteo o salpicadura
2. Lubricación a Presión Forzada En su forma más completa consiste en una bomba que recoge el aceite del cárter y lo envía a presión por el tubo dibujado en el esquema que se presenta y con la dirección que marcan las flechas, a engrasar los apoyos del cigüeñal y, desde ellos, por los conductos perforados en los codos del cigüeñal, a las cabezas de biela. 3. Mezcla en el Combustible En motores a gasolina de dos tiempos (2T) es convencional la lubricación con mezcla, la cual se realiza en el depósito de combustible del motor, en una proporción definida por los fabricantes, dependiendo si los motores son enfriados por aire o por agua. Las proporciones más utilizadas son: 20 / 1, 30 / 1, 50 / 1.
Fig. 2 - Sistema de Lubricación Canalizaciones de lubricación y distribución de aceite 1. Bomba de aceite 2. Filtro de Bomba 3. Varilla de empuje - Eje Bomba 4. Filtro de aceite
5. Orificios de engrase en cigüeñal 6. Orificios de engrase en biela (buje biela - bulón) 7. Surtidores de aceite: fondo cabeza émbolo 8. Surtidores de aceite: Engranajes Distribución 9. Pasos de aceite árbol de levas y cojinetes 10. Pasos de aceite (balancines...)
3.5.2 CARACTERISTICAS DE LOS TIPOS DE ACEITE UTILIZADO EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Los lubricantes pueden ser clasificados: En función de sus propiedades y características físico - químicas
Según su origen Según su presentación Por sus usos y aplicaciones
Todas estas variables están normalizadas por distintas instituciones, dando lugar a los sistemas de clasificación, mostrados en la tabla siguiente, donde: ASTM: Sociedad Americana de Ingenieros Automotrices API:
Instituto Americano del Petróleo
SAE:
Sociedad Americana de Ingenieros Automotrices
ISO:
Organización Internacional de Estándares
AGMA: Sociedad Americana de Fabricantes de Engranajes NLGI: Instituto Nacional de Grasas Lubricantes CCMC: Comité de Constructores de Automóviles del Mercado Común Europeo MIL:
Militar (Ejército de los Estados Unidos)
Sistema
Temperatura
Unidad de Viscosidad
ASTM
Consistencia (Grasa)
(Calidad-Aditivos)
Segundos Saybolt Universal (S.S.U.)
ISO
Servicio
Centistokes
100°C
40 - 100°C
(CST)
AGMA
SSU
100°C
CST
37.8°C
SAE
CST
40 - 100°C
MIL
SSU
X API
X
CCMC
X
NLGI
X
VISCOSIDAD Es una medida del rozamiento que se produce entre las diferentes capas, cuando un líquido se pone en movimiento. También se puede definir como la resistencia a fluir que ofrece un líquido, debido a sus fuerzas internas de cohesión. ACEITES AUTOMOTRICES Incluyen los aceites de los motores de combustión interna (C: I.), engranajes de transmisión, sistema hidráulico (transmisiones, dirección, frenos, enganche de 3 puntos, etc.). La clasificación SAE especifica la viscosidad básicamente para motores y engranajes de transmisión. En cambio, la A.P.I. tiene una clasificación para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad). Por lo tanto, para hacer la selección de los lubricantes se debe tener en cuenta la clasificación SAE y la API. Clasificación SAE para Motores de Combustión Interna Se clasifican por grados, correspondientes a intervalos de viscosidad entre un valor mínimo y un máximo al mismo tiempo.
Aceites Monogrado. Como su nombre lo indica tiene un solo grado de viscosidad :
CLASIFICACIÓN SAE PARA MOTOR (Monógrado)
Grado SAE
Viscosidad a 100°C cst Min
w
3.8
5w
3.8
0
10
w
4.1
Max
15
w
5.6
20 w
5.6
25 w
9.3
20
5.6
9.3
30
9.3
12.5
40
12.5
16.3
50
16.3
21.9
60
21.9
26.1
CLASIFICACIÓN SAE PARA ACEITES DE TRANSMISIONES MECÁNICAS (Engranajes) (Monógrado)
Grado SAE
Viscosidad a 100°C cst Min
Max
70 w
4.1
75 w
4.1
80
w
7.0
85
w
11.0
90 w
13.5
24. 0
140
24.0
41.0
250
41.0
60.0
2. Aceite Multígrado. Se caracteriza por poseer un alto índice de viscosidad, lo cual permite que el aceite pueda ser recomendado para cubrir varios grados SAE. Los aceites multígrados han mostrado más ventajas que los monogrados, así:
Arranque en frío más fácil Menor desgaste del motor Menor consumo de combustible
Menor consumo de aceite Menores costos de mantenimiento CLASIFICACIÓN SAE PARA MOTOR (Multígrado)
Grado SAE
Viscosidad a 100°C cst Min
5 w 50
Max
16.3
19.7
10
w 30
9.3
13.7
15
w 40
13.7
16.3
15
w 50
16.3
19.7
20 w 20
5.6
9.3
20 w 30
9.3
13.7
20 w 40
13.7
16.7
20 w 50
16.3
19.7
CLASIFICACIÓN SAE PARA ACEITES DE TRANSMISIONES MECÁNICAS (Engranajes) (Multígrado)
Grado SAE
Viscosidad a 100°C cst Min
Max
80
w 90
14.0
15.0
85
w 90
16.5
17.3
85
w 150
34.1
26.0
CLASIFICACIONES API PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA La clasificación API tiene en cuenta el nivel de calidad del lubricante y establece una serie de categorías de acuerdo al tipo de servicio. Contempla dos grupos:
Servicio Liviano (generalmente gasolina) y presenta una nomenclatura con la letra S. Servicio Pesado (generalmente Diesel) y presenta una nomenclatura con la letra C.
Lo anterior se aplica exclusivamente para motores de 4T, ya que los de 2T deben tener otras consideraciones.
CLASIFICACIÓN API PARA ACEITES DE MOTORES A GASOLINA 4T
Clasificación
Descripción API de Uso del Motor
Descripción ASTM
SA
Originalmente usado para motores diesel y gasolina
Aceite sin aditivo
SB
Requerimientos mínimos para motores Provee alguna capacidad a gasolina antidesgaste
A.P.I.
Antioxidante SC
Garantía en el servicio de mantenimiento para motores a gasolina (1964)
Aceites que cumplen los requerimientos de los fabricantes (1964-1967)
SD
Garantía en el servicio de mantenimiento para motores a gasolina (1968)
Requerimientos de los fabricantes de los automotores ( 1968-1971)
SE
Garantía en el servicio de mantenimiento para motores a gasolina (1972)
Requerimientos de los fabricantes de los automotores ( 1972-1980)
SF
Garantía en el servicio de mantenimiento para motores a gasolina (1980)
Requerimientos de los fabricantes de los automotores ( 1980-1989)
SG
Garantía en el servicio de mantenimiento para motores a
Requerimientos de los fabricantes de los automotores 1989 en
SH SI
gasolina (1989)
adelante
Garantía en el servicio de mantenimiento para motores a gasolina (1992)
Requerimientos de los fabricantes de los automotores 1992 en adelante
SJ (1997)
CLASIFICACIÓN API PARA ACEITES DE MOTORES DIESEL
Clasificación
Tipo de Servicio
Características del Aceite
Para motores Diesel de trabajo liviano, aspiración natural
Aceites que satisfacen la especificación militar Mil - L 2104 A.
A.P.I. CA
Protección: Corrosión, formación depósitos en motores con combustibles de alta calidad CB
Satisfacen la especificación militar Mil - L 2 104 A
Antioxidante
Protección: Desgaste, formación depósitos en motores con combustibles de inferior calidad (alto contenido de azufre)
Para motores Diesel de trabajo liviano a moderado CC
Para motores Diesel de trabajo moderado a severo y algunos motores a gasolina de servicio severo. Aspiración natural o turboalimentados
CD
CE
Aceites que satisfacen la especificación militar Mil - L 2104 B o Mil - 46 152. Protección: evita depósitos a altas temperaturas, herrumbre o corrosión. Corrosión y depósitos a bajas temperaturas en motores a gasolina
Para motores Diesel de trabajo severo.
Aceites que satisfacen la especificación militar Mil - L 45199B o Mil - L 2 104 D.
Aspiración natural o turboalimentados
Protección: desgaste, formación depósitos en motores con combustibles de diversas calidades y corrosión
Máquina pesada que trabaja en Aceites que satisfacen la especificación militar Mil condiciones críticas. - L 2104 D. Protección: Formación depósitos a altas y bajas
Aspiración natural o turbo.
temperaturas, desgaste, oxidación y corrosión.
Máquinas fabricadas a partir de 1983 CF - 4
Motores sobrecargados a altas cargas
Aceite tipo multígrado 15w40. Controla mejor los depósitos y el consumo de aceite.
CG - 4
Trabajo pesado
Aceite multígrado. Protección: desgaste, herrumbre, mayor TBN.
3.6 SISTEMA ANTICONTAMINANTES
3.6.1 TIPOS Y FUNCIONAMIENTO Control de las emisiones del sistema de escape: El control de las emisiones del sistema de escape puede caber en tres partes: 4. Incremento de la eficiencia del motor 5. Incremento en la eficiencia del vehículo 6. Limpieza de las emisiones Incremento en la eficiencia del motor: La eficiencia del motor ha mejorado a medida que han aumentado los progresos en las siguientes tecnologías y y y
Ignición electrónica Sistemas de inyección de gasolina Unidad electrónica de control
Incremento en la eficiencia del vehículo: Contribuciones al objetivo común de la reducción de consumo y uso de gasolina y emisiones del mismo tipo han venido de y y y y y y
Menor peso en los diseños vehiculares Menor resistencia al aire Reducción en la fricción de los rodamientos Mejora de la transmisión Incremento del spark to spark plug (este tema cabe dentro del sistema de ignición) Frenos regenerativos
Cada uno de estos objetos se divide en un número de factores Incremento en la eficiencia de manejo: Disminuciones significativas de las emisiones han venido de
y y y y
Técnicas de conducción (reducción entre 10%-30%) Condiciones de trafico sin obstrucciones Viajando a una velocidad continua que contribuye a la eficiencia del vehículo Reducción del número de inicios en condiciones frías
Limpieza de las emisiones producidas: Avances el las tecnologías del vehículo y el motor continuamente reducen la cantidad de poluciones generadas pero esto es considerado como insuficiente para cumplir en lo más mínimo con las emisiones establecidas. Por lo tanto las tecnologías de limpieza todavía tienen gran importancia y has sido esenciales por bastante tiempo como parte del control de emisiones. Inyección de aire: Un sistema temprano en el control de las emisiones, el reactor de inyección de aire, reduce los productos incompletos de la combustión (hidrocarburos y monóxido de carbono) por medio de la inyección de aire fresco dentro de los exhaust manifold del motor. Con esto se pretende que la combustión ocurra también en la tubería de escape. Generalmente el aire es llevado a través un "smog pump" manejado por el motor y aire dirigido hacia los manifolds. Esta tecnología fue introducida en 1966 en el estado norteamericano de California y se practico por varias de las siguientes décadas. Generalmente su uso ha sido retirado del mercado siendo reemplazado por motores de combustión más limpias y mejores convertidores catalíticos. Reciclaje y recirculación de los gases de escape: Muchos motores producidos después de los modelos usados en 1973 tienen una válvula de recirculación de los gases en medio del exosto y los intake manifolds; su propósito es la reducción de las emisiones del Óxido de Nitrógeno introduciendo los gases del exosto dentro de la mezcla de gasolina y gas, disminuyendo los picos de temperatura de combustión. Alrededor de 1990, la división de plantas de energía de Jeep (2.5 y 4. 0) elimino el EGR (Exhaust Gas Recirculation). Algunos otros motores también han abandonado el uso de sistemas de recirculación de gases de escape, como por ejemplo el motor Ecotec desarrollado por General Motors, el cual alcanza los estándares de emisión de gases sin la necesidad del uso de EGR. En algunos casos, los tiempos de la válvula han sido configurados para retener algunos gases de escape en la cámara de combustión luego del descubrimiento que el exosto puede hacer una función similar que el EGR. 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. Control de las emisiones de vapores tóxicos: 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. Captura de los vapores expulsados: Dentro del vehículo, los vapores que se encuentran en el tanque son canalizados hacia recipientes que contienen carbón activo en vez de ser liberados a la atmósfera. Estos conocidos como compartimentos de carbón activo. Los vapores son absorbidos dentro del recipiente, el cual alimenta el inlet manifold del motor. Cuando el vehículo se encuentra en movimiento los vapores se desprenden del carbón, son dirigidos hacia la maquina y se vuelven parte de la combustión. Las emisiones de vapores nocivos en los vehículos están limitadas por leyes y son parte de las pruebas de las revisiones que estos requieren. El límite actual en los estados unidos es de 2 gramos de HC por hora el cual puede alcanzar la evaporación de un litro ( 1/4 de galón) en un mes. Reducción de las pérdidas en el momento del reabastecimiento de combustible: Todos los vehículos modernos poseen cuellos de filtración que en vez de solo ser un tubo dentro del tanque, como lo eran en vehículos de generaciones anteriores, ahora tienen un diámetro menos y una abertura de carga lo suficientemente grande para dejar para la punta del filler nozzle. Esto previene la filtración de vapores cuando la tapa del filtro es removida así como también evita que los catalizadores sean recargados como gasolina con plomo Esto es acompañado por modificaciones en las bombas de las estaciones de gasolina. Ahora están equipadas para absorber los vapores dentro de la bomba a medida que son remplazados por la gasolina. Algunos tienen aberturas de absorción en la cabeza del tubo mientras que otros tienen un caucho que hace presión sobre la boca del tanque del vehículo para evitar que los gases se escapen. Los vehículos vendidos en Norte América empezaron a ser equipados con un "sistema integrado de recuperación de gases durante la recarga" (onboard refuiling vvapor recovery ORVR) alrededor de 1997. Estos sistemas son diseñados para capturar los vapores que son desplazados por la gasolina entrante y evaporados por las altas temperaturas medioambientales presentadas dentro del recipiente de vapor del vehículo en vez de ser liberadas a la atmósfera. Este sistema hace que los sistemas de recuperación de los vapores en las estaciones de gasolina sean innecesarios.
4. PRUEBAS QUE SE EFECTUAN EN LOS MOTORES
4.1 PARAMETROS BASICOS Y SU DETERMINACION, POTENCIA
Hay dos conceptos de la mecánica que las personas tienden a confundir, el primero es el de torque que por definición es el producto de una fuerza por la distancia donde se aplica dicha fuerza, esto también se denomina momento, par o trabajo mecánico. Otra definición de lo mismo es: torque es el trabajo que puede realizar un motor, su unidad es Kg m, Libras pie, etc. El otro concepto es el de potencia que es el trabajo que se puede desarrollar por unidad de tiempo, es decir es la velocidad con que se puede realizar un trabajo, su unidad es CV, KW, HP, etc. Por ejemplo, puedo subir una cuesta en una moto de 2 HP o una de 2 0 HP, pero la velocidad a la que puedo realizarlo con cada una, van a ser diferentes, de hecho con la de 2 0 HP la voy a subir más rápido. Teniendo en cuenta estos conceptos y su relación, analizaremos los primeros métodos para medir la potencia utilizaban un dispositivo llamado dinamómetro, que aunque actualmente no se usa, es muy útil para aclarar conceptos. El mismo consistía de un freno y una balanza. El ensayo se debe realizar a distintas revoluciones del motor para definir la curva de potencia versus rpm, por lo tanto se mantenían determinadas revoluciones del motor a medida que se iba frenando el mismo. El freno se conectaba mediante una palanca de longitud conocida al plato de la balanza que medía la fuerza que se ejercía en ella. Como se ha dicho el producto de la fuerza por la distancia donde se aplica es el torque del motor (fuerza medida por la balanza por el largo de la palanca) como la potencia es el torque por unidad de tiempo, se puede determinar la potencia desarrollada por este motor, relacionando el torque con las rpm del motor, ordenando las unidades y haciendo conversiones se puede obtener la potencia por ejemplo en CV o KW. Por ejemplo si del ensayo obtenemos un torque de 19 Kg m a 23 00 rpm la potencia correspondiente será: P= ( 19 (Kg m) x 2300 (rpm))/716,20 = 61 HP. Repitiendo estas operaciones para distintos regímenes de rpm, obtendremos la curva de potencia a distintas revoluciones del motor.
4.1.1 POTENCIA AL FRENO
El término "potencia al freno", deriva de que en las primeras determinaciones, la producción de energía producida por un motor en su eje era disipado o absorbido por el rozamiento de un freno. Aún se utilizan frenos para este propósito para magnitudes pequeños de potencia y de velocidad. Un tipo conocido como freno de Pony se representa esquemáticamente en la figura anterior. La instalación del freno de Pony comprende un volante o polea grande, y el freno constituido por el fleje y las blocks o zapatas de apriete, las cuales se adaptan alrededor de la superficie perimetral de este volante y son construidas de madera. Es conveniente mencionar que no es recomendable exceder la velocidad periférica de la polea de 2500 ft/min., a fin de evitar que los blocks se incendien por el rozamiento; también es recomendable utilizar algún tipo de enfriamiento en la superficie exterior de la polea para tratar de minimizar este problema.
Otros instrumentos para medir el trabajo en el eje son: un freno hidráulico, un dinamómetro, y sistemas medidores de deformación que informan sobre el momento del par motriz, así como lo cuales no se analizan en este trabajo.
El freno puede ser presionado contra el volante utilizando el tornillo A. Un brazo del freno (en forma de triángulo en la figura), se apoya sobre una báscula. El volante es accionado por el eje del motor. Cuando el freno es apretado, el rozamiento de las zapatas sobre el mismo, aplica una carga sobre el motor. Al mismo tiempo el rozamiento tiende a hacer girar al freno y al brazo, y este aplica una fuerza sobre la báscula. El ensayo del freno de Pony se efectúa haciendo funcionar al motor a una velocidad constante, y apretando gradualmente el freno sobre el volante. Este imparte una carga por rozamiento cada vez mayor sobre el motor, y el acelerador tiene que ser presionado para que el motor conserve su velocidad.
Al mismo tiempo la carga sobre la báscula aumenta debido a la mayor fuerza de rozamiento del freno sobre el volante. Para hallar la máxima potencia que el motor puede desarrollar a la velocidad de ensayo, se aumenta la carga gradualmente, aumentando al mismo tiempo la abertura de la mariposa del acelerador para conservar la velocidad del motor. Cuando la mariposa está abierta del todo, se
obtiene la máxima potencia. Cualquier aumento de carga haría que la velocidad del motor y por consiguiente la potencia desarrollada por el disminuyese; entonces para determinar la potencia se puede usar la ecuación.
En esta ecuación T y N son lecturas simultáneas de: T = Par motriz producido por el motor, en lb.- pulg. (Dato proporcionado por el freno de Pony) N = Velocidad angular del motor en rpm (dato proporcionado por un tacómetro conectado a la flecha del motor)
Deducción de la ecuación: La deducción de esta ecuación se lleva a cabo a partir de la figura anterior, representación de la instalación del freno de Pony con el que se lleva a cabo el ensayo. En esta figura: N = Velocidad angular del motor en rpm Momento producido por la fuerza de rozamiento =
4.1.2 RENDIMIENTRO VOLUMETRICO
Es la relación entre la masa de aire que hay en el cilindro en el punto muerto inferior, y la que podría haber, dado el volumen de la cámara y la presión atmosférica. El rendimiento volumétrico es del 100 % si ambas masas son iguales; es inferior al 100 % si hay menos aire del que podría haber a presión atmosférica; es superior al 100 % si hay más aire del que podría haber a presión atmosférica. En un motor atmosférico de gasolina, el rendimiento volumétrico es siempre inferior al 100 % cuando el motor no trabaja en carga parcial, porque la mariposa limita la entrada de aire. Si funciona a plena carga, puede llegar al 100 % en un margen de régimen más o menos estrecho. Algunos motores atmosféricos pueden superar el 100 % de rendimiento volumétrico por efecto de la resonancia del aire; es decir, en un cierto intervalo de régimen, están «sobrealimentados por resonancia». En un motor atmosférico Diesel, el rendimiento volumétrico se acerca al porque, la entrada de aire no está limitada.
100 %
en todo caso,
En motores sobrealimentados, gasolina o Diesel, el rendimiento volumétrico puede ser superior al 100 %, porque la presión en el colector de admisión es mayor que la atmosférica.
4.1.3 EMISIONES
La energía mecánica, indispensable para poner en acción diferentes máquinas se puede obtener utilizando energía térmica, hidráulica, solar y eólica. La que más se utiliza es la energía térmica obtenida de los combustibles de naturaleza orgánica. Los equipos energéticos que más aceptación han tenido son los motores de combustión interna (MCI), a ellos corresponde más de un 80 % de la totalidad de la energía producida en el mundo. En la Unión Europea aunque los medios de locomoción son responsables únicamente de un 5 % de las emisiones de dióxido de azufre (SO2), son responsables del 25 % de las emisiones de dióxido de carbono (CO2), del 87 % de las de monóxido de carbono (CO) y del 66 % de las de óxidos de nitrógeno (NOx). Los métodos de reducción de la toxicidad y el humeado de los MCI pueden ser divididos en dos grupos: los constructivos y los explotativos. Entre los métodos constructivos podemos citar: la recirculación de los gases de escape y la neutralización de los mismos. Dentro los métodos explotativos se encuentran: el estado técnico del MCI y su correcta regulación, perfeccionamiento de los procesos de formación de la mezcla y de combustión, la correcta selección de los combustibles y sus aditivos, y la utilización de los biocombustibles. Para la neutralización de los gases de escape desde hace años se habla de catalizadores de tres vías, de catalizadores de oxidación, de sondas Lambda o de válvulas ERG (exhaust gas recirculation). El sensor que proporciona al sistema la capacidad de mantener la estequiometría es el sensor o sonda "Lambda". Se coloca atornillada en el colector de escape, suministra a la computadora información sobre el contenido de oxígeno de los gases residuales que se escapan de los cilindros. Esencialmente es una pila seca, ya que produce voltaje del potencial eléctrico entre dos sustancias, en este caso, el aire ambiental y el escape; cuanto más oxígeno hay en el escape (lo cual corresponde a una condición de mezcla pobre) menor será el potencial y el voltaje producido, pero cuando hay menos oxígeno (como en una mezcla rica) mayor será el potencial y el voltaje creado. El índice de aire y combustible "estequiométrico" (o sea, una relación aire a combustible por peso de 14.6:1) en los motores de encendido por chispa asegura que todo el combustible que entra en la cámara de combustión tenga la cantidad adecuada de oxígeno para combinarse logrando un quemado completo, reduciendo de esta manera las emisiones de HC (hidrocarburos) y de CO (monóxido de carbono). El convertidor catalítico de oxidación de doble vía puede limpiar una gran cantidad de HC y CO después de dejar los cilindros; un contaminante más difícil de eliminar son los NOx (óxidos de nitrógeno, un ingrediente del esmog fotoquímico). Si bien la EGR realiza una tarea razonablemente buena en mantener baja la formación de NO x reduciendo las temperaturas máximas de combustión, no puede hacer lo suficiente para satisfacer los requisitos de algunos países. El convertidor catalítico de tres vías tiene una sección de oxidación que utiliza platino y paladio, más una sección de reducción que utiliza rodio para reducir los NOx a nitrógeno y oxígeno inocuos, sin embargo esta reacción de reducción sólo se puede mantener si hay una relación estequiométrica de aire y combustible.
El catalizador de tres vías se instala en la mayoría de los coches modernos acompañado de la sonda Lambda, mientras que en los motores Diesel para tractores y autos pesados el más empleado es el catalizador de oxidación.
Los biocombustibles son uno de los combustibles alternativos que disfrutan de unas ventajas más claras y que se obtienen a partir de productos agrícolas, no contienen azufre y por lo tanto no forman el anhídrido sulfuroso, uno de los principales causantes de la lluvia ácida, ni incrementan la cantidad de CO2 emitida a la atmósfera. Los análisis realizados, tanto en bancos de pruebas como en experiencias piloto, dejan bien claro que la utilización de los biocombustibles ofrece ventajas medioambientales en comparación con los combustibles convencionales como el gasoil.
4.2 VARIABLES DE OPERACIÓN QUE AFECTAN EL RENDIMIENTO DE LOS MOTORES DIESEL
Es sumamente difícil determinar experimentalmente los parámetros que controlan el flujo interno y la dinámica del inyector
La adopción de la precámara para los motores de automoción, con la que se consiguen prestaciones semejantes a los motores de gasolina, presenta el inconveniente de incrementar el consumo, con lo que la principal ventaja de estos motores prácticamente desaparece.
Falta de compresión: si la carga de aire y combustible no puede ser comprimida apropiadamente, entonces el proceso de combustión no funciona como debería. Esto puede ocurrir si 1) sus anillos del pistón están trabajando mal (permitiendo que el aire/combustible atraviese el pistón durante la compresión), o 2) si las válvulas de succión o descarga no están sellando apropiadamente, o 3) el cilindro tiene un orificio. El "orificio" más común en un cilindro ocurre en la parte superior del cilindro (lo que sostiene las válvulas y el generador de chispas) (también conocido como la cabeza del cilindro) se ata a sí mismo. Generalmente el cilindro y la cabeza del cilindro se unen con una placa entre ellos para asegurar un buen sello. Si la placa se rompe se crean pequeños orificios entre el cilindro y la cabeza y estos orificios causan escapes.
4.3 VARIABLES DE OPERACIÓN QUE AFECTAN EL RENDIMIENTO DE LOS MOTORES DE GASOLINA
Defectos eléctricos
Bujía demasiado vieja o con mucho carbón acumulado. Cables deteriorados que producen salto de chispa y, por tanto, pérdidas de la corriente de alto voltaje.
Cable partido o flojo en la bobina de ignición, el distribuidor, las bujías o en el sistema electrónico de encendido. La bobina de ignición, el ruptor o el distribuidor que envía la chispa a la bujía no funciona adecuadamente. Distribuidor desfasado o mal sincronizado con respecto al ciclo de explosión correspondiente, lo que produce que la chispa en la bujía se atrase o adelante con relación al momento en que se debe producir. Mucho o poco huelgo en el electrodo de la bujía por falta de calibración o por estar mal calibradas. Batería descargada, por lo que el motor de arranque no funciona. Cables flojos en los bornes de la batería.
Fallos de combustible
No hay combustible en el tanque, por lo que el motor trata de arrancar utilizando solamente aire sin lograrlo. Hay gasolina en el tanque, en la cuba del carburador o en los inyectores, pero la toma de aire se encuentra obstruida, impidiendo que la mezcla aire-combustible se realice adecuadamente. El sistema de combustible puede estar entregando muy poca o demasiada gasolina, por lo que la proporción de la mezcla aire-combustible no se efectúa adecuadamente. Hay impurezas en el tanque de gasolina como, por ejemplo, agua o basuras, que se mezclan con el combustible. En el caso del combustible mezclado con agua, cuando llega a la cámara de combustión no se quema correctamente. En el caso de basura, puede ocasionar una obstrucción en el sistema impidiendo que el combustible llegue a la cámara de combustión.
Fallos de compresión Cuando la mezcla de aire-combustible no se puede comprimir de forma apropiada, la combustión no se efectúa correctamente dentro del cilindro produciendo fallos en el funcionamiento del motor. Estas deficiencias pueden estar ocasionadas por:
y
y
y
Aros de compresión o fuego del pistón gastados, por lo que la compresión de la mezcla aire-combustible no se efectúa convenientemente y el motor pierde fuerza. Las válvulas de admisión o las de escape no cierran herméticamente en su asiento, provocando escape de la mezcla aire-combustible durante el tiempo de compresión. Escapes de compresión y de los gases de combustión por la culata debido a que la ³junta de culata´, que la sella herméticamente con el bloque del motor se encuentra deteriorada.
4.4 VARIABLES DE OPERACIÓN QUE AFECTAN EL RENDIMIENTO DE LAS TURBINAS
Se puede alcanzar un rendimiento alto usando un regenerador con una gran área de transmisión de calor; sin embargo, esto también incrementa el descenso de presión, que representa una pérdida, y tanto el descenso de presión como el rendimiento del regenerador, deben considerarse para determinar que regenerador dará el máximo rendimiento térmico del ciclo. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los gases calientes creados por la combustión, debido a que existen restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma.
4.5 VARIABLES DE OPERACIÓN QUE AFECTAN EL RENDIMIENTO DE LOS MOTORES STIRLING
El primer motor Stirling fue creado en el año 1816 por el reverendo Robert Stirling debido a que la única opción de la época para generar potencia (las máquinas de vapor) tenían muchas desventajas como el gran ruido que producían y la alta peligrosidad de su manejo por la explosiones frecuentes que se producían por exceso de presión en las paredes de las calderas. El principio del motor Stirling es generar el movimiento de un pistón en un cilindro a través de un gas contenido en el interior que cambia su volumen cíclicamente. El cambio de volumen es posible debido a que existen dos zonas de transferencia de calor en el cilindro, una caliente y una fría: en la zona caliente se aumenta el volumen de la sustancia provocando que esta fluya hacia la zona fría y produciendo el primer movimiento del pistón hacia la zona caliente; una vez en la zona fría el volumen del gas comienza a descender y la presión también disminuye " jalando" al pistón y regresándolo hacia la zona fría mientras que por ese movimiento el fluido es desplazado hacia la zona caliente nuevamente cerrando el ciclo. Las irreversibilidades más frecuentes son las siguientes: Regeneración incompleta en los procesos isócoros (los regeneradores usados en estos motores no restituyen ni absorben el total del calor por lo cual en estos procesos se deberá considerar las transferencias de calor. Volúmenes distintos a los teóricos ya que el regenerador ocupa cierto volumen y dentro de él habrá una cantidad de gas por lo que los volúmenes del ciclo real son menores reduciendo la eficiencia. Los procesos en realidad no son isotérmicos pues la temperatura es difícil de mantener durante la operación. Los motores Stirling, a diferencia de los motores de combustión interna, tienen su gran ventaja en este aspecto pues la contaminación que producen es muy reducida, en el caso de que las fuentes térmicas sean de la quema de algún combustible, y algunos casos es nula, en caso de que se usen fuentes de calor con energía renovable como concentradores parabólicos de luz solar o paneles solares. En cuanto a la contaminación sonora que pueden producir son muy ventajosos porque a diferencia de los motores de combustión interna no producen casi ruidos ni vibraciones que alteren el entorno en que trabaja.
5. Compresores 5.1 DEFINICION
Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la substancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir. Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable. Los compresores son ampliamente utilizados en la actualidad en campos de la ingeniería y hacen posible nuestro modo de vida por razones como: * Son parte importantísima de muchos sistemas de refrigeración y se encuentran en cada refrigerador casero, y en infinidad de sistemas de aire acondicionado. * Se encuentran en sistemas de generación de energía eléctrica, tal como lo es el Ciclo Brayton. * Se encuentran en el interior muchos "motores de avión", como lo son los turborreactores y hacen posible su funcionamiento. * Se pueden comprimir gases para la red de alimentación de sistemas neumáticos, los cuales mueven fábricas completas. La capacidad real de un compresor es menor que el volumen desplazado del mismo, debido a razones tales como: A) B) C) D)
Caída de presión en la succión. Calentamiento del aire de entrada. Expansión del gas retenido en el volumen muerto. Fugas internas y externas.
5.2 FORMAS DE CLASIFICAR LOS COMPRESORES
Según las exigencias referentes a la presión de trabajo y al caudal de suministro, se pueden emplear diversos tipos de construcción. Se distinguen dos tipos básicos de compresores: El primero trabaja según el principio de desplazamiento. La compresión se obtiene por la admisión del aire en un recinto hermético, donde se reduce luego el volumen. Se utiliza en el compresor de émbolo (oscilante o rotativo). El otro trabaja según el principio de la dinámica de los fluidos. El aire es aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración de la masa (turbina).
Tipos de compresores: y
1.
De desplazamiento positivo: Compresores de embolo
2. Ventiladores compresores 3. ventiladores no compresores
y
1.
De desplazamiento no positivo, o dinámicos: ventiladores centrífugos de flujo radial.
2. Compresores de flujo axial. 3. Compresores de flujo mixto.
5.3 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Los compresores de desplazamiento positivo son de dos categorías básicas: Reciprocantes y Rotatorias. El compresor reciprocante tiene uno o más cilindros en los cuales hay un pistón o embolo de movimiento alternativo que desplaza un volumen positivo en cada carrera. Los rotatorios incluyen los tipos de lóbulos, espiral, aspas o paletas y anillo de líquido. Cada uno con una carcasa, o con más elementos rotatorios que se acoplan entre sí, como los lóbulos o las espirales, o desplazan un volumen fijo en cada rotación. Los compresores de desplazamiento no positivo, o dinámicos El más simple es un ventilador que usamos para aumentar la velocidad del aire a nuestro entorno y refrescarnos. Se utiliza cuando se requiere mucho volumen de aire a baja presión.
5.3.1 COMPRESORES RECIPROCANTES
Es aquel que recibe un movimiento rotativo y lo convierte en alterno. Básicamente un compresor reciprocante esta constituido de pistones y cilindros siendo esto por la forma de trabajar lo que le da el nombre. El movimiento es aplicado a un cigüeñal o un equivalente en función y este lo transfiere al pistón o pistones a través de la biela. Los compresores se clasifican por la cantidad de cilindros como: y
Mono cilíndrico- un solo cilindro
y
Poli cilíndricos
y
Bi cilíndrico- dos cilindros
y
Tri cilíndrico- tres cilindros
y
Cuatri cilíndrico- cuatro cilindros
y
Penta cilíndrico- cinco cilindros
y
Hecta cilíndrico- seis cilindros etc.
De acuerdo a la posición de los cilindros, estos se denominan: y
Línea
y
En V
y
Doble V
y
Semi radial
y
Radial
Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión previa por el primer émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara de compresión es, en conformidad con la relación, más pequeño. Durante el trabajo de compresión se forma una cantidad de calor, que tiene que ser evacuada por el sistema refrigeración. Los compresores de émbolo oscilante pueden refrigerarse por aire o por agua, y según las prescripciones de trabajo las etapas que se precisan son:
Compresor de membrana Este tipo forma parte del grupo de compresores de émbolo. Una membrana separa el émbolo de la cámara de trabajo; el aire no entra en contacto con las piezas móviles. Por tanto, en todo caso, el aire comprimido estará exento de aceite. Estos, compresores se emplean con preferencia en las industrias alimenticias farmacéuticas y químicas.
Compresor de émbolo rotativo Consiste en un émbolo que está animado de un movimiento rotatorio. El aire es comprimido por la continua reducción del volumen en un recinto hermético. Factores que determinan la capacidad de un compresor reciprocante 1.
Factores de diseño mecánico- estos son inherentes en el compresor y no se pueden cambiar.
a.
diámetros de los cilindros.
b.
recorrido de los cilindros.
c.
número de los cilindros.
d.
espacio muerto.
e.
revoluciones por minutos en los compresores semiherméticos y los herméticos.
2. Factores de aplicación- estos son los que ser pueden cambiar hasta cierto límite. a.
la presión de succión.
b.
la presión de descarga.
c.
tipo de refrigerante a usarse.
d. revoluciones por minutos en compresores abiertos. Desplazamiento volumétrico
Es la cantidad de refrigerante en pulgadas cúbicas por minutos que desplaza o bombea un compresor y viene determinado por la fórmula: D.V. = ( x R² x L) x N x RPM D.V.= desplazamiento volumétrico en pulg. Cúbicas/min = (Pi)= 3. 1416 R²= radio al cuadrado L= largo o recorrido del cilindro N= número de cilindros RPM = revoluciones por minutos, velocidad del compresor La separación del punto muerto en un compresor reciprocante fluctúa entre . 010 pulgadas a . 020 pulgadas En compresores reciprocantes la separación existente entre el pistón y el cilindro es de . pulgadas por cada pulgada de diámetro que tenga el pistón Eficiencia volumétrica
0002
Es la razón matemática existente entre el volumen real desplazado por un compresor y el volumen calculado (por diseño de fábrica) La eficiencia volumétrica se determina por la fórmula: E.V.= V.R. / V.C. x 100 E.V.= eficiencia volumétrica en % V.R.= volumen real (actual) V.C.=volumen calculado (por diseño de fábrica) Razón de compresión Es la razón que existe al dividir la presión absoluta de descarga entre la presión absoluta de succión. La razón puede variar hasta 10 a 1 para compresores de una etapa. Si la razón es más alta, compresores de dos etapas deberán utilizarse. Una razón alta de compresión significa que hay una presión baja de succión, esto no es deseable ya que resultaría en un gasto innecesario de fuerza además, teniendo una temperatura del refrigerante gaseoso en descarga muy elevada. Esto pudiera ocasionar problemas en los cojinetes o casquillos conllevándolos a roturas y desgastes. La fórmula para razón de compresión es: Rc= Pd / Ps Rc= razón de compresión Pd= presión absoluta de descarga Ps= presión absoluta de succión
Cálculos de transmisión mediante poleas
El diámetro de las poleas esta en razón inversa de las velocidades respectivas. La polea más pequeña es la que pertenece al motor generalmente y la más grande por consiguiente al compresor La fórmula para calcular transmisión de fuerzas es: d x v.m. = D x v.c d= diámetro de la polea del motor v.m.= velocidad del motor en rpm D= diámetro de la polea del compresor v.c.= velocidad del compresor en rpm Características
y y y y y
Ruidoso y pesado Fluido de aire intermitente Funciona en caliente (hasta 22 0° C) Necesita mantenimiento costoso periódico Alta presión con moderado volumen
Son divididos en dos clases: y y
y
Los de efecto simple: Baja presión, normalmente usado en talleres para pintar, soplar, inflar neumáticos, operar herramientas neumáticas, etc. Los de efecto doble (Dúplex): Usados para altas presiones en sistemas de compresión de gases a licuados, etc.
COMPRESORES ROTATORIOS.
Los sopladores, bombas de vacío y compresores rotatorios son todos de desplazamiento positivo, en los cuales un elemento rotatorio desplaza un volumen fijo con cada revolución. Compresores de tornillo Esencialmente se componen de un par de motores que tienen lóbulos helicoidales de engrane constante. La compresión por motores paralelos puede producirse también en el sentido axial con el uso de lóbulos en espira a la manera de un tornillo sin fin. Acoplando dos motores de este tipo, uno convexo y otro cóncavo, y haciéndolos girar en sentidos opuestos se logra desplazar el gas, paralelamente a los dos ejes, entre los lóbulos y la carcasa.
Al girar los tornillos, el aire entra por la válvula de admisión con el aceite. El espacio entre los labios es progresivamente reducido al correr por el compresor, comprimiendo el aire atrapado hasta salir por la válvula de salida. Los compresores a tornillo tienen dos tornillos engranados o entrelazados que rotan paralelamente con un juego o luz mínima, sellado por la mezcla de aire y aceite.
Características y y y y
Silencioso, pequeño, bajo costo Flujo continuo de aire Fácil mantenimiento Presiones y volúmenes moderados
Compresores de paletas deslizantes
El motor es excéntrico en relación a la carcasa o el cilindro, y lleva una serie de aletas que se ajustan contra las paredes de la carcasa debido a la fuerza centrífuga. Este tipo de compresores consiste básicamente de una cavidad cilíndrica dentro de la cual esta ubicado en forma excéntrica un motor con ranuras profundas, unas paletas rectangulares se deslizan libremente dentro de las ranuras de forma que al girar el motor la fuerza centrifuga empuja las paletas contra la pared del cilindro. El gas al entrar, es atrapado en los espacios que forman las paletas y la pared de la cavidad cilíndrica es comprimida al disminuir el volumen de estos espacios durante la rotación. Características: y y y y y y
Silencioso y pequeño Flujo continuo de aire Buen funcionamiento en frío Sensibles a partículas y tierra Fácil mantenimiento Presiones y volúmenes moderados
Compresores soplantes o de Lóbulos (Roots)
Se conocen como compresores de doble motor o de doble impulsor aquellos que trabajan con dos motores acoplados, montados sobre ejes paralelos, para una misma etapa de compresión. Una máquina de este tipo muy difundida es el compresor de lóbulos mayor conocida como "Roots", de gran ampliación como alimentador de los motores diesel o compresores de gases a presión moderada. Los motores, por lo general, de dos o tres lóbulos están conectados mediante engranajes exteriores. El gas que entra al soplador queda atrapado entre los lóbulos y la carcasa; con el movimiento de los motores de la máquina, por donde sale, no pudieron regresarse debido al estrecho juego existente entre los lóbulos que se desplazan por el lado interno. Características y y
y
Producen altos volúmenes de aire seco a relativamente baja presión. Este sistema es muy simple y su funcionamiento es muy parecido a la bomba de aceite del motor de un auto donde se requiere un flujo constante. Tienen pocas piezas en movimiento.
y
Son lubricados en general en el régimen de lubricación hidrodinámica aunque algunas partes son lubricadas por salpicadura del aceite. A veces los rodamientos o cojinetes pueden estar lubricados por grasas.
5.3.2 COMPRESOR CENTRIFUGO (AXIAL, RADIAL)
Compresores Centrífugos o de Flujo Radial
El principio de funcionamiento de un compresor centrífugo es el mismo que el de una bomba centrífuga, su diferencial principal es que el aire o el gas manejado en un compresor son compresibles, mientras que los líquidos con los que trabaja una bomba, son prácticamente incompresibles. Los compresores centrífugos pueden desarrollar una presión en su interior, que depende de la naturaleza y las condiciones del gas que manejan y es virtualmente independiente de la carga del procesamiento. Las condiciones que es preciso tomar en cuenta son:
1.
2. 3. 4. 5. 6. 7.
La presión barométrica mas baja La presión de admisión mas baja La temperatura máxima de admisión La razón mas alta de de calores específicos La menor densidad relativa El volumen máximo de admisión La presión máxima de descarga
La mayoría de los compresores centrífugos funcionan a velocidades de 3.5 00 RPM (revoluciones por minuto) o superiores y uno de los factores limitantes es el de la fatiga del impulsor. Los impulsores de los compresores centrífugos son por lo común motores eléctricos o turbinas de vapor o gas, con o sin engranajes de aumento de velocidad. En un compresor, como en una bomba centrífuga, la carga es independiente del fluido que se maneje. Los compresores centrífugos constan esencialmente de: caja, volutas, rodetes impulsores, un eje y un sistema de lubricación. Las volutas convierten la energía cinética del gas desarrollada por los impulsores en energía potencial o presión. La caja es la cubierta en que van ajustadas las volutas y esta proyectada para la presión a la que se ha de comprimir el gas.
La caja se construye adaptándola a la aplicación particular y puede ser de hierro colado, acero estructural o fundición de acero. La compresión de un gas en un compresor centrífugo requiere con frecuencia un medio de ocluir el gas para evitar su fuga a la atmósfera o su contaminación. Existen varios tipos de oclusores:
1.
el de cierre mecánico con anillo de carbón 2. el gas inerte 3. el directo de aceite aceite en el cojinete del del compresor y los de gasto gasto de aceite
Todos están diseñados principalmente como cierre de funcionamiento y no de paro. Los compresores centrífugos se utilizan para una gran variedad de servicios, incluyendo
1.
2. 3. 4. 5.
enfriamiento y desecación, suministro de aire de combustión a hornos y calderas, calderas, sopladores de altos hornos, cúpulas y convertidores, transporte de materiales sólidos, procesos de flotación,
6. por agitación y aereación, por ventilación, ventilaci ón, 7. como eliminadores y para comprimir gases o vapor
Características: y y y y
El gas o aire sale libre de aceite Un flujo constante de aire Caudal de flujo es variable con una presión fija El caudal es alto a presiones moderadas y bajas
Compresor Axial
El compresor axial se desarrollo para utilizarse con turbinas de gas y posee diversas ventajas para servicios en motores de reacción de la aviación. Su aceptación por la industria para instalaciones estacionarias fue lenta; pero se construyeron varias unidades de gran capacidad para altos hornos, elevadores de la presión de gas y servicios en túneles aerodinámicos.
En los compresores de este tipo, la corriente de aire fluye en dirección axial, a través de una serie de paletas giratorios de un motor y de los fijos de un estator, que están concéntricos respecto al eje de rotación. A diferencia de la turbina, que también emplea los paletas de un motor y los de un estator, el recorrido de la corriente de un compresor axial va disminuyendo de área de su sección transversal, en la dirección de la corriente en proporción a la reducción de volumen del aire según progresa la compresión de escalón a escalón.
Una vez suministrado el aire al compresor por el conducto de admisión, pasa la corriente a través de un juego de paletas directores de entrara, que preparan la corriente para el primer escalón de del compresor. Al entrar en el grupo de paletas giratorios, la corriente de aire, que tiene una dirección general axial se defecta en la dirección de la rotación. Este cambio de dirección de la corriente viene acompañado de una disminución de la velocidad, con la consiguiente elevación de presión por efecto de difusión. Al pasar la corriente a través del otro grupo de paletas del estator se lo para y endereza, después de lo cual es recogida por el escalón siguiente de paletas rotatorios, donde continúa el proceso de presurización. Un compresor axial simple puede estar constituido teóricamente por varias etapas según sea necesario, pero esto puede producir que a determinadas velocidades las últimas etapas funcionen con bajo rendimiento y las primeras etapas trabajen sobrecargadas. Esto puede ser corregido ya sea con extracción de aire entre etapas o se puede conseguir mucha mayor flexibilidad y rendimiento partiendo el compresor en dos sistemas rotatorios completamente independientes mecánicamente, cada uno arrastrado por su propia turbina. El compresor de alta tiene paletas más cortos que el de baja y es más ligero de peso. Puesto que el trabajo de compresión de compresor de alta trabaja a mayor temperatura que el de baja se podrán conseguir velocidades más altas antes de que las puntas de los paletas alcancen su número de Mach límite, ya que la velocidad del sonido aumento a mayor temperatura. Por consiguiente el compresor de alta podrá rodar a mayor velocidad que el de baja.
El aire al salir del compresor pasa a través de un difusor que lo prepara para entrar a la cámara de combustión.
Características: y y y y
Gas/Aire libre de aceite Flujo de aire continuo Presiones variables a caudal de flujo fijo Alto caudal de flujo. Presiones moderadas y bajas
5.4 SISTEMAS AUXILIARES
5.4.1 ADMISION Y DESCARGA
A) Comienzo de la compresión. El cilindro se encuentra lleno de gas. B) Etapa de compresión. El pistón actúa sobre la masa de gas reduciendo su volumen original con un aumento paralelo de la presión del mismo. Las válvulas del cilindro permanecen cerradas. C) Etapa de expulsión. Justo antes de completar la carrera de compresión la válvula de descarga se abre (2). El gas comprimido sale del cilindro, debido a su propia presión, a través de la válvula de descarga. Antes de alcanzar el final de carrera (3) la válvula de descarga se cierra dejando el espacio libre del cilindro lleno de gas a la presión de descarga. D) Etapa de expansión. Durante esta etapa tanto la válvula de descarga como la de entrada permanecen cerradas. El pistón comienza la carrera de retroceso pasando de (3) a (4), el gas contenido dentro del cilindro sufre un aumento de volumen con lao que la presión interior del sistema se reduce. Antes de llegar al punto (4) la válvula de admisión al cilindro se abre. E) Etapa de admisión. El pistón durante esta etapa retrocede provocando una depresión en la interior del cilindro que es compensada por la entrada de gas fresco a través de la línea de admisión. Justo antes de llegar al punto inferior de la carrera la válvula de admisión se cerrará, volviendo al estado A) con lo que comienza un nuevo ciclo.
Elección del compresor Caudal Por caudal entiendo la cantidad de aire que suministra el compresor. Existen dos conceptos. El caudal teórico y El caudal efectivo o real. En el compresor de émbolo oscilante, el caudal teórico es igual al producto de cilindrada * velocidad de rotación. El caudal efectivo depende de la construcción del compresor y de la presión. En este caso, el rendimiento volumétrico es muy importante. Es interesante conocer el caudal efectivo del compresor. Sólo éste es el que acciona y regula los equipos neumáticos. Los valores indicados según las normas ?representan valores efectivos (p. ej.: DIN 1945). El caudal se expresa en m3/min ó m3/h. No obstante, son numerosos los fabricantes que solamente indican el caudal teórico
Presión También se distinguen dos conceptos: La presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador y existe en las tuberías que alimentan a los consumidores. La presión de trabajo es la necesaria en el puesto de trabajo considerado. En la mayoría de los casos, es de 6 00 kPa (6 bar). Por eso, los datos de servicio de los elementos se refieren a esta presión.
Importante: Para garantizar un funcionamiento fiable y preciso es necesario que la presión tenga un calor constante. De ésta dependen: - la velocidad - las fuerzas - el desarrollo secuencial de las fases de los elementos de trabajo.
Accionamiento Los compresores se accionan, según las exigencias, por medio de un motor eléctrico o de explosión interna. En la industria, en la mayoría de los casos los compresores se arrastran por medio de un motor eléctrico. Si se trata de un compresor móvil, éste en la mayoría de los casos se acciona por medio de un motor de combustión (gasolina, Diesel).
5.4.2 ENFRIAMIENTO
Por efecto de la compresión del aire se desarrolla calor que debe evacuarse. De acuerdo con la cantidad de calor que se desarrolle, se adoptará la refrigeración más apropiada. En compresores pequeños, las aletas de refrigeración se encargan de irradiar el calor. Los compresores mayores van dotados de un ventilador adicional, que evacua el calor. Cuando se trata de una estación de compresión de más de 3 0 Kw de potencia, no basta la refrigeración por aire. Entonces los compresores van equipados de un sistema de refrigeración por circulación de agua en circuito cerrado o abierto. A menudo se temen los gastos de una instalación mayor con torre de refrigeración. No obstante, una buena refrigeración prolonga la duración del compresor y proporciona aire más frío y en mejores condiciones. En ciertas circunstancias, incluso permite ahorrar un enfriamiento posterior del aire u operar con menor potencia.
5.4.3 LUBRICACION
Todavía hay catálogos e información técnica que recomienden el uso de aceites nafténicos para evitar la acumulación de ceras provenientes de aceites parafínicos que podría causar problemas en las ranuras, bordes y otras partes del compresor. Vale notar que esto solo vale para los aceites parafínicos baratos. Los aceites API grupo II, sintetizados o sintéticos son libres de ceras. Los aceites nafténicos normalmente tienen bajos índices de viscosidad y disuelven o hinchan los retenes y sellos.
En muchos casos una pequeña parte del lubricante será llevado con el aire al destino final. Esto no causa problemas en equipos neumáticos, limpieza general, ni muchos trabajos comunes, pero tiene que ser considerado para el soplado de botellas de alimentos, uso en hospitales, etc. Además de filtros coalescentes, estos compresores deberían usar aceites de Grado Alimenticio (alimentario) aprobados por la USDA/FDA.
Entre más puro y de más alta calidad es el aceite que colocamos al compresor, menos depósitos, menos temperatura, menos desgaste y menos mantenimiento tendremos.
El proceso de compresión de aire siempre resultará en la condensación de su humedad y la acumulación del mismo en el compresor, tanque de almacenamiento o tuberías.
Por ende debería tener trampas de separación del agua y purgadores.
La elección del aceite a utilizar depende de varios factores: y y y y y y y y
El tipo, la velocidad y el tamaño del compresor El tipo de gas a ser comprimido (reactivo o inerte) Presiones y temperaturas Condiciones operativas (tiempo parado, arranque, planta alimenticia, hospital garaje, fuera de autopista). Medio ambiente (humedad, rango de temperatura, temperatura mínima al arranque) Tipo de sistema de lubricación.
Las propiedades requeridas en un aceite para compresores son: y y y y y y y y y y y y y y y y
Viscosidad correcta para el tipo de compresor: Controla desgaste y temperatura. Estabilidad de oxidación para evitar la formación de depósitos, bloqueo de filtros, fuego. Baja tendencia a la formación de carbón/carbonilla para evitar el clavado de válvulas, excesivo desgaste, fuego y explosiones. Protección contra la herrumbre y la corrosión. Protección antidesgaste para evitar la pérdida de eficiencia y altos gastos de mantenimiento. Alto resistencia a la formación de espuma para evitar el rebalse de aceite, la cavitación de cojinetes y desgaste. Alto punto de inflamación y punto de autoencendido para evitar fuego. Compatibilidad con el gas a ser comprimido para evitar reacciones o absorción. En la mayoría de los compresores el aceite debería tener buena demulsibilidad. Compatibilidad con los sellos y retenes pare evitar pérdidas y reparaciones.
Revise las fichas técnicas del aceite que compra y tenga cuidado con términos como:
³Alto índice de viscosidad´: para algunos 9 0 es alto, para otros 25 0 es alto.
³Larga vida´: para algunos esto es 25 00 horas en la prueba ASTM D-943, para otros es >5 000.
