UPS Mecánica Automotriz
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE MOTORES ESTACIONARIOS
MOTORES DE COMBUSTION INTERNA II PROFESOR: ING. RAUL LUNA ALUMNOS: JOSÉ BERMEO V LUIS CABRERA JULIO ZAMBRANO
Sistema de alimentación de Motores estacionarios Motores Diesel
I. Introducción
Los motores estacionarios, independientemente del tipo de combustible que utilicen, son motores de combustión interna mucho más voluminosos que los motores para aplicaciones automotrices, puesto que están destinados para otras aplicaciones como generación de corriente eléctrica, mover mecanismos para procesos industriales, motores marinos que cumplirán la tarea de mover una hélice o un generador eléctrico, etc., pero que al final no intervendrán en el movi miento de un vehículo vehículo automotriz, es decir un mecanismo completo que moverá un vehículo para transporte terrestre. No por eso serán menos eficientes ni menos costosos, sino la preocupación del fabricante ya no será el transporte de personas de forma confortable y rápida sino en la generación de energía mecánica a partir de energía química, mucho más potente, a coste de las revoluciones finales y utilizar un combustible lo más económico posible para abaratar los costos de producción del elemento final. En nuestro caso nos centraremos en los motores estacionarios que cumplen el ciclo Diesel, comparando entre unos y otros las ventajas y desventajas de los diferentes combustibles y los resultados finales obtenidos al final de su combustión, así como también los condiciones que se deben reunir para conseguir la mejor combustión posible. Se describirán los elementos que intervienen en el sistema de alimentación del combustible desde el momento en que se encuentra en el depósito hasta el momento en que el combustible es inyectado en la cámara de compresión para explosionar explosionar y completar el ciclo, sea este de dos o cu atro tiempos . Como complemento, al final del documento se dará una breve descripción del sistema de alimentación del motor Niigata, para poder analizar todos los procesos en una aplicación en un motor estacionario concreto y poderlo comparar con las descripciones descripciones dadas durante la revisión del documento.
1.1. 1. 1.1
Objetivos
Objetivos generales
- Conocer los componentes del sistema de alimentación de un motor estacionario de ciclo Diesel
- Comparar Compar ar la eficiencia eficienci a final del motor según se utilicen utilicen los diversos tipos de combustibles. - Describir brevemente el sistema de alimentación del motor Niigata.
1.1.2
Objetivos específicos
- Describir el funcionamiento funcionamiento de los mecanismos de un motor de Ciclo Diesel de dos tiempos y cuatro tiempos - Discutir el sistema de trabajo entre el motor ciclo Diesel de dos y cuatro tiempos - Describir los sistemas encargados de hacer llegar el combustible hasta la cámara de compresión
Figura 1.1 Motor estacionario con aplicaciones marinas
II. Motor Diesel de dos y cuatro tiempos
Existen motores de combustión Interna estacionarios que cumplen el ciclo Diesel pero son del tipo de cuatro tiempos y dos tiempos. Como ya es sabido, el motor de cuatro tiempos utiliza cuatro carreras del pistón para completar el ciclo, y el de dos tiempos únicamente dos carreras. La diferencia entre estos dos tipos, radica en los mecanismos esenciales para lograr completar el ciclo, pero a diferencia de lo estudiado anteriormente anteriormente de un motor Diesel que sea para aplicaciones automotrices, estos motores Diesel estacionarios varían principalmente principalmente por el tam año y los numerosos mecanismos que se deben incrementar por el hechos de ser más voluminosos, voluminosos, más potentes y un poco menos revolucionados. revolucionados. La característica fundamental que deben reunir los motores sean de dos o cuatro tiempos que que cumplan ciclo Diesel, son las condiciones condiciones en las que debe estar la cámara de compresión, compresión, siendo la principal que, el aire comprimido comprimido por el pistón al estar este este en PMS debe alcanzar una elevada temperatura y presión, a tal punto que al inyectar el combustible finamente pulverizado pueda autoencenderse en el mayor porcentaje posible posible y con toda esa energía m andar al pistón hacia el PMI.
2.1 Motor de dos tiempos
Al cumplir el ciclo en un giro del cigüeñal o en dos ca rreras, significa que la inyección de combustible se realizará al momento en que el pistón esté en el PMS y la entrada de aire fresco así como la salida de los gases quemados se ejecutará cuando el pistón llegue al PMI. Para este tipo de motor, los mecanismos se detallan esquemáticamente en la figura 2.1 y el proceso es como sigue:
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c de un motor de de dos dos tie tiempos mpos
La admis admisión y escap escape e tie tienen pas paso por las las lumbre lumbreras ras A y B, el aire aire lle lle a al cilindro a
través través de A prov provocado por un ventilador ventilador V, est este aire aire barre barre el aire aire que qu emado y es eva evacuado a través través de B por el tubo de de escap esc ape e Z. La bomba de de combus ombustible tible D es accionada ccionada mec mec nic ni came amente nte mediante diante una palanc palanca ac a coplada a la bie bi ela de d el pis pi són, ó t n, y esta esta
bomba a su ve , continuame ontinuamente nte está está alime alimentada por grave gravedad dad des desd de el depós pósito F;
esta esta bomba es la encargada de de mante mantener siempre mpre lle lleno un espa espaccio de d e la válv álvula C, lo demás más del espa espaccio de esta esta válv álvula está está conec onectado tado a través través de un conduc onducto G con al bote botella de de inyecc inyección ión J que qu e tie tiene aire aire comprimido a alta pres pr esión. ión. El pis pistón al lle llegar al PMS PM S la válv álvula C se abre abre y el aire aire de inyecc inyección ión arras arrastra el combus ombustible tible en forma de de nie niebla para que qu e pue pu eda ser ser que quemado. El aire aire comprimido se obtie obtiene del compres ompresor or KL que qu e se compone ompon e de dos dos, tres tres o cuatro etapas tapas, los los serp serpe entines ntin es M y N sirve irven n para baj bajar la te tempe mperatura de del aire aire comprimido que que va a almace almacenar narse se en J para su pos po sterior us uso.Junto o.Junto a J se encuentra la
botella R que almacena aire a la misma presión que J pero sirve para dar las primeras vueltas al motor para poderlo encender mandando aire por la válvula E, sin embargo es necesario descender la presión a través de una válvula de reducción T para que los giros iníciales iníciales os sean tan bruscos. Luego del arranque la válvula E se cierra y solo actúa la válvula C.
2.2 Motor de cuatro tiempos
Al tener disponibles disponibles cu atro carreras del pistón para completar el ciclo, las lumbreras se suprimen e igualmente el ventilador de barrido y, en lugar de las lumbreras se tienen dos válvulas adicionales adicionales en la parte superior, que cumplen las mismas funciones de admisión y escape. La diferencia del funcionamiento del motor de dos tiempos es como sigue (esquema de la figura figura 2): la válvula A se abrirá para permitir la entrada entrada de aire a la cámara de compresión mientras el pistón desciende desciende desde el PMS del cilindro hacia el PMI, en este momento A se cerrará y el pistón ascenderá nuevamente hasta el PMS, en este momento se abrirá la válvula C para inyectar el diesel pulverizado momento en el cual se provocará la explosión y por esta acción el pistón volverá a bajar hasta el PMI, finalmente en este punto se abrirá la válvula B para que el pistón en su carrera de subida expulse todos los gases quemados has ta llegar al PMS en el que s e han cumplido cumplido las cu atro carreras y s e repite el ciclo.
Figura 2.2 Esque quema mec mecáni ánicco de d e un motor de de cuatro tie ti empos mpos
Como se dij dijo antes antes,, los lo s dos dos motores motores se dif erencian por el núme número de d e carre arreras ras para cumplir el mis esperarse ecanissmos mismo ciclo Diese Diesel, l, y como es de esp rarse los los mecani mos auxiliares auxiliares no varían sino solo en su accionami ccionamie ento; nto; de ahí pue pueden surgir las las venta ventajjas y desventa esve ntajjas de los lo s dos dos motores motores..
2.3 Sist
d t b jo (dos y cu t o ti
pos)
Apare Aparente ntemente nt e el motor de d e dos dos tie tiempos mpos es más más efic ficiente nte que que el de d e cuatro tie ti empos mpos por re realizar el ciclo comple ompleto en un solo giro de del cigüe igüe al, sin embargo en la prác práctic tica
no pue pueden alc alcanzar las las velo veloccidades idad es ni la pres presion iones es que que un motor de d e cuatro tie ti empos mpos. La expuls xpulsión de de los los gases gases en los los motores motores de cuatro tie tiempos mpos se da en un may mayor grado de giro de del cigüe igü e al mej mejorando orando la oxige oxigenac nación y renov novación de del nuev nu evo o aire aire a lac lacámara
de compresión, en los motores de dos tiempos se necesita gran velocidad para mejorar el barrido de estos gases quemados y su renovación, por esa razón se usan ventiladores adicionalmente a esto el barrido y escape se dificulta el incrementar el
volumen de los cilindros y la velocidad de giro. La eficiencia en la transferencia de calor desde el pistón hacia las paredes del cilindro cilindro es m ejor en los motores de dos tiempos, además de simplificar simplificar la construcción de los cabezotes por tener solo dos válvulas en lugar de cuatro. Por otro lado, la complejidad del mecanismo para la apertura y cierre de las válvulas de admisión elevan su coste tanto de fabricación como de mantenimiento y la posibilidad de averías. Los cojinetes de las bielas y cigüeñal duran más en los motores de dos tiempos por estar todo el tiempo sometido a cargas similares, a diferencia del de cuatro tiempos que son variables. Los motores de dos tiempos consumen más aceite debido a que en el barrido se necesita lubricación lubricación y parte de este aire se quedará en el cilindro cilindro para ser quemado en el momento de la explosión.
2.4 Sistema de barrido
Como se ha mencionado antes, el sistema de barrido es utilizado por por los motores de dos tiempos para renovar y expulsar expulsar el aire del cilindro para mejorar la combustión. combustión. Un barrido ineficiente, es decir con muchos residuos de los gases quemados, al volverse a comprimir estos y al momento del ingreso del diesel, se encontrará con aire muy pobre en oxígeno lo que ocasionará una com bustión muy incompleta. Se han hechos esfuerzos por mejorar la eficiencia del barrido, se han diseñado varios sistemas, sin embargo embargo ninguno logrará un barrido completo aunque, aunque, puede ser bastante eficiente. En la figura 2.3 Se muestran varios diseños de sistemas de barrido. El sistema 1 es muy eficiente, sin embargo el objetivo del motor de dos tiempos es prescindir de las válvulas en la parte superior del cilindro, cilindro, para simplificar los mecanismos, por lo que el barrido ha pasado a ser por las paredes laterales como se usa en los motores de dos tiempos actuales.
Figura 2.3 Varios Varios si stema de d e barrido. Las Las líne lín eas de trazo indic indican el gas ga s residual, esidual, las las líne líneas continuas ontinua s el barrido de del aire aire.
El barrido para el caso 6 tie tiene mejor ejor efic ficiencia que que los los demás más, sin embargo la complic omplicación mec mecáni ánicca se inc incrementa limitando su us uso.
III. Periodo de combustión
3.1 Inyección y soplado Para la introducción del combustible a la cámara de compresión para quemarse, se utilizan dos procedimientos: a) Dejar entrar el combustible premezclado con aire comprimido a una presión mayor a la de compresión, en consecuencia soplando el combustible. Este método se conoce como soplado de combustible b) Inyectar el combustible usando usando una bomba de alta presión presión que lo haga entrar durante el tiempo y cantidad suficientes. Este método se conoce como inyección directa
El sistema por soplado, se necesita un compresor acoplado a la máquina o accionado independientemente, para comprimir el aire que se almacena en uno o varios depósitos, estos comunicados directamente con las válvulas de inyección. Por otro lado la bomba de combustible envía el combustible en cantidades precisas a esta válvula para su almacenamiento previo a la inyección con presión suficiente para vencer al aire de soplado. Al efectuar la inyección, la válvula se abre por acción de un balancín por un tiempo determinado por el perfil de la leva, a una presión superior a la alcanzada por la compresión, compresión, ingresando aire y combustible. combustible. En la inyección directa es más sencillo. La bomba de combustible envía diesel a la válvula de inyección a través de un conducto previamente sin aire a fin de transmitir completamente la presión generada por la bomba de combustible a esta válvula. Esta bomba es accionada por levas o excéntricas y sus válvulas de aspiración y descarga son manejadas son sincronía para actuar únicamente en el momento que les corresponda enviar combustible a su respectiva v álvula de inyección.
3.2 Pulverización de combustible En cuanto respecta a la pulverización del combustible, y en consecuencia a una mejor combustión, se han desarrollado algunas conclusiones al realizar varias experimentaciones, las mismas que indican que la pulverización será mejor cuando mejor se r eparta la sección de la salida del inyector de combustible, combustible, es decir que m ejor pulverización se tendrá si se tienen más agujeros que uno solo con la misma sección transversal para la salida del combustible. Se tendrá además pulverización más fina si la presión de inyección es mayor que la del cilindro, pero también será mejor si la
presión del cilindro también es elevada. Por último, en cuanto al combustible, los de menor peso específicos se pulverizan mejor que los más pesados. Se sabe además que mientras mejor o más finamente pulverizado esté el combustible que entre en la cámara de compresión, el tiempo en encenderse será menor lo que se traduce en una mejor combustión. Si comparamos entre un sistema de inyección por soplado con uno de inyección directa tendremos que en el primero , el combustible entra pulverizado muy fino pero con el aire comprimido, el mismo que reduce la temperatura dentro de la cámara de compresión, de tal forma que es necesario recuperar la temperatura ideal para que el combustible se encienda, por otro lado la ventaja de este sistema es que las partículas del combustible combustible son muy finas y la combustión será muy uniforme, por lo que habrá que adelantar convenientemente el tiempo de inyección para contrarrestar este efecto, pero además el perfil de la leva deberá ser bien diseñado en el sistema de inyección la temperatura se conserva pero
las primeras partículas que llegan son de m ayor diámetro debido a que la presión no es tan alta y el tiempo para encenderse aumenta, conforme aumenta la presión las partículas son más finas y de mas fácil encendido el mismo que provocará que las demás partículas se enciendan de tal forma que el tiempo de encendido de las partículas será similar para todas en el momento en qu e se alcance la presión nominal, por consiguiente, consiguiente, el proceso de combustión se ef ectuará a pr esión constante. Otra consideración adicional, es la pureza del aire, es decir que la combustión es mejor cuanto más presencia de oxígeno haya, en consecuencia las primeras partículas se quemarán mejor que las últimas que encontrar menos oxígeno que ya consumieron las primeras, es por esa razón, que el tiempo de encendido deberá hacerse en el menor tiempo posible.
IV. Componentes del sistema de alimentación.
4.1 Introducción
En los esquemas de las figuras 2.1 y 2.2 se muestran todos los componentes componentes básicos de un motor ciclo Diesel con sistema de inyección por soplado de dos y cuatro tiempos respectivamente, y luego se habló sobre los sistemas de inyección por soplado e inyección directa. Al hablar del mismo motor pero en cuatro formas diferentes (tiempos y sistemas de inyección) en cuanto al sistema de alimentación, el resultado será que los componentes serán los mismos hasta cierto punto, punto, por ejemplo las válvulas de admisión y escape para el motor de cuatro tiempos o el compresor para la inyección por soplado, pudiendo tener un motor los dos sistemas o uno solo . Esta es la razón por la que si se estudian los componentes del sistema de alimentación del motor de cuatro tiempos con inyección por soplado, se estudiarían ya todos los componentes, debido a que este es el más complejo y completo en cuanto a componentes, desde luego, si existe algún componente exclusivo de cierto tipo también se lo estudiará. Empezamos ahora con la descripción de todo el proceso del sistema de alimentación, es decir desde el momento en que es almacenado, hasta el momento que es inyectado habrá una descripción lo suficientemente detallada de cada !
componente pero muy concreta a fin de comprender el funcionamiento básico básico y evitar confusiones. En esta parte no se habla de ningún motor en concreto por lo que, las descripciones aquí dadas pueden guardar estrecha similitud con los demás componentes.
4.2 Almacenamiento del combustible
Un motor estacionario, al igual que un motor de aplicación automotriz, también necesita en todo momento de suficiente combustible a su disposición para poder continuar con su funcionamiento normal, es decir de un almacenamiento de combustible suficiente para poder funcionar durante un tiempo requerido o de otra manera no se alcanzarán las horas requeridas. Este depósito para almacenamiento de combustible se lo puede en el lugar que más convenga conveng a según sus aplicacio aplicaciones, nes, pudiendo este ubicarse es te a unos uno s de los lados del motor o bajo este, con una distancia prudente desde luego, en consecuencia será necesaria una bomba de impulsión de combustible desde el depósito hasta la bomba
de combustible, lo cual incrementaría un componente más al sistema elevando su complejidad, complejidad, costo y mantenimiento. A causa de esto el lugar más conveniente para ubicar el depósito sería en la parte superior sobre el motor, dándonos la ventaja de no necesitar dicha bomba de impulsión impulsión puesto que el combustible descenderá por gr avedad ahorrándonos mucho tiempo y dinero. Desde luego sea cual sea la ubicación del depósito el combustible deberá pasar por uno o varios filtros para evitar que las partículas extrañas ingresen al sistema y los deterioren, dándonos como consecuencia costos elevados de reparación o cambio de componentes de vital importancia. El filtro como se dijo antes, es el encargado de retener toda partícula extraña, juega un papel muy importante a pesar de su simpleza pueden utilizarse varios filtros para "
mantener más limpio el combustible, los cuales se pueden ubicar desde antes del depósito y luego del depósito o únicamente luego del depósito, pero sea cual sea su ubicación, no se le puede pasar por alto. Además se le debe dar un mantenimiento adecuado o cambio cada cierto número de horas de uso del motor, desde luego también dependerá de las condiciones en las que trabaje el motor, siendo más frecuente el cambio en condiciones condiciones extremas.
4.3 Bomba de combustible combustible
La misión de la bomba de combustible es impulsar al combustible líquido a los inyectores en la cantidad y presión que corresponde al régimen de marcha requerido o deseado por el operador. Las presiones de carga varían de un sistema a otro, siendo de menor presión el sistema por soplado, debido a que la presión mayor la dará el aire comprimido por "
otro lado la presión del sistema de inyección directa supera los v alores de sistema por soplado al menos unas tres o cuatro veces, debido a que la presión de este sistema es la que provocará la apertura del inyecto. Si consideramos el momento de inyección, en el sistema por soplado no es de gran importancia importancia dado que el combustible combustible que llega des de la bomba llega al inyector y este se abrirá en el momento oportuno, a diferencia del sistema de inyección directa que debe inyectarse en el momento del final de la compresión por lo que debe sincronizar la bomba con las posiciones del pistón, pudiéndose variar el tiempo adelantándolo o retrasándolo según según sean las condiciones condiciones de trabajo . Lo común de ambos sistemas es que deben ser precisos e inyectar la mínima cantidad de combustible combustible para que pueda ser quemado, de no ser así el funcionamiento del motor se manifestará con problemas.
4.3.1 Bo b d co bustibl p $
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moto s d sopl do
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Para ente nt ende nd er el func funcionamie ionamiento de de esta esta bomba, pode pod emos mos fij fijarnos arnos en el esqu esque ema bás básico del func fun cionamie ionami ento en la figura 4.1; 4. 1; lo carac aracterí stic tico de esta esta bomba es que que no necesita ecesita sinc in cronía con la pos posición de del pis pistón, razón por la cual no neces necesita ita un compone ompon ente nte impuls impulsador para cada pis pistón.
Figura 4.1 4.1 Esque quema de d e func funcionamie ionamiento de de una bomba de de combus ombustible tibl e de un motor de de soplado
Cada bomba cons onsta de de un émbolo E , que qu e recib ecibe e el mov movimie imiento alte alternativ rnativo de d e un eje auxiliar de del motor A ; un cuerpo de de bomba o cámara C , una válv álvula de de aspirac piración a y una o dos dos válv álvulas ulas de impuls impulsión cuya fue fu erza contraria al líquido la ejer ejercen cen por acc acción ión '
de mue muelles lles.. El combus ombustible tible lle llega por B y es impuls impulsado por D al inyec in yector tor de de combus ombustible tible. En la figura 4.1 4. 1 de la de d erecha, echa, la válv álvula de de aspirac piración a se encuentra cerrada, cerrada, por lo que que no ingres ingresa a combus ombustible tible a la cámara C, y el func fun cionamie ionamiento en una prime primera etapa de lle llegada de de combus ombustible tible es como sigue igue al desce d escend nde er el pis pi stón E por acc acción ión de del eje A (
impuls impulsa tambié también a la barra gf que que gira con resp especto ecto a f que que es punto fij fijo, esta esta barra conec onectada tada a
)
n a través través de hk la tira hac hacia abaj abajo e impuls impulsa a la válv álvula a que que permite rmite
el pas pa so de d el combus ombu stible tible a la cámara por B; B; lue luego en la segunda segunda etapa de de impuls impulsión de de combus ombu stible tible inic ini cia el mome momento en que qu e empie mpieza a subir el pis pistón por acc acción ión de de A, gf levanta evanta a
)
n por me medio de de hk y se cierra la válv álvula a, al no te tener otra salida el
combus ombu stible tible, levanta evanta las las válv álvulas ulas ven venciendo la fue fuerza de de los los mue muelles lles que qu e no es muy muy 0
elevada evada enviando combus ombu stible tible por D, lue luego el pis pistón al te terminar su recorrido ecorrido ascend scende ente nte volve olverá rá a desce d escend nde er re repitie pitiendo el ciclo mie mientras ntras hay ha ya mov movimie imiento de del eje A
Figura 4.2 4.2 Bloque Bloque de sei sei s bombas bombas de com bustible tibl e, acc a ccionada ionadass por dos dos grupos grupos de ex céntri cé ntriccas desd esde un eje transve transverrsal
En la figura 4.2 4. 2 se pue pu ede ver ver una bomba de d e est este tipo con sei seis pis pistones tones,, esta esta bomba se compone ompone de dos dos grupos grupos de pis pistones tones impuls impulsados ados por dos dos excéntri céntriccas, el piñón de de la parte parte inf erior sería sería el eje A de d el esqu esque ema. En la figura 4.3 4.3 se mues muestra tra la re represe presenta ntacción de la mis misma bomba seccionada. seccionada. En esta esta figura A es el cuerpo, B el pis pistón, la entrada de de
combus ombu stible tible será será por E, al mome mom ento en que qu e la válv álvula a permita el pas pa so, el combus ombu stible tible será será comprimido por el pis pistón B impuls impulsado por D, el combus ombu stible saldrá entonces ntonces por las las válv álvulas ulas
1
pas pasará por d y lle llegará a los lo s inyec inyector tores es.. La barra H está está
conec onectada tada por un balanc balan cín a J y esta esta move moverá rá a la barra impuls impul sadorag que que prov provocará la ape apertura o cierre rre de la válv álvula a para el pas pa so o bloque bloqueo de d el combus ombustible tible. Los Lo s tornillos tornillos y la bomba a mano
3
2
sirve irven n para purgar el aire aire.
Figura 4.3 4.3 Bomba de de combus ombustible tibl e seccionada seccionada
Las Las prec pr ecau aucciones ion es de est este sistema es mante mantener un nive nivell de pres presión ión baj bajo en el depós pó sito de de combus ombustible tible, esto esto para evitar evitar que que esta esta fue fuerza pue pueda ven vencer cer la de de los lo s mue muelles lles de la válv álvula y continúe ontinú e su camino a los los inyec inyector tores es que que al mome momento de de su 1
ape apertura inyec inyectten todo el combus ombustible tible prov provocando una explos xplosión muy muy severa severa ponie poniendo en pe peligro la inte integridad de del motor.
na d e Para evitar evitar est este hecho, echo, se tie tiene un de d epós pósito prev previo io que que se conoce ono ce comocister na nivel con st an an te cuya entrada es regulada por un flotador, re regulando la altura máxima
del combus ombu stible tible evitando evitando que que la pres presión ión aume aumente nte por encima de de los los límites límites,, prote protegie giendo a todo el conj onjunto.
4.3.2 Bomb d combustibl p 4
5
5
4
4
6
moto s d inyección di ect 5
5
6
4
6
La carac ara cterí stic tica primordial de de esta esta bomba, es que que debe tener sinc in cronía al mome momento de inyec inyectar tar el combus ombustible tible con la pos posición de del pis pistón en PM PMS S, la bomba debería ser ser ade adelantada unos unos cuantos uanto s grados grados para que que pue pueda lle llegar en dic di cho mome momento lue lueo g de atraves atravesar ar todos todos los los conduc onductos tos y salir por la tobe tobera de del inyec inyector. tor. El princ principio de de func fun cionamie ionamiento de de esta esta bomba es igual al de de la bomba para soplado, únic únicame amente nt e difie difiere en el mov mo vimie imiento de de los los mecani ecanissmos mos y en la robus robustez de d e la bomba, debido a que que la pres presión ión ge generada será será muc mucho más más alta. En la figura 4.4 se mues muestra tra un esqu esque ema de func funcionamie ionami ento de de esta esta bomba, se pue puede ver ver la similitud con la bomba ante anterior. Es Esta bomba, es accionada ccionada por lev leva as que que levantarán evantarán al pis pistón que que comprimirá el combus ombustible tible, en consec on secu uencia est este eje de leva evas debe estar estar sinc incronizado con el cigüeñal para empuj mpujar al pis pistón únic únicame amente nte en el mome momento prec precii so.
Figura 4.4 Es Esque quema de d e func funcionamie ionamiento de de una bomba de de combus ombustible tibl e para motor de de inyecc inyección ión direc directa ta
El balancín m cumple la misma función de abrir la válvula a para permitir o no el 7
paso de combustible hacia la cámara, este balancín está comandado por la palanca g 8
por medio de h , g tiene movimiento por la misma leva que impulsa al pistón de tal 8
7
forma que todo está en sincronía. El balancín m
7
tiene movimiento alternativo
convergente y divergente respecto de g lo que indica que cuando la leva no esté 8
accionando al pistón y a g la válvula a no estará abierta por no haber acción de m 8
7
sobre esta, en el caso contrario cuando la leva esté accionando al pistón y a g la 8
válvula a estará abierta y habrá entrada de combustible. Durante la carrera del pistón hacia el PMI habrá un momento en que cese la entrada de combustible pues m
7
no estará abriendo la válvula a, luego del PMI y
durante la carrera de subida aun estará cerrada la válvula a y el combustible será enviado por las válvulas i hacia el inyector respectivo con la presión requerida. Este envío terminará cuando la válvula a se empiece a abrir. Este sistema debe estar diseñado para proporcionar la suficiente presión durante el tiempo disponible que suba el pistón. En la figura 4.5 se muestra una bomba de combustible para inyección directa seccionada. La nomenclatura y esquema utilizado es igual que que en la figura figura 4. 4 por lo tanto la descripción de funcionamiento también será igual.
Figura 4.5 4.5 Bomba de de combus ombustible tible para motor de de inyecc inyección ión direc directa ta en corte ort e
4.4 Comp eso de sopl do @
9
9
Los Los motores motores con soplado neces necesitan itan un elemento auxiliar de de vital importanc importancia que que suminis uministre tre el aire aire a pres presión ión neces necesario ario para soplar el combus ombu stible tible y mante mantener su func funcionamie ionamiento. Por otro lado los los demás más sistemas mas requie qui eren aire aire comprimido únic únicame amente nt e para el mome momento de de su arranque arranque pero no para mante mantenerse func funcionando. Es por lo tanto el compres ompresor or elemento que que será será encargado de de suminis uministrar aire aire comprimido, a pres presión ión sufic uficiente nt e según según la aplic aplicación que que se vaya a aplic aplicar, sea sea est este para el soplado o encendido cendido o los lo s dos dos. Este elemento pue puede ir acoplado al mis mismo motor, o pue pu ede ser ser accionado ccionado por elementos ntos auxiliares auxiliares como motores motores eléctri éctriccos o un motor más más peque qu eño de combus ombu stión ya que qu e, no neces n ecesita ita sinc incronía con los los demás más mecani ecanissmos mos, de d ebido a que que el
aire comprimido se guarda en depósitos y se toma de estos cuando se dan las necesidades. Normalmente su ubicación es la parte frontal del motor accionado por el eje del cigüeñal por acople con unión desmontable, de esa manera pueden compartir el mismo cárter y la lubricación se realiza por ramales comunes. Los compresores que normalmente se usan son de dos o tres etapas para motores pequeños y de tres o cuatro para motores grandes así mismo existen varios diseños A
pero el más común es el usado es el que se ve en la figura 4. 6, que tiene un pistón común que realiza todas las etapas, para este compresor de tres etapas también se le ha adjuntado un enfriador o cooler para bajar la temperatura del aire comprimido luego de cada etapa, con el objetivo de proteger los elementos al calentarse demasiado el aceite y perder sus efectos lubricantes. Como se puede ver el esquema de la figura 4. 6, el aire ingresa por L hacia la cámara B, a través de la válvula reguladora G y la válvula b, el ingreso del aire se lleva a cabo el momento que desciende el pistón, luego al subir nuevamente comprime el aire y lo envía por b1 con presión más elevada, entonces se dirige al enfriador, desde este se dirige a la válvula m para volver a ser comprimido por el pistón en su parte inferior en M que, al tener área más reducida aumentará más la presión que saldrá por la válvula m1 y nuevamente se dirige al enfriador, finalmente al salir se dirige a la tercera etapa
en la cámara A de sección aun más reducida pasando por la válvula a y luego es expulsada por a1 hacia el enfriador para a la salida de este por d sea almacenada en el depósito para darle el uso correspondiente. correspondiente.
Figura 4.6 Compres Compresor or de d e soplado de de tres tres etapas tapas con enfriador
En la prime primera etapa, al abs absorbe orber aire aire direc directam tame ente nt e de la atmós atmósf era y est este al ser ser comprimido y cale alentado se conde ond ensará en el enfriador en la parte parte baj baja, lo cual es venta ventajjoso por evitar evitar que eso que que ese vapor continúe ontinúe por todo el sistema, es por eso que se tie tienen grifos grifos en la parte parte inf erior de de cada enfriador que que permitirá eva evacuar el agua que que se conde ond ensará siendo neces necesario ario abrir esto estoss grifos grifos cada cierto tie tiempo. El pis pistón normalme normalmente nt e es huec hu eco o para re reduc ducir su pes peso o y usualme ualmente nte su mate material es el mis mismo utilizado en las la s faldas faldas de los los pis pistones ton es del motor; motor; el cilindró se fabric fabrica de d e hie hierro fundido con esp espesor esores es de pare pared más más grues gru eso os de lo calc alculado con el obje objeti tiv vo d e pode poderlos rlos torne tornear según según su des d esga gasste irre irregulary gular y conse onserrvar el mis mi smo; mo; las las válv álvulas ulas son de de ape apertura y cierre rre automátic automáti co y deben estar estar calibradas alibradas según según la pres presión ión re reque querida. El enfriador se forma de d e cuerpos rpos inde independie ndientes ntes según según las las etapas tapas del compres ompresor, or, pre pref erible riblemente nt e los los conduc onductos tos son recto ectoss para fac facilitar su limpie limpieza y circ irculac ulación de del aire aire, guardando dis distanc tancia sufic uficiente nte entre ntre ellos llos para una bue bu ena eva evacuac uación de de calor.
El mantenimiento del compresor se los debe dar de acuerdo a su desempeño, teniendo la atención en la estanqueidad que debe brindar el cilindro y los anillos de cada pistón, además de una buen a lubricación para poder prolongar prolongar la vida del mismo.
4.5 Vá lvulas de admisión y escape
Estas válvulas son exclusivas del motor de cuatro tiempos, puesto que en el de dos tiempos estas quedan reemplazadas por las lumbreras. Tanto la válvula de admisión como la de escape tienen mecanismos de accionamiento similares, variando únicamente el tiempo en que son accionadas que dependerá del sistema de distribución que también debe estar bien sincronizado con el cigüeñal, de no ser así podrían haber impactos entre las válvulas y el pistón en el momento en que este en su carrera de subida. EL perfil inferior inferior de una v álvula está diseñado de forma que per mita la entrada o salida del aire por una sección lo más grande posible, pero se selle al momento que no se requiera su apertura. En la figura 4.7 se puede ver una válvula de escape, estas suelen ser de dos piezas, es decir el vástago v y el plato p unidos mediante rosca. En algunas ocasiones en la parte superior superior del vástago se tiene un casquillo casquillo de bronce bronce m, en sus extremos están las guías de válvulas para evitar que el plato se desvíe y no se asiente bien provocando provocando un sellado deficiente.
Figura 4.7 4.7 Válv Válvula de de escap escape e
El asiento de de válv álvula a es la que que resi esistirá los los impac impactos tos de ape apertura y ci erre rre, puede ser ser una pie pieza pos postiza que que será será ree reemplazada mplazada al mome momento que que su des d esga gasste lo indique indique. La parte parte supe uperior de del vástago es rosc roscado ado para armarse armarse con la tue tu ercat, esta esta tue tuerca es partida por un lado y con brida y tornillo en c, de modo que que cuando se necesit ecesite e ajustar la válv álvula a una altura conve onveni nie ente nte, esta esta tue tuerca t se podrá re regular has hasta el punto deseado, eseado, lue luego se fij fijará con la brida aj ajustando el tornilloc. La tue tuerca t ade además más sirve irve de tope tope al plato f que que cumple umpl e la func fun ción de de retornar a la válv álvula a la pos po sicióninic inicial por ef ecto ecto de del o los lo s mue muelles lles para el sellado sellado de del cilindro. Los Los mue muelles lles hace hacen n sufic uficiente nte pres pr esión ión para el retorno y sellado sellado de de la válv álvula pudié pudiéndose ndo se utilizar uno o dos dos en el caso de que qu e la sección sección de de las las espira espirass de un solo mue muelle lle sea sea muy muy grande grande (más (más de 20mm), 20mm), para est este caso las las hélices lices se arman direcc dirección ión contraria para evitar evitar que que los los mue muelles lles se enganc nganchen entre ntre las las espira espirass.
en
4.6 Inyectores
Los inyectores son el último elemento por el cual pasa el combustible hacia la cámara de compresión compresión para s er quemado, su misión esencial es la de pulverizarlo para facilitar facilitar la combustión combustión uniforme, sea cual sea el medio por el cual llegue el combustible hacia este elemento. Al existir dos formas de enviar el combustible hacia el inyector habrá un inyector para cada uno, cada uno con sus mecanismos internos acoplados de forma que se puedan accionar por los medios correspondientes al sistema de inyección para el cual están accionados. accionados. Existen además diseños adicionales de los inyectores para cada uno de los sistemas antes nombrados, cada uno con sus sus ventajas y desventajas y sistemas de comando que provocarán la apertura del inyector para el correspondiente correspondiente paso del combustible. combustible.
Tobera
La tobera forma la boca del inyector inyector y es la última pieza dedicada a la combustión combustión del combustible. En los motores de inyección directa tiene una enorme importancia, pues este es el único elemento encargado de realizar la pulverización pulverización del combustible, que es vital para el buen funcionamiento. En el sistema de soplado existen placas o ranuras encargas de la pulverización quedando la tobera como un complemento. Su diseño es de gran complejidad, siendo dependiente de factores como: proporción de la mezcal aire combustible, presione s de soplado soplado y compresión y algunos otros factores secundarios. Además la fabricación de estas es de gran complejidad por el diámetro muy reducido reducido que hay que realizar (en decimas de milímetro) que que además deben tener una inclinación exacta también el material debe ser lo suficientemente resistente para B
evitar el desgaste acelerado de los agujeros. También hay que considerar que los agujeros demasiado estrechos se pueden obstruir debido a la formación de coque o impurezas. Se sabe que la mejor pulverización se consigue si se tienen mayor número de agujeros lo que queda limitado por la dificultad de mecanización por lo diámetros que se deben manejar al realizar los agujeros, que normalmente son por la parte exterior, B
las rebabas provocadas son muy difíciles de extraer, por lo que antes de entrar en servicio, las toberas son sometidas a un simulacro de inyección a presiones del doble de las normales y por varias horas para poder limpiar los agujeros y obtener una cilindricidad adecuada.
4.6. 1 Inyector para soplado con tobera cerrada
Este inyector tendrá la tobera obstruida con una aguja a , la misma que podrá ser levantada por palancas o balancines desde el eje de levas. Su representación en corte se puede observar en la figura 4.8. El cuerpo
c
del inyector es hueco que termina
cónico para formar el asiente de la aguja a comandada por el casquillo l y presionada hacia su asiento por el muelle m es roscado en su parte inferior por la parte exterior C
para sujetar la tobera por medio de una tuerca. La camisa b sirve de guía para la aguja y evitar que se desvié y además se encarga de alojar las placas pulverizadoras (su detalle de estas se encuentra en la parte derecha) consistiendo consistiendo de anillos anillos de chapa de pocos milímetros milímetros de espesor con con una corona de agujeros, cuyo número y círculo de centros varia de una placa a otra de modo a presentar al combustible un paso en Zigzag las placas vas distanciadas un de otra por anillos intermedios que no llegan a C
tocar la pared interior del cuerpo c. A estas placas sigue el cono pulverizador que va atornillado que va atornillado al extremo de la camisa b; con el contorno de esta hay un cierto número de ranuras que, con la superficie interior del cuerpo canales, desembocando frente a la punta de la aguja.
, forman
c
Figura 4.8 4.8 Inyec Inyector tor para motor con soplado
El combus ombustible tible lle llega por la parte parte supe uperior de del cuerpo c en la cantidad prec preciisa, atraves atravesando ando una vál vula que que impide impide el pas paso del aire aire comprimido hac hacia los los conduc onductos tos de alime alimentac nta ción, almace almacenándo nándose se entre ntre las las plac placas pulve pulverizadora rizadorass. Al mome momento en que qu e se prov provoque oqu e la ape apertura de de la aguj aguja el aire aire a pres presión ión busc buscará ará salir por la tobe tobera pas pasando por los los aguje agujero ross de las las plac placas, y por la dific dificultad que que encuentra para pas pasar sumado con la pres presión ión a la que qu e pas pasa pulve pulveriza riza el combus ombu stible tible en partí culas ulas muy muy finas finas. El cono pulve pulverizador rizador tie tiene por obje objeto to formar muc mu chas has corrie orrientes ntes
de mezcla aire aire
combus ombu stible tible con dif erentes ntes direcc direccion iones es y hace hacerla rlass choc hocar en la mis misma boc boca de d e obe o t bera, con lo cual la pulve pulveriza rizacción se hace hace aún más más fina y la me mezcal más más uniforme uniforme. La div división de del combus ombustible tible en partí culas ulas, depende nde del núme número de plac placas y la separa separacción entre ntre ellas llas, tambié también del tamaño y núme número de aguje agujero ross. En caso de combus ombu stible tible muy muy visco scoso se deben dis dispone pon er de de poc po cas plac pla cas con grandes grandes aguje agujero ross.
4.6.2 Inyecto p D
E
E
D
inyección di ect con tobera cerrada E
D
Exis Existen varios arios de esto estoss inyec in yector tores es,, sin embargo al que que citare itaremos mos es el inyec inyector tor Krupp de d e accionami ccionamie ento automátic automático, de d el cual sepu se pue ede obse obserrvar su estru estrucctura inte interna en la figura 4.8 4. 8.
Figura 4.8 4.8 Inyec Inyector tor Krupp
La aguj aguja es guiada por la camis amisa y fue fuerte rtemente nt e cargada con un mue mu elle lle, termina en punta cónic ónica para cerrar cerrar el orific orificio de d e la tobe tobera. La aguj aguja va aj ajustada en su camis amisa con gran prec preciisión a fin de d e elevar evar la pres presión ión de de inyecc inyección ión a varias arias atmos atmosf eras ras (300at 300attm). tm). No es necesario ecesario garantizar la estanqu estanque eidad entre ntre la aguj aguja y la camis amisa a más más de ser ser casi impos imposible ible, pe p ero sí hay hay que que evitar evitar la formac formación de de pres presión ión en la cámara donde donde se ubic ubi ca
el resorte, pues en ese caso la aguja quedaría apretada siempre sobre su asiento, y es por eso que se disponen de ductos de purga a. Las cámaras de circulación de combustible del inyector deben estar sin ninguna burbuja de aire por lo cual, se dispone de una pequeña válvula con una bomba de accionamiento manual que se accionará antes del arranque hasta que empiece a fluir combustible por la válvula. El combustible llega por los ductos
c
y b, al llegar cerca de la tobera, empieza a
acumular presión presión suficiente para poder empujar l a aguja hacia arriba el área donde se F
ejerce la presión del líquido es la de una corona circular con diámetro exterior igual al diámetro de la aguja e interior igual al diámetro del asiento de la tobera. Al estar los ductos llenos de combustible (líquido incompresible), cualquier movimiento del pist ón de la bomba de combustible es correspondido inmediatamente por un cambio de presión en la tobera tobera y el accionamiento de la aguja. Si el combustible combustible usado en un petróleo pesado, por las elevadas temperaturas a las que se llega
durante la combustión y al al quedar residuos del combustible en el
inyector, puede darse la formación de coque, razón por la cual se debe refrigerar al inyector manteniendo así, temperaturas más bajas para lograr mantener el combustible combustible fluido en los conductos y evitar la coquifi cación y con este l a obstrucción de los conductos.
4.6. 3 Inyectores para inyección directa en tobera abierta.
Este inyector comunica directamente la tubería de la bomba de combustible con el cilindro. cilindro. El combustible combustible es descarg ado directamente desde la bomba de combustible combustible a través del tubo
, en la parte inferior se encuentra una tobera con agujeros que se
w
encargan de la pulverización del combustible. combustible. Este inyector tiene conductos de entrada y salida de refrigerante para evitar la coquificación por los efectos de elevada temperatura.
Figura 4.9 Inyec Inyector tor para inyecc inyección ión direc directa ta con tobe tobera abie abierta
Este inyec inyector tor es el más más simple imple de todos todo s pero tambié también el qu q ue requie qui ere mejor ejor ajuste del tie ti empo de de inyecc inyección ión entre ntre la bomba de d e combus ombustible tible y el inyec in yecto torr, pu p uesto es to que que est este último prác práctic ticame amente nte solo continuará la labor de de la bomba. La desve d esventa ntajja de est este inyec inyector tor es que que al no sellar sellar la tobe tobera, pudie pudiera caer una gota a la cámara de de combus ombu stión, de del combus ombustible tible que que que quedó almace almacenado nado en el tubow , y en la siguie iguiente nt e compres ompresión ión no podrá que qu emarse marse comple ompletame tamente nte, formándose formándo se el hollín en los los inyec inyector tores es y en toda la cámara de de combus ombustión. tión . Para Par a contrarres ontrarrestar tar est este ef ecto ecto se trata de reduc du cir el tamaño de del conduc ondu cto
w
para re reduc ducir el volume olumen de la gota de de
combus ombu stible tible que que pue pueda caer de dentro de del cilindro y pode pod erla que quemar me menor.
V. Combustibles para motores estacionarios 5.1 Introducción
Un motor diesel es también conocido como motor por encendido por compresión, y funciona en general con el combustible denominado diesel que se le ha dado este nombre por su inventor Rudolf Diesel tanto al combustible como al ciclo del motor. Cuando se trata de motores de dimensiones más grandes estacionarios, el diesel es un combustible relativamente caro, ya que los mismos por su tamaño consumen gran cantidad de combustible, y si fuera el combustible utilizado diesel los gastos serían bastante grandes y con beneficios muy pequeños comparados con la inversión en el combustible. Es esta la razón más fuerte por la que se buscan combustibles alternativos, y también es la razón más fuerte por la que los diseñadores y constructores de motores estacionarios de gran tamaño, se plantean condicionar un motor capaz de prestar tales condiciones para un combustible que no reúna todas las condiciones del diesel, pero que contenga las características par un motor de encendido por compresión. Dicho esto, es necesario conocer los combustibles más comúnmente utilizados en motores estacionarios de grandes dimensiones dimensiones para no únicamente conocer su ciclo o los componentes del sistema de alimentación, sino además cuál es el combustible combustible con el que trabajan estos motores para concluir dicho dicho ciclo.
5.2 Petróleo
El petróleo es una mezcla heterogénea de compuestos orgánicos, principalmente hidrocarburos insolubles en agua. También es conocido como petróleo crudo o simplemente crudo. Es de origen fósil, fruto de la transformación de materia orgánica procedente de zooplancton y algas que, depositados en grandes cantidades en fondos anóxicos de mares o zonas lacustres del pasado geológico, fueron posteriormente enterrados bajo pesadas capas de sedimentos. La transformación química debida al calor y a la presión durante la diagénesis produce, en sucesivas etapas, desde betún a hidrocarburos cada vez más lig eros (líquidos (líquidos y gaseosos). Estos productos ascienden hacia l a superficie, por su menor densidad, gracias a la porosidad de las rocas sedimentarias. Cuando se dan las circunstancias geológicas que impiden dicho ascenso (trampas petrolíferas como rocas impermeables, estructuras anticlinales, márgenes de diapiros salinos, etc.) se forman entonces los yacimientos petrolíferos. En condiciones normales es un líquido bituminoso que puede presentar gran variación en diversos parámetros como color y viscosidad (desde amarillentos y poco
viscosos como la gasolina hasta líquidos negros tan viscosos que apenas fluyen), densidad (entre 0,75 g/ml y 0,9 0, 95 g/ml), capacidad calorífica, etc. Estas variaciones se deben a la diversidad de concentraciones de los hidrocarburos que componen la mezcla.
5.2. 1 Composición
El petróleo está formado principalmente por hidrocarburos, hidrocarburos, que son compuestos de hidrógeno y carbono, en su mayoría parafinas, naftenos y aromáticos. Junto con cantidades variables de derivados saturados homólogos del m etano (CH4 (CH4). Su fórmula general es CnH2n+2. - Cicloalcanos o cicloparafinascicloparafinas-naftenos: hidrocarburos cíclicos saturados, derivados del ciclopropano (C3H6 (C3H 6) y del ciclohexano (C6 (C 6H12). Muchos de estos hidrocarburos contienen grupos metilo en contacto con cadenas parafínicas ramificadas. Su fórmula general es CnH2n. - Hidrocarburos aromáticos: hidrocarburos cíclicos insaturados constituidos por el benceno (C6 (C 6H 6) y sus homólogos. Su fórmula general es CnHn. - Alquenos u olefinas: moléculas lineales o ramificadas que contienen un enlace doble de carbono (( -C=CC=C -). Su fórmula general es CnH2n. Tienen terminación -"eno -" eno"". - Dienos: Son moléculas lineales o ramificadas que contienen dos enlaces dobles de carbono. Su fórmula general es CnH2n -2. - Alquinos: moléculas lineales o ramificadas que contienen un enlace triple de carbono. Su fórmula general es: CnH2nCnH2n -2. Tienen terminación -"ino -"ino"". - Además de hidrocarburos, el petróleo contiene o tros compuestos orgánicos, entre los que destacan sulfuros orgánicos, compuestos de nitrógeno y de oxígeno. También hay trazas de compuestos metálicos, tales como sodio (Na), hierro (Fe), níquel (Ni), vanadio (V) o plomo (Pb). Asimismo, se pueden encontrar trazas de porfirinas. porfirinas.
5.2. 3 Destilación fraccionada del petróleo
El petróleo natural natural no se usa como se extrae de la naturaleza, sino que se separ a en mezclas más simples de hidrocarburos que tienen usos específicos, específicos, a est e proceso se l e conoce como destilación fraccionada. El petróleo natural hirviente (unos 400 grados Celsius) Celsius) se introduce a la parte baja de la torre, todas las sustancias que se evaporan a esa temperatura pasan como vapores a la cámara superior algo más fría y en ella se
conde ondensan las las fracc fraccion iones es más más pesada esadass que qu e corres orrespond ponde en a los los aceit ceites es lubric lubri cantes antes.. De est este proces proceso o se obtie obtienen las las fracc fraccion iones es
G
- Gases Gases metano, etano y gases gases lic licuados uados del pe petróle tróleo (propano y butano) G
- Nafta, ligroína o éter de de petróle tróleo - Gas Gasolina - Que Querose roseno no - Gas Gasóle óleo (lige (ligero y pesado) esado) - Fuelóle lóleo - Ace Aceit ites es lubric lubricantes antes - As Asfalto - Alquitrán La indus industria pe petroquímic troquímica elabora a partir de del petróle tróleo varios arios produc produ ctos tos deriv rivados ados, ade además más de combus ombustibles tibles,, como plás plástic ticos, de d eriv rivados ado s del etile tileno, pes pesti ticcidas idas, he h erbic rbicidas idas, f ertilizantes rtilizantes o fibras fibras sinté intétic ticas.
Figura 5.1 esqu esque ema de d e destila estilacción de del pe p etróle tról eo
5.3 Gas oil
El gasóleo, también denominado gasoil o diesel, es un líquido de color blancuzco o verdoso y de densidad sobre 850 kg/m3 (0,850 g/cm3), compuesto fundamentalmente por parafinas y utilizado principalmente como combustible en motores diesel y en calefacción. Cuando es obtenido de la destilación del petróleo se denomina petrodiésel y cuando es obtenido obtenido a partir de aceites veg etales se denomina biodiésel. biodiésel.
5.4 Fluel Oil
El fuel oil es una fracción fracción del p etróleo que se obtiene como residuo residuo en la destilación fraccionada. De aquí se obtiene entre un 30 y un 50% de esta sustancia. Es el combustible más pesado de los que se puede destilar a presión atmosférica. Está compuesto por moléculas con más de 20 átomos de carbono, y su color es negro. El fuel oil se usa usa como combustible para plantas de energía eléctrica, calderas y hornos. Por otra parte, también se trata en procesos a menor presión para poder ser destilado y así obtener las fracciones más pesadas del petróleo, como los aceites lubricantes y el asfalto, entre otros. Es un combustible pesado para hornos y calderas industriales. 5.4.1 Clases de fuel oil
El Fueloil se clasificado en seis clases, enumeradas del 1 al 6, de acuerdo a su punto de ebullición, su composición y su uso. El punto de ebullición, que varía de los 175 a los 600 °C la longitud de l a cadena de carbono, de 9 a 70 átomos y la viscosidad H
H
aumentan con el número de carbonos de la molécula, por eso que los más pesados debe calentarse para que fluyan. El precio generalmente decrece a medida que el número aumenta. Los fueloil No. 1, fueloil No. 2 y fueloil No. 3 se llaman de diferentes formas: fueloil destilado, destilado, fueloil diésel, fueloil ligeros, gasóleo o simplemente destilados. Por ejemplo, el fueloil No. 2, destilado No. 2 y fueloil diésel No. 2 son casi lo mismo (diésel es diferente porque tiene un índice de cetano el cual describe la calidad de ignición del combustible). Gasóleo hace referencia al proceso de destilación. El crudo se calienta, se gasifica y luego se condensa. - Número 1 es similar al queroseno y es la fracción que hierve justo luego de la gasolina. - Número 2 es el diésel que usan las camionetas y algunos automóviles. automóviles.
- Número 3 es un combustible destilado destilado que es usado raramente. - Número 4 es usualmente una mezcla de fueloil destilado y de residuos, tales como No. 2 y 6; sin embargo, algunas veces es tan solo un fuerte destilado. No. 4 puede ser clasificado clasificado como diésel, destilado o fueloil residual. Los Número 5 y Número 6 son conocidos como fueloil residuales (RFO por sus siglas en inglés) o fueloil pesados. En general se produce más Número 6 que Número 5. Los términos fueloil pesado y fueloil residual son usados como los nombres para Número 6. Número 5 y 6 son los remanentes del crudo luego que la gasolina y los fueloil destilados son extraídos a través de la destilación. El fueloil Número 5 es una mezcla de 7575-80 % de Número 6 y 2525-20% de Número 2. Número 6 puede contener también una pequeña cantidad de No. 2 para cumplir con ciertas especificaciones. especificaciones. Los fueloil residuales residuales son llamados algunas veces ligeros cuando han sido mezclados con fueloil destilado, mientras que los fueloil destilados son llamados pesados cuando han sido mezclados con fueloil residual. Gasóleo pesado, por ejemplo, es un destilado que contiene fueloil residual.
5.4.2 Combustible Bunker
Pequeñas moléculas, como aquellas del gas propano, nafta, gasolina para automóviles, y combustible de jet tienen puntos de ebullición relativ amente bajos, y se separan al comienzo del proceso de destilación fraccionada. fraccionada. Los productos de petróleo más pesados, tales como el diésel, así como el aceite lubricante, se precipitan más despacio, y el bunker se ubica literalmente al fondo del barril; barril; la única sustancia más densa que el combustible bunker es el residuo, que se mezcla con brea para pavimentar calles y sellar techos. Combustible Bunker es técnicamente cualquier tipo de combustible derivado del petróleo usado en motores marinos. Recibe su nombre ( en inglés) de los contenedores en barcos y en los puertos en donde se almacena; almacena; cuando se usaban barcos a vapor se tenían bunkers de carbón, pero ahora lo mismos depósitos se usan para combustible bunker. La oficina de Impuestos y Aduana Australiana define el combustible bunker como el combustible que alimenta el motor de un barco o de una aeronave. Combustible Bunker A equivale a fueloil No. 2, combustible bunker B equivale a fueloil No. 4 o No. 5 y combustible C equivale a fueloil No. 6. Debido a que No. 6 es el más común, se usa el término "combustible bunker" bunker " como un sinónimo para fueloil No. 6. Al fueloil No. 5 se la llama también navy special fuel oil o sencillamente navy special, los fueloil No. 6 o 5 también son llamados furnace fuel oil (FFO) ; debido a su alta viscosidad requieren calentamiento, usualmente lograda por medio de un sistema de circulación continua a baja presión vapor, antes de que el combustile sea bombeado
desde el tanque de combustible bunker. En el contexto de los barcos, la nomenclatura tal y como ha sido descrita con anterioridad, anterioridad, es usada actualmente.
VI. Motores Nii ata I
6.1 Int rodu cción
Son motores motores esta estaccionarios ionarios de grandes grandesdim dime ensiones ion es y pote potencias ias, pudie pudiendo ir des desd de 500 600 HP por cilindro y has hasta 11500HP 11500HP en los los motores motores más más grandes grandes.. Us a combus ombu stibles tibles pesado esadoss como bunke bunker o Fule ule Oil Núme Número 6, dese d esen nvolv olviéndose ndo se de mane manera muy muy efic ficiente nte siempre mpre se los los sistemas mas se mante mantengan en forma adec ad ecu uada ad a. En esta esta parte parte, se describirá escribirá únic únicame amente nte el sistema de d e alime alimentac nta ción de de est este motor y las las carac aracterí stic ticas que que debe tener el combus ombu stible tible que que se vaya a utilizar para obte obt ener una máxima efic ficiencia; ia; en base base a esto esto se podrá comple omplementar el estudio estudio y el anális análisis de los lo s dif erentes ntes sistemas mas ya estudiado estudiadoss, ade además más al tener un conoc ono cimie imiento prev previo io de los los combus ombustibles tibles que que se pue puedan utilizar para est este tipo de de motores motores se tendrá una mej mejor or ide idea de los los ef ecto ectoss o carac aracterí stic ticas que que se debe tener o por que qu e se los los aplic aplica a los los combus ombu stibles tibles usados ados.
6.2 Sist ema de aliment ación de Fuel Oil 6.2.1 Clasificación de fuel oils
En motores motores PC es pos po sible ible utilizar varios arios tipos tipos de fue fu el oil, yendo yendo des desd de liv livianos iano s has ha sta bunke bunker tipo C. Según Según el sistema SEMT los lo s fue fuel oilse oil se clas lasific ifican en cinc inco cate ategorías gorías. Para A1 y A2 con carac aracterí stic ticas similares imilares al diese diesel, l, no re requie qui eren un tratamie tratamiento prev previo io de limpie limpieza y o cale alentamie ntamiento. P
Tabla 1 Clas Cla sific ificación de d e Fuel Oil según según la SEMT
B1 y B2 son combus ombu stibles tibles pesado esadoss y contie ontienen gran cantidad de de impure impur ezas zas siendo necesaria ecesaria una limpie limpieza y cale alentamie ntamiento prev previo ioss a su us uso. E, F y G tie tienen alta visco scosidad,
debe ser ser cale alentado antes antes de su uso y ade además más purific purificado de debido a que que contie onti enen grandes grandes cantidades antidades de impure impurezas zas ade además más de vanadio y sodio que pue pu eden dañan grave gravem mente nte las las válv álvulas ulas. Los Los valores alores límites límites para esto estoss dos dos elementos ntos con 200ppm 200ppm y 150ppm 150ppm res resp pecti ectiv vame amente nte, y el valor prác práctic tico para el vanadio es 70ppm 70ppm y 20ppm 20ppm para el sodio.
6.2.2 Calent amiento del Fuel oil
Como se dij dijo ante anteriorme riormente nte, según según el combus ombustible tible que qu e se use se hace hace necesario eces ario su cale alentamie ntamiento, y su te tempe mp eratura va en func fun ción de de su visco scosidadpara que qu e la bomba pue pueda empe mpezar a move moverr el combus ombustible tible. Los Los métodos todos que qu e se pue pueden utilizar son los los siguie iguientes ntes
Q
a. Vapor creado los los gases gases de escap escape e o ace aceit ite e calie aliente nte b. Agua calie aliente nt e creada por los los gases gases de escap esc ape e o ace aceit ite e calie aliente nte c. Con res r esiistencias ia s eléctri éctriccas Si endo el método más más utilizado el prime primero por su economía. economía. La calidad de del vapor reque querido varía de de acuerdo a las las condic ondiciones del lugar, visco scosidad de del combus ombustible tible 2 usado, tamaño de d el motor y pres presión ión de de vapor. Para una pres pr esión ión de de 3kg/c kg/ cm se
prese presentan ntan los los valores alores en la siguie iguiente nte tabla
Tabla 2 Reque querimie rimi entos ntos de la calidad de de vapor
6.2.3 Descripción del sistema de alimentación
En un sistema estándar estándar en el cual se utilizan combus ombustibles tibles pesado esadoss se inc incorporan dos dos sistemas mas, uno para combus ombustible tible de alta calidad o diese diesell y otro para baj baja (B1 (B1, B2 B2, E, F y G). El sistema para diese diesell (líne (línea de d e trazo) es usado para inic iniciar ar el arranque arranque o para detener el motor o para emerge rgencias ia s de mante mantenimie nimiento o re reparac paración para re r etirar el combus ombu stible tible pesado esado de de los los conduc onductos tos.
En el sistema de d el combus ombustible tible de baj baja calidad, prev previo io a su entrada en el motor, est este pas pasa por: un tanque tanqu e de almace almacenami namie ento, un purific purificador centrífugo, centrífugo, un tanque tanque para limpie limpieza, un filtro, bomba de d e suminis uministro, un cale alentador y un segundo segundo filtro. Cie Cierta cantidad de de combus ombustible tible es retornado a través través de la válv álvula de de regulac gulación. Para re reduc ducir la visco scocidad de del combus ombustible tible y acel celerar la separa separacción de de impure impurezas zas, se ins instala un sistema de de cale alentamie ntamiento por vapor en los los purific purificadores adoresce centrifugo ntrifugoss. Lue Luego de pas pa sar de los los tanques tanques de almace almacenami namie ento, el combus ombustible tible pas pa sa a un depos po sito en el cual se cale alentará a una te tempe mperature rature de 85 90 9 0 ºC (se ( según gún la visco scocidad) y nuev nuevam ame ente nt e purific purificado de de agua y partí culas ulas. Des Despu pues es de esto esto es almace almacenado nado en otro tanque tanque limpio. El filtrado pue puede trabaj trabajar en seri serie e con el purific purificador o sustituye tituyendi ndio oal puri p urifi ficcador. Dis Disponie poniendo de de tantos tantos filtros filtros como sean sean necesario ecesarioss según según el combus ombu stible tible que qu e se utilice utilice,, y cada uno para la viscio scioccidad de del combus ombu stible tible que qu e se tenga en ese mome momento. En la figura, 6.1 6.1 se mues muestr tr un esqu esque ema de un sistema d e alime alimentac nta ción,c ión,con dos dos sistemas mas que que son para diese di esell y para el combus ombustible tible pesado. esado.
Figura 6.1 6.1 Esque quema estandar estandar de del si stema de de alime alimentac ntación de de combus ombustible tibl e de motres motres Niigata.
1. Tanque de almacenamiento de combustible combustible pesado C 2. Interruptor de flotador (indicador (indicador de nivel) 3. Bomba de suministro de combustible C 4. Tanque de almacenamiento de combustible C para ser calentado 5. Interruptor de flotador ( alimentación automatica) 6. Interruptor de flotador (indicador (indicador de nuvel) 7. Purificador Purificador de Combustible 8. Calentador eléctrico 9. Taque de limpieza de combustible C 10. Interruptor de flotador (indicador de nivel) 11. Medidor de Flujo (solo comb ustible C) 12. Válvula de tres vías 13. Filtro No. 1 14. Bomba de alimentación de combustible 15. Calentador eléctrico 16. Filtro No. 2 17. Valvula reguladora de presión 18. Válvula de tres vias 19. Tanque de almacenamiento de Diesel 20. Interruptor de flotador (indicador de nivel) 21. Bomba de alimentación de diesel 22. Tanque de servicio de diesel 23. Interruptor de flotador ( alimentación automatica) 24. Interruptor de flotador (indicador de nivel) 25. Medidor de flujo (Combustible pesado A)
VII. Conclusiones - Los componentes de un motor estacionario no difieren sustancialmente de un motor Diesel de aplicaciones automotrices, sin embargo el tamaño de los motores estacionarios que puede medir desde unos poco menos un metro hasta varios metros los hace monstruosamente grandes, para cumplir con dichas exigencias, por lo que los materiales que se deben usar deben ser lo más ligeros posible pero al mismo tiempo muy resistentes, para soportar las presiones y esfuerzos a los que se les somete. - El proceso para poder utilizar los combustibles más pesados es bastante largo, complejo y de mucho cuidad pero de vital importancia, porque si alguna partícula extraña ingresara al motor, podría obstruir los conductos de alimentación de combustible cortando, y dependiendo del lugar de la obstrucción, podría apagar al motor, y este podría sufrir grandes daños ya que el combustible pesado pudiera haberse quedado en los conductos que no se los podrá utilizar, sino hasta después de sacar todo el combustible que quedó dentro del motor para volverlo a calentar. - La eficiencia del quemado del combustible, depende básicamente de las condiciones que se le dé dentro de la cámara de combustión, es decir que por más buen combustible que se use, si las condiciones de presión, temperatura, pulverización no son buenas, el combustible no se quemará de forma eficiente, y el resultado se reflejará en la caída de potencia del motor. - No es fácil dar un veredicto sobre el motor más eficiente, si uno de dos tiempos o uno de cuatro tiempos, debido a que cada uno tiene sus ventajas y desventajas, es más ninguno ha desaparecido por lo que los diseñadores todavía tratan de solucionar los problemas que cada uno genera. - El trabajo de mantenimiento de motores diesel en general es más pesado por la robustez de sus componentes, pero para los motores estacionarios, que pueden llegar a tener dimensiones de un edificio de cinco pisos, se debe requerir grúas y herramientas muy especiales además de normas de seguridad muy estrictas, por ese mismo motivo, su costo de mantenimiento debe ser bastante considerable. - Estos motores resultan ser muy interesante para un estudio minucioso, no por su tamaño sino por la cantidad de sistemas auxiliares que necesita para su funcionamiento, estudiarlos, analizarlos, mantenerlos y diseñarlos debe ser un gran reto, puesto que exige gran conocimiento para lograrlo, debe ser una verdadera obra de ingeniería.
VIII. Bibliografía -
Miranda, Pedro. Motores Diesel, marinos y estacionarios. Editorial Gustavo Gili. Barcelona - España. 19 1977
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Manual del Motor Niigata PC
Consultas WEB http://es.wikipedia.org/wiki/Fueloil http://es.wikipedia.org/wiki/Gas%C3% B3leo http://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3% B3leo
