MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA MOTORES DIESEL ING. EDUARDO EDUARDO E. ROJAS VALENZUELA ALENZUELA
MEDICIONES EN EL CILINDRO
MEDICIONES EN EL CILINDRO
MEDICIONES EN EL PISTON
MEDICIONES EN EL CIGÜEÑAL
Aplicaciones de los motores diesel en la actualidad
BREVE HISTORIA DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Mucho tiempo se ha discutido acerca de quien creó el primer motor térmico. Cada invento tiene sus autores, pero debemos tener en cuenta la experiencia de una serie de descubrimientos y desarrollos que antecedieron. Sobre este hecho han habido inventos fundamentales, pero así como no se sabe quien inventó la rueda, tampoco se sabe quien inventó el pistón. En 1860 el ingeniero Belga E. Lenoir (1822-1900) construyó el primer motor de combustión interna que funcionó con gas de alumbrado.
BREVE HISTORIA DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA En 1866 los ingenieros alemanes E. Langen (18331895) y N. Otto (1832-1891) crearon un motor más eficiente a gas, y en 1876 N. Otto construyó un motor de cuatro tiempos que vino a ser el prototipo del llamado MCI con ciclo Otto (de encendido por chispa).
Motor Otto a gas
Motor Otto de dos tiempos
Motor Otto de cuatro tiempos
BREVE HISTORIA DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA •
En 1891 el gran ingeniero aleman R. Diesel (1858-1913) construyó un motor de combustión interna de encendido por compresión. Murió en 1913 ahogado, pues desapareció del buque que cubría el trayecto de Amberes a Inglaterra en el que viajaba. Se manejan varias hipótesis sobre su muerte, la primera indica que cometió suicidio en vista de encontrarse en quiebra, aunque su familia creyó que fue asesinado y sus ideas robadas. Otra hipótesis indica que agentes alemanes lo asesinaron para evitar la difusión de sus inventos, en vista de que la guerra se encontraba cercana y él estaba decidido a permitir que cualquiera (Francia e Inglaterra entre ellos) comprara licencias sobre sus patentes.
Motor de dos tiempos Diesel
Motor de cuatro tiempos Diesel
BREVE HISTORIA DE LOS MOTORESDE COMBUSTIÓN INTERNA
Los trabajos de Felix Wankel sobre sobre un motor rotativo se iniciaron en 1929. En 1957 él realizó pruebas de su motor rotativo construido con apoyo de la firma NSU. Dicho motor modelo KKM-125 desarrolló 25 hp a 10000 r.p.m, con un consumo específico efectivo de 250 g/hp-h Actualmente la empresa Mazda lidera la producción de vehículos que llevan motores Wankel.
Características del motor diesel
Características del motor diesel •
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Funcionamiento. Velocidad de giro. Grado de compresión. Características constructivas. Clasificación de los motores. – Rápidos: 2000 a 4000 rpm. – Medios: 100 a 1600 rpm. – Lentos: 200 a 500 rpm.
FUNCIONAMIENTO
CARACTERISTICAS
Otras clasificaciones de los motores diesel • • • • •
Según el ciclo de trabajo. Por la disposición de los cilindros. Según la aplicación. Según el tipo de refrigeración. Según el llenado de los cilindros.
Comparación entre motores Otto y diesel
Comparación entre motores Otto y diesel
Comparación entre motores Otto y diesel
Comparación entre motores Otto y diesel
Comparación entre motores Otto y diesel
Fundamentos del motor Diesel
Fundamentos del motor Diesel •
Ciclo teórico de funcionamiento de motores de dos tiempos.
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Ciclo teórico de funcionamiento de motores de cuatro tiempos.
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Ciclo práctico de funcionamiento de motores de cuatro tiempos.
Motores Diesel de dos tiempos
• Barrido.
• Compresión. • Expansión. • Escape
Motores diesel de dos tiempos
Motores diesel de cuatro tiempos • Admisión. • Compresión. • Trabajo. • Escape.
Admisión
Solo aire
Compresión Solo aire
Trabajo
Escape
Gases d e la combustión
Funcionamiento del motor Diesel
Transformación isoterma Cambio de estado Isotérmico: Temperatura invariable.
Transformación adiabática (politrópica) Si el calor específico permanece constante durante el proceso, la transformación recibe el nombre de “politrópica”.
Ciclo de funcionamiento según Clapeyron
Los parámetros que determinan unívocamente el estado de este sistema pueden ser dos de las magnitudes siguientes: el volumen V, la presión p y la temperatura T. Las magnitudes V, p y T están relacionadas entre sí por la ecuación de estado, que para los gases perfectos es la fórmula de Mendeléiev-Clapeyron
Ciclo de funcionamiento según Clapeyron
Ciclo de funcionamiento según Clapeyron
Diagrama PV del ciclo diesel
Diagrama PV del ciclo diesel
Rendimiento efectivo de motores Diesel
Otto
Gases de escape
Gases de escape
29%
33%
Refrigeración
Refrigeración 30%
32% 7% Accesorios
10% 27%
32% En er g ía m ec án ic a aprovechada
En er g ía m ec án ic a aprovechada
Accesorios
Fases de la combustión en los motores Diesel Primera fase de la combustión: PERIODO DE RETARDO DE LA COMBUSTION Llamada también periodo de retardo de la inflamación, abarca el intervalo de tiempo o de ángulo de giro del cigüeñal (θi) desde el inicio de la inyección hasta el momento en que la presión dentro del cilindro se hace mayor que la presión de compresión sin presencia de inyección de combustible (punto a en el diagrama). El combustible se inyecta dentro de la cámara de combustión, cuando el pistón todavía no llega al PMS. Desde el instante mismo en que se inicia la inyección del combustible, éste, al mezclarse con el aire se evapora liberando cierta cantidad de calor. El desprendimiento de calor hace que la presión dentro del cilindro al final de esta fase sea mayor que la presión de compresión sin inyección.
Si el periodo de retardo de la inflación es mayor que la duración de la inyección, entonces todo el combustible se suministra en el cilindro antes de iniciarse la inflamación, por lo que una gran parte de este combustible logra evaporarse y mezclarse con el aire. Como resultado de la inflamación volumétrica de esta parte del combustible, dentro del cilindro se desarrollan altas presiones, generándose altas cargas dinámicas sobre las piezas y elevado ruido.
Fases de la combustión en los motores Diesel Sobre la duración de θi influyen los siguientes factores: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Inflamabilidad del combustible Presión y temperatura de la carga en el inicio de la inyección del combustible Tipo de cámara de combustión Intensidad del movimiento dirigido de la carga Características de la inyección y de la pulverización Variación de la carga Aumento de la frecuencia de rotación
Inflamabilidad del com bustible: cuanto mayor es el número de cetano, mejor es la inflamabilidad del
combustible.
Presión y temperatura de la carga en el inicio de la inyecc ión del comb ustible: El aumento de la presión y sobre todo de la temperatura acorta θi. Por ello el empleo de la sobrealimentación, sobre todo
sin enfriamiento intermedio del aire, el aumento de la relación de compresión, la disminución del ángulo de avance de la inyección hasta un valor determinado permiten la disminución de θi. En los motores con un nivel alto de uso es mayor la fuga de la carga a través de los anillos, provocando su disminución de la presión y temperatura, lo cual conduce al aumento de θi. Tipo de cámara de co mb us tión: El tipo de cámara de combustión influye sobre θi debido a las diferencias
en la distribución del combustible por todo el volumen de la carga (aire) y en la zona sub - laminar, y, en la temperatura de las paredes de la cámara de combustión.
Intensidad del mo vimiento dirigido de la carga: el aumento de la intensidad del movimiento de la carga
del motor Diesel, por lo general acorta un poco la duración del retardo de la inflamación.
Característic as de la in yecc ión y la p ulv erización: La inyección más intensa y la aceleración del desarrollo de los dardos del combustible hasta cierto nivel permiten cierta disminución de θi.
Tipos de cámara de combustión de los motores Diesel
Cámaras no separadas (de inyección directa) De tipo “ Guesselman
“
El combustible se inyecta en el volumen de la cámara de combustión – formación de la mezcla volumétrica. La cámara tiene una pequeña profundidad ( hkc ) y un diámetro mayor, dkc/D = 0,75 ... 0,8. Los ejes del inyector, de la cámara de combustión y del cilindro coinciden.
De tipo “ MAN ”
Dos dardos del combustible están orientados bajo un ángulo agudo sobre la pared de la cámara de combustión, las gotas se dispersan por su superficie en forma de una película delgada de espesor: 0,012 ... 0,014mm – formación de mezcla pelicular. La cámara – es esférica, el inyector está desplazado hacía su periferia. Los ejes de la cámara y del cilindro pueden estar ubicados axialmente, o – desplazados entre si.
Semiesférica
Una parte del combustible alcanza las paredes de la cámara y se concentra formando una película, la otra parte se ubica en la capa límite de la carga – formación de mezcla volumétrico – pelicular. Forma de la cámara de combustión – semiesférica, dkc/D = 0,5 ... 0,6. El inyector se ubica inclinadamente. El eje de la cámara está desplazada respecto del eje del cilindro.
De tipo “ TSINIDI”
En la cámara de combustión TSINIDI se realiza la formación de mezcla combinada volumétrico – pelicular. Peculiaridad de la forma de la cámara – estrechamiento en su garganta, dkc/D = 0,35, lo cual crea en ella durante el tiempo dela compresión un remolino de forma toroidal. Los ejes del cilindro y de la cámara coinciden. El inyector se ubica inclinadamente y está desplazado respecto del eje de la cámara.
De tipo “ Deutz”
Formación de mezcla – pelicular – volumétrica. Forma de la cámara – compleja. Los ejes del cilindro y de la cámara coinciden. El inyector se instala de forma inclinada y desplazado a la periferia de la cámara. El pulverizador tiene dos orificios. En la proyección derecha del dibujo, uno de los dardos se orienta a lo largo de la pared de la cámara, mientras que el otro se orienta hacía el eje de la misma. En la otra proyección del dibujo, ambos dardos de combustible se orientan bajo un ángulo agudo.
De tipo “ Yamz y Amz”
En las cámaras de este tipo se realiza la formación de mezcla volumétrica – pelicular. El eje del inyector está desplazado respecto del eje del cilindro, mientras que el eje de la cámara se ubica entre los ejes del cilindro y del inyector. dkc/D = 0,615. Para evitar el choque del pistón con las válvulas durante el proceso del intercambio de gases se freza el fondo del pistón en la zona de las válvulas. Frezado para las válvulas
Cámaras de combustión separadas (de inyección indirecta) Un aumento considerable de energía de los f lujos de aire en el motor Diesel se logra empleando cámaras de combustión separadas en dos espacios, unidas por una garganta. Las formas constructivas de las cámaras separadas y los tipos de flujos rotacionales pueden ser diversos. En los motores Diesel de automóviles y tractores tienen mayor difusión las cámaras de turbulencia y las precámaras.
Cámara de combustión de turbulencia
Una parte de la cámara es de forma esférica, ubicada en la culata de cilindros. Una segunda (la principal) esta hecha en forma de hendidura facial en el fondo del pistón. El eje del canal (garganta) de comunicación es tangente a la superficie de la cámara. En los nuevos motores con cámaras de turbulencia f g /Fp = 0,8 ... 2,7% f g – área de la sección de paso del canal Fp – área del pistón. La cámara está considerablemente desplazada respecto del eje del cilindro, elevada es la velocidad de la carga ardiente, que sale de la cámara.
El encuentro del flujo ardiente con el fondo del pistón predetermina una alta temperatura en esta zona. En consecuencia , el campo térmico del pistón resulta considerablemente asimétrico y las tensiones térmicas elevadas.
Precámara de bajo cambio de presión del motor Diesel MWM
La precámara tiene la forma de una pera, con su parte contraída mirando hacía los canales de comunicación y fabricada como insertos de acero de alta resistencia térmica. Los parámetros de la cámara de combustión MWM se acercan a los de los motores con cámaras de turbulencia f g / Fp = 0,8 ... 2,7% f g – área de la sección de paso del canal ( garganta); Fp – área del pistón. Para evitar el choque del pistón con las válvulas durante el proceso de intercambio de gases se prevé hendiduras en el fondo del pistón en la zona de las válvulas. Hendiduras para las válvulas
Fases de la combustión en los motores Diesel
Variación de la carga: θi varía de diferente forma dependiendo del tipo de sistema de inyección de combustible del motor. Si el inicio de la inyección no cambia con la carga, entonces el periodo de retardo de la inflamación θi
se extiende poco debido a la disminución de la presión y la temperatura de la carga en el instante en que se inicia la inyección del combustible. Por el contrario, si al disminuir la carga (potencia) del motor, el inicio de la inyección del combustible se retraza, entonces cabe la posibilidad de que θi se acorte debido al aumento de la presión y temperatura de la carga (aire) en el cilindro en el instante en que se inicia la inyección del combustible.
Au mento d e la frecuencia de rotación: el aumento de n conlleva al crecimiento de la velocidad de compresión
de la carga, al aumento de la pulverización del combustible y, al aumento de la presión y de la temperatura de la carga en el instante en que se inicia la inyección del combustible. En el caso de los motores que llevan cámaras de combustión separadas (de inyección indirecta) aumenta la temperatura en la garganta y en el postizo de fuego. Todo esto permite la disminución del tiempo del pe riodo de retardo de la inflamación ti a medida que aumenta n, sobre todo en los motores con cámaras de inyección indirecta. En este caso, la duración del periodo de retardo de la inflamación en grados θi aumenta, en menor grado sobre todo tratándose de cámaras de inyección indirecta.
Fases de la combustión en los motores Diesel Segunda fase de la combustión
PERIODO DE PROPAGACION DE LA LLAMA Llamada fase de combustión rápida (θII) se inicia en el instante en que surge la inflamación y continúa hasta cuando la presión alcanza su valor máximo. Esta fase se divide en dos partes: desde el inicio de la combustión hasta el punto b y el tramo b -c. Durante la primera parte de la segunda fase arde parte de la mezcla preparada para la inflamación en el periodo θi, produciéndose un rápido desprendimiento de calor y crecimiento de la presión. Es en esta etapa donde tiene lugar la máxima magnitud de la velocidad de crecimiento de la presión dentro del cilindro(dp/dφ)máx. A partir del punto b, el proceso se limita al mezclado del combustible con el aire y, en consecuencia el carácter del desprendimiento de calor y el crecimiento de la presión sufre una clara variación
Fases de la combustión en los motores Diesel
Sobre el desarrollo y la duración de la segunda fase de la combustión influyen los siguientes factores: 1. Cantidad y estado del combustible, suministrado en el cilindro en el periodo de retardo de la inflamación y suministrado durante la segunda fase de la combustión 2. Velocidad de movimiento de la carga 3. Tipo de cámara de combustión 4. Variación de la carga 5. Frecuencia de rotación Cantidad y estado del co mbustible sum inistrado en el cilindro en el periodo d e retardo de la inflamación y sumin istrado durante la segun da fase de la com bustión: en la característica 1 de la inyección mostrada en la figura del lado (curva σ) es
menor el suministro del combustible durante el periodo θi y por consiguiente es menor (dp/dφ)máx. Cuanto más finamente se pulveriza las primeras porciones del combustible y abarcan rápidamente el volumen de la carga, más intensamente es el desprendimiento de calor y el crecimiento de la presión en la segunda fase.
Velocid ad de movim iento de la carga: hasta cierta magnitud el aumento de la velocidad de la carga
permite la intensificación del desprendimiento de calor en la fase de la combustión rápida.
Si la turbulencia es muy fuerte, disminuye la cantidad de calor que se desprende en la segunda parte de la segunda fase. La intensidad del desprendimiento de calor en la primera parte de esta fase no disminuye.
Fases de la combustión en los motores Diesel Tipo d e cámara de c om bu stión: El carácter del desarrollo de la combustión en esta fase depende del tipo de cámara de combustión debido a su influencia sobre la duración de θi, y sobre la cantidad de combustible
preparado para su inflamación durante el periodo de retardo y después de iniciada la inflamación.
Carga: Al disminuir la carga se acorta la duración de la segunda fase de la combustión debido a la disminución de
la porción del combustible inyectado y a la duración de su suministro.
Frecuencia de rotación: Cuando aumenta la frecuencia de rotación, el tiempo de esta fase se acorta tanto que
su duración en grados de giro del cigüeñal crece en menor grado que la frecuencia de rotación. Esto se debe al mejoramiento de la pulverización del combustible, a la disminución de la duración en tiempo de la inyección, al aumento de la intensidad de movimiento de la carga, al aumento de los parámetros de estado de la carga p y T, los cuales permiten la aceleración de las r eacciones químicas.
Fases de la combustión en los motores Diesel Tercera fase de la combustión
PERIODO DE COMBUSTION DIRECTA Denominada también fase de la combustión rápida difusiva, se manifiesta con mayor claridad a grandes cargas y en motores diesel sobrealimentados. Esta fase empieza cuando se alcanza la presión máxima y culmina cuando se alcanza la temperatura máxima. En la tercera fase tiene lugar la combustión difusiva con un mezclado intenso del combustible con el aire. En el desarrollo de la tercera fase de la combustión influyen los siguientes factores: 1. 2. 3. 4.
Calidad de la pulverización y cantidad del combustible inyectado después de iniciada la combustión Velocidad de movimiento de la carga (aire) Sobrealimentación Aumento de la frecuencia de rotación
Fases de la combustión en los motores Diesel Calidad de la pu lverización y cantidad d el com bustib le inyectado despu é s de in iciada la co mb ustión: Si la
inyección del combustible se realiza antes de iniciarse la tercera fase, entonces la cantidad de calor, desprendido en esta fase y su duración no son grandes. Esto tiene lugar, particularmente a bajas cargas.
Velocid ad de movim iento de la carga: El aumento de la velocidad de la carga hasta cierto valor óptimo aumenta
el desprendimiento de calor en la tercera fase. Sin embargo, ante una sobre turbulencia de la carga, el desprendimiento de calor en la tercera f ase disminuye. Esto se debe al empeoramiento de la distribución del combustible por todo el volumen de la carga y con el traslado de los productos de combustión de la zona de un dardo a la zona de otro. Ambos factores aumentan la combustión incompleta y generan el humeado en el motor. Sobrealimentación: La sobrealimentación aumenta el desprendimiento de calor. Con la sobrealimentación la
cantidad de calor que se desprende durante la tercera fase puede superar a la cantidad de calor desprendido en la segunda fase. También se eleva la velocidad de desprendimiento de calor. Al aumentar el grado de sobrealimentación la duración de la tercera fase y el desprendimiento de calor en este periodo aumenta. Aum ento de la frecuencia de rotación: En este caso se intensifican el suministro y la pulverización del
combustible, también aumenta la velocidad de la carga debido al aumento de n. La duración de la tercera f ase en tiempo se acorta, pero en grados puede aumentar.
Fases de la combustión en los motores Diesel Cuarta fase de la combustión (postcombustión)
PERIODO POSTERIOR A LA COMBUSTION Se desarrolla desde el instante en que se alcanza la temperatura máxima hasta la culminación del desprendimiento de calor. En esta fase también se da la combustión difusiva, pero con una pequeña velocidad de mezclado, ya que la parte principal del combustible y del oxidante ya se han consumido. Cuando las condiciones son favorables se produce un quemado casi completo del hollín, formado en las fases anteriores de la combustión. Sobre el desarrollo de la cuarta fase de la combustión influyen los siguientes factores: 1. 2. 3.
Pulsaciones turbulentas de la carga Cantidad de porciones de combustible inyectado, suministrado al final de la inyección Penetración del combustible en las superficies frías del espacio interior del cilindro
Fases de la combustión en los motores Diesel Cuarta fase de la combustión (postcombustión) Pulsacion es turbulentas de la carga: Éstas aumentan la probabilidad de un contacto entre las partículas del
combustible y del oxidante. Las pulsaciones de alta frecuencia aseguran la velocidad relativa entre las partículas del hollín y de la carga, necesaria para que se realice la combustión. Cantidad de pu lverización de porciones de comb ustible suministrado al final de la in yección: Cuanto
mayor es el diámetro máximo de las gotas, tanto más prolongado se hace el proceso de poscombustión del combustible. La disminución prolongada de la presión de inyección, es capaz de provocar una extensión inadmisible del proceso de combustión y la formación de hollín. En este caso no solo empeora el aprovechamiento de calor, sino que disminuye la confiabilidad del funcionamiento del motor Diesel, debido a la carbonización de los orificios de la tobera y de otras piezas del motor. Penetración del c omb ustib le en las su perficies frías del esp acio interior del cilin dros : Este fenómeno
también puede provocar la extensión de la poscombustión.
Ciclo práctico de un motor de cuatro tiempos
Ciclo práctico de un motor de cuatro tiempos Distribución Cerrada: Es cuando la válvula de admisión se abre en el punto muerto superior, y la válvula de escape se cierra en el punto muerto superior. - Distribución Abierta: Es cuando la válvula de admisión se abre cuando el pistón a pasado por el punto muerto superior y la válvula de escape se cierra antes de llegar el pistón al punto muerto superior. - Distribución Cruzada: En este tipo la válvula de admisión se abre antes de llegar el pistón al punto muerto superior, y la válvula de escape se cierra cuando el pistón ha pasado el punto muerto superior.
Rendimiento efectivo de motores Diesel y Otto MOTOR
CONSUMO
RENDIMIENTO
OTTO
270 @ 310g/Kw-h
27% @ 30%
DIESEL Iny. Indirecta
260 @ 285 g/Kw-h
30% @ 32%
DIESEL Iny. Directa
200 @ 230 g/Kw-h
36% @ 40%
Fuerza
??????????
?????????
Trabajo
????????
??????????
Torque
Potencia W
W
Potencia
W
W
El valor de 1 PS equivale a levantar 75 kilógramos a 1 metro de altura en 1 segundo, (75 kg x metro / segundo). 1 HP es igual a levantar 1 libra a 550 pies de altura en 1 segundo. El valor de un PS se diferencia levemente del HP: 1 PS = 0.9858 HP.
Par motor
Par motor y potencia Potenc ia = Fuerza x Esp acio Tiempo Espacio = 3.1416 x 2r x N 60 Pot enc ia = Fuerza x 3.1416 x 2r x N 60 Par mo tor (Nm ) = Poten cia( Kw ) x 7031.45 N
Curvas de funcionamiento
Curvas de funcionamiento
Curvas de funcionamiento
Curvas de funcionamiento
Seguridad en el taller
Seguridad en el taller
Seguridad en el taller