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MAQUINAS TERMICAS II

PREPARADO POR: CARLOS ROBERTO ENRIQUEZ AVILES INGENIERO MECANICO DOCENTE DE LA CARRERA DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTROMECANICA FNI

TEXTO DE REFERENCIA PARA MEC 3337 MAQUINAS TERMICAS II TEXTO AMPLIADO Y ACTUALIZADO CARRERA DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTROMECANICA FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA-UTO.

ORURO – 2018

2 MAQUINAS TERMICAS II CAPITULO 1 1.- TIPOS Y FORMAS CONSTRUCTIVAS Y FUNCIONAMIENTO: 1.1.1.- MAQUINAS MOTORAS Y GENERADORAS.Una máquina motora es aquella que transfiere energía obtenida a partir de un fluido al ambiente en forma de trabajo mecánico, mientras que una máquina generadora transfiere al fluido la energía recibida como trabajo del ambiente. Los motores alternativos de CI y todas las turbinas son máquinas motoras. Las bombas, los compresores y ventiladores son máquinas generadoras. Los motores alternativos de CI, las turbinas de gas y de vapor son máquinas térmicas motoras. Las máquinas térmicas son capaces de transformar la energía interna de un fluido en trabajo o convertir el trabajo en energía interna de un fluido como en los compresores y bombas. 1.1.2.- CLASIFICACION.Las máquinas térmicas se clasifican en: Los motores de combustión externa y los motores de combustión interna. Los motores de combustión externa usan un fluido de trabajo que recibe calor de una fuente exterior independiente. En un motor de combustión externa, los productos de la combustión del aire y el combustible, le transfieren calor a un segundo fluido (agua, aceite, etc), el cual se convierte en el fluido motriz o elemento productor del trabajo. Las máquinas alternativas de vapor y las turbinas de vapor son ejemplos de máquinas de combustión externa. Los motores de combustión externa funcionan por medio de un ciclo cerrado, en el que el fluido de trabajo, después de ceder su energía vuelve a la fuente de calor para recibir nuevamente energía y ser recirculado a la máquina (Ciclo Ranking de vapor), ejemplo una locomotora de vapor. Los motores de combustión interna son máquinas térmicas motoras que usan los productos de la combustión (gases de combustión calientes) como fluido de trabajo. En un motor de combustión interna, los productos de la combustión en una cámara interna del motor son, directamente, el fluido motriz y son los propios gases de la combustión los que, al expandirse, producen los movimientos de las piezas del motor. Los motores a gasolina, diesel o gas, las turbinas a gas y los motores a reacción son ejemplos de máquinas de combustión interna. Las máquinas de combustión interna funcionan generalmente en base al ciclo abierto, puesto que los gases de combustión son expulsados al medioambiente una vez que han cedido su energía a la máquina (Ciclo motor combustión interna real).

3 En ambos casos las máquinas funcionan en base al calor liberado durante la combustión. La energía química contenida en el combustible, es liberada en forma de calor al quemarse y se convierte en el motor en trabajo o energía mecánica. 1.2.- COMBUSTIBLES, COMBUSTION Y PODER CALORIFICO.1.2.1.- COMBUSTIBLES: Se denomina combustible a toda sustancia que en su composición química, posea principalmente una elevada proporción de C ó H. o ambos simultáneamente y que combinados con el oxigeno del aire, produzcan una reacción química de oxidación, en forma violenta y con liberación de calor (reacción exotérmica). Los combustibles sólidos, como el carbón mineral, no tienen una aplicación práctica directa en los motores de CI, siendo utilizados los líquidos y los gaseosos. El gas natural y otros derivados de la destilación del petróleo, están constituidos principalmente de C o H. en diversas proporciones, por lo que se les denomina hidrocarburos (Cx Hy). También pueden existir en su constitución porcentajes de S, N, O y algunos otros elementos en proporciones menores. El petróleo está conformado por 85% C, 12% H, 1% S, 1% N y 1% O, composición variable en función al lugar de extracción del mismo. El petróleo está formado por familias, siendo las más destacadas: -Parafínica: C n H 2 n 2 ej: El butano C4H10, el propano C3H8. -Nafténica: C n H 2 n ej: El buteno C4H8. -Aromática: C n H 2 n6 ej: El butino C4H6. Se deduce entonces que los productos de la refinación (destilación) del petróleo son una mezcla de hidrocarburos complejos, existiendo predominancia de uno de ellos. Ejemplos de estos combustibles líquidos son la gasolina, el diesel, el kerosene, aceites, resinas, asfalto, gas natural, GLP y otros. También se pueden obtener del petróleo combustible gaseosos como ser el gas natural GN, el gas licuado de petróleo GLP y otros. En procesos de fermentación/destilación de vegetales y catálisis se obtienen sustancias combustibles denominadas alcoholes. El alcohol tiene en su constitución además del C, H, al O2 y son de la forma (Cx Hy Oz). Los más conocidos y usados son el etanol y el metanol. También se obtienen combustibles por la reacción de una sustancia sólida como el carburo de calcio, que reacciona exotérmicamente con el agua para producir un combustible conocido como el etino o acetileno C2H2 y cal apagada. En la tabla siguiente se muestran algunas fórmulas equivalentes de combustibles más usuales.

4 COMBUSTIBLE

FORMULA EQUIVALENTE

GAS NATURAL/ METANO

CH4

PROPANO

C3H8

DIESEL

C16H34

BIODIESEL

C12H24

GASOLINA (ISOCTANO)

C8H18

ETANOL

C2H6O

1.2.2.- COMBUSTION El oxígeno tiene la capacidad de combinarse con diversos elementos para producir óxidos. La oxidación es la combinación del oxígeno con otra sustancia. Existen oxidaciones que son sumamente lentas, como por ejemplo la del hierro. Cuando la oxidación es rápida se llama combustión. La combustión se refiere a las reacciones químicas que se establecen entre cualquier compuesto y el oxígeno. A esto también se le llama reacciones de oxidación. Cabe destacar que los organismos vivientes, para producir energía, utilizan una combustión controlada de los azúcares. El material que arde, como la gasolina, leña o el alcohol, es el combustible y el que hace “arder”, en este caso el oxígeno, se llama comburente. El punto de ignición es el valor de temperatura que debe presentar el sistema fisicoquímico para que se pueda producir la combustión de manera natural. El proceso termina cuando se consigue el equilibrio entre la energía de los compuestos que reaccionan y la de los productos de la reacción. El carbono y el hidrógeno (hidrocarburos) son los elementos que entran en combustión más fácilmente. El butano, propano, el metano y otras sustancias que contengan carbono y/o hidrogeno se utilizan como combustibles, y cuando entran en proceso de combustión se convierten en fuentes de calor. En síntesis, la combustión se produce cuando convergen los siguientes factores:  El combustible, es decir, el material que arde (gas, alcohol, carbón, etc)  El comburente, el material que hacer arder (oxígeno, óxido nitroso, aire).  La temperatura de inflamación o el punto de ignición, es la temperatura más baja a la cual el material inicia la combustión para seguir ardiendo. 1.2.2.1.- REACCIONES QUIMICAS DE LA COMBUSTIÓN: Estando los hidrocarburos formados por C e H, elementos que se combinan fácilmente con el O del aire, producen una oxidación rápida, conocida como combustión. Los productos de la combustión completa de un hidrocarburo son el CO2 y el vapor de agua H2O. Cuándo el S está presente en el combustible, el bióxido de azufre también aparecerá entre los productos de la combustión completa.

5 Primera meta de la combustión: Reacción exotérmica: conversión de la energía química (fría) en energía térmica (calor) COMBUSTIBLE + COMBURENTE=Q (CALOR) + PROD.COMB. Segunda meta de la combustión: Incremento de volumen -→ Incremento de presión -→ Energía mecánica Tomando como ejemplo la combustión del metano: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O Donde el combustible es el metano CH4 y el comburente el oxígeno O2. En la práctica, la combustión no se realiza solamente con oxígeno, sino con el aire del medioambiente. El aire está constituido principalmente por O2 y N2. En peso

O2 = 23%

N2 = 77% Composición simplificada del aire

En volumen

O2 = 21%

N2 = 79%

Componente Símbolo % en masa % en volumen Nitrógeno N 75.44 78.05 Oxigeno O 13.13 20.95 Argón Ar 1.28 0.93 Bióxido de carbono CO2 0.05 0.03 Neón Ne Por ser Por ser Helio He componentes componentes Kriptón Kr mínimos a los mínimos a los Xenón Xe demás demás Metano CH4 elementos su elementos su Óxidos de nitrógeno NOx % másico total % volumétrico Hidrogeno H es 0.1 total es 0.01 Vapor de agua H2O Variable * Variable * Nota * Según condiciones ambientales Tabla 1.1 Composición detallada del aire

ppm 780900 209400 9300 315 16 5 1 1 1 0.52 0.5 Varia

En la mayoría de los casos prácticos se supone, para fines de cálculo teórico, que el N2, es un gas inerte, que pasa por la reacción sin cambios, por lo tanto la ecuación (1.1) se modifica como sigue:

79 79 N 2  CO2  2 H 2 O  2  N 2 21 21 CH 4  2O2  2  3,76 N 2  CO2  2 H 2 O  2  3,76 N 2

CH 4  2O2  2 

CH 4  2(O2  3,76 N 2 )  CO2  2 H 2 O  7,52 N 2

6 Para balancear una reacción es conveniente en primer lugar balancear el # de átomos de C, luego los del H y por diferencia se determina el coeficiente de O 2. Para tener una ecuación tipo para la combustión completa estequiometria de un hidrocarburo, se plantea la siguiente ecuación general:

1.2.3.- RELACIÓN AIRE/COMBUSTIBLE; RAC: Se expresa de diversas formas:

RACe 

Kgmolaire Kgaire m 3 aire ; ;: 3 Kgmolcomb Kgcomb m comb

Es un indicador muy importante en los cálculos de combustión e indica la cantidad de aire necesaria para la combustión completa de 1 Kg. de combustible. Para el problema del metano se tendrá:

RACe 

(2  7,52)molaire 9,52kgmolaire  1molcomb 1kgmolcomb

Siendo el volumen del aire y combustible proporcional a la masa de moles se tendrá:

RACe  9,52

m 3 aire m 3 comb

ó también

RACe 

2  32  7,52  28 Kgaire  17,16 1  16 Kgcomb

ó

RACe 

(2  7,52) * 29 Kgaire  17,5 1 *16 Kgcomb

También se puede usar la siguiente relación:

RACe 

2  32 Kgaire  17,16 16  0,233 Kgcomb

Es posible producir una combustión completa con más moléculas de oxigeno por molécula de combustible que la relación estequiométrica (teórica). En estos casos se dice que existe exceso de aire (mezcla pobre). El oxigeno/nitrógeno asociados con este aire, que sobran después de la oxidación, deben aparecer en los productos de la combustión.

7 Coeficiente de exceso o defecto de aire:



RACa RACe

El Coeficiente de exceso/defecto de aire (α) denota: α Defecto de Aire o Mezcla Rica en Combustible. α>1 => Exceso de Aire o Mezcla Pobre en Combustible. Si se considera la combustión del metano con un 10% de exceso de aire se tendrá:

CH 4  1,1(2 * O2  2 * 3,76N 2 )  CO2  2H 2O  8,27 N 2  0,2O2 Luego la RAC actual denominada en este caso RACa será:

RACa 

1,1  (2  7,52)  29 Kgaire  18,98 1  16 Kgcomb

Si la relación aire/combustible es menor que la estequiométrica, no es posible que la combustión sea completa, por la falta de oxígeno (mezcla rica). En una combustión incompleta el monóxido de carbono estará presente en los productos de la combustión. Considerando la combustión del metano con una deficiencia del 10% de aire se tendrá la siguiente relación:

CH 4  0,9  2  (O2  3,76N 2 )  aCO2  bCO  2H 2O  6,768N 2 Para conocer a y b se deben realizar balances de componentes,

C :1  a  b  a  0,6  O : 0,9 * 2 * 2  2a  b  2 b  0,4 Luego los productos de combustión serán:

 0,6CO2  0,4CO  2H 2O  6,768N 2 Con mezclas ricas se obtienen explosiones más potentes y combustiones más rápidas pero incompletas. Con mezclas pobres se obtienen combustiones más lentas y las potencias desarrolladas son menores, pero con combustiones más completas. 1.2.4.- ANALISIS DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTION: Mediante un equipo de análisis de gases de combustión (puede ser este mediante métodos químicos (ORSAT), espectro infrarrojo, de conductividad eléctrica o de medio magnético), se puede determinar la RACa mediante el balance del # de moles de CO 2 y CO en los productos de combustión. Un análisis de gases de escape (GE) mostrará si la combustión fue completa o no. Por ejemplo; la presencia de CO indicara una combustión incompleta, mientras que la presencia de O2 un suministro de exceso de aire. Cuantitativamente un análisis de los productos de combustión puede usarse para el cálculo de la RACa.

8 Suponiendo que un análisis de Gas Escape Seco (GES) da 17% CO2, 3% O2 y 1% CO implicara que 100 Kgmol de los productos después de la condensación del vapor de agua, contienen 17 Kgmol CO2, 3 Kgmol O2 y 1 Kgmol CO. Se supone entonces que 79 Kgmol restantes están compuestos de Kg. de aire. La presencia de CO no implica un defecto de aire en al combustión practica, porque las ecuaciones de combustión no son un fiel reflejo de la realidad de la combustión. En la práctica una combustión con exceso de aire puede quedar incompleta porque no se mezclan bien los reactivos o el tiempo para que se complete la reacción es insuficiente. Un procedimiento analítico para determinar la RAC a de la combustión sigue el siguiente método. Conociendo que la composición de un gas natural es de 97% CH4, 07% CO2 y 2,3% N2 y el análisis de los productos de combustión dan 5,6% O2, 8,5% CO2 y 0,1% CO por volumen, determinar la RACa. Tomando como base de cálculo 100 Kgmol de combustible, la reacción de combustión será:

97CH 4  0,7CO2  2,3N 2  a  (O2  3.76 N 2 )  8,5  b  CO2  0,1  b  CO  5,6  b  O2  d  H 2 O  85,8  b  N 2 Siendo a el # de Kgmol de aire (O2) que entra en la reacción. Siendo b el # de Kgmol de los productos (O2, CO, CO2, N2) En toda combustión de hidrocarburos existe formación de vapor de agua en los productos, luego d será el # de moles de agua. Realizando el balance de átomos, se plantean las ecuaciones necesarias para determinar las incógnitas. (1)

Balance C: 0,7  97  8,5b  0,1b  b  11,36

(2) (3)

Balance H: 4.97  2d  d  154 Balance O: 2  0,7  2  a  2  8,5  b  0,1b  2  5,6  b  d

(4)

Balance N: 2  a  3,76  2  2,3  2  85,8  b  a  258.6

Usando (3) a  257 Luego la relación aire/combustible será:

RACa 

Siendo a  258,6  RACa  21,6

a  (1  3,76)  29  0,7  44  97 16  2,3  28

1

a  257  RACa  21,5 1 Comparando a continuación con una combustión teórica (estequiométrica).

9 Reacción teórica:

97CH 4  0,7CO2  2,3N 2  194,7  (O2  3.76N 2 )  97,7  CO2  194  H 2O  734,4  N 2 La relación teórica será:

RACe 

194,7  (1  3,76)  29  16,3 1 0,7  44  97 16  2,3  28

Luego el porcentaje en exceso (deficiencia según el caso) de aire será:

RACa  RACc 21,6  16,3   0,325 RACc 16,3 %exceso  32,5% %exceso 

En los procesos reales las reacciones no son ideales, por lo que en la realidad la combinación de varios efectos provocan que la combustión no sea completa aún en presencia de mezclas pobres (mezcla con poco combustible) lo que genera que los gases de escape presenten un cierto porcentaje de monóxido de carbono, hidrógeno e hidrocarburos no quemados. Todo esto trae como consecuencia una disminución en la eficiencia de conversión del combustible en comparación con el modelo teórico. Por otro lado el efecto de disociación del combustible, que a temperaturas elevadas, provoca que cierta cantidad de moléculas de los productos de combustión se fraccionen, generando una disminución de la temperatura máxima de los productos der combustión (aún a volumen constante) en comparación con la teórica. 1.2.5.- PODER CALORIFICO: El poder calorífico o el calor de combustión de un combustible es el calor producido durante la combustión completa de la unidad de masa de combustible. Se expresa en J/Kg. (BTU/Lb ó Kcal/Kg.). El poder calorífico puede determinarse experimentalmente mediante un calorímetro o también teóricamente por cálculo a partir de la composición química porcentual másica. Se conocen 2 poderes caloríficos: - El poder calorífico superior (PCS): Que es la cantidad de calor en la combustión completa de la unidad de peso del combustible, en oxígeno, enfriando los productos de la combustión hasta la temperatura inicial (15ºC) de suministro de oxígeno, produciendo la condensación del vapor de agua de los gases de combustión. - El poder calorífico inferior (PCI): Es el calor que se obtiene de la combustión completa de la unidad de peso del combustible con oxígeno, enfriando luego los productos hasta 100ºC y sin que exista condensación del vapor de agua de los gases de combustión.

1.2.6.- CÁLCULO DEL PODER CALORIFICO DE UN COMBUSTIBLE: 1.- Por ensayo calorimétrico se obtiene el Poder Calorífico midiendo el calor desprendido en la combustión en oxigeno de una muestra de ensayo. 2.- Por análisis químico, usando la fórmula de Dulong, se puede determinar teóricamente el P.C.S. y el P.C.I.

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P.C.S .  33700  C  144200  ( H 

O )  9300  S 8

 kJ   Kg   

Donde C, H, O, S son % de masa de los elementos en Kg. por Kg. de combustible. P.C.I. = PCS – Q el vapor formado en la combustión 𝑘𝐽 P.C.I. = PCS - (9H∗2257) [ ⁄𝑘𝑔]Tabla 1.2.1.- CALOR DE COMBUSTIÓN DE ALGUNOS ELEMENTOS. ELEMENTO C CO H S CH4

REACCIÓN QUÍMICA C + O2 = CO2 2CO + O2 = 2CO2 2H2 + O2 = 2H2O S + O2 = SO2 CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

*P.C. I. kJ./Kg. 33950 10150 144200 9080 55860

*Nota: Los valores son aproximados. 1.3.- TIPOS DE MOTORES: O clasificación de los motores de combustión interna. Los motores de combustión interna se pueden clasificar atendiendo a los siguientes aspectos: Según la forma de iniciar la combustión: • Motores OTTO. • Motores DIESEL. Según el ciclo termodinámico de trabajo: • Motores de 4 tiempos. • Motores de 2 tiempos. Según el movimiento del pistón. • Motores de pistón alternativo. • Motores de pistón rotativo.

11 1.3.1.- MOTORES DE PISTONES ALTERNATIVOS:

Fig.1.1. Componentes de un motor de combustión interna.

Según su estructura y sus grupos constructivos (ver fig.1.1), se puede determinar que, generalmente los motores de combustión interna alternativos están constituidos por: PARTES MOVILES: Pistones, bielas, cigüeñal y volante de inercia. PARTES FIJAS: Bloque de cilindro(s), culata, cárter. PARTES DISTRIBUCION: Árbol de levas, mecanismos de válvulas (taques, árbol de levas, empujadores y otros), balancines, válvulas de admisión y escape. PARTES AUXILIARES: Carburador o dispositivo de inyección de combustible, bomba de aceite, sistema eléctrico de encendido (batería, bujías, cables, bobinas, magnetos, platinos, condensadores y otros), silenciador de escape, filtros de aire, sistema de lubricación y combustible, sistema de enfriamiento, etc. La parte estructural fundamental del motor la forman la bancada y el bloque sobre los que van montados los demás elementos del motor. El pistón va en el cilindro y unido a la biela mediante un bulón. La biela transmite el movimiento rectilíneo del pistón a la manivela del cigüeñal, el cual está soportado por cojinetes sobre la bancada, transformando el movimiento lineal en rotativo. En la parte

12 superior va la culata y el espacio que queda entre el pistón y la culata es la cámara de combustión. La entrada del fluido (mezcla aire/gasolina o gasoil) y la salida de los gases de combustión se realizan a través de las válvulas de admisión y de escape respectivamente, mismas que se encuentran en la parte superior de la culata y están sincronizadas mecánicamente y con control electrónico en los motores modernos. Los motores de CI transforman la energía calorífica del combustible en trabajo mecánico, utilizando la fuerza expansiva de los gases resultantes de la combustión en el interior de un cilindro, fuerza que es aprovechada en el árbol cigüeñal del motor para transmitir mediante su giro par motriz para un fin determinado. La mayoría de los motores de combustión interna, utilizan el principio del émbolo reciprocante o pistón, según el cual, la presión generada por los gases de combustión, empuja un pistón, que se desliza dentro de un cilindro, hacia atrás (abajo o al Punto Muerto Inferior PMI) y hacia delante (arriba o al Punto Muerto Superior PMS) transmitiendo la fuerza al árbol motriz o cigueñal, por lo general, mediante un simple mecanismo de biela-manivela. Ver figura 1.1.1.

Fig. 1.1.1- Partes componentes y detalles de un motor de CI alternativo.

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1.3.2.-MOTORES OTTO CONVENCIONALES: Características:  Formación mezcla aire/combustible en exterior del cilindro: La mezcla del aire y el combustible se realiza fuera del cilindro en el carburador o mediante un sistema de inyección, durante el periodo de aspiración o admisión del motor.  Encendido por chispa eléctrica: El encendido de la mezcla comprimida en el cilindro es producida por una chispa eléctrica producida por la bujía y el sistema eléctrico de encendido.  Combustión a volumen constante: La adición o suministro de calor a la mezcla a/c comprimida tiene lugar a volumen aproximadamente constante.  Relación de compresión de los motores OTTO convencionales está comprendida en un rango de 6/1 hasta 10/1 y está limitada por la auto detonación (auto inflamación) de la mezcla a/c. La autodetonación está determinada por el índice o número de octano del combustible, las condiciones de trabajo del motor (temperaturas elevadas) y el diseño de la cámara de combustión. En la actualidad los motores del ciclo OTTO trabajan con relaciones de compresión superiores (11/1 a 12/1), con combustibles de octanaje medio pero con el apoyo del control electrónico y sistemas de inyección directa avanzados. 1.3. 3.-MOTORES DIESEL CONVENCIONALES: Características:  Formación de mezcla en el interior: A diferencia del motor Otto el motor Diesel aspira aire puro y es comprimido en el cilindro por el pistón. Al final de la carrera de compresión el combustible es inyectado en forma de un fino rocío (spray) a alta presión.  Auto inflamación: Al final de la etapa de compresión la temperatura del aire está por encima de la temperatura de inflamación del combustible, Por lo tanto al contacto del combustible pulverizado con el aire muy caliente, comprimido dentro del cilindro, éste se inflama por sí mismo y se inicia la combustión gradual.  Combustión a presión constante: El suministro de calor se realiza a presión aproximadamente constante mientras el pistón comienza a descender.  Relación de compresión 12/1 hasta 20/1: A fin de obtener mayores temperaturas al final de la compresión, la relación de compresión debe ser mayor que la de los motores Otto, obteniendo un mayor rendimiento que estos. Como está sometido a mayores esfuerzos mecánicos debido a la alta compresión el diseño del motor Diesel es más robusto, comparado con un motor a gasolina. 1.3.4.- MOTORES DE 4 TIEMPOS: Es conveniente referirse al motor de 4 tiempos como motor de 4 carreras. Se entiende por carrera al desplazamiento del pistón entre el punto muerto superior PMS y el punto muerto

14 inferior PMI. Por cada carrera que realiza el pistón el cigüeñal gira 180º (media vuelta), por lo tanto mientras el pistón realiza los 4 tiempos recorre 4 carreras y gira 2 vueltas completas equivalentes a un giro de 720º. 1. Tiempo el pistón desciende del PMS al PMI, produciendo un vacío en el interior del cilindro. Con esto se produce la aspiración de la mezcla aire combustible que entra al cilindro por la válvula de admisión abierta, mientras la válvula de escape permanece cerrada. Cuando el pistón llega al PMI se cierra la válvula de admisión y la aspiración cesa. 2. Tiempo el pistón sube del PMI al PMS estando las válvulas de admisión y escape cerradas. El volumen en el interior del cilindro se reduce produciendo la compresión de la mezcla. 3. Tiempo el pistón llega al PMS, entonces salta una chispa produciendo la inflación (explosión) de la mezcla comprimida en el interior del cilindro. La combustión hace que los gases aumenten su temperatura y presión. Estos se expanden y empujan el pistón hacia el PMI. 4. Tiempo el pistón llega al PMI y se abre la válvula de escape para la salida de los gases de combustión. El pistón se mueve al PMS barriendo los gases de combustión. En ese instante se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión comenzando un nuevo ciclo. Ver figura 1.2.

Fig. 1.2.-Motor OHV de ciclo Otto de 4 tiempos o cuatro carreras. 1.3.5.- MOTORES DE 2 TIEMPOS: En los motores de 2 tiempos o dos carreras, el proceso completo de los 4 tiempos del motor, se realiza solamente en una revolución del cigüeñal, es decir sólo un giro de 360º. En una carrera realiza el proceso de admisión y escape y en la otra los procesos de compresión y trabajo. 1 Tiempo el pistón ha cerrado las lumbreras de admisión (A) y escape (B), comienza a subir al PMS comprimiendo la mezcla aire combustible y produciendo un vacío en el cárter. En

15 su desplazamiento ascendente pistón descubre la válvula de admisión de aire haciendo que una mezcla fresca ingrese al cárter. El pistón alcanza el PMS y se produce el salto de chispa (o la inyección de combustible en un proceso diesel de 2 tiempos), para producir la inflamación de la mezcla comprimida. 2 Tiempo el pistón debido a los gases de la combustión desciende al PMS y al descender comprime la mezcla fresca en el cárter. Durante el descenso el pistón descubre la lumbrera de escape y comienza la salida de gases de combustión. Al continuar su descenso el pistón abre la lumbrera de admisión (A) haciendo que la mezcla fresca comprimida en el cárter entre a presión al interior del cilindro ayudando a evacuar los gases de combustión. Cuando el pistón llega al PMI están las lumbreras de admisión (A) y escape (B) abiertas. Instantes después el pistón comienza a ascender iniciando un nuevo ciclo. Ver fig.1.3.

Fig. 1.3.- Motor de 2 carreras o 2 tiempos. 1.4. TIPOS CONSTRUCTIVOS DE MOTORES ALTERNATIVOS Y FUNCIONAMIENTO: Los motores monocilíndricos no poseen una marcha adecuada, produciendo al girar fuertes vibraciones. Además para cilindradas mayores las partes móviles y fijas alcanzan dimensiones poco prácticas de gran tamaño. En vista que la velocidad y consecuentemente la potencia de un motor son limitadas por las fuerzas de inercia originadas al acelerar y desacelerar algunas de sus partes, es conveniente dividir el motor en un cierto número de cilindros individuales. Mediante este recurso, se reducen las fuerzas de inercia por cilindro; incluso, las fuerzas en uno de ellos pueden contrarrestarse o balancearse, con una disposición conveniente de los otros cilindros. Un motor multicilíndrico de varios cilindros logra una marcha más uniforme del motor y como la potencia del motor está en función de la cilindrada resulta preferible construir un motor de varios cilindros de tamaño reducido que uno de un solo cilindro de gran tamaño. Según el uso o aplicación:  Motores simples de 1 cilindro para pequeñas potencias.

16 





El motor en línea es el diseño usual para aplicaciones tanto estacionarias como de vehículos de transporte, porque ofrece la solución más simple de construcción y mantenimiento. Ver Fig. 1.4 El motor en V, con menor longitud que el del tipo en línea y de la misma potencia, que consiste en dos bancadas de cilindros en línea, colocadas una con respecto a la otra un cierto ángulo (generalmente 90º). Fig. 1.4. Existen otros tipos como: El motor horizontal opuesto tipo bóxer fig 1.4., el motor de émbolos opuestos, el motor radial o en estrella, motor en línea, el motor W y otros.

Fig. 1.4.- Tipos constructivos (disposición) de motores de CI También los diseños anteriores deben ser igualmente enfriados para ayudar a mantener una temperatura promedio casi constante en las partes integrantes del motor. Se pueden clasificar por el sistema de enfriamiento en: 



Motores enfriados por aire, construidos con paredes de cilindros con aletas para aumentar la superficie de refrigeración. Se usa principalmente en motores de motocicletas, de maquinaria agrícola, de aviación y algunos automóviles debido a su simplicidad. Motores de enfriamiento líquido, donde la culata y bloque de cilindros están rodeados por una camisa de agua para absorber parte del calor generado durante la combustión. En un circuito cerrado el agua se enfría en un radiador. Para asegurar la circulación del agua se utiliza generalmente una bomba y en casos especiales el fenómeno del termosifón.

1.5.-RELACIÓN DE COMPRESIÓN: Es una relación volumétrica que relaciona el volumen inicial con el volumen final, formado por el cilindro, el pistón y la culata del motor entre el PMS y el PMI. El volumen final es también conocido como el volumen muerto o volumen de la cámara de combustión, es un volumen fijo. Por otra parte para un volumen unitario de un solo cilindro, el volumen inicial es igual al volumen de la CC (Vcc) más el volumen de desplazamiento Vdes:

17 𝜋

𝑉𝑑𝑒𝑠 = 4 ∙ 𝐷2 ∙ 𝐿 = 𝐴𝑝 ∙ 𝐿

rk 

Vinicial V1 Vcc  Vdes   V final V2 Vcc

Fig. 1.4.1. Esquema de un sistema pistón biela manivela. 1.6.- LA CILINDRADA DEL MOTOR.La cilindrada (Vh) de un motor es el volumen total de desplazamiento del motor y se determina multiplicando el área de la cara del pistón por la carrera que es el volumen desplazado y por el número de cilindros “z”. Para un motor de varios cilindros se tendrá: Vh  A piston  Lcarrera  Nro.cilindros

(cm3 o litros)

Vh  A p  L  z

1.7. MOTOR WANKEL O DE “PISTON O EMBOLO” ROTATIVO: La configuración de este tipo de motor es totalmente diferente a los expuestos anteriormente y se utiliza generalmente en aplicaciones industriales y marinas. Este motor no posee pistones, en su lugar se encuentra un rotor triangular con lados curvos y órbita excéntrica sobre un engranaje. Características: Mayor potencia con menor cilindrada a menor número de rpm Sigue el ciclo de cuatro tiempos del ciclo Otto Menor número de partes móviles respecto a motor de pistones Mayor costo de fabricación y mantenimiento. El motor Wankel o rotatorio está constituido por un cárter o caja ovalada en forma de elipse que en el centro se estrecha levemente (epitrocoide). Dentro se desplaza un embolo

18 rotativo que es un cuerpo triangular curvilíneo con lados convexos, de forma tal que sus tres vértices van rozando constantemente sobre la superficie interna de la caja ovalada; formando tres cámaras cerradas cuyos volúmenes van variando continuamente. El embolo rotativo gobierna la entrada y salida de los gases, sin la ayuda de válvulas, abriendo y cerrando los conductos dispuestos en las paredes cilíndricas de la caja. En la primera cámara es donde se aspira la mezcla aire combustible por el conducto de admisión y se comprime la mezcla, misma que cuando llega a la segunda cámara o de combustión es inflamada por una chispa produciendo la expansión de los gases de combustión. Esta presión sobre la cara interna mueve el cuerpo triangular, haciendo que los gases de combustión pasen a la cámara de de expansión para la posterior evacuación de los gases por el conducto de escape. Luego los cuatro tiempos son, ver Fig. 1.5: 1. tiempo: El émbolo rotativo abre el conducto de admisión y penetra la mezcla aire combustible. 2. tiempo: Compresión de la mezcla. 3. tiempo. Encendido de la mezcla mediante la bujía y combustión de la misma con accionamiento del pistón (trabajo desarrollado). 4. tiempo: Expulsión de los gases quemados por el conducto de escape del motor. El motor tiene en total dos piezas móviles principales el émbolo y el árbol propulsor. Concéntricos con el émbolo se hallan los cojinetes para la excéntrica del árbol y una corona dentada que engrana con un piñón concéntrico de dicho árbol. Un sistema de juntas laterales dispuestas en las caras laterales del émbolo haciendo que las cámaras sean estancas entre sí. Ver Figs. 1.5 y 1.6.

Fig. 1.5.- Funcionamiento del motor Wankel

Fig. 1.6.- Esquema constructivo de un motor Wankel y vista en corte.

19 CAPITULO 2 2.- CICLOS DE LOS MOTORES CI ALTERNATIVOS.2.1.- CICLOS IDEALES Y REALES.Un ciclo termodinámico es una sucesión de diferentes estados de presión, volumen y temperatura, a los que está sometido un fluido dentro de una máquina de modo que sufra determinados procesos y transformaciones. Los elementos que constituyen un ciclo termodinámico son: - Sustancia de trabajo: Que es el elemento que recibe y/o rechaza calor (trabajo) y que varía de estado. - Fuente de calor: Es un cuerpo que desprende calor. - Sumidero de calor: es un cuerpo que absorbe calor. - Máquina: Es el elemento que recibe o realiza trabajo. El rendimiento térmico, se define como la relación que existe entre el trabajo neto producido y la cantidad de calor añadida durante un ciclo termodinámico. Relaciona la capacidad del ciclo para transformar el calor, introducido en la máquina térmica, en trabajo neto disponible en el eje de la misma. Se expresa como:

t 

Wn Qa  Qr Q   1 r Qa Qa Qa

2.1.1.- EL CICLO IDEAL A VOLUMEN CONSTANTE.Llamado también ciclo OTTO corresponde al ciclo donde la adición de calor se realiza a volumen constante. Es el ciclo térmico correspondiente a los motores de CI de cuatro carreras a gasolina llamados también motores de explosión. A-1: Admisión de mezcla aire/combustible al cilindro por la válvula de admisión. 1-2: Compresión adiabática de la mezcla a/c en la cámara de combustión. 2-3: Encendido y combustión de la mezcla a volumen cte. 3-4: Expansión adiabática de los gases en el cilindro. 4-1: Apertura de válvula de escape para expulsión de los gases a volumen cte. 1-A: Barrido de los gases de combustión. Ver figura 2.1.

20

Fig. 2.1. Ciclo termodinámico Otto teórico El trabajo neto está comprendido entre los puntos 1-2-3-4-1. Del diagrama T-S se determina que:

Qa  m  Cv  T3  T2 

Qr  m  Cv  T4  T1 

[J] [J]

Reemplazando las anteriores ecuaciones en la formula del rendimiento térmico:

T  T1   4  1 c  T4  T1   T1   totto  1  v  1 cv  (T3  T2 ) T  T2   3  1  T2  Recurriendo a las relaciones termodinámicas de los procesos adiabáticos de compresión y expansión se tiene:

T2  V1  T1  V2

  

 1

T3  V4  Y T4  V3

  

 1

21 Si V1= V4 y V2= V3 entonces:

T2 T3  T1 T4

o

T4 T3  T1 T2

Luego el rendimiento térmico para un motor OTTO será:

 totto  1 

1  V1     V2 

 1

 1

1

rk  1

2.1.2.- EL CICLO IDEAL A PRESION CONSTANTE.Conocido también como el ciclo de combustión gradual o ciclo teórico del motor Diesel de CI de 4 carreras. En este ciclo a diferencia del motor a explosión la admisión y compresión se realiza solo con aire. El aire puede ser sometido a elevadas compresiones sin el más mínimo peligro de auto encendido, como cuando se comprime una mezcla aire/combustible.

Fig. 2.2. Ciclo termodinámico Diesel teórico.

A-1: Admisión de aire fresco al cilindro (P. isobárico)

22 1-2: Compresión aire dentro del cilindro (P. adiabático) 2-3: Inyección del combustible dentro la CC (tobera) y desplazamiento del pistón (P. isobárico). 3-4: Expansión de los gases de combustión (P. adiabático) 4-1: Apertura de la válvula de escape (P. isocórico) 1-A: Barrido de los gases de combustión (P. isobárico) Qa  m  C p  T3  T2 

J

Qr  m  Cv  T4  T1 

J

El rendimiento térmico del ciclo diesel será:

 tdiesel



 T4    1 c  T4  T1  1 T1  T1   1 v  1 c p  T3  T2   T2  T3    1  T2 

cp cv

La relación de compresión es rk  La relación de expansión es re  Luego:

T2  1  rk  T1

y

V1 V2

V4 V3

T4 1  T3 re  1

El proceso a presión cte 2-3 implica que P3= P2 El calor añadido es a presión cte. Entonces:

T3 V3  T2 V2

rk V1 / V2 V1  V3 V3    Y puesto que V1= V4 re V4 / V3 V4  V2 V2 La relación de inyección rco  riny 

V3 rk T3   V2 re T2

El proceso a volumen cte 1-4 implica que: 



V  T4 P4 P4 P3 P2  V3 V1     3   rco      T1 P1 P3 P2 P1  V4 V2   V2  Finalmente el rendimiento térmico para un motor DIESEL sera:

23

 tdiesel  1 

1

rk  1

(rco )   1  rco  1

2.1.3.- El CICLO DUAL O MIXTO.También conocido como el ciclo de SABATHE o ciclo diesel mixto. En este ciclo una parte del diagrama es en primer lugar un proceso a volumen constante como en un motor a explosión y luego sigue con un proceso a presión constante, como en un motor Diesel durante el suministro de calor.

Fig. 2.3 Ciclo termodinámico Mixto A-1: Admisión de aire fresco al cilindro. 1-2: Compresión adiabática del aire en el cilindro. 2-3: Inyección y combustión instantánea de parte de la mezcla en un proceso isocórico. 3-4: Inyección y combustión gradual. (Proceso isobárico) 4-5: Expansión adiabática de los gases de combustión en la CC. 5-1: Apertura de la de válvula de escape a volumen constante. 1-A: Barrido de los gases de combustión residuales.

Qat  Qa   Qa 

J

Qat  Qav  Qap

J

Qat  m  C v  T3  T2   m  C p  T4  T3 

Qr  m  Cv  T5  T1  El rendimiento térmico del ciclo mixto será:

 tmixto  1 

J

J

cv  T5  T1  Qr  1 Qav  Qap cv  T3  T2   c p  T4  T3 

24

 tmixto  1  Donde la relación a volumen cte.

1

rk  1



 T5     1  T1     1      rco  1

P3 T3  P2 T2

Se obtiene finalmente

 tmixto  1 

1

rk  1



  (rco )   1   1      rco  1

2.1.4.- EL CICLO REAL.-

Fig. 2.4.1. Diagrama ciclo termodinámico Otto real. El ciclo real de trabajo de un motor de CI del diagrama PV no coincide exactamente con el ciclo ideal. Ver figuras 2.4.1. y 2.4.2. Esto se debe a: -Combustión incompleta. -El calor aportado y calor rechazado no se realiza a volumen constante. Ó a presión constante, como en un ciclo teórico. -Los procesos adiabáticos no se producen debido al intercambio de calor con las paredes del cilindro y el medio.

25 -Existen pérdidas de presión debido a fugas entre el pistón y el cilindro. -Existen perdidas de presión debidas a turbulencias entre los procesos. -Existen adelantos y retrasos en el encendido, admisión y escape.

Fig. 2.4.2. Diagrama Real corregido del diagrama de distribución real ciclo de 4 T.Avance Apertura Válvula de Admisión Retraso Cierre Válvula de Admisión Avance del Encendido Avance Apertura Válvula de Escape Retraso Cierre Válvula de Escape

AAVA RCVA AE AAVE RCVE

10 º a 20º antes del PMS 30º a 60º después del PMI 0º a 40º antes del PMS 35º A 60º antes del PMI 0º A 30º después del PMS

2.1.5.- CICLO DE 2 TIEMPOS O DE 2 CARRERAS.-

Fig. 2.5.- Ciclo de 2 carreras ( 2T) y diagrama circular respectivo.-

2.2.- PRESION MEDIA EFECTIVA.-

26

Fig. 2.5. Gráfico de la presión media efectiva pem. Teniendo un proceso cualquiera, de manera tal que el fluido pase de un estado 1 a un estado 2, se puede suponer que existe una presión media (pem) que permaneciendo constante realice entre ambos límites un trabajo igual al proceso. En tal caso el trabajo se expresa como: Wn  pem  V1  V2 

Wn  pem  Vdes La presión efectiva media del ciclo diesel se expresa:

pemdiesel 

c p T3  T2   cv T4  T1 

V1  V2 

2.3.- ECUACIÓN DE LA POTENCIA.La pem se define como aquella presión efectiva media constante que imaginariamente se ejerce durante la carrera de potencia para producir una potencia igual a la del freno. La potencia al freno es la potencia útil en el árbol del cigüeñal de un motor de CI y se expresa como:

N b  pem f  L  A 

n z  60 x

[W]

Nb= potencia al freno= Ne= potencia efectiva del motor pemf = Presión media efectiva al freno N/m2 A = Area del pistón m2 L = Carrera del pistón m n = rpm revoluciones por minuto del motor min -1 z = número de cilindros del motor. X = 2 para ciclo de 4 carreras y X=1 para ciclo de 2 carreras. En teoría el motor de 2T es dos veces más potente que un motor de 4T, ambos de la misma cilindrada. Del mismo modo para la potencia indicada del motor se tendrá:

27 N i  pemi  L  A 

n z  60 x

Ni = Potencia indicada, que es la potencia entregada por el fluido de trabajo en la cabeza del pistón, expresada de W pemi = Presión efectiva media indicada N/m2 Tomando en cuenta las definiciones anteriores el rendimiento mecánico será:

m 

N b N e pem f Wb    N i N i pemi Wi

La diferencia entre la potencia indicada Ni y la potencia al freno Nb se conoce con el nombre de pérdidas por fricción o potencia absorbida Nabs. Nabs= Ni- Nb Estas pérdidas por fricción son disipadas en forma de calor. Esta potencia absorbida incluye: 1) Potencia de bombeo: Es la potencia por el pistón durante la admisión de mezcla fresca o aire y el escape de gases de combustión a través de las válvulas. 2) Potencia de fricción por rozamiento: Es la energía necesaria para que todas las piezas móviles y de distribución del motor tengan un movimiento relativo una respecto a la otra. 3) Potencia de equipos auxiliares: Es el trabajo utilizado para el accionamiento o funcionamiento de otros accesorios como ser: La bomba de agua, alternador, ventilador, etc. La (pem) presión media efectiva es la presión promedio teórica que actuando sobre el pistón en la carrera de potencia produciría el trabajo neto = W neto = (W n) de un ciclo completo. Luego:

pem 

Wn   v  PCmezcla  t  c  m Vdes

Dónde:

PCmezcla 

 o  PCI   RAC e

Luego se tendrá que:

pem   v 

 o  PCI      RAC e t c m

PCI= Poder calorífico inferior del combustible kJ/kg comb ó kcal/kgcomb  0 = Densidad del aire atmosférico en kg/m3 (Variable con la altura ver tablas) RACe= Razón aire combustible kgaire/kgcomb PCmezcla= Poder calorífico de la mezcla kJ/m3 ó en otras unidades como kcal/m3. Rendimiento volumétrico  v o grado de llenado, llamado también el factor de llenado, es la relación que existe entre la masa de aire aspirada efectivamente en cada ciclo y la masa que teóricamente podría llenar un volumen igual a la cilindrada y en las condiciones de presión y temperatura exteriores. Este rendimiento está determinado por la forma de los

28 conductos de admisión y de escape, la forma de cámara de combustión, sección y tiempo de apertura de la válvula de admisión. El rendimiento volumétrico influye mucho en el desempeño de un motor, ya que cuanto mayor sea la masa de aire introducida en los cilindros, mayor será la cantidad de combustible que podría quemarse y, por lo tanto, mayor será la potencia generada. El rendimiento volumétrico, cuyo valor suele oscilar entre 0,70 y 0,85, varía con el régimen de rotación del motor, ya que la resistencia que el fluido encuentra al atravesar los conductos aumenta con la velocidad del mismo.

 t  Rendimiento térmico del ciclo. Ver inciso 2.4.

 c  Rendimiento cualitativo o rendimiento indicado o grado de perfección  m  Rendimiento mecánico α= Grado de dilución de mezcla hasta ≈ 0,9 a 1,1 en motores Otto ≈ 1,3 a 2,0 en motores Diesel 2.3.1.- DETERMINACION DEL TORQUE O PAR MOTOR DE UN MCI.Si para una revolución del motor se tiene que el trabajo es: W  2    F  R = N m siendo F  R  T = torque o par motor Y si la capacidad de realizar trabajo en determinado tiempo es la potencia, entonces:

W  2    T  n N m/s t  T  n N N m/s 30 N  30 T  Nm n 

N

Además del número de cilindros existen otras dos importantes características: -La relación carrera/diámetro cilindro L/D -La velocidad media del pistón  m  s 

n Ln  en m/s 60 60

A partir de la ecuación de la potencia se puede deducir la llamada potencia por litro:

Nb Nb pem  n   z  A  L z  Vdes 60  x Reemplazando en esta ecuación la velocidad media del pistón se tendrá:

Nb pem  m  30  z  Vdes 60  L  x La tendencia actual es tener motores más veloces por lo que las velocidades medias de los pistones están entre los siguientes límites: -Motores de marcha rápida L/D = 0,7 a 1,1 ; vm = 8 a 15 m/s -Motores de marcha lenta L/D = 1,0 a 1,5 ; vm = 5 a 10 m/s

29

2.4.- RENDIMIENTO ESPECIFICO Y CONSUMO DE COMBUSTIBLE.El rendimiento efectivo, también llamado al freno o total de un motor de CI es expresado como el producto de 3 tipos diferentes de rendimientos parciales. Total  e  t c  m Rendimiento térmico del ciclo

= t 

Wn Qa

Rendimiento mecánico

= m 

N b Qefectivo Qe Qe    N i Qindicado Qi Wi

Rendimiento indicado o cualitativo

= c 

Qi Q W  i  i Qa  Qr Wn Wn

El rendimiento termodinámico ηTermodinámico es el producto del rendimiento cualitativo o indicado por el rendimiento térmico del ciclo: Ter mod inamico  t  c Que relaciona la cantidad de calor transformado en trabajo indicado con la cantidad de trabajo aprovechable. Luego el rendimiento total o efectivo será:  e 

Wn Qe Wi Qe    Qa Wi Wn Qa

Que relaciona el calor aprovechado en trabajo efectivo y el calor suministrado por la fuente de calor. La siguiente tabla muestra una relación actual de rendimientos para algunos tipos de motores. Rendimiento efectivo ηe 0.25-------------0.3 0.35------------0.45 0.3---------------0.5

Tipo de motor Motor OTTO automotriz Motor DIESEL automotriz Motor DIESEL industrial

e 

Qe Nb  Qa PCI f  m f

Donde PCIf es el poder calorífico del combustible en KJ/kgcomb y ṁf es el flujo de masa de combustible en kg/s. El calor añadido estará en función del consumo específico del combustible (cec) que es un parámetro de comparación para poder determinar cuán eficiente es un motor en la conversión del combustible en trabajo. Siendo el flujo másico una cantidad m de combustible en un tiempo t se tendrá:

m f 

m kg  t h

Y el consumo específico de combustible de un motor de combustión interna será:

cec 

m f N



kgcomb h  Kw

30 Los cec de los motores de combustión interna actuales varían entre: Para motores a gasolina cec= 0,27 a 0,31 kg/Kwh Para motores diesel cec= 0,20 a 0,29 kg/Kwh 2.5.- CURVAS CARACTERISTICAS DEL MOTOR DE CI.Las curvas características son aquellas que para una determinada carga (fuerzas y momentos que se oponen al momento realizado por el motor en el eje) y en función del número de revoluciones del motor (velocidad de rotación), nos da una serie de parámetros característicos, como son: a) Par motor b) Potencia efectiva c) Consumo específico del combustible d) Presión media efectiva e) Rendimiento volumétrico

Fig.2.6. Gráfico de las curvas características de un motor de CI. Las curvas características de un motor de combustión interna son las que indican, en función de la velocidad de rotación del motor, la potencia, el par y el consumo específico del mismo. Están incluidas en un rango de revoluciones, debajo del cual el motor funciona muy irregularmente y/o tiende a apagarse y si se sobrepasa el límite superior los elementos mecánicos están muy cerca de sufrir daños irremediables o daños irreparables. Estos dos extremos determinan el rango óptimo de utilización de un motor. La curva de potencia crece progresivamente casi constante hasta un valor determinado que indica su valor máximo, después decrece rápidamente hasta el límite máximo de utilización del motor. El descenso de potencia, más allá de dicho valor se debe a la disminución del

31 rendimiento volumétrico del motor. Actualmente existen sistemas como la distribución variable, que por medio de la variación del ángulo del árbol de levas, se logra la variación de la distribución real del motor haciendo que la curva de potencia no caiga y así el motor obtendrá un mejor rendimiento. La curva de par del motor no es tan pronunciada como la de potencia, es decir, tiende a ser más horizontal, pero sin perder su concavidad. También crece al aumentar las revoluciones del motor pero su progresión es menor. El par máximo se encuentra a un menor nivel de revoluciones que la potencia máxima pero a la vez el decrecimiento del par es mucho más lento al aumentar la velocidad de giro. La elasticidad de un motor se conoce como el intervalo entre el par máximo del motor y su potencia máxima. La curva de consumo específico tiene una presentación gráfica inversa a la del par del motor, decrece al aumentar el nivel de revoluciones hasta llegar al valor de menor consumo en un número determinado de vueltas del motor y a partir de allí empieza a crecer suave y gradualmente hasta el límite de utilización del motor. Existen dos grandes familias de curvas: -A plena carga -A cargas parciales El siguiente es un ejemplo del uso de curvas características correspondientes a un motor Diesel marca Fiat para un tractor agrícola.

Datos característicos del motor de tractor en prueba ITEM Potencia máxima motor Régimen nominal Par motor máximo Régimen de par máximo Peso total Peso en eje trasero Diámetro neumático Rendimiento transmisión

Símbolo Nmax n Mtmax nMtmax W tot W eje Drueda

t

Valor 59 kW 2000 rpm 320 Nm 1080 rpm 44,9 kN 29,9 kN 1,65 m 0,9

32

33 CAPITULO 3 3.-CALCULO TERMICO DEL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA.La secuencia de cada uno de los procesos termodinámicos que se llevan a cabo en el interior de un MCI, deben estar organizados de tal forma que se pueda obtener el máximo provecho del ciclo termodinámico. Son varios los factores a ser tomados en cuenta, como ser la relación de compresión, combustible a quemar, calidad de la mezcla, gases residuales, temperatura en el interior del cilindro, etc, a fin de obtener un funcionamiento aceptable. Experiencias en los bancos de pruebas de motores han permitido fijar ciertos parámetros, que aplicados a ecuaciones especiales, facilitan el análisis de funcionamiento de MCI 3.1. PROCESO DE ADMISIÓN.Proceso de Aspiración: Corresponde a la evolución A -1, el pistón inicia su desplazamiento desde el punto muerto superior PMS al punto muerto inferior PMI y la válvula de admisión se abre permitiendo el llenado del cilindro con una mezcla de aire y combustible, todo esto manteniendo a su vez la válvula de escape cerrada. Para que esto ocurra se necesita aportar trabajo al sistema.

Fig. 3.1 Inicio proceso de admisión. En un ciclo real los procesos de admisión y escape están relacionados entre sí, pues es necesario que los productos de combustión del ciclo anterior deban ser evacuados para

34 luego introducir una carga fresca al interior del cilindro. La carga fresca es sólo aire para el motor diesel y una mezcla de aire/combustible para el motor a explosión a gasolina. El proceso de escape se inicia a unos 40º a 60º antes del PMI y es entonces que tiene lugar el escape libre de gases por diferencia de presiones. Desde el PMI al PMS se limpia el cilindro empujando los gases de combustión por la válvula de escape. La válvula de escape se cierra a unos 15 º a 30º después del PMS y la de admisión entre unos 10º a 20º antes del PMS. Se advierte entonces que durante un cierto tiempo las dos válvulas están abiertas de forma simultánea. A esto se denomina ángulo de cruce de válvulas (también llamado traslape). Debido a la inercia de los gases de combustión saliendo a través de la válvula de escape, se crea una cierta depresión en la zona (succión) próxima a la válvula de admisión. Es decir que a la vez que se expulsan los gases de combustión también ingresa una nueva carga fresca al cilindro. PARAMETROS Y FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ADMISION.Los siguientes factores afectan a la cantidad de carga fresca necesaria para el llenado de los cilindros en motores de CI. -Caída de presión en los conductos de admisión P . -La existencia de una cierta cantidad residual Mr de productos de combustión que ocupan parte del volumen del cilindro. -La transferencia de calor de las paredes del cilindro a la carga fresca elevando un T la temperatura de la de la carga haciendo que la densidad de ésta disminuya. 3.1.1.-CAIDA DE PRESIÓN.-

Fig.3.2. Conductos de admisión

35 De la ecuación:

Po

2

2

2

v P v v  o  z o  g  a   2  ad    ad  z a  g o 2 a 2 2 vo=0 , zo=za y si se considera densidad del aire  o   a porque la variación es despreciable, entonces la ecuación será:

Po

Pa





v       ad o a 2 2

2

v P  Po  Pa       ad   o 2 2

2

Si Q= V*A= m3/s entonces: vad  Aval  v p max  Apiston

(a)

Aval   val  hval  cos

(b)

Donde: Aval = Sección o área de paso más estrecha entre válvula y asiento m 2 v p max  Velocidad máxima del pistón m/s Apistón= Área del pistón m2 v ad  Velocidad media de la carga m/s al paso por la válvula de admisión

val  Diámetro interior de sección interior asiento de válvula m hval  Altura libre (luz) entre asiento y válvula m

cos  Coseno del ángulo de asiento de válvula.

v p max  R    1  2 R= Radio de cigüeñal o manivela m

  2    n  Velocidad angular 

R Lb

𝑟𝑎𝑑 𝑠

(n= rev/s)

R= radio cigüeñal y Lb= longitud biela

De (a) se tendrá:

vad  v p max 

Apistón Aval

 R  2    n  1  2 

vad  2  R    1 

Luego





R2 n  Apistón  2 Aval Lb

 P   2     0  cte1  2

n2 2 Aval

Apistón Aval

36

 p se incrementa cuando aumenta n (rpm)  p decrece cuando se aumenta Aval ( sección en la válvula admisión) Se determinan los siguientes parámetros: Vad = 50…….130 m/s





  = 2,5…..4 Y la presión de admisión se considera como: Pa = (0,8…….0, 9)Po para motores de 4 T Pa = (0,85….1, 059)Pk para motores de 2 T 2

3.1.2.- PRODUCTOS DE COMBUSTION RESIDUALES.Debido a las altas velocidades de funcionamiento del motor, los gases de combustión no son evacuados totalmente del cilindro, quedando en el interior del cilindro una cierta cantidad Mr de gases de combustión residuales. Estos gases durante el proceso de admisión se expanden, se mezclan con la carga fresca y disminuyen el llenado del cilindro. La cantidad de gases residuales viene determinada por la relación entre moles de gases con moles de carga fresca.

gr 

Mr M1

y

Mr 

Pr  Vc Rv  Tr

Pr y Tr = Presión y temperatura de salida de los gases de escape del cilindro. Rv = Cte. Universal de los gases. Vc = Volumen cámara de combustión Parámetros de gr: gr = 0.06……0.10 para motor a gasolina y gas. gr = 0.03……0.06 para motor diesel. Para obtener estos valores se asume que: Pr = (1,1….1, 25) Po Tr = 900…..1000 ºK Motor a gasolina Tr = 700……900 ºK Motor diesel Tr = 750…..1000 ºK Motor a gas

3.1.3.- TRANSFERENCIA DE TEMPERATURA A LA CARGA EN EL CILINDRO.-

37 Al ingresar la carga fresca por la válvula al cilindro, ésta eleva su temperatura al contacto con las paredes calientes del cilindro en un T . Este calentamiento de la carga más la mezcla con los gases residuales calientes Mr, hacen que al final de la admisión la temperatura Ta sea mayor que la temperatura To de ingreso al motor pero menor que la Tr resultante de los gases de combustión. Del balance térmico a P constante se tiene: C p M 1 To  T   C p M r Tr  C p M 1  M r Ta

Ta  Si: M 1  M r  M 1 1  g r 

M 1 To  T   M r Tr M1  M r

Entonces:

Si   1 entonces

Ta 

To  T  g r Tr 1 gr

Ta 

To  T  g r Tr 1 gr

3.1.4.- COEFICIENTE DE LLENADO.El coeficiente de llenado o rendimiento volumétrico  v es la relación entre la cantidad fresca de carga que entra al cilindro y la cantidad de carga fresca (aire) que podría llenar el volumen del cilindro.

v 

Gk

V z

h

 k



Vk V k  Vd V d

Gk= Cantidad en masa real que ingresa al cilindro. Vk= Volumen de carga fresca =

Gk

k

=m3

La masa de fluido que se introduce realmente en los cilindros es inferior a la masa teórica, por las siguientes razones: - Contrapresión en el periodo de escape, debida a los gases residuales presentes en el interior del cilindro al final de la carrera de escape. Estos gases residuales, al hallarse a una presión superior a la del ambiente, se expanden durante la primera parte de la fase de admisión, obstaculizando la entrada de una carga fresca al interior del cilindro. - Disminución de la densidad de la carga a causa de la cesión de calor a la carga fresca por parte de las paredes calientes de los conductos, paredes del cilindro y la fracción de gases residuales en el interior de la cámara de combustión.

38 - Resistencia que el fluido encuentra a su paso por el carburador, los conductos y las válvulas de admisión. Tomando en cuenta esas razones se plantea la siguiente relación para la determinación de rendimiento volumétrico η v: 𝑇0 1 𝑟𝑘 ∙ 𝑃𝑎 − 𝑃𝑟 𝜂𝑣 = ∙ ∙ 𝑇0 + 𝛥𝑇 𝑟𝑘 − 1 𝑃0 Para mejorar el rendimiento volumétrico es preciso: a.-Rediseñar los conductos de admisión y escape a fin de optimizar el flujo de aire. b.- Aumentar las secciones de los conductos y los diámetros de las válvulas para reducir la velocidad de los gases o aumentar el número de válvulas de admisión por cilindro. c.- Adelantar la apertura de las válvulas de admisión con el fin de que alcancen su altura máxima en el momento más conveniente para obtener el máximo llenado del cilindro d.- Retrasar el cierre de la válvula de admisión para aprovechar la inercia del fluido en el conducto de admisión con objeto de aumentar la cantidad de fluido introducida en el cilindro e.- Adelantar la apertura y retrasar el cierre de la válvula de escape para reducir, respectivamente, la contrapresión en el escape y la cantidad de gases residuales. 3.2.- PROCESO DE COMPRESION.Proceso de Compresión (1-2): Acá el pistón comienza a ascender desde el PMI al PMS, la válvula de admisión se cierra entre 50º a 70º después del PMI y la válvula de escape permanece cerrada provocando una compresión adiabática de la mezcla.

39 Fig. 3.2 Inicio proceso de compresión. Al inicio de la compresión la temperatura de carga es inferior a la temperatura de las paredes del cilindro. Entonces la temperatura de la carga se eleva debido a la compresión y a la transferencia de calor de las paredes del cilindro. Durante el desplazamiento del pistón las temperaturas de la carga y las paredes se igualan; al llegar al final de la compresión la temperatura de la carga se eleva y se transfiere calor de la misma a las paredes del cilindro y cara del pistón.

Pc  Pa  rk Tc  Ta  rk

1

 1 1

Donde 𝛾1 = 𝛾 ± 0,02~0,04 3.2.1.-FACTORES DEL PROCESO DE COMPRESION.Son los factores del proceso de compresión: -La cantidad de mezcla o aire real que se encuentra en el cilindro durante la compresión. -Diferencia de temperaturas entre la mezcla y las superficies transmisoras de calor. -Valores iniciales de la presión y temperatura final de admisión. -Fugas de la cámara de combustión durante la compresión. Los parámetros del proceso de compresión son:

Parámetros rk Relación de compresión

 1 exp. Politrop.medio Pc pres.final de comp. Tc temp.final de comp. 3.3.- PROCESO DE COMBUSTION.-

Gasolina

Diesel

6……..12 1,3…….1,37 9……..15 bar 500…..750 ºK

15………22 1,32……….1,40 35…………55 bar 700………..900ºK

40

Fig. 3.3 Inicio proceso de combustión y expansión. Proceso de combustión (2-3): Este proceso ocurre por medio de las bujías que aportan la chispa para el encendido de la mezcla (motor Otto) o mediante la inyección de combustible (motor Diesel) manteniendo ambas válvulas cerradas. Esto se realiza cuando el pistón se encuentra en su PMS y en teoría es instantáneo. La combustión de la mezcla provoca un aumento en la presión dentro la cámara de combustión. Otro aspecto a considerar es el hecho de que el proceso de combustión, pese a ser muy rápido no es instantáneo, lo cual trae consigo que el proceso no ocurra a volumen constante (motores Otto). En motores cuyo ajuste pretende obtener una máxima eficiencia, la chispa salta entre 40º y 10º antes de alcanzar el PMS. Esto provoca una combustión temprana que produce un aumento en la presión por sobre el valor teórico, sin embargo como la combustión no es instantánea, la presión máxima se alcanza unos 15º después del PMS llegando a un valor mucho menor que el teórico.

3.3.1.- PRESION Y TEMPERATURA DE COMBUSTION.Para la determinación de la temperatura y presión máxima obtenida en el proceso de combustión es necesario conocer la diferencia entre la temperatura máxima obtenida en el ciclo y la temperatura al final de la compresión ∆T. Luego: ∆T= (T3 - T2 )=(Tmax ciclo - Tcomp ciclo)

41 Para la determinación de ∆T es necesario conocer la cantidad de calor Q aportada al ciclo y estará en función del PCI del combustible a usar. 𝑄=

𝑃𝐶𝐼 𝑅𝐴𝐶 + 1

Q=Calor aportado por combustión combustible RAC= Relación aire combustible estequiométrica

𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

Se debe tener en cuenta que así la mezcla que se forme sea rica (más combustible y menos aire), por ejemplo para el caso de la gasolina RACa = 13,5:1, el valor de RACe a considerar en la fórmula debe ser RACe = 15:1, esto es debido al exceso de combustible que no podrá quemarse por falta de aire y solo podrá quemarse aquel combustible que corresponda que corresponda a la relación estequiométrica. No obstante cuando la mezcla es pobre, por ejemplo para el caso de la gasolina RACa= 17/1 (más aire y menos combustible), la energía disponible será menor que aquella que corresponda a la relación estequiométrica, en consecuencia en la fórmula para el cálculo se debe usar la relación aire combustible actual para los motores Diesel puesto que trabajan con exceso de aire y para el cálculo de los motores Otto se utiliza la relación estequiométrica. Siendo gm la masa de la mezcla fresca que ingresa al cilindro, la energía calorífica proveniente de la reacción química de la combustión Eq disponible será: Eq = gm x Q en kJ Tomando en cuenta el rendimiento de la combustión 𝜂𝑐 que expresa la eficiencia y las pérdidas de calor durante la combustión, la energía entregada por la mezcla durante la combustión será: Eq x 𝜂𝑐 = 𝜂𝑐 x gm x Q Esta es la energía interna U del gas de combustión. Tomando en cuenta que la temperatura se ha incrementado en ΔT, entonces: U = 𝜂𝑐 x gm x Q = Cm x ΔT (gm + gr) Donde Cm es el calor específico medio (Cvm a volumen o Cpm a presión constante según el tipo de ciclo termodinámico) de los productos de combustión, ∆T se calcula entonces como: 𝜂𝑐 × 𝑄 × 𝑔𝑚 ∆𝑇 = 𝐶𝑚 × (𝑔𝑚 + 𝑔𝑟 ) (En °K) 𝜂𝑐 × 𝑄 ∆𝑇 = 𝐶𝑚 × (1 + 𝑓) Siendo por ejemplo: 𝜂𝑐 = 85 a 94 % rendimiento o eficiencia de la combustión Cvm= 1.13 a 1.34 kJ/kgºK Calor específico de los gases a volumen constante

42 𝑓 ≅ 0.03 es la relación entre la masa de los gases quemados residuales dentro del cilindro del ciclo anterior y la masa de mezcla fresca encerrada en el cilindro en el nuevo ciclo. 𝑔𝑟 𝑓= 𝑔𝑟 + 𝑔𝑚 Donde gr = masa de gases residuales en el cilindro gm= masa de mezcla fresca La temperatura máxima del ciclo será: T3 = T2 + ΔT Para un ciclo a volumen constante, una vez obtenida Tmax = T3 y V2 = V3, se determina que la presión máxima del ciclo P3 ser 𝑃2 × 𝑇3 𝑃3 = 𝑇2 Considerando que el valor de la constante universal de los gases reales R, prácticamente no varía antes y después de la combustión: R = R2 = R3. El punto exacto para el inicio de la combustión, llamado avance de encendido, es importante en los motores de CI para que el efecto máximo de la combustión se produzca en el PMS. En motores lentos (menos de 2600 rpm) los grados de avance son menores entre 16º y18 º antes del PMS, mientras que en motores rápidos (más de 5000 rpm) se mantienen entre los 20º a 22º antes del PMS. El avance está en función al tipo de motor, el tipo de cámara de combustión y calidad del combustible. Del correcto ajuste del avance de encendido depende no sólo el rendimiento sino también el ruido del motor y la cantidad de humos expulsados. Las reacciones no son ideales, por lo que en la realidad la combinación de varios efectos provocan que la combustión no sea completa aún en presencia de mezclas pobres (mezcla con poco combustible) lo que genera que los gases de escape presenten un cierto porcentaje de monóxido de carbono, hidrógeno e hidrocarburos no quemados. Todo esto trae como consecuencia una disminución en la eficiencia de conversión del combustible en comparación con el modelo teórico. Por otro lado el efecto de disociación del combustible que a altas temperaturas provoca que cierta cantidad de moléculas de los productos de combustión se fraccione, genera una disminución de la temperatura máxima de los productos (aún a volumen constante) en comparación con la teórica. 3.3.1.2.- CALOR CEDIDO AL CICLO: Para un ciclo OTTO teórico 𝑄𝑐 = 𝑛𝐶𝑣 (𝑇𝑚𝑎𝑥 − 𝑇𝑐𝑜𝑚𝑝 ) = 𝑛𝑅

1 (𝑇 − 𝑇𝑐𝑜𝑚𝑝 ) 𝛾 − 1 𝑚𝑎𝑥

Para un ciclo DIESEL teórico 𝑄𝑐 = 𝑛𝐶𝑝 (𝑇𝑚𝑎𝑥 − 𝑇𝑐𝑜𝑚𝑝 ) = 𝑛𝑅 Considere R= 8.3145 J/molºK

𝛾 (𝑇 − 𝑇𝑐𝑜𝑚𝑝 ) 𝛾 − 1 𝑚𝑎𝑥

43 3.3.2.- CARBURACION.El combustible se suministra a los cilindros del motor como una mezcla de aire y gasolina. La formación de la mezcla aire-gasolina consiste en la atomización de la gasolina y la mezcla de las partículas de gasolina finamente divididas con el aire. La carrera de admisión del motor reduce la presión en el cilindro y carburador, lo que hace que el aire, a presión atmosférica, circule a través del sistema de admisión y que la gasolina sea pulverizada en el difusor. Esta caída de presión se incrementa mediante una sección reducida o de tipo venturi que aumenta la velocidad del aire y cae la presión en este punto. El grado de atomización depende de la velocidad relativa de las corrientes del aire y de la gasolina, de la densidad de la gasolina y su tensión superficial.

Fig. 3.5 Proceso de carburación Durante el proceso de carburación tiene lugar la vaporización superficial de las gotas y partículas del combustible, lo que origina la desaparición de las más finas y la reducción de tamaño de las otras. Lo ideal sería la vaporización total del combustible. En la práctica apenas existe vaporización de combustible, algo de gasolina en forma líquida entra a los cilindros, donde debe terminar de mezclarse y vaporizarse en las carreras de admisión y compresión pues de otra forma resultaría en una combustión anormal e incompleta dejando en el tubo de escape gases de combustión parcialmente quemados. Para un funcionamiento normal con un motor caliente, la proporción adecuada de la mezcla es aproximadamente 15 de aire por 1 de gasolina. Para funcionamiento con motor frío, o acelerando se requiere una mezcla más rica, que puede ser de 9 de aire por 1 de gasolina. La función del carburador es regular esta mezcla según las condiciones reales de funcionamiento del ciclo teórico del motor aproximándose al ciclo ideal. Un sistema de alimentación alternativo es la inyección de gasolina; actualmente se tiene la inyección indirecta, con control electrónico, que inyecta combustible a baja presión, en forma atomizada en la corriente de aire del múltiple de admisión que alimenta a los cilindros. Otra alternativa es la inyección directa de combustible a alta presión en el cilindro casi al

44 finalizar la carrera de compresión. Este método permite tener un mejor control de la relación aire/gasolina RACa además de obtener un mejor rendimiento efectivo. 3.3.3.- INYECCION DE COMBUSTIBLE MOTOR DIESEL.El sistema de inyección de combustible, tiene como propósito de introducir el combustible al interior de las cámaras de combustión para: 1) Proporcionar la cantidad exacta de combustible para las diferentes condiciones de trabajo del motor. La bomba de inyección genera además una presión de unos 1000 bar. 2) Inyectar en el momento preciso. 3) Pulverizar finamente el combustible y repartirlo en toda la masa de aire. 4) Penetrar a través de toda la masa de aire comprimido. 5) Quemar todo el combustible que se inyecta. En los motores diesel se conocen dos tipos de inyección de combustible: La inyección directa en el cilindro y la inyección indirecta o con precámara de combustión. Algunas marcas de los sistemas de inyección diesel más usados son: El motor Mercedes Benz utiliza el sistema BOSCH El motor Perkins utiliza el sistema C.A.V. El motor General Motors utiliza el sistema G.M. El motor Cummins usa el sistema CUMMINS PT. Los cuatro sistemas de inyección antes mencionados son muy diferentes uno de otro en construcción, pero cada uno, estando en perfecto estado, cumple con todas las condiciones anteriores. En general los componentes de un sistema de inyección y de alimentación de combustible son: 1) Tanque de combustible 2) Conductos y conexiones 3) Filtro primario 4) Bomba de combustible (llamada también de transferencia) 5) Bomba de inyección 6) Sistema de control y medición 7) Inyectores y toberas. Ver la figura 3.6.

45

Fig. 3.6 Sistema de inyección en un MCI diesel. Un motor diesel funciona mediante la ignición de la mezcla aire-gas sin chispa. El calor que produce la combustión procede de la elevación de la presión que se produce en el segundo tiempo motor, compresión. El combustible diesel se inyecta por la tobera de inyección en la parte superior de la cámara de compresión a gran presión, de forma que se atomiza, en la cámara de combustión donde se mezcla con el aire a alta temperatura y presión. Como resultado, la mezcla se combustiona muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo con una considerable fuerza y creando fuerza de movimiento lineal. La biela transmite este movimiento al eje del cigüeñal, al que hace que dé la vuelta, ofreciendo fuerza (trabajo) y movimiento de rotación al extremo final del cigüeñal. Para que se produzca la auto inflamación, es necesario emplear combustibles más pesados que los empleados en el motor de gasolina, empleándose la fracción de destilación del petróleo comprendida entre los 220 y 350°C, que recibe la denominación de gasóleo o combustible diesel. La principal ventaja de los motores diesel frente a los motores Otto (de gasolina) es un menor consumo de combustible, un mayor rendimiento y además, utiliza un combustible

46 más barato, en algunos países; por ello su uso se ha extendido en el campo automotriz e industrial. En aplicaciones automotrices, las desventajas iniciales de estos motores (principalmente precio inicial, costos de mantenimiento y prestaciones), se están reduciendo debido a mejoras como la inyección con control electrónico y el turbocompresor. No obstante, la adopción de la precámara de combustión para los motores diesel para automóviles, 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. 3.4.-FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO DE COMBUSTION.Para motor diesel: -Características del combustible: El contenido de hidrocarburos parafínicos, Nº de cetano, estructura y composición química. Propiedades físicas: Viscosidad, volatilidad. -Relación de compresión: A mayor compresión se eleva la temperatura y presión del aire, por lo tanto se reduce el retraso de la inflamación (avance), esto implica un aumento de la presión y el motor funciona más suave. El motor debe tener piezas robustas para soportar estas elevadas presiones. -Angulo de avance: Con ángulos de avance en inyección grandes aumentan los retrasos en la inflamación y en ese momento la temperatura y la presión son bajos. Se acumula gran cantidad de combustible y aumenta la presión porque el combustible se quema cerca al PMS. Para ángulos pequeños el avance de inyección disminuye y el motor funciona más suavemente pero la potencia y la combustión decrecen porque gran parte del combustible se quema en el proceso de expansión. -Calidad del spray (pulverización): La combustión se realiza en fase gaseosa por lo tanto el spray deberá ser muy fino y evitar la formación de gotas que dificultarían la combustión completa del combustible. -Velocidad de rotación: Una elevada frecuencia de rotación (altas rpm) de funcionamiento del motor hacen que el ángulo de avance de la inyección se incremente. Para motor a gasolina: -Composición de la mezcla: Para mezcla pobre mayor economía y para mezcla rica mayor potencia. -Carga del motor: La disminución de la aceleración del motor cuando la mariposa de carburador se cierra (motor ahogado) decrece la P inicial y por ende la P final de compresión

47 y se incrementa la mezcla o dilución de la carga fresca con gases residuales. Esto implica un excesivo consumo de combustible y combustión incompleta a bajas rpm. -Relación de compresión: Un incremento de la relación de compresión rk implica también un aumento de T y P de la mezcla. Si bien mejora las condiciones para el encendido y combustión óptima de al mezcla, también disminuye los ángulos de avance del encendido y reduce la duración de la combustión y el tiempo de desprendimiento de calor. También los combustibles son más caros y tienen aditivos como el “TEP” (tetraetil de plomo), otros componentes basados en anillos bencénicos, metiltert-butil éter MTBE y alcoholes como el butanol o el etanol para mejorar el índice de octano (octanaje). -Velocidad de rotación: Al aumentar las rpm del motor, el tiempo destinado para la combustión disminuye y se incrementa la turbulencia de la carga. Si se aumenta n (rpm) y se mantiene el % de composición de la mezcla y el ángulo de avance constantes, entonces el proceso de combustión será más tardío. Por lo tanto deberá aumentarse de forma automática el ángulo de avance y la dosificación de la mezcla. Actualmente los reguladores mecánicos están siendo sustituidos por componentes electrónicos (inyección electrónica) a fin de garantizar una buena dosificación de la mezcla y lograr una buena combustión. 3.4.- FORMAS DE LA CAMARA DE COMBUSTION.Para mejorar la cámara de combustión en los motores de CI debe tomarse en cuenta: -Una chispa más intensa en los motores a gasolina y una zona de elevada temperatura en los motores diesel. -Crear turbulencia de la mezcla de carga en los cilindros, haciendo que por la forma de los conductos de admisión el aire o la mezcla entren girando a la CC o aprovechando la forma de la cara del pistón para crear torbellinos. -Hacer que la bujía o el inyector se encuentre en la zona más rica de la mezcla. 3.5.- PROCESO DE EXPANSION PARAMETROS Y FACTORES.Proceso de Expansión (3-4): La combustión de la mezcla provoca que el pistón baje desde el PMS al PMI generándose trabajo positivo. Esto ocurre manteniendo ambas válvulas cerradas (VE escape y VA admisión) y se supone proceso adiabático. Comienza cuando se inicia la combustión y continúa hasta la apertura de la válvula de escape. Alcanza su Pmax y Tmax cuando el desprendimiento del calor es más intenso. En un motor a gasolina SI (Spark Ignition) cuando se aumenta la carga, se incrementa la P y T al final del proceso de compresión, si bien se ha producido el avance de la chispa pero se deberá obtener la máxima presión en el PMS para aprovechar al máximo la carrera de trabajo. En un motor Diesel CI (Compresión Ignition) la combustión residual se incrementa debido a que el combustible continúa siendo inyectado durante un cierto ángulo (tiempo)

48 mientras el pistón desciende del PMS al PMI. A continuación se muestran los factores de la expansión: Parámetros de expansión

Gasolina

Diesel

 1 exp. Politrop.expansión

1,23…….1,30 3,5……..5 bar 1200…..1500 ºK

1,18……….1,28 2………4 bar 1000……..1200ºK

Pb pres.final de expansión. Tb temp.final de expansión. 3.6.- PROCESO DE ESCAPE.-

Proceso de escape o expulsión (1-A): Se inicia con la apertura de válvula de escape (Proceso 4-1), cuando el pistón se encuentra en el PMI se abre sólo la válvula de escape lo que genera una caída de presión que en teoría es instantánea. En esta carrera se liberan los gases a la atmósfera al abrir la válvula de escape y el pistón sube desde PMI al PMS, barriendo el interior del cilindro. En condiciones teóricas se considera que las presiones dentro del cilindro y en la atmósfera son las mismas, el trabajo requerido en esta evolución es nulo. En un proceso real la válvula de escape se abre antes del PMI (punto. 4) con lo cual la expansión de los gases de escape es incompleta y la presión, a partir de ese punto cae rápidamente. Similarmente la válvula de admisión se cierra después del PMI, provocando que la presión antes de la combustión sea menor que la teórica.

Fig. 3.7 Inicio proceso de escape

49 En el proceso de escape si la apertura de la válvula de escape es temprana, se perderá parte del trabajo de la carrera de expansión y no compensa la disminución del trabajo absoluto. Por el contrario si se retrasa la apertura, las pérdidas del trabajo de expansión son bajas, pero se consume una gran cantidad de trabajo en la expulsión de gases y se empeora el barrido. El instante exacto de la apertura de válvula debe determinarse experimentalmente, puesto en ese instante deben expulsarse entre el 60 a 70 % de los gases de combustión. La temperatura de los gases depende de la velocidad del motor y la carga a la que está sometido. El incremento causa el aumento de la temperatura de la máquina térmica. El ruido de salida de los gases debe disminuirse mediante el uso de un silenciador. 3.6.1.- EMISION DE GASES DE COMBUSTION.Se conoce como emisión de gases es el conjunto de gases contaminantes que se descargan en el ambiente producidos por los motores de combustión interna. En la emisión de gases participan tres elementos fundamentales, que a su vez partes del proceso de combustión interna en los motores de gasolina. Estos elementos son: combustible, oxigeno y calor. En teoría podría existir una combustión perfecta para la gasolina con una relación de aire a combustible de 14.7 Kg a un 1Kg. de combustible. Aun logrando esta relación se produciría cierto nivel de emisión de CO2 y H2O “normales o ideales” y una casi insignificante producción de gases de combustión no deseados. Mala mezcla de combustible: Una mala mezcla de combustible puede ocurrir de varias maneras. Puede ser que el motor esté recibiendo más aire pero menos combustible. O el aire succionado podría estar siendo estorbado y tendría más combustible pero menos aire. O el sistema de combustible puede estar entregando irregularmente mucho o poco combustible a la mezcla, haciendo que la combustión no se realice normalmente. O puede haber impurezas en el combustible (como agua en su tanque de gas) haciendo que el combustible no se queme completamente. Como en la práctica no es posible lograr una combustión ideal, se debe de indicar que normalmente se tiene una combustión real incompleta con sus respectivos subproductos o emisiones. Estas emisiones se incrementan debido a una falta de inspección y un mantenimiento inadecuado del motor de combustión interna. Los principales subproductos o emisiones de la combustión no deseables son: Monóxido de carbono (CO): Este gas es producido por una combustión incompleta debido a un insuficiente suministro de oxígeno en la cámara de combustión. Es combustible parcialmente quemado, el cual viene asociado a un olor muy particular.

50 Hidrocarburos sin quemar (HxCy): Estos contaminantes se dan por una mezcla deficiente entre el combustible y oxígeno. La deficiencia puede ser producida por una mezcla muy rica o muy pobre entre estos dos elementos. Hay otros factores que contribuyen a esta emisión, como lo son: aceite en la cámara de combustión, fallas en el sistema de encendido o de inyección, deficiente traslape valvular, sobrecarga del motor, temperatura del motor y la altura del lugar geográfico donde se realiza la combustión. En términos corrientes esto se conoce como "no está quemando bien la gasolina (el combustible)". Oxido de Nitrógeno (NOx): El nitrógeno que es el gas que constituye el 79% del aire en la atmósfera y es estable en condiciones normales. Sometido a altas temperaturas; sobre 1,500 grados centígrados y alta concentración de oxígeno; reacciona al oxígeno para formar oxido de nitrógeno (NOx). Esta reacción ocurre cuando se realizan aceleraciones extremas que ocasionan una alta temperatura en la cámara de combustión. Los sistemas de control del motor reaccionan pasando oxígeno para bajar la temperatura pero en el proceso se produce oxido de nitrógeno. Además de los factores mencionados; todos localizados en la cámara de combustión; podemos encontrar factores externos que también contribuyen a las emisiones de gases. Entre ellas encontramos: Malos hábitos de conducción con aceleraciones bruscas y mal uso de los cambios de la transmisión del vehículo, resistencia al aire relacionada con el diseño aerodinámico del vehículo, resistencia de rodamiento ocasionado por neumáticos mal inflados o tamaño inadecuado de los mismos en relación con peso y tamaño del vehículo, peso total del vehículo, relación de la caja de cambios, pobre calidad del combustible (con plomo/azufre u otras impurezas), temperatura del medio ambiente, uso o selección incorrecto del aceite lubricante recomendado por el fabricante. 3.6.2.-EFECTOS DE EMISIONES DEL MOTOR EN EL MEDIO AMBIENTE.El bióxido de carbono y demás partículas nocivas emitidas por los tubos de escape de los vehículos con motor de combustión interna contribuyen en gran manera a producir el efecto invernadero, a la lluvia ácida y destrucción de la capa de ozono (ésta última en muy poca medida): Efecto invernadero: La quema de combustibles fósiles aumenta la cantidad de bióxido de carbono descargado en la atmósfera, formando un “techo” que atrapa calor extra. Esto produce el incremento de la temperatura de la tierra que ocasiona muchos problemas. Lluvia Ácida: Causada principalmente por óxidos de nitrógeno despedidos por los tubos de escape. Cuando este componente se mezcla con el vapor de agua y el oxígeno de la atmósfera, se producen ácidos nítrico y sulfúrico. Esta mezcla cae con la lluvia incrementando la acidez de lagos, ríos y sustrato en general, afectando a plantas y animales. Para poder medir las emisiones de gases y de paso regular o controlar las causas que la ocasionan, se han diseñado equipos especiales para estos propósitos. Estos equipos,

51 necesarios para tomar las lecturas de los subproductos de la combustión (emisiones), se llaman analizadores de gases. Los bancos analizadores de gases han tenido un gran desarrollo a través de los años, desde poder medir solamente una emisión (CO), hasta poder medir cinco emisiones (HC, CO, CO2, O2, NOx). A su vez existen dos tipos de pruebas de emisión de gases:  Prueba de Certificación: Es una prueba dinámica que se realiza sobre un dinamómetro

en el cual se simula las condiciones de manejo de un auto en movimiento. Con esta prueba se miden las cinco emisiones antes mencionadas.  Prueba de Inspección y Mantenimiento: Esta es la prueba que se ha establecido para el Estado Boliviano (Ley 1333). Se utiliza para la revisión periódica de la emisión de gases. Es una prueba estática y se realiza en marcha ralentí (neutral) y a menos de 1,000 rpm. y en aceleración entre 2,300 y 2,700 rpm. Esta prueba mide solo 4 de las cinco emisiones (HC, CO, CO2 y O2). El oxido de nitrógeno (NOx) sólo puede medirse en pruebas dinámicas por lo tanto no es posible medirlo con esta prueba. 3.6.3.- USO DE CATALIZADORES.Aunque los vehículos deberían de usar catalizadores en la salida del silenciador en el tubo de escape, esta medida preventiva no es de carácter obligatorio y tampoco es suficiente. A partir del año 2000 se retiró del mercado la gasolina de alto octanaje con plomo y la única disponible para vehículos con motor de explosión es la gasolina exenta de plomo. La gasolina “sin plomo” es más ecológica y menos contaminante. Un sistema de control de emisiones consta de: Un convertidor catalítico, una colección de sensores/ actuadores y una computadora para ajustar todo. Por ejemplo, el convertidor catalítico utiliza un catalizador y oxígeno para terminar de oxidar cualquier combustible sin quemar y otros compuestos químicos en la descarga. Un sensor de oxígeno verifica que haya suficiente O2 disponible en el aire para que el catalizador trabaje y realiza los ajustes si son necesarios. Otro de los elementos que se encuentra presente en el tema presente es el catalizador. En términos sencillos es un dispositivo que se encuentra acoplado al sistema de escape y que tiene la función de completar las reacciones químicas de los elementos residuales de la combustión (emisiones). El convertidor catalítico consta de una carcaza metálica en cuyo interior existe un soporte cerámico en forma de panal. La superficie se encuentra impregnada con una resina rica en materiales nobles como el platino, paladio y rodio. Estos metales actúan como elementos catalizadores acelerando las reacciones químicas entre otras sustancias con las que entran en contacto pero sin participar en estas reacciones. Los gases de escape al entrar en contacto con el catalizador son transformados en elementos inocuos no polucionantes. El catalizador debe de ser revisado periódicamente.

52 La tabla siguiente muestra las normas utilizadas para medir las emisiones en los motores de gasolina tomando en cuenta si el vehículo tiene o no instalado un catalizador. Estas normas son ajustadas o modificadas anualmente. TIPO MOTOR Sin Catalizador Con Catalizador

CO Monóxido Menor a 4,5% en Vol. Menor a 0,5% en Vol.

HxCy Hidrocarburos Menor a 600 p.p.m Menor a 125 p.p.m

CO2 Dióxido de C Mayor a 10,5% en Vol. Mayor a 12,5% en Vol.

En el medio local se están iniciando campañas tendientes a motivar a los dueños de automotores a que acudan a realizar revisiones de emisión de gases. Acudiendo a una de estas revisiones, esto es lo que ocurrirá durante la misma:  Se comprobará el año de fabricación del vehículos, el tipo de combustible usado y si el motor tiene carburador o sistema de inyección.  Comprobar que el vehículo esté equipado con un catalizador, el cual no debe presentar ni roturas ni abolladuras, si presenta alguna de estas anomalías no se podrá realizar la medición.  Revisar que el motor esté a su temperatura de funcionamiento.  Introducir una sonda de por lo menos 30 cm en el tubo de escape.  Realizar la medición de las emisiones de acuerdo a los siguientes parámetros: -Medición de los valores en marcha mínima a menos de 1,000 rpm. -Aceleración del motor entre 2,000 y 2,500 rpm y lectura de emisiones respectivas. Luego se suministra al propietario del vehículo, el informe de la medición registrada de cada uno de los gases (emisiones) y le indicaran las acciones correctivas según el caso. Y es precisamente en este punto en el cual se necesita hacer un énfasis mayor. Cualquier medida que adopten los fabricantes o cualquier limite que impongan las autoridades no surtirán un efecto positivo a menos que los dueños de los vehículos pongan en práctica las medidas correctivas y la práctica de mantenimiento adecuado y oportuno. Solo de esa manera se puede entrar con seguridad en programas de protección ambiental. Ley 1333. 3.7.4.- RECIRCULACION DE GASES DE ESCAPE.La recirculación de gases de escape tiene dos misiones fundamentales. Una es la de reducir los gases contaminados procedentes de la combustión o explosión de la mezcla y que mediante el escape salen al exterior. Estos gases de escape son ricos en monóxido de carbono, hidrocarburos parcialmente quemados y óxidos de nitrógeno.

53 La segunda misión de la recirculación de gases es bajar las temperaturas de la combustión o explosión dentro de los cilindros. La adición de gases de escape a la mezcla de aire y combustible hace más fluida a esta por lo que se produce la combustión o explosión a temperaturas más bajas. La válvula EGR, recirculación de gases de escape toma su nombre del inglés Exhaust Gases Recirculation. En la figura siguiente se tiene una válvula seccionada y en ella se aprecian las partes integrantes:

Fig. 3.8 Válvula EGR para la recirculación de gases La base de la válvula es la más resistente, creada de hierro fundido ya que tiene que soportar la temperatura de los gases de escape (sobrepasan los 1000ºC) y el deterioro por la acción oxidante de los componentes químicos de estos gases. Estas altas temperaturas y componentes químicos que proceden del escape son los causantes de que la válvula pierda la funcionalidad, pudiendo quedar esta encallada, tanto en posición abierta como cerrada, por lo que los gases nocivos saldrían, en grandes proporciones al exterior y afectando a la funcionalidad del motor. El efecto de recirculación de gases se puede encontrar hoy en día tanto en motores gasolina como diesel, pero sobretodo en los diesel es donde con más frecuencia se encuentran, ya que la mayoría de los vehículos con estos motores la llevan incorporada al salir de fábrica. Funcionamiento del sistema de recirculación de gases: La apertura de la válvula del sistema, se realiza a baja y media potencia aproximadamente puesto que para las altas prestaciones de un motor, se necesita una entrada de aire más denso que se mezcle con el combustible, lo que se denomina en términos automotrices como aire fresco.

54 Esto sucedería contando con que la válvula EGR dispusiera de un mando eléctrico, que bajo el mando de la unidad de mando del motor, actuase sobre el vástago de la válvula de recirculación, abriendo y cerrando a ésta. Si la válvula EGR no cuenta con un dispositivo electrónico que interrumpa su funcionamiento, siempre estaría más o menos abierta (dependiendo de la admisión del colector, es decir, de la potencia solicitada por el motor) pero abierta. No es raro, si no todo lo contrario, encontrar sistemas que solo cuentan con la válvula EGR, pero se tiene que pensar que no es lógico que continúe la introducción de gases de escape a la admisión a grandes revoluciones, ya que precisamente lo que necesita la mezcla es mayor densidad (aire fresco). Por esto mismo el sistema de recirculación ha sido y es mejorado, incorporando a éste controladores y mandos electrónicos en la ECU. Ahora, se encuentra un problema a la hora de cerrar la válvula EGR a altas revoluciones y es el ya tan conocido fenómeno de la contaminación. Todos los gases que estaban siendo reducidos en las cámaras de combustión, ahora son liberados (CO, HC y NOx). Después de esta pequeña introducción de funcionamiento, se describe el funcionamiento teórico de una válvula mecánica EGR: El múltiple de admisión es el encargado de llevar al interior de los cilindros el aire de la mezcla (o la mezcla de aire y combustible) por demanda de los pistones de los cilindros. La toma de vacío que tiene la válvula EGR basa su funcionamiento en este efecto, la succión de aire crea un vacío que actúa sobre el diafragma de la válvula comprimiendo el muelle resorte y levantando la válvula que permite el paso del gas de escape desde el colector de escape hacia el colector de admisión. De la misma forma cuando menor sea la succión de aire (o mezcla) por parte de los cilindros, menor será el vacío por lo que el diafragma permitirá al muelle resorte a bajar a su posición dejando al vástago cerrar la válvula de entrada de los gases de escape al colector de admisión.

55 CAPITULO 4. 4.-INFLUENCIA DE LA ALTURA EN MCI.4.1.- CONDICIONES ATMOSFERICAS EN FUNCION DE ALTURA.La calidad del aire, en especial el peso del aire por unidad de volumen, interviene en el trabajo de los motores de CI y por lo tanto en la potencia que van a alcanzar y dependen de las condiciones atmosféricas. Analizando las variables de las condiciones atmosféricas, éstas son: P= Presión ( bar,atm, kg/cm2, lb/pulg2) T= Temperatura ( ºC, ºK, ºF)  = densidad del aire ( kg/m3, kg/dm3 ) En condiciones normales: Patm= 1 atm= 1,013 bar= 760 torr= 1kg/cm2=760 mmHg Tatm= 0ºC= 273ºK  =1,225 kg/m3 Pero estas condiciones varían con la altura. Existen tablas donde se tabulan los valores de las variables en función de la altura h sobre el nivel del mar. Altura Presión Presión Temperatura Densidad m bar torr ºC kg/m3 0 1,013 760 15 1,225 500 0,955 715,9 11,8 1,167 1000 0,899 674,1 8,5 1,112 2000 0,795 596,1 2 1,007 3000 0,701 525,7 -4,5 0,909 3800 0,633 --9,7 0,837 4000 0,616 462,2 -11 0,819 5000 0,540 405 -17,5 0,736 6000 0,472 353,7 -24 0,66 7000 0,411 307,8 -30,5 0,59 8000 0,356 266,8 -37 0,525 Tabla 4.1. Valores de la presión en la altura. Para Oruro se pueden determinar o calcular valores aproximados a 3706 msnm. 4.1.2.- FORMULA EMPIRICA PARA DETERMINAR P Y T EN ALTURA.p h  e  h / 8600

ph=presión en altura atm h = altura en m snm.

Th  To  0,003  h

Th=temperatura en altura ºK To=temperatura a 0 msnm.

56

4.2.-INFLUENCIA DE LA ALTURA EN LOS MOTORES DE CI.Si el motor de CI de un avión funciona a mayor altura, funcionará con una densidad menor y no alcanzará la misma potencia que trabajando a nivel del mar. Lo mismo ocurre en un motor de vehículo automotor o de generación de energía que viaja de tierras bajas a las montañas. Esto ocurre, porque si bien el volumen de aire aspirado por el motor permanece constante, la cantidad en peso del aire que ocupa este volumen, en la altura disminuye. Por lo tanto reducen las moléculas de oxígeno que puedan combinarse con las moléculas del combustible. Recordar que se necesitan aproximadamente 14,7 kg de aire por cada kg de combustible. Entonces no se quemará todo el combustible y no se liberará todo el calor en una combustión deficiente. Por otra parte una presión de entrada de aire menor ocasionará presiones de compresión también menores disminuyendo el trabajo del ciclo. Si se realizan pruebas de banco de estos motores, se obtendrán distintos resultados según las condiciones atmosféricas en que se realizan. En condiciones normales a nivel del mar se asignan a las magnitudes el subíndice “0”, es decir Po, To, etc. La potencia efectiva al freno útil en condición “0” se denomina como Neo y la potencia efectiva del motor en altura Nh. A partir de la ecuación:

P    R T Y la densidad del aire de tablas se determina que es proporcional a P y T. Como la potencia útil es proporcional al peso del aire que entra al trabajo y a su vez es a la densidad del aire, se tendrá:

N eo Nh

Po T P T  o  o h Ph Ph  To Th

La siguiente relación empírica se puede usar con bastante exactitud en condiciones reales de motores atmosféricos sin sobrealimentación. 𝑁𝑒𝑜 𝑃𝑂 𝑎 𝑇ℎ 𝑏 =( ) ∗( ) 𝑁ℎ 𝑃ℎ 𝑇𝑂 En la práctica, los valores más usados en la norma DIN 70020 (1986) y la norma SAE J 1349 (1995) para motores de aspiración natural son a=1 y b=1/2, que Heywood (1988) justifica por la dependencia directa entre la potencia y el gasto admitido, el cual depende de la relación

𝑃𝑎 (𝑇𝑎 )0.5

, luego la ecuación final empírica de potencia en altura se puede

expresar como:

N eo Po  Nh Ph

Th To

En los motores de aviación la altura máxima a la que puede ascender un aeroplano se denomina altura máxima o techo. Este techo se alcanza cuando la potencia del motor a

57 esta altura solo es suficiente para vencer la resistencia del aire en vuelo horizontal y no puede ascender ya más. 4.3.-COMPENSACIÓN DEL EFECTO ALTURA.En terreno bajo el motor funciona con una RAC de 14,7/1. Al subir a las montañas disminuye la cantidad en peso del aire en el volumen admitido o aspirado por el motor, pero el volumen del combustible continúa siendo succionado sin variaciones. Por tanto la mezcla se hará más rica existiendo una combustión deficiente por la poca presencia de oxígeno en el aire. Disminuirá el trabajo y también la potencia; se incrementará la presencia de hidrocarburos parcialmente quemados y monóxido de carbono en los gases de combustión. Una primera modificación a ser realizada será la disminución del área de paso de combustible por el difusor (chicler de alta). Esto disminuirá el flujo de combustible para que la cantidad de aire en altura permita una mejor combustión pero a su vez disminuirá la potencia del motor. Otras alternativas consisten en hacer que ingrese más aire en peso al motor mejorando la combustión, instalando un sistema de sobrealimentación. La sobrealimentación permite el aumento del rendimiento volumétrico y la cantidad de aire excede al de la presión atmosférica normal. Este incremento en la presión implica un aumento de la temperatura del aire de admisión, luego:

P Tk   k  Po

  

 k 1 k

; rp 

Pk Psalidacom presor  Po Pentradacompresor

Siendo Tk= Presión de admisión son compresor  k  1,45….1,8. rp= Razón de presión del turbocompresor. 4.4. USO DE TURBOALIMENTADOR E INTERCOOLER.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 en condición de altura.

Un motor atmosférico tiene un límite de potencia que normalmente determinan varios factores, entre ellos uno de los más importantes es la cantidad de aire que puede aspirar a través de su sistema de admisión. Para aumentar la potencia hay que aumentar la cantidad de aire que entra en los cilindros y a la par inyectar más combustible. 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 mucho mayor a la presión de entrada del compresor, y por tanto la temperatura de entrada será igualmente alta.

58 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 sobrealimentación e interenfriador que se utilice. El concepto básico de sobrealimentación, a mayor cantidad aire mayor cantidad de combustible se puede quemar y por lo tanto más potencia se puede generar. 4.4.1.- SOBREALIMENTACION.En los motores Diesel de dos y cuatro tiempos es frecuente incrementar la admisión de aire con una sobrealimentación. Así, se aumenta el rendimiento volumétrico y la cantidad de aire excede al volumen del desplazamiento del pistón a la presión atmosférica, lo que proporciona más fuerza motriz por centímetro cúbico de cilindrada. La finalidad principal de la sobrealimentación en el motor Diesel es aumentar la potencia desarrollada. Como sucede que una mayor presión de compresión no da lugar a la detonación en los motores Diesel, como ocurre en los de gasolina, el empleo de este dispositivo en el motor Diesel ha progresado con rapidez. La sobrealimentación y el aumento de la presión de compresión imprimen realmente una marcha más suave al motor Diesel. Además el uso de la sobrealimentación permite reducir el peso del motor. Hay dos métodos para sobrealimentar un motor: El soplador accionado mecánicamente: Existen varios tipos de soplador: el de bomba de movimiento alternativo, el tipo rotatorio (tipo Roots) y el soplador centrífugo, accionados por el motor mismo (mediante engranajes o poleas) o por medio de un motor eléctrico.

El Turbocompresor : Un turbocompresor es esencialmente un compresor volumétrico accionado por los gases del escape del motor, cuya misión fundamental es aumentar la presión del aire en la admisión, para de este modo incrementar la cantidad del mismo que entra en los cilindros del motor, permitiendo que este se mezcle eficazmente con una mayor cantidad de combustible. De este modo, el par motor (o torque) y la potencia pueden incrementarse hasta un 35%, gracias a la acción del turbocompresor. Contiene una turbina de gas accionada por los gases de escape que salen del motor a presión y temperaturas elevadas. Para ello se intercala en el circuito de entrada un compresor, accionado por una turbina movida por los gases de escape. Este dispositivo recibe el nombre de turbo-compresor. 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 los gases 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.

59 Compresores Volumétricos: Utilizan parte del par transmitido por el motor. Los compresores volumétricos funcionan acoplados directamente al cigüeñal del motor, que transmite el giro a alguna parte del compresor volumétrico (según del tipo que se trate) que a su vez introduce el aire a alta presión en los cilindros del motor. La ventaja fundamental sobre los turbocompresores es que los efectos de los compresores volumétricos se aprecian incluso a regímenes bajos del motor. Su desventaja es que toman parte de la potencia generada por el motor para poder funcionar aunque luego la devuelven con creces. Algunas de las marcas comerciales más conocidas de compresores son:Turbo-Garret, Eaton Roots. Componentes del turbocompresor El turbocompresor está compuesto de tres secciones: la carcasa central, la turbina y el compresor. La carcasa central contiene dos cojinetes planos, juntas de tipo segmento y un manguito de separación. Posee también conductos para el suministro y vaciado del aceite que entra y sale de la carcasa. Ver fig 4.1. La rueda de la turbina gira dentro de su carcasa y es solidaria con el eje central, que gira apoyado en unos cojinetes lisos, acoplados en el interior de la carcasa central. La rueda del compresor, que se monta en el otro extremo del eje, forma con la de la turbina un conjunto de rotación simultánea. Un turbocompresor puede girar a velocidades de hasta 120.000 RPM. en algunas unidades de alto rendimiento. Funcionamiento del turbocompresor El turbocompresor está montado en la brida de salida de escape del colector de escape del motor. Una vez puesto en marcha el motor, los gases de escape de motor que pasan a través del alojamiento de turbina hacen que giren la rueda de turbina y el eje, los gases se descargan a la atmósfera después de pasar por el alojamiento de turbina.

60

Fig.4.1.Esquema de funcionamiento de turbocompresor.

61

Fig.4.2. -Sobrealimentación para un motor diesel de 2 tiempos. La rueda del compresor, que está montada en el extremo opuesto del eje de la rueda de turbina, gira con la rueda de turbina. La rueda de compresor aspira el aire del medio ambiente, comprime el aire y lo manda comprimido al motor. Durante el funcionamiento, el turbocompresor responde a las exigencias de carga del motor reaccionando al flujo de los gases de escape del motor. Al ir aumentando el rendimiento del motor aumenta el flujo de los gases de escape y la velocidad junto al rendimiento del conjunto rotatorio aumentan proporcionalmente, enviando más aire al motor. El turbocompresor tipo impulso, necesita un colector de escape especialmente diseñado para llevar impulsos de escape de alta energía a la turbina del turbocompresor. Este diseño, se evita la interferencia entre las descargas de gas de escape procedentes de los distintos cilindros del motor, produciéndose de este modo una corriente de impulso de alta velocidad, que no se consigue con otros diseños. En algunas aplicaciones, la carcasa de la turbina se divide en dos zonas (impulso dividido), consiguiéndose con ello una mejor ayuda para cebar el conjunto de rotación, al inicio de ésta. El diseño presenta dos cámaras en espiral, en vez de una. El término "cámara en espiral" viene dado por la forma en espiral de la carcasa de la turbina, la cual disminuye en volumen hacia el centro, como la concha de un caracol.

62 Cada cámara recibe la mitad de la corriente de escape del motor, por ejemplo, en un motor de cuatro cilindros, los dos delanteros vierten el gas de escape en la cámara primera, mientras que los otros dos lo hacen en la segunda. Con el tipo de turbocompresor de presión constante, el gas de escape de todos los cilindros fluye al interior de un colector común, donde desaparecen los impulsos, dando lugar a una entrada del gas en la turbina a una presión constante. En ambos tipos de turbocompresor, el gas de escape entra en la turbina formando un anillo en espiral (toroide), lo que produce una aceleración radial a una presión reducida y velocidad incrementada sobre las paletas de la turbina, las cuales están especialmente diseñadas, de tal forma que se aproveche la fuerza del gas para la impulsión de la turbina, su eje y la rueda del compresor unida a él. El conjunto del compresor es de diseño y construcción similar, tanto en el turbocompresor de impulso, como en el de presión constante. El compresor consta de una rueda y una carcasa, que lleva incorporada una única espiral o difusor. El aire entra en la cámara del compresor (aspirado por el giro del mismo) entre las paletas de la rueda, y es expulsado por efecto de la fuerza centrífuga, al interior de la espiral durante la rotación de la rueda. En este momento la velocidad del aire disminuye y se produce el correspondiente incremento de la presión. A medida que el aire asciende alrededor de la espiral, se va reduciendo su velocidad y la presión aumenta en función del diámetro de la sección transversal de la cámara. En resumen, el turbocompresor tipo impulso presenta una rápida reacción del conjunto giratorio, debido a la rápida sucesión de impulsos de gas de escape sobre el conjunto de la turbina. Se usa principalmente en aplicaciones automo -trices, cuando es importante la respuesta en aceleración. Los turbocompresores de presión constante son utilizados principalmente en grandes motores Diesel, en maquinaria de construcción/agrícola y en aplicaciones marinas, donde la respuesta de aceleración no es tan crítica. 4.4.2.-TURBOCOMPRESORES.En la sobrealimentación de motores de CI, los mejores resultados obtenidos hasta ahora se han conseguido con la ayuda de los turbocompresores que si bien presentan algunos inconvenientes, tienen la gran ventaja de no consumir energía efectiva del motor además de estar construidos para poder girar a un gran número de vueltas o rpm.

63

Fig. 4.2. Partes de un turbocompresor centrífugo. Estas dos ventajas, junto a la facilidad con que pueden ser aplicados a los motores por su pequeño tamaño (con respecto a los compresores volumétricos) hacen que haya evolucionado su estudio y se hayan conseguido grandes rendimientos en motores de combustión interna de todo tipo. La idea de la sobrealimentación se remonta al siglo XIX, cuando el ingeniero italiano Buchi presentó en 1905 la primera idea de lo que sería un turbocompresor, idea que completó en 1910 con un sistema básicamente igual al que se utiliza hoy en día. Con esta invención en 1977 los motores de 3 litros de Formula 1 como el motor Cosworth DFV generaban 487 CV, mientras que el motor Renault Turbo desarrollaba una potencia de 510 CV con una cilindrada de aproximada de 1.5 litros, pero con una desventaja, a pesar de su capacidad más pequeña era un 25 % más pesado que el Cosworth. En 1985 el motor Honda superó ampliamente esos valores porque este motor generaba casi 1082 CV con 1,5 litros de cilindrada girando a más de 20000 rpm. 4.4.2.1.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DEL TURBOCOMPRESOR.Principales ventajas del turboalimentador: Aumenta la potencia del motor considerablemente. Evita la perdida de potencia que se produce cuando el motor trabaja a grandes alturas (ejemplo: uso en montañas y uso aéreo) donde la presión atmosférica es notablemente menor y por ende la densidad del aire es menor. Reduce el ruido del motor. La carcasa de la turbina actúa como un conjunto de absorción del ruido de los gases de escape del motor. Del mismo modo, la sección del compresor reduce el ruido de admisión producido por los impulsos en el colector de admisión. Como resultado de todo ello, un motor con turbo es, normalmente, mas silencioso que otro convencional, aunque generalmente se percibe un silbido característico cuando el motor esta; bajo carga o acelerando.

64 Economía de combustible. Un motor turboalimentado tiene un rendimiento volumétrico más alto que el convencional, con el que se logra una combustión más completa, que da como resultado un consumo más bajo de combustible en relación a la potencia generada. Reducción de humos. Los turbocompresores suministran al motor una cantidad suplementaria de aire en el funcionamiento a media y alta velocidad, que da lugar a una fase de combustión mucho más eficaz y limpia, lo que reduce considerablemente la producción de humos. Desventajas del turbocompresor: -Mayor costo de mantenimiento. El mantenimiento del motor con turbo es mas exigente que el de un motor sin el mismo, ya que requiere un aceite de mayor calidad y cambios mas frecuentes del mismo, dado que este se encuentra sometido a condiciones de trabajo mas duras al tener que lubricar los cojinetes de la turbina y el compresor frecuentemente gira a muy altas revoluciones y altas temperaturas. Los motores turboalimentados requieren mejores materiales (materiales forjados), sistemas de lubricación mejorados y de refrigeración mas eficaces. -Altas temperaturas del aire a la salida del turbocompresor debido al aumento en la presión, que ocasionan una disminución de la densidad del aire que está entrando a los cilindros. -Potencias reducidas a bajas revoluciones. Cuando se lleva poco pisado el acelerador y por lo tanto un régimen de vueltas bajo, los gases de escape se reducen considerablemente y esto provoca que el turbo apenas trabaje. La respuesta del motor entonces es poco brillante salvo que se utilice una marcha convenientemente corta que aumente el régimen de giro 4.4.3.- INTERCOOLER O ENFRIADOR DE AIRE INTERMEDIO.Algunos motores están dotados de interenfriadores para reducir la temperatura de salida del aire comprimido del turbocompresor antes de su entrada en el motor. El sistema interenfriador (intercooler) consiste en un intercambiador de calor en el que se introduce el aire que sale del turbocompresor para enfriarlo antes de introducirlo en los cilindros del motor. Al enfriar el aire disminuye la densidad de éste por lo que para el mismo volumen de los cilindros se puede introducir mayor masa de aire y así mejorar el rendimiento del motor. Una manera eficiente de aumentar caballos de fuerza en cualquier motor es el forzado o la inducción del aire comprimido con enfriador intermedio (intercooling). Un interenfriador (intercooler) debe tener la capacidad de refrescar abajo el aire comprimido y de entregarlo al múltiple de admisión con la mínima pérdida de presión. El aire comprimido enfriado ayudará al motor a alcanzar rpm más altas que proporcionen más potencia.

65

Fig.4.3. Instalación de sistema turboalimentado con enfriador intermedio. Algunos vehículos con turbocompresor llevan un intercambiador de aire que es una especie de radiador de aire llamado intercooler aire-aire (el más usado), o también existe el intercooler aire-agua (refrigerado por agua). El enfriamiento del aire comprimido después que ha salido del compresor tiene ventajas evidentes porque aumenta el rendimiento energético (hasta un 20%) y reduce el desgaste del motor. El aumento energético se produce por el enfriamiento de la mezcla del aire y el combustible, haciendo a ésta más densa y así entra más cantidad del aire y el combustible en el cilindro produciendo mayor potencia. La reducción del desgaste del motor se debe a que la combustión de la mezcla es a menor temperatura con lo que hace menos probable que se quemen las válvulas, reduce la temperatura del motor y alarga la vida del mismo. Como el intercooler al reducir la temperatura, hace más densa la mezcla, también reduce la presión de ésta en el múltiple de admisión siendo esto una desventaja y también una ventaja, porque al reducir la presión se consigue que el trabajo del motor una vez que entra al cilindro se reduzca y contribuye a evitar la autodetonación, por lo que se le puede dar más presión al turbo; aunque por la reducción de presión en el múltiple de admisión produce una presión menor de los gases de escape con lo cual hay menos energía para mover la turbina, aún así el intercooler ayuda a generar más potencia. Entonces la temperatura de admisión Tke con enfriador será:

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P Tke  To  k  Po

  

 k 1 k

 Tref

Siendo Tref  15ºC una referencia para motores de CI.

67

CAPITULO 5 5.-CALCULO ORGANICO DEL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA 5.1.-CALCULO Y ESTRUCTURA DE LOS MOTORES DE PISTÓN.Los componentes de los motores de pistones con movimiento alternativo se dividen en 3 grupos: -Grupo cigüeñal: Está formado por: Pistón, biela y árbol cigüeñal. También se incluye en este grupo al block de cilindros, culata y cárter de motor como soportes del grupo. -Grupo distribución: Constituido por árbol de levas, balancines, empujadores (taques), válvulas de admisión y escape, cadenas de distribución (correas dentadas) y otros. -Grupo accesorios o auxiliares para el funcionamiento del motor como ser: Carburador o sistema de inyección de combustible, sistema de encendido (distribuidor, bujías, condensador, bobinas y otros), sistemas de inyección diesel (bomba, inyectores, toberas), filtros de aire/combustible/aceite, radiador, alternador, bomba de aceite y otros. Todos estos componentes, sea cual fuera el tipo de motor, deben satisfacer ciertas condiciones de funcionamiento como ser: -Ser robusto para resistir las fuerzas debidas a las presiones y temperaturas altas de los gases en los diferentes ciclos que intervienen en los diferentes ciclos. -Ser lo suficientemente fuerte para sujetar, soportar y guiar los órganos del grupo cigüeñal, de distribución y accesorios. -Transferir el calor producido por el motor de CI al medio exterior. -Ser económicos de construir. -Permitir que las diferentes partes de los grupos puedan montarse, desmontarse y mantenerse fácilmente. 5.2.- DINAMICA DEL GRUPO CIGÜEÑAL.Conviene analizar la cinemática y la dinámica del grupo cigüeñal a fin de obtener un equilibrio de masas y en consecuencia una marcha uniforme. La pieza más importante en este grupo es el árbol cigüeñal, pero conviene analizar el bloque y la culata. El llamado bloque o block de cilindros, se constituye en la base el motor y se caracteriza por el número y disposición de los cilindros (6 en línea, 8 en v, etc). También se encuentran labrados en el bloque diferentes refuerzos o nervaduras, para los apoyos del cigüeñal, soportes de accesorios, órganos y otros. Por otra parte están los agujeros y cavidades para el refrigerante para enfriamiento líquido o las aletas para refrigeración por aire.

68 Para la fabricación de bloques se emplea generalmente la fundición gris aleada con Ni y Cr, para obtener un material muy moldeable sin poros y sobre todo económico. En algunos casos se utilizan bloques de aleaciones de aluminio. A fin de obtener un material de gran dureza superficial resistente al desgaste, se introducen a presión, dentro de los huecos de los cilindros, unas camisas o forros cilíndricos de acero nitrurado o fundición centrifugada. Estas camisas pueden ser secas o húmedas, húmedas sí es que la camisa está en contacto directo con el líquido de enfriamiento. Las camisas se mantienen en su sitio mediante la culata, que viene fijada mediante pernos en la parte superior del bloque, teniendo una empaquetadura de amianto forrada con cobre o acero, para impedir la fuga de los gases de combustión y el refrigerante. Las culatas son de fundición aleada o de aleaciones de aluminio para que puedan ser resistentes a las altas presiones internas de la CC y poder transferir el calor rápidamente. También es importante hacer notar que la forma interna de las culatas dan forma adecuada a las cámaras de combustión (planas, cóncavas, cuñas y hemisféricas, siendo éstas ultimas las de mayor rendimiento.

5.2.1.- LEYES DEL MOVIMIENTO DEL GRUPO CIGÜEÑAL.-

Fig.5.1. Partes y dimensiones del grupo cigüeñal. Existen 2 dimensiones para las relaciones cinemáticas: -Radio del codo del cigüeñal = r -Longitud de la biela = L Además la carrera del pistón es:

s  2r La relación de biela es la relación entre r y l y se denomina como: 

69



r s  l 2l

Este valor tiene una gran influencia en el recorrido, velocidad y aceleración de los pistones. Si



 n 30

Siendo n= rpm del motor y  = velocidad angular, entonces el recorrido del pistón s k será: s k  r  (1  cos  ) Luego la velocidad del pistón será:

v

ds ds     r    sen dt d

Entonces la aceleración del pistón

a

dv dv     r   2  cos  dt d

En la actualidad la tendencia de los motores es a funcionar a altos regímenes de revoluciones, esto implica a tener carreras más cortas y por lo tanto longitudes de biela más pequeñas. Los valores actuales de  oscilan entre:   0.23  0.3 Según el gráfico 5.2 se expresa que: a) El recorrido del pistón es: s k  l  r  BM  l  r  (l  cos   r  cos  )

s k  r (1  cos  )  l (1  cos  )

Fig. 5.2 Gráfico recorrido pistón Si se mide a partir del PMI se tendrá que s k es:

70 s k  r (1  cos  )  l (1  cos  ) Combinando esta última ecuación con l 

r

y l  sen  r  sen



sk  r (1  cos  

1





1



1  2 sen 2 )

b) La velocidad del pistón es:

v

dsk  sen 2    r   ( sen   ) d 2 1  2  sen 2

c) La aceleración

a

dv cos 2  2  sen 4    r   2 (cos     ) d (1  2  sen 2 ) 3

Estas son relaciones matemáticas puras, en la práctica se trabaja con ecuaciones aproximadas. Para fines prácticos debe trabajarse con las siguientes ecuaciones aproximadas:

s k  r (1  cos   v  r   ( sen 

 2

 sen 2 )



 sen 2 ) 2 a  r   2 (cos     cos 2 ) La velocidad máxima del pistón se alcanza tan pronto el codo del cigüeñal y la biela forman en el punto A un ángulo recto de 90 grados.

v tan  

r  l

Se define entonces que la velocidad máxima será:

v  v max  r    1  2 Luego la velocidad media del pistón es:

v  vm  2  s 

n sn  60 30

5.2.2.-ESFUERZOS EN EL GRUPO CIGÜEÑAL.Las fuerzas en el grupo cigüeñal se componen de: -Fuerza interna debida a la presión interna de la masa gaseosa en el interior del cilindro.

71 -Fuerzas de inercia de las masas de las piezas en movimiento, producidas por: El movimiento alternativo del pistón, pasador y parte de la biela Las fuerzas de las masas giratorias de cigüeñal y parte biela.

Fig 5.3.-Dimensiones de la biela. Siendo m = masa de la biela en kg. Para movimiento alternativo:

mh  m 

a l

mr  m 

b l

Para movimiento giratorio:

La fuerza debida a los gases en el interior del cilindro ver fig 5.5:

Fg  p 

d 2  4

Donde: p= presión en interior del cilindro en kg/cm2 d= diámetro del pistón en cm. Las fuerzas de inercia (movimiento alternativo) Fh. Debe tomarse en cuenta la masa mp del pistón y parte de la masa mh de la biela junto con la aceleración del pistón:

Fh 

a  (m p  mh ) 9.81

Las fuerzas de inercia (movimiento giratorio) Fr. Debe tomar en cuenta la masa mcig del codo del cigüeñal de radio r y la masa mr para movimiento giratorio.

Fr 

r   2  (mcig  mr ) 9.81

72

Fig. 5.4. Diagrama de fuerzas en grupo cigüeñal. F  Fg  Fh

N  F  tan  F S cos  Siendo N= fuerza deslizante y S= fuerza de empuje.

F  cos(    ) cos  F  sen(    ) Fuerza tangencial T  S  sen(    )  cos  R  S  cos(    ) 

Fuerza radial

El momento de giro en el cigüeñal es: M  T  r 5.2.3.- FUERZA TANGENCIAL MEDIA.Un motor de 4T gira dos veces y uno de 2T una sola vez para completar un ciclo termodinámico respectivamente. Para 4T: Para 2T:

4   r  720 o z 2   r   360 o z



Luego la fuerza tangencial media Tm será:

Wi  Tm 

4   r  p mi  Ak  s  p mi  Ak  2  r z

y si s  2  r

Tm  Tm 

pm i  Ak  z 2  pm i  Ak  z



para motor de 4T para motor de 2T

73

5.2.4.-FUERZAS Y MOMENTOS.-

Fig.5.5. Diagrama de fuerzas y momentos.

M  T  r  N  h  B  b

5.3.-DIMENSIONAMIENTO DEL PISTON.Los pistones se desplazan en el interior de los cilindros, con movimientos alternativos y rectilíneos, entre el PMS y el PMI. Se dimensionan los pistones en función de los trabajos y ensayos experimentales realizados por los fabricantes de motores. Sus funciones y características principales son: -Transmite la fuerza ejercida en su cara por la expansión de los gases en el interior de la cámara de combustión. Deben aguantar una T aprox. = 623 oK y una presión variable entre 50 a 80 kg/cm2 (según sea motor Otto – Diesel). -Deben ser ligeros y de baja dilatación térmica. -Sella la cámara de combustión con huelgos muy estrechos, mediante anillas y aceite lubricante. -Elimina el calor resultante de la combustión, absorbiendo gran parte del calor y conduciéndolo a las paredes del cilindro. Temp. combustión mayor a 2000 oK y Temp. De paredes del cilindro debe ser unos 430 oK. Por esta razón debe ser resistente a temperaturas elevadas, un bajo coeficiente de dilatación y buena conductibilidad de calor. -La cara del pistón junto con la culata define la forma de la cámara de combustión (Ej. Pistón de cara toroidal del Motor Diesel)

74 -En algunos motores como el de 2T, la forma de la cara del pistón, facilita el intercambio de gases de escape y la carga fresca. 5.3.1.- MATERIALES DE LOS PISTONES.Los pistones de los motores de CI se construyen con aleaciones de aluminio/silicio y con aleaciones de aluminio/cobre para solicitaciones grandes como en los motores Diesel. Aleaciones eutécticas 11 a 14 % Si Aleaciones hipereutécticas 18 a 25 % Si. Para motores Diesel ligeros aleaciones con 1% de Cu, Ni, Mg y 4% Cu,2% Ni,1.5% Mg para solicitaciones elevadas. Algunos diseños de los pistones que están severamente solicitados, tienen reforzadas las caras con placas o bandas de acero.

5.3.2.-DIMENSIONES PARA PISTONES SEGÚN NORMA DIN.-

Fig.5.6. Principales medidas de los pistones.La tabla siguiente muestra algunas dimensiones principales para el diseño y la construcción de pistones, con características mostradas en la fig.5.6. Detalle 1 Espesor mínimo de cara del pistón 2 Borde desde cara hasta la ranura 1 3 Altura entre las dos ranuras superiores 4 Altura entre las dos ranuras inferiores 5

Motores Otto 0.07 d 0.06-0.09 d 0.04-0.06 d 0.025-0.04 d 0.5-0.7 d

Motores Diesel 0.12 d 0.10-0.18 d 0.04-0.07 d 0.025-0.045 d 0.55-0.85 d

75 6 7 8 9 10 11

Distancia de cara pistón a centro de bulón Longitud de falda Longitud del pistón Diámetro del bulón o pasador No. anillas de compresión No. anillas de engrase o rascadoras Altura de las anillas de compresión

0.75-1 d 0.9- 1.4 d 0.28 d 2a3 1a2 1.5-3 mm

0.85-1.15 d 1.2-1.7 d 0.35 d 3a4 1a2 2.5-4 mm

Tabla 5.1. Dimensiones de pistones El pasador o bulón se fabrica con aceros de cementación ej: 15Cr ó 15MnCr5. Las anillas se construyen principalmente con fundición gris especial de estructura perlítica fina con fósforo y una dureza HB= 220-260. La primera anilla tiene de recubrimiento una capa de cromo duro. El juego en la ranura es de 0.015 a 0.04 mm. 5.4.- BIELAS.Son las piezas destinadas a unir al pistón con el cigüeñal y están construidas en acero bonificable o en duraluminio. El pie de biela se articula con el pasador de pistón, mientras que la cabeza de biela se articula con el cigüeñal. En ambos casos se colocan cojinetes de material antifricción o casquillos de agujas. Tienen un movimiento alternativo en dirección al eje del cilindro y un movimiento en el eje del pasador de biela. Las bielas están sometidas a esfuerzos de tracción y compresión que causan pandeo, fuerzas centrífugas de movimiento pendular, flexión alternativa y una fuerza tangencial de empuje denotada anteriormente por S. A bajas revoluciones las fuerzas de inercia son de importancia menor comparadas con las fuerzas debidas a los gases. Mientras que a altas revoluciones las fuerzas centrífugas incrementan las solicitaciones a flexión de la biela. Por lo que es recomendable calcular el cuerpo de la biela en función del pandeo, tomando en cuenta la fuerza máxima producida por los gases F gmax y se calcula a flexión por las fuerzas centrífugas con n (Número de RPM) máximo. Además Del movimiento alternativo en dirección del eje del cilindro cada biela realiza simultáneamente un movimiento pendular en el eje del bulón. Por tanto no solo estará sometidas las bielas a la fuerza S ya descrita de tracción compresión causante del pandeo sino además por la fuerza centrifuga del movimiento pendular también estarán sometidas a flexión alternativa Todas las fuerzas de inercia crecen con el cuadrado de las revoluciones. Las fuerzas de inercia Fh de las piezas con movimiento alternativo disminuyen a sus ves que la fuerza S crece. Las fuerzas centrifugas por el contrario conducen a aumentar el numero de revoluciones, solicitando la biela a mayores esfuerzo de flexión de acuerdo a las revoluciones (grandes rpm) que puede incluso rebasar las solicitaciones de flexión y compresión. Por el contrario a pequeño numero de revoluciones todas las fuerza de inercia son importantes frente a las fuerza de lo gases. De este análisis se ha de notar la

76 importancia del calculo del cuerpo de la biela, teniendo en cuenta la máxima fuerza de los gases Fgmax y controlar la solicitación es a flexión debida alas fuerza centrifugas referida al numero máximo de revoluciones del motor. a) Cálculo a pandeo Para conseguir una construcción lo más ligero posible es necesario determinar la sección del cuerpo de la misma. Se deberá determinar el grado de esbeltez λ para ello sea la sección de la biela

Fig. 5.7 Típica Forma de Biela sección transversal de biela

Fig. 5.8 Sección transversal del cuerpo de una biela  Determinar el momento de inercia (cm4) Respecto a eje xx: Según Steiner (considerando la línea neutra xx)

I xx   I x   ( yc * A) 2

Donde Ix es la inercia, yc es la distancia del centro de gravedad individual respecto a la distancia de centro de gravedad global y A el área de la individual Para yy

I yy   I y   ( xc * A) 2

 

Se tipifica Ixx como Iyy para el uso de diversas secciones. Determinar el área de la sección de la biela (cm2) Determinar el radio de giro (cm)

77



i xx 

I cc Ab

i yy 

I yy Ab

Determinación de longitud efectiva: esta se encuentra en función a la longitud de la biela y µ coeficiente que depende del tipo de apoyo y solicitación del barra esta dado por la figura le   * lb

Fig. 5.9 µ coeficiente que depende del tipo de apoyo y solicitación del barra En nuestro caso al tratarse cigüeñal (móvil) y el pistón (móvil)

 1 Por tanto

le  lb 

Determinación de grado de esbeltez: la esbeltez esta dada por

 

lb i

Determinación de valor limite de esbeltez Puesto que el esfuerzo no debe sobrepasar el límite de proporcionalidad del material

o   *

E

p

  o

Según Euler

Al no cumplirse esta desigualdad será necesario realizar el cálculo por Tetmajer según DIN1935

 k  (3100  11.40 ) *  s Para una tensión pandeo

k s

min  60 

min (Verificar esbeltez en ambos ejes de simetría.) ya no En caso de es necesario tener en cuenta el pandeo sino esfuerzo a compresión. Si no

78 se cumple esta desigualdad entonces reemplazar el valor de esbeltez de la biela en Tetmajer sin tomar en cuenta el límite de fluencia.  k  3100  11.40 Con este valor determinar el coeficiente de seguridad para pandeo

 

K d

Según DIN1935

 xx  3...5  yy  2...3 También es posible aplicar las ecuaciones de Yasinski  k  a  b  c2 Donde a=3100 kgf/cm2, b = 11.4 kgf/cm2 c= 0 kgf/cm2 Para aceros a=4640 kgf/cm2, b = 36.17 kgf/cm2 c= 0 kgf/cm2 Para acero (Ct5) a=7760 kgf/cm2, b = 120 kgf/cm2 c= 0.53 kgf/cm2 Para hierro fundido Nótese que la ecuación de Tetmajer es una variación simplificada de Yasinski. Verificar el esfuerzo respecto a ambos ejes de simetría. b) Calculo a compresión



min (Verificar esbeltez en ambos ejes) es necesario calcular el Al cumplirse cuerpo de la biela a compresión en el plano de oscilaciones de acuerdo al eje de simetría analizado.

d 

Fmax Ab

 

s d

El coeficiente de seguridad será

 xx  3...5  yy  2...3 c) Cálculo a flexión La máxima tensión de flexión a consecuencia de las fuerzas centrifugas se produce cuando la biela y el codo del cigüeñal forman un ángulo recto según la figura 5.10. La aceleración en la cabeza de la biela es en este punto igual a la aceleración en el sentido normal sobre el círculo descrito por el codo del cigüeñal y su valor es  max  r *  2 Para un punto cualquiera del cuerpo de la biela a distancia x del taladro para el bulón la aceleración angular vale



x * r * 2 l

Para simplificar supondremos que el cuerpo de la biela desde el centro del taladro del bulón hasta el centro de la cabeza e biela, es decir, a lo largo de toda ella de

79 longitud l tiene una sección constante Ab. Las fuerzas centrifugas q de los diferentes elementos de la biela crecen linealmente con la aceleración α según se representa el la figura 5.10. En el punto de giro (centro del taladro del pie de la biela) es q=0 y en centro de la cabeza de la biela es qmax. La masa m se obtiene dividendo la masa total de la biela por la longitud l. es decir

m

Vbiela *  mat Ab * lb *  mat  lb lb m  Ab *  mat

Donde  mat es la densidad del material de biela Entonces

qmax   max * m

Fig. 5.10 Esquema de cálculo para la determinación del momento máximo de flexión en el cuerpo de una biela Entonces las reacciones en la biela

M

a

F 



q max * lb 2 * l b  A *lb  0 2 3

q max * l b 2

A

 A B  0

B

b

El momento flector esta dado por

Mb  B* x  Donde

q max * l b 3

qx * x x * 2 3

q max * l b 6

80

tag( )  qx 

qmAx q x  lb x

qmAx * x lb

Reemplazando

Mb 

q max * lb q * x3 * x  mAx 6 lb * 6

El esfuerzo cortante se obtiene diferenciando

dM b q max * lb q mAx * x 2 Q  * dx 6 lb * 2 Igualando a cero y despejando x se obtiene la distancia donde ocurre el máximo momento flector

x

lb 3

Reemplazando x en el momento flector se obtiene el momento flector máximo

M b max

q *l l q l   max b * b  mAx *  b  6 3 lb * 6  3 

M b max  0.06415 * qmax * lb

2

M b max  0.06415 * Ab *  mat * r *  2

Cuyos diagramas de momento flector y cortante

El esfuerzo a flexión será

b  El modulo resistente esta dado por

M b max s Wb

3

81 Wb 

I xx y

Donde y es la distancia de la fibra mas alejada respecto a la línea neutra. Recurriendo a los a esfuerzo combinado caso de compresión flexión   b d  s

5.5.-CIGÜEÑAL.Es la pieza más importante y robusta del grupo, es el eje del motor y se encarga de recibir los impulsos de los pistones, producidos por las presiones que se originan en el interior de los cilindros, durante el ciclo termodinámico. Consiste en un árbol acodado, con tantos codos como cilindros tenga el motor, en cada codo se articula la cabeza de biela. Está construido en aceros forjados al cromo molibdeno. HB= 500 a 550 (Otro material es el Metal-monel, que consiste en una aleación de Ni, Cu, Mn,Fe,Si,C) Las siguientes son algunas dimensiones características del cigüeñal: Diámetro de codo hueco = 0.65 a 0.75 D Diámetro de muñón de árbol= 0.7 a 0.8 D Grueso de flancos= 0.25 D para apoyos completos y 0.6D con menor número de apoyos. Tomando en cuenta que D es el diámetro nominal del pistón.

82 CAPITULO 6.LUBRICACION Y LUBRICANTES DE MOTORES DE CI. INTRODUCCION.6.1.-PRINCIPIOS DE LUBRICACION.Definición de Lubricación: Básicamente la lubricación se define como: " la reducción de la fricción a un mínimo, reemplazando la fricción sólida por la fricción fluida" Que es la fricción? : Fricción es "la resistencia al movimiento entre dos superficies cualquiera en contacto directo". Desde los primeros tiempos el hombre conoció la fricción. Cuando caminamos estamos haciendo uso de la fricción que impide el deslizamiento de los pies, otros ejemplos pueden ser: Arrastrar una plancha, frotarse las manos, etc. Cuando esta misma fricción se produce en los órganos de máquinas, sus efectos no son tan favorables, ya que disminuye la efectividad del equipo por el desgaste, el calor y la demanda de mayor potencia, acortando la vida útil de las máquinas. El hombre se dio cuenta que necesitaba un esfuerzo considerable para arrastrar un tronco. Gracias a su intuición notó que era mucho más fácil hacer rodar el tronco. Finalmente, descubrió que el tronco, tan difícil de mover en la tierra era fácilmente transportable en un río. Aquí se ve por primera vez en acción a la fricción fluida. Tomando en cuenta lo analizado anteriormente, la fricción se clasifica en: a) FRICCIÓN SÓLIDA DESLIZANTE. (ARRASTRE) b) FRICCIÓN SÓLIDA RODANTE. (RODADURA) c) FRICCIÓN FLUIDA. FRICIÓN DESLIZANTE: Se produce cuando dos superficies cualesquiera en contacto directo se deslizan una sobre otra sin lubricación, ésta ocurre en los pistones, en los descansos planos o en su eje. FRICCIÓN RODANTE: Se produce cuando un cilindro o una esfera rueda sobre otra superficie sin lubricación, como sucede con una pelota o con un rodamiento. En este caso se necesita una fuerza menor para producir el movimiento, sin embargo, como no hay lubricación, siempre se puede esperar desgaste y por ende calor.

83

Fig.6.1 Arbol con rodamiento FRICCION FLUIDA: Si ahora se le agrega una capa de aceite a las superficies en contacto, se apreciará que los esfuerzos para producir el movimiento son menores. Entonces los contactos son: superficie-fluido-superficie y a esto le llamamos "fricción fluida".

Fig.6.2 Arbol con buje o cojinete de fricción La lubricación es una operación fundamental que se debe realizar para evitar que el motor sufra desgastes prematuros o daños debido a utilizar aceites que han perdido sus propiedades o que no tienen las propiedades adecuadas permitiendo la fricción y el contacto metal con metal.. Un aceite que no cumpla los requisitos que se exigen puede producir los siguientes efectos: • Desgaste prematuro de partes • Daño a piezas o accesorios del motor (turbo, cojinetes, cigüeñal, bielas, etc.) • Mayor emisión de contaminantes • Daño al convertidor catalítico • Formación de carbón en la cámara de combustión

84 • Fugas en los anillos de los cilindros • Evaporación del lubricante Por todo esto importante conocer en qué consiste el fenómeno de lubricación, las características que debe tener un buen lubricante y las acciones que pueden afectar de manera negativa a la lubricación. 6.2.- LA ACCIÓN DE LA PELÍCULA DE ACEITE. Para explicar por qué una película de aceite produce un efecto tan favorable, se debe observar que una superficie metálica, por muy pulida que parezca, presenta muchas irregularidades visibles sólo al microscopio. Este problema es muy importante en los motores, donde una gran cantidad de piezas móviles deslizan entre sí a alta velocidad, además que sus superficies no están totalmente pulidas. "Las superficies no son pulidas, tienen protuberancias y ellas se traban, impidiendo el libre movimiento, lo que constituye la fricción". Además de la pérdida de energía que supone el rozamiento; se produce ruido, calor y desgaste; estos dos últimos efectos dañan las superficies metálicas. Para evitar este problema, se interpone una película de aceite lubricante entre las dos superficies de manera que las mantenga separadas, evitando el rozamiento. Cuando se pone una película de aceite entre las mismas superficies, las irregularidades se llenan de aceite y las superficies ahora no quedan en contacto. Cuando esto sucede entre dos superficies, sean ellas planas, curvas o esféricas, se denomina como "fricción fluida" y las superficies están lubricadas constantemente. A esta función principal de los lubricantes, en el caso de motores de CI, también se le añaden la de ser capaz de refrigerar las piezas metálicas, sellar las holguras entre las piezas metálicas, proteger las superficies contra el desgaste y limpiar todos los componentes de residuos. Luego las funciones principales de un aceite lubricante para motor son: 





LUBRICACIÓN: La lubricación supone el interponer una capa de aceite entre las superficies metálicas móviles, para reducir el rozamiento, minimizar el desgaste entre ambas y disminuir el consumo de energía, economizando el consumo de combustible en el motor. REFRIGERACIÓN: Durante la circulación del aceite por el interior del motor, absorbe parte del calor generado a causa del rozamiento, evitando que se produzcan encallamientos en el motor, permitiendo mantener estables las temperaturas, junto con el agua o aire del circuito de refrigeración. ESTANQUEIDAD: Evita que durante el proceso de compresión de la mezcla de airecombustible, se produzcan fugas en la cámara de combustión y que en el tiempo de expansión, deba mantenerse la estanqueidad para evitar que los gases residuales pasen al cárter. Sella el espacio entre el pistón/anillas y el cilindro, manteniendo la holgura necesaria y facilitando su movimiento.

85 



LIMPIEZA: Los aditivos tienen una función dispersante y detergente para mantener en circulación las partículas contaminantes que se producen a causa de los residuos de la combustión y otros contaminantes (agua, , hidrocarburos, polvos, etc.,), hace que la suciedad que se podría adherir a las partes metálicas del motor formando lodos (en el cárter), barnices (en los pistones), o bien provocando obstrucciones en los conductos, vaya al filtro o bien sea eliminada junto con el aceite usado, cuando se realice el cambio periódico de éste. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN: De la oxidación, de la herrumbre y de los ácidos causados por la combustión que pueden atacar a partes del motor metálicas del motor.

6.2.- COMO SE REALIZA LA REDUCCIÓN DE LA FRICCIÓN.La reducción de la fricción se realiza manteniendo una película de lubricante entre las superficies que se mueven una con respecto de la otra, previniendo que entren en contacto entre si y causen un daño superficial. La fricción es un elemento común en la vida diaria. Una persona no podría caminar por una rampa inclinada sin resbalar sino existiera la fricción entre la suela de sus zapatos y la rampa o deslizarse montaña abajo en sus esquíes porque la fricción entre éstos y la nieve es baja. Ambos casos ilustran la fricción entre dos superficies ordinarias. La cantidad de resistencia al movimiento debido a la fricción se puede expresar en términos del coeficiente de fricción:

La siguiente fórmula expresa la relación de la fricción con la viscosidad del aceite, la velocidad del cojinete y el área de contacto entre lubricante y cojinete. Rf  Z  n  A

Donde: Rf= resistencia friccional impuesta por el cojinete, z es la viscosidad del aceite, n es la velocidad del cojinete, A es el área de contacto entre lubricante y cojinete. Si se divide la anterior ecuación entre la carga F, luego

Rf F Si F/A=P (presión), entonces

 Z n

A  F

86

 Este coeficiente

Z n P

 es el número adimensional de Sommerfeld o de Hersey, es casi

constante para cualquier par de superficies. Para metales limpios, con un acabado superficial ordinario, expuestos a la atmósfera, el valor es aproximadamente 1. Para el mismo metal, contaminado por el manipuleo, el valor cae a alrededor de 0,3. Para sistemas bien diseñados y lubricados, el coeficiente puede ser tan bajo como 0,005.

Fig.6.3. Gráfico de Stribeck con relación

 y

Z n P

La lubricación es de cinco tipos generales basados en el ambiente operacional, esto es, carga y velocidad del equipamiento y viscosidad del lubricante: Lubricación límite o de película mínima, lubricación hidrodinámica, lubricación elastohidrodinámica, lubricación hidrostática y lubricación con material sólido. A.- Se llega a la lubricación límite, cuando la película de lubricante disminuye y existe un contacto intermitente entre las superficies, resultando en fuerzas de fricción significativas. Bajo ciertas condiciones, tales como carga repentina, alta carga durante largo tiempo, alta temperatura, baja velocidad, o baja viscosidad, el sistema de lubricación no se mantiene en régimen hidrodinámico. Se llega a una situación en la cual existe un contacto intermitente entre las superficies metálicas, resultando en un aumento significativo de la temperatura, y una posterior destrucción de las superficies en contacto. Bajo estas circunstancias, la película de lubricante no es capaz de proteger las superficies, y se deben emplear otras

87 técnicas, como ser el agregado de aditivos para formar películas protectoras sobre las superficies móviles. B.- Lubricación hidrodinámica, consiste en mantener una película de lubricante intacta entre superficies que se mueven una respecto de la otra, se logra generalmente mediante el bombeo del aceite. Entre un cigüeñal y su asiento existe una película o capa de aceite que hace que el cigüeñal flote. El espesor de esta película depende de un balance entre la entrada y la salida de aceite. El espesor de equilibrio de la película de aceite se puede alterar por:    

Un incremento de la carga, que expulsa al aceite disminuyendo el espesor. Un incremento de la temperatura, que aumenta la pérdida de aceite El cambio a un aceite de menor viscosidad, que también aumenta la pérdida de aceite La reducción del caudal de bombeo, que disminuye el espesor de la capa

La lubricación de un árbol de cigüeñal que rota dentro de su cojinete de bancada es un ejemplo clásico de la teoría de la fricción hidrodinámica, como fue descripta por Osborne Reynolds en 1886. La teoría asume que bajo estas condiciones, la fricción ocurre solamente dentro de la capa fluida, y que es función de la viscosidad del fluido. C.- Lubricación elasto-hidrodinámica, ocurre cuando se introduce un lubricante entre las superficies que están en contacto rodante como los engranes y los cojinetes, generalmente se debe al comportamiento que tiene el lubricante debido a su composición química. En este caso el lubricante forma una pared elástica que evita el contacto físico entre los elementos en movimiento, sin embargo esta característica se puede perder al tener elementos contaminantes en el lubricante y por efectos de alta temperatura en el motor. Esta característica la presentan muchos de los aceites denominados multigrados. D.- Lubricación hidrostática, se obtiene introduciendo el lubricante en el área de soporte de la carga a una presión suficientemente elevada para separar las superficies con una capa relativamente gruesa de lubricante. Se utiliza en los elementos donde las velocidades son relativamente bajas. En el caso de los motores de combustión interna antes de que se genere la lubricación hidrodinámica es necesario generar una fuerza que separe los elementos móviles. Esta fuerza se genera al inyectar el lubricante a presión por medio de una bomba la cual normalmente es movida por el motor. Este tipo de lubricación permite suministrar el lubricante a todas las partes que lo requieran y no depende de la velocidad de rotación de los elementos. La cantidad de lubricante inyectado depende de la presión de la bomba de aceite, de la temperatura y de la viscosidad del lubricante.

88 E.- Lubricación con medio sólido, se genera cuando se agregan partículas de material sólido al lubricante, éstas pueden ser de materiales antifricción como el grafito o el bisulfuro de molibdeno. Estos compuestos se comportan como si fueran “bolitas o perdigones pequeños” y separan a los elementos que están en movimiento evitando el contacto físico entre ellos. 6.3.- LA VISCOSIDAD DEL LUBRICANTE.La viscosidad es una de las propiedades más importantes de un aceite lubricante. Afecta la generación de calor entre superficies giratorias (cojinetes, cilindros, engranajes). Tiene que ver con el efecto sellador del aceite. Determina la facilidad con que la maquinaria arranca bajo condiciones de baja temperatura ambiente. Es responsable de la formación de la película de lubricación, bajo distintas condiciones de espesor de la misma. La viscosidad afecta la generación de calor en cojinetes, cilindros y engranajes debido a la fricción interna del aceite. Esto afecta las propiedades selladoras del aceite y la velocidad de su consumo. Determina la facilidad con la que las máquinas se pueden poner en funcionamiento a varias temperaturas, especialmente a las bajas. La operación satisfactoria de cualquier pieza de una máquina depende fundamentalmente del uso de un aceite con la viscosidad adecuada a las condiciones de operación esperadas.

89 Fig.6.4. Formación de película lubricante H. El concepto básico de la viscosidad se muestra en la fig. 6.4., donde una superficie se mueve a una velocidad constante V sobre una película de aceite. El aceite se adhiere a ambas caras de las superficies, la móvil y la estacionaria. El aceite en contacto con la cara de la superficie móvil viaja a la misma velocidad que ésta, mientras que el aceite en contacto con la superficie estacionaria tiene velocidad nula. Entre ambas placas, se puede visualizar al aceite como si estuviera compuesto por muchas capas, cada una de ellas siendo arrastrada por la superior a una fracción de la velocidad V, proporcional a su distancia de la placa estacionaria. Una fuerza F debe ser aplicada a la placa móvil para vencer a la fricción entre las capas fluidas. Dado que esta fricción esta relacionada con la viscosidad, la fuerza necesaria para mover la placa es proporcional a la viscosidad. La viscosidad se puede determinar midiendo la fuerza necesaria para vencer la resistencia a la fricción del fluido en una capa de dimensiones conocidas. La viscosidad determinada de esta manera se llama dinámica o absoluta. La película lubricante H de la maquinaria es en promedio de 10 micrones, pero en algunos elementos de la maquinaria, las dimensiones son más estrechas, llegando en algunos casos (bomba de paletas hidráulica) a películas lubricantes con espesor H de décimas de micrones (0.5 micrones). Ver los espacios dinámicos en la siguiente tabla: Elemento de maquinas.Motor Engranajes motor Pistón camisa Anilla-cilindro Cojinete de biela Cojinete de bancada Bulón Tren de válvulas

Espesor película en micrones 0.00-15 5-40 0,3-7 0,5-20

Elemento de maquinas.Bombas Engranajes bomba Diente tapa lateral Cojinetes Rodamientos

Espesor película en micrones 0,1 – 1 0,5-5 0,5-100 0,1-3

0,8-50 0,5-15 0,00-1.0

Tabla 6.1. Espacios dinámicos de elementos de máquinas. Petroff estudió la fricción entre superficies y estableció la siguiente ley:

 D  Z n f  2      2 H  P f= Coeficiente de fricción entre superficies. D= Diámetro del muñón H=Luz diametral entre el cojinete y el muñón. Z= Viscosidad absoluta. n= Nº de rpm del muñón. P= Carga específica que soporta el muñón dividida por su sección diametral.

90 La viscosidad dinámica normalmente se expresa en: poise (P) o centipoise (cP, donde 1 cP = 0,01 P), o en unidades del Sistema Internacional como: pascales-segundo (Pa-s, donde 1 Pa-s = 10 P). La viscosidad dinámica, la cual es función sólo de la fricción interna del fluido, es el dato usado más frecuentemente en el diseño de cojinetes y el cálculo de flujo de aceites. La viscosidad cinemática de un fluido es igual a su viscosidad dinámica dividida por su densidad, ambos medidos a la misma temperatura, y expresada en unidades consistentes. Las unidades más comunes que se utilizan para expresar la viscosidad cinemática son: stokes (St) o centistokes (cSt, donde 1 cSt = 0,01 St), o en unidades del SI como milímetros cuadrados por segundo (mm2/s, donde 1 mm2/s = 1 cSt). La viscosidad dinámica en centipoise se puede convertir en viscosidad cinemática en centistokes dividiéndola por la densidad del fluido en gramos por centímetro cúbico (g/cm 3) a la misma temperatura. La viscosidad cinemática en milímetros cuadrados por segundo se puede convertir en viscosidad dinámica en pascal-segundos multiplicando por la densidad en gramos por centímetro cúbico y dividiendo el resultado por 1000. Se concluye entonces que:

Se han utilizado otros sistemas de medida, incluyendo Saybolt, Redwood y ºEngler, debido a su familiaridad para muchas personas. La mayoría de las determinaciones de viscosidad se realizan en centistokes y se convierten a valores de otros sistemas. La viscosidad de cualquier fluido cambia con la temperatura, incrementándose a medida que baja la temperatura, y disminuyendo a medida que ésta aumenta. La viscosidad también puede cambiar con un cambio en el esfuerzo o velocidad de corte. Para comparar los aceites con base de petróleo con respecto a variaciones de viscosidad con la temperatura, el método ASTM D 2270 proporciona una manera de calcular el índice de viscosidad. Este es un número arbitrario utilizado para caracterizar la variación de la

91 viscosidad cinemática de un producto de petróleo con la temperatura. El cálculo se basa en mediciones de la viscosidad cinemática a 40 y 100 ºC. Para aceites de viscosidad cinemática similar, a índices de viscosidad más grandes, más pequeño el efecto de la temperatura. Los beneficios de un Indice de Viscocidad (IV) alto son:  

Viscosidad más alta a mayor temperatura, lo cual resulta en un menor consumo de aceite y desgaste del motor. Menor viscosidad a bajas temperaturas, lo cual permite un mejor arranque en frío del motor y menor consumo de combustible durante el calentamiento.

La medición de viscosidades absolutas bajo condiciones reales ha reemplazado al concepto de índice de viscosidad convencional para evaluar lubricantes bajo condiciones de operación. Otro factor en la medición de viscosidades es el efecto del esfuerzo de corte o velocidad de corte. Para ciertos fluidos, llamados Newtonianos, la viscosidad es independiente del esfuerzo o la velocidad de corte. Cuando esta condición no se cumple, los fluidos son llamados no-newtonianos. La medición de viscosidad cinemática se realiza a velocidades de corte bajas (100 s-1). Se dispone de otros métodos para medir la viscosidad a velocidades de corte que simulan las condiciones de operación del lubricante. Dentro de los diferentes instrumentos disponibles para la medición de la viscosidad cinemática, se pueden mencionar: Viscosímetros capilares: que miden la velocidad de flujo de un volumen fijo de fluido a través de un orificio de diámetro pequeño, a una temperatura constante y controlada. Viscosímetros rotatorios, que usan el torque de un eje rotatorio para medir la resistencia al flujo del fluido. 6.4.-TIPOS DE LUBRICANTES.Aceites Minerales: Los aceites minerales proceden del petróleo, y son elaborados del mismo después de múltiples procesos en las refinerías. El petróleo bruto está compuesto de diferentes hidrocarburos, que lo hace indicado para distintos tipos de producto final, siendo el más adecuado para obtener aceites lubricantes, el llamado crudo parafínico. Aceites Sintéticos: Los aceites sintéticos no tienen su origen directo del petróleo crudo, sino que son obtenidos de sub-productos petrolíferos combinados en procesos de laboratorio. Siendo más compleja su elaboración, resultan más caros que los aceites minerales. Pero son de máxima calidad, diseñados para vehículos con tratamientos de gases de escape y para cumplir los más exigentes requisitos de los motores de vehículos más actuales.

92 6.4.1.-CLASIFICACIÓN DE LOS LUBRICANTES.Los aceites y lubricantes se clasifican de acuerdo al nivel o tipo de servicio (clasificación API) y al grado de viscosidad (SAE). El tipo de servicio API (American Petroleum Institute) clasifica los aceites para motores a gasolina con la letra S (SPARK) y una segunda letra que indica el nivel de desempeño del aceite referida al modelo o año de fabricación de los vehículos, como lo son: SA, SB, SC, SD, SE, SF, SG, SH, SJ, SL, SM. Con la letra C (COMPRESSION) se clasifica los aceites para motores diesel y una segunda letra que se refiere al año, al tipo de operación y al diseño, como lo son: CA, CB, CC, CD, CD-II, CE, CF, CF-2, CF-4, CG-4. Las letras GL que son para aceites de transmisión y diferenciales como: GL-1, GL-2, GL3, GL-4, GL-5. La SAE (Society of Automotive Engineers) clasifica los aceites de motor de acuerdo con su viscosidad en: MONOGRADOSGRADOS .Ej: SAE 30, SAE 40 y SAE 50. MULTIGRADOS .Ej: 10W-40, SAE 20W- 40, SAE 20W-50 y SAE 15W-40.

Fig. 6.5.- Cuadro comparativo de aceites multigrados y temperatura de trabajo

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Fig. 6.6.- Comparación entre rangos de aplicación monogrados y multigrados De estos tipos de aceites los multigrados brindan mayores beneficios que:   

Facilitan el arranque en frió del motor protegiéndolo contra el desgaste. La viscosidad se mantiene estable a diferentes temperaturas de operación. Ahorran en consumo de combustible y aceite.

6.4.2.- CLASIFICACIÓN API PARA ACEITES DE MOTOR ¨ S ¨ de SPARK (Encendido por chispa eléctrica de bujía) Ciclo Otto. • SA Típico para motores en condiciones ideales en donde son adecuados los aceites minerales simples (obsoleto) • SB Para motores cuyo funcionamiento se asemeja al anterior, para motores que necesitan un aceite que les brinde protección contra rayaduras, resistencia a la oxidación y a la corrosión (obsoleto) • SC Para vehículos de 1964 a 1967, incluye aditivos detergentes y dispersantes a la vez ofrecen protección contra el desgaste, la herrumbre y la corrosión. • SD Para motores a partir de 1968 ofrecen mayor protección contra el desgaste, la herrumbre y la corrosión. • SE Para motores modelo 1972 y posteriores, ofrecen mayor protección contra corrosión, los depósitos por alta temperatura (lodos) y la oxidación del aceite. • SF Para motores a partir de 1980, efectúa protección contra oxidación del aceite, formación de depósitos, herrumbre y corrosión.

94 • SG Adecuado para motores modelo 1989, se recomienda usar en motores recién reparados • SH Adecuado para motores modelo 1993 de inyección electrónica de combustible, turbocargados o supercargados • SJ, SL, SM Adecuados para motores actuales modelo 1996 adelante, turboalimentados y de inyección electrónica, especialmente preparado para reducir el desgaste durante el arranque y reducir el consumo de combustible. ¨ C ¨ de Compressión (Encendido por compresión) Ciclo Diesel. • CA Servicio ligero hasta moderado y con combustible con mínimo o ningún contenido de azufre, protege contra la corrosión de cojinetes o depósitos por alta temperatura. • CB Parecido al anterior pero se puede emplear un combustible con mayor contenido de azufre • CC Para motores turboalimentados en servicio moderado hasta severo, protege contra lodos por alta temperatura.

• CD Para motores turboalimentados en servicio a alta velocidad y con cargas pesadas, en donde es necesario el control eficaz del desgaste y evitar la formación de depósitos de baja y alta temperatura. • CE Para motores diesel de servicio pesado y turboalimentados fabricados después de 1983. • CF Para motores diesel de servicio pesado protege contra lodos y depósitos y permite un control eficaz del desgaste. El CF2 sólo se usa exclusivamente en motores de 2T diesel. • CF4 Permite un mejor control del consumo de aceite y los depósitos en los pistones sustituye al CD y CE. CF4 exclusivo para motores diesel de 4 T. • CG4 Para motores diesel de servicio pesado y que trabajan con diesel con bajo contenido de azufre 0.5% en peso. Se desempeña mejor que el CD, CE y el CF-4.

95 6.4.3.-El símbolo de Servicio de API.

Fig. 6.7 Símbolo de servicio según API   

La parte superior describe el nivel de desempeño del aceite La parte central describe la viscosidad del aceite La parte inferior nos dice si el aceite ha demostrado tener propiedades de conservación de energía

Interpretación del Símbolo API: Parte Superior: CG-4 C = Para Motores Diesel G = Letra de orden alfabético según el desarrollo 4 = Motor de cuatro tiempos Parte Superior: CF-4 C = Para Motores Diesel F = Letra de orden alfabético según el desarrollo 4 = Motor de cuatro tiempos Parte Superior: SH S = Para Motores de Gasolina H = Letra de orden alfabético según el desarrollo del motor. Parte Central: 15W-40 Grado SAE de Viscosidad. El Nº 15 indica que entre más bajo sea este primer número indica que el motor arrancará más rápido en invierno y que el aceite fluirá en forma satisfactoria a las partes críticas del motor a bajas temperaturas. El Nº 40 indica que la temperatura alta de viscosidad (el segundo número) provee espesor y cuerpo en el aceite para tener una buena lubricación en la temperatura de operación.

96 6.5.- PARTES DEL SISTEMA DE LUBRICACION.-

Fig. 6.8.- Lubricación del motor de CI El flujo de aceite hacia los descansos y puños del cigüeñal debe ser constante. Para ello se utiliza una bomba de aceite, generalmente de engranajes o de paletas, que suministra cierto caudal a cierta presión. El rendimiento de la bomba de lubricantes se controla midiendo los litros por minuto que desplaza. Como la bomba gira relacionada con el motor, a mayores revoluciones, mayor caudal. Para controlar las variaciones

Fig.6.9.- Circuito de aceite en el motor.

97 Constantes de presión, se utiliza una válvula reguladora de presión. Se abre cuando el caudal de aceite suministrado por la bomba genera una presión suficiente para comprimir el resorte de la válvula reguladora y parte del caudal es desviado hacia el tubo de succión de la bomba de aceite. La válvula es regulable. Permite establecer la presión mínima y máxima del aceite, dentro del circuito de lubricación. La presión suele oscilar entre los 2 y 3 Kg/cm2 con el motor caliente y cerca de los 4 Kg/cm2 con el motor frío. El aceite succionado por la bomba se dirige hacia una galería ubicada en el cuerpo del bloque de cilindros. Este conducto tiene pasajes conectados a las bancadas del cigüeñal. Luego el aceite continúa su desplazamiento por un pasaje ubicado dentro de los brazos del cigüeñal hasta alcanzar los puños de biela. Desde la galería principal también se hace llegar lubricante a los descansos del árbol de levas. Un mecanismo montado en el engranaje del árbol de levas hace funcionar la bomba de aceite. Esta succiona el aceite a través de un cedazo o coladera, que está colocado en la parte inferior del cárter y lo envía al filtro de aceite, de aquí el aceite pasa entre conductos y pasajes, éste al pasar bajo presión por los pasajes perforados, proporciona la lubricación necesaria a los cojinetes principales del cigüeñal, las bielas, los levanta válvulas (varillas o buzos) y los pernos de los balancines. Las paredes de los cilindros son lubricadas por el aceite que escurre de los pernos de las bielas y de sus cojinetes. Para permitir que el aceite pase por los pasajes perforados en el bloque del motor y lubrique al cigüeñal, los cojinetes principales deben tener agujeros de alimentación de aceite, de modo que a cada rotación de éste permitan el paso del aceite. Después de que el aceite ha sido forzado hasta el área que requiere lubricación, el aceite cae nuevamente hasta el carter, listo para ser succionado por la bomba y ser utilizado una y otra vez.

Fig. 6.10.- Bomba de engranajes para lubricación de un mci.

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BIBLIOGRAFIA: -MANUAL DE ELECTRÓNICA Y ELECTRICIDAD PARA AUTOMOVILES Ken Layne Editorial Prentice Hall Mexico. -MAQUINAS MOTRICES Ramón A. del Fresno Editorial Mitre Buenos Aires. -MOTORES DE AUTOMOVIL Jovac Editorial Mir Moscú. -INTERNAL COMBUSTION ENGINES Benson y Whitehouse Editorial Pergamon Press UK. -TERMODINAMICA Irving Granet Editorial Prentice Hall México. -MANUAL DEL INGENIERO DE MANTENIMIENTO Ing. Rene Nájera