Diseño e implementacion de las prácticas de laboratorio de motores de combustión interna (página 2)
Con el lanzamiento de los vehículos flex-fuel, popularmente llamados de bicombustibles, la industria automovilística brasileña produjo, en cuatro años, desde marzo del 2003 hasta marzo del 2007, 3 millones de vehículos flexibles. Actualmente, nueve fabricantes están ofreciendo más de 60 modelos de vehículos flex en el mercado brasileño, con precio equivalente a los de los vehículos similares convencionales.
En realidad, los vehículos flex-fuel no fueron inventados en Brasil. Los primeros vehículos con tecnología para ser abastecidos con combustibles diversos fueron presentados en los Estados Unidos, en la década de 1980. Sin embargo, la tecnología usada por los fabricantes americanos está basada en un censor de identificación, que analiza cual es el combustible que está siendo usado e informa a la computadora de bordo, que ajusta el sistema de inyección y el sistema de ignición para las mejores condiciones de combustión de ese combustible. A pesar de ser eficiente, esa tecnología es cara, complicada y totalmente dependiente de la vida útil del censor de identificación. En los Estados Unidos, dicho concepto tecnológico fue aceptado solamente debido al interés de los fabricantes en ofrecer vehículos que funcionan con combustible alternativo, para poder aprovechar exoneraciones tributarias.
Dado que el mercado brasileño de automóviles es dominado por vehículos compactos y de bajo costo, es impensable adoptar la cara tecnología flex-fuel americana en el país.
Por lo tanto, cuando las montadoras nacionales comenzaron a discutir la posibilidad de lanzar localmente ese modelo de vehículo, la condición previa fue que se desarrollase un nuevo concepto que evitara el uso del censor de identificación de combustible.
En este punto, la creatividad brasileña y la enorme experiencia adquirida después de 25 años produciendo vehículos que funcionan con alcohol se manifestaron.
Basándose en las diferencias existentes en dos de las características físico-químicas del alcohol y de la gasolina (octanaje y relación estequiométrica) y utilizando los mismos diversos sensores funcionales que todos los vehículos modernos ya tienen (sensores de presión y temperatura del aire, de flujo del combustible, de carga, rotación y de detonación del motor y de oxígeno del gas de escape), los ingenieros brasileños desarrollaron un sistema flex-fuel completamente nuevo. Por el sistema brasileño, el combustible es primero quemado en la cámara de combustión. Una fracción de segundo después, evaluando las consecuencias de esa combustión a través de sensores y comparándolas con un base de datos existente en la memoria de la computadora de bordo, ya es posible identificarlo y ajustar el motor, sin necesidad del censor de identificación de combustible. De ese modo, es posible llegar a un vehículo flexfuel por el mismo precio de un vehículo cuyo motor funciona con alcohol, que nosotros ya sabíamos hacer tan bien.
Motor Flex Fue gracias a la aceptación de estos vehículos y al precio competitivo frente a la gasolina que la producción brasileña de alcohol, que estaba disminuyendo un 11% al año, tomó un violento impulso y pasó a crecer más del 10% al año.
1º vehículo flex brasileño La expresión "combustibles renovables" es usada para definir los combustibles fabricados a partir de productos agrícolas o de la fermentación de materia orgánica. Al contrario del fósil (petróleo o gas natural) cuyas reservas son finitas, el combustible renovable siempre podrá ser producido por el hombre, de acuerdo con sus necesidades. Basta plantar o fermentar.
SUBTÍTULO:
1) Reservatorio de gasolina para arranques en frío
2) Canister
3) Bomba eléctrica de combustible
4) Válvula solenoide
5) Válvula de purga del canister
6) Bujía de ignición
7) Relé
8) Cuerpo de mariposa
9) Bobina
10) Sonda lambda
11) Pre-catalizador
12) Módulo de control
13) Censor de presión/temperatura del aire
14) Módulo de bomba de combustible en tanque
15) Galería de combustible/válvula de inyección
16) Censor de rotación
17) Censor de detonación
18) Censor de fase
Esquema del motor flex También, hay otra particularidad que otorga un nuevo significado a la expresión "renovable" y que indica que los combustibles renovables son una salvadora solución para el calentamiento global. Es el hecho de que el gas CO2, emitido por la combustión de cualquier combustible y principal causa del calentamiento atmosférico, es reabsorbido por fotosíntesis por las plantas usadas para producir los combustibles renovables, permitiendo que su utilización sea considerada neutra. Así, el CO2 emitido en la combustión se renueva, sin agredir al ambiente.
Por estas características de facilidad de uso en tecnologías vehiculares existentes, para substitución del moribundo y caro petróleo y reducción del impacto ambiental, es que los combustibles renovables producidos a partir de la biomasa han conquistado espacio y han incentivado a otros países a interesarse en su aplicación.
Del mismo modo en que existen países interesados en utilizar los combustibles renovables, también existen países interesados en su producción para exportación, ya que, por razones climáticas y geográficas, tienen una vocación agrícola y encaran dicha producción como una oportunidad económica.
Por lo tanto, es posible imaginar el surgimiento de un mercado internacional de combustibles renovables brevemente, creando alternativas socioeconómicas para muchos países y alternativas energéticas para otros, por lo menos hasta que se desarrolle un nuevo concepto de vehículo más limpio, accesible, confiable, para ser producido en gran escala y sustituir a los actuales automóviles con motor de combustión interna.
CAPITULO II
Diseño conceptual
2.1 CICLOS TÉRMICOS TEÓRICOS 2.1.1 Teorema de Carnot En los párrafos que se plantea el estudio del segundo principio bajo la óptica clásica (es decir centrada en la máquina). La formulación del segundo principio parte del siguiente postulado básico, respetando la formulación histórica): "No es posible construir una máquina cíclica y motriz que solo haga subir un peso y enfriar una fuente única de calor". (Obert, 1998) Este enunciado amerita algunas aclaraciones: En resumen dice que no es posible construir una máquina motriz cíclica que funcione con una fuente única de calor. Esto implica (y de hecho es así) que si se puede construir una máquina motriz no cíclica que opere con una fuente única de calor.
Un buen ejemplo es el caso de una expansión isotérmica en un cilindro. En este caso se usa la atmósfera como fuente de calor y sí sería posible hacerlo. El que no exista la limitación del segundo principio para los procesos no cíclicos abre muchas perspectivas en cuanto a forma muy eficiente de hacer cosas.
Si no es posible construir una máquina cíclica motriz que opere con una fuente única de calor, entonces será posible si opera entre 2 fuentes de calor (de hecho así es), una fuente caliente y una fuente fría. El sentido de los intercambios térmicos es el siguiente:
Sea S1 una fuente de calor a T1 y S2 una segunda fuente a T2. Además T1 >T2. Sea M una máquina térmica cíclica motriz que intercambia la cantidad de calor Q1 con S1 y Q2 con S2. La máquina M genera la cantidad de trabajo W (W es >0, es decir la máquina entrega trabajo al exterior). Los signos de Q1 y Q2 podrían ser:
Q1 y Q2 < 0 Q1 > 0 y Q2 > 0 Q1 < 0 y Q2 < 0 Q1 >0 y Q2 < 0 (Obert, 1998) Por consiguiente se puede enunciar:
"La máquina térmica cíclica motriz más sencilla que se puede construir opera entre dos fuentes de calor. Absorbe calor de la fuente caliente y entrega calor a la fuente fría". Fuente: Motores de Combustión Interna (Obert, 1998) Se define como rendimiento (?) de una máquina motriz el cociente entre el trabajo obtenido y el calor absorbido de la fuente caliente, es decir:
(Obert, 1998) El trabajo W es la energía transferida a través de los límites del sistema, debido a una considerable diferencia de una propiedad distinta de la temperatura (generalmente por cambios de presión), que existe entre el sistema y los alrededores.
El calor Q es energía transferida a través de los límites de un sistema debido a la diferencia de temperaturas entre él y los alrededores.
En principio, se podría pensar que el rendimiento máximo obtenible es función del ciclo empleado, del fluido de trabajo u otras propiedades técnicas. Sin embargo esto no es así, el rendimiento del ciclo es solo función de la Temperatura absoluta de las fuentes.
Por lo tanto se puede enunciar: "Todas las máquinas cíclicas, motrices y reversibles que operan entre las mismas dos fuentes de calor tienen el mismo rendimiento. Este rendimiento es un máximo en el sentido de que si la máquina es cíclica, motriz y no reversible, su rendimiento será inferior" (Obert, 1998).
La percepción de Carnot fue sumamente poderosa, pues implicó que el máximo rendimiento posible de obtener de una máquina no es función de la máquina, ciclo o fluido de trabajo empleado, solamente depende de la temperatura termodinámica de las fuentes de calor utilizadas (Cengel, 1996).
2.1.2 Ciclo de Otto teórico El motor otto de cuatro tiempos cuyo ciclo mecánico se completa con 4 carreras del émbolo y dos revoluciones del cigüeñal en teoría sigue el proceso siguiente:
Ilustración 1. Carrera de aspiración – proceso 0-1 (www.monografíás.com) Proceso de Aspiración: Corresponde a la evolución 0-1 (ver ilustración 1) en que el pistón va 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.
Ilustración 2. Carrera de compresión – proceso 1-2 (www.monografíás.com) Proceso de Compresión (1-2): Acá el pistón comienza a ascender desde el PMI al PMS manteniendo las válvulas de admisión y de escape cerradas provocando una compresión adiabática de la mezcla. Para que esto ocurra, al igual que en la evolución anterior, se debe aportar trabajo al sistema.
Proceso de combustión (2-3): Este proceso ocurre por medio de las bujías que aportan la energía (chispa eléctrica entre dos electrodos) para el encendido de la mezcla aire combustible en la cámara de combustión 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.
La bujía consiste en un electrodo central y el terminal está unido dentro de un aislador de cerámica especial (Al2O3) por medio de una junta de vidrio conductora, la cual es al mismo tiempo una junta contra gas.
Ilustración 3. Combustión – carrera de potencia – proceso 2-3 (www.monografíás.com) 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 – válvula de escape y VA – válvula de admisión) y se supone proceso adiabático.
Apertura de Válvula de Escape (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.
Proceso de expulsión (1-0): En esta carrera se liberan los gases a la atmósfera al abrir la válvula de escape y el pistón sube desde PMI al PMS. Dado que las presiones dentro del cilindro y en la atmósfera son las mismas, el trabajo requerido en este proceso es nulo.
Ilustración 4. Carrera de escape – proceso 1-0 (www.monografíás.com) 2.1.3 Ciclo de Otto real Dado que en la realidad los procesos no son ideales, el ciclo otto real experimenta algunas variaciones con respecto al ciclo otto teórico que tienen su origen en las siguientes aproximaciones:
La transferencia de calor en un motor otto real no es nula por lo que el supuesto de la existencia de procesos adiabáticos (proceso sin transferencia de calor) es sólo aproximadamente correcta durante la compresión, sin embargo el aumento de la temperatura en el interior del cilindro durante la combustión hace que la transferencia de calor durante todo el proceso de expansión no sea despreciable (y a su vez necesaria para proteger los materiales del motor). De lo anterior se concluye que en el proceso real se presentan pérdidas por calor que se disipa al ambiente a través de los medios que circundan al pistón (carcasa de motor, fluido refrigerante) y los gases de escape.
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. En motores cuyo ajuste pretende obtener una máxima eficiencia, la chispa salta entre 40 y 10 grados 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 15 grados después del PMS llegando a un valor mucho menor que el teórico. Además, durante todo el proceso de expansión la presión real se mantiene por debajo de la predicha por el modelo teórico.
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, que a su vez conllevan disminución en la eficiencia del motor.
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.
Finalmente, también contribuye a reducir el rendimiento real, el momento en que se abren las válvulas. La válvula de escape se abre antes del PMI 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.
El resultado de combinar todas estas diferencias es que la eficiencia interna del motor, es decir, el cociente entre la presión interna real y la potencia teórica esté entre 0.8 y 0.9.
Características geométricas y Potencia de bombeo de un motor Otto Las componentes geométricas básicas de un motor Otto son:
El diámetro del pistón: D Su carrera: L El largo de la biela: b El radio del cigüeñal: a Volumen de cada cilindro: Vc Número de cilindros: nc Esto a su vez nos permite definir: Superficie de acción: A = pi * D ^ 2/4 Volumen desplazado por cada pistón: Vd = a * L Volumen total desplazado: Vdt = Vd * nc Con estos antecedentes se define la admisión máxima teórica en motores con aspiración natural dada por:
Vdt = Vdt * N/nr Donde nr corresponde al número de revoluciones por cada ciclo:
nr: 1 en motores de 2 tiempos 2 en motores de 4 tiempos N: velocidad de giro del cigüeñal En un ciclo de 4 tiempos existe una parte del ciclo donde la máquina efectúa trabajo.
Esta parte, llamada el trabajo bruto corresponde a la diferencia entre el trabajo efectuado durante la expansión de los gases quemados y el trabajo recibido durante la compresión. En los 2 tiempos restantes, el trabajo de succión es inferior al trabajo requerido para expulsar los gases quemados. Esta área en el grafico P-V es negativa y corresponde al trabajo de bombeo.
Luego se define la potencia de bombeo de la manera siguiente:
Pot. Bombeo = (variación de presión) * Vdt, (Obert, 1998) Donde la variación de presión es la diferencia entre la presión de escape y la presión de admisión.
2.1.4 Ciclo de Diesel teórico La diferencia fundamental entre los ciclos Otto y Diesel se encuentra en la fase de introducción del calor. En el ciclo Otto, el calor se introduce a volumen constante, mientras que en el ciclo Diesel se efectúa a presión constante. Otra diferencia entre ambos ciclos estriba en los valores de la relación de compresión, la cual varía de 12 a 22 para los motores Diesel, mientras que oscila tan sólo entre 6 y 10 para los motores Otto.
Ilustración 5. Diagramas P-v y T-s (www.cec.uchile.cl) Como se ve en la figura, el ciclo Diesel ideal está formado por cuatro líneas térmicas que representa: la compresión adiabática (1-2) (proceso sin transferencia de calor); la introducción del calor a presión constante (2-3); la expansión adiabática (3-4); la expulsión del calor a volumen constante (4-1). Durante la transformación 2-3 de introducción del calor Q1 a presión constante, el pistón entra en funcionamiento, y por tanto, el fluido produce el trabajo:
(Obert, 1998) Por consiguiente, la ecuación de la energía sin flujo se convierte en
(Obert, 1998) y la entalpía h (cantidad de energía por unidad de masa) del fluido está dada por la expresión
(Obert, 1998) la ecuación se transforma en
(Obert, 1998) Por ser el fluido un gas perfecto, podemos emplear, para su variación de entalpía a presión constante, la expresión
(Obert, 1998) Luego, el calor introducido tendrá el siguiente valor:
(Obert, 1998) Hay que hacer resaltar que en una transformación con introducción de calor a presión constante varía el valor de la entalpía del fluido activo, mientras que en caso de la transformación a volumen constante varía el de la energía interna del fluido. Como la sustracción del calor Q2 se realiza como en el ciclo Otto, se puede escribir:
(Obert, 1998) y como el fluido es un gas perfecto y el ciclo es ideal:
(Obert, 1998) Por tanto, el rendimiento térmico ideal del ciclo Diesel teórico es igual a:
he = (calor suministrado – calor sustraído)/ calor suministrado
(Obert, 1998) expresión del todo análoga a la encontrada para el rendimiento ideal del ciclo teórico Otto.
Para la transformación 2-3 de combustión a presión constante tenemos:
(Obert, 1998) Para las transformaciones adiabáticas 1-2 de compresión y 3-4 de expansión se tiene, respectivamente:
(Obert, 1998) De donde:
(Obert, 1998) Y como son V4=V1 y T3/T2=V3/V2, se puede escribir:
(Obert, 1998) Sustituyendo esta expresión en la del rendimiento térmico ideal, resulta:
(Obert, 1998) Indicando con t" la relación entre los volúmenes V3 y V2 al final y al comienzo, respectivamente, de la fase de combustión a presión constante, a la cual daremos el nombre de "relación de combustión a presión constante", y recordando que
(Obert, 1998) Se obtiene, finalmente, la expresión del rendimiento térmico ideal del ciclo teórico Diesel:
Obert, 1998) En esta expresión el rendimiento térmico ideal es, para el ciclo Diesel, función de la relación de compresión, de la relación de combustión a presión constante y la relación k entre los calores específicos.
Las expresiones de los rendimientos térmicos de los ciclos Otto y Diesel difieren solamente por el término entre paréntesis, que siempre es mayor que 1, y, por ello, aparece claro que a igualdad de relación de compresión he es mayor para el ciclo Otto que para el ciclo Diesel. Reduciendo t", es decir, el calor introducido a presión constante, el rendimiento he del ciclo Diesel se aproxima al del ciclo Otto, con el cual coincide para t"=1.
Los motores diesel pueden tener uno o varios cilindros o cámaras de combustión y según su posición pueden estar dispuestos en línea o en V (es decir cilindros dispuestos en forma de V con un ángulo entre una línea y otra de cilindros, pero todos con el mismo cigüeñal).
Salvo excepciones en estos artículos se habla de motores de cuatro tiempos y cuatro cilindros en línea.
Cada uno de los cilindros, durante su funcionamiento, efectúa un ciclo completo de trabajo durante el cual se producen cuatro carreras que son:
ADMISIÓN, COMPRESIÓN, COMBUSTIÓN Y ESCAPE.
Carrera de admisión Puede ser considerada el primer movimiento del ciclo que se efectúa de la siguiente forma:
Movimiento del pistón hacia abajo.
Válvula de admisión abierta.
El aire entra en el cilindro al mismo tiempo que el pistón se mueve hacia abajo.
La presión atmosférica fuerza al aire a entrar en el cilindro para ocupar el vacío que se produce en el mismo.
La válvula de admisión permanece abierta hasta pocos grados después del punto muerto inferior para aprovechar la inercia del aire entrando en el cilindro.
Ilustración 6. Carrera de admisión (www.monografíás.com) Carrera de compresión
1. Movimiento del pistón hacia arriba.
2. Ambas válvulas cerradas.
3. Disminuye el volumen del aire en el cilindro, aumenta la presión y se incrementa la temperatura debido a la compresión.
Ilustración 7. Carrera de compresión (www.monografíás.com) Carrera de combustión
1. El combustible es inyectado en ese reducido volumen en el que se encuentra el aire a alta presión y temperatura, justo un momento antes del punto muerto superior.
2. El combustible comienza a quemarse debido al calor producido por la compresión.
3. Los gases comprimidos se expansionan rápidamente debido a la explosión o combustión instantánea.
4. El pistón es forzado hacia abajo por la expansión de los gases, proporcionando potencia al cigüeñal.
Ilustración 8. Carrera de combustión (www.monografíás.com) Carrera de escape
1. El pistón se mueve hacia arriba.
2. La válvula de escape se abre un poco antes de que el pistón llegue al punto muerto inferior de la carrera de combustión.
3. El movimiento del pistón hacia arriba fuerza a los gases quemados al exterior de la válvula de escape.
4. Generalmente la válvula de escape estará cerrada ligeramente antes del punto muerto superior.
Ilustración 9. Carrera de escape (www.monografíás.com) Algunos motores, tienen válvulas solapadas o en cruce. La válvula de admisión abre antes del punto muerto superior y la válvula de escape cierra después del punto muerto superior.
2.2 TIPOS BÁSICOS DE COMBUSTIBLES
2.2.1 Combustibles de motores de encendido por chispa Gasolina es un nombre colectivo que designa los hidrocarburos con diferente estructura química obtenidos por destilación, craqueo, reforming, isomerización, polimerización o alcohilación del petróleo en un campo de ebullición que oscila entre los 25 ºC y los 210 ºC.
La gasolina normal es gasolina con suficiente resistencia al golpeteo para muchos motores encendidos por chispa. La gasolina súper es una mezcla de componentes altamente resistentes al picado y con mayor resistencia al golpeteo que la gasolina normal.
Propiedades del carburante La volatilidad, formación de mezcla, poder calorífico, proceso de combustión (resistencia al golpeteo o facilidad de encendido) son propiedades decisivas para la utilización en los motores.
La gasolina debe ser muy volátil. Para la valoración sirven la ebullición y la presión del vapor. La curva de ebullición indica la cantidad de carburante evaporada a determinada temperatura en un recipiente de ebullición. Con respecto al comportamiento en el motor son importantes tres zonas de la curva de ebullición, que pueden caracterizarse por la parte evaporada a tres diferentes temperaturas. El volumen evaporado hasta 70 ºC debe ser grande para el fácil arranque del motor frío, y no demasiado grande para evitar la formación de burbujas de vapor en el motor caliente. El volumen evaporado hasta 180 ºC no debe ser demasiado pequeño, para evitar la disolución del aceite lubricante especialmente en el motor frío. La parte del lubricante que se evapora a 100 ºC determina la disposición de servicio y el comportamiento de aceleración del motor caliente. La presión del vapor es también una medida de la capacidad de gasificación de un carburante. Los carburantes con elevada presión de vapor pueden formar burbujas de vapor en el sistema de conducción e interrumpir el suministro de combustible. El calor de vaporización (cantidad necesaria de calor para transformar 1 Kg del líquido, a presión exterior invariable, en vapor con la misma temperatura).
El número de octanos indica la resistencia al golpeteo de una gasolina. A mayor número de octanos mayor es la resistencia al golpeteo del combustible. El valor numérico del número de octanos hasta 100 indica el porcentaje en volumen de iso-octano contenido en una mezcla con n-heptano que muestra en un motor de prueba el mismo comportamiento al golpeteo que el combustible a analizar. Una suficiente antidetonancia de la gasolina es la condición previa para una combustión normal de un motor de explosión. Una antidetonancia insuficiente produce perturbaciones en la combustión y, por consiguiente, averías en el motor.
2.2.2 Combustibles de motores de encendido por compresión El carburante Diesel es una mezcla de hidrocarburos que hierven entre aproximadamente 150 ºC y 360 ºC y se forman en la destilación del petróleo, así como en el craqueo y la hidrogenación de aceites residuales.
El número de cetanos designa el poder de encendido de un combustible diesel. Cuanto mayor es el número de cetanos mayor es el poder de encendido del combustible. El valor numérico del número de cetanos indica el porcentaje en volumen de n-cetanos contenido en una mezcla con a-metilnafataleno, con la cual se determina en un motor de prueba el mismo retardo de encendido que con el combustible diesel a analizar. Al cetano con muy elevado poder de encendido se le asigna el número de cetanos 100, al metilnafataleno con bajo poder de encendido, el número de cetanos 0.
El poder de encendido es la propiedad de un combustible de producir el autoencendido en un motor diesel. Para el autoencendido es necesario en cada combustible, además de la pulverización, presión y temperatura, un periodo de preparación (retardo de encendido) desde el inicio de la inyección hasta la combustión. Un suficiente poder de encendido de un combustible diesel es la condición previa para una combustión normal y antidetonante en el motor.
2.2.3 Desarrollo de la combustión Para poder combinarse con el oxígeno del aire de combustión, el combustible líquido deber formar una mezcla homogénea con el aire. De esta forma, las moléculas del combustible y del oxígeno se encuentran estrechamente unidas y se aprovechan al máximo en la combustión. La combustión se desarrolla del modo más favorable y el rendimiento del motor es mayor cuando los gases de escape contienen la menor cantidad posible de oxígeno y combustible no quemado.
Desarrollo de la combustión en un motor encendido por chispa La mezcla de aire-combustible se comprime en la cámara de compresión de 8 a 15 bar. No obstante, la temperatura final de compresión de 400 a 600 ºC no es suficientemente alta para que se produzca el autoencendido de la mezcla; sólo la chispa de encendido de la bujía inicia la combustión. Para el desarrollo y la calidad de la combustión en el cilindro es decisivo el avance del frente de la llama desde el punto de encendido.
La llama se hace avanzar por arrastre, conducción y radiación caloríficas, pero especialmente por la circulación turbulenta de gas. La velocidad de propagación de la llama comienza lentamente en la bujía, alcanza con la presión máxima de combustión (30 a 40 bar) y la temperatura máxima (2000 a 2500 ºC) un valor máximo y disminuye nuevamente al final de la combustión por escasez de oxígeno y la aproximación del frente de la llama a las paredes más frías del cilindro. El valor medio de la velocidad durante la combustión es de aproximadamente 10 a 25 m/s. La velocidad alcanza su valor máximo con 10% de escasez de aire y elevado número de revoluciones y disminuye con mezcla más rica o más pobre y con menor número de revoluciones debido a una menor turbulencia (sin circulación torrencial o turbulenta es solamente de 1 a 5 m/s).
Desarrollo de la combustión en el motor diesel En la cámara de combustión se comprime aire puro (sin mezcla adicional de combustible) hasta una presión que oscila entre 30 y 55 bar y se calienta hasta una temperatura que oscila entre 700 y 900oC, de modo que al inyectar el combustible éste se autoenciende. Las partículas del combustible no comienzan a quemarse inmediatamente al entrar en la cámara de combustión, sino que deben mezclarse primero con el aire y calentarse para formar una mezcla inflamable de aire-combustible.
Esta preparación de la mezcla requiere tiempo, pero éste no puede reducirse a voluntad, ya que deben aprovecharse en lo posible todas las moléculas de oxígeno y combustible durante la combustión, y el combustible no debe quemarse directamente en la boca de la tobera de inyección.
El retardo del encendido es el tiempo entre el comienzo de la inyección y el del encendido. Es una característica principal de la combustión en los motores diesel. Un cierto retardo de encendido de aproximadamente 0.001 s es siempre necesario para la formación de la mezcla. El autoencendido se inicia después del comienzo de la inyección tanto más rápidamente cuanto más fácilmente se desintegra el combustible, más caliente está el aire, más se pulveriza el combustible durante la inyección (tamaño de las gotitas de 4 a 15 µm; con gotitas más pequeñas, superficie total más grande y gasificación más rápida) y más íntima es la mezcla entre combustible y el aire. Si el retardo del encendido es inadmisiblemente elevado superior a aproximadamente 0.002 s la marcha del motor es dura (golpeteo).
2.3 TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Y SU FUNCIONAMIENTO
2.3.1 Motor de cuatro carreras encendido por chispa La mayoría de los motores de combustión interna, utilizan el principio del émbolo reciprocante, que consiste en un émbolo que se desliza dentro de un cilindro, con un movimiento reciprocante, transmitiendo fuerza y movimiento a la flecha motriz, por lo general, mediante un simple mecanismo de biela y manivela.
Los motores de émbolo reciprocante encendidos por chispa tienen la siguiente secuencia de funcionamiento:
1. Una carrera de admisión para inducir una mezcla combustible hacia el interior del cilindro del motor (válvula de admisión abierta).
2. Una carrera de compresión, para elevar la temperatura y presión de la mezcla (ambas válvulas cerradas).
3. Al final de la carrera de compresión ocurre la chispa y el incendio consecuente de la mezcla. Este hecho libera energía, se aumenta la temperatura y la presión de los gases; que a su vez hacen descender el émbolo en la carrera de expansión o potencia (ambas válvulas cerradas).
4. Una carrera de escape, producida por la inercia sobre el émbolo para barrer el cilindro, expulsando los gases quemados (válvula de escape abierta).
Los términos más utilizados al referirse a motores de émbolo reciprocante son: desplazamiento, volumen de compresión y relación de compresión o expansión.
El desplazamiento (D), es el volumen (en cm3 o plg3) barrido por el émbolo en una carrera (n veces este valor para un motor de n cilindros); el volumen de compresión (c), es el volumen de los gases comprimidos y es también el volumen de la cámara de combustión; la relación de compresión o de expansión (rv) es igual a:
(Obert, 1998) La mayoría de los motores encendidos por chispa tienen relaciones de compresión muy próximas de 7 a 1; aunque también ya son comunes los motores con relaciones de compresión de 8 a 1. En todos los motores de émbolo reciprocante, se tienen dos posiciones en las cuales éste llega a una completa inmovilidad, debidas a la inversión del movimiento del cigüeñal. En el límite inferior de su carrera, la posición se llama punto muerto inferior (PMI). Existe una posición muerta semejante en el instante en que el émbolo llega al punto muerto superior (PMS).
Dado que la carrera de potencia sólo existe en una parte del tiempo total del ciclo, se emplea un volante (disco pesado que se instala en el extremo terminal del cigüeñal, diseñado para almacenar energía y absorber las variaciones de las energías a la entrada y a la salida) para nivelar la carga y hacer uniformes los impulsos; con el objetivo de tener una rotación uniforme del cigüeñal.
2.3.2 Motor de cuatro carreras encendido por compresión La rápida compresión del aire hasta presiones elevadas, puede elevar su temperatura hasta un valor tal que si se surte dentro de la cámara de combustión un combustible, éste se incendia espontáneamente sin depender de una chispa para iniciar la combustión o una mezcla homogénea para propagar la llama.
Para visualizar el motor Diesel o de encendido por compresión, reemplazando la bujía por una válvula inyectora de combustible y aumentando la relación de compresión hasta más o menos 15 a 1. Actualmente se tienen motores con relaciones de compresión que oscilan entre 12 a 1 y 18 a 1. El ciclo Diesel está compuesto por las siguientes fases:
Una carrera de admisión para inducir dentro del cilindro solamente aire (válvula de admisión abierta)
Una carrera de compresión para llevar aire hasta una temperatura y presión superior a la del punto de encendido del combustible (ambas válvulas cerradas)
Inyección del combustible durante la primera parte de la carrera de expansión con una rapidez tal, que la presión se mantenga constante, siguiendo la expansión, hasta el volumen inicial del cilindro (ambas válvulas cerradas)
Una carrera de escape para expulsar del cilindro los gases quemados (válvula de escape abierta)
2.3.3 Control de velocidad y carga en motores encendidos por chispa Una chispa puede encender solamente a una mezcla de combustible, si se desea que la llama se propague a través de ella, deberán estar presente en toda la cámara de combustión, cantidades de aire y combustible en proporciones definidas y homogéneas (aproximadamente 15 partes de aire por una de combustible, en peso). Un carburador es el medio usual para obtener la relación aire-combustible requerida. Este elemento está compuesto por las siguientes partes básicas: un venturi, una tobera para combustible con orificio medidor, un recipiente para combustible en la cámara del flotador, un acelerador y un ahogador. Cuando el émbolo desciende en la carrera de admisión, aspira aire (a presión atmosférica) a través del venturi. Debido al pequeño diámetro de la garganta del venturi se aumenta la velocidad del aire y se disminuye su presión. Pero la presión en el extremo de la tobera, también es menor que la presión (atmosférica) dentro de la cámara del flotador. Por esta diferencia de presiones, el combustible es pulverizado dentro de la corriente de aire, en una cantidad tal, que es determinada por el tamaño del orificio medidor.
Es importante notar que si se aumenta la velocidad del motor, aumenta la cantidad de aire aspirado a través del venturi, y por lo mismo, se crea mayor caída de presión y proporcionalmente se pulveriza mayor cantidad de combustible en el seno de la corriente de aire.
El esfuerzo de giro aplicado al cigüeñal, depende de la masa de la mezcla quemada en cada cilindro, por ciclo, y se controla, restringiendo la cantidad de mezcla (pero no necesariamente la relación aire-combustible), que entra al cilindro en la carrera de admisión. Esto se consigue mediante el empleo, en el carburador, de una válvula llamada estrangulador o acelerador, para obstruir el paso hacia el múltiple de admisión.
En la carrera de admisión, si el acelerador está casi cerrado, entrará al cilindro solamente una pequeña cantidad de mezcla y la presión dentro de él estará muy por debajo de la presión atmosférica, con las correspondientes presiones de compresión y combustión, también bajas. La velocidad resultante del motor será lenta y si el cigüeñal no está acoplado a una carga externa, se dice que el motor está en vacío. Cuando el acelerador se abre gradualmente, la velocidad del motor irá aumentando, hasta un valor determinado por la carga externa acoplada a la flecha motriz.
Por tanto, la velocidad del motor se controla mediante las posiciones del estrangulador o acelerador, y también, por la magnitud de la carga bajo la que se encuentra el motor.
El ahogador permite al motor recibir una cantidad adicional de combustible para el arranque, cuando está frío. Al cerrar el ahogador, la succión del motor se ejerce directamente en la tobera del combustible, mientras que se restringe la entrada de aire.
2.3.4 Control de velocidad y carga en motores encendidos por compresión El método moderno de inyección es el de comprimir y pulverizar solamente combustible dentro del cilindro, dependiendo de la alta presión de inyección para la atomización del mismo.
Ilustración 10. Sistema de inyección motor encendido por compresión (Obert, 1998) Cuando el émbolo inyector está en la parte más baja de su carrera el combustible es forzado hacia el interior de la cámara del émbolo por el conducto de entrada A. En un instante conveniente del ciclo, se elevará el émbolo inyector, cerrando el conducto de entrada con la consecuente compresión del combustible. Este abrirá la válvula de retención, comunicando su presión al residuo de combustible detenido en la tubería de descarga. La misma acción se repite en la válvula de retención próxima a la salida de la tobera, siendo pulverizado el combustible desde el orificio de ella al interior de la cámara de combustión. El final del periodo de inyección ocurrirá después que el conducto de entrada es descubierto por la ranura helicoidal del émbolo de la bomba, porque la alta presión arriba del émbolo se descarga por la ranura B, en comunicación con el conducto A.
La duración del período de inyección se determina mediante el diseño de la leva, del árbol de levas de la bomba de inyección, que es accionado por el motor mismo.
Si se presenta una carga menor, la cremallera C se mueve hacia la izquierda, haciendo girar al émbolo inyector con su ranura helicoidal. A continuación, al elevarse el émbolo, se inicia la inyección igual que antes, pero la descarga de presión se anticipa debido a que la ranura helicoidal coincide más pronto con el conducto a. Por lo tanto, la duración de la inyección se reduce para cargas parciales junto con la cantidad de combustible inyectado.
Cuando la cremallera C se mueve hasta su posición límite, la ranura B quedará alineada con el conducto A. En esta posición, que es la de parada, el combustible no será ni comprimido ni inyectado.
Debido a que la cremallera C gobierna la velocidad y la habilidad del motor para conducir cargas, se le llama el estrangulador o acelerador. En el motor encendido por compresión no se estrangula el aire de entrada como un medio de control, a pesar del nombre del dispositivo.
En el motor encendido por compresión no se requiere una relación fija de aire combustible, porque éste se inyecta en el seno de un aire extremadamente caliente, incendiándose en cualquier punto en el cual se forme la mezcla combustible. Con objeto de que se produzca la combustión, tampoco es necesaria la propagación de la flama.
Por tal motivo, a plena carga es deseable inyectar una cantidad de combustible tal como para que se queme todo el aire que hay en el cilindro. Prácticamente no se puede alcanzar este límite porque no es posible para el chorro localizado de combustible, encontrar a todo el aire, ya que existen regiones ricas y pobres; razón por la cual los gases de escape pueden tener coloración y olor picante.
2.3.5 Motor de dos tiempos Este es un tipo de motor totalmente diferente al de cuatro tiempos, tanto en funcionamiento como en apariencia física. Dentro de las diferencias se encuentran que no posee eje de levas, engranajes de distribución, válvulas, etc. El cárter es de pequeñas dimensiones y se encuentra cerrado herméticamente debido a que se usa para la admisión y pre-comprensión de la mezcla.
La descripción del motor es la siguiente: A un lado del cilindro se encuentra una lumbrera o conducto de carga, por el cual la mezcla pasa del cárter al cilindro. Existen otros dos conductos, generalmente opuestos en posición al de carga por donde se hace la admisión procedente del carburador y el escape hacia la atmósfera. El funcionamiento es el siguiente:
El cárter aspira una nueva mezcla y al subir el pistón se comprime la mezcla.
En el cárter continúa la aspiración mientras que en la parte superior del cilindro se presenta la chispa de la bujía y el pistón comienza su descenso.
En el cárter se pre-comprime la mezcla y el pistón deja escapar los gases por el conducto de escape.
Por el conducto de carga entra la nueva mezcla que empuja los gases quemados hacia fuera.
En este tipo de motores el pistón tiene una forma especial, como se muestra en la figura, que permite dar dirección a los flujos, por medio del deflector, en el momento que está entrando la mezcla nueva y salen los gases ya quemados.
Ilustración 11. Ciclo motor de dos tiempos (uamerica.edu.co) Si se emplea el ciclo de dos carreras para un motor carburado con gasolina, parte de la mezcla fresca será desalojada junto con los gases de escape. En los motores encendidos por compresión no existe la desventaja de la pérdida de combustible, porque se emplea solamente aire, y, por lo tanto, sólo se pierde aire en el barrido del cilindro.
2.3.6 Motor Wankel Es un tipo de motor 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.
Ilustración 12. Motor Wankel (www.uamerica.edu.) En este tipo de motor, el pistón triangular divide al espacio del estator en tres cámaras rotatorias de volumen variable, en donde se desarrollan simultáneamente tres ciclos de cuatro tiempos desfasados un tercio de vuelta de rotor. Los cuatro tiempos del motor ocurren en una sola de revolución del cigüeñal.
Uno de los mayores inconvenientes de este tipo de motor, se encuentra en los vértices del rotor, donde debido al empuje del engranaje central y la fuerza centrífuga se presentan problemas de refrigeración, ya que entre las fases de combustión y escape existen diferencias de temperaturas entre los 100 °C y los 150 °C, junto con problemas de estanqueidad por rozamiento en los sellos.
Los motores Wankel pueden estar conformados por uno, dos, tres o cuatro rotores, en la figura se muestra uno de dos rotores desfasados 180° entre sí.
Este tipo de motor es mucho más sencillo, en su construcción, que uno convencional de pistones, debido a su menor cantidad de componentes. Sus partes principales son:
Rotor: Es de perfil triangular y de lados curvados, se encuentra perforado en su punto central. Dicho agujero cumple dos funciones, la primera es la zona principal cilíndrica y lisa que constituye el elemento de soporte dentro del cual gira un gorrón excéntrico solidario al eje del motor. La otra parte está constituida por una corona dentada que engrana con un piñón solidario a la parte fija del motor.
Estator: Es el lugar dentro del cual gira el rotor, su forma es epitrocoidal de dos lóbulos. La epitrocoide es una curva que se describe debido a un punto interior a una circunferencia generatriz que rueda, exteriormente, sobre otra circunferencia base. El número de lóbulos es igual a la relación entre los radios de ambas circunferencias, como se ve en el siguiente dibujo, aquí mismo se muestra cómo la epitrocoide coincide con la trayectoria de los vértices del rotor triangular, cuyo eje se desplaza sobre una circunferencia de radio e.
El gorrón excéntrico, alrededor del cual gira el rotor y por donde el rotor le transmite potencia al eje, representa el gorrón de manivela del cigüeñal. El movimiento de revolución del motor está definido por la rotación de su propio eje principal de simetría, que coincide con el eje del gorrón, en torno al eje del estator, que coincide con el del cigüeñal. Por esto es que en este tipo de motores el movimiento planetario del rotor puede asimilarse al de una manivela. La descripción de este mecanismo de manivela se muestra en la siguiente figura:
Ilustración 13. Gorrón excéntrico (www.uamerica.edu.co) Para la entrada de la mezcla y la salida de los gases existen dos tipos de lumbreras, la posición más sencilla es en la periferia del estator y permite máxima duración en la fase de admisión; la otra es cuando las lumbreras se encuentran colocadas lateralmente, lo que permite una mayor turbulencia y mejora las prestaciones a regímenes bajos.
Las demás partes de funcionamiento del motor Wankel son similares a las de un motor convencional, como son la alimentación, refrigeración, etc, otro punto para resaltar es que en el sistema de encendido de combustión utiliza únicamente una bujía y en algunos casos dos.
2.4 PRUEBAS EN MOTORES 2.4.1 Potencia y rendimiento mecánico La medición de la potencia o trabajo realizado por unidad de tiempo, es de importancia básica al determinar la capacidad de producción de un motor.
Entre los principales dispositivos utilizados para este objeto es el freno de prony y el freno de agua.
El freno de prony es económico, simple en su funcionamiento y fácil de construir. Es muy utilizado en pruebas de baja velocidad. La desventaja principal de este tipo de freno es su par de torsión constante aplicado y, por lo mismo, su inhabilidad para compensarse bajo condiciones de carga variable.
El freno de agua se emplea cuando se tienen cargas muy pesadas y altas velocidades ya que la capacidad es aproximadamente proporcional al cubo de la velocidad de giro. A bajas velocidades la capacidad de absorción es relativamente limitada. En contraste con el freno de prony con su par torsional constante, el freno de agua no atasca o para al motor que está bajo estudio.
La potencia obtenida de un motor es llamada comúnmente la potencia de freno (bhp) y algunas veces potencia de flecha o simplemente caballos producidos. La potencia desarrollada al quemarse combustible y el aire que se emplea para vencer la fricción en los cojinetes, émbolos y otras partes mecánicas del motor además en la inducción de la carga de aire-combustible y en la expulsión de los gases de escape, se denomina potencia de la fricción (fhp). Por consiguiente, la potencia total desarrollada por el motor es la potencia indicada (ihp) y es igual a:
Ihp = bhp + fhp (Obert, 1998) La potencia perdida en las fricciones es difícil de determinar experimentalmente por no haber un método directo para medirla.
La relación entre la potencia producida por el motor (bhp) y la potencia total desarrollada dentro de él (ihp) se conoce como rendimiento mecánico (?m).
2.4.2 Par torsional (dinamómetro) El par de torsión (o torque) es un momento de torsión o de giro y es la medida de la tendencia rotatoria de una fuerza. Es par de torsión es una medida de la habilidad de una máquina para realizar trabajo, en tanto que la potencia es una medida de la razón a la cual se puede efectuar ese trabajo.
2.4.3 Presión media efectiva La presión media efectiva al freno (bmep) se define como la presión teórica constante que imaginariamente se ejerce durante cada carrera de potencia del motor para producir una potencia igual a la del freno.
La presión media efectiva indicada (imep) se define como la presión teórica constante que supuestamente se ejerce durante cada carrera de potencia del motor, para producir una potencia igual a la indicada.
2.4.4 Consumo de combustible, consumo específico de combustible y rendimiento térmico El método aceptado para medir la cantidad de combustible usado por un motor, es el de pesarlo mediante un equipo de pruebas; que consiste básicamente en una balanza para combustibles utilizada para la medición de combustible consumido (en peso) en un tiempo determinado. La balanza se ajusta de tal forma que el depósito de combustible sea ligeramente más pesado que las pesas. A medida que el combustible es consumido y en el momento que se alcance el equilibrio se hace trabajar el reloj y se anota el peso del combustible. Pasado un tiempo que depende de la duración deseado de la prueba, se ajusta nuevamente la báscula quitándole pesas hasta que el depósito de combustible resulte más pesado. Cuando se alcance nuevamente el balance perfecto después del consumo de más combustible, se detiene el reloj y se anota el peso del combustible. La diferencia entre las dos pesadas en el momento del balance es el peso del combustible consumido en el tiempo indicado por el reloj. Este procedimiento da el consumo medio de combustible durante el periodo de la prueba.
Siguiendo el procedimiento anterior, se obtienen resultados que muestran un consumo de m kg de combustible en t minutos. Entonces, Consumo usado por hora (hr) = 60 m t (Obert, 1998) Consumo usado por hp-hr = 60 m = F (hp) t (Obert, 1998) La ecuación anterior se define como el consumo específico de combustible, pudiendo ser el consumo de específico de combustible al freno o el indicado.
El rendimiento térmico se define como el rendimiento de la conversión del calor en trabajo en un ciclo:
?t = rendimiento térmico = trabajo calor Suministrado (Obert, 1998) El consumo específico de combustible es un parámetro comparativo que muestra con cuanta eficiencia convierte un motor el combustible en trabajo. Este parámetro es preferible al rendimiento térmico porque todas las cantidades son medidas en unidades físicas normales y aceptadas, como son: el tiempo, los caballos de fuerza y el peso.
2.4.5 Consumo de aire El trabajo realizado por un motor de combustión interna depende de la cantidad de energía liberada cuando se quema una mezcla de aire y combustible. Pero el aire ocupa un volumen mucho mayor que el del combustible y la inducción de aire dentro del cilindro presenta algunas dificultades. Si el motor no induce la mayor cantidad posible de aire será limitado el trabajo producido por él, sin importar que se añada mucho combustible. Después de que ha sido diseñado y construido un motor es conveniente medir el consumo de aire (en kilogramos por hora o libras por hora) para asegurarse que no haya restricción en los sistemas de admisión y escape que eviten la libre respiración del motor.
2.4.6 Relaciones aire-combustible y combustible-aire La relación aire-combustible es la relación de masas, que muestra las porciones de aire y combustible en la cámara de combustión:
AF (relación aire-combustible) = kg de aire en el tiempo t kg de combustible en el tiempo t (Obert, 1998) En muchos casos se especifica la recíproca de la relación aire-combustible que es la relación combutible-aire:
FA (relación combustible-aire) = kg de combustible en el tiempo t kg de aire en el tiempo t (Obert, 1998).
2.4.7 Rendimiento volumétrico El rendimiento volumétrico se define como la relación del peso real de aire inducido por el motor en la carrera de admisión entre el peso teórico de aire que debiera inducirse llenando el volumen de desplazamiento del émbolo con aire a la temperatura y presión atmosférica:
?v = rendimiento volumétrico = ma mt (Obert, 1998) en donde ma = peso real de aire inducido por carrera de admisión (kg por hr /número de carreras de admisión) y mt = peso teórico de aire para llenar el volumen de desplazamiento bajo condiciones atmosféricas.
2.4.8 Tipos de pruebas Las pruebas de los motores de combustión interna pueden dividirse en dos tipos:
1. Pruebas de velocidad variable (motores automotrices y marinos), y
2. Pruebas de velocidad constante (motores para accionar generadores y bombas).
Las pruebas de velocidad variable pueden dividirse en pruebas plena carga en las que los objetivos son determinar la máxima potencia y el consumo específico mínimo de combustible, en las diferentes velocidades; y en pruebas con cargas parciales el objetivo es determinar las variaciones del consumo específico de combustible. La prueba de velocidad constante se hace principalmente para determinar el consumo específico de combustible.
2.4.9 Prueba de velocidad variable en motor encendido por chispa Para efectuar una prueba de potencia máxima en el motor encendido por chispa se abre totalmente el acelerador manteniendo la velocidad mínima deseada mediante el ajuste del freno o de la carga externa. Se ajusta la chispa (si es manual) para tener máxima potencia a esa velocidad. Se corre el motor durante cierto tiempo hasta que el agua y el aceite alcanzan su temperatura definida de trabajo.
Cuando el motor está trabajando a una temperatura aproximada de equilibrio se inicia la prueba mediante el reloj que controla el consumo de combustible. La prueba termina cuando se termina la de consumo de combustible. Durante este período de tiempo se miden la velocidad media, la carga del freno, las temperaturas, el peso del combustible, etc.
Después de completar esta fase, se ajustan el freno o la carga hasta que varíe la velocidad en la proporción deseada, en tanto que se ajusta la chispa par un máximo par torsional (exceptuando cuando se especifique control automático de la chispa).
Nuevamente se obtienen las condiciones de equilibrio de la temperatura repitiendo el proceso descrito en el parágrafo anterior.
2.4.10 Prueba de velocidad variable en motor encendido por compresión En una prueba de máxima potencia del motor encendido por compresión a diferentes velocidades el problema es más difícil que para el motor encendido por chispa porque no hay un límite preciso de producción a ninguna velocidad. Siguiendo el proceso de la prueba del motor encendido por chispa, se ajusta el freno hasta obtener la velocidad más baja de funcionamiento con la bomba de combustible inyectando una cantidad suficiente para hacer que los gases de escape del motor ligeramente coloreados. Esto indica que el motor está cercano a la carga máxima porque parte del combustible se está perdiendo en el humo. Como el motor encendido por compresión induce una cantidad constante de aire en la carrera de admisión, una pequeña cantidad de combustible inyectada al motor no usará todo el aire del cilindro. Esto sucede en las cargas parciales. A medida que se aumenta la carga, se inyecta mayor cantidad de combustible y más del aire contenido en la cámara del pistón es requerido para la combustión. En cierta etapa de la prueba, con más inyección de combustible se tendrá que parte de este no es oxidado completamente habiendo producción de humo. Incluso, en estas condiciones, parte del aire en el motor no puede ser empleado por la falla del combustible inyectado para encontrar el aire. En el motor encendido por chispa se tenía el acelerador abierto hasta su límite; en el motor encendido por compresión no hay un límite preciso siendo usado el color del humo de escape para indicar dicho límite.
Si el motor encendido por compresión está equipado con un tope para el acelerador que restrinja la cantidad de combustible inyectado por carrera de la bomba, entonces la prueba se conduce exactamente como en el caso del motor encendido por chispa. Sin embargo, el resultado no será una prueba de la potencia máxima del motor sino una prueba de potencia máxima para cierta posición de la bomba de inyección. En otras palabras, si se observa el escape durante la prueba podrá cambiar el color del humo con cada cambio de velocidad en lugar de permanecer constante.
Las pruebas de velocidad variable de un motor encendido por compresión con cargas parciales se conducen en la misma forma que para el motor encendido por chispa.
2.4.11 Prueba de velocidad constante Se verifica variando el acelerador desde la posición sin carga hasta de la plena carga en pasos convenientes de la carga para obtener curvas continuas. Comenzando con carga cero, se abre el acelerador para obtener la velocidad deseada siguiendo el procedimiento de la prueba ya descrita. Al terminar la primera fase, se aplica la carga al motor abriendo un tanto el acelerador como para mantener la misma velocidad constante que se tenía anteriormente, estando lista para iniciarse la segunda fase de la prueba. La última fase se realiza con el acelerador completamente abierto. La última prueba en el motor encendido por compresión exhibirá humo en los gases del escape.
2.5 GOLPETEO EN LOS MOTORES ENCENDIDO POR CHISPA Y POR COMPRESIÓN
2.5.1 Autoencendido en los motores encendido por chispa y por compresión Los factores básicos que controlan el autoencendido en un motor ya sea encendido por chispa o por compresión son los siguientes:
1. Temperatura
2. Densidad
3. Tiempo (demora del encendido)
4. Relación combustible-oxígeno
5. Material suplementario (gases inertes, catalizadores, etc.)
6. Turbulencia (que afecta a la homogeneidad de la mezcla)
En un motor encendido por chispa la llama viaja a través de la cámara de combustión manteniéndose una proporción ordenada y elevándose la presión uniformemente dentro de ella. Adelante del frente de la llama, la mezcla que no se quemó es comprimida por la presión que va en aumento, con la consiguiente elevación en su temperatura y en su densidad. Si la demora del encendido de la mezcla no quemada, se consume antes de conseguir la formación de la llama, ocurre el autoencendido de los extremos de la masa gaseosa. Con este autoencendido, el proceso metódico de la combustión se convierte en ingobernable, experimentando una violenta elevación de la presión. La energía se libera a una velocidad mayor que la prevista por el diseño; entonces se presenta el fenómeno del golpeteo. En los motores encendidos por chispa, el golpeteo se caracteriza por el brusco autoencendido de la alimentación, cerca del final del proceso de combustión.
En el motor encendido por compresión se inyecta combustible líquido en el seno de aire caliente, apareciendo una demora física mientras es atomizado, vaporizado, elevado en su temperatura y mezclado con el aire. Enseguida tiene lugar una demora química, antes de que aparezca la llama. Durante la demora en el encendido es inyectado más y más combustible dentro de la cámara de combustión. Debido a esta acumulación de combustible, en el momento de iniciar la combustión, lo hace a gran velocidad y el impacto de la presión ocasiona que el motor vibre mientras vayan apareciendo en la cámara las diferencias de presión. El golpeteo en los motores encendido por compresión se caracteriza por un súbito autoencendido de la mezcla muy al principio del proceso de combustión.
Al comparar los procesos de combustión de motores encendidos por chispa y por compresión, se muestra que el golpeteo es originado en ambos por el mismo fenómeno (autoencendido del combustible). En el motor encendido por chispa tiene lugar un incontrolado encendido por sí mismo, al final del período de elevación de la presión; en el motor encendido por compresión, el encendido por sí mismo no controlado, ocurre muy al principio de la elevación de la presión.
2.5.2 El golpeteo y el motor encendido por chispa Las variables fundamentales de funcionamiento que inciden directamente en el autoencendido en un motor son:
a) Factores de temperatura
b) Factores de densidad
c) Factores de tiempo
d) Composición
a. Factores de temperatura: Aumentando la temperatura de la mezcla no quemada, mediante cualquiera de los siguientes factores, se aumentan las posibilidades de golpeteo en el motor encendido por chispa:
1. Elevando la relación de compresión (sobrealimentación)
2. Elevando la temperatura del aire de admisión
3. Elevando la temperatura del refrigerante
4. Elevando las temperaturas de las paredes del cilindro y de la cámara de combustión (abriendo el estrangulador)
5. Avanzando el tiempo de la chispa.
6. Combustible de baja calidad (bajo número de octanos)
b. Factores de densidad: Aumentando la densidad de la mezcla no quemada, por cualquiera de las razones siguiente, aumentará la posibilidad de golpeteo en el motor encendido por chispa:
1. Apertura del estrangulador (aumentando la carga)
2. Sobrealimentación del motor (elevación de la relación de compresión)
3. Avance de la regulación de la chispa
c. Factores de tiempo: Aumentando el tiempo de exposición de la mezcla no quemada a las condiciones de autoencendido, mediante cualquiera de los factores siguiente, aumentará la posibilidad de golpeteo en el motor encendido por chispa:
1. Aumentando la distancia a que debe viajar la llama con el objeto de atravesar la cámara de combustión
2. Disminuyendo la turbulencia de la mezcla, y por tanto, disminuyendo la velocidad de la llama
3. Disminuyendo la velocidad del motor, ya sea (a) disminuyendo la turbulencia de la mezcla y (b) aumentando el tiempo disponible para las reacciones de pre-flama
d. Composición: Las propiedades del combustible y de la mezcla aire-combustible, ejercen una gran influencia sobre el golpeteo. Las probabilidades de golpeteo en un motor encendido por chispa aumentan por los siguientes factores:
1. Un período corto de demora en el encendido
2. Temperatura baja de autoencendido
3. Mezclas químicamente incorrectas
2.5.3 El golpeteo y el motor encendido por compresión El problema del golpeteo en el motor encendido por compresión se complica además por la complejidad del período de demora física. Este período es influenciado por:
a) la densidad y temperatura del aire en el cilindro
b) la atomización, penetración y características del chorro del sistema de inyección
c) las propiedades del combustible, tales como la volatilidad y la viscosidad, que afectan a las características del chorro
d) la turbulencia del aire, que favorece el mezclado
e) goteo o inyección fuera del ciclo o tiempo de inyección
El golpeteo en el motor encendido por compresión puede provenir de los mismos factores que en el motor encendido por chispa, más la complicación de la introducción de mezclas homogéneas, por la demora física y por el sistema de inyección. El golpeteo audible se controla por lo que sucede muy al principio de la combustión, cuando el autoencendido tiende a ser particularmente violento, debido a la acumulación de combustible en la cámara durante el período de demora del encendido.
Para reducir la posibilidad del golpeteo en el motor encendido por compresión, los primero elementos de combustible y aire deberán tener:
a) una gran temperatura
b) una gran densidad
c) una demora corta
d) una mezcla reactiva
a. Temperatura: Reduciendo la temperatura de la mezcla formada inicialmente, mediante alguna de las siguientes acciones aumentará la posibilidad de golpeteo en el motor encendido por compresión:
Reducción de la relación de compresión
Reducción de la temperatura del aire de admisión
Reducción de la temperatura del refrigerante
Reduciendo las temperaturas del cilindro y las paredes de la cámara de combustión
Avance o retardo del comienzo de la inyección, desde la posición óptima
b. Factores de densidad: Al disminuir la densidad de la mezcla formada inicialmente, mediante alguna de las siguientes acciones aumentará la posibilidad e golpeteo en el motor encendido por compresión:
1. Disminuyendo la presión del aire de admisión
2. Disminuyendo la relación de compresión
En consecuencia, elevando la relación de compresión y sobrealimentando al motor encendido por compresión, se tiende a reducir el golpeteo, lo inverso del motor encendido por chispa.
c. Factores de tiempo: Aumentando la cantidad de combustible en la mezcla formada inicialmente o aumentando el tiempo para formar una mezcla homogénea por cualesquiera de los métodos siguientes aumentará la probabilidad de golpeteo en el motor encendido por compresión:
Disminución de la turbulencia del aire comprimido
Aumento de la velocidad del motor
Disminución de la presión de inyección
Aumento de la velocidad de inyección
d. Composición: Las probabilidades de golpeteo en el motor encendido por compresión aumentan por los factores siguientes:
Gran demora del encendido
Temperaturas elevadas de auto-encendido
Baja volatilidad (en general)
Alta viscosidad
2.6 CARBURACIÓN 2.6.1 Principios de operación del carburador El combustible suministrado a los cilindros del motor es 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 acentúa mediante una sección reducida o de tipo venturi que aumenta la velocidad del aire y reduce la presión (produce vacío que succiona el combustible) 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.
Durante el proceso de carburación tienen lugar la vaporización superficial de las gotas y partículas, 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 mezclarse y vaporizarse en las carreras de admisión y compresión pues de otra forma resulta una combustión incompleta.
Para un funcionamiento normal con un motor calentado, la proporción adecuada de la mezcla es aproximadamente 15 de aire por 1 de gasolina (en peso). Para funcionamiento con motor frío, o acelerando se requiere una mezcla más rica, que puede ser de 9 de aire por 1 de gasolina (en peso). La función del carburador es regular esta mezcla según las condiciones de funcionamiento.
Un sistema de alimentación alternativo es la inyección de combustible a baja presión, en forma atomizada en la corriente de aire que alimenta a los cilindros. Este método permite tener un mejor control de la relación aire/gasolina.
2.6.2 Partes elementales de un carburador La cubeta o cuba de nivel constante, Que impide al orificio por donde fluye la gasolina sufrir las consecuencias del diferente nivel constante entre el depósito y el carburador y que varía con la posición del coche. La constancia del nivel se consigue con un flotador que abre y cierra el orificio de entrada de la gasolina mediante una válvula de aguja.
Generalmente la posición del flotador se puede regular para evitar que un nivel erróneo de gasolina conduzca a la inundación del carburador o a fallos del motor, según esté demasiado alto o demasiado bajo.
El difusor, Que está dotado de un estrangulamiento en tubo de Venturi. Dicho estrangulamiento situado en correspondencia con el surtidor, sirve para generar la depresión (o vacío) necesaria para aspirar por su interior el carburante que luego entra en los cilindros mezclado con aire, La forma de la sección estrangulada del difusor debe estudiarse con atención, para evitar que se formen en el seno de la columna de aire movimientos turbulentos que dificultarían la entrada del combustible y no permitirían el paso de la cantidad necesaria de aire, con la subsiguiente reducción del rendimiento volumétrico del motor. También la velocidad máxima dentro de la sección estrangulada debe estar comprendida dentro de unos límites muy concretos, por lo general entre 100 y 300 m/s. En la zona no estrangulada y hasta la válvula de admisión es donde se realiza la nebulización completa y la atomización de la mezcla del aire y carburante.
El surtidor o pulverizador Que desemboca a un nivel superior al de la gasolina y sirve para llevar el combustible a la zona de depresión del difusor. El caudal del surtidor depende del valor de la depresión y de su propio diámetro. Está constituido por un pequeño tornillo hueco cuyo orificio ha sido concienzudamente calibrado, atornillado en un lugar fácilmente accesible al conducto portador del carburante desde la cuba de nivel constante. El diámetro del orificio, denominado diámetro del surtidor, es una de las características del carburador y suele expresarse en centésimas de milímetro. Variando el diámetro del surtidor se puede enriquecer o empobrecer la mezcla y modificar, dentro de ciertos límites, las prestaciones y el consumo del motor. La forma y la precisión con que se ha perforado el surtidor tiene mucha importancia, ya que ambas cosas influyen sobre el caudal y la pulverización del combustible.
El valor de la presión (o depresión) depende de la velocidad y/o RPM del motor.
La válvula de mariposa, Situada en la zona no estrangulada del difusor, es el órgano que permite al motor adaptarse a la carga haciendo variar el peso de mezcla introducida. El mando de la mariposa no es otra cosa que el pedal del acelerador que actúa sobre ella mediante un sistema de varillas.
Ilustración 14. Carburador (Obert, 1998)
2.6.3 Funcionamiento de un carburador Marcha Lenta Un circuito especial, denominado de ralentí. Vierte la gasolina directamente más abajo de la mariposa, única zona en la que existe una depresión suficiente (en amarillo) para pulverizar la gasolina.
Ilustración 15. Carburador – marcha lenta (Enciclopedia Salvat del Automóvil, 2000)
Aceleración El aumento de gasolina requerido en esta fase se consigue a través de una bomba de aceleración, de membrana, accionada directamente por el acelerador mediante varillas adecuadas.
Ilustración 16. Carburador – aceleración (Enciclopedia Salvat del Automóvil, 2000) Cuando se tiene únicamente la válvula de mariposa (sin bomba de aceleración), al abrirla para que el motor reaccione rápido, no se surte de combustible constante. La bomba de aceleración se utiliza para acelerar rápidamente o tener reacción "violenta"; ya que se enriquece el abastecimiento de combustible en el instante que se demande mayor potencia.
Marcha Normal La depresión (en amarillo) se ha desplazado en el difusor, lo cual provoca la aspiración de la gasolina del surtidor principal, su mezcla con aire, así como su pulverización y ulterior vaporización.
Ilustración 17. Carburador – marcha normal (Enciclopedia Salvat del Automóvil, 2000)
Arranque en Frío El sistema de arranque en frío o estárter consiste en una mariposa la cual reduce la cantidad de aire aspirado o actuando sobre los surtidores con el fin de aumentar la cantidad de gasolina que proporcionan.
Ilustración 18. Carburador – arranque en frío (Enciclopedia Salvat del Automóvil, 2000)
2.6.4 Relación Aire/Combustible Es el número que expresa la cantidad, en masa o en volumen, de aire aspirado por un motor de combustión para una cantidad unitaria de combustible. Dicha relación es función del combustible, del tipo de motor, de su regulación y de la carburación.
El valor ideal o teórico de tal relación es el correspondiente a la relación estequiométrica. Cuando se trata de gasolina comercial, dicha relación esta comprendida entre 14,7 y 15,1 (es decir, unos 15 kg de aire por cada kilogramo de gasolina). Pero esto ocurre en condiciones teórica o ideales, que no considera la mayor o menor rapidez con que se desarrolla efectivamente la combustión.
Con una relación aire/combustible más baja que la estequiometrica (inferior a 14,7 para la gasolina) no todo el combustible podrá quemarse y una parte quedará sin quemar o parcialmente quemado, con formación de CO y HC. Hay que recordar que la combustión nunca es completa, independiente de la relación aire combustible, puesto que la reacción nunca se desarrolla en condiciones ideales.
Por lo general, en un motor automovilístico de encendido por chispa, la variación de la relación aire/combustible se produce sólo entre las mezclas ricas.
Los valores de la relación estequiometrica aire/combustible depende de la composición química del carburante y, esencialmente, de la proporción de las cantidades, en peso, de carbono e hidrógeno contenidas en cada molécula de combustible.
2.7 INYECCIÓN En el caso del motor encendido por compresión, la inyección es necesario contar con un dispositivo para inyectar combustible dentro del cilindro del motor, en el tiempo correcto del ciclo. En el motor encendido por chispa se puede emplear un carburador para mezclar el combustible y el aire mientras esté fluyendo al múltiple; o bien se puede emplear la inyección de combustible ya sea en el múltiple o dentro del cilindro en la carrera de admisión, no siendo necesario el sistema de inyección para iniciar y regular el periodo de combustión.
2.7.1 Sistemas de inyección en motores encendido por chispa Las instalaciones de inyección actualmente empleadas en los motores encendidos por chispa inyectan el combustible no directamente al cilindro, sino que al tubo de aspiración o al colector de admisión. Existen la inyección mecánica de gasolina mediante una bomba accionada por el motor de combustión o la inyección mecánica K-Jetronic no accionada y la inyección de gasolina dirigida electrónicamente (D-Jetronic y L-Jetronic) El sistema de inyección para el motor encendido por chispa debe satisfacer las siguientes condiciones:
1. Inyectar la cantidad de combustible requerida por la carga aplicada al motor y mantener esa cantidad:
a. constante, de ciclo a ciclo de funcionamiento
b. constante, de cilindro a cilindro
2. Atomizar el combustible hasta el grado deseado
3. Distribuir el combustible dentro de toda la cámara de combustión
La combustión es controlada independientemente. Por otra parte, el sistema de inyección en el motor encendido por chispa debe mantener un control estricto sobre la relación aire-combustible. Un motor encendido por chispa con inyección de combustible en la carrera de admisión, ya sea directamente dentro del cilindro o dentro de la lumbrera de admisión, al ser comparado con un motor con carburador, mostrará:
1. Mayor potencia en la flecha, como consecuencia del aumento en el rendimiento volumétrico, proveniente de:
a. múltiples de admisión más grande, con menores pérdidas de presión
b. eliminación de las pérdidas de presión en el carburador
c. eliminación del calentamiento del múltiple
2. Aceleración más rápida, ya que el combustible se inyecta lo más cerca del cilindro y no es necesario el flujo a lo largo del múltiple.
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