Tipos de motores y su funcionamiento

CAPÍTULO 2 TIPOS DE MOTORES Y SU FUNCIONAMIENTO LA MÁQUINA DE FLUIDO [1]1 Se llama así al conjunto de elementos mecánicos que permiten intercambiar energía mecánica con el exterior, generalmente a través de un eje, por variación de la energía disponible en el fluido que atraviesa la máquina. Si la máquina transmite energía mecánica al exterior disminuyendo la energía del fluido, recibe el nombre de motora. Si por el contrario, ésta absorbe energía del exterior aumentando, en consecuencia, la energía del fluido se le llama generadora. En la Figura 2.1 se muestran los esquemas de ambas máquinas.

Figura 2.1 Máquina de fluido [1]

Las máquinas de fluido, ya sean motoras o generadoras, se pueden clasificar, atendiendo a la variabilidad del volumen específico del fluido que atraviesa la máquina, en máquinas hidráulicas y máquina térmicas. En las primeras se incluyen las máquinas que emplean fluidos prácticamente incompresibles ( líquidos ) o fluidos que, siendo compresibles ( gases ), se comportan prácticamente como incompresibles en la máquina. Esta última consideración permite clasificar al ventilador 1

Los números entre corchetes indican la referencia bibliográfica en orden de aparición al final del capítulo.

Capítulo 2. Tipos de motores y su funcionamiento funcionamiento

como una máquina hidráulica. En las máquinas térmicas, por el contrario, evolucionan fluidos compresibles que tienen una compresibilidad no despreciable. La compresibilidad juega un papel muy importante en el intercambio energético que tiene lugar entre el fluido y el eje de la máquina, ya que, la variación del volumen específico es el mecanismo que permite la transformación de energía química en mecánica y, por tanto, su posterior aparición en el eje de la máquina. Las máquinas de fluido se pueden clasificar además en otros dos grupos característicos: Máquinas de desplazamiento positivo o volumétricas y Turbomáquinas. En las primeras existe una cierta cantidad bien definida de fluido que atraviesa la máquina en cada instante. En las turbomáquinas, por el contrario, el volumen o la masa desplazada no está materializada por un contorno definido, sino que el flujo es continuo. En éstas últimas la transferencia de energía del de Euler ó fluido al eje se basa en el teorema del momento cinético, que conduce a la ecuación de Euler

ecuación básica de las turbomáquinas. Las máquinas de desplazamiento positivo las podemos a su vez dividir en máquinas alternativas alternativas (de cilindro y pistón ) y máquinas rotativas.

EL MOTOR TÉRMICO [1] Se define como el conjunto de elementos mecánicos, que permite obtener energía mecánica a partir del estado térmico obtenido por un proceso de combustión tradicional o por una reacción nuclear. La generalidad respecto del trabajo mecánico obtenido permite incluir dentro de los motores térmicos a los motores de reacción. En éstos, la energía mecánica aparece como un incremento en la energía cinética del fluido que atraviesa el motor. •

Una turbina de vapor se define como un motor térmico, sin embargo, éste conjunto lo

integran: una máquina hidráulica generadora ( bomba de alimentación ), un generador de vapor (caldera ), y una máquina térmica motora ( turbina ). •

La turbina de gas es un motor térmico integrado por: un compresor ( máquina térmica

generadora ), una cámara de combustión, y una turbina ( máquina térmica motora ).

En los casos señalados, el motor térmico incluye varias máquinas de fluido, que forman unidades fácilmente separables. Existen, sin embargo, motores térmicos como los de combustión interna alternativos, por ejemplo, en los que es imposible separar el elemento donde se genera el estado térmico y la máquina térmica, ya que forman un conjunto prácticamente indivisible. En este caso no existen subconjuntos en el motor térmico que se puedan definir como máquinas de fluido de acuerdo con los criterios antes establecidos.

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MOTORES DE COMBUSTIÓN EXTERNA E INTERNA [1] Hemos visto que el motor térmico permite obtener energía mecánica a partir de la energía asociada al estado térmico del fluido por medio de un proceso de combustión. Si el estado térmico se transmite a través de una pared al fluido motor, tendremos un motor de combustión externa ( MCE ). ). Si, por el contrario, el estado térmico se produce en el propio fluido motor, el motor será de combustión interna ( MCI ). ). Los MCE reciben también el nombre de caloríficos ya que en ellos, por transmitirse el estado térmico a través de una pared, podemos hablar propiamente de calor. Con este mismo criterio los MCI se pueden clasificar como adiabáticos, si bien en algunos casos, razones de índole mecánica hacen que el motor pierda éste carácter al ser necesaria la refrigeración. En los MCE el fluido motor, por el hecho de recibir el estado térmico a través de una pared y no sufrir por lo tanto transformaciones físico – químicas, puede evolucionar según un ciclo cerrado. Son así, la temperatura y la presión del medio medio ambiente, último sistema con el que hay que intercambiar energía, los que imponen condicionamientos evidentes a la evolución del fluido motor. Los MCI pueden transmitir la potencia al exterior mediante la transformación de un movimiento alternativo en rotativo a través de un mecanismo biela – manivela ( MCIA) o directamente sin necesidad de este mecanismo. A éstos últimos se les conoce con el nombre de MCI rotativos. En esta categoría tendríamos la turbina de gas y el motor Wankel. El principal objeto de estudio de este texto serán los MCIA dentro de los cuales se encuentran los motores de encendido provocado ( en adelante MEP ) y los motores de encendido por compresión ( en adelante MEC ). ).

CLASIFICACIÓN DE LOS MCIA [2] Hay muchos tipos diferentes de MCIA que pueden ser clasificados según: 1. Aplicación . Automóvil, camión, locomoción, aeronave liviana, marinos, plantas de potencia portátiles, generación de potencia. 2. Diseño básico del motor . Motores alternativos (a su vez subdividido por arreglos de cilindros: ejemplo, en línea , V, radial, opuestos), motores rotativos (Wankel y otras geometrías). 3. Ciclo de trabajo . Ciclo de cuatro tiempos: aspiración natural (admitiendo aire atmosférico), sobrealimentados

(admitiendo

mezcla

fresca

precomprimida),

y

turboalimentados

(admitiendo mezcla fresca comprimida en un compresor llevado por una turbina de escape), ciclo de dos tiempos: barrido por cárter, sobrealimentado y turboalimentado.

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4. Diseño y ubicación de válvulas o puertos. Válvulas sobrecabeza (OHV ), ), válvulas rotativas, puertos de barridos transversales, puertos de barrido en bucle, etc. 5. Combustible . Gasolina, ACPM, gas natural comprimido, gas licuado de petróleo, alcoholes, hidrógeno, combustibles duales, biocombustibles, etc. 6. Método de preparación de la mezcla. Carburación, inyección de combustible ya sea en los puertos de admisión o en el colector de admisión, inyección de combustible al interior del cilindro. 7. Método de encendido. Encendido provocado (que puede ser en motores motores donde la mezcla es uniforme – convencional – o en motores donde la mezcla no es uniforme – de carga estratificada), de encendido por compresión (motor diesel convencional, así como en motores de gas cuyo encendido se realiza mediante una inyección piloto de ACPM). 8. Diseño de cámara de combustión.

De cámara abierta (de disco, hemisféricos, de copa

labrada en la corona del pistón ), de cámara dividida o precámara.

9. Método de control de la carga. Mediante estrangulamiento del flujo de aire y combustible juntos,

de tal manera que la composición de la mezcla permanezca invariable, mediante

control de flujo de combustible únicamente, o una combinación de los anteriores. 10. Método de enfriamiento. Refrigerado por agua, refrigerado por aire, o no refrigerado. Todas las clasificaciones anteriores son importantes e ilustran el amplio espectro de diseños disponibles de motores. A lo largo de éste texto nos guiaremos fundamentalmente desde el punto de vista del método de encendido MEC o MEP.

En importancia seguirá, el combustible

empleado, el método de preparación de la mezcla, el diseño de la cámara de combustión, el método de control de la carga, algunos detalles del proceso de combustión, y finalmente las características de operación y emisiones de los motores.

CICLOS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES La mayoría de los MCIA operan en lo que se conoce como el ciclo de cuatro tiempos. Cada cilindro requiere de cuatro tiempos de su pistón – dos revoluciones de cigüeñal – para completar la secuencia de eventos que producen una carrera de potencia. Tanto el MEP como el MEC usan ver Figura 2.2) el cual comprende: éste ciclo ( ver Figura

1. Carrera de admisión , la cual inicia con el pistón en el punto muerto superior (en adelante PMS) y termina con con el pistón en el punto muerto inferior (en adelante PMI). En ésta se arrastra mezcla fresca al interior del cilindro. Con el fin de incrementar la masa masa succionada, la válvula de admisión abre ligeramente antes del PMS (punto conocido como avance a la apertura de admisión – AAA ) y cierra después del PMI (retraso al cierre de admisión – RCA)

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2. Carrera de compresión , ocurre cuando las dos válvulas están cerradas y la mezcla al interior del cilindro es comprimida hasta una pequeña fracción de su volumen inicial. Hacia el final de la carrera de compresión, se inicia la combustión y la presión en el cilindro incrementa más rápidamente. 3. Carrera de potencia , o carrera de expansión, la cual inicia con el pistón en el PMS y termina en el PMI en la medida que los gases a elevada temperatura y presión empujan el pistón hacia abajo forzando a girar la manivela. Durante ésta carrera se logra obtener cerca de cinco veces más trabajo que el realizado por el pistón durante la compresión. En la medida medida en que el pistón se aproxima al PMI la válvula de escape se abre para iniciar el proceso de escape y cae la presión en el cilindro hasta un valor cercano a la presión en el escape. 4. Carrera de escape , donde los gases quemados salen del cilindro: primero, porque la presión en el cilindro puede ser sustancialmente más alta que la presión en el escape y luego porque son barridos por el propio movimiento movimiento del pistón hacia el PMS. A medida que el pistón se aproxima al PMS abre la válvula de admisión. Justo después del PMS se cierra la válvula de escape y el ciclo inicia de nuevo.

Figura 2.2 Ciclo de operación de cuatro tiempos. [2]

TC es el PMS; BC es el PMI

Los motores de cuatro tiempos requieren, para cada cilindro, dos revoluciones del cigüeñal por cada carrera de potencia. Para obtener potencias más elevadas a partir de un tamaño de

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motor dado, se desarrolló el motor motor con ciclo de trabajo de dos tiempos. Los dos tiempos son aplicables tanto a MEP como a MEC. En la Figura 2.3 se muestra el ciclo de operación de dos tiempos. Los puertos en la camisa del cilindro son abiertos y cerrados por el movimiento del pistón controlando así los flujos de admisión y escape a medida que el pistón se acerca al PMI. Los dos tiempos son: 1. Carrera de compresión , la cual inicia con el cierre de los puertos de admisión y escape y entonces comprime el contenido del cilindro mientras se arrastra carga fresca al interior del cárter. A medida que el el pistón se acerca al PMS se inicia la combustión. 2. Carrera de potencia o expansión , similar a los cuatro tiempos hasta que el pistón se aproxima al PMI, cuando primero se descubre el puerto de escape y luego el de admisión. Cuando los puertos de admisión de descubren la carga fresca que había sido comprimida en el cárter fluye hacia el cilindro. El pistón y los puertos generalmente tienen formas especiales para cambiar bruscamente la dirección del flujo que entra permitiendo así un barrido efectivo de los gases residuales.

Figura 2.3 Ciclo de operación de dos tiempos. Barrido por cárter [2]

Para lograr un ciclo completo de potencia del motor se requiere solamente una revolución del cigüeñal.

Sin embargo, existen grandes dificultades de llenar completamente el volumen

desplazado con carga fresca, y parte de ésta fluye directamente hacia fuera del cilindro durante el proceso de barrido siendo ésta la principal razón por la que los MEP de dos tiempos están en gran desventaja debido a que la carga fresca contiene combustible y aire.

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COMPONENTES DEL MOTOR [2] Los cilindros del motor están en el bloque ( Figura 2.4). El bloque generalmente se fabrica de una fundición de hierro gris debido principalmente a su gran resistencia al desgaste y bajo costo. Los conductos conductos para el agua de refrigeración igualmente son fundidos con el bloque. Algunos motores de camión o de trabajo pesado suelen llevar camisas o chaquetas removibles colocadas a presión en el interior del bloque lo que permite reemplazarlas cuando se dañen.

En la

terminología de motores se les llama chaquetas húmedas o chaquetas secas según estén en contacto directo con el agua de refrigeración o no respectivamente. En pequeños MEP se ha venido incrementando el uso del aluminio para los bloques con el fin de reducir peso. En la fase de fabricación de este bloque se deben insertar chaquetas de hierro para los cilindros. El cárter es la pieza que cierra el bloque en su parte inferior y generalmente es una pieza de acero prensado o de una fundición de aluminio. Su función es actuar como recipiente de almacenamiento del sistema de lubricación del motor. El cigüeñal casi siempre es una pieza de acero forjado; en algunos casos se emplean fundiciones nodulares, especialmente para aplicaciones de automoción. El máximo número de apoyos será uno más que el número de cilindros, sin embargo deberían haber menos. El cigüeñal es un eje con porciones excéntricas de las cuales se sujeta la cabeza de la biela. Tanto la cabeza como el pie de la biela llevan como material de apoyo insertos de precisión de bronce, babbit o aluminio, con el fin de cambiarlos cuando se desgasten. Los pistones se fabrican de aluminio cuando se trata de pequeños motores o de fundición gris para grandes motores. motores.

Su función consiste tanto en sellar el cilindro como en transmitir la

presión generada por la combustión de los gases al cigüeñal a través de la biela. La biela generalmente es una pieza de acero o una aleación forjada ( e incluso algunas veces de aluminio si se trata de motores pequeños ) que se fija al pistón mediante un pequeño eje de acero ( conocido con el nombre de bulón ). El bulón generalmente es hueco para reducir su peso.

El movimiento oscilatorio de la biela ejerce una fuerza oscilatoria en las paredes del cilindro a través de la falda del pistón ( región debajo de los anillos del pistón ). A la falda del pistón usualmente se la dan formas especiales para que provean las fuerzas superficiales de empuje apropiadas. El pistón se fija con anillos que se montan sobre unos canales labrados en la cabeza del pistón para sellar la fuga del gas y controlar el flujo de aceite. Los anillos superiores son anillos de compresión. Estos son forzados hacia fuera contra las paredes del cilindro y hacia abajo contra la cara del canal. Los anillos inferiores se encargan de distribuir una película de aceite en las paredes del cilindro. El cárter deberá ser ventilado con el fin de remover los gases que alcancen a fluir a través de los anillos del pistón y prevenir así incrementos de presión.

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Figura 2.4 Dibujo en corte de un motor mostrando sus principales componentes. [2]

La culata sella los cilindros y se fabrica generalmente en hierro fundido o en aluminio. Esta debe ser lo suficientemente fuerte y rígida para distribuir la fuerza de los gases que actúan de la manera más uniformemente posible a través del bloque. La culata contiene las bujías si es un MEP o los inyectores si es un MEC y en motores que tienen válvulas sobrecabeza suele llevar partes del mecanismo de las válvulas.

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Las válvulas se fabrican de aleaciones de acero forjado.

La válvula de escape opera

aproximadamente a 700 C lo que obliga a refrigerarla de una manera especial. Generalmente se remueve el calor usando un vástago parcialmente hueco lleno con sodio mediante su evaporación y condensación. El vástago de la válvula se mueve a través de una guía, la cual puede ser parte integral de la culata o puede ser una unidad separada. Los asientos de las válvulas pueden ser maquinados en el bloque si es un hierro fundido o pueden ser insertos de acero prensados en el bloque. La válvula se mantiene cerrada mediante un resorte sostenido en el vástago de la válvula mediante una arandela. El rotador de válvulas gira éstas algunos grados durante la apertura con el fin de proteger sus asientos, evitar puntos calientes locales y prevenir la formación de depósitos en sus guías. Para abrir y cerrar las válvulas se usa un árbol o un eje de levas hecho de hierro fundido o acero forjado, se emplea una leva por cada válvula. Las superficies de las levas son endurecidas para alargar su vida. En motores de cuatro tiempos el el árbol de levas gira a la mitad de la velocidad del cigüeñal. EL movimiento al árbol de levas se transmite desde el cigüeñal ya sea mediante banda, engranaje o cadena. El ensamble finalmente lo completa el colector o múltiple de admisión ( aluminio o hierro fundido ) y el colector o múltiple de escape ( generalmente hierro fundido ).

Existen otros

componentes propios de los MEP tales como el carburador, los inyectores y el sistema de encendido y otros propios de, los MEC tales como bomba de inyección, líneas de inyección e inyectores.

OPERACIÓN DEL MEP [2] En los MEP el aire y el combustible generalmente se mezclan en el sistema de admisión antes de entrar al cilindro, usando un carburador o un sistema de inyección de combustible.

Para

aplicaciones automotrices la temperatura del aire en la admisión se controla mezclando aire ambiente con aire calentado por el contacto con el colector de escape. La relación entre el flujo másico de aire y combustible deberá mantenerse aproximadamente constante y en torno a 15 para asegurar una combustión adecuada. El carburador mide las cantidades apropiadas de combustible para el flujo de aire de la siguiente manera. El aire fluye a través de un venturi ( una tobera convergente – divergente ) provocando una diferencia de presiones entre la entrada del venturi y

el estrangulamiento. Esta se aprovecha para suministrar la cantidad apropiada de combustible de la cámara de flotación del carburador a través de una serie de orificios ubicados en el estrangulamiento del venturi. Aguas abajo del venturi está una válvula de mariposa la cual regula el flujo combinado de aire + combustible y por tanto la potencia del motor. El flujo de admisión es estrangulado por debajo de la presión atmosférica reduciendo el área de flujo cuando la

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potencia requerida (a cualquier velocidad del motor ) está por debajo de la máxima, la cual se obtiene con la mariposa totalmente abierta. El colector de admisión generalmente se calienta para facilitar la evaporación rápida del combustible líquido y obtener así una distribución uniforme de combustible entre todos los cilindros. A partir de 1998 se exige en Colombia por ley, el uso de sistemas de inyección electrónico en lugar de la carburación con fines de mejorar las emisiones de los vehículos. Los sistemas de inyección de combustible pueden ser monopunto cuando se trata de un solo inyector ubicado en el colector de admisión o multipunto cuando se usan tantos inyectores como cilindros ubicados en los puertos de admisión. En el sistema de inyección controlado electrónicamente el flujo de aire se mide directamente; las válvulas de inyección son actuadas dos veces por cada revolución del árbol de levas por pulsos de inyección cuya duración viene determinada por la unidad de control electrónica para suministrar la cantidad deseada de combustible por ciclo y por cilindro. La secuencia de eventos que tienen lugar al interior del cilindro se ilustra en la Figura 2.5

Figura 2.5 Secuencia de eventos en un MEP de 4 tiempos en función del ángulo de giro del cigüeñal [2]

RCA: Retraso al cierre de la válvula de admisión; AAA: Avance de Apertura de la válvula de Admisión; AAE: Avance de Apertura de la válvula de Escape; RCE: Retraso al cierre de la válvula de escape

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Como se observa en la Figura 2.5 es más cómodo utilizar como variable independiente el ángulo de giro del cigüeñal en lugar del tiempo debido a que la mayoría de los procesos en el motor ocurren a intervalos de ángulo de giro del cigüeñal casi constante sobre un amplio rango de velocidades del motor. Para mantener flujos de mezcla elevados a altas velocidades ( y por lo tanto altas potencias ) la válvula de admisión que abre antes del PMS y cierra bastante después

del PMI, produciéndose de ésta manera una mezcla entre la carga fresca y los gases quemados residuales que permanecieron del ciclo anterior. Una vez cierra la válvula de admisión el contenido del cilindro es comprimido por encima de la presión y temperatura atmosférica a medida que el volumen del cilindro es reducido. Se genera alguna transferencia de calor hacia el pistón, la culata y las paredes del cilindro, pero el efecto sobre las propiedades del gas sin quemar aún es despreciable. Entre 10 y 40 grados de cigüeñal antes del PMS, la chispa genera una descarga eléctrica entre los dos electrodos iniciándose el proceso de combustión. Un interruptor rotativo o distribuidor arrastrado por el árbol de levas interrumpe la corriente desde la batería hacia el circuito primario de la bobina. El cableado secundario de la bobina de encendido conectado a la bujía produce un voltaje elevado a través de los electrodos a medida que se colapsa el campo magnético. Actualmente el distribuidor es electrónico. La descarga eléctrica hace que se desarrolle un frente de llama turbulento que se propaga a través de la mezcla aire, combustible y gases residuales en el cilindro y se extingue en las paredes de la cámara cámara de combustión. La duración de éste proceso varía según el diseño y la operación del motor pero generalmente está entre 40 y 60 grados de ángulo de giro del cigüeñal como se observa en la Figura 2.5. A medida que se quema la mezcla en el frente de llama, incrementa la presión en el cilindro por encima del nivel que lo haría si solo se comprimiera ( línea punteada ). Esta última curva también llamada curva de presión en cilindro a motor arrastrado, se obtiene arrastrando el motor desde el exterior o sin combustión. En la realidad los procesos de admisión y compresión del motor con combustión y del motor arrastrado no son exactamente las mismas debido a la presencia de gases quemados del ciclo anterior. Es importante notar que debido a las diferencias en los patrones de flujo y a la composición de la mezcla entre cilindros, y dentro de cada cilindro ciclo a ciclo, cada proceso de combustión difiere en algo. Este fenómeno se conoce como dispersión cíclica. Como consecuencia de esto, la forma de la curva de presión versus ángulo de cigüeñal en cada cilindro y ciclo a ciclo no es exactamente la misma. Existe un momento óptimo para el salto de la chispa el cual, para una masa dada de aire + combustible en el interior del cilindro genera el par máximo. Un avance muy muy alejado ( más retirado del PMS ) o muy retardado ( muy cercano al PMS ) del óptimo daría siempre menor

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potencia. El máximo par efectivo es un compromiso compromiso empírico entre un inicio de la combustión demasiado temprano durante la carrera de compresión ( cuando se está transfiriendo trabajo hacia los gases) y un final de la combustión demasiado tardío durante la carrera de expansión

(disminuyendo así el pico de presión en la carrera de expansión ). Aproximadamente a dos terceras partes de la carrera de expansión inicia la apertura de la válvula de escape. La presión en el cilindro es mayor que la presión en el colector de escape ocurriendo así un proceso de soplado aguas abajo del colector de escape. Los gases quemados fluyen a través de la válvula hacia puerto y colector de escape hasta que se equilibran las presiones en el cilindro y en el escape. La duración de este proceso depende del nivel de presión en el cilindro. El pistón entonces desplaza los gases quemados en el cilindro hacia el colector durante la carrera de escape. El objetivo de abrir la válvula de escape antes que termine la carrera de expansión consiste en asegurar que el proceso de soplado no ocurra demasiado entrada la carrera de escape. El momento óptimo de abertura de la válvula de escape es un compromiso que balancea la disminución de trabajo transmitido al pistón antes del PMI contra la reducción de trabajo hacia el contenido del cilindro después del PMI. La válvula de escape permanece abierta unos grados después del PMS; y la de admisión abre unos grados antes. Este cruce de válvulas se hace para asegurar que éstas estén completamente completamente abiertas cuando las velocidades del pistón son las más altas. Las válvulas se abren y se cierran despacio para evitar ruido y un desgaste excesivo de las levas. Si el flujo en la admisión es estrangulado por debajo de la presión en el colector de escape se presenta retroflujo de gases quemados hacia el colector de admisión.

OPERACIÓN DEL MEC [2] En los MEC se induce únicamente aire al cilindro. El combustible se inyecta directamente al cilindro justo antes de que se requiera que inicie el proceso de combustión. El control de la carga se logra variando la cantidad de combustible inyectado en cada ciclo; el flujo de aire a una velocidad determinada del motor permanece prácticamente invariable. Existe una gran variedad de diseños de MEC para un amplio rango de aplicaciones – automoción, camiones, locomotoras, barcos, generación de potencia. Son comunes los MEC de aspiración natural donde el aire es inducido a presión atmosférica, los MEC turboalimentados donde el aire es comprimido por un sistema turbina compresor, y MEC supercargados donde el aire es comprimido por una bomba o soplador conducidos mecánicamente. mecánicamente.

El turboalimentador y supercargador incrementan la

potencia del motor al aumentar el flujo másico de aire por unidad de volumen desplazado permitiendo así un incremento de flujo de combustible. Estos generalmente se usan en motores grandes para reducir el tamaño y el peso del motor para una potencia determinada. Excepto en

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motores de pequeño tamaño los dos tiempos son bastante competitivos con los cuatro tiempos, en gran parte debido, a que en el ciclo diesel únicamente se producen pérdidas de aire durante el proceso de barrido. La operación de un MEC típico de aspiración natural de cuatro tiempos se ilustra en la Figura 2.6 . La relación de compresión de los motores diesel es mucho más alta que la de los MEP típicos, estando entre el rango de 12 a 24 dependiendo del tipo de MEC y de si el motor es de aspiración natural o turboalimentado. La sincronización de válvulas usada es similar a los MEP. El aire a una presión cercana a la atmosférica es inducido durante la carrera de admisión y luego comprimido a una presión cercana a los 4000 kPa (40 bar ) y a una temperatura cercana a los 800º K durante la carrera de compresión. Unos 20 grados antes del PMS comienza la inyección

de combustible al cilindro. Un perfil típico de la tasa de inyección de combustible se puede ver en la Figura 2.6 b . El chorro de combustible líquido se atomiza en gotas y penetra en el aire. Las gotas van reduciendo de tamaño a medida que el combustible líquido se evapora; el vapor de combustible se mezcla luego con el aire. La temperatura y presión del aire están por encima del punto de encendido del combustible. Por lo tanto después de un corto período de retraso, ocurre un encendido espontáneo (autoignición) de aquellas regiones dentro del cilindro en las que se han logrado las proporciones adecuadas aire – combustible iniciándose y propagándose el proceso de combustión. La presión en el cilindro sube por encima del nivel de presión sin combustión (Figura 2.6 c).

La llama se esparce rápidamente a través de aquellas porciones de aire –

combustible que ya se han mezclado. A medida que se da el proceso de expansión continua la mezcla entre el aire, el combustible y los gases quemados, acompañados por más combustión (Figura 2.6 d ). ). A plena carga, la masa de combustible inyectado es aproximadamente un 5% de la masa de aire en el cilindro. La cantidad de combustible que puede ser quemado eficientemente está limitado por los niveles de humo negro en el escape. El proceso de escape es similar al del MEP de cuatro tiempos. AL final de la carrera de escape el ciclo inicia de nuevo. En el MEC de dos tiempos la compresión, inyección de combustible, combustión y expansión son similares a su equivalente de cuatro tiempos; son las presiones en la admisión y en el escape las que difieren. El sistema de inyección de combustible convencional de un motor diesel consiste de una bomba de inyección, tuberías de suministro de combustible, combustible, y los inyectores. Existen diferentes tipos de bombas de inyección y de inyectores.

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Figura 2.6 Secuencia de eventos en un MEC típico de cuatro tiempos de aspiración natural [2]

Donde RCA y AAE son las mismas definiciones definiciones de la Figura Figura 2.5. AII: Angulo de Inicio de la Inyección; Inyección; AIF: Angulo de Fin de la Inyección; AIC: Angulo de Inicio de la Combustión y AFC: Angulo de Fin de la Combustión

En una bomba de inyección corriente ( como el diseño de bomba en línea que se muestra en la Figura 2.7 ) un conjunto de émbolos movidos por levas, uno por cada cilindro, operan en

cilindros muy ajustados. Al inicio de la carrera del émbolo el puerto de entrada está cerrado y el combustible atrapado por encima de éste es forzado a través de una válvula de cheque hacia la

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línea de inyección. La tobera de inyección tiene generalmente varios agujeros a través de los cuales el chorro de combustible fluye al cilindro ( ver Figura 2.8 ). Una válvula normalmente con carga de un resorte mantiene cerrados esos agujeros hasta que la presión en la línea de inyección actuando sobre parte de la superficie de la válvula vence la fuerza del resorte y abre la válvula. La inyección inicia ligeramente después de que la presión en la línea empieza a aumentar. Así pues, El inicio de la inyección está controlado por la puesta en fase entre el árbol de levas de la bomba y el cigüeñal.

La inyección finaliza cuando el puerto de admisión de la bomba es

descubierto por una ranura helicoidal labrada en el émbolo de la bomba, debido a que se libera la elevada presión ejercida por encima de éste. La cantidad de combustible inyectado, (la cual controla la carga) está determinada por el diseño de la leva de la bomba de inyección y por la posición de la ranura helicoidal. Así pues, para un diseño de leva dado, se puede variar la carga rotando el émbolo.

Figura 2.7 Sistema de inyección de combustible de bomba en línea de un MEC [2]

Los MEC pequeños, suelen llevar bombas de inyección centrífugas. Estas tienen únicamente un émbolo el cual mide y distribuye el combustible hacia todas las toberas de inyección. En el Capítulo 9 se detalla más este tipo de bombas. La unidad contiene una bomba de combustible de

baja presión a la izquierda y una bomba de inyección de alta presión a la derecha, un regulador de

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velocidad máxima, y un distribuidor de inyección. La alta presión se genera por el émbolo el cual está hacho para describir un movimiento combinado rotativo y lineal por el disco excéntrico rotatorio; el movimiento rotativo distribuye el combustible a cada tobera. Este tipo de bombas pueden operar a más altas velocidades y ocupar menos espacio que las bombas en línea las, cuales normalmente se usan en motores de tamaño medio.

En MEC de gran tamaño

normalmente se usan bombas de inyección individuales por cilindro.

Figura 2.8 Detalles del sistema de inyección de combustible de una bomba en línea de un MEC [2]

MOTORES DE CARGA ESTRATIFICADA [2] Se llaman así a aquellos MCIA híbridos que intentan combinar las mejores características los MEC y los MEP. Se busca así operar un motor a una relación de compresión óptima para un gran rendimiento ( entre 12 y 15 ) mediante:

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1. Inyección del combustible directamente a la cámara de combustión durante la carrera de compresión ( evitando así los problemas de encendido espontáneo e incontrolado que limitan los MEP convencionales con su carga de premezcla ).

2. Encendido del combustible con una chispa para suministrar un control directo del proceso de encendido ( y eliminar por lo tanto los requerimientos de calidad de encendido de los MEC ) 3. Controlar la potencia del motor variando la cantidad de combustible inyectada por ciclo ( sin estrangular el flujo de aire para minimizar el trabajo de bombeo )

Estos motores a menudo son llamados motores de carga estratificada debido a la necesidad de producir en el proceso de mezclado entre el chorro de combustible y el aire en el cilindro una mezcla estratificada, con una composición fácilmente encendible encendible por la bujía. Debido a que éstos motores no requieren como los MEP combustibles con elevado octanaje ni combustibles con una elevada calidad de encendido como los MEC, son por lo tanto apropiados para muchos tipos de combustibles y operan con un amplio rango de combustibles líquidos. En la Figura 2.9 se ilustran los principios de motores de carga estratificada multicombustibles. multicombustibl es. Generalmente la cámara de combustión combustión viene labrada en forma de copa en la corona del pistón y requiere un alto grado de torbellino creado durante la admisión y aumentado durante la compresión para alcanzar un mezclado rápido entre el aire y el combustible.

Figura 2.9 Motores de carga estratificada estratificada multicombustible multicombustible usados comercialmente. [2]

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El combustible es inyectado tangencialmente dentro de la copa, en la corona del pistón, hacia el final de la carrera de compresión. Una descarga eléctrica de larga duración enciende el chorro de aire más combustible a medida que éste pasa por la bujía. La llama se expande aguas abajo, envolviendo y consumiendo la mezcla de aire – combustible. combustible. La mezcla continua, y las etapas finales de la combustión se completan durante la expansión. Generalmente a éstos motores se les suele llamar de carga estratificada de inyección directa. El motor puede ser turboalimentado para incrementar su densidad de potencia.

LITERATURA RECOMENDADA •

Heywood, J. B. (1988), “ Internal Combustion Engine Fundamentals”. McGraw Hill, New York. Capítulo 1

•

Obert, E.F., (1997), “ Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones”.

Cecsa,

México. •

Lichty, L.C., (1967), “ Combustion Engine Processes ”.

International Student Edition,

McGraw-Hill.

REFERENCIAS [1] Muñoz Torralbo, M. y Payri Gonzáles, F. (1978), “ Turbomáquinas Térmicas ”. Sección de publicaciones de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid, Madrid. [2] Heywood, J. B. B. (1988), (1988), “ Internal Combustion Engine Fundamentals”. McGraw Hill, New York.

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Tipos de motores y su funcionamiento

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