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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
“FRANCISCO DE MIRANDA”
ÁREA DE TECNOLOGÍA
Departamento de Energética Aprendizaje Dialógico Interactivo
UNIDAD CURRICULAR: EQUIPOS, MAQUINAS E INSTALACIONES INDUSTRIALES
PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA
PROFESOR: IINNGG.. ALALIISS MMOOPPRRIILLLLOO..
MOTORES DE COMBUSTION INTERNA
Un motor de gasolina constituye una máquina termodinámica formada por un conjunto de piezas o mecanismos fijos y móviles, cuya función principal es transformar la energía química que proporciona la combustión producida por una mezcla de aire y combustible en energía mecánica o movimiento. Cuando ocurre esa transformación de energía química en mecánica se puede realizar un trabajo útil como, por ejemplo, mover un vehículo automotor como un automóvil, o cualquier otro mecanismo, como pudiera ser un generador de corriente eléctrica.
De igual forma, con la energía mecánica que proporciona un motor térmico se puede mover cualquier otro mecanismo apropiado que se acople al mismo como puede ser un generador de corriente eléctrica, una bomba de agua, la cuchilla de una cortadora de césped, etc.
En líneas generales los motores térmicos de combustión interna pueden ser de dos tipos, de acuerdo con el combustible que empleen para poder funcionar:
De explosión o gasolina De combustión interna diesel
Mientras que los motores de explosión utilizan gasolina (o gas, o también alcohol) como combustible, los de combustión interna diesel emplean sólo gasoil (gasóleo). Si en algún momento comparamos las partes o mecanismos fundamentales que conforman estructuralmente un motor de gasolina y un motor diesel, veremos que en muchos aspectos son similares, mientras que en otros difieren por completo, aunque en ambos casos su principio de funcionamiento es parecido.
DIESEL OTTO
ENCENDIDO Compresión Por chispa (bujía)
ADMISIÓN Aire Mezcla carburada
COMBUSTIBLE Gasolina natural o^ GasGas-oil
RELACIÓN PESO TAMAÑO Mayor tamaño^ Menor tamaño
Tanto los motores de gasolina como los diesel se pueden emplear para realizar iguales funciones; sin embargo, cuando se requiere desarrollar grandes potencias, como la necesaria para mover un barco o un generador de corriente eléctrica de gran capacidad de generación, se emplean solamente motores de combustión interna diesel. Los motores de combustión interna pueden ser de dos tiempos, o de cuatro tiempos, siendo los motores de gasolina de cuatro tiempos los más comúnmente utilizados en los coches o automóviles y para muchas otras funciones en las que se emplean como motor estacionario.
CICLO OTTO
El motor de gasolina de cuatro tiempos se conoce también como “motor de ciclo Otto”, denominación que proviene del nombre de su inventor, el alemán Nikolaus August Otto (1832-1891).
El ciclo de trabajo de un motor Otto de cuatro tiempos, se puede representar gráficamente, tal como aparece en la ilustración de la derecha.
CICLO DIESEL.
El motor diésel es un motor térmico de combustión interna en el cual el encendido se logra por la temperatura elevada que produce la compresión del aire en el interior del cilindro. Fue inventado y patentado por Rudolf Diesel en 1892 , de allí que a veces se denomine motor Diésel. Fue diseñado inicialmente y presentado en la feria internacional de 1900 en París como el primer motor para "biocombustible": aceite de
Carrera de admisión
Motor de gasolina
Durante la carrera de descenso del pistón, se abre una válvula conocida como válvula de admisión (la de la izquierda) y entra al cilindro (según indican las flechas) la mezcla de aire y gasolina atomizada (previamente elaborada en el carburador o por la inyección), debido al vacío resultante. La otra válvula o válvula de escape (la de la derecha) permanece cerrada. Cuando el pistón llega a su punto mas bajo, conocido como punto muerto inferior todo el cilindro está lleno de la mezcla combustible y el pistón comenzará a subir. Motor Diesel
Para el caso del motor Diesel solo entra al cilindro aire sin combustible.
Carrera de compresión
Motor de gasolina
En el momento en que el pistón sube, se cierra la válvula de admisión y la de escape permanece cerrada, por lo que se produce la compresión de la mezcla de aire y combustible. Esta parte del ciclo se conoce como carrera de compresión, durante ella y debido al aumento de presión, el aire se calienta, la gasolina se evapora y mezcla íntimamente con el aire, quedando preparada para el encendido, que se produce cuando el pistón alcanza una posición muy próxima al punto mas alto conocido como punto muerto superior_._ Este encendido se produce debido al salto de una chispa eléctrica en la bujía (en el centro), muy bien sincronizada en el momento preciso.
La inflamación de la mezcla produce un aumento brusco de la presión que empuja el pistón hacia abajo para producir la fuerza de trabajo del motor.
Motor Diesel
Si nos referimos al motor Diesel solo se comprime el aire que también se calienta, luego cerca del punto muerto superior, se inyecta el combustible a muy alta presión dentro del cilíndro fínamente atomizado,con un dispositivo conocido como inyector; la temperatura del aire enciende el combustible espontáneamente (sin bujía) y se produce el aumento de presión.
Carrera de trabajo La gran presión de los gases, al quemarse el combustible hace descender el pistón con gran fuerza y es en este momento que el motor puede producir trabajo útil capaz de mover una carga, en este caso el automóvil. Cerca del punto muerto inferior los gases se han enfriado un poco y perdido parte de la presión por lo que ya no son útiles para realizar el trabajo, en ese momento se abre la válvula de escape y comienza la última parte del ciclo. Esta parte del ciclo es idéntica para los motores de gasolina y Diesel.
Carrera de escape El movimiento ascendente del pistón limpia el cilindro de los gases quemados que salen a través de la válvula de escape (según las flechas) mientras la válvula de admisión permanece cerrada. Cuando llega al punto muerto superior y el cilindro está limpio, empieza un nuevo descenso y se comienza un nuevo ciclo de admisión para perpetuar el movimiento del motor. Esta parte del ciclo es idéntica para los motores de gasolina y Diesel.
En resumen, pera completar un ciclo de trabajo, el cigüeñal a dado dos vueltas y se han completado cuatro carreras que son de admisión , de compresión , de trabajo y de escape , por tal motivo, este tipo de motor es conocido como de cuatro tiempos.
En el caso de los motores con mas de un pistón, todos están acoplados a un mismo cigüeñal con diferente posición y funcionan muy bien sincronizados.
Para garantizar el funcionamiento en general del motor se necesitan sistemas en él, que completan todas sus necesidades, estos son:
1.- Sistema de alimentación de combustible y escape
2.- Sistema de lubricación
Para mas claridad el vástago de la válvula ha sido cortado, observe que el árbol de levas al girar hará que la leva empuje el pulsador y este a su vez moverá hacia arriba la válvula venciendo la fuerza del resorte recuperador. El regulador (generalmente un tornillo roscado en el pulsador) es necesario para compensar el desgaste de las piezas en contacto por el uso y para regular una pequeña holgura que debe existir entre el pulsador y la válvula, debido al cambio de longitud del vástago entre frío y caliente.
Esquema 2
En este caso el árbol de levas está acoplado al cigüeñal por medio de un engranaje y las válvulas son accionadas a través de unas varillas o empujadores que mueven unos balancines, que son a su vez los que accionan las válvulas. El mecanismo de regulación puede verse entre el empujador y el balancín. Resulta importante aclarar que es muy necesario para un buen funcionamiento del motor acoplar el engranaje de mando del árbol de levas adecuadamente con el del cigüeñal para lograr el exacto tiempo de apertura y cierre de las válvulas de acuerdo a la posición del pistón. Los fabricantes de autos siempre proporcionan el modo de hacer este acople, lo mas común es el uso de marcas en las caras de los engranes.
Mecanismo pistón-biela-cigüeñal
El nombre se debe a que en este mecanismo, se usan estos tres elementos para convertir la fuerza de empuje de gases a alta presión sobre un pistón, en movimiento rotatorio del un eje, según el esquema que sigue.
Observe que el movimiento de traslación del pistón colocado entre dos superficies guias, se transmite a través de una barra recta conocida como biela a una manivela rotatoria que es el llamado cigüeñal. La flecha representa el empuje de los gases sobre el pistón, que actúan solo en la carrera de descenso, luego la inercia de un volante acoplado al cigüeñal hace subir de nuevo el pistón para una nueva actuación del empuje, convirtiendo el movimiento oscilante del pistón en rotación permanente del cigüeñal. Aunque no es igual, se asemeja al movimiento que se hace cuando se pedalea en una bicicleta, en el cual el empuje de las piernas se convierte en movimiento rotatorio del eje de los pedales y luego de la rueda a través de la cadena.
. Árbol de levas.- Eje parecido al cigüeñal, pero de un diámetro mucho menor, compuesto por tantas levas como válvulas de admisión y escape tenga el motor. Encima de cada leva se apoya una varilla empujadora metálica, cuyo movimiento alternativo se transmite a los balancines que abren y cierran las válvulas de admisión o las de escape.
Culata de un motor de explosión o gasolina, del tipo DOHV (Dual Over. Head Valves – Culata de válvulas dobles ), donde se puede apreciar el. funcionamiento de las
válvulas de admisión y de escape. Esas válvulas. son accionadas directamente por dos
árboles de levas (vistos de frente), que actúan directamente encima de éstas,
para abrirlas y cerrarlas, sin. necesidad de utilizar, ni varilla empujadora, ni
balancín.
El árbol de levas se encuentra sincronizado de forma tal que efectúa medio giro por cada giro completo del cigüeñal. Los motores OHV ( Over Head Valves – Válvulas en la culata) tienen un solo árbol de levas, mientras que los DOHV ( Dual Over Head Valves
- Válvulas dobles en la culata) tienen dos árboles de levas perfectamente sincronizados por medio de dos engranes accionados por el cigüeñal. En los motores DOHV los árboles de levas están colocados encima de la culata y actúan directamente sobre las válvulas sin necesidad de incluir ningún otro mecanismo intermediario como las varillas de empuje y los balancines que requieren los motores OHV.
Aros del pistón.- Los aros son unos segmentos de acero que se alojan en unas ranuras que posee el pistón. Los hay de dos tipos : de compresión o fuego y rascador de aceite.
Biela.- Es una pieza metálica de forma alargada que une el pistón con el cigüeñal para convertir el movimiento lineal y alternativo del primero en movimiento giratorio en el segundo. La biela tiene en cada uno de sus extremos un punto de rotación : uno para soportar el bulón que la une con el pistón y otro para los cojinetes que la articula con el cigüeñal. Las bielas puedes tener un conducto interno que sirve para hacer llegar a presión el aceite lubricante al pistón.
Bulón.- Es una pieza de acero que articula la biela con el pistón. Es la pieza que más esfuerzo tiene que soportar dentro del motor.
Cigüeñal.- Constituye un eje con manivelas, con dos o más puntos que se apoyan en una bancada integrada en la parte superior del cárter y que queda cubierto después por el propio bloque del motor, lo que le permite poder girar con suavidad. La manivela o las manivelas (cuando existe más de un cilindro) que posee el cigüeñal, giran de forma excéntrica con respecto al eje. En cada una de las manivelas se fijan los cojinetes de las bielas que le transmiten al cigüeñal la fuerza que desarrollan los pistones durante el tiempo de explosión. A.- Cigüeñal. B.- Árbol de levas.
Ilustración esquemática en la que se puede apreciar la forma en que los pistones transforman el movimiento rectilíneo alternativo que producen las explosiones en la cámara de combustión, en movimiento giratorio en el cigüeñal.
Volante.- En un motor de gasolina de cuatro tiempos, el cigüeñal gira solamente media vuelta por cada explosión que se produce en la cámara de combustión de cada pistón ; es decir, que por cada explosión que se produce en un cilindro, el cigüeñal debe completar por su propio impulso una vuelta y media más, correspondientes a los tres tiempos restantes. Por tanto, mientras en uno de los tiempos de explosión el pistón “entrega energía” útil, en los tres tiempos restantes “se consume energía” para que el cigüeñal se pueda mantener girando por inercia.
Esa situación obliga a que parte de la energía que se produce en cada tiempo de explosión sea necesario acumularla de alguna forma para mantener girando el cigüeñal durante los tres tiempos siguientes sin que pierda impulso. De esa función se encarga una masa metálica denominada volante de inercia , es decir, una rueda metálica dentada, situada al final del eje del cigüeñal, que absorbe o acumula parte de la energía cinética que se produce durante el tiempo de explosión y la devuelve después al cigüeñal para mantenerlo girando.
Cuando el motor de gasolina está parado, el volante también contribuye a que se pueda poner en marcha, pues tiene acoplado un motor eléctrico de arranque que al ser accionado obliga a que el volante se mueva y el motor de gasolina arranque. En el caso de los coches y otros vehículos automotores, la rueda del volante está acoplada también al sistema de embrague con el fin de transmitir el movimiento del cigüeñal al mecanismo diferencial que mueve las ruedas del vehículo.
Balancín.- En los motores del tipo OHV ( Over Head Valves – Válvulas en la culata), el balancín constituye un mecanismo semejante a una palanca que bascula sobre un punto fijo, que en el caso del motor se halla situado normalmente encima de la culata. La función del balancín es empujar hacia abajo las válvulas de admisión y escape para obligarlas a que se abran. El balancín, a su vez, es accionado por una varilla de empuje
movida por el árbol de levas. El movimiento alternativo o de vaivén de los
balancines está perfectamente sincronizado con los tiempos del motor.
Carburador
Se denomina así al dispositivo utilizado tradicionalmente para producir la mezcla aire- gasolina de los motores de combustión interna. El nombre deriva de la palabra carburante que es como se denominaba (y aun se usa) para nombrar al combustible proveedor de la energía del motor.
Este dispositivo nacido con los comienzos del motor de manera muy simple, fue evolucionando hasta convertirse en verdaderos ingenios neumo-mecánicos que se ajustaban mas adecuadamente a las necesidades del motor, así como a los requerimientos de control de contaminación elaborados por los gobiernos. Aunque aun son muchos los automóviles que funcionan con carburadores, han ido siendo sustituidos por la inyección de gasolina y puede decirse que la era del carburador está tocando a su fin en el uso automotriz, aunque quedará todavía por mucho tiempo en otros motores como los pequeños motores estacionarios, las motocicletas y similares, donde la complejidad de la inyección de gasolina es un gran problema.
Inyección de gasolina
Aunque el carburador nacido con el motor, se desarrolló constantemente hasta llegar a ser un complejo compendio de cientos de piezas, que lo convirtieron en un refinado y muy duradero preparador de la mezcla aire-gasolina para el motor del automóvil en todo el rango de trabajo, no pudo soportar finalmente la presión ejercida por las reglas de limitación de contaminantes emitidas por las entidades gubernamentales de los países mas desarrollados y fue dando paso a la inyección de gasolina, comenzada desde la décadas 60-70s principalmente en Alemania, pero que no fue tecnológicamente realizable hasta que no se desarrolló lo suficiente la electrónica miniaturizada. La diferencia conceptual fundamental entre los dos tipos de preparación de la mezcla, es que en el carburador se hace básicamente de acuerdo a patrones mas o menos fijos, establecidos de fábrica, que con el uso se van alterando hasta sacarlo de los estrechos índices permitidos de producción de contaminantes, mientras que la inyección de gasolina tiene sensores en todos los elementos que influyen en el proceso de alimentación y escape del motor y ajusta automáticamente la mezcla para mantenerlos siempre dentro de las normas, a menos que se produzca una avería en el sistema. Es notoria la mayor complejidad de la inyección de gasolina con respecto al carburador, lo que la encarece, pero no hay hasta ahora, ningún otro sistema que garantice la limpieza de los gases requerida para mantener la atmósfera respirable en las zonas de tránsito urbano intenso actual.
Para describir como funciona utilizaremos el diagrama de bloques siguiente
Colocado en el conducto de admisión del motor existe una electroválvula conocida como inyector , que al recibir una señal eléctrica, se abre y deja pasar la gasolina al interior del conducto. La linea de entrada al inyector tiene una presión fija mantenida desde el depósito, por una bomba eléctrica asistida por un regulador de presión. El tiempo de duración de la señal eléctrica y con ello la cantidad de gasolina inyectada, así como el momento en que se produce la inyección, los determina la unidad procesadora central en consecuencia con la posición de la mariposa de entrada de aire al motor y las señales emitidas por un grupo de sensores que miden los factores que influyen en la formación de la mezcla. La clave de la inyección de gasolina es la unidad procesadora central (UPC) o unidad central electrónica (UCE), que es un miniordenador cuya señal de salida es un pulso eléctrico de determinada duración en el momento exacto que hace falta (durante la carrera de admisión) al, o los inyectores. La señal principal para hacer la decisión del tiempo de apertura del inyector la recibe de una mariposa colocada en el conducto de admisión en cuyo eje hay montada una resistencia eléctrica variable, así la posición de la mariposa es interpretada por la UPC como mas o menos aire al cilindro y por lo tanto mas o menos necesidad de gasolina, regulada a través del tiempo de apertura del inyector. El momento exacto de comenzar la apertura del inyector viene de un sensor de posición montado en el árbol de levas o el distribuidor, que le indica a la UPC cuando están abiertas las válvulas de admisión y por lo tanto se está aspirando el aire que arrastrará al interior del cilindro la gasolina inyectada en el conducto de admisión. Este trabajo lo hace la UPC utilizando un tiempo básico que viene con él por defecto y que hace funcionar el motor en condiciones normales, pero que no son las óptimas para el trabajo del motor en otras condiciones.
Para ajustar con exactitud el tiempo de apertura de los inyectores y obtener la máxima eficiencia y la mínima emisión de gases tóxicos, la UPC tiene en cuenta un grupo de otras entradas que llegan a él, procedentes de varios sensores, que vigilan el comportamiento de los factores que influyen en el proceso de combustión, estas entradas son procesadas electrónicamente y sirven para modificar el tiempo de apertura del inyector a la cantidad exacta.
Las UPC están preparadas para ignorar los sensores cuando hay una avería de algunos
- El tiempo que tiene para inyectar la gasolina cuando el motor gira a unas 4000 RPM es de solo 0.00375 segundos es decir algo mas de 3 milésimas de segundo, en ese tiempo debe abrirse y cerrarse con gran exactitud.
El esquema que sigue representa una vista del inyector real
Así luce un inyector de gasolina real, en él puede verse una bobina eléctrica que cuando se energiza levanta la armadura que sube la aguja y deja abierto el paso del combustible a la tobera por donde sale pulverizado, una vez que cesa la señal eléctrica, la propia presión del combustible empuja la armadura que funciona como un pistón y aprieta la aguja contra el asiento cerrando la salida completamente.
Sistema de inyección Diesel
Al final de la carrera de compresión el aire que ha entrado al cilindro durante la carrera de admisión previa, ha sido confinado a un pequeño volumen llamado cámara de combustión y sometido a una fuerte compresión y está muy caliente. Si en ese momento se inyecta al interior del cilindro la cantidad adecuada de combustible Diesel pulverizado, este se inflamará y producirá el debido incremento de presión que actúa sobre el pistón para producir la carrera de fuerza del motor. El mecanismo que se ocupa de dosificar, pulverizar e introducir al cilindro en el instante y por el tiempo adecuados el combustible al cilindro se llama sistema de inyección. El proceso de inyectar combustible en el motor Diesel puede resumirse en pocas palabras como se ha hecho, y aparentemente parece ser simple, pero en realidad está rodeado de un gran número de particularidades que hacen de él, una de las mayores conquistas tecnológicas realizadas por el hombre en la mecánica de precisión del siglo XX. Baste decir que este sistema tiene que poder inyectar con gran exactitud y a grandes presiones (entre 120 y 400 kg/cm²), volúmenes de líquido que pueden ser comparables con el de la cabeza de un alfiler, con un comienzo y tiempo de duración muy exactos, a frecuencias que pueden llegar a mas de 2000 ciclos por segundo, y por
un período de millones de ciclos sin fallo. Súmele a eso que la inyección se produce en una cámara donde hay combustión simultánea a la inyección, en un ambiente caliente y agresivo y me dirá si no es un verdadero milagro tecnológico haberlo conseguido y perfeccionado. Para preparar el terreno y que usted pueda conocer las particularidades básicas relacionadas que hacen complejo el funcionamiento del sistema de inyección, hagamos un análisis de los factores involucrados en el proceso.
Esquema del sistema
Durante el desarrollo del motor Diesel, los fabricantes han elaborado diferentes sistemas mecánicos que cumplen con los requisitos de trabajo, uno de los mas utilizados y del que nos ocuparemos aquí es el sistema Bosch. En la figura se representa de manera esquemática un sistema Bosh de inyección. En él, una bomba capaz de dosificar y elevar la presión a los valores necesarios para la inyección y en el momento preciso del combustible, gira arrastrada por el motor a través de un acoplamiento, esta bomba es la bomba de inyección. Unos conductos de alta presión llevan el combustible hasta los inyectores, que son los encargados de producir el aerosol dentro del cilindro. Una pequeña bomba adosada a la bomba de inyección y accionada por esta, trasiega el combustible desde el depósito y la alimenta haciéndolo pasar
por un juego de filtros. La capacidad de bombeo de esta bomba de trasiego es muy superior a las necesidades del motor, lo que sirve para incluir un regulador de presión que adecua y estabiliza la presión de alimentación a la bomba de inyección, desviando
Este es un sistema sin gran complejidad, en él, el aire del exterior entra directamente al filtro acoplado en un extremo del carburador, debajo de este último está el múltiple de admisión que se acopla a un costado del motor, justo en la entrada del conducto que conduce a la válvula de admisión. Las flechas desde el exterior representan el flujo de aire.
Es común que desde el filtro hasta el exterior exista otro conducto que puede perseguir dos objetivos 1.- Obtener el aire mas frío lejos del calentamiento redundante del motor 2.- Darle altura a la entrada, ya que mientras mas cerca del suelo el aire tiene mas polvo.
Las imágenes que sigue, corresponden a diferentes múltiples de admisión, puede observarse que van desde simples conductos hasta complejos sistemas de tubos.
Filtro de aire
El filtro de aire tiene una importancia vital para la duración del motor, ya que evitan la entrada de partículas sólidas flotantes en el aire que lo desgastarían por abrasión, especialmente en ambientes polvorientos.
Este filtro antiguamente estaba constituido por un recipiente lleno con un entramado de fibras humedecidas con aceite, por el cual pasaba el aire de admisión. El aceite retenía el polvo por adherenciay se denominaban filtros húmedos, su eficacia no era muy buena especialmente cuando se acumulaba en él mucha suciedad ya que dejaban de filtrar, pero tenían la ventaja de que eran "lavables" por lo que podían reusarse muchas veces.
Desde hace unas cuatro décadas, fueron sustituidos por los filtros de papel, en estos el material filtrante es un papel cuya porosidad ha sido elaborada cuidadosamente para que ofrezca poca resistencia al paso del aire, pero que retenga las partículas mas pequeñas contenidas en el aire. estoa filtros se le llama filtros secos. Para aumentar la superficie de filtrado y tener mayor capacidad de trabajo sin obstruirse con la menor resistencia, el filtro se construye con un largo papel arrollado en forma de acordeón. Son muy eficientes en cuanto a la limpieza del aire, pero tienen las desventajas que cuando se retiene mucha suciedad se obstruyen dificultando el trabajo del motor, y que son necesariamente desechables, porque si se intenta lavarlos se agrandan los poros y su eficacia se reduce dramáticamente.
