N-2 Motores térmicos

Máquinas térmicas Ing. Oreste F. Bugliani 1

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MOTORES TERMICOS

Permiten obtener trabajo mecánico a partir del calor, a su vez obtenido de una combustión. En algunos casos la energía del combustible se aprovecha por la combustión dentro del mismo (motores a combustión interna) como por ejemplo los comunmente conocidos como “nafteros” y “gasoleros”, mientras que en otros la cámara de combustión está separada del motor propiamente dicho (motores a combustión externa) tal el caso de las turbinas a vapor. A combustión interna: Motores Ciclo Otto (en todas sus versiones, y en “4 tiempos” , “2 Tiempos” y Wankel) Motores Ciclo Diesel (también en todas sus versiones y en “2” y “4 tiempos”) Motores con ciclo semi-diesel. Turbinas a gas.

A combustión externa: Turbinas a vapor. Máquina alternativa a vapor (industrialmente ya en desuso).

Antes de encarar las problemáticas de la aplicación como asimismo de la instalación y montaje de ellos, veamos brevemente el principio de su funcionamiento y las instalaciones auxiliares que requieren. MOTORES CICLO OTTO Es el más antiguo (inventado por el alemán Augusto N. Otto en 1864) y uno de los más populares motores térmicos, también conocido por motor a encendido por chispa o “naftero” por ser la nafta el combustible que emplean más frecuentemente. Mecánicamente, la estructura básica de estos motores -del tipo alternativo, a pistón- consta de tres grupos constructivos:

1. el conjunto del cigüeñal: mecanismo biela-manivela que comprende: cigüeñal, bielas, pistones y volante de inercia

2. el bloque motor (“block”) que incluye los cilindros, apoyos para el cigüeñal (“bancadas”) , árbol de levas, etc. y la culata (tapa de cilindros), conductos de admisión y escape (múltiples”), etc.

3. los mecanismos de la distribución: árbol de levas, botadores, varillajes, balancines, válvulas, etc. A ellos hay que sumarle: sistema eléctrico de encendido, que por medios electromagnético-mecánico o electrónico es el encargado de

inflamar la mezcla aire-combustible en el interior de los cilindros. sistema de refrigeración apropiado para asegurar el funcionamiento del motor dentro de rangos de temperatura

adecuados a los materiales, aceite lubricante, etc. sistema de lubricación para todas las partes móviles. sistema de alimentación compuesto por filtros de aire, bomba de combustible, carburador o dispositivo de

inyección. Llamando: d diámetro del cilindro c carrera del pistón PMS punto muerto superior PMI punto muerto inferior


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notas v1 volumen de la cámara de combustión vc volumen de embolada o cilindrada unitaria z número de cilindros del motor V volumen de cilindrada total ( V = vc . z ) ε relación de compresión ε = (v1 + vc ) / v1 cuyos valores normales van de 6:1 a 9:1. Principio de funcionamiento: el ciclo se cumple en cuatro carreras del pistón (de allí el nombre “4 tiempos” con el que se conoce a estos motores) donde se realizan las siguientes transformaciones: Desde el punto 0 al 1: 1ra. carrera del pistón (desde el PMS al PMI) aspiración o admisión del gas que evoluciona,

transformación a presión constante (válvula de admisión abierta). Desde el punto 1al 2: 2da. carrera, compresión del gas realizada sin intercambio de calor con el exterior (medio),

transformación adiabática. (ambas válvulas cerradas) Desde el punto 2 al 3: el ciclo recibe una cantidad de calor Q1 a volumen constante. Desde el punto 3 al 4: expansión adiabática del gas. (continuan cerradas ambas válvulas).

v1 vc

Cámara de combustión

Carrera (c)

v

p

patm

Q1

Q2

0 1

2

3

4

Wt

PMS PMI

d

Desde el punto 4 al 1: descenso de la presión del gas por la apertura de la válvula de escape (a volumen

constante) y entrega de una cantidad de calor Q2 al medio.


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notas Desde el punto 1 al 0, fin del ciclo: Barrido o escape del gas hacia el exterior a través de la válvula de escape

abierta, a presión constante. En este punto debemos formular la siguiente aclaración: desde el punto de vista termodinámico se habla de un (1) gas que evoluciona durante todo el ciclo cuando en la realidad no se trata de un gas sino de dos “gases” diferentes: en la admisión y la compresión evoluciona una mezcla de gas (aire) con un líquido (combustible) mientras que en la expansión y el escape se trata de productos de la combustión (gases quemados, humos). Asimismo la cantidad de calor Q1 que el ciclo “recibe” en 3-4 es producto de la energía liberada en la combustión, mientras que Q2 representa al calor que contienen los gases que salen por el escape. Motor Otto a cuatro tiempos

Motores Otto “2 tiempos”: Una configuración mecánica diferente permite cumplir el ciclo completo en dos carreras del pistón, en lugar de cuatro como requiere el anterior, son los llamados “motores 2 tiempos” (en realidad debieran llamarse “2 carreras” por cuanto los cuatro tiempos del ciclo se cumplen, aunque en una sola vuelta del cigüeñal) Este motor no posee válvulas. El ingreso y salida de los gases es controlado por el mismo pistón que tapa y descubre unos orificios (“lumbreras”) ubicados en las paredes del cilindro. En el proceso de admisión y pre-compresión tiene activa participación el carter, que en este caso es hermético y seco.

En el motor "2 tiempos" el pistón que asciende desde el PMI cierra la lumbrera de transferencia provocando una depresión en el carter. Al continuar en su ascenso descubre la lumbrera de admisión posibilitando el ingreso de la mezcla aire-combustible procedente del carburador. La parte superior del pistón comprime la mezcla existente en el cilindro (ingresada en el ciclo anterior). Luego del salto de chispa en la bujía se produce la combustión y expansión provocando la carrera descendente activa del pistón que se desplaza hacia el PMI.. En el descenso el pistón descubre la lumbrera de escape permitiendo la salida de los gases quemados, al mismo tiempo que cierra la lumbrera de admisión, con lo que la mezcla recientemente ingresada queda encerrada en el espacio delimitado por el pistón y el carter. Al continuar el pistón en su descenso abre la lumbrera de transferencia (o barrido) por lo que la mezcla contenida


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notas en el carter y a una presión superior a la atmosférica asciende por el conducto de transferencia completando el barrido de los gases quemados remanentes en el cilindro, llenándolo con mezcla , iniciándose el ciclo siguiente

pistón

conducto de transferencia

bujía

lumbrera y conducto de escape

conducto y lumbrera de admisión biela

carter cigúeñal

cilindro refrigerado por aire


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notas El rendimiento termodinámico ηt (teórico) del ciclo Otto puede obtenerse a partir de la siguiente: η

t = 1 - ___1____

ε k-1

Recordando que en el diagrama p-v, el área encerrada por un ciclo representa el trabajo puesto en juego. Absorbido si está recorrido en sentido anti-horario y realizado si fue cumplido en el sentido del reloj, en el diagrama W t representa el trabajo teórico producido por el ciclo Otto. El ciclo real no coincide con el ideal debido a que: la combustión no se realiza a v = cte. como en el ciclo teórico. no son adiabáticas la compresión y la expansión. por distintas razones no se logra una combustión completa. la fricción en los conductos de admisión y escape, sumado a la restricción que representan las válvulas, dificulta el

ingreso-egreso de mezcla y de gases de los cilindros (“trabajo de bombeo”). existen pérdidas por falta de estanqueidad.

Las figuras siguientes representan los diagramas reales “tipo” correspondientes a motores ciclo Otto de 4 y 2 tiempos, se observa la aparición de dos transformaciones cerradas: W 1 (trabajo producido) y W 2 de sentido contrario (trabajo absorbido) por lo que el trabajo real en el interior del cilindro- o indicado- W i resulta: W i = W 1 - W 2 No todo el trabajo indicado W i está disponible para ser utilizado como trabajo efectivo W e en el árbol motor ya que existen pérdidas mecánicas de distinto tipo: rozamiento en las partes móviles (10 a 15%). potencia absorbida por la distribución. potencia requerida por las bombas de aceite y de agua. idem para el accionamiento de otros mecanismos auxiliares.


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Se llama rendimiento mecánico ηm

del motor, a la relación entre el trabajo efectivamente obtenido We y el trabajo termodinámico W i . η

m = W

e / W

i

Disposición de cilindros:

Para evitar la construcción de pistones, cilindros, válvulas de tamaño demasiado grande, con las dificultades para la lubricación y especialmente la refrigeración que ello acarrea, al incrementarse la potencia se construyen motores de varios cilindros -multi-cilíndricos- que da lugar a distintas configuraciones:

Dos cilindros en “V” a 90° (Ducati)

Cuatro cilindros en línea (Honda CB 550)


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Dos cilindros opuestos (BMW 100S)

La figura siguiente muestra el mando por cadena de un motor de cuatro cilindros en línea con dos árboles de levas a la cabeza (DOHC):

Motores Wankel El desarrollo técnico de los motores alternativos se caracterizó por el empleo de un número de r.p.m. cada vez más alto, para obtener a igualdad de potencia menores pesos y dimensiones (recordar Mt = 71620 N / n) aunque tiene sus limitaciones derivadas de los esfuerzos de inercia que crecen con el cuadrado de la velocidad. Para reemplazar las piezas alternativas por rotativas se realizaron numerosos desarrollos conocidos como “motores a pistón rotativo”, de todos ellos el inventado por el alemán Félix Wankel es el único que fue producido industrialmente (aplicado en automóviles NSU en los años ‘60-Alemania-, posteriormente por Citroen Comotor -Francia, Bélgica- y por Mazda -Japón-). Termodinámicamente corresponde al ciclo Otto de cuatro tiempos ya estudiado.


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notas Consiste en un rotor con forma de triángulo pero de lados curvos que puede girar dentro de una carcasa fija con forma de peritrocoide, de forma tal que las tres aristas del rotor están en permanente contacto con la carcasa formando tres zonas de trabajo con forma de media luna, de volumen variable, sucesivamente comunicadas con una lumbrera de admisión (admisión), cerradas con volumen que se reduce con el giro del rotor (compresión) y que luego vuelve a aumentar (expansión) y finalmente comunicadas con la lumbrera de escape (escape). En el momento de máxima compresión una chispa producida en la bujía asegura el encendido. Este proceso cumple en una vuelta del rotor. Como el rotor delimita tres cámaras, a cada revolución corresponden tres ciclos completos. En los vértices del rotor están situados unos patines (equivalentes a los aros del motor convencional) que aseguran la estanqueidad radial, mientras que para evitar las fugas axiales se instalan unas láminas o anillos en los laterales del rotor. La duración de estos sellos es la principal crítica a este tipo de motores. El movimiento del rotor se transmite por engranajes o por excéntrica a un árbol motor. Su principal ventaja radica en la obtención directa de movimiento rotativo sin necesidad de mecanismos intermediarios (biela-manivela, en los motores convencionales). También resultan ventajosas la mínima cantidad de piezas en movimiento, la ausencia de vibraciones y el mínimo peso y volumen.


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MOTORES CICLO DIESEL

Inventados por el Ing. Rodolfo Diesel, son motores a pistón con similares componentes a los detallados para los que cumplen con el ciclo Otto, aunque: no poseen sistema de encendido; difiere totalmente el sistema de alimentación y en general todos los componentes son más robustos a igualdad de potencia (esto último debido a las mayores relaciones de compresión). En motores de muy alta potencia y para aplicación naval en el mecanismo biela-manivela suelen incorporar la cruceta. También son válidas para el motor diesel las consideraciones realizadas anteriormente en cuanto a la ubicación de las válvulas, disposición de cilindros, etc. Es de hacer notar que, debido a la aplicación de motores diesel para accionamientos de muy grandes potencias como ser locomotoras, barcos, grupos electrógenos, etc. donde no existen las limitaciones de espacio que se presentan en la propulsión automotriz, es frecuente encontrar motores diesel de 12, 16 ó 20 cilindros ya sea en línea o en “V”.

Las características distintivas de un motor Diesel son las siguientes: formación de la mezcla aire-combustible en el interior de los cilindros: la admisión y compresión se realiza

únicamente con aire y el combustible (gas-oil en motores rápidos y diese-oil en aquellos de bajas r.p.m.) sólo se inyecta en el interior de los cilindros al final de la carrera de compresión.

autoencendido: la temperatura al final de la compresión está por encima del punto de inflamación del combustible, de tal manera que se inflama por sí mismo sin necesidad de chispa. De allí que estos motores también son conocidos como motores a encendido por compresión.

La combustión se realiza a presión constante (ciclo teórico), en la práctica sufre incremento por el calor que se va

liberando de la combustión misma y compensado parcialmente por la expansión. Para alcanzar las elevadas temperaturas que se requieren para lograr el autoencendido, la relación de compresión en estos motores generalmente está en el orden de 14:1 a 20:1, lo que permite alcanzar rendimientos térmicos mayores que en el ciclo Otto, lo que constituye su principal ventaja. Por contrapartida, los mayores esfuerzos mecánicos sobre las piezas del motor los hacen más pesados y por consiguiente más difíciles de balancear. También el corto tiempo que se dispone para la formación de la mezcla aire-combustible en el cilindro limita la rapidez de estos motores. Ciclo diesel (teórico) Desde el punto 0 al 1: 1ra. carrera del pistón (desde el PMS al PMI) aspiración o admisión de aire

(únicamente), transformación a presión constante (válvula de admisión abierta). Desde el punto 1al 2: 2da. carrera, compresión adiabática del aire (ambas válvulas cerradas)

Desde el punto 2 al 3: teóricamente aqui el ciclo recibe una cantidad de calor Q

1 a volumen constante.

En la realidad esa cantidad de calor es producto de lla ignición del combustible inyectado en el cilindro desde el momento 2 hasta 3 (inyección de combustible). El dispositivo a través del cual se produce el ingreso de combustible al cilindro se denomina inyector.

Desde el punto 3 al 4: expansión adiabática de los gases quemados. (continuan cerradas ambas

válvulas). Desde el punto 4 al 1: descenso de la presión del gas por la apertura de la válvula de escape (a

volumen constante) y entrega de una cantidad de calor Q2 al medio.

Desde el punto 1 al 0, fin del ciclo: Barrido o escape del gas hacia el exterior a través de la válvula de

escape abierta, a presión constante.


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Carrera (c)

v

p

patmQ2

0

4

PMS PMI

d

1

2 3

Q1

Duración de la inyección delcombustible

Wt

El combustible utilizado en los motores diesel debe tener características casi opuestas al empleado en los Otto:

aqui es importante la inmediata inflamación a su ingreso a la cámara de combustión (alto índice cetano). También es fundamental lograr una rápida y homogénea mezcla del aire comprimido en la cámara con el combustible inyectado, lo que se logra con la formación de torbellinos merced a cuidadosos diseños hidrodinámicos de los conductos de admisión, válvulas, pre-cámaras y cámaras de combustión que en algunos casos incluyen la cabeza del pistón, como asimismo las características del “chorro” de combustible inyectado.


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notas También existen motores Diesel que cumplen un ciclo competo en cada vuelta del cigüeñal (“2 tiempos”)

aunque su configuración es diferente a sus equivalentes Otto: la admisión es a través de lumbreras cuya apertura y cierre la provoca el pistón mientras que el escape es controlado por una válvula comandada por el árbol de levas. Motores diesel “2 tiempos”

Las cuatro fases del ciclo se cumplen de la siguiente manera, requiriendo una sola vuelta del cigüeñal: escape: al descender el pistón en la parte final de la carrera de expansión (potencia) se abre la válvula de escape

permitiendo la salida de los gases quemados. admisión: una vez abierta la válvula de escape, el pistón en su movimiento descendente descubre las lumbreras de

admisión posibilitando el ingreso de aire limpio forzado por un soplador (generalmente de tipo Roots) el que a su vez expulsa los gases quemados remanentes en el cilindro.

compresión: al ascender, el pistón tapa las lumbreras de admisión a la vez que se cierrra la válvula de escape

produciendo la compresión del aire que ingresó al cilindro. expansión: cuando el pistón está próximo a llegar al PMS comienza la inyección de combustible, el que se inflama.

Combustión y consiguiente expansión (carrera de potencia). Sistemas de inyección del combustible:

El elemento a través del cual el combustible ingresa al cilindro se llama inyector, otros componentes del sistema son: el filtro de combustible, la bomba que eleva la presión hasta la adecuada para la inyección y las cañerías de retorno del excedente de combustible. Inyectar la cantidad adecuada de combustible y esparcirlo de la forma más fina y uniforme en una zona de alta presión como es el cilindro al final de la carrera de compresión no es tarea sencilla. Existen tres alternativas diferentes:

sistema de bomba múltiple constituido por un conjunto de bombas dosificadoras (montadas en un único bloque) que son las encargadas de enviar a cada cilindro la cantidad necesaria de combustible en el momento preciso (fin de la compresión). Es el más difundido en nuestro país, lo utiliza la inmensa mayoría de las marcas (sistemas Bosch, C.A.V., etc. aplicados a motores Mercedes Benz, Perkins, Deutz,etc.)


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notas

Sistemas mecánicos para inyección de combustible en motores diesel

sistema presión-tiempo o P-T: la cantidad de combustible que ingresará a los cilindros está determinada por la presión de una bomba única. El momento y duración de la inyección está controlado desde cada inyector comandado por una excéntrica en el árbol de levas (motores Cummins, etc).

sistema inyector-bomba: en este caso la dosificación del combustible, la presión de inyección y el momento en

que ella ocurre se realizan dentro del inyector que también en este caso está comandado por el árbol de levas (empleado por Detroit Diesel, G.M., etc).

En los motores diesel es particularmente importante la formación de torbellinos en el aire comprimido, como asimismo que el combustible inyectado incida sobre los puntos más calientes a fin de asegurar una rápida inflamación y propagación de la llama. A tal fin existen numerosos diseños de la cámara de combustión, las que en muchos están labradas en la cabeza del pistón, el que posee cavidades adecuadas para difundir el chorro del combustible a los puntos más distantes de la cámara.

Para favorecer el inicio de la combustión, en muchos motores la inyección del combustible se realiza en un pequeña antecámara donde el exceso de combustible asegura la inflamación, luego debido a la sobre-presión que se produce, la mezcla ingresa ardiendo a la cámara donde se termina el proceso de combustión. Este sistema, especialmente adecuado para trabajo en zonas de muy baja temperatura, fácil arranque en frío, etc, se conoce como inyección indirecta y es el indicado en el esquema de la hoja siguiente donde pueden apreciarse, además, el corte de la bomba múltiple y el precalentador de la pre-cámara constituido por una pequeña resistencia eléctrica (mal llamada “bujía de los diesels"). Con el avance tecnológico fue posible fabricar inyectores capaces de producir un chorro de combustible con gotas mucho más pequeñas y con una mayor difusión a toda la cámara, por lo que no requieren la pre-cámara o cámara auxiliar, es el sistema de inyección directa que se observa en la figura inferior, que es aplicable a cualquiera de los tres sistemas anteriores (en el caso graficado mediante inyector-bomba).


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notas

Sistema de inyección por bomba múltiple con inyección indirecta de combustible Sistema de inyección del tipo inyector-bomba, con inyección directa.

Conducto de alimentación

Bomba múltiple

Inyección indirecta a la pre-cámara

Conductos de alimentación y de

retorno

Inyector-bomba

Inyección directa

Pre-cámara

Cilindro

Precalentador para arranque en fr�o

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El corte siguiente corresponde a un motor diesel Mercedes Benz, 8 cilindros en “V”, refrigerado por

líquido, inyección directa, con un árbol de levas central y comando de válvulas por varillas y balancines

Bibliografía Del Fresno, Ramón. . Máquinas motrices. Ed. Librería Mitre. Buenos Aires. General Motors Corp. Publicación técnica. Detroit, USA. Matthews, Ronald D. Motores de combustión interna, en Enciclop. de la Mec. Ing. Técnica. Océano. México. 1990. Mazda Corp. Publicaciones técnicas de motores rotativos Mazda. Japón. Schneider, Günther. Motores térmicos. Urmo Ediciones. Bilbao. España.

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