Tesis Ciclo Miller

I

Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica Industrial

VENTAJAS DE UN CICLO MILLER FRENTE A UN CICLO DIESE L,

EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA, EN SISTEMAS ELECTRÓGENOS ESTACIONARIOS DE BAJA VELOCIDAD

Virgilio Antonio Elis Revolorio

Asesorado por el Ing. Elder Armando Morales Solís

Guatemala, junio de 2010

I

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERÍA

VENTAJAS DE UN CICLO MILLER FRENTE A UN CICLO DIESE L, EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA, EN SISTEMAS ELECTRÓGENOS ESTACIONARIOS DE BAJA VELOCIDAD

TRABAJO DE GRADUACIÓN

PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA


POR:

VIRGILIO ANTONIO ELIS REVOLORIO

ASESORADO POR EL ING. ELDER ARMANDO MORALES SOLÍS

AL CONFERÍRSELE EL TÍTULO DE

INGENIERO MECÁNICO

GUATEMALA, JUNIO DE 2010

I

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA


NÓMINA DE JUNTA DIRECTIVA

DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos

VOCAL I Inga. Glenda Patricia García Soria

VOCAL II Inga. Alba Maritza Guerrero Spínola de López

VOCAL III Ing. Miguel Ángel Dávila Calderón

VOCAL IV Br. Luis Pedro Ortíz de León

VOCAL V Br. José Alfredo Ortíz Herincx

SECRETARIA Inga. Marcia Ivónne Véliz Vargas

TRIBUNAL QUE PRACTICÓ EL EXAMEN GENERAL PRIVADO

DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos

EXAMINADOR Ing. Victor Manuel Ruíz Hernández

EXAMINADOR Ing. Esdras Feliciano Miranda Orozco

EXAMINADOR Ing. Sergio Torres Hernández

SECRETARIA Inga. Marcia Ivónne Véliz Vargas

I

HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR

Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San

Carlos de Guatemala, presento a su consideración mi trabajo de graduación

titulado:

VENTAJAS DE UN CICLO MILLER FRENTE A UN CICLO DIESE L, EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA, EN SISTEMAS

ELECTRÓGENOS ESTACIONARIOS DE BAJA VELOCIDAD,

tema que me fuera asignado por la Dirección de la Escuela de Ingeniería Mecánica Industrial, el 13 de junio de 2008.

Virgilio Antonio Elis Revolorio

I

AGRADECIMIENTOS A:

DIOS Autor y consumador de todas las cosas, de Él provienen la

sabiduría y la inteligencia, la vida y la salvación. Gracias por

permitirme llegar hasta aquí.

MI ESPOSA Por tu paciencia y compresión, por tu inagotable amor y

sacrificio.

MIS PADRES Por darme su apoyo, amor y sus virtudes que siempre

estarán en mi vida.

MI FAMILIA Por ser como son y enseñarme con sus vidas lo que es

correcto, por estar conmigo siempre.

I

I

ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V

GLOSARIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII

SIMBOLOGÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI

RESUMEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII

OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV

INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVII

1. MARCO TEÓRICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Teoría básica de los motores de combustión

interna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 Elementos principales de los motores de combustión

interna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.1.2 Combustibles utilizados en los motores de combustión

interna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.1.3 Ciclos principales de los motores de combustión interna. . . . . . . . . . . . 17

1.1.4 Aplicaciones de los motores de combustión interna. . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.2 Teoría sobre Emisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.2.1 Métodos más utilizados para el análisis de emisiones. . . . . . . . . . . . . . 22

1.2.2 Niveles de emisiones del Banco Mundial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.2.3 Método utilizado en los motores de ciclo Diesel y Miller. . . . . . . . . . . . . 24

2. DESCRIPCIONES DEL CICLO DIESEL Y EL CICLO

MILLER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

II

2.1 Descripción del ciclo Diesel Standard. . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.1.1 Descripción mecánica del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.1.1.1 Necesidades del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.1.1.2 Relación de compresión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.1.1.3 Turbocargadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.1.2 Descripción termodinámica del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.1.2.1 Gráficas presión-volumen (p-v) y

temperatura-entropía (T-s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.1.2.2 Eficiencia térmica del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.1.3 Emisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.1.3.1 Métodos utilizados para la determinación de emisiones. . . . . . . . . . . . 41

2.1.3.2 Resultados del análisis de emisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.2 Descripción del ciclo Miller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.2.1 Descripción mecánica del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.2.1.1 Necesidades del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.2.1.2 Relación de compresión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.2.1.3 Turbocargadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.2.2 Descripción termodinámica del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.2.2.1 Gráficas presión-volumen (p-v) y


2.2.2.2 Eficiencia térmica del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.2.3 Emisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.2.3.1 Métodos utilizados para la determinación de emisiones. . . . . . . . . . . 62

2.2.3.2 Resultados del análisis de emisiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3. ESTABELCIMIENTO DE DIFERENCIAS Y VENTAJAS DEL

CICLO DIESEL Y EL CICLO MILLER. . . . . . . . . . . . . . . . . 65

III

3.1 Establecer las diferencias principales. . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.1.1 Relación de compresión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.1.2 Turbocargadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.1.3 Tiempo de inyección de cada ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.2 Establecer diferencias termodinámicas. . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.2.1 Gráficas de presión-volumen (p-v) y


3.2.2 Eficiencia térmica de los ciclos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.3 Ventajas del ciclo Miller contra el ciclo Diese l. . . . . . . . . . 81

3.3.1 Ventajas termodinámicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.3.2 Ventajas ambientales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.3.3 Tabla comparativa del ciclo Diesel y Miller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4. ELABORACIÓN DE UN SOFTWARE QUE PUEDA

MOSTRAR LAS DIFERENCIAS DE LOS CICLOS Y PUEDA

CALCULAR LA EFICIENCIA Y POTENCIA

DE LOS CICLOS DIESEL Y MILLER. . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

RECOMENDACIONES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

ANEXOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

IV

V

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

FIGURAS 1. Ciclo de cuatro tiempos, representa las cuatro carreras de un

motor típico de cuatro tiempos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2. Inyección directa. esquema que presenta la inyección directa

en un motor Diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3. Inyección indirecta o con cámara de pre-combustión. Esquema

de la inyección indirecta en un motor Diesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4. Sistema de lubricación. Sistema de lubricación típico de un motor

Wärtsila 18V46, éste muestra el recorrido del lubricante en

las partes internas del motor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

5. Diagrama Polar de un ciclo Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6. Relación de compresión de 14:1 en un motor con ciclo Diesel. . . . . . . . . . . 33

7. Turbocargador tipo Roots impulsado por engranajes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

8. Turbocargadores impulsados por gases de escape del motor. . . . . . . . . . . 36

9. Turbocargador VTR del fabricante ABB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

10. Gráfica presión-volumen y temperatura-entropía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

11. Número mínimo de puntos transversos para velocidad y partículas. . . . . 43

12. Diagrama de equipo de medición de velocidad (tubo Pitot tipo S). . . . . . . 44

13. Condensadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

14. Pesaje de condensadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

15. Diagrama de flujo y equipos para Método 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

16. Diagrama Polar de un ciclo Miller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

17. Relación de compresión de 16:1 en un motor con ciclo Miller. . . . . . . . . . 56

18. Arreglo turbocargadores impulsados por gases de escape del motor. . . . 58

19. Turbocargador TPL A del fabricante ABB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58


VI

21. Biela completa de un motor Wärtsila 18V46. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

22. Diferencia en los cojinetes del turbocargador VTR y el TPL, forma en que

se lubrican los mismos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

23. Curvas de los turbocargadores VTR y TPL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70



TABLAS I. Descripción del equipo utilizado para material particulado. . . . . . . . . . . . . . 41

II. Descripción del equipo para determinar gases de combustión y

peso molecular de los mismos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

III. Descripción de equipo para cálculo de material particulado . . . . . . . . . . . 48

IV. Diferencias entre el ciclo Diesel y Miller por el aumento de la Relación

de Compresión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

V. Diferencias entre el Turbocompresores VTR564 P32 y el TPL77-A30,

utilizados en motores Wärtsila 18V46, ciclo Diesel y ciclo Miller. . . . . . 68

VI. Tabla de resultados de las mediciones de los gases de escape de

la Chimenea 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

VII. Tabla de resultados de las mediciones de los gases de escape de

la Chimenea 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

VIII. Tabla de comparativa entre el ciclo Diesel y ciclo Miller. . . . . . . . . . . . . . 83

VII

GLOSARIO

Anillo antipulimiento.

Bujía.

Cámara de combustión .

Ciclo de cuatro tiempos.

Aro metálico que se encuentra en la

parte superior de la camisa del

cilindro, su principal función consiste

en botar el carbón que se forma en

la corona del pistón.

Es el equipo que se utiliza para

hacer que la mezcla sea quemada

dentro de la cámara de combustión

en los motores a gasolina.

Compuesta por la parte superior del

pistón, conocida como corona del

pistón, la culata del cilindro y la

pequeña proporción del cilindro en

su parte superior.

Es el ciclo en el cual se necesitan

dos vueltas completas del eje

cigüeñal para completar cuatro

carreras distintas dentro del cilindro,

la primera viajando de arriba abajo

se llama admisión, la segunda

viajando de abajo a arriba se llama

compresión, la tercera viajando de

arriba abajo se llama expansión o

fuerza y la cuarta viajando de abajo

VIII

Ciclo de dos tiempos.

Cilindrada.

Compresión, relación.

Eficiencia térmica.

Eficiencia volumétrica.

a arriba se llama escape, con esto

se consiguen cuatro carreras o

tiempos en dos vueltas del cigüeñal.

Es el ciclo en el cual se necesita una

vuelta para completar las cuatro

carreras básicas del ciclo, viajando

de abajo arriba las carreras de

admisión-compresión y viajando de

arriba abajo expansión o fuerza y

escape, así se completan los ciclos

en una vuelta del cigüeñal.

Es la suma de los volúmenes de

cada cilindro del motor.

Es la cantidad de veces que se

reduce el volumen en el cilindro

desde el punto muerto inferior hasta

llegar al punto muerto superior.

Es la medición en porcentaje de la

cantidad de energía térmica que es

aprovechada en un motor de

combustión interna.

Es la cantidad de aire en peso

dentro del cilindro al inicio de la

carrera de compresión.

IX

EPA.

La Mezcla.

PMS.

PMI.

SAE.

Wärtsila.

Agencia de Protección Ambiental de

los Estados Unidos.

Consiste en la combinación de

combustible con aire del ambiente,

esta mezcla es introducida a la

cama de combustión de un motor

para ser quemada y liberar la

energía que contiene el combustible.

Siglas de punto muerto superior,

que es cuando el pistón se

encuentra en la parte más alta del

cilindro.

Siglas de punto muerto inferior, que

es cuando el pistón se encuentra en

la parte más baja del cilindro.

Son las siglas de la sociedad de

ingenieros automotrices por sus

siglas en ingles (Society of

Automotive Engineers).

Nombre del fabricante finlandés de

motores de gran caballaje y bajas

velocidades.

X

XI

SIMBOLOGÍA

m³ Metro cúbico.

° Grado en sentido de ángulos.

°K Grado Kelvin, es un símbolo de temperatura.

°C Grado Centígrado, es un símbolo de temperatura.

kg Kilogramo.

BTU Unidad Térmica Británica, por sus siglas en ingles.

J Joule unidad de medida de energía.

kJ Kilojoule.

mg Miligramo.

Nm³ Metro cúbico normal

m Metro.

s Segundo, Entalpía.

h Hora.

N/A No aplica.

NOx Óxidos de Nitrógeno.

SOx Óxidos de Azufre.

ηt Eficiencia Térmica.

P Presión.

T Temperatura.

V Volumen.

kPa Kilopascal, unidad de presión.

R Constante universal de los gases.

k Constante del aire.

°F Grado Fahrenheit, medida de temperatura.

lb Libra.

plg² pulgada cuadrada, medida de área.

% Porcentaje.

XII

XIII

RESUMEN

Este trabajo de graduación se centra en la comparación de dos motores

de combustión interna, uno con ciclo Diesel y el otro con ciclo Miller, cada uno

de ellos ofrece sus propios beneficios, independientemente con que ciclo

trabaje.

Veremos los beneficios de cada ciclo y los compararemos para poder

determinar las ventajas de un ciclo respecto del otro.

Se compararán todos los datos obtenidos, desde las emisiones, los

turbocargadores, la potencia, la eficiencia térmica, las gráficas termodinámicas,

etc., también veremos las fórmulas aplicadas a cada ciclo con las cuales

obtuvimos los resultados de eficiencia.

Tendremos tablas, fotografías, figuras y un video que nos explicará

algunas de las partes más importantes de estos motores.

XIV

XV

OBJETIVOS

GENERAL:

Establecer las diferencias entre un ciclo Diesel y un ciclo Miller, en motores de

combustión interna, haciendo un programa de computación que nos muestre las

diferencias entre los dos ciclos y que podamos realizar cálculos de eficiencia y

potencia de ambos ciclos.

ESPECÍFICOS:

1. Describir las características principales de los motores de combustión

interna, ciclos de cuatro tiempos, tipo de combustible y las aplicaciones

de los motores de combustión.

2. Comparar el ciclo Diesel y el ciclo Miller, diferencias térmicas y eficiencia.

3. Establecer ventajas del ciclo Miller contra el ciclo Diesel.

4. Realizar un programa de computación para el calcula de eficiencia y

potencia de ambos ciclos.

XVI

XVII

INTRODUCCIÓN

En la búsqueda de la eficiencia de los motores de combustión interna se

han hecho muchas modificaciones en los materiales y ciclos de combustión, con

esto han llevado a los materiales a resistencias superiores a lo tradicional.

Desde la aparición de los primeros motores de combustión se ha buscado la

forma de volverlos más eficiente y aprovechar al máximo la energía liberada de

los combustibles, poder calorífico del combustible, y volverla energía mecánica

en un motor de combustión interna.

El uso de los motores de combustión interna es sin duda de gran

importancia, se utilizan en todo tipo de transporte terrestre e incluso algunos de

transporte aéreo utilizan este tipo de motores, además también su uso en el

campo de la generación de energía eléctrica con motores estacionarios de gran

potencia. En este caso en particular es necesario llegar a la máxima eficiencia

para obtener mayor cantidad de energía del combustible y transformarla en

energía eléctrica.

Veremos el ciclo más utilizado en nuestro medio, ciclo Diesel, y uno

nuevo que está dando grandes resultados, el ciclo Miller, después de ver a cada

uno de ellos también veremos los resultados del análisis de los gases de escape

y podremos comparar cual de los dos ciclos es el más eficiente térmicamente y

menos nocivo al ambiente.

También se tiene un video que nos presentará a las diferencias

principales de los dos motores debido a su ciclo, el Diesel y el Miller.

XVIII

1

1. MARCO TEÓRICO

1.1. Teoría básica de los motores de combustión in terna

Durante algunos años los motores han experimentado cambios en su forma

y capacidades, en cuanto a potencia, los cuales dan como resultado un mejor

aprovechamiento de la energía del combustible que es inyectado al mismo.

Existen varios diseños de los motores pero durante muchos años a

prevalecido el diseño en línea del motor, éste fue el arreglo más generalizado

de los motores, sin embargo en la actualidad existe otro diseño que está

tomando cada vez más fuerza y es el diseño en V, este logra tener la misma

capacidad, es decir la misma potencia, que uno en línea de la misma cantidad

de cilindros, sin embargo utiliza menor cantidad de espacio y es por el arreglo

de los cilindros, podemos decir que un motor en V ocupa poco más del 50% del

espacio, en longitud, que uno en línea.

En general, los motores en línea son más económicos de producir que los

motores en V, pero cada uno de ellos tienen características que los hacen útiles

dependiendo de la aplicación para cual se necesitan, por ejemplo en estaciones

de energía los motores más utilizados son los en V por razones de espacio y

longitud de los motores, la mayoría de los sistemas de emergencia de energía

son unidades estacionarias y el arreglo del motor es en V, sin embargo para

transporte pesado o de pasajeros el arreglo es en línea, vemos pues que para

la aplicación de potencia en transporte se utiliza con más frecuencia el arreglo

en línea y para aplicaciones de gran potencia el arreglo en V.

2

En los motores de combustión interna prevalecen dos ciclos principales, que

son el Ciclo Otto y el Ciclo Diesel, las diferencias principales radican en el

combustible que se utiliza y la forma en que este se quema dentro de la cámara

de combustión, enfocaremos más al ciclo Diesel, pero haremos una breve

explicación del ciclo Otto.

El ciclo Otto se distingue porque el combustible que utiliza es la gasolina,

ésta, a diferencia del Ciclo Diesel, entra a la cámara de combustión mezclada

con el aire de admisión, lo que se conoce como La Mezcla, y para que la

combustión ocurra es necesario una bujía que provee la chispa para que el

combustible se queme por completo, además también la relación de

compresión entre estos ciclos es distinta, en el ciclo Otto la relación de

compresión es desde 6 a 10 y en el ciclo Diesel es de 12 hasta 18, estas son

las diferencias fundamentales entre el ciclo Otto y el Diesel.

Tanto el ciclo Otto como el Diesel se presentan en dos divisiones más que

son los tiempos en que desarrollan el trabajo para lo cual están diseñados,

éstos entonces se dividen en ciclos de dos o cuatro tiempos, pasaremos a

describir el ciclo Diesel de cuatro tiempos.

Carrera de Admisión: Durante ésta carrera se cierran las válvulas de

escape y se abren las de admisión para permitir la entrada de aire a la cámara

de combustión, ver figura 1, ésta entrada de aire se induce por el movimiento

del pistón hacia el punto muerto inferior, esta presión es inferior a la presión

atmosférica si el motor es de aspiración natural, o mayor si el motor tiene

turbocargador o una turbina para poder proveer de más aire al motor para la

combustión. En esta carrera se recorre media vuelta del cigüeñal, es decir 180°

aproximadamente constituyéndolo en el primer tiempo del ciclo. La cantidad de

aire que se retiene en el cilindro durante esta carrera, es decir el volumen de

3

aire en el cilindro como consecuencia de esta carrera se conoce como

eficiencia volumétrica, en los motores de aspiración natural, ésta eficiencia

puede llegar a ser entre 85% y 90% pero en los que tienen turbocargador o

Figura 1. Ciclo de cuatro tiempos. Representa las cuatro carreras de un motor típico de cuatro

tiempos.

Fuente: Manual moderno de tecnología Diesel.

turbina la eficiencia es de 120% ó 200%, la potencia de salida del cilindro

depende directamente de la cantidad de aire en el cilindro. En el ciclo Diesel la

admisión es solamente de aire mientras que en el ciclo Otto la admisión es la

mezcla de aire y combustible.

Carrera de compresión: Durante ésta carrera las válvulas de admisión y

escape se encuentran cerradas y el pistón se mueve hacia arriba hasta el punto

muerto superior, ver figura 1. Este movimiento hacia arriba hace que el aire

atrapado en el cilindro se comprima y, como consecuencia de esto, aumente la

presión y temperatura hasta niveles muy altos de hasta las 550 lb/plg² y los

1200°F, esto depende del diseño del motor en partic ular, por ejemplo si es de

4

aspiración natural o turbocargado, la relación de compresión del motor, etc.

Con este movimiento el cigüeñal alcanza la primera vuelta completa y la

segunda carrera constituyéndose en el segundo tiempo.

Carrera de potencia o expansión: Estando el pistón en el punto muerto

superior o muy cerca de él, se produce la combustión la cual libera la energía

que hay en el combustible que obliga al pistón a volver al punto muerto inferior,

ver figura 1, sin embargo, en el punto muerto superior, ocurre la inyección de

combustible, en el caso del Ciclo Otto ocurre la chispa para que la combustión

ocurra, la explosión provoca que el pistón recorra el largo del cilindro hacia el

punto muerto inferior, logrando la carrera de potencia, la presión que se

alcanzan en este punto pueden llegar a ser de hasta 2300 lb/plg² y 4000°F, con

este movimiento se agregan 180° más al movimiento d e cigoñal por lo tanto el

mismo ya tiene 540° lo que es equivalente a una vue lta y media, con esto se

tiene el tercer tiempo.

Carrera de escape: Ahora se abren las válvulas de escape para permitir la

salida de los gases producto de la combustión, ver figura 1, el pistón hace su

movimiento hacia arriba para lograr la salida de todos los gases de escape, esto

son otros 180° más al movimiento del cigüeñal lo qu e los 720° que es

equivalente a 2 vueltas del mismo.

Como podemos ver el ciclo de cuatro tiempos implica dos vueltas completas

del cigüeñal para que el mismo se lleve a cabo, las diferencias con el Ciclo Otto

se hicieron ver durante la descripción de los cuatro tiempos.

El ciclo de dos tiempos combina dos carreras para que el ciclo se complete

en una sola vuelta del cigüeñal en lugar de dos vueltas, la combinación es

admisión-compresión y fuera-escape, en este tipo de motores se dispone de tal

5

manera que la admisión del aire permite el barrido de los gases de escape, al

momento de llegar al punto muerto inferior permite la admisión de aire que

provoca la salida de los gases de escape, en su viaje hacia arriba al punto

muerto superior se logra la carrera de compresión, al estar en el punto muerto

superior se da la combustión y se inicia la carrera de potencia o expansión y al

finalizar la misma salen los gases producto de la combustión.

Sistema de inyección de combustible: El sistema de inyección se encarga

de llevar el combustible de forma adecuada para que dentro del cilindro la

combustión ocurra en lo que llamamos cámara de combustión y con ello la

liberación de la energía del combustible, éste sistema tiene varios

componentes, entre los más importantes están las bombas de inyección y los

inyectores.

Cada uno de estos elementos es importante para el buen funcionamiento de

los motores, las bombas de combustible se encargan de elevar la presión del

combustible al mismo tiempo que es dosificado de acuerdo a los requerimientos

de potencia del motor, las bombas de inyección funcionan por medio de

émbolos que son girados por un cremallera para permitir la regulación de la

cantidad de combustible necesaria. El exceso de combustible es drenado a un

sistema que recolecta todo el combustible en exceso y lo lleva de retorno al

depósito de combustible, el combustible efectivo es el que es empujado por el

émbolo hasta los inyectores estos últimos son los que se encargan de que el

combustible entre a la cámara de combustión en forma de nube o atomizado

para lograr la buena mezcla del combustible y el aire que está presente en la

cámara de combustión, se puede decir que el inyector es el elemento más

importante del sistema, puesto que de este depende, en gran parte, la buena

combustión dentro del cilindro. En algunos lugares se les conoce como

válvulas de inyección, pues al fin actúan como tal, cuando la presión de

6

apertura se logra entonces este abre y deja salir el combustible, otro aspecto

importante del inyector es el ángulo de los agujeros de la boquilla, este es muy

importante puesto que ellos direccional la entrada de combustible a la cámara

de combustión, si el ángulo no es el correcto el combustible puede ir a dar a la

cabeza del pistón o corona o bien a las paredes del cilindro, lo cual ninguno de

los dos casos es el deseado sino más bien que el combustible se quede en el

espacio libre de la cámara de combustión para que se mezcle con el aire y no

se deposite en la corona del pistón o en las paredes de la cámara.

Los tipos de inyección más utilizados son dos: la inyección directa y la

inyección indirecta o con cámara de pre-combustión, en la inyección directa la

misma es inyectar el combustible directamente a la cámara de combustión,

como se muestra en la figura 2, en ella vemos como está dispuesto el inyector y

la forma de la corona del pistón para que el combustible forme la niebla

deseada para la combustión.

Figura 2. Inyección directa. Esquema que presenta la inyección directa en un motor Diesel.


La inyección indirecta, se diseñó para que en una pre-cámara ocurra la

inyección del combustible y este inicie su proceso de combustión en ella en

7

lugar de ser directamente en la cámara de combustión, el arreglo de la

inyección indirecta se ve en la figura 3.

Figura 3. Inyección indirecta o con cámara de pre-combustión. Esquema de la inyección indirecta en un motor Diesel.


Sistema de lubricación: Es muy importante que todas las partes del motor

estén lubricados debido a que todos los componentes del mismo están en

contacto unos con otros y en movimiento, este sistema se encarga de llevar el

lubricante a todos los componentes del motor, este sistema tiene varios equipos

para poder funcionar, entre ellos está la bomba de lubricación, los filtros y las

tuberías para llevar el lubricante por todo el motor.

La lubricación de todos los componentes del motor es muy importante, tanto

que los lubricantes se han mejorado en gran manera, el lubricante no solo debe

evitar la fricción sino también contribuir al enfriamiento de todo el conjunto del

motor. Además debe de controlar la formación de ácidos provenientes de los

gases de combustión, el aceite debe de estar en la capacidad de neutralizar

estos ácidos que de no hacerlo, tarde o temprano nos dará problemas en los

diferentes componentes del motor, para lograr este objetivo se tiene una gama

8

muy amplia de lubricantes para diferentes aplicaciones, para esto la SAE ha

establecido calidades de los lubricantes y aditivos para mejorar la capacidad de

los lubricantes de poder hacer frente a las exigencias del mercado de los

motores.

Así que, el sistema de lubricación es muy importante para poder garantizar

que todo el motor está libre de daños por la falta de lubricante, la bomba debe

de ser capaz de llevar todo el lubricante necesario a todas las partes del motor

y no solo llevarlo sino también de mantener la presión en todo el sistema para

garantizar la llegada del lubricante y la cantidad necesaria a cada lugar del

motor. Los filtros como partes de este sistema son los encargados de atrapar

cualquier partícula que sea capaz de hacer daño a los componentes del motor.

En la figura 4 se no muestra el recorrido del lubricante dentro de las partes

del motor, este esquema es de un motor Wärtsila 18V46, es decir que es un

motor de 18 cilindros, con un arreglo de los cilindros en V y que el diámetro de

cada cilindro es de 46cm, según vemos el lubricante entra por un conducto en

el fondo del cárter del motor, sube por una serie de gatos hidráulicos, llega

hasta los cojinetes principales del cigüeñal y después de esto recorre todo el

cigüeñal entregando lubricante a los cojinetes de las bielas, después de esto

sube por la biela hasta el pasador o bulón de donde pasa al pistón y su corona

para luego salir a lubricar la camisa y caer nuevamente al cárter.

Sistema de gases de escape: Este inicia en la culata puesto que en ella

están las válvulas de escape después es llevado al exterior por medio de

tuberías, en ocasiones antes de llevarlo totalmente al exterior se instala un

sistema de turbocargadores con el cual se logra llevar una cantidad mayor de

aire al cilindro con el fin de mejorar combustión y aumentar la potencia del

motor.

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Figura 4. Sistema de lubricación. Sistema de lubricación típico de un motor Wärtsila 18V46, este muestra el recorrido del lubricante en las partes internas del motor.

Fuente: Manual de Wärtsila.

El sistema de escape juega un papel importante, sobre todo en aquellos

motores que se utiliza turbocargadores, el gas de escape es el propulsor de

estos, y no solo por eso sino que le escape debe ser lo suficientemente capaz

para poder desalojar todos los gases de la combustión producidos por el motor

y llevarlos hasta fuera del mismo, puede ser que estos gases se utilicen para el

calentamiento de agua y producir vapor, y el sistema debe de ser capaz de

llevar los gases a donde sea necesario llevarlos para su utilización, o para su

tratamiento, o ser desechado a la atmósfera.

Sistema de enfriamiento: La mayoría de los motores de combustión interna

necesitan agua dentro de su sistema de radiadores para evitar que el motor se

10

sobrecaliente, estudios han demostrado que más del 40% de los problemas de

los motores están directa o indirectamente relacionados con el sistema de

enfriamiento de los motores.

La función principal de este sistema es disipar parte del calor que se genera

en la cámara de combustión del motor, el calor que absorben los pistones, los

anillos, las camisas, dependiendo el tamaño del motor también el sistema de

lubricación es enfriado por este sistema, y el block mientras el motor está en

servicio y que no se convierte en potencia útil, debe ser manejado por el

sistema de enfriamiento para su adecuada disipación. Las temperaturas

normales de funcionamiento son controladas por una o más válvulas

reguladoras lo que hace que el motor siempre este en las condiciones óptimas

de temperatura para la combustión adecuada y evitar daños en el motor.

1.1.1 Elementos principales de los motores de combu stión interna

Los elementos más importantes de los motores de combustión interna son:

el bloque del motor, el eje cigüeñal, el eje de levas, la biela, el pistón, las

camisas, las culatas y los turbocargadores; cada uno de ellos tiene una

participación importante en el funcionamiento del motor de combustión.

El bloque del motor: este alberga a todos los componentes del motor,

todos los componentes funcionan dentro de él y este permite que las demás

piezas del motor se muevan en el sentido y dirección correctos. En este

elemento se encuentra el cilindro y este sufre el mayor estrés de los elementos

puesto que es en el donde ocurre la explosión del combustible y este debe

resistir el cambio de presión que ocurre debido a la explosión y la temperatura

que se alcanza en ese momento es muy alta.

11

En algunos de los casos en el que los motores son muy grandes los Bloques

son en partes, esto sucede cuando los motores son de alto caballaje y baja

velocidad y su aplicación en para impulsar a barcos, generalmente estos

motores son de uso estacionario para propulsar barcos o para sistemas de

potencia industrial, energía eléctrica.

Los bloques de motores de gran caballaje son fabricados con acero nodular

con bajos porcentajes de azufre y fósforo, también se le agrega magnesio, cerio

o ambos para que las escamas gráficas típicas de los hierros grises fundidos en

esferoides de grafito, estos metales son conocidos como hierros esferoides o

nodulares.

Eje cigüeñal: es uno de los elementos más importantes del motor puesto

que este es el encargado de transformar el movimiento rectilíneo reciprocante

en un movimiento circular, podemos decir que este es el elemento que más

esfuerzos resiste puesto que la transformación de movimiento es lo importante

para este tipo de maquinas.

El cigüeñal es la parte giratoria más grande de un motor de combustión

interna, en los motores pequeños y de alta velocidad los hacen de una pieza, de

hierro fundido nodular moldeado a la forma deseada, sin embargo en los

motores de alto caballaje y de gran tamaño, los cigüeñales son hechos en

partes pre fundidas de acero forjado que luego se unen para formar una sola

pieza.

Eje de levas o árbol de levas: Consiste en unas levas dispuestas de tal

manera que ellas son las encargadas de abrir o cerrar las válvulas de admisión

y escape y también el momento preciso del la inyección del combustible. Este

12

eje da media vuelta mientras el eje cigüeñal da una, ambos sincronizados a la

perfección con los demás elementos del motor.

El eje de levas consta de un eje flecha con una serie de rodetes, o

proyecciones, o levas a todo lo largo del eje que generalmente se conocen

como lóbulos de leva.

La biela: Este elemento es el que sirve de conexión entre el pistón y el eje

cigüeñal, este transmite el movimiento reciprocante del pistón para ser

transformado en movimiento circular por el cigüeñal.

Las bielas de motores grandes por lo general tienen conductos donde es

llevado el aceite hasta el pasador que une la biela con el pistón, todo esto es

con fines de lubricación del pasador y también de la corona del pistón de donde

sale el lubricante para aceitar las paredes del cilindro. Las bielas están

sometidas a esfuerzos de compresión, estiramiento y dobles debido al

movimiento de subir y bajar dentro del cilindro pero también debido al

movimiento giratorio del cigüeñal.

El pistón: Este componente se encuentra dentro del cilindro y junto con la

camisa forman una cámara lo suficientemente cerrada para que en ella se de la

liberación de energía del combustible, en el Pistón también se encuentran unos

elementos llamados anillos, estos están alojados en la parte superior del pistón

llamada corona, el pistón junto con los anillos y el cilindro forman la cámara de

combustión.

El quemado del combustible crea dentro del cilindro una cantidad de gases

calientes, a muy alta presión, producto de la combustión, esta cantidad de

13

gases obligan al pistón a moverse hacia el punto muerto inferior logrando así el

movimiento reciprocante para transformarlo en circular en el cigüeñal.

La corona del pistón, generalmente son huecas, para que puedan ser

enfriadas por el lubricante, y en ellas están alojados los anillos, estos últimos

sirven para mantener cerrada la cámara de combustión y evitar que los gases

de escape salgan de la cámara y lleguen al cárter donde se encuentra el aceite.

Las camisas: La función de las camisas es proporcionar una superficie de

carrera al pistón y los anillos, tanto el pistón con la corona, los anillos y la

camisa forman la cámara de combustión, estos retienen los gases de la

combustión dentro de su diámetro, parte del calor generado la camisa lo

transfiere al sistema de refrigeración del motor, existen tres tipos de camisas

básicas: la camisa seca, ésta no tiene contacto con ningún refrigerante

simplemente esta transfiere el calor a través del material del que está hecha la

misma camisa y lo transfiere al block del motor el cual si esta refrigerado, el otro

tipo es la camisa húmeda, éste tipo de camisa está en contacto directo con el

refrigerante del motor, algunas tienen contacto con el refrigerante en la mitad

del largo de la camisa, generalmente la parte superior que es la más caliente

del cilindro, la camisa de tipo integral, es una camisa que es enfriada por el

sistema de enfriamiento, pero es distinta a la húmeda por que en la húmeda la

parte de la camisa que está en contacto con el refrigerante es completamente

sumergida en el refrigerante, la integral es una camisa de pared gruesa que

esta perforada en la parte superior de la misma para que por estos conductos

pase el refrigerante y logre el enfriamiento de la misma.

Las culatas: La culata es otro de los componentes que junto al pistón y el

cilindro forman la cámara de combustión, ésta tiene otros elementos que

también son importantes; las válvulas de escape y las de admisión, cada una de

14

ellas tienen un trabajo importante, las de escape dejan salir los gases del

resultado de la combustión y las de admisión dejan entrar el aire necesario para

la combustión, también esta aloja al inyector del sistema de inyección de

combustible.

Otro elemento que se encuentra en la culata son los balancines, el trabajo

de estos es hacer que las válvulas de admisión y escape abran y cierren en el

momento preciso para poder garantizar la entrada de aire y salida de gases.

Los turbocargadores: El factor clave para aumentar la potencia de salida

de un motor se encuentra en los turbocargadores, esto es porque a mayor

desplazamiento de aire hacia el cilindro mayor será la eficiencia volumétrica del

mismo, lo que se traduce en mayor cantidad de oxígeno en masa disponible

para la combustión, mientras más alta sea la eficiencia volumétrica más

combustible que fue inyectado será quemado, todo esto resulta en una mayor

eficiencia térmica, aumento en la potencia de salida y aumento en el par de

torsión del motor.

Uno de los métodos más utilizados para los turbocargadores es el arreglo de

turbina-compresor montado sobre un mismo eje, la turbina es impulsada por los

gases de escape que tienen a su disposición una gran cantidad de energía para

poder hacer este trabajo, el gas de escape mueve la turbina y esta a su vez

mueve el compresor, esto resulta ser muy conveniente puesto que mientras

existan los gases de escape la turbina se seguirá moviendo y seguirá

proveyendo aire a presión para el motor.

Cualquier forma de hacer que entre aire al cilindro a más alta presión que la

atmosférica se dirá que es un turbocargado, la cantidad de aire que entre al

cilindro depende del tiempo de apertura y cierre de las válvulas de admisión del

15

cilindro, mientras más tiempo pasen abiertas mayor posibilidad de entre aire al

cilindro habrá.

1.1.2. Combustibles utilizados en los motores de co mbustión interna

Los combustibles son una parte importante de proceso en los motores de

combustión, ellos son los que se ven obligados a liberar su energía para que el

motor lo transforme en energía mecánica y esta pueda ser utilizada.

Sin embargo, para que esto suceda, el combustible debe ser el adecuado

para el tipo de motor con el que contamos, el combustible debe ser tratado para

que el mismo pueda liberar la energía que tiene y poder aprovecharla al

máximo. En los motores pequeños los combustible son puestos en las

estaciones de venta de tal manera que estos no necesitan ningún

acondicionamiento extra para poder ser utilizados en los motores no así en los

motores más grandes, estos necesitan que el combustible sea acondicionado

en limpieza, temperatura, densidad, etc.

Casi todos los combustibles utilizados en motores de combustión son

derivados de fuentes fósiles, principalmente se obtienen del procesamiento del

petróleo, aunque en la actualidad se están utilizando algunos combustibles de

desechos industriales y municipales, aunque en menor cantidad pero con gran

auge hoy en día, productos como el etanol, el biodiesel o el biocombustible son

algunos de los que en la actualidad están tomando cada vez más fuerza, todo

con el fin de reducir las emisiones y ser amigable con el ambiente.

Los combustibles de origen fósil son el resultado de la destilación de la

materia prima conocida como petróleo, este tienen su origen en la

descomposición de materia orgánica que después de mucho tiempo forma

16

compuestos de hidrógeno, carbono, oxígeno, estos forman los carbohidratos, y

agua, después de largo tiempo se pierde el oxígeno y el agua dando como

resultado los hidrocarburos, dependiendo del grado de carbonificación todavía

se conservan algunos restos de oxígeno y agua, además de estos

componentes casi todos los combustible líquidos y sólidos tienen residuos de

azufre, plomo, vanadio, nitrógeno, etc., que son necesario reducirlos para poder

satisfacer las especificaciones de los usuarios.

Las características físicas de los combustibles líquidos, entre otros, son: La

densidad, la viscosidad, el poder calorífico y punto de inflamación. La densidad

es básicamente la masa por unidad de volumen, en este caso se debe tener

cuidado puesto la variación de temperatura provoca una variación del volumen

del combustible con lo cual se modifica el valor de la densidad, por tal razón la

medida se realiza a un temperatura estándar de 15°C o 60°F. La viscosidad, es

la resistencia al desplazamiento interno o flujo, esta se debe a las fuerzas de

atracción molecular que cada fluido tiene, de esta cuenta los líquidos tienen

viscosidades mayores a las de los gases por las fuerzas de atracción que

existen en sus moléculas. La viscosidad cinemática es la más utilizada en el

caso de los combustibles esta se define como el tiempo que se tarda un líquido

en pasar a través de un capilar debido a su propia carga hidrostática, la

viscosidad prácticamente no depende la de presión sino de la temperatura del

fluido, de tal manera que al igual que la densidad la medición de la viscosidad

se hace en un medio controlado a temperatura constante.

Los combustible tienen almacenada energía y conocer cuanta energía hay

en ellos es muy importante, esta se puede medir por peso del combustible o por

su volumen, es decir la cantidad de energía que hay en una unidad de peso o

de volumen, a esta propiedad del combustible se le llama poder calorífico se

trata de saber cuánta energía hay en el combustible por unidad de peso o de

17

volumen, la unidad más utilizada es el BTU que no es más que 1/180 la

cantidad de energía necesitada para elevar la temperatura de 1 libra de agua de

32°F a 212°F. Punto de inflamación, este es muy importante debido que nos

dice la temperatura a la cual el combustible se auto inflama, este es en

particular muy importante para el almacenamiento y transporte de combustible,

sin embargo, este punto puede ser modificado agregando al combustible

presión, esto particularmente se logra en sistema de tuberías donde se

transporta el combustible de un lugar a otro. Sin embargo el punto de

inflamación es también necesario saberlo puesto que para que se logre una

buena combustión es necesario elevar la temperatura del mismo y llevarlo a la

temperatura cercana a la que quema.

Los combustibles más utilizados en el mercado, en los motores pequeños,

son: la Gasolina, en los niveles de octanaje que están disponibles, el Diesel y,

en los más grandes, Diesel, HFO o Bunker.

1.1.3. Ciclos principales de los motores de combust ión interna

Todos los motores tienen su origen en algún concepto de ciclo

termodinámico, de lo cual es una serie de eventos en los que se aprovecha la

mayor cantidad de energía y el resto es entregado al ambiente.

De los ciclos de combustión interna los dos más conocidos son el Ciclo Otto

o Gasolina y el Ciclo Diesel, además estos mismos se vuelven a dividir en ciclos

de dos y cuatro tiempos, pero el que nos interesa es el ciclo de cuatro tiempos

que a continuación se describe.

Ciclo Otto se compone de cuatro procesos reversibles de aire en un sistema

cerrado, compresión adiabática, adición de calor a volumen constante,

18

expansión adiabática y liberación de calor a volumen constante, es como

conocemos la carrera de compresión, chispa, carrera de fuerza, carrera de

escape y carrera de admisión, según vemos en la figura la carrera de admisión

tiene como fin llenar la cámara de combustión con una mezcla de aire y

combustible para ser quemada dentro de la cámara de combustión, en la

carrera de compresión lo que sucede es que todo el aire con combustible que

se encuentra en la cama de combustión es, como lo dice el nombre de la

carrera, comprimido hasta tener una relación de compresión de 10:1, es decir

que el volumen original cuando el pistón está en su punto muerto inferior se

reduce 10 veces, entonces se produce la chispa que es la que se encarga de

hacer que el combustible se queme de forma inmediata, en la carrera de fuerza

lo que sucede es la expansión de todos los gases de la combustión, esto lo que

provoca es un aumento del volumen llevando al pistón hasta el punto muerto

inferior, después vuelve el pistón a viajar hasta el punto muerto superior

expulsando así los gases de la combustión, a esta se le conoce como carrera

de escape.

Con lo anterior no solo describimos un ciclo Otto sino también un ciclo de

cuatro tiempos, con este ciclo el motor debe completar dos vueltas de su eje

cigüeñal para completar las cuatro etapas del ciclo.

El ciclo Diesel presenta variaciones con respecto al ciclo Otto, básicamente

son las mismas cuatro carreras, admisión, compresión, fuerza y escape, sin

embargo las diferencias radican que en la carrera de admisión solamente entra

aire a la cámara de combustión y cuando el pistón esta en el punto muerto

superior, o cerca de él, es inyectado el combustible a gran presión y la

temperatura que se encuentra es muy alta debido a la compresión cuya relación

llega a ser de 14:1 o incluso 18:1, al entrar el combustible a la cámara

inmediatamente se quema logrando la combustión. Como podemos ver este

19

ciclo no necesita una fuente de ignición del combustible sino la combustión se

logra debido a la temperatura a la que se encuentra el aire y la entrada a gran

presión del combustible.

De estos dos ciclos se han originado una variedad de arreglos en la

disposición de los cilindros, los hay lineales, en V, radiales, rotativos, de

cilindros opuestos, en X, etc., pero todos responden a uno de estos dos ciclos

termodinámicos.

Cada uno de los ciclos de combustión que se conocen fue diseñado para

poder obtener el mayor rendimiento en los motores, para esto se hacen

modificaciones en la disposición de los cilindros, sistema de inyección, sistemas

de aire, etc., por esta razón se ha realizado una modificación al Ciclo Diesel a

dado origen a un ciclo llamado Miller en honor a Ralph Miller que desarrollo esta

modificación que ha resultado en una mejora considerable en eficiencia,

potencia y reducción de emisiones del motor. Esta modificación es

perfectamente aplicable a ambos ciclos, tanto al Otto como al Diesel.

1.1.4. Aplicaciones de los motores de combustión in terna

Las aplicaciones de los motores de combustión son muy variadas, las más

conocidas son en los automóviles en los cuales se utilizan de ambos ciclos,

pero sus aplicaciones no solamente se limitan a los automóviles, en la

agricultura, en la aviación, en la industria marítima, etc., existen aplicaciones de

los motores de combustión interna.

En los automóviles los motores pequeños de 4 y 6 cilindros en línea han

dominado la industria pero los de 8 cilindros en V también forman parte de este

grupo de motores que se encuentran en los automóviles de ciudad y el campo,

20

en estos casos lo motores son de ciclo Otto o Diesel tanto para el campo como

para la ciudad, sin embargo los vehículos de gran potencia, como los autos

deportivos o para carreras, son motores de hasta 12 cilindros en V, estos

desarrollan velocidades de más de 300 Km/Hr y algunos, como los de carreras,

no utilizan combustibles tradicionales sino otros especialmente diseñados para

este tipo de motores.

En la agricultura, la construcción y el transporte se utilizan predominante

mente motores Diesel, los usan en tractores, cortadoras, retroexcavadoras,

cargadores frontales, moto niveladoras, aplanadoras, en camiones de

transporte de materiales, en autobuses, etc., logrando con ellos una mejora

considerable para poder realizar sus actividades.

En la aviación motores de hasta 12 cilindros en línea o radiales eran

utilizados con frecuencia para poder darle el impulso necesario a los aeroplanos

de combate o transporte de personas o suministros, con el tiempo estos

motores fueron sustituidos por turbinas que resultaron más eficientes y de

mayor potencia para poder que aviones tan grandes como los cargueros o de

pasajeros alzaran vuelo o los aviones de combate fueran más rápidos y

maniobrables con este tipo de motores.

En los barcos los motores de combustión interna mantienen su predilección

para impulsar los grandes buques cargueros o de pasajeros, los motores de

gran tamaño y potencia son los utilizados en estos barcos, en algunos casos

para poder impulsar al barco directamente, es decir que las propelas están

acopladas a los motores y estos son de velocidad variable para poder

responder a las necesidades de velocidad del barco, los motores son de 6, 8 y

10 cilindros en línea pero también los hay de hasta 18 cilindros en V,

21

proporcionando así la potencia necesaria para que estos barcos sean

impulsados.

Este tipo de motores son los utilizados en la industria de la generación de

energía eléctrica, se han hecho arreglos para que estos motores estén

acoplados a generadores que pueden producir energía eléctrica desde 0.5 Mw,

en Guatemala, hasta 17.05 Mw, estos son motores de gran capacidad

acomodados para que sean estacionarios cuyo fin es la generación de energía

eléctrica.

1.2. Teoría de emisiones

Todos los procesos de combustión tienen como resultado gases de

combustión conocidos como gases de escape, en ellos tenemos partículas de

gases y sólidos conocidos como emisiones.

Normalmente los componentes de que se vigilan son: Dióxido y Monóxido

de Carbono, este se forma de la unión del carbono del combustible y el oxígeno

del aire, aunque el dióxido de carbono contribuye al calentamiento global,

perjudicándonos a largo plazo, el más peligroso es el monóxido de carbono este

en un concentración de 0.3% y exponernos durante 30 minutos nos produce la

muerte, es por esas razones que es necesario vigilarlo, otro elemento son los

Óxido de Nitrógeno, tanto como monóxido o dióxido de nitrógeno, se estudia

como NOx, este gas es muy venoso capaz de destruir el tejido de los pulmones

y causarnos la muerte, y por último el Material Particulado, esto son pequeñas

partículas de ceniza, carbón o incluso combustible.

22

Todos estos elementos son parte de los gases de escape y su efecto en el

ambiente o nuestra salud las hacen importantes para tenerlas en vigilancia en

todos los sistemas en donde se quema un combustible.

1.2.1. Métodos más utilizados para el análisis de e misiones

Existe una variedad de métodos analíticos para muestras del aire, que van

desde métodos experimentales, hasta los oficiales que deben ser certificados y

aceptados, sin embargo para fines de seguimiento y cumplimiento los métodos

de la Emvironmental Protection Agency (EPA) de los Estados Unidos de

Norteamérica son los únicos métodos aceptables disponibles.

Además de la EPA también existen otras agencias como el Code of Federal

Regulations (CFR) y el Emission Measurement Technical Imformation Center

(EMTIC) todas tienen que ver con las regulaciones y el control de la emisiones y

todas son de los Estados Unidos de Norteamérica y son las utilizados para el

monitoreo y seguimiento de las emisiones.

La tabla del anexo 1 nos muestran los métodos aprobados por la EPA y la

tabla del anexo 2 muestra los métodos aprobados por la CFR, de momento

diremos que los métodos utilizados para las mediciones en motores Diesel y

Miller son: el Método 5: Determinación de Emisiones de Material Particulado de

Fuentes Estacionarias, Método 6: Determinación de Emisiones de dióxido de

azufre para Fuentes Estacionarias, Método 7C: Determinación de Emisiones de

óxido de nitrógeno de Fuentes Estacionarias (Método

Colorimétrico/Permanganato Alcalino).

23

1.2.2 Niveles de emisiones del Banco Mundial

Los productos principales de la combustión son, dióxido de carbono y agua,

sin embargo sabemos que tenemos nitrógeno, monóxido de carbono, oxígeno e

hidrógeno sin reaccionar, también se tiene algunas combinaciones de los

elementos antes mencionados, como por ejemplo los óxidos de nitrógeno

conocidos como NOx, que encierra tanto al óxido como al dióxido de nitrógeno.

El monóxido de carbono es un veneno reconocido que junto a los hidrocarburos

no quemados y los óxidos de nitrógeno dan origen al “smog”. Los niveles de

hollín son causados por la imperfección de la mezcla de combustible, esto

produce la formación de material carbonoso conocido como hollín, esto se

puede corregir al mejorar la mezcla y también mejorar la combustión, el hollín

da como resultado uno más de los componentes de contaminación, el humo.

También dentro de la gama de contaminantes esta el azufre, que al

momento de la combustión, es liberado en su totalidad, éste forma los

compuesto de óxido de azufre que la mezclarse con el agua forman el ácido

sulfúrico, este es el responsable de la lluvia ácida que es necesario evitarla,

además de la lluvia ácida este compuesto provoca serios daños a las partes de

los motores provocando depósitos juntamente con el hollín que al final termina

en daños a las maquinas.

Todos estos componentes de los gases de escape es necesario evitarlos,

aunque sabemos que esto es imposible lo que se trata es de regularizar estas

emisiones para tener menos impacto al medio ambiente, es por eso que el

Banco Mundial ha establecido límites a todas la emisiones que se realicen

dentro de cualquier proceso.

24

1.2.3. Método utilizado en los motores de ciclo Die sel y Miller

Los métodos utilizados para la determinación de las emisiones, tanto en los

motores Diesel y Miller son los mismos según vemos en el anexo 1 y 2 los

métodos son: “Método 5: Determinación de Emisiones de Material Particulado

de Fuentes Estacionarias” “Método 6: Determinación de Emisiones de dióxido

de azufre para Fuentes Estacionarias” “Método 7C: Determinación de

Emisiones de óxido de nitrógeno de Fuentes Estacionarias (Método

Colorimétrico/Permanganato Alcalino)” métodos desarrollados por la Agencia de

Protección Ambiental de los Estados Unidos de América (EPA).

Método 5: Determinación de Emisiones de Material Particulado de Fuentes

Estacionarias, consiste en recolectar la materia en partículas en un paño de

lana de vidrio manteniendo la temperatura en un rango de 120 ± 14°C (248 ±

25°F). La masa de material particulado, que incluy e cualquier material que se

haya condensado a la temperatura de filtración o arriba de la misma, se

determina gravimétricamente después de la remoción de humedad.

El procedimiento en laboratorio es el siguiente: el material recolectado en el

contenedor 1, en éste está el filtro de fibra de vidrio, se debe de poner en un

recipiente previamente tarado, deje secar a temperatura ambiente por 24 horas

en secador que contiene sulfato de calcio anhidro, pese hasta tener un peso

constante e informe el resultado con exactitud de 0.1mg. En el Contenedor 2,

Verifique el nivel de líquido en el contenedor y confirme que no hay fugas, si

existieran fugas es necesario anular la muestra o utilizar un método aprobado

para corregir los resultados finales, mida el contenido del líquido

volumétricamente a una precisión de ±1 ml o gravimétricamente con precisión

de ±0.5 g, evapore en un recipiente de 250ml, previamente tarado, a

temperatura y presión del ambiente, seque por 24 horas hasta alcanzar un peso

25

constante. En el contenedor 3, pese el gel de sílice agotado hasta una

precisión de 0.5g. contenedor del “blanco de acetona” mida la acetona en este

contenedor ya sea volumétrica o gravimétricamente, pase la acetona a un

recipiente de 250 ml, previamente tarado, evapore hasta que seque a

temperatura y presión ambiental por 24 horas y pese el contenido, anote el

resultado con una precisión de 0.1 mg.

Método 6: Determinación de las emisiones SO2 de fuentes estacionarias,

consiste en extraer una muestra de gas del punto de muestreo de la chimenea,

la niebla de ácido sulfúrico (incluyendo trióxido de azufre) y el dióxido de azufre

(SO2) se separa, la fracción de SO2 se mide por el Método de Titulación de

Bario-Torina.

El procedimiento de laboratorio es el siguiente: Verifique que no se haya

perdido parte de la muestra, si la pérdida es de cantidad apreciable anule la

muestra o utilice un método aprobado de corrección para resultados finales,

transfiera el contenido del contenedor a un matraz de 100 ml y diluya con agua

a exactamente 100 ml, con una pipeta tome 20 ml de la muestra y llévela a un

matraz de 250 ml agregue 80 ml de isopropanol al 100% y dos a cuatro gotas

de indicador de torina y titule a un punto final rosa utilizando solución estándar

de bario 0.0100 N. Repita el proceso y saque el promedio de los dos

volúmenes de titulación, las titulaciones deben coincidir con una diferencia de

1% o de 0.2 ml, lo que sea mayor.

Método 7C: Determinación de Emisiones de Óxido de Nitrógeno de Fuentes

Estacionarias (Método Colorimétrico/Permanganato Alcalino), una muestra de

gas se recolecta en una solución de permanganato de potasio, las emisiones de

NOx, (NO y NO2) son oxidadas a NO2- y NO3-, entonces los NO3- se reducen a

NO2- con cadmio, y los NO2- se analizan colorimétricamente.

26

En el laboratorio con una pipeta coloque 10 ml de muestra en un tubo de

cultivo, con una pipeta coloque 10 ml de solución de sulfanilamida y 1.4 ml de

solución de NEDA, cubra el tubo de cultivo con una película protectora y mezcle

la solución, prepare un blanco de la misma forma utilizando la muestra del

tratamiento de la solución no expuesta de KMnO4/NaOH, también prepare un

estándar para comprobar la pendiente de la curva de calibración, después de

10 minutos mida la absorbancia a 540 nm contra agua y lea los µg NO2-/ml en

la curva de calibración, si el resultado es mayor que el de la curva de

calibración vuelva a hacer la prueba solo que con menos de 10 ml de muestra y

repita el mismo proceso.

27

2. COMPARACIÓN DEL CICLO DIESEL Y EL CICLO

MILLER

2.1. Descripción del ciclo Diesel Standard

2.1.1. Descripción mecánica del ciclo

El motor de combustión interna es una máquina diseñada para poder

aprovechar la energía liberada por la combustión de un combustible dentro de

una cámara cerrada conocida como cilindro.

El motor está constituido por un bloque que contiene o sostiene cada uno de

los elementos necesarios para que el motor pueda funcionar adecuadamente,

un eje cigüeñal, bielas, pistones, eje de levas, inyectores, culata, etc., todo con

el fin de que funcione a la perfección, en este caso veremos un motor Wärtsila

18V46, 18 cilindros en V de 46cm de diámetro, de 514 RPM y 1728L de

cilindrada.

Sabiendo que básicamente los motores de combustión de encendido a

compresión (Ciclo Diesel) tiene la misma estructura básica de cualquier motor

de combustión, es decir tienen los mismos elementos y funcionan de la misma

forma, veremos cómo funcionan sus ciclos termodinámicos y todos los

elementos externos que necesitan para funcionar adecuadamente.

28

2.1.1.1 Necesidades del ciclo

Cada ciclo en particular necesita condiciones mínimas de funcionamiento

para que pueda desarrollar el trabajo para el que está diseñado, veremos esto

en un diagrama polar del ciclo.

En la figura 5 vemos un diagrama polar de un ciclo Diesel podemos ver en él

los distintos ángulos en los que actúan las válvulas de admisión y escape, el

tiempo en el que es necesario hacer que el aire para la combustión entre a la

cámara de combustión, el tiempo de inyección, el tiempo de escape, etc., todo

se muestra en el diagrama polar, además con este diagrama podemos

establecer algunas diferencias entre los distintos ciclos existentes.

Podemos ver que en este diagrama cada uno de los tiempos del ciclo,

iniciando con el tiempo de admisión a los 50° antes del PMS y termina a los 26°

después del PMI, esto es 256°, en tiempo esto es 0. 083 segundos, puesto que

el motor es de 514 RPM, el tiempo de compresión es el que inicia al terminar la

admisión, 26° después del PMI y 12° antes del PMS, esto es 142°, en tiempo

son 0.046 segundos, la inyección se realiza faltando 12° al PMS, en el momento

de la inyección se realiza la combustión y con ello inicia el tiempo de la

potencia, esto es a los 12° antes del PMS y termina 53° antes del PMI, esto es

139°, en tiempo son 0.045 segundos, después es vien e el último tiempo, el de

escape, que inicia a los 53° antes del PMI y termin a a los 44° después del PMS,

esto es 277°, en tiempo son 0.089 segundos.

Con esto vemos que en estos motores los tiempos son muy pequeños por

esto es importante crear las condiciones para que funcione, todo debe estar

correctamente para que ésta máquina funcione correctamente, iniciemos con la

admisión.

29

La admisión en los motores Diesel es solamente aire a determinada

temperatura y esto es por la necesidad de oxígeno para la combustión,

recordemos que el tiempo que dura la admisión es de tan solo 0.083 segundos,

la cantidad de aire es muy importante para que el proceso de combustión se

lleve a cabo, por esto en los motores de alto rendimiento están provistos de un

equipo que se llama turbocargador, que veremos más adelante, el aire, como

sabemos, tiene el 21% de oxígeno y éste es el que se necesita para la

combustión, entonces debemos tener una relación de aire combustible

apropiada para que ocurra la combustión, por lo regular se calcula que se tenga

el 20% de aire en exceso para que la combustión se lleve a cabo de forma

satisfactoria.

Figura 5. Diagrama polar de un ciclo Diesel.


30

El trabajo del oxígeno es oxidar al combustible por esta razón es muy

importante que esté en la correcta relación con la cantidad de combustible, para

saber esto se ha desarrollado una forma de calcular la cantidad de oxígeno

necesario, por ejemplo, para calcular la cantidad de oxígeno de un combustible

como C8H18 la fórmula siguiente es la que se llamaría una mezcla perfecta:

C8H18 + (12.5)O2 + 12.5(3.71N2) 8CO2 + 9H2O + 12.5(3.71N2)

Combustible Aire Productos

Sabiendo que el aire está compuesto por el 21% de oxígeno, 78% de

nitrógeno y un 1% de otros gases como argón, hidrógeno, etc., esto nos dice

que por cada partícula o molécula de O2 hay 3.71 de N2, en general la ecuación

debe de tener un equilibrio químico, es decir la misma cantidad de carbono,

hidrógeno, oxígeno y nitrógeno debe de haber en cada lado de la ecuación, si

vemos en el lado izquierdo tenemos 8 Carbonos, 18 Hidrógenos y 25 Oxígenos;

en el lado derecho tenemos la misma cantidad de cada uno de los elementos,

entonces tenemos:

C8H18 + (12.5)O2 + 12.5(3.71N2) 8CO2 + 9H2O + 12.5(3.71N2)


1 + 12.5 + 46.375 8 + 9 + 46.375 en moles

114 + 400 + 1299.12 352 + 162 + 1299.12 en peso

Dividiendo todo por 114

1 + 3.51 + 11.40 3.09 + 1.42 + 11.40 en peso

Al ver la ecuación de ésta forma tenemos que la suma de 3.51 y 11.40 es la

cantidad de aire que se necesita para el combustible, así tenemos que para

31

cada kilogramo de combustible se necesitan 14.91 kilogramos de aire haciendo

así la relación aire-combustible 1:14.91.

Si componemos la ecuación para tener el 20% de aire en exceso, tenemos

la ecuación de la siguiente manera:

C8H18 + 1.2(12.5)O2 + 1.2(46.375N2) 8CO2 + 9H2O + 1.2(46.375N2) + 2.5O2


114 + 480 + 1558.94 352 + 162 + 1558.94 + 38.4 en peso

Dividiendo por 114 tenemos:

1 + 4.21 + 13.67 3.09 + 1.42 + 13.67 + 0.34 en peso

Ahora vemos que la cantidad de aire para un kilogramo de combustible es

de 17.88 kilogramos, entonces tenemos que la relación aire-combustible es

1:17.88 con el 20% de aire en exceso.

Además de esto también es necesario que el combustible tenga ciertas

características algunas de ellas ya se describieron en el inciso “1.1.2,

Combustibles utilizados en los motores de combustión interna”, pero aquí

veremos las características que el fabricante, Wärtsila, exige para que los

motores funcionen adecuadamente, iniciamos con la densidad esta es la

relación de la masa con el volumen, además ésta varía inversamente

proporcional con la temperatura, es decir a más temperatura la densidad baja y

a menos temperatura aumenta la densidad, los motores de alto caballaje deben

tener el combustible a niveles de densidad adecuados esto es a 0.98 kg/dm³ a

15°C o 0.91 kg/dm³ a 135°C, para éste motor en part icular, otro parámetro es la

Viscosidad, la viscosidad es la resistencia al flujo, también es inversamente

proporcional a la temperatura, la viscosidad adecuada para este tipo de motor

es de 730 cSt/50°C o 55 cSt/100°C, la viscosidad es una muestra de la calidad

32

de combustible y define la complejidad del sistema de manejo y calentamiento

del combustible, también debe de tener un poder calorífico adecuado para que

el motor pueda desarrollar la potencia para la cual fue diseñado, las

características del combustible son especificas para cada motor en particular, si

esto no es así el motor no desarrollará la potencia de diseño.

La potencia puede ser afectada por muchos factores, entre ellos la calidad

del combustible, la cantidad de combustible, la cantidad de aire para la

combustión, la temperatura del aire, sin embargo también hay formas de

aumentar la potencia de salida de un motor, una de estas formas es el aumento

en la Relación de Compresión que a continuación veremos.

2.1.1.2 Relación de compresión

La relación de compresión en un motor es de mucha importancia, con esta

podemos aumentar la potencia de salida de un motor, la relación de compresión

es la cantidad de veces que el volumen del cilindro estando el pistón en el punto

muerto inferior se reduce hasta llegar al punto muerto superior, de esta cuenta

es que encontramos motores con diferentes relaciones de compresión, por

ejemplo una relación de compresión 8:1 quiere decir que el volumen del cilindro

cuando el pistón esta en el punto muerto superior se ha reducido 8 veces. La

mayoría de los motores gasolina funcionan con relaciones de compresión de

8:1 a 10.5:1, no así los motores a Diesel, estos funcionan con relaciones de

compresión mayores en el rango de 14:1 a 17.5:1, esto los vuelve mucho más

eficientes térmicamente que los motores de gasolina, la razón es que a mayor

relación de compresión también implica mayor expansión de los gases dentro

del cilindro y esto se traduce en mayor aprovechamiento de la energía del

combustible transformada en trabajo, al aumentar el trabajo se aumenta la

potencia de un motor.

33

Otra de las razones por la cual es beneficiosa la alta relación de compresión

es la alta temperatura del aire cuando el pistón se encuentra en el punto muerto

superior proporcionando la atmósfera correcta para que el combustible se

queme sin la necesidad de utilizar una bujía, como en los motores a gasolina, la

temperatura del aire en este punto es mucho mayor que la temperatura de

autoencendido del combustible y esto provoca que el mismo se queme por

completo dentro del cilindro.

En los motores Wärtsila 18V46 Diesel, la relación de compresión es de 14:1,

que es el motor de Ciclo Diesel que estamos considerando para el estudio, en

la figura 6 vemos gráficamente la relación de compresión de este motor.

Figura 6. Relación de compresión de 14:1 en un motor con ciclo Diesel.


La relación de compresión en los motores aumenta o disminuye la eficiencia

térmica del motor, también hace lo mismo con la potencia es decir que a mayor

relación de compresión mayor será la potencia del motor por esta razón es muy

importante conocer la relación de compresión en un motor.

34

En términos generales, un motor con alta relación de compresión es un

motor más robusto, es decir que tiene que tener la capacidad de soportar este

aumento de presión en el cilindro sin que sufra daños, por esto vemos que el

motor de ciclo Diesel son más grandes que los de gasolina, también el aumento

de relación de compresión aumenta el par torsor de salida del motor.

2.1.1.3 Turbocargadores

Estos equipos son de suma importancia en los motores, ellos proveen el aire

necesario para que la combustión ocurra adecuadamente, los turbocargadores

son equipos de alta revoluciones y alta presión.

Este componente es un factor clave para aumentar la salida de potencia de

un motor, al atrapar una cantidad de aire, aumentando la presión, aumentamos

la densidad del aire, con esto introducimos más oxígeno en los cilindros y como

resultado tenemos el aumento de la eficiencia volumétrica del motor, al hacerlo

aumenta la capacidad de quemar el combustible en su totalidad y con esto

aumentamos la eficiencia térmica, con ello tenemos más potencia, más torsión,

etc., esto hace más atractivo a los motores turbocargados que los de aspiración

natural.

El concepto de aspiración natural es el resultado del movimiento del pistón

hacia el puno muerto inferior, esto crea la succión de aire hacia la cámara de

combustión, estando las válvulas de admisión abiertas, dentro del motor, este

método es el más utilizada en los motores de combustión, sin embargo la

introducción del turbocargador a estos ha hecho los motores sean más

eficientes.

35

Existen varias formas de hacer que el aire entre con más densidad a los

cilindros del motor, uno es un conjunto de engranajes, parecido a una turbina

Roots, como vemos en la figura 7, pero esto demanda potencia del motor para

poder impulsar la turbina Roots, decimos que este tipo de turbocargadores

demanda más energía del motor porque su impulso lo obtiene directamente del

movimiento del cigüeñal del motor, al hacerlo de esta manera el turbocargador

se opone al motor y este necesita potencia para poder moverla, por esta razón

este tipo de turbocargador no es muy popular sin embargo es utilizado todavía.

Figura 7. Turbocargador tipo Roots impulsado por engranajes.


Otra forma es con una turbina impulsada por los gases de escape del mismo

motor, esto la hace más funcional, esto se debe a que no se necesita potencia

directa del motor sino que se utiliza la energía de los gases de escape lo cual

hace que más energía sea utilizada, la figura 8 nos muestra un arreglo de

turbocargadores impulsados por los gases de escape.

Este tipo de turbocargadores tienen la ventaja de producir flujo de aire

positivo a velocidades menores o cargas ligeras, el tiempo de respuesta de este

36

tipo de turbocargadores es más tardado en relación al de engranajes, esto es

debido la poca cantidad de gases que hay al principio pero conforme estos van

aumentando la respuesta de la turbina es mejor.

Figura 8. Turbocargadores impulsados por gases de escape del motor.


El turbocargador utilizado por el motor Wärtsila 18V46 ciclo Diesel estándar

es del tipo de turbina impulsado por los gases de escape producidos por el

mismo motor, del tipo VTR 564P de la fabricante ABB, en la figura 9 tenemos la

vista en sección de un turbocargador de este tipo.

En la figura 9 se numera las partes del turbocargador VTR:

1. Entrada de los gases de escape.

2. El anillo boquilla, que direcciona los gases de escape hacia la turbina.

3. Rotor de la turbina con sus alabes.

4. Salida de los gases de escape después de pasar por la turbina.

5. Filtro silenciador, succión del aire fresco del ambiente al interior del

compresor.

6. Compresor.

7. Difusor.

8. Salida del aire comprimido del compresor.

El turbocargador VTR 564P32 tiene las siguientes ca

peso de 6500 Kilogramos, opera a una velocidad nominal de 14280 RPM,

velocidad máxima de 14460 RPM a una temperatura nominal de 620°C y una

temperatura máxima de 650°C la razón de presión del compresor (

máximo de 4.5 y un volumen máximo de aire de aproximadamente de 18 m³/s a

c = 3.75, lo hace un turbocargador de mucha capacidad.

37

Figura 9. Turbocargador VTR del fabricante ABB.

Fuente: Manual de ABB.


Entrada de los gases de escape.

El anillo boquilla, que direcciona los gases de escape hacia la turbina.

Rotor de la turbina con sus alabes.

a de los gases de escape después de pasar por la turbina.

Filtro silenciador, succión del aire fresco del ambiente al interior del

Salida del aire comprimido del compresor.

El turbocargador VTR 564P32 tiene las siguientes características, tiene un





= 3.75, lo hace un turbocargador de mucha capacidad.

VTR del fabricante ABB.


El anillo boquilla, que direcciona los gases de escape hacia la turbina.

a de los gases de escape después de pasar por la turbina.

Filtro silenciador, succión del aire fresco del ambiente al interior del

racterísticas, tiene un



temperatura máxima de 650°C la razón de presión del compresor (c) es de un


38

El turbocargador presenta algunas otras características como por ejemplo el

tamaño es muy robusto y el estar en funcionamiento ponemos esta masa en

movimiento, es decir, girando a 14280 RPM, también su sistema de lubricación

es independiente del sistema de lubricación del motor, esto lo protege de la

contaminación que pudiera tener el lubricante, pero representa que es

necesario estar cambiando el lubricante periódicamente, también posee una

bomba para poder lubricar los cojinetes que se encuentra acoplada al eje del

turbocargador aunque presenta poco consumo de energía es un factor más a

considerar.

2.1.2 Descripción termodinámica del ciclo

2.1.2.1 Gráficas presión-volumen (P-v) y temperatura-entropía (T-s)

Estas gráficas son muy importantes para el estudio de los motores de

combustión, normalmente se utilizan dos gráficas, las más comunes son la de

presión-volumen (P-v) y la de temperatura-entropía (T-s), estas nos ayudan a

determinar cómo se comportan los motores térmicamente y poder calcular sus

eficiencias de forma teórica y poder calcular la forma en que realmente se

comportará el motor, en la figura 10 vemos las dos gráficas.

Con estas gráficas vamos a despejar las fórmulas para poder calcular la

eficiencia y otros datos que también son importantes saber, además de estas

gráficas podemos ver los distintos procesos que se llevan a cabo dentro del

ciclo, la carrera de 1 a 2 es una compresión isoentrópica, la carrera de 2 a 3 es

calentamiento a presión constante, la carrera 3 a 4 es expansión isoentrópica y

la carrera de 4 a 1 es enfriamiento a volumen constante.

39

Figura 10. Gráfica presión-volumen y temperatura-entropía.

Fuente: La producción de energía mediante vapor, aire o gas.

También se observa en las áreas bajo la carrera de 2 a 3, en la gráfica

temperatura entropía, vemos todo el calor suministrado en el proceso con el

cual se produce el trabajo del sistema, con esta área se calcula en realidad

cuanto calor se suministra al proceso, además también vemos que el área que

está debajo de la carrera 4 a 1 es el calor que se rechaza del proceso, con

estos dos datos también se puede calcular la eficiencia del ciclo y en

consecuencia podemos ver cuanta energía se aprovecha del combustible.

2.1.2.2 Eficiencia térmica del ciclo

La eficiencia térmica se calcula de la siguiente manera:

40

Donde K = 1.4, que es la constante del aire rv = v1/v2 que es la relación de

compresión, rc = v3/v2 que es la razón de fin de inyección, estos términos se

sacan de las graficas de presión-volumen del ciclo Diesel que vemos en la

figura 10, los números de los volúmenes y las temperaturas en la formula son

representados en las graficas de acuerdo con la posición en la grafica.

También como dijimos en la sección anterior las áreas bajo la curva de

temperatura-entropía son equivalentes a la energía suministrada y expulsada,

podemos hace uso de esta forma de cálculo para poder calcular a eficiencia del

ciclo, las formulas para esto son:

ηt = (2Q3 – 4Q1)/2Q3 o (W/J)/2Q3 donde 2Q3 es la energía suministrada y 4Q1

es la energía rechazada.

Tenemos entonces las fórmulas siguientes:

2Q3 = Energía suministrada = macp(T3 – T2)

Donde ma es la masa y cp es calor específico a presión constante

4Q1 = Energía Suministrada = macv(T4 – T1)

Donde ma es la masa y cv es calor específico a volumen constante

W/J = Trabajo útil por ciclo = 2Q3 – 4Q1

Donde W es el trabajo útil y J es la constante de Joule

Sustituyendo la formula no da como resultado

ηt = 1 – T4 – T1 k(T3 – T2)

41

Tenemos, entonces, otra forma de calcular la eficiencia térmica de un motor

de ciclo Diesel.

2.1.3 Emisiones

2.1.3.1 Métodos utilizados para la determinación d e emisiones

La aplicación de las metodologías de la EPA en la medición de emisiones de

chimeneas tanto de partículas como de gases de combustión requiere de

equipos y procedimientos específicos que se citan a continuación.

La descripción del equipo utilizado se describe a continuación, en la tabla I.

Tabla I. Descripción del equipo utilizado para material particulado.

Metering Console With External Pump Método 5, Método 6

y Método 7

Modelo MC-572

Fabricante Apex Instruments

Parámetro Material Particulado Total (TSP), Dióxido de Azufre (SO2) y

Dióxido de Nitrógeno (NO2)

Métodos Método 5 : Determinación de Emisiones de Material

Particulado de Fuentes Estacionarias”, “Método 6 :

Determinación de Emisiones de Dióxido de Azufre para

Fuentes Estacionarias”, “Método 7C : Determinación de

Emisiones de Óxido de Nitrógeno de Fuentes

Estacionarias (Método Colorimétrico/Permanganato

Alcalino)”, Todos los métodos fueron desarrollados por la

Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de

América (EPA)

Fuente: Informe de monitoreo de emisiones en chimeneas, Planta Arizona.

42

Las mediciones de emisión de material particulado total se establecen

midiendo las emisiones producidas por los motores generadores de la Planta,

se siguió con la metodología y el equipo descrito por el Método 5

(Determinación de Emisión de Material Particulado de Fuentes Estacionarias)

de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de Norteamérica

(EPA), en el Código Federal de Regulaciones (CFR) No. 40, Capítulo I,

Apéndice A el cual es el recomendado por Banco Mundial en el Pollution

Prevention and Abatement Handbook July 1998 – Part II Monitoring, Table 3.

Pg. 189. El Método 5, contiene los Métodos 1, 2, 3 y 4, los cuales se aplicaron

antes de llevar a cabo el mismo.

La determinación de puertos y puntos de muestreo (Método 1, EPA) se

realiza, con el fin de recolectar de una manera representativa una muestra, para

una medición de concentración de material particulado, se seleccionaron varios

puntos de muestreo, ya que las concentraciones de partículas en un ducto o

chimenea no son uniformes, para esto, los puntos de muestreo se colocaron de

una manera transversa a lo largo del diámetro interno de la chimenea, y fuera

del alcance de turbulencias producidas por contracciones, expansiones y

cambios de dirección de cualquier tipo dentro del flujo de los gases de la

chimenea. Con este fin se siguió la metodología descrita por el Método 1 de la

EPA, en el cual indica que para chimeneas con diámetros mayores de 60 cm

(24 pulgadas), el número mínimo de puntos transversos requeridos es doce,

seis para dos direcciones de 90º. Las mediciones realizadas en las chimeneas

de la planta fueron tomadas en doce puntos transversos ubicados cada 3

pulgadas del borde de la pared de la chimenea, para cubrir como mínimo un

97% del diámetro.

En la figura 11 vemos la gráfica de cómo determinar la cantidad de puerto

de muestreo para los ductos de escape de los motores estacionarios.

43

Figura 11. Número mínimo de puntos transversos para velocidad y partículas.


Determinar la velocidad del gas y el flujo volumétrico es a través del Método

2, se usó para medir el promedio de velocidad y flujo volumétrico del gas en la

chimenea. Se utilizaron 12 puntos transversos e intervalos de 2 minutos para

cada punto y así determinar la velocidad en cada una de las chimeneas. Para

medir la velocidad se utilizó un tubo Pitot tipo S, conectado a un manómetro

diferencial de presión, la forma del tubo Pitot utilizado está diseñada para no

afectar el flujo de gas en la chimenea y así obtener una mejor lectura de

presión.

En la figura 12 tenemos un tubo Pitot con el cual se determinó la velocidad

del gas y el flujo volumétrico.

44

Figura 12. Diagrama de equipo de medición de velocidad (tubo Pitot tipo S).


La determinación de gases de combustión y peso molecular es usada para

medir las concentraciones de dióxido de carbono (CO2), oxígeno (O2), y

monóxido de carbono (CO), así como el exceso de aire en la combustión, para

posteriormente calcular el peso molecular en base seca y el peso molecular en

base húmeda.

Características del equipo de medición, se dan las características en la tabla

II, y metodología utilizada se muestran a continuación.

Períodos de medición: La muestra se hizo pasar por medio de una bomba

de succión por un período de 2 minutos.

Recolección de la muestra: Las mediciones se realizaron haciendo pasar un

flujo constante de gas (proveniente de la chimenea) por el equipo de medición,

45

por medio de una bomba de succión dentro de una sonda de partículas/humos,

para después analizar la muestra por medio de sensores electrónicos de O2 y

CO y de Temperatura, en un analizador instrumental.

Tabla II. Descripción del equipo para determinar gases de combustión y peso molecular de los

mismos

Parámetro Tamb, Tstack, O2, CO, CO2

Equipo de

medición

Tempest 100, Telegan Gas Monitoring, Incorporated

Research Enginers

Método de análisis Instrumental a través de montaje superficial

Precisión o

Repetibilidad

Sensor de O2: Rango 0-25%, Resolución 0.1%, Precisión

0.2±%, Sensor de CO: Rango 0-10,000 ppm, Resolución 1

ppm, Precisión <100 ppm: ± 5 ppm>100 ppm: ± 5%

Presión o Tiro: Rango 150 mBar, Resolución, 0.01 mBar,

Precisión ± 0.5 %

Rango de

Temperatura

40ºC a 800ºC


Otro parámetro que es importante verificar es el contenido de humedad en

gas, para establecer el contenido de humedad de la muestra de gas de cada

chimenea se aplica el Método 4 de la EPA. Se hizo pasar un flujo de gas

proveniente de la chimenea, durante períodos de 2 minutos, para 12 puntos

transversos a lo largo del diámetro de la chimenea (Método 1 EPA). El flujo

pasó a través de 4 condensadores (impigners), figura 13, dos de los cuales

contenían agua desmineralizada, un tercer condensador vacío, y el último que

contiene silica gel, sumergidos en un baño de hielo a temperatura controlada

(no mayor de 60ºC). El flujo de gas pasa a través de estos condensadores, y el

contenido de humedad se recoge en cada uno ellos, después mediante un

46

análisis de peso y volumen, figura 14, y flujo de gas calculado se encuentra la

fracción y porcentaje en volumen de humedad dentro de la muestra de gas.

Figura 13. Condensadores.


Figura 14. Pesaje de condensadores.


47

Para encontrar la concentración de material particulado total se procede a

extraer la muestra de gas, se utiliza el método 5 (EPA), en 12 puntos

transversos dentro de la chimenea por períodos de 2 minutos, por cada punto.

El material particulado recogido es calentado a través de la sonda, para

mantener las condiciones constantes de presión y temperatura de la muestra,

posteriormente el material particulado es capturado en un filtro de fibra de

vidrio, mediante una caja de calentamiento, la temperatura del filtro se mantiene

bajo control a 180ºC promedio, esto se hice con el objetivo de establecer una

temperatura de referencia para el reporte de material particulado.

En la Figura 15 se muestra un diagrama simplificado del tren de muestreo y

equipos utilizado en el Método 5.

Figura 15. Diagrama de flujo y equipos para Método 5.


48

Posterior a la medición, los componentes de la sonda son removidos y se

limpiados mediante un lavado con acetona, esto se hice para capturar todo el

material restante impregnado en el interior de la sonda guardando luego estos

residuos en recipientes debidamente identificados. Las muestras con acetona

de cada una de las chimeneas son analizadas en el laboratorio y al evaporarse

el solvente se pesan los residuos de material particulado provenientes de la

sonda. Las características del equipo utilizado para el cálculo de material

particulado se encuentran en la tabla III.

Tabla III. Descripción de equipo para cálculo de material particulado.

Consola de

Control

SY5-CIS, MC 572, Lectura de índice numérico, capacidad

de bombeo de 68 Lpm

Control de

Temperatura

Controladores de estado sólido análogos. Rango: 105ºC a

1372ºC

Termo coplas Tipo K estandarizadas

Sonda de muestreo y

precalentamiento

PA-6S Acero inoxidable Temperatura 650ºC, potencia

500 Watts.

Caja de

Calentamiento

GA-107-12 de 500 Watts

Boquillas Set de boquillas SS de 2 a 14 mm

Tubo Pitot Tipo S con Factor de calibración 0.84, con manómetro

diferencial en mm H2O

Medidor de Gas DGM Kimmon SK-25. Factor de calibración 0.981,

capacidad 9999.999 m³

Medidor de Orificio Factor de calibración 34.4952 mm H2O (∆H@)


49

2.1.3.2 Resultados del análisis de emisiones

Los resultados del análisis de las emisiones son:

Código Fecha de muestreo Velocidad de los gases

Temperatura de los gases

dd/mm/aa m/s °C

CH3A 07/02/2008 43.22 325

1997 World Bank Environmental Guidelines N/A N/A

Código Fecha de muestreo Temperatura de los gases CNOx @ 15%O2 CSO2 @ 15%O2

dd/mm/aa °C mg/Nm³ mg/Nm³

CH3A 07/02/2008 325 1846 285

1997 World Bank Environmental Guidelines N/A < 2300 2000

Esto quiere decir que nuestro Motor #3 Wärtsila 18V46, ciclo Diesel, estando

a plena carga, esto es a 14.5 Mw, presenta que está dentro del rango de

emisiones NOx pero cerca de estar fuera del límite a tan solo 154 mg/Nm³, en

las emisiones SO2 este tipo de motor presenta grandes ventajas puesto que

está muy lejos de llegar al límite puesto por el Banco Mundial.

2.2 Descripción del ciclo Miller

2.2.1 Descripción mecánica del ciclo

El ciclo Miller es aplicado a un motor de combustión interna diseñado para

poder aprovechar más la energía producida por la combustión de un

combustible dentro de una cámara cerrada conocida como cilindro.

Al igual que el ciclo Diesel el ciclo Miller, es un motor que está constituido

por un bloque que contiene o sostiene cada uno de los elementos necesarios

50

para que el motor pueda funcionar adecuadamente, un eje cigüeñal, bielas,

pistones, eje de levas, inyectores, culata, etc., todo con el fin de que funcione a

la perfección, en este caso veremos un motor Wärtsila 18V46, 18 cilindros en V

de 46cm de diámetro en el cilindro, de 514 RPM y 1728L de cilindrada.

Sabiendo que los motores de combustión de encendido a compresión (Ciclo

Diesel y sus modificaciones) tiene la misma estructura básica, es decir tienen

los mismos elementos y funcionan de la misma forma, veremos cómo funciona

su ciclo termodinámico y todos los elementos externos que necesitan para

funcionar adecuadamente.

2.2.1.1 Necesidades del ciclo

Cada ciclo en particular necesita condiciones para su funcionamiento para

que pueda desarrollar el trabajo para el que está diseñado, veremos esto en un

diagrama polar del ciclo.

En la figura 16 vemos un diagrama polar de un ciclo Miller podemos ver en

él los distintos ángulos en los que actúan las válvulas de admisión y escape, el

tiempo polar en el que es necesario hacer que el aire para la combustión entre

a la cámara de combustión, el tiempo de inyección, el tiempo de escape, etc.,

todo se muestra en el diagrama polar, además con este diagrama podemos

establecer algunas características del ciclo.

Podemos ver que en este diagrama cada uno de los tiempos del ciclo,

iniciando con el tiempo de admisión a los 44° antes del PMS y termina a los 10°

antes del PMI, esto es 214°, en tiempo esto es 0.06 9 segundos, puesto que el

motor es de 514 RPM, el tiempo de compresión es el que inicia al terminar la

admisión, 10° antes del PMI y 12° antes del PMS, es to es 178°, en tiempo son

51

0.058 segundos, la inyección se realiza faltando 12° al PMS, en el momento de

la inyección se realiza la combustión y con ello inicia el tiempo de la potencia,

esto es a los 12° antes del PMS y termina 53° antes del PMI, esto es 139°, en

tiempo son 0.045 segundos, después es viene el último tiempo, el de escape,

que inicia a los 53° antes del PMI y termina a los 40° después del PMS, esto es

273°, en tiempo son 0.088 segundos.

Figura 16. Diagrama polar de un ciclo Miller.


Con esto vemos que en este motor en particular los tiempos son muy

pequeños por esto es importante crear las condiciones para que funcione, todo

debe estar a tiempo para que esta máquina funcione correctamente, iniciemos

con la admisión.

52

La admisión en los motores Miller no es solamente aire ha determinada

temperatura y esto es por la necesidad de oxígeno para la combustión,

recordemos que le tiempo que dura la admisión es de tan solo 0.069 segundos,

la cantidad de aire es muy importante para que el proceso de combustión se

lleve a cabo, el aire, como sabemos, tiene el 21% de oxígeno y éste es el que

se necesita para la combustión, entonces debemos tener una buena relación de

aire combustible para que ocurra la combustión, por lo regular se calcula que se

tenga el 20% de aire en exceso para que la combustión se lleve a cabo de

forma satisfactoria.

El trabajo del oxígeno es oxidar al combustible por esta razón es muy

importante que este en la correcta relación con la cantidad de combustible, para

saber esto se ha desarrollado una forma de calcular la cantidad de oxígeno

necesario, por ejemplo, para calcular la cantidad de oxigeno de un combustible

C8H18 la formula siguiente es la que se llamaría una mezcla perfecta:

C8H18 + (12.5)O2 + 12.5(3.71N2) 8CO2 + 9H2O + 12.5(3.71N2)


Sabiendo que el aire está compuesto por el 21% de oxígeno, 78% de

nitrógeno y un 1% de otros gases como argón, hidrógeno, etc., esto nos dice

que por cada partícula o molécula de O2 hay 3.71 de N2, en general la ecuación

debe de tener un equilibrio químico, es decir la misma cantidad de carbono,

hidrógeno, oxígeno y nitrógeno debe de haber en cada lado de la ecuación, si

vemos en el lado izquierdo tenemos 8 Carbonos, 18 Hidrógenos y 25 Oxígenos;

en el lado derecho tenemos la misma cantidad de cada uno de los elementos,

entonces tenemos:

53

C8H18 + (12.5)O2 + 12.5(3.71N2) 8CO2 + 9H2O + 12.5(3.71N2)


1 + 12.5 + 46.375 8 + 9 + 46.375 en moles

114 + 400 + 1299.12 352 + 162 + 1299.12 en peso

Dividiendo todo por 114

1 + 3.51 + 11.40 3.09 + 1.42 + 11.40 en peso

Al ver la ecuación de ésta forma tenemos que la suma de 3.51 y 11.40 es la

cantidad de aire que se necesita para el combustible, así tenemos que para

cada kilogramo de combustible se necesitan 14.91 kilogramos de aire haciendo

así la relación aire-combustible 1:14.91.

Si componemos la ecuación para tener el 20% de aire en exceso, tenemos

la ecuación de la siguiente manera:

C8H18 + 1.2(12.5)O2 + 1.2(46.375N2) 8CO2 + 9H2O + 1.2(46.375N2) + 2.5O2


114 + 480 + 1558.94 352 + 162 + 1558.94 + 38.4 en peso

Dividiendo por 114 tenemos:

1 + 4.21 + 13.67 3.09 + 1.42 + 13.67 + 0.34 en peso

Ahora vemos que la cantidad de aire para un kilogramo de combustible es

de 17.88 kilogramos, entonces tenemos que la relación aire-combustible es

1:17.88 con el 20% de aire en exceso.

Además de esto también es necesario que el combustible tenga ciertas

características algunas de ellas ya se describieron en el inciso 1.1.2,

Combustibles utilizados en los motores de combustión interna, pero aquí las

54

repasaremos para estar claros de la condición en la que debe de estar el

combustible para poder utilizarlo en este tipo de motor, iniciamos con la

Densidad esta es la relación de la masa con el volumen, además ésta varía

inversamente proporcional con la temperatura, es decir a más temperatura la

densidad baja y a menos temperatura aumenta la densidad, los motores de alto

caballaje deben tener el combustible a niveles de densidad adecuados esto es

a 0.98 kg/dm³ a 15°C o 0.91 kg/dm³ a 135°C, otro pa rámetro es la viscosidad, la

viscosidad es la resistencia al flujo, también es inversamente proporcional a la

temperatura, la viscosidad adecuada para este tipo de motor es de 730

cSt/50°C o 55 cSt/100°C, la viscosidad es una muest ra de la calidad de

combustible y define la complejidad del sistema de manejo y calentamiento del

combustible, también debe de tener un poder calorífico adecuado para que el

motor pueda desarrollar la potencia para la cual fue diseñado, las

características del combustible son especificas para cada motor en particular, si

esto no es así el motor no desarrollará la potencia de diseño.

La potencia puede ser afectada por varias variables, el combustible, la

cantidad de combustible, la calidad del combustible, la cantidad de aire la

temperatura del aire, etc., pero también tenemos formas de aumentar la

potencia de salida de un motor, por ejemplo, la cantidad de aire que entra en la

cámara de combustión, la temperatura del aire que entra al motor, cada una de

ellas tiene la capacidad de aumentar la potencia de salida, pero tenemos otra

variable que aumenta considerablemente la potencia de salida y es la relación

de compresión, que veremos a continuación.

55

2.2.1.2 Relación de compresión

La relación de compresión en un motor es de mucha importancia, con esta

podemos aumentar la potencia de un motor, la relación de compresión es la

cantidad de veces que se reduce el volumen del cilindro cuando el pistón esta

en el punto muerto inferior versus cuando esta es el punto muerto superior de

esta cuenta es que encontramos motores con diferentes relaciones de

compresión, por ejemplo una relación de compresión 8:1 quiere decir que el

volumen del cilindro cuando el pistón esta en el punto muerto superior se ha

reducido 8 veces. La mayoría de los motores gasolina funcionan con relaciones

de compresión de 8:1 a 10.5:1, los motores a Diesel funcionan con relaciones

de compresión mayores en el rango de 14:1 a 17.5:1, esto los hace mucho más

eficientes térmicamente que los motores de gasolina, la razón es que a mayor

relación de compresión también implica mayor expansión de los gases dentro

del cilindro y esto se traduce en un mayor aprovechamiento de la energía del

combustible transformada en trabajo, al aumentar el trabajo se aumenta la

potencia de un motor.

Otra de las razones por la cual es beneficiosa la alta relación de compresión

es la alta temperatura del aire que se alcanza cuando el pistón se encuentra en

el punto muerto superior proporcionando la atmósfera correcta en temperatura

para que el combustible se queme sin la necesidad de utilizar una bujía, como

en los motores a gasolina, la temperatura del aire en este punto es mucho

mayor que la temperatura de autoencendido del combustible y esto provoca que

el mismo se queme por completo dentro del cilindro.

En los motores Wärtsila 18V46 Miller, la relación de compresión es de 16:1,

que es el motor de Ciclo Miller que estamos considerando para el estudio, en la

figura 17 vemos gráficamente la relación de compresión de este motor.

56

Figura 17. Relación de compresión de 16:1 en un motor con ciclo Miller.


Como dijimos, la relación de compresión en los motores afecta la eficiencia

térmica del mismo, también se ve afectada la potencia es decir que a mayor

relación de compresión mayor será la potencia del motor esto lo hace un dato

muy importante de saber de un motor.

Otro de las variables que aumentan la potencia de un motor y mejoran el

rendimiento del mismo es los turbocargadores, esto lo veremos a continuación.

2.2.1.3 Turbocargadores

Estos equipos son de suma importancia en los motores, ellos proveen el aire

necesario para que la combustión se dé adecuadamente, los turbocargadores

son equipos de alta revoluciones y alta presión.

Este componente es un factor clave para aumentar la salida de potencia de

un motor, al atrapar una cantidad mayor de masa de aire de mayor densidad en

los cilindros, con esto aumentamos la eficiencia volumétrica del motor, al

57

hacerlo aumenta la capacidad de quemar el combustible en su totalidad y con

esto aumentamos la eficiencia térmica, con ello tenemos un aumento de

eficiencia térmica, más potencia, más torsión, etc., esto hace más atractivo a los

motores turbocargados que los de aspiración natural.

Existen varias formas de hacer que el aire entre con más densidad a los

cilindros del motor, que se utiliza más a menudo es cuando utilizamos los gases

de escape para impulsar una turbina que a su vez impulsa un compresor, los

gases de escape es energía que ya no se utiliza, con estas turbinas es

aprovechada para llevar aire a la cámara de combustión dentro del cilindro en la

figura 18 nos muestra un arreglo de turbocargadores impulsados por los gases

de escape.

Las turbinas tienen la ventaja de producir flujo de aire positivo a velocidades

menores o cargas ligeras, el tiempo de respuesta de una turbina es n poco más

tardado por el hecho de que debe de haber una cantidad de gas suficiente para

moverla, pero conforme estos aumentan la turbina responde mejor a las

exigencias.

El turbocargador utilizado por el motor Wärtsila 18V46 Ciclo Miller es un TPL

77 A30 de la fabricante ABB, en la figura 19 tenemos la vista en sección de un

turbocargador de este tipo.

Figura 18. Arreglo turbocargadores impulsados

Fuente:

Figura 19.

El turbocargador TPL 77 A30 tiene las siguientes características, tiene un

peso de 3717 kilogramos, opera a una velocidad nominal de 16800 RPM,



máximo de 4.5 y un volumen máximo de aire de aproximadamente de

c = 4.4, lo hace un turbocargador un poco más eficiente que el VTR.

58

Arreglo turbocargadores impulsados por gases de escape del motor.

Manual moderno de tecnología Diesel.

Turbocargador TPL A del fabricante ABB.

Fuente: Manual de ABB


, opera a una velocidad nominal de 16800 RPM,



máximo de 4.5 y un volumen máximo de aire de aproximadamente de

= 4.4, lo hace un turbocargador un poco más eficiente que el VTR.

por gases de escape del motor.


, opera a una velocidad nominal de 16800 RPM,


temperatura máxima de 650°C la razón de presión del compresor (c) es de un


= 4.4, lo hace un turbocargador un poco más eficiente que el VTR.

59

El turbocargador presenta otras características, una de ellas es el tamaño,

es más liviano, el sistema de lubricación es el mismo que el del motor, con esto

no tenemos que cambiar de tiempo en tiempo, al tener el mismo sistema de

lubricación que el motor el turbocargador no necesita una bomba para poder

lubricarse puesto que la bomba del motor lo lubrica.

2.2.2 Descripción termodinámica del ciclo

2.2.2.1 Gráficas p resión-volumen (P-v) y t emperatura-entropía (T-s)

Estas gráficas son muy importantes para el estudio de los motores de

combustión, normalmente se utilizan dos gráficas, las más comunes son la de

presión-volumen (P-v) y la de temperatura-entropía (T-s), estas nos ayudan a

determinar cómo se comportan los motores térmicamente y poder calcular sus

eficiencias de forma teórica y poder calcular la forma en que realmente se

comportará el motor, en la figura 10 vemos las dos graficas.







60









También se observa en las áreas bajo la carrera de 2 a 3 vemos todo el

calor suministrado en el proceso con el cual se produce el trabajo del sistema,

con esta área se calcula en realidad cuanto calor se suministra al proceso,

además también vemos que el área que está debajo de la carrera 4 a 1 es el

calor que se rechaza del proceso, con estos dos datos también se puede

calcular la eficiencia del ciclo y en consecuencia podemos ver cuanta energía

se aprovecha del combustible.

61

2.2.2.2 Eficiencia térmica del ciclo

La eficiencia térmica se calcula de la siguiente manera:

Donde K = 1.4, que es la constante del aire rv = v1/v2 que es la relación de

compresión, rc = v3/v2 que es la razón de fin de inyección, estos términos se

sacan de las gráficas de presión-volumen del ciclo Diesel que vemos en la

figura 10, los números de los volúmenes y las temperaturas en la fórmula son

representados en las gráficas de acuerdo con la posición en la gráfica.

Si le ponemos valores a las posiciones de la gráfica en los volúmenes

podemos ver el resultado siguiente:

También como dijimos en la sección anterior las áreas bajo la curva de

temperatura-entropía son equivalentes a la energía suministrada y expulsada,

podemos hace uso de esta forma de cálculo para poder calcular a eficiencia del

ciclo, las fórmulas para esto son:

ηt = (2Q3 – 4Q1)/2Q3 o (W/J)/2Q3

donde 2Q3 es la energía suministrada y 4Q1 es la energía rechazada.

Tenemos entonces las fórmulas siguientes:

2Q3 = Energía suministrada = macp(T3 – T2)

Donde ma es la masa y cp es calor específico a presión constante

62

4Q1 = Energía suministrada = macv(T4 – T1)

Donde ma es la masa y cv es calor específico a volumen constante

W/J = Trabajo útil por ciclo = 2Q3 – 4Q1

Donde W es el trabajo útil y J es la constante de Joule

Sustituyendo la fórmula no da como resultado

ηt = 1 – T4 – T1 k(T3 – T2)

Tenemos entonces otra forma de calcular la eficiencia térmica de un motor

de Ciclo Miller, donde las temperaturas con número representan a cada una de

las posiciones de la grafica de T-s, la letra k es la constante del aire que es k =

1.4, con esto tenemos que conocer las temperaturas en cada uno de los puntos

de la gráfica.

2.2.3 Emisiones

2.2.3.1 Métodos utilizados para la determinación d e emisiones

Los métodos que se utilizaron para determinar las emisiones que se dan en

el motor con ciclo Miller son los mismos que se utilizaron para el motor con ciclo

Diesel.

Para ver los métodos ir al párrafo “2.1.3.1 Métodos utilizados para la

determinación de emisiones” explicado para el ciclo Diesel.

2.2.3.2 Resultados del análisis de emisiones

Los resultados del análisis de las emisiones son:

63

Código Fecha de muestreo Velocidad de los gases

Temperatura de los gases

dd/mm/aa m/s °C

CH7A 01/02/2008 28.63 346


Código Fecha de muestreo Temperatura de los gases CNOx @ 15%O2 CSO2 @ 15%O2


CH7A 01/02/2008 346 1305 97


Estas mediciones se realizaron en el Motor #7 Wärtsila 18V46, ciclo Miller,

estando a plena carga, esto es a 16.5 Mw, las emisiones NOx está dentro del

rango y lejos del límite a 695 mg/Nm³, en las emisiones SO2 este tipo de motor

presenta grandes ventajas puesto que está muy lejos de llegar al límite puesto

por el Banco Mundial.

64

65

3 ESTABLECIMIENTO DE DIFERENCIAS Y

VENTAJAS DEL CICLO DIESEL Y EL CICLO

MILLER

3.1 Establecer las diferencias principales

3.1.1 Relación de compresión

Como vimos en las secciones 2.1.1.2 y 2.2.1.2 la relación de compresión es

un factor que contribuye en el incremento de la potencia de salida de un motor y

también aumenta la eficiencia térmica, lograr elevar la relación de compresión

es una tarea relativamente fácil, sin embargo es necesario realizar algunos

cambios en la estructura de las partes del motor para poder lograrlo,

recordemos que es necesario reducir el volumen de la cámara de combustión

cuando el pistón esta en el punto muerto superior, para esto fue necesario

aumentar la longitud de la biela, estas se fabrican en una medida estándar por

lo que para aumentar la longitud de la biela es necesario cambiar un espaciador

o suplemento, como es llamado por el fabricante, en la figura 19 vemos una

biela completa y la posición del suplemento para poder aumentar la relación de

compresión.

Para el ciclo Diesel o Estándar la relación de compresión es de 14:1 para

estos motores el suplemento es de un ancho de 11mm pero para el ciclo Miller

el suplemento debe de ser de 17mm, esto nos da un aumento de 6mm en el

suplemento, con este aumento logramos la relación de compresión de 16:1 en

este ciclo.

66

Figura 21. Biela completa de un motor Wärtsila 18V46.


Este cambio llevó a realizar otros cambios que describiremos a

continuación, el primero en sufrir cambios fue el anillo antipulimiento, este en el

ciclo estándar tiene una longitud de 79mm y en el Miller tiene 72.5mm esto es

para que el pistón en su viaje hacia el punto muerto superior no tope con este

anillo; también tenemos la modificación del alojamiento del anillo antipulimiento

en la camisa del cilindro, este se encuentra en la parte superior de la misma y si

el anillo cambió este alojamiento también es necesario cambiarlo para que el

anillo quede perfectamente bien alojado en la camisa; también el ángulo de las

boquillas del inyector cambió en el ciclo Diesel el ángulo es de 150° y en el ciclo

Miller es de 160° esto es por la cercanía del pistó n a la culata del cilindro; al

aumentar la relación de compresión también aumentamos la presión dentro del

67

cilindro y esto dificultaría la entrada del combustible al mismo, por esta razón

fue necesario cambiar la altura de la leva de la bomba de inyección en el

estándar es de 185mm pero en el Miller es de 191mm un aumento de 6mm.

Estas son las modificaciones que se tuvieron que hacer para aumentar la

relación de compresión.

La tabla IV nos muestra los cambios que fueron necesarios hacer para

elevar la relación de compresión.

Tabla IV. Diferencias entre el ciclo Diesel y Miller por el aumento de la relación de compresión.

Diferencias entre ciclo Diesel y Miller por el aumento de la relación de compresión

Diesel Miller

Suplemento 11mm 17mm

Anillo antipulimiento 79mm 72.5mm

Camisa (Alojamiento de anillo antipulimiento) 79mm 72.5mm

Válvula del inyector 60° 75°

Leva de bomba de inyección 185mm 191mm

Embolo de bomba de inyección 40mm 46mm


68

3.1.2 Turbocargadores

Los turbocargadores también contribuyen al aumento de la potencia y

eficiencia térmica de los motores, la contribución de los turbocargadores

consiste en llevar al cilindro más cantidad de aire y como el aire se puede

manipulara también se puede acondicionar la temperatura del mismo para que

este en las condiciones apropiadas para poder tener una combustión, sino es

perfecta, muy cerca de serlo, esto al final se traduce en el aumento de la

potencia de salida del motor, al quemar más eficientemente el combustible que

entra al cilindro del motor.

En el motor Diesel se utiliza un turbocompresor VTR 564P y en los Miller se

utiliza uno TPL 77-A30, ambos contribuyen en casi la cantidad de aire en

volumen, pero tienen diferencias significativas entre ellos, la tabla V muestra

estas diferencias.

Tabla V. Diferencias entre el turbocompresor VTR564 P32 y el TPL77-A30, utilizados en motores Wärtsila 18V46, ciclo Diesel y ciclo Miller.

Diferencias entre Turbocargadores VTR y TPL de ABB

Estándar Miller

Tipo de Compresor VTR564 P32 TPL77 - A30

Peso del Turbocargador 6500 Kg 3717 Kg

Velocidad Nominal de Turbocargador 14280 RPM 16800 RPM

Velocidad Máxima del Turbocargador 15060 RPM 17700 RPM

69

Temperatura de Operación 620°C 620°C

Temperatura Máxima de Operación 650°C 650°C

Volumen Máximo 18 m³/s 18 m³/s

Razón de Compresión del Compresor Máxima

4.5 4.5

Lubricación Independiente Del Motor

Cojinete De Bolas Tipo

Bushing

Bomba de lubricación Acoplada al

Eje del Turbo Del Motor


Cada uno tiene sus ventajas y desventajas, lo que sí es importante es que

ambos tienen como máximo el mismo volumen de aire que pueden mover,

como máximo 18 m³/s, esto no cambia en ambos turbocargadores, pero

cuestiones como el peso, velocidad, como se lubrican etc., esto si cambia en

cada uno.

En la figura 22 muestra La diferencia en los cojinetes de los

turbocargadores.

Vemos pues que el VTR tiene acoplada la bomba al eje del turbocargador a

diferencia del TPL que es lubricado por el sistema de lubricación del motor, los

cojinetes en el VTR son de bolas los cuales deben de ser lubricados para que

no se dañen a diferencia del TPL que tiene cojinete liso el cual necesita tener

más lubricación para evitar la destrucción de las partes puesto que el contacto

es directo metal-metal.

Figura 22. Diferencia en los cojinetes del turbocargador VTR y el TPL, forma en que se

En la figura 23 nos muestra las dos curvas que muestran la razón de

compresión y el volumen que toman del ambiente.

Figura 23. Curvas de los turbocargadores VTR y TPL.

70

Diferencia en los cojinetes del turbocargador VTR y el TPL, forma en que se

lubrican los mismos.

Fuente: del Manual de ABB.

nos muestra las dos curvas que muestran la razón de

compresión y el volumen que toman del ambiente.

Curvas de los turbocargadores VTR y TPL.


Diferencia en los cojinetes del turbocargador VTR y el TPL, forma en que se

nos muestra las dos curvas que muestran la razón de

71

3.1.3 Tiempo de inyección de cada ciclo

Según vimos en el diagrama polar en ambos ciclos tienen el mismo tiempo

de inyección es decir que a los 12° antes de llegar al puno muerto superior la

inyección tiene lugar, sin embargo la bomba inicia el movimiento para llegar a la

inyección a los 18° antes del punto muerto superior , para que al los 12° antes

se abra la válvula de inyección para que esta ocurra y se de la combustión.

El adelanto o retraso de la inyección tiene sus consecuencias, tanto dentro

del motor como en las emisiones, por ejemplo, un atraso a 14° la inyección de

combustible, aumenta la presión en el cilindro, aumenta la eficiencia, pero

también aumenta las emisiones en los gases de escape (NOx), por el contrario,

si adelantamos el tiempo de inyección a 10°, la pre sión de cilindro disminuye,

disminuye la eficiencia y también disminuyen las emisiones en los gases de

escape (NOx).

3.2 Establecer diferencias termodinámicas

3.2.1 Gráficas de presión-volumen (P-v) y temperatura-entropía (T-s)

Una de las diferencias es que debido a la relación de compresión se tiene

que el ciclo Miller este tiene más aprovechamiento de la energía liberada del

combustible, en cada caso en particular el área bajo la curva de T-s representa

la cantidad de energía entregada y rechazada, veamos la grafica para el ciclo

Diesel en la figura 24.

La curva bajo el punto 2 y 3 es toda la energía que se suministro al ciclo,

esto se calcula de la forma siguiente, 2Q3=Energía Suministrada =macp(T3 – T2),

72

la energía rechazada viene dada por el área bajo la curva del punto 1 al 4, y se

calcula de la forma siguiente, 4Q1 = Energía suministrada = macv(T4 – T1).



La curva bajo el punto 2 y 3 es toda la energía que se suministro al ciclo,

esto se calcula de la forma siguiente, 2Q3 = Energía suministrada = macp(T3 –

T2), la energía rechazada viene dada por el área bajo la curva del punto 1 al 4, y

se calcula de la forma siguiente, 4Q1 = Energía suministrada = macv(T4 – T1).

Viendo las gráficas también encontramos que en los punto 1 al 2 tenemos

compresión isoentrópica, del punto 2 al 3 aumento de energía a presión

constante, del 3 al 4 tenemos expansión isoentrópica y del 4 al 1 tenemos

expulsión de energía a presión constante, en la gráfica T-v encontramos el

trabajo realizado por el ciclo y en la T-s se encuentra la eficiencia térmica que

es con las fórmulas que se escribieron anteriormente.

73

En el caso del ciclo Miller la eficiencia térmica viene dada de la misma

forma y el trabajo es el mismo caso, la diferencia con el ciclo Diesel es que la

presión en el punto 2 es mayor, recordemos la relación de compresión de

Diesel es de 14:1 y la del Miller es de 16:1, en el punto 3 de la grafica T-s

vemos que la energía es mayor que la misma gráfica en el caso del Diesel.



Esto nos dice que el ciclo Miller desarrolla más potencia y también es más

eficiente que el ciclo Diesel, sin embargo es necesario hacer cálculos para

verificar las cosas que vemos a simple vista, para esto pasamos al siguiente

tema donde haremos los datos que saldrán para estos motores.

3.2.2 Eficiencia térmica de los ciclos

La eficiencia térmica de los ciclos Diesel y Miller vienen dadas por la misma

fórmula:

74

o por la fórmula

ηt = 1 – T4 – T1 k(T3 – T2)

donde rv es la relación de compresión y k es la constante del aire igual a 1.4.

El trabajo se calcula por la diferencia de la energía que se suministra menos

la energía que se rechaza, esto es:

W = 2Q3 – 4Q1

Veamos el motor con ciclo Diesel, 18V46 Wärtsila:

Antes de comenzar veremos algunos términos importantes de dar a

conocer.

Poder calorífico del Bunker = 17500 BTU/lb equivalente a 40705 kJ/lb.

Densidad del Bunker = 993.1 kg/m³

Densidad del aire = 1.21 kg/m³ a una atmósfera de presión

Peso molecular del aire = 28.97

Constante del aire k = 1.4

Calor específico del aire a presión constante Cp = 1.0038 kJ/(kg•K)

Constante universal de los gases R = 8314.3 J/(kg mol•K)

Para el caso del motor de ciclo Diesel se tiene que el volumen del cilindro es

de 96.4 litros equivalente a 0.0964 m³

Relación de compresión rc = 14

75

Presión de aire de carga = 3 bar ó 300 kPa ó 2.96 atmósferas

Temperatura de aire de carga = 64°C ó 337°K

El volumen de combustible que entra en la cámara de combustión =

5.0265X10¯5 m³

Las fórmulas a utilizar son las siguientes:

ηt = 1 – T4 – T1 (1) k(T3 – T2)

V = R*T/P; (2)

rc = V1/V2; (3)

2Q3 = Energía suministrada = Cp(T3 – T2); (4)

T2/T1 = (V1/V2)^k-1 o T2/T1 = (rc)^k-1 (5)

P2/P1 = (V1/V2)^k o P2/P1 = (rc)^k; (6)

T3/T4 = (V4/V3)^k-1 (7)

Tenemos la cantidad en volumen de combustible que introducimos en la

cámara de combustión, traslademos éste valor a kilogramos esto se logra

multiplicando la densidad del combustible con el volumen de combustible que

es introducido.

993.1 X 5.0265X10¯5 = 0.04992 kg de combustible.

La energía introducida a la cámara de combustión se calcula multiplicando el

poder calorífico con la cantidad de combustible en kilogramos

40705 X 0.04992 = 2032 kJ

Con estos resultados podemos relacionar la cantidad de energía

suministrada con la cantidad de aire dentro de la cámara de combustión de la

siguiente forma, primero, sabemos que el aire tiene una densidad de 1.21 kg/m³

76

a 1 atmósfera, pero en el motor entra a una presión de 2.96 atmósferas lo que

aumenta la densidad a 3.58 kg/m³ con este resultado y el volumen de aire que

entra al cilindro tenemos que introducimos 0.3451 kg de aire, con esto

calculamos lo siguiente:

2032/0.3451 = 5888 kJ/kg de aire

Con esto resultados podemos iniciar nuestro cálculo, solo una cosa más,

todas las temperaturas deben ser en grados Kelvin (°K).

Tenemos T1 = 337°K, P 1 = 300 kPa, con estos datos calcularemos el

volumen en la admisión, pero el resultado lo daremos en m³/kg, por esta rozón

agregaremos a la fórmula el peso molecular del aire que es 28.97, entonces

V1 = (R)(T1)/(28.97)(P1); V1 = (8314.3)(337)/(28.97)(300000)

V1 = 2801919.1/8691000; V1 = 0.3224 m³/kg

Tenemos, T1 = 337°K; P 1 = 300 kPa y V1 = 0.3224 m³/kg.

Ahora calculamos V2 con la relación de compresión rc = V1/V2, para

encontrar V2 necesitamos hacer un arreglo.

V2 = V1/rc; V2 = 0.3224/14; V2 = 0.0230 m³/kg.

Con esto y la relación de compresión podemos encontrar la temperatura en

el punto 2, T2.

T2/T1 = (rc)^k-1; T2 = (T1)(rc)^k-1; T2 = (337)(14)^0.4; T2 = 968.5 °K.

Tenemos ya T1 = 337 °K y T 2 = 968.5 °K; V 1 = 0.3224 m³/kg y V2 = 0.0230

m³/kg, además P1 = 300 kPa.

77

Para encontrar la T3 es necesario utilizar la fórmula 2Q3 = Cp(T3 – T2),

arreglando la fórmula tenemos T3 = (2Q3/ Cp) + T2.

T3 = (5888/1.0038) + 968.5; T3 = 6834.2 °K

Para poder encontrar la T4 debemos conocer la P2 para después conocer el

V3.

P2/P1 = (rc)^k; P2 = (P1)(rc)^k; P2 = (300000)(14)^1.4; P2 = 12069.811 kPa; la

presión P2 = P3.

Con éste resultado buscamos ahora el V3.

V3 = (R)(T3)/(28.97)(P2); V3 = (8314.3)(6834.2)/(28.97)(12069811);

V3 = 56821589/349662424.7; V3 = 0.1625 m³/kg.

Ahora si es posible calcular T4.

T3/T4 = (V4/V3)^k-1; T4 = T3/(V4/V3)^k-1;

T4 = 6834.2/(0.3224/0.1625)^0.4;

T4 = 5196 °K

Con esto ya podemos calcular la eficiencia térmica del motor Wärtsila 18V46

de ciclo Diesel.

ηt = 1 – T4 – T1 entonces tenemos k(T3 – T2)

ηt = 1 – (5196 – 337)/(1.4)(6834.2 – 968.5)

ηt = 1 – (4859/8211.98)

78

ηt = 1 – 0.5917

ηt = 0.4083

La eficiencia térmica es ηt = 40.83%

Veamos el motor con ciclo Miller, 18V46 Wärtsila:

Al igual que en el ciclo Diesel hay algunos datos que se mantienen iguales

pero hay otros que si cambian, a continuación veremos todos los datos para el

ciclo Miller.

Poder calorífico del Bunker = 17500 BTU/lb equivalente a 40705 kJ/lb.

Densidad del Bunker = 993.1 kg/m³

Densidad del aire = 1.21 kg/m³ a una atmósfera de presión

Peso molecular del aire = 28.97

Constante del aire k = 1.4

Calor específico del aire a presión constante Cp = 1.0038 kJ/(kg•K)

Constante universal de los gases R = 8314.3 J/(kg mol•K)

Para el caso del motor de ciclo Miller se tiene que el volumen del cilindro es

de 96.4 litros equivalente a 0.0964 m³

Relación de compresión rc = 16

Presión de aire de carga = 3 bar ó 300 kPa ó 2.96 atmósferas

Temperatura de aire de carga = 65°C ó 338°K

El volumen de combustible que entra en la cámara de combustión =

5.7805X10¯5 m³

Las fórmulas a utilizar son las siguientes:

ηt = 1 – T4 – T1 (1) k(T3 – T2)

V = R*T/P; (2)

rc = V1/V2; (3)

2Q3 = Energía suministrada = Cp(T3 – T2); (4)

79

T2/T1 = (V1/V2)^k-1 o T2/T1 = (rc)^k-1 (5)

P2/P1 = (V1/V2)^k o P2/P1 = (rc)^k; (6)

T3/T4 = (V4/V3)^k-1 (7)

Tenemos la cantidad en volumen de combustible que introducimos en la

cámara de combustión, traslademos éste valor a kilogramos esto se logra

multiplicando la densidad del combustible con el volumen de combustible que

es introducido.

993.1 X 5.7805X10 ̄5 = 0.0574 kg de combustible.

La energía introducida a la cámara de combustión se calcula multiplicando el

poder calorífico con la cantidad de combustible en kilogramos

40705 X 0.0574 = 2336 kJ

Con estos resultados podemos relacionar la cantidad de energía

suministrada con la cantidad de aire dentro de la cámara de combustión de la

siguiente forma, primero, sabemos que el aire tiene una densidad de 1.21 kg/m³

a 1 atmósfera, pero en el motor entra a una presión de 2.96 atmósferas lo que

aumenta la densidad a 3.58 kg/m³ con este resultado y el volumen de aire que

entra al cilindro tenemos que introducimos 0.3451 kg de aire, con esto

calculamos lo siguiente

2336/0.3451 = 6769 kJ/kg de aire

Con esto resultados podemos iniciar nuestro cálculo, solo una cosa más,

todas las temperaturas deben ser en grados Kelvin (°K).

80

Tenemos T1 = 338°K, P 1 = 300 kPa, con estos datos calcularemos el

volumen en la admisión, pero el resultado lo daremos en m³/kg, por esta rozón

agregaremos a la fórmula el peso molecular del aire que es 28.97, entonces

V1 = (R)(T1)/(28.97)(P1); V1 = (8314.3)(338)/(28.97)(300000)

V1 = 2810233.4/8691000; V1 = 0.3233 m³/kg

Tenemos, T1 = 338°K; P 1 = 300 kPa y V1 = 0.3233 m³/kg.

Ahora calculamos V2 con la relación de compresión rc = V1/V2, para

encontrar V2 necesitamos hacer un arreglo.

V2 = V1/rc; V2 = 0.3233/16; V2 = 0.0202 m³/kg.

Con esto y la relación de compresión podemos encontrar la temperatura en

el punto 2, T2.

T2/T1 = (rc)^k-1; T2 = (T1)(rc)^k-1; T2 = (338)(16)^0.4; T2 = 1024.6 °K.

Tenemos ya T1 = 338 °K y T 2 = 1024.6 °K; V 1 = 0.3233 m³/kg y V2 = 0.0202

m³/kg, además P1 = 300 kPa.

Para encontrar la T3 es necesario utilizar la fórmula 2Q3 = Cp(T3 – T2),

arreglando la fórmula tenemos T3 = (2Q3/ Cp) + T2.

T3 = (6769/1.0038) + 1024.6; T3 = 7768 °K

Para poder encontrar la T4 debemos conocer la P2 para después conocer el

V3.

P2/P1 = (rc)^k; P2 = (P1)(rc)^k; P2 = (300000)(16)^1.4; P2 = 14550.879 kPa; la

presión P2 = P3.

81

Con éste resultado buscamos ahora el V3.

V3 = (R)(T3)/(28.97)(P2); V3 = (8314.3)(7768)/(28.97)(14550879);

V3 = 64585482.4/421538964.6; V3 = 0.1532 m³/kg.

Ahora si es posible calcular T4.

T3/T4 = (V4/V3)^k-1; T4 = T3/(V4/V3)^k-1;

T4 = 7768/(0.3233/0.1532)^0.4;

T4 = 5762 °K

Con esto ya podemos calcular la eficiencia térmica del motor Wärtsila 18V46

de ciclo Miller.

ηt = 1 – T4 – T1 entonces tenemos k(T3 – T2)

ηt = 1 – (5762 – 338)/(1.4)(7768 – 1024.6)

ηt = 1 – (5424/9440.8)

ηt = 1 – 0.5745

ηt = 0.4255

La eficiencia térmica es ηt = 42.55%

3.3 Ventajas del ciclo Miller contra el ciclo Diese l.

3.3.1 Ventajas termodinámicas.

Podemos ver después del cálculo anterior que el ciclo Miller posee una

ventaja de 1.72% en la eficiencia térmica sobre el ciclo Diesel.

82

Como decíamos en el capitulo 2.1.1.2 y 2.2.1.2 a mayor relación de

compresión vemos un aumento en la potencia y no solo la potencia sino

también resulta en un aumento en la eficiencia térmica del ciclo, esto es porque

hay una mayor expansión en el tiempo de fuerza del ciclo la expansión es

mayor que en el ciclo Diesel, también vemos como resultado de este mejor

aprovechamiento de la energía térmica el aumento de potencia en el ciclo Miller

este produce más potencia que el ciclo Diesel.

3.3.2 Ventajas ambientales.

Las ventajas ambientales pues son evidentes para cada uno de los ciclos,

veamos en el caso del ciclo Diesel, en el siguiente cuadro tenemos los

resultados del análisis de los gases de escape y vemos que los datos de NOx y

SO2 están dentro de los rangos que recomienda el Banco Mundial.

Tabla VI. Tabla de resultados de las mediciones de los gases de escape de la Chimenea 3

Código Fecha de Muestreo Velocidad de los Gases

Temperatura de los Gases

dd/mm/aa m/s °C

CH3A 07/02/2008 43.22 325


Código Fecha de Muestreo Temperatura de los Gases CNOx @ 15%O2 CSO2 @ 15%O2


CH3A 07/02/2008 325 1846 285


Fuente: Monitoreo de emisiones en chimeneas, Planta Las Palmas.

83

En la tabla siguiente vemos los resultados del ciclo Miller, la producción

de NOx y SO2 es evidentemente menor a la del ciclo Diesel y esto se debe al

ciclo en sí mismo.

Tabla VII. Tabla de resultados de las mediciones de los gases de escape de la Chimenea 7

Código Fecha de Muestreo Velocidad de los Gases

Temperatura de los Gases

dd/mm/aa m/s °C

CH7A 01/02/2008 28.63 346


Código Fecha de Muestreo Temperatura de los Gases CNOx @ 15%O2 CSO2 @ 15%O2


CH7A 01/02/2008 346 1305 97


Fuente: Monitoreo de emisiones en chimeneas, Planta Arizona.

3.3.3 Tabla comparativa del ciclo Diesel y el ciclo Miller.

Tabla VIII. Tabla de comparativa entre el ciclo Diesel y ciclo Miller

Tabla comparativa entre el ciclo Diesel y el ciclo Miller

Biela, Camisa, Bomba de inyección

Diesel Miller

Suplemento 11mm 17mm

Anillo antipulimiento 79mm 72.5mm

Camisa (Alojamiento de anillo antipulimiento)

79mm 72.5mm

84

Válvula del inyector 60° 75°

Leva de bomba de inyección 185mm 191mm

Embolo de bomba de inyección 40mm 46mm

Turbocargador Diesel Miller

Tipo de compresor VTR564 P32 TPL77 - A30

Peso del turbocargador 6500 Kg 3717 Kg

Velocidad nominal de turbocargador

14280 RPM 16800 RPM

Velocidad máxima del turbocargador

15060 RPM 17700 RPM

Temperatura de operación 620°C 620°C

Temperatura máxima de operación

650°C 650°C

Volumen máximo 18 m³/s 18 m³/s

Razón de compresión del compresor máxima

4.5 4.5

Lubricación Independiente Del motor

Cojinete De bolas Tipo bushing

Bomba de lubricación Acoplada al eje del turbo

Del motor

Enfriamiento Por agua Sin

enfriamiento

Motor Diesel Miller

Eficiencia térmica 40,83% 42,55%

Potencia en HP

Velocidad 514 RPM 514 RPM

Numero de cilindros 18 18

Diámetro del pistón 460mm 460mm

Carrera del pistón 580mm 580mm

Presión media efectiva 21.9 bar 23.6 bar

Fuente: Manual de Wärtsila y Manual de ABB

85

4 ELABORACIÓN DE UN SOFTWARE QUE PUEDA

MOSTRAR LAS DIFERENCIAS DE LOS CICLOS Y

PUEDA CALCULAR LA EFICIENCIA Y POTENCIA

DE LOS CICLOS DIESEL Y MILLER.

En este capítulo encontraremos un video que nos mostrará las

diferencias existentes entre los motores de ciclo Diesel y ciclo Miller, es un

video en formato DVD.

86

87

CONCLUSIONES

Hemos tenido la oportunidad de ver los dos ciclos, el Diesel y el Miller,

ambos tienen un buen rendimiento, sin embargo el Miller presenta algunas

ventajas sobre el Diesel, vemos que el motor con ciclo Miller son más eficientes

que el del motor con ciclo Diesel, de lo anterior podemos concluir en lo

siguiente:

1. Los turbocargadores tienen la misma capacidad pero el del motor Miller

es menos pesado y es más veloz que el del Diesel, sin embargo, ambos

tienen la misma relación de compresión y la misma capacidad

volumétrica, esta diferencia de peso es por la mejora en los materiales y

mejoras en el diseño que los hace más eficientes y con menos peso,

además está el rediseño de la lubricación que no es necesario tener un

depósito aparte para lubricar el turbocargador, en el Miller utiliza el

mismo sistema y aceite del motor para la lubricación mientras el Diesel

es necesario tener una bomba aparte y lubricante distinto al del motor.

2. La relación de compresión, en el Diesel es de 14 y en el Miller es de 16,

esto hace que el motor Miller sea más eficiente porque existe mayor

expansión de los gases de combustión y en consecuencia un mayor

aprovechamiento de la energía, al aumentar la relación de compresión

podemos aumentar el aprovechamiento de la energía de la combustión

porque el gas pasa más tiempo dentro del cilindro, debido a la mayor

expansión de los mismos lo que redunda en mejor eficiencia.

3. La energía que es suministrada proviene del combustible que entra en el

motor Diesel es menor que en el Miller, esto provee una mayor cantidad

de combustible en la cámara de combustión, lo que representa más

88

energía en el motor y en consecuencia se tiene más potencia

desarrollada, debido a que la relación de compresión fue aumentada de

14:1 a 16:1 también fue necesario aumentar la leva de la bomba de

inyección en 6mm para vencer la presión generada por el aumento de la

presión del cilindro.

4. Al aumentar la relación de compresión la corona del pistón se acerca

más a la culata, por lo tanto fue necesario aumentar el ángulo de los

agujeros de la tobera del inyector y se rediseñó para poder aumentar la

calidad de la niebla dentro de la cámara de combustión, logrando con

esto una mejor combustión lo que también redunda en una mejor

eficiencia.

5. Por último, resaltamos el porcentaje de aumento en la eficiencia térmica

del ciclo Miller de 1.72%, esto dice que este ciclo efectivamente es mejor

que ciclo Diesel, no sólo por éste aumento de la eficiencia, sino que

también por sus ventajas ambientales, pues se determinó que el motor

de ciclo Miller tiene o mantiene emisiones más bajas en relación al

Diesel.

Queda decir que el ciclo Miller es un ciclo más eficiente que el Diesel, y que

además es “amigable” con el medio ambiente.

89

RECOMENDACIONES

Cada uno de hallazgos en este trabajo de graduación muestra que el

motor con ciclo Miller es más eficiente que uno con ciclo Diesel, en varios

aspectos, por esta razón recomendamos:

1. De ser posible las generadoras de energía eléctrica, que tengan como

generadores principales a equipos electrógenos, estén en la

predisposición de obtener motores de combustión con ciclo Miller, esto

radica en sus ventajas ambientales y de eficiencia térmica.

2. Que al tener estos equipos los mantengan en óptimas condiciones para

obtener de ellos la más alta producción, sin dañar en demasía el medio

ambiente.

90

91

BIBLIOGRAFÍA

1. ABB Turbo System LTD. Manual de Operación y Mantenimiento de

Turbocargador TPL77 – A30. Edición 06. 2002.

2. ABB Turbo System LTD. Manual de Operación y Mantenimiento de

Turbocargador VTR564 P32. Edición 08. 2004.

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Prentice-Hall Hispanoamérica, S. A. Primera Edición 1997.

4. Crouse, William H. Motores de Automóvil. Construcción, Funcionamiento y

Manutención. Alfaomega Grupo Editor, S. A. de C. V. México. 1ª. Edición

Castellana de la 4ª. Americana de McGraw-Hill, 1996.

5. Granet, Irving. Termodinámica. Editorial Prentice-Hall Hispanoamericana, S.

A. Tercera Edición. 1988.

6. Huang, Francis F. Ingeniería Termodinámica, Fundamentos y Aplicaciones.

Compañía Editorial Continental, S. A. de C. V. México. Segunda Edición. 1994.

7. Jones, J. B.; Dugan, R. E. Ingeniería Termodinámica. Prentice Hall

Hispanoamericana, S. A. Primera Edición. 1997.

8. Obert, Edgard F. Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones.

Compañía Editorial Continental, S. A. de C. V. México. Primera Edición 1966.

Vigésimo Primera Reimpresión 1995.

92

9. Resnick, Robert.; Halliday, David.; Krane, Kenneth S. Física Volumen 1.

Compañía Editorial Continental, S. A. de C. V. México. 1992.

10. Severns, W. H.; Degler, H. E.; Miles, J. C. La Producción de Energía

Mediante Vapor, Aire o Gas. Editorial Reverté, S. A. 1982.

11. Smith, Edward H. Manual del Ingeniero Mecánico. Editorial Prentice-Hall

Hispanoamericana, S. A. Primera Edición. 1998.

12. Streeter, Victor L.; Wylie, E. Benjamin. Mecánica de los Fluidos. Editorial

McGraw-Hill. 1988.

13. Wärtsila NSD Corporation. Manual de Entrenamiento. Edición 7 Turku Julio

de 2000.

93

ANEXOS

94

Anexo1. Resumen de métodos de prueba para emisiones de la EPA

Office of Air Quality Planning and Standards

Método Referencia Fecha Descripción 1-8 42 FR 41754 08/18/77 Velocidad Orsat, materia en partículas (PM), S02, NOx, etc. 43 FR 11984 03/23/78 Corr. y enmiendas a M—1 a 8 1/24 52 FR 34639 09/14/87 Correcciones técnicas 52 FR 42061 11/02/87 Correcciones 2-25 55 FR 47471 11/14/90 Enmiendas técnicas 1 48 FR 45034 09/30/83 Reducción del número de puntos de recorrido 1 51 FR 20286 06/04/86 Procedimiento alterno para elección de sitio lA 54 FR 12621 03/28/89 Puntos de recorrido en ductos pequeños 2A 48 FR 37592 08/18/83 Gasto en ductos pequeños—vol., metros 2B 48 FR 37594 08/18/83 Gasto—estequiometría 2C 54 FR 12621 03/28/89 Gasto en ductos pequeños—Pitot estándar 2D 54 FR 12621 03/28/89 Gasto en ductos pequeños—velocidad en metros 2E P 56 FR 24468 05/30/91 Gasto de los pozos de tierras de relleno 2F Tentativo Pitot 3D para la velocidad 3 55 FR 05211 02/14/90 Peso molecular 3/3B 55 FR 18876 05/07/90 Aplicabilidad del Método 3B 3A 51 FR 21164 06/11/86 Método instrumental para 02 y CO2 3B 55 FR 05211 02/14/90 Orsat para factores de corrección y aire en exceso 3C P 56 FR 24468 05/30/91 3 48 FR 49458 10/25/83 Adición de QA/QC 4 48 FR 55670 12/14/83 Adición de QA/QC 5 48 FR 55670 12/14/83 Adición de QA/QC 5 45 FR 66752 10/07/80 Cambio de especificación de filtro 5 48 FR 39010 08/26/83 Revisión DGM 5 50 FR 01164 01/09/85 Incorporación DGM y procedimientos para el cálculo de sonda

95

5 52 FR 09657 03/26/87 Uso de orificios críticos como cal. estándar 5 52 FR 22888 06/16/87 Correcciones 5A 47 FR 34137 08/06/82 PM del techado de asfalto (Prop. como M—26) 5A 51 FR 32454 09/12/86 Adición de QA/QC 5B 51 FR 42839 11/26/86 PM de ácido no sulfúrico 5C Tentativo PM de duetos pequeños 5D 49 FR 43847 10/31/84 PM de filtros de tela 5D 51 FR 32454 09/12/86 Adición de QA/QC 5E 5O FR 07701 02/2S/85 PM de plantas de fibra de vidrio 5F 51 FR 42839 11/26/86 PM de FCCU 5F 53 FR 29681 08/08/88 Procedimiento de titulación con bario 5G 53 FR 05860 02/26/88 PM de estufa de leña—túnel de dilución 5H 53 FR 05860 02/26/88 PM de estufa de leña—chimenea 6 49 FR 26522 06/27/84 Adición de QA/QC 6 48 FR 39010 08/26/83 Revisión de DGM 6 52 FR 41423 10/28/87 Uso de orificios críticos para FR/vol medida 6A 47 FR 54073 12/01/82 SO2/CO2 6B 47 FR 54073 12/01/82 Auto. SO2/O2 6A/B 49 FR 09684 03/14/84 Incorporación de cambios de análisis coll. 6A/B 51 FR 32454 09/12/86 Adición de QA/QC 6C 51 FR 21164 06/11/86 Método instrumental para SO2 6C 52 FR 18797 05/27/87 Correcciones 7 49 FR 26522 06/27/84 Adiciones de QA/QC 7A 48 FR 55072 12/08/83 Cromatografía de iones para análisis de NOx 7A 53 FR 20139 06/02/88 ANPRM 7A 55 FR 21752 05/29/90 Revisiones 7B 50 FR 15893 04/23/85 Análisis UV de NOx para plantas de ácido nítrico 7A/B Tentativo Interferencia por SO2 elevado 7C 49 FR 38232 09/27/84 Permanganato/colorimétrico alcalino para NOx 7D 49 FR 38232 09/27/84 Permanganato/IC para NOx

96

7E 51 FR 21164 06/11/86 Método instrumental para NOx 8 36 FR 24876 12/23/71 Niebla de ácido sulfúrico y SO2 8 42 FR 41754 08/18/77 Adición de partículas y humedad 8 43 FR 11984 03/23/78 Correcciones misceláneas 9 39 FR 39872 11/12/74 Opacidad 9A 46 FR 53144 10/28/81 Alternativa 1, opacidad llamada Lidar 10 39 FR 09319 03/08/78 CO 10 53 FR 41333 10/21/88 Trampa alterna 10A 52 FR 30674 08/17/87 Método colorimétrico para PS—4 10A 52 FR 33316 09/02/87 Nota de corrección 10B 53 FR 41333 10/21/88 Método de GC para PS—4 11 43 FR 01494 01/10/78 H2S 12 47 FR 16564 04/16/82 Pb 12 49 FR 33842 08/24/84 Incorp. método de adiciones 13A 45 FR 41852 06/20/80 Método colorimétrico—F 13B 45 FR 41852 06/20/80 Método SIE—F 13A/B 45 FR 85016 12/24/80 Corrección a M—13A y 13B 14 45 FR 44202 06/30/80 F de los monitores del techo 15 43 FR 10866 03/15/78 TRS de las refinerías del petróleo 15 54 FR 46236 11/02/89 Revisiones 15 54 FR 51550 12/15/89 Nota de corrección 15A 52 FR 20391 06/01/87 TRS alterno/oxidación 16 43 FR 07568 02/23/78 TRS de las fábricas de pulpa de papel 16 43 FR 34784 08/07/78 Enmienda a M—16, pérdida de H2S después de los filtros 16 44 FR 02578 01/12/79 Enmienda a M—16, SO2 depurador añadido 16 54 FR 46236 11/02/89 Revisiones 16 55 FR 21752 05/29/90 Corrección de la cifra (—10%) 16A 50 FR 09578 03/08/85 TRS alterna 16A 52 FR 36408 09/29/87 Método alterno para el análisis de gas de cilindro 16B 52 FR 36408 09/29/87 TRS alterno/análisis GC de SO2 16A/B 53 FR 02914 02/02/88 Corrección 16 A/B

97

17 43 FR 07568 02/23/78 PM, en chimenea 18 48 FR 48344 10/18/83 Compuestos orgánicos volátiles (VOC) método general de GC 18 49 FR 22608 05/30/84 Correcciones al M—18 18 52 FR 51105 02/19/87 Revisiones para mejorar el método 18 52 FR 10852 04/03/87 Correcciones 18 59 FR 19308 04/22/94 Revisiones para mejorar QA/QC 19 44 FR 33580 06/11/79 Muestreo de carbón, factor F 19 52 FR 47826 12/16/87 M—19A incorporado al M—19 19 48 FR 49460 10/25/83 Corrección a las ecuaciones del factor F y valores de Fc 20 44 FR 52792 09/10/79 NOx de turbinas de gas 20 47 FR 30480 07/14/82 Correcciones y enmiendas 20 51 FR 32454 09/12/86 Clarificaciones 21 48 FR 37598 08/18/83 Fugas de VOC 21 49 FR 56580 12/22/83 Correcciones al Método 21 21 55 FR 25602 06/22/90 Clarificación de revisiones 22 47 FR 34137 08/06/82 VE fugitivo 22 48 FR 48360 10/18/83 Adición de emisión de humo de llamas 23 56 FR 5758 02/13/91 Dioxina/dibenzo furano 23R 60 FR 28378 05/31/95 Revisiones y correcciones 24 45 FR 65956 10/03/80 Disolvente en los recubrimientos superficiales 24A 47 FR 50644 11/08/82 Disolventes en tintas (prop. como M—29) 24 Tentativo Disolventes en recubrimientos conductores de agua 24 57 FR 30654 07/10/92 Recubrimientos de componentes múltiples 24 60 FR 47095 09/11/95 Recubrimientos curados por radiación 25 45 FR 65956 10/03/80 TGNMO 25 53 FR 04140 02/12/88 Revisiones para mejorar el método 25 53 FR 11590 04/07/88 Note la corrección 25A 48 FR 37595 08/18/83 TOC/FID 25B 48 FR 37597 08/18/83 TOC/NDIR 25C P 56 FR 24468 05/30/91 VOC de tierras de relleno 25D 59 FR 19311 04/22/94 VO de TSDF—procedimiento de purga

98

25E 59 FR 62896 12/06/94 VO de TSDF—procedimiento de presión de vapor 26 56 FR 5758 02/13/91 HCL 26 57 FR 24550 06/10/92 Correcciones al método 26 26 59 FR 19309 04/22/94 Añada 26 HCl, halógenos, otro halogenuros de hidrógeno 26A 59 FR 19309 04/22/94 HC1, halógenos, halogenuros de hidrógeno isocinéticos 27 48 FR 37597 08/18/83 Fugas de camiones tanque 28 53 FR 05860 02/26/88 Certificación de estufa de leña 28A 53 FR 05860 02/26/88 Relación aire a combustible 29 P 59 FR 48259 09/20/94 Metales múltiples PS-1 48 FR 13322 03/30/83 Opacidad PS-1 P 59 FR 60585 11/25/94 Revisiones PS-2 48 FR 23608 05/25/83 SO2 y NOx PS 1-5 55 FR 47471 11/14/91 Enmiendas técnicas PS-3 48 FR 23608 05/25/83 CO2 y 02 PS-4 50 FR 31700 08/05/85 CO PS-4A 56 FR 5526 02/11/91 CO para MWC PS-5 48 FR 32984 07/20/83 TRS PS-6 53 FR 07514 03/09/88 Velocidad y nivel de emisión de masa PS-7 55 FR 40171 10/02/90 H2S PS-8 59 FR 64580 12/15/94 Especificaciones de comportamiento VOC CEMS PS-9 59 FR 64580 12/15/94 Especificaciones de comportamiento GC CEMS PS-10 Tentativo Amoniaco CEMS PS-11 Tentativo PM CEMS PS-12 Tentativo Hg CEMS Prc 152 FR 21003 06/04/87 Aseguramiento de calidad por CEMS Prc 154 FR 52207 12/20/89 Revisión App-J 55 FR 33925 08/20/90 Eficiencia térmica de la estufa de leña Procedimientos alternos y misceláneos

48 FR 44700 09/29/83 Método del factor S para plantas de ácido sulfúrico

99

48 FR 48669 10/20/83 Correcciones a la publicación del factor S 49 FR 30672 07/31/84 Añada análisis de combustible a los procedimientos para turbinas

de gas 51 FR 21762 06/16/86 PST alterno para concentraciones de bajo nivel 54 FR 46234 11/02/89 Revisiones mise, al Apéndice A, 40 CFR, Parte 60 55 FR 40171 10/02/90 Monitoreo de las revisiones a la subparte J (Ref. Petr.), Parte 60 54 FR 06660 02/14/89 Métodos de prueba y revisión de procedimientos (40 CFR 60) 54 FR 21344 05/17/89 Nota de corrección 54 FR 27015 06/27/89 Nota de corrección

101 47 FR 24703 06/08/82 Hg en corrientes de aire 101A 47 FR 24703 06/08/82 Hg en incineradores de lodos de aguas negras 101A P 59 FR 48259 09/20/94 Revisiones—consistencia con el Método 29 101 49FR 35768 09/12/84 Correcciones a M—101 y 101A 102 47 FR 24703 06/08/82 Hg en corrientes de H2 103 48 FR 55266 12/09/83 Método de escrutinio de Be revisado 104 48 FR 55268 12/09/83 Método de Be revisado 105 40 FR 48299 10/14/75 Hg en lodos de aguas negras 105 49 FR 35768 09/12/84 Hg en lodos de aguas negras, revisado 106 47 FR 39168 09/07/82 Cloruro de vinilo corrientes 107 47 FR 39168 09/07/12 VC en corrientes en proceso 107 52 FR 20397 06/01/87 Procedimiento de calibración alterno 107A 47 FR 39485 09/08/82 VC en corrientes en proceso 108 51 FR 28035 08/04/86 Arsénico inorgánico 108A 51 FR 28035 08/04/86 Arsénico en muestras de menas 108B 55 FR 22026 05/31/90 Arsénico en menas, alterno 108C 55 FR 22026 05/31/90 Arsénico en menas, alterno 108B/C 55 FR 32913 08/13/90 Nota de corrección 111 50 FR 05197 02/06/85 Polonio 210 114 54 FR 09612 03/07/89 P Monitoreo radionúclidos 115 54 FR 09612 03/07/89 P Radón 222

52 FR 36972 90/23/88 Correcciones

100

201 55 FR 14246 04/17/90 PM10 (procedimiento EGR) 201A 55 FR 14246 04/17/90 PM10 (procedimiento CSR) 201/A 55 FR 24687 06/18/90 Corrección de ecuaciones 201 55 FR 37606 09/12/90 Corrección de ecuaciones 202 56 FR 65433 12/17/91 PM condensable 203P 57 FR 46114 10/07/92 Medidor de transmisión para cumplimiento 203A P 58 FR 61640 11/22/93 Emisiones visibles—2 a 6 mm prom. 203B P 58 FR 61640 11/22/93 Emisiones visibles-excepción de tiempo 203C P 58 FR 61640 11/22/93 Emisiones visibles—instantáneas 204 Tentativo Eficiencia de captura de VOC 204A Tentativo Eficiencia de captura de VOC 204B Tentativo Eficiencia de captura de VOC 2040 Tentativo Eficiencia de captura de VOC 204D Tentativo Eficiencia de captura de VOC 204E Tentativo Eficiencia de captura de VOC 204F Tentativo Eficiencia de captura de VOC 205 05/80/94 Verificación de la calibración de dilución 206 Tentativo Amoniaco (NH3) 207 Tentativo Isocianatos 301 57 FR 61970 12/29/92 Protocolo de convalidación de datos de campo 302 (Reservado) 303 58 FR 57898 10/27/93 Emisiones de la puerta de la estufa 304A 59 FR 19590 04/22/94 Velocidad de biodegradación (con respiradero) 304B 59 FR 19590 04/22/94 Velocidad de biodegradación (encerrado) 305 59 FR 19590 04/22/94 Desperdicio líquido de compuesto específico 306 60 FR 4948 01/25/95 Cromo hexavalente 306A 60 FR 4948 01/25/95 Muestreo simplificado de cromo 306B 60 FR 4948 01/25/95 Supresores de tensión superficial de cromo 307 59 FR 61801 12/02/94 Desengrasador de disolventes VOC 308 P 58 FR 66079 12/17/93 Metanol 309 P 06/06/94 Balance de materiales de la recuperación de disolventes en el

101

aeroespacio 310 Tentativo Hexano residual en caucho EPDM 311 P 59 FR 62652 12/06/94 VOC HAPS en recubrimiento de muebles 312 Tentativo Estireno residual en caucho SBR 313 Tentativo Estireno residual en caucho PBR 314 Tentativo Compuestos halogenados en disolventes 315 Tentativo Materia orgánica extraíble en MeCl 316 Tentativo Formaldehído—método manual 317 Tentativo Fenol—método manual 318 Tentativo Formadehído, fenol, metanol con FTIR 319 Tentativo Eficiencia de filtro, pintura por aspersión

Anexo 2. Método CFR típicos promulgados disponibles de EMTIC Nombre Del Expediente Fecha Bytes Descripción M-01.WPF 1/9/97 367 612 Método 1: Puntos de recorrido M-01A.WPF 9/25/96 100 260 Método lA: Ductos pequeños M-02.ZIP 1/10/97 868 379 Método 2: Velocidad—Pitot tipo S M-02A.WPF 9/25/96 33 900 Método 2A: Medidores de volumen M-02B.WPF 4/1/96 21 883 Método 2B: Gasto en volumen del escape M-02CWPF 9/25/96 121 858 Método 2C: Pitot estándar M-02DWPF 1/9/97 27 577 Método 2D: Medidores de velocidad M-02E.WPF 1/9/97 116 731 Método 2E: Gasto de la producción de gas en tierras de relleno M-03.WPF 9/25/96 311 859 Método 3: Peso molecular M-O3FIG.WPF 6/13/90 3 103 Método 3: Figura 3.3 M-03A.WPF 6/13/90 14 038 Método 3A: CO2, 02—instrumental

102

M-03B.WPF 6/13/90 22 991 Método 3B: CO2, O2—Orsat M-03C.WPF 6/20/96 21 543 Método 3C: CO2, CH4, N2, 02,-TCD M-04.WPF 1/9/97 464 259 Método 4: Contenido en humedad M-05.WPF 1/14/97 199 890 Método 5: Materia en partículas (PM) M-05A.WPF 6/13/90 24 460 Método 5A: PM en asfalto de techados (materia en partículas) M-05B.WPF 6/13/90 5 522 Método 5B: PM ácido no sulfúrico (materia en partículas) M-05D.WPF 8/20/96 223 893 Método 5D: PM bolsa de casa (materia en partículas) M-05E.WPF 8/20/96 26 866 Método 5E: PM plantas de fibra de vidrio (materia en partículas) M-05F.WPF 9/25/96 31 728 Método 5F: PM fluido catalítico Unidad de craqueo M-05G.WPF 8/20/96 62 366 Método SG: PM calentadores de leña de un túnel de dilución M-05H.WPF 8/20/96 67 300 Método 5H: PM calentadores de leña de una chimenea M-06.WPF 9/25/96 487 136 Método 6: Dióxido de azufre (SO2,) M-06FIG.WPF 6/13/90 1 955 Método 6: Figura 6.4 M-06AWPF 9/25/96 504 307 Método 6A: SO2, CO2, M-06B.WPF 8/20/96 18 258 Método 6B: SO2, CO2,—integrado a largo plazo M-06C.WPF 9/25/96 290 996 Método 6C: SO2,—instrumental M-07.WPF 3/12/96 38 351 Método 7: Óxidos de nitrógeno (NOx,) M-07A.WPF 1/28/91 17 588 Método 7A: NOx,—método cromatográfico de iones M-07B.WPF 8/20/96 18 486 Método 7B: NOx,—espectrometría ultravioleta M-07C.WPF 9/25/96 316 617 Método 7C: NOx,—método colorimétrico M-07D.WPF 9/25/96 128 784 Método 7D: NOx,—cromatografía de iones M-07E.WPF 8/14/90 9 787 Método 7E: NOx,—instrumental M-08.WPF 10/29/96 549 697 Método 8: Niebla de ácido sulfúrico M-09.WPF 8/20/96 53 177 Método 9: Opacidad visual M-10.WPF 9/25/96 496 761 Método 10: Monóxido de carbono— NDIR M-10A.ZIP 9/25/96 410 456 Método 10A: CO para certificación CEMS M-10B.WPF 11/8/94 13 634 Método 10B: CO de fuentes estacionarias M-11.ZIP 1/16/97 333 145 Método 11: H2S contenido de combustible M-12.WPF 9/25/96 551 702 Método 12: Plomo inorgánico M-13A.ZIP 1/16/97 331 453 Método 13A: Fluoruro total (SPADNS) (laca de circonio) M-13B.WPF 8/20/96 15 534 Método 13B: Fluoruro total (electrodo de ion específico)

103

M-14.ZIP 1/16/97 332 152 Método 14: Fluoruro para plantas primarias de aluminio M-15.WPF 10/10/96 41 642 Método 15: Sulfuro de hidrógeno, sulfuro de carbonilo y disulfuro de carbono M-15A.ZIP 1/16/97 480 179 Método 15A; Azufre reducido total (TRS Alt.) M-16.WPF 10/10/96 55 030 Método 16: Azufre (determinación semicontínua) M-16A.ZIP 9/25/96 427 370 Método 16A: Azufre reducido total (percutor) M-16B.WPF 4/1/96 35 317 Método 16B: Azufre reducido total (análisis GC) M-17.ZIP 1/16/97 414 182 Método 17: Partículas en chimenea (PM) M-18.ZIP 9/25/96 632 510 Método 18: VOC por OC REVM-18.WPF 3/3/94 19 023 Revisiones recientes al Método 18 (3/2/94) M-19.WPF 4/15/96 74 490 Método 19: Remoción de SO2, y PM, SO2, NOx, niveles de generadores de vapor de instalaciones eléctricas M-20.WPF 9/25/96 58 956 Método 20: NO, de las turbinas de gas estacionario M-21.WPF 4/27/95 19 771 Método 21: Fugas de VOC (corregido en 4/26/95) M-22.WPF 5/21/93 17 937 Método 22: Opacidad fugitiva M-23.WPF 5/25/95 86 545 Método 23: Dioxina y furano (copia 02/91 FR) M-24.WPF 9/7/95 14 872 Método 24: Recubrimientos de superficie copia 9/11/95 FR M-24A.WPF 8/6/93 10 354 Método 24A: Tintas de imprenta y recubrimientos relacionados M-25.WPF 9/25/96 119 616 Método 25: Emisiones gaseosas de compuestos orgánicos no metánicos M-25A.WPF 9/25/96 106 158 Método 25A: Concentración de compuestos orgánicos gaseosos

(ionización a la flama) M-25B.WPF 11/8/94 5 476 Método 25B: Concentración de compuestos orgánicos gaseosos (analizador al infrarrojo) M-25C.WPF 6/20/96 36 756 Método 25C: NMOC en gases de tierras de relleno M-25D.WPF 8/20/96 69 675 Método 25D: VOC de muestras de desechos (revisado—cifras añadidas) M-25E.WPF 9/25/96 30 544 Método 25E: Concentración de compuesto orgánicos en fase de vapor en muestras de desechos REVM-26.WPF 3/3/94 34 779 Revisiones recientes al Método 26 (3/3/94) M-26.WPF 12/3/96 57 281 Método 26: Cloruro de hidrógeno, halogenuros, halógenos

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M-26A.WPF 3/3/94 55 936 Método 26A: Halogenuro de hidrógeno y halógeno—isocinético M-27.WPF 1/21/94 13 889 Método 27: Tensión de vapor del tanque de gasolina—vacío de presión M-28.WPF 9/25/96 67 354 Método 28: Certificación y auditoría— calentadores de leña M-28A.WPF 9/25/96 24 716 Método 28A: Proporción aire a combustible velocidad de combustión aparatos para quemar leña M-29.ZIP 1/16/97 164 262 Método 29: Emisiones de metales de fuentes estacionarias M-101.ZIP 9/25/96 479 274 Método 101: Mercurio de plantas de cloro álcalis (aire) M-101FIGS.WPF 11/8/95 21 577 Cifras para M—101 M-101A.WPF5/20/91 38 589 Método 10 lA: Mercurio de incineradores de lodos de drenaje M101AREV.WPF 6/25/96 512 028 Revisiones al Método 1O1A (4/25/96) M-102.WPF 5/20/91 12 678 Método 102: Mercurio de plantas de cloro álcalis (corrientes de hidrógeno) M-103.WPF 9/25/96 30 887 Método 103: Método de análisis de berilio M-104.WPF 1/18/95 21 215 Método 104: Determinación de emisiones de berilio M-105.WPF 9/25/96 32 406 Método 105: Mercurio en aguas negras Tratamiento de lodos de plantas de drenaje M-106.WPF 5/23/95 30 433 Método 106: Determinación de cloruro de vinilo M-107.WPF 8/20/96 40 886 Método 107: Contenido de cloruro de vinil de muestras de drenaje en proceso M-107A.WPF 9/25/96 32 752 Método 107A: Contenido de cloruro de vinilo en disolventes M-108.WPF 9/25/96 56 080 Método 108: Emisiones de arsénico en partículas y gaseosas M-108A.WPF 8/20/96 17 456 Determinación del contenido de arsénico en muestras de menas de fundiciones no ferrosas M-108B.WPF 2/1/96 7 619 Método 108B: Arsénico M-108C.WPF 2/1/96 14 820 Método 108C: Arsénico M-111.WPF 4/1/96 35 891 Método 111: Emisiones de polonio 210 M-114.WPF 4/1/96 59 874 Método 114: Emisiones de radionúclidos M-115.WPF 4/1/96 29 109 Método 115: Emisiones de radón 222 M-201.ZIP 9/25/96 569 836 Método 201: PM10 (en chimenea, CRS) M-201A.WPF1/15/97 579 127 Método 201A: PM10 (en chimeneas, CRS) (revisado con cifras)

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M-202.WPF 9/25/96 284 788 Método 202: Materia en partículas condensable M202FIGS.WPF 11/8/95 11 538 Cifras para M: 202 M-205.WPF 9/25/96 23 225 Método 205: Calibración de la dilución de gas M-301.WPF 12/30/92 54 912 Método 301: Protocolo de validación M-303.WPF 9/25/96 79 843 Método 303: Baterías por producto de horno de coque M-3O3A.WPF 10/27/93 19 111 Método 303A: Baterías sin recuperación de horno de coque M304A.WPF 3/3/94 47 795 Método 304A: Velocidad de biodegradación—opción de espiradero M304B.WPF 3/3/94 50 010 Método 304B: Velocidades de biodegradación—opción de depurador M305.WPF 9/25/96 53 770 Método 305: Potencial de VOC en desechos M-306.ZIP 2/8/96 251 088 Método 306: Emisiones de cromo en galvanizado/anodizado M-306A.WPF9/25/96 372 925 Método 306A: Emisiones de cromo en galvanizado/anodizado (método de Mason Jar) M306B.WPF 2/8/96 12 480 Método 306B: Tensión superficial para tanques de galvanizado /anodizado M-307.WPF 9/25/96 38 080 Método 307: Emisiones de limpiadores con vapor de disolventes (2 de diciembre de 1994) M311.WPF 1/17/96 84 020 Método 311: HAPS en pinturas y recubrimientos PS-2.WFF 10/23/91 53 634 Comportamiento CEMS especificación 2 para SO2 y NOx PS-3.WPF 2/11/92 13 987 Comportamiento CEMS especificación 3 para 02 y CO2 PS-4.WPF 2/11/92 6 481 Comportamiento CEMS especificación 4 para CO PS-4A.WPF 10/30/91 6 702 Comportamiento CEMS especificación 4A para CO PS-5.WPF 5/12/92 5 248 Comportamiento CEMS especificación 5 para TRS PS-6.WPF 5/12/92 8 832 Comportamiento CEMS especificación 6 para gasto PS-7.WPF 7/1/91 5 504 Comportamiento CEMS especificación 7 para H2S PS-8.WPF 3/3/95 18 928 Comportamiento CEMS especificación 8 para VOC CEMS PS-9.WPF 3/19/96 21 085 Comportamiento CEMS especificación 9 para GC CEMS (promulgada en diciembre de 1994)

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Tesis Ciclo Miller