Motores de combustión interna: Clasificación, funcionamiento y mantenimiento

Clasificación de las Máquinas Térmicas

El trabajo útil puede ser ejecutado por órganos en movimiento alternativo, por rotores en movimiento rotativo o también directamente por el empuje realizado por un chorro de gas. En consecuencia, atendiendo a cómo se ejecuta el trabajo, las máquinas térmicas se pueden clasificar en:

• Alternativas
• Rotativas
• De chorro

Las máquinas térmicas, atendiendo a cómo se aporta el calor al fluido operante, también se pueden clasificar en:

• Máquinas de Combustión Interna: La aportación de calor al fluido operante se realiza efectuando la combustión en el seno del mismo fluido. A este grupo pertenecen los motores de combustión interna (movimiento alternativo) y las turbinas de gas (movimiento rotativo).
• Máquinas de Combustión Externa: Esta se verifica fuera del fluido operante, al que se transmite el calor producido en una caldera o generador, a través de una superficie de separación. A este grupo pertenecen las máquinas de vapor (alternativas), turbinas de vapor (rotativas) y las turbinas de ciclo cerrado (rotativas).

El Motor de Explosión

Un motor de explosión es una máquina térmica que convierte la energía química del combustible en energía mecánica en el eje. La combustión se produce en el cilindro, por lo que se clasifica como un motor de combustión interna. La mezcla de aire y combustible se enciende por la chispa eléctrica provocada en la bujía al final del proceso de compresión, de ahí su nombre de motor de explosión. La fuerza sobre el pistón se transmite a la manivela del cigüeñal, clasificándolo como un motor alternativo.

En este tipo de motor, se comprime moderadamente en el cilindro una mezcla en proporciones adecuadas de aire y del combustible que se utilice, previamente pulverizado o gasificado. Luego se inflama esta mezcla con el auxilio de una chispa eléctrica o mediante una pieza instalada en la cámara de compresión que se pone incandescente en el momento preciso. Esto determina una explosión en la masa de combustible gaseosa comprimida. La combustión de los gases se produce casi instantáneamente, por lo que a estos motores también se les da el nombre de motores de combustión a volumen constante.

Motor Diésel

Al igual que el motor de explosión, el motor diésel es una máquina térmica que convierte la energía química del combustible en energía mecánica en el eje. La combustión también se produce en el cilindro, por lo que es un motor de combustión interna. Sin embargo, en este caso, el combustible se enciende por la temperatura alcanzada por el aire en el proceso de compresión, por lo que se denomina motor diésel. La fuerza sobre el pistón se transmite a la manivela del cigüeñal, clasificándolo como un motor alternativo.

En los cilindros de estos motores solo se comprime aire puro. La compresión de este aire se fuerza lo necesario para que la temperatura alcanzada por el aire comprimido sea superior a la que el combustible precisa para su encendido. Casi al final de la compresión se inyecta en el cilindro el combustible, convenientemente pulverizado. La combustión no es instantánea sino gradual, es decir, que a medida que van ingresando las partículas combustibles, van entrando en combustión, y como el émbolo se va desplazando al par que la combustión se produce, aumentando con ello el volumen de la cámara de combustión, resulta que la presión se mantiene en el cilindro sensiblemente constante durante el periodo de combustión. A esta circunstancia deben estos motores también se conozcan con el nombre de motores de combustión a presión constante.

Fases del Ciclo de Trabajo

Ciclo de 4 Tiempos

El ciclo de 4 tiempos se realiza en cuatro carreras del pistón, que equivalen a dos vueltas del cigüeñal. Cada tiempo debe efectuarse durante una carrera del pistón. Los motores de cuatro tiempos pueden ser tanto de explosión como diésel.

1. Tiempo (Aspiración o Admisión): El pistón desciende desde el PMS (Punto Muerto Superior) al PMI (Punto Muerto Inferior) con la válvula de aspiración abierta. Se crea una depresión que aspira la mezcla de combustible y aire al interior del cilindro (motor de explosión) o solo aire (motor diésel). Teóricamente, la válvula se abre cuando el pistón está en el PMS y se cierra cuando llega al PMI. En la práctica, comienza su apertura antes del PMS (adelanto a la admisión) y se cierra después del PMI. La válvula de escape permanece cerrada durante toda la fase.
2. Tiempo (Compresión): En la carrera de retorno del PMI al PMS, con las válvulas de admisión y escape cerradas, el aire (motor diésel) o la mezcla de combustible y aire (motor de explosión) se comprime en la cámara de combustión hasta alcanzar un valor máximo al final de la misma. Cuando el pistón llega al final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla (motor de explosión) o el combustible es inyectado (motor diésel).
3. Tiempo (Combustión y Expansión): Teóricamente en el PMS, y en la práctica con ligera variación con respecto a tal posición (adelanto o retraso), se produce la inyección del combustible pulverizado (motor diésel), o se produce la chispa en la bujía (motor de explosión), que originan el encendido con el consiguiente aumento de presión y temperatura debido a la combustión. El aumento de presión actúa sobre el pistón moviéndolo hacia su PMI, disminuyendo la presión a medida que aumenta el volumen. En teoría, esta fase de combustión y expansión continuaría hasta que el pistón llega al PMI. En la práctica, antes de que la carrera se termine, comienza a abrir la válvula de escape y los gases de la combustión, que están aún bajo cierta presión, comienzan a evacuar.
4. Tiempo (Exhaustación o Escape): Durante la siguiente carrera de retorno hacia el PMS, el pistón empuja y expulsa los gases a través de la válvula de escape. Al final de la carrera, o poco después, se cierra la válvula de escape, se abre la de aspiración y comienza un nuevo ciclo que se repite con regularidad.

Ciclo de 2 Tiempos

El ciclo de 2 tiempos se realiza en dos carreras del pistón, que equivalen a una vuelta del cigüeñal. La aspiración debe efectuarse durante una fracción de la carrera de compresión y el escape, durante una fracción de la carrera de expansión o de trabajo. Los motores de dos tiempos pueden ser tanto de explosión como diésel, siendo este último el más común. Los motores de dos tiempos de explosión suelen ser de cárter seco y se utilizan para pequeñas potencias, como motocicletas y máquinas manuales de gasolina.

1. Tiempo (Aspiración y Compresión): Corresponde a la carrera ascendente del pistón, del PMI al PMS. La primera parte está dedicada a la fase de admisión, así como a la de barrido (por tener la galería de escape abierta), pero al continuar subiendo el pistón hacia el PMS (cuando cierra la galería de escape) realiza la fase de compresión.
2. Tiempo (Combustión y Escape): Este tiempo corresponde a la carrera de trabajo, que se inicia en el PMS, con el encendido y la combustión dando paso a la expansión hasta que el pistón, en su carrera descendente, descubre las lumbreras de exhaustación o abre la válvula de escape. En este punto, los gases, a causa de su presión todavía elevada, se precipitan a salir por la galería de escape, creando en la masa fluida una corriente directa hacia la salida. Inmediatamente después se abre la lumbrera de aspiración y el fluido activo empuja a los gases de la combustión hacia la lumbrera de escape (barrido). Se inicia así de nuevo la fase de barrido y admisión.

Principales Diferencias entre los Motores de Explosión y Diésel

No existen diferencias sustanciales desde el punto de vista mecánico, sí por sus ciclos teóricos, con una combustión a volumen constante el de explosión y a presión constante el diésel. Independientemente de ello, se diferencian en:

• Introducción del combustible: En la mayor parte de los motores de explosión, el aire y el combustible se introducen en la cámara de combustión durante la fase de aspiración en forma de mezcla gasificada. La mezcla se efectúa en el carburador y la cantidad de mezcla introducida se regula por medio de una válvula de mariposa. En los motores diésel, solo se introduce aire en el cilindro durante la fase de aspiración, sin mezclar con el combustible. Posteriormente, una vez comprimido el aire, se introduce el combustible pulverizado a través del inyector, efectuándose la mezcla con el aire dentro de la cámara de combustión. No hay regulación de la cantidad de aire, solo regulación de la cantidad de combustible introducido. Ello representa que, a igualdad de cilindrada, el diésel admite más cantidad de aire en el cilindro, ya que en el de explosión en el mismo volumen se encuentra el aire mezclado con el combustible.
• Forma de iniciar la combustión: En el motor de explosión se requiere de un sistema de encendido capaz de generar una chispa en la cámara de combustión para que se inicie el encendido. En el motor diésel, por el contrario, se utiliza la elevada temperatura y presión obtenidas al comprimir el aire en el cilindro para producir la combustión del combustible pulverizado, tan pronto es inyectado.
• Relación de compresión: El valor de la relación de compresión en los motores de explosión varía de 6 a 10 salvo casos excepcionales, mientras que en los diésel oscila entre 14 y 22. En los primeros, el límite superior de esta relación de compresión la determina la calidad antidetonante del combustible y para los diésel lo determina sobre todo el peso de la estructura del motor, que aumenta al aumentar la relación de compresión.
• Combustible utilizado: Los motores de explosión utilizan combustibles hidrocarburos ligeros (gasolinas) de elevado poder calorífico y que se evaporen fácilmente. También pueden emplearse combustibles gaseosos o gases licuados. Los motores diésel utilizan hidrocarburos líquidos (diésel-oil, gas-oil, fuel-oil) de características inferiores, menos volátiles y con peso específico superior, por lo que se denominan combustibles pesados.
• Ciclo operativo: El motor de explosión funciona generalmente sobre el ciclo operativo de 4 tiempos, a no ser en casos especiales como motores fuera borda y motocicletas de motores pequeños que siguen el ciclo de 2 tiempos. El motor diésel, por el contrario, funciona indistintamente con los ciclos de 2 y 4 tiempos.

Definiciones Fundamentales

• Punto Muerto Superior (PMS): Posición del pistón más próxima a la culata.
• Punto Muerto Inferior (PMI): Posición del pistón más alejada de la culata.
• Espacio Neutro (Ve): Espacio entre el PMS y la culata.
• Diámetro (D): Diámetro interior del cilindro (camisa), generalmente expresado en mm.
• Carrera (C): Distancia entre los PMI y PMS, es igual al doble del radio de la manivela del eje del cigüeñal y se expresa normalmente en mm.
• Relación Carrera/Diámetro: La relación carrera/diámetro es importante para el tamaño del motor. Cuanto mayor sea esta relación, mayor (más alto) será el motor.
• Volumen Total del Cilindro, Vt (Vt=Ve+Vc): Es el volumen comprendido entre la culata y el pistón cuando este se encuentra en su PMI, generalmente se expresa en cm³.
• Volumen de la Cámara de Combustión o Espacio Neutro, Ve: Es el volumen comprendido entre la culata y el pistón cuando este se encuentra en su PMS, se expresa generalmente en cm³.
• Volumen de la Cilindrada, Vc (Vc=Vt-Ve): Es el volumen generado entre el PMS y el PMI, también suele expresarse en cm³.
• Relación de Compresión (r): Es la relación entre el volumen total del cilindro y el de la cámara de combustión.
• Número de Revoluciones por Minuto (N, r/min): Velocidad angular de un motor (Ω). La velocidad angular de un motor es la medida de la velocidad de rotación. Se define como el ángulo girado por unidad de tiempo. Una revolución completa es igual a 2π radianes. Para contar el número de revoluciones por minuto de un motor se usa un tacómetro.
• Velocidad Media del Émbolo (Vm): Velocidad es la magnitud física que expresa la variación de posición de un objeto en función del tiempo o, expresado de otra forma, la distancia recorrida por el objeto por unidad de tiempo. En el PMA la velocidad instantánea es cero, al igual que en el PMB. Desde los puntos muertos el pistón se va acelerando al principio y después se va decelerando.
• Potencia de un Motor (Pi, Pe): Potencia es el trabajo desarrollado en la unidad de tiempo.
• Potencia Indicada: Es la medida en el interior del cilindro mediante los aparatos denominados indicadores.
• Potencia Efectiva: Es la medida en el eje del motor mediante los frenos o los torsiómetros.

La potencia efectiva será siempre menor que la indicada como consecuencia de las pérdidas. Estas pérdidas quedan reflejadas en el concepto de rendimiento.

• Rendimiento: Con carácter general, el concepto de rendimiento reflejará las pérdidas energéticas que se producen en una máquina.

Cada uno de los rendimientos que se establecen (o que se puedan establecer) reflejarán unas pérdidas concretas.

Ciclo Otto Teórico

El Ciclo Otto teórico es el ciclo ideal del motor de encendido por chispa (explosión), y está representado gráficamente en la figura en coordenadas P-V.

1. Admisión. Transformación Isobara 0-1: En este momento el pistón se encuentra en punto muerto superior (PMS), se abre la válvula de admisión, se inicia el descenso del pistón hacia el punto muerto inferior, entrando en el cilindro comburente más combustible mezclados. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como una recta horizontal.
2. Compresión. Transformación Adiabática 1-2: Cuando el pistón llega al PMI se cierra la válvula de admisión y el pistón inicia su ascenso (con las válvulas de admisión y escape cerradas) hasta el PMS comprimiendo la mezcla, a expensas de un trabajo negativo W1. Se supone que debido a la velocidad del proceso no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente por lo que la transformación es adiabática; no hay transferencia de calor e isentrópica porque es reversible.
3. Combustión. Transformación Isocora 2-3: Cuando el pistón llega al PMS, se produce la chispa en la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión. El calor generado en la combustión (Q1) calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isocora 2→3. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isocoro en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible. Como el calor Q1 se introduce a volumen constante, el trabajo W2-3 realizado durante esa transformación es nulo, y la ecuación de conservación de la energía del fluido sin flujo se transforma en: Q1=U3-U2. Como se trata de un ciclo ideal y, por tanto, el fluido operante es un gas perfecto, la variación de la energía interna durante su transformación a volumen constante vale: U3-U2=CV (T3-T2). De donde resulta Q1=CV (T3-T2).
4. Expansión. Transformación Adiabática 3-4: Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el PMS al PMI. En principio esta evolución es adiabática pero como además es reversible, es un proceso isentrópico. La evolución genera trabajo positivo W2. De hecho, es la única evolución del total del ciclo en que se genera trabajo positivo al exterior.
5. Escape. Transformación Isocora 4-1/ Isobara 1-0: Cuando el pistón llega al PMI, se abre la válvula de escape y teóricamente la presión en el interior del cilindro se iguala a la atmosférica instantáneamente (4-1 isocora), cediendo el calor Q2. A continuación, el pistón se desplaza desde el PMI al PMS (1-0 isobara). Se realiza una carrera completa (la VE está abierta y la VA se encuentra cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo cual el trabajo requerido es cero. Análogamente a la transformación 2-3, como el calor Q2 es sustraído también a volumen constante, y en tales condiciones que W4-1=0, y por ser el fluido un gas perfecto podemos escribir: Q2=CV (T4-T1).

Ciclo Diésel Teórico

La diferencia fundamental entre los ciclos Otto y Diésel se encuentra en la fase de introducción del calor. En el ciclo Otto, el calor se introduce a volumen constante, mientras que en el ciclo Diésel se efectúa a presión constante.

Otra diferencia importante entre ambos ciclos estriba en los valores de la relación de compresión, la cual varía de 12 a 22 para los motores Diésel, mientras que oscila tan sólo entre 6 y 10 para los motores Otto.

1. Admisión. Transformación Isobara 0-1: El pistón se desplaza desde el PMS (punto muerto superior) al PMI (punto muerto inferior). La válvula de admisión se encuentra abierta. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). El pistón realiza una carrera completa. El cilindro se llena con aire. Al final de la admisión (en el PMI) se cierra la VA. En el diagrama PV aparece como una recta horizontal.
2. Compresión. Transformación Adiabática 1-2: Cuando el pistón llega al PMI se cierra la válvula de admisión y el pistón inicia su ascenso (con las válvulas de admisión y escape cerradas) hasta el PMS comprimiendo la mezcla, a expensas de un trabajo negativo W1. Se supone que debido a la velocidad del proceso no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente por lo que la transformación es adiabática; no hay transferencia de calor e isentrópica porque es reversible.
3. Combustión. Transformación Isobara 2-3: A diferencia del ciclo Otto, cuando el pistón llega a su punto más alto, el inyector introduce el combustible en la cámara. Este paso se modela como una adición de calor Q1 a presión constante. Esto se representa por una isobara 2→3. Este paso es claramente irreversible, pero para el caso de un proceso isobárico en un gas ideal el balance es el mismo que en uno reversible. Hay que hacer resaltar que en una transformación con introducción de calor a presión constante varía el valor de la entalpía del fluido activo, mientras que en caso de la transformación a volumen constante varía el de la energía interna del fluido. Como el calor Q1 se introduce a presión constante y se trata de un ciclo ideal, el fluido operante es un gas perfecto por lo que la adición de calor será: Q1= Cp (T3-T2).
4. Expansión. Transformación Adiabática 3-4: Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el PMS al PMI. Se realiza una carrera completa. En principio esta evolución es adiabática pero como además es reversible, es un proceso isentrópico. La evolución genera trabajo positivo. De hecho, es la única evolución del total del ciclo en que se genera trabajo positivo al exterior.
5. Escape. Transformación Isocora 4-1/ Isobara 1-0: En teoría el escape ocurre cuando se abre la válvula de escape, la caída de presión es instantánea ya que se iguala la presión en el interior del cilindro con la exterior (Patm). La transformación 4-1 es isocora, cediendo el calor Q2. En realidad, el escape continúa durante la carrera desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa (la VE está abierta y la VA se encuentra cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica (isobara). Como el calor Q2 es sustraído a volumen constante en la transformación 4-1, y en tales condiciones que W4-1=0, y por ser el fluido un gas perfecto podemos escribir: Q2=CV (T4-T1).

Diferencias entre los Ciclos Real y Teórico de un Motor de Explosión (Ciclo Otto) de Cuatro Tiempos

Entre el ciclo indicado y el ciclo teórico correspondiente existen diferencias sustanciales tanto en la forma del diagrama como en los valores de temperaturas y presiones. Las primeras consisten en un perfil diferente en las curvas de expansión y compresión, cesión de calor por trazos curvos y el redondeamiento de los vértices. Sustitución de los trazos rectos de combustión y escape. Las causas de dichas diferencias son:

• Fase de Expansión (A): Pérdidas de Calor: Aunque en el ciclo teórico se consideran nulas, en el real son importantes. Los procesos adiabáticos en la realidad son politrópicos y ello da lugar a pérdidas de trabajo útil, en el diagrama representado corresponde a la superficie “A”. Como el cilindro está refrigerado para asegurar el buen funcionamiento del pistón, una cierta parte de calor se transmite a las paredes.
• Fase de Combustión (B) Combustión no Instantánea: Teóricamente suponíamos que la combustión se realizaba a volumen constante. En la realidad, la combustión requiere un cierto tiempo; por ello si se iniciase en el PMS, se verificaría mientras el pistón se aleja del mismo y el valor de la presión resultaría inferior al teórico con la correspondiente pérdida de trabajo útil.

Por lo anteriormente expuesto, es necesario adelantar el encendido para que la mayor parte de la combustión se realice con el pistón en las proximidades del PMS. Esto produce un redondeamiento de la línea de combustión y la consiguiente pérdida de trabajo útil, representada en la figura por la superficie “B”. Pero esta pérdida resultaría mayor si no adelantamos el encendido.

• Fase de Cesión de Calor (C): Apertura de la Válvula de Escape: La sustracción de calor no es instantánea, como suponía el ciclo teórico, sino que, por el contrario, requiere un cierto tiempo relativamente largo; por ello la válvula de evacuación debe abrirse antes del PMI (adelanto a la evacuación) para dar tiempo a que una parte de los gases salgan del cilindro antes de encontrarse el pistón en el PMI, para que la presión descienda a aproximadamente al valor de la presión exterior al comienzo de la carrera de evaluación. Ello lleva consigo la pérdida de trabajo útil representada por el área (C) en la figura. Pérdida que sería mayor si no se adelantara la abertura de la válvula de escape.
• Fase de Escape (D): Resistencia del Sistema a la Evacuación: Cuando el pistón se desplaza del PMI al PMS, en la fase de evacuación, la resistencia ofrecida por los conductos aumenta la presión de los gases a su salida del cilindro; además, como el movimiento del pistón no es uniforme, se producen oscilaciones de presión en el cilindro y el escape, que dan lugar a que la línea de evacuación tome la forma de una curva ondulatoria cuya mayor parte está por encima de la presión atmosférica.
• Fase de Admisión (D): Resistencia del Sistema de Admisión: De forma similar al punto anterior, la resistencia de los conductos de admisión reduce la presión del fluido que se admite en el cilindro, dando lugar también a que la línea de admisión tome una línea ondulatoria en su mayor parte por debajo de la línea de la presión atmosférica.

Diferencias entre los Ciclos Real y Teórico de un Motor Diésel de Cuatro Tiempos

Existen diferencias parecidas en la forma y en los valores de las presiones y temperaturas. Las causas de tales variaciones son esencialmente las mismas vistas en la anterior comparación, con la única diferencia de que la pérdida por bombeo es menor que en el caso anterior, por no existir estrangulamiento en el conducto de aspiración al no llevar la válvula de mariposa característica del motor de explosión. Finalmente, existe una causa característica de este ciclo Diésel en lo que se refiere a la fase de combustión. Como se aprecia en la figura, la combustión no se realiza a presión constante, sino que esta varía durante el proceso. En realidad, una parte se realiza a volumen constante y otra parte a presión constante. Tan solo en los motores muy lentos se aproxima bastante al proceso teórico. Si los conductos de la mezcla o del aire son insuficientes y ofrecen excesiva resistencia, o bien se ha retardado el principio de la abertura de la válvula de aspiración, la presión en el cilindro durante la carrera de aspiración es inferior a la normal y, por tanto, aumenta el trabajo de bombeo. Si, por el contrario, son los conductos de escape los que ofrecen resistencia anormal al paso de los gases, o bien se atrasa el principio de abertura de la válvula de escape, la presión en el cilindro es superior a la normal durante la carrera de expulsión; por tal motivo, no solo aumenta el trabajo de bombeo, sino que resulta, además, excesiva la cantidad de gases de combustión que permanecen en el cilindro al término de la carrera. Para conseguir que el ciclo indicado se acerque lo más posible al teórico se actúa sobre la distribución, adelantando y retrasando el instante de comienzo y finalización de la entrada y salida de fluido operante del cilindro, con el propósito de conseguir un mejor llenado y evacuación de los gases y además se realiza un adelanto del encendido o de la inyección para compensar el tiempo necesario para la combustión.

Diagrama Indicado de un Motor de 2 Tiempos

Primer tiempo: En el punto 3 se efectúa el encendido de la carga, y se desarrolla la combustión para dar origen después a la expansión. Esta continúa hasta que el pistón llega al 5, abre las lumbreras de escape. Como la presión en el cilindro es todavía elevada, la fase de escape comienza de modo espontáneo. Inmediatamente después, es decir, cuando la presión se ha reducido a un valor igual aproximadamente a la que existe en el conducto de alimentación, se abre en 1 la lumbrera de admisión, y el aire, o la mezcla, empujada por la presión existente en cárter u originada por un compresor, entran en el cilindro.

Segundo tiempo: En este punto 1 comienza la fase llamada de barrido, la cual se desarrolla pasando por el P.M.I., y, por encontrarse abiertas las lumbreras de escape y de admisión, se verifica simultáneamente el escape de gases y la introducción de la nueva carga. Los gases frescos expulsan a los gases de combustión para ocupar su puesto. En 2' se cierra la lumbrera de admisión y prácticamente cesa la introducción de gas fresco, la presión del cilindro se mantiene casi constante hasta que en el punto 2'' se cierra también la lumbrera de escape para dar comienzo a la fase de compresión.

Utilidades del Diagrama Real o Indicado

Trabajo, midiendo la superficie se obtiene el trabajo desarrollado por el ciclo.Potencia, con la presión media indicada y con otros datos constructivos del motor  podremos conocer la potencia indicada, es decir la desarrollada por el cilindro.Irregularidades de funcionamiento, como la forma del diagrama se obtiene directamente mediante un indicador en un motor en funcionamiento, estas dependen del modo de cómo se realicen las transformaciones en el mismo. Del estudio de este diagrama y sus irregularidades pueden deducirse los defectos en el funcionamiento del motor y aplicar así las correcciones que sean necesarias.Adelanto - Retraso al encendido. el encendido debe efectuarse con un cierto adelanto. En las dos figuras siguiente vemos los efectos de perdida de trabajo útil tanto si retrasamos el encendido como si el adelanto del mismo es demasiado.

CÁLCULO DE LA PRESIÓN MEDIA INDICADA PMI

La PMI es una presión, que si actuase de forma constante durante la carrera, produciría el mismo trabajo sobre el pistón que la presión real que varía continuamente en el ciclo y que queda reflejada en el diagrama del indicador.Obtenida el área del diagrama indicado, se divide éste área entre la longitud de la base y nos da el valor de la ordenada media.CON LA ESCALA DEL RESORTE EMPLEADO EN EL INDICADOR OBTENEMOS LA PMI.

CONDICIONES LÍMITES PARA QUE SE PRODUZCA LA LLAMA

Límites de inflamabilidad. Cuando la mezcla es o muy rica o muy pobre, se produce calor insuficiente para propagar la llama. Para que se produzca la combustión se deben mezclar en fase gaseosa combustible y comburente y dicha mezcla se debe dar en unas concentraciones determinadas que se conocen como:

Límite inferior de inflamabilidad (LII). Concentración de gas o vapor combustible en el aire por debajo de la cual no se produce la combustión.

Límite superior de inflamabilidad (LSI). Concentración de gas o vapor combustible en el aire por encima de la cual no se produce la combustión.

Límites de temperatura Temperaturas máxima y mínima a la que se pueden encontrar los gases que intervienen en la combustión

Temperatura de ignición: Es la temperatura a la cual un material combustible empieza a emitir vapores combustibles.

Temperatura de incendio: Es la temperatura a la cual un material que ya está desprendiendo vapores combustibles y en presencia de una llama exterior, se incendia, desprendiendo en dicho incendio un calor tal que sin aportación de calor externo el combustible sigue emitiendo vapores combustibles que realimentan el propio incendio. Esta temperatura es 1 ó 2 grados superior a la de ignición.

Temperatura de autoignición: Es la temperatura mínima a la que una sustancia combustible es capaz de inflamarse y mantener la combustión en ausencia de una fuente de ignición.

Límites de presión. Intervalo de presiones entre los cuales puede existir una llama.

Efecto quenching. Efecto pared del tubo sobre la llama.Quenching es un término proveniente del idioma ingles y que es usado para describir la disminución de la intensidad de una sonda.Burdamente se lo traduce como “apagamiento”.

PODER CALORÍFICO

La máxima cantidad de energía que puede obtenerse de un combustible cuando se quema es conocida como Poder Calorífico del combustible.Cada combustible tiene entonces un Poder Calorífico característico, sin embargo, estos valores pueden cambiar dependiendo de diversos factores, como el proceso de producción del combustible y la materia prima usada para obtenerlos, entre otros. Así, es posible que la gasolina que usó un automóvil ayer no tenga el mismo Poder Calorífico que la que usa hoy, o el carbón extraído de una mina no tenga el mismo Poder Calorífico que el extraído en otra. Debido a esto, son muy importantes las mediciones del Poder Calorífico de los combustibles, para lo cual puede usarse un equipo conocido como Bomba Calorimétrica o puede estimarse del análisis químico del combustible y de los poderes caloríficos de los elementos químicos que constituyan el mencionado combustible.Entre los productos de la combustión está presente vapor de agua, el cual, dependiendo de la temperatura de los productos, puede permanecer como vapor, puede condensar parcialmente o condensar completamente.Como el vapor al condensar libera calor, mientras más condensado se forme mayor calor se estará obteniendo del combustible.Esto permite diferenciar entre Poder Calorífico Inferior y Poder Calorífico Superior. El Poder Calorífico Inferior.Indica la cantidad de calor que puede proporcionar el combustible cuando toda el agua en los productos permanece como vapor.El Poder Calorífico Superior.Refleja el calor que puede liberar el combustible cuando toda el agua en los productos condensa.El poder calorífico se suele expresar en kJ/kg o en kcal/kg. Su valor suele ser bastante parecido para un gran rango de combustibles industriales.

TIPOS DE COMBUSTION

Combustión completa todo el hidrógeno y el carbono presentes en el combustible se oxidan para formar H2O y CO2. Generalmente, para alcanzar la combustión completa debe suministrarse un exceso de aire o de oxígeno por encima de la cantidad teórica necesaria para oxidar dicho combustible.El exceso de aire se suele expresar como un porcentaje del aire teóricamente necesario para oxidar el combustible.

Combustión Estequiométrica , el combustible reacciona con la cantidad exacta de oxígeno requerido para oxidar todo el carbono, el hidrógeno y el azufre en el combustible, formando CO2, H2O, y SO2.Por lo tanto, el gas de escape de la combustión estequiométrica no contiene componentes del combustible sin reaccionar ni oxígeno que no haya intervenido en la reacción (es decir, no hay por ejemplo monóxido de carbono ni exceso de oxigeno o aire).El porcentaje de CO2 contenido en los productos de la combustión estequiométrica es el máximo obtenible y suele referirse a él como CO2 estequiométrico,  CO2 máximo, o porcentaje máximo teórico de CO2.

La combustión estequiométrica es difícil de realizar en la práctica, ya que la mezcla y las tasas de reacción son finitas. Por razones de economía y seguridad, la mayor parte de los equipos de combustión suelen trabajar con algún exceso de aire.Esto permite asegurar que no se malgasta el combustible y que la combustión sea completa a pesar de las variaciones en las propiedades del combustible y en las proporciones suministradas de aire y combustible.

Combustión incompleta La combustión incompleta se produce cuando un elemento combustible no se oxida completamente durante la combustión. Las condiciones que provocan la combustión incompleta incluyen:

mezcla insuficiente (causando zonas locales con mezcla pobre y mezcla rica)

(2) suministro de aire insuficiente en la llama (suministrando menos oxígeno que el necesario)

(3) insuficiente tiempo de residencia de los reactivos en la llama (evitándose la finalización de las reacciones de combustión)

(4) choque o contacto de la llama con una superficie fría (reacciones de combustión amortiguadas por efecto quenching)

(5) temperatura de la llama demasiado baja (reacciones de combustión lentas).

La combustión incompleta aprovecha ineficazmente el combustible, puede producir compuestos peligrosos y contribuye a la contaminación atmosférica.

LA INYECCIÓN EN LOS MOTORES DIESEL

Con el sistema de inyección lo que obtenemos es suministrar a cada cilindro la cantidad de combustible necesaria según las condiciones de marcha del motor.

Iniciar la inyección en el momento preciso.

Pulverizar el combustible, para facilitar la inflamación.

Comunicar la suficiente velocidad al combustible.

Repartir uniformemente las partículas de combustible en el aire de la cámara de combustión.

BOMBAS DE INYECCIÓN

se encargan de regular la cantidad de combustible a introducir en el cilindro y de elevar la presión del mismo. Para inyectar el combustible al cilindro se precisa de un sistema que venza la elevada presión que existe dentro de la cámara en la etapa final de la compresión, y además pulverice el gasoil finamente, esto hace que la presión de inyección tenga que alcanzar valores muy altos, para ello se recurre a una bomba de desplazamiento positivo, por su característica de proporcionar presiones muy elevadas.Este tipo de bomba se presenta como un pistón que se desplaza dentro de un cilindro empujando al fluido al exterior.

El funcionamiento de la bomba de inyección ideada por Bosch consiste en una bomba capaz de dosificar y elevar la presión a los valores necesarios para la inyección y en el momento preciso del combustible, gira arrastrada por el motor a través de un acoplamiento o impulsada por el árbol de distribución. Unos conductos de alta presión llevan el combustible hasta los inyectores, que son los encargados de producir el aerosol dentro del cilindro.

BOMBA DE “BLOQUE

Una pequeña bomba adosada a la bomba de inyección y accionada por esta, trasiega el combustible desde el tanque y la alimenta haciéndolo pasar por un juego de filtros.La capacidad de bombeo de esta bomba de trasiego es muy superior a las necesidades del motor, lo que sirve para incluir un regulador de presión que adecua y estabiliza la presión de alimentación a la bomba de inyección, desviando por el retorno el combustible en exceso.

Este combustible en exceso sirve además para refrigerar la bomba de inyección.Un mecanismo especial encargado de regular el avance a la inyección se interpone entre el acoplamiento al motor y la bomba de inyección. Al final de la bomba y acoplado a ella, se encuentra el regulador de velocidad, este regulador incluye una palanca de accionamiento que se acopla al mecanismo del pedal del acelerador, desde donde el conductor puede aumentar y disminuir la potencia o velocidad de giro del motor.

INYECTORES

Para lograr una buena combustión, es necesario que el combustible sea inyectado en el interior del cilindro muy finamente pulverizado, con el objetivo de lograr una mejor y más rápida combustión. El inyector es el elemento que cumple los requisitos necesarios para conseguir la pulverización del combustible en la medida idónea y distribuirlo uniformemente por la cámara de combustión. Es por eso que sus características dependen del tipo de cámara en que esté montado. El inyector, cualquiera que sea su tipo, se fija a la cámara de combustión por medio del portainyector, que está formado por un cuerpo al que se acopla el inyector en sí, o como también se le llama, tobera. Éste último lo compone el cuerpo y la aguja La inyección del diesel, sea a la precámara (indirecta) o directamente a la cámara de combustión,

se realiza por medio de inyectores, necesariamente uno por cada cilindro del motor. Estas piezas vaporizan el diesel al forzar el paso a alta presión por sus toberas. La presión de inyección varia entre 200 y 2.000 bar según el tipo. Hay que tener en cuenta que a esa presión el diesel se vuelve compresible. Al recibir desde la bomba de inyección el combustible a presión, los inyectores se abren y dejan pasar el diesel. En ese momento la aguja de estanqueidad se abre porque la presión del combustible supera la presión de resorte de cierre. La mayoría de los inyectores diesel poseen el mismo diseño básico, realizados con una aleación de acero con su tratamiento térmico y su forma varia en función de su uso.El inyector está formado principalmente por el porta tobera y la tobera. La tobera esta compuesta por un cuerpo y una aguja, un resorte de presión y un eje que mantiene sujeta la aguja en el cuerpo de la tobera. El porta tobera es denominado cuerpo del inyector, este nos permite montar la tobera en el motor y contiene un mecanismo de ajuste de la tensión del resorte sobre la válvula de aguja Parte del combustible se filtra entre la aguja de la tobera y el cuerpo, para enfriar y lubricar el inyector.Este combustible es recogido por las canalizaciones de retorno de combustible para su posterior uso.El combustible procedente de la bomba de inyección se alimenta a una entrada del inyector, este combustible, a través de conductos perforados en el cuerpo del inyector (señalados en rojo) se conduce hasta una aguja en la parte inferior que obstruye el orificio de salida al ser empujada a través de una varilla por un resorte. De esta manera el paso del combustible a la cámara de combustión está bloqueado.Cuando la presión en el conducto de entrada crece los suficiente por el empuje de la bomba de inyección, la presión puede vencer la fuerza del resorte y levantar la aguja, de esta forma se abre el pequeño conducto de acceso a la cámara, y el combustible sale muy pulverizado por el extremo inferior.Observe que la presión del combustible actúa sobre un área pequeña de la parte inferior de la aguja, una vez que la presión vence la fuerza del resorte entra a la cámara donde está la parte cilíndrica de la aguja que tiene mayor área, la fuerza de empuje crece y la aguja es apartada de su asiento de manera abrupta. Este efecto garantiza que la apertura del inyector de haga muy rápidamente lo que es deseable.Un tornillo de regulación sobre el resorte permite comprimirlo en mayor o menor grado y con ello establecer con exactitud la presión de apertura del inyector.

TOBERAS DE ORIFICIOS.

Las toberas de orificios se utilizan generalmente en los motores de inyección directa. Pueden ser de un solo orificio o ser de orificios múltiples, estas toberas proporcionan una pulverización fuerte y una alta velocidad.La función de estanqueidad en estos inyectores es crítica, pues con la presión de la combustión, los gases pueden entrar al inyector y dañarlo. La precisión en su diseño, la exactitud del diámetro de la aguja y la fuerza constante del resorte, cumplen la función de estanqueidad.

INYECCIÓN DIRECTA

En un motor de "inyección directa" el combustible es inyectado directamente en la cámara de combustión del cilindro, lo cual proporciona un quemado mas eficaz y un bajo consumo de carburante, a la vez que tiene un mejor arranque en frio.

Los inconvenientes de estos motores son: sus vibraciones y unas características constructivas mas difíciles (caras de fabricar) ya que tienen que soportar mayores presiones de combustión.Para minimizar estos inconvenientes sobre todo el del ruido y las vibraciones del motor, se ha diseñado el motor de forma que se mejore la combustión, facilitando la entrada de aire a la cámara de combustión de forma que el aire aspirado por el motor tenga una fuerte rotación. Esto junto a la forma de la cámara de combustión, crea una fuerte turbulencia durante el tiempo de compresión. Los difusores de los inyectores llevan 5 orificios que junto con la alta presión de inyección ejecutada en dos pasos, distribuye el combustible finamente de manera eficaz.
El conjunto de todo ello es que el combustible y el aire se mezcla al máximo, lo cual proporciona una combustión completa y por tanto una alta potencia y una reducción de los gases de escape.Para motores de inyección directa se utiliza el "inyector de orificios".El inyector inyecta combustible directamente en la cámara de combustión en dos etapas a través de los cinco orificios que hay en el difusor. El diseño de la cámara de combustión junto con el inyector del tipo multiorificio, proporciona una combustión eficaz pero suave y silenciosa.El inyector lleva dos muelles con diferentes intensidades que actúan sobre la aguja dosificadora. Cuando la presión del combustible alcanza aproximadamente 180 bar, la aguja se eleva y vence la fuerza del muelle mas débil (muelle de pre-inyección). Una parte del combustible entonces es inyectado a través de los cinco orificios en el difusor.A medida que el pistón de la bomba sigue desplazándose, la presión aumenta. A unos 300 bar, vence la fuerza la muelle mas fuerte (muelle de inyección principal). La aguja del difusor se eleva entonces un poco mas, y el combustible restante es inyectado a la cámara de combustión a alta presión quemando el caudal de combustible inyectado. Esto producirá una ignición y combustión mas suaves.A medida que la bomba de inyección envía mas combustible que el que puede pasar a través de los orificios de los difusores, a una presión de apertura, la presión asciende hasta 900 bar durante el proceso de inyección. Esto implica una distribución fina máxima del combustible y por lo tanto una eficaz combustión

TOBERAS COAXIALES O DE TETÓN

En las toberas coaxiales o de tetón, existe una aguja o tetón que sobresale del orificio de pulverización. La forma del tetón determina la forma de la pulverización y atomización de la parte pulverizada.Las toberas de tetón se abren a menor presión que las de orificios. Se utilizan en los motores de inyección indirecta, donde el combustible debe de recorrer una distancia comparativamente corta y el aire no esta tan comprimido como en la cámara principal.Este tipo de toberas se utiliza en la inyección indirecta En la inyección indirecta –con precámara- los inyectores utilizados son de tipo coaxial o de tetón con un solo chorro; en estos inyectores la aguja se abre siempre hacia adentro. La distribución del chorro de combustible no es tan importante en la inyección en precámara, porque la mezcla con el aire se consigue gracias a las turbulencias de admisión. De todas formas, es importante el ángulo cubierto por el chorro, que es dependiente del diseño del inyector

INYECCIÓN INDIRECTA

En un motor de "inyección indirecta" (cámara de turbulencia) el combustible se inyecta dentro de la cámara de turbulencia quemándose una parte de el. La presión aumenta de modo que los gases de combustión y el carburante restante se apresura a salir por la tobera de la cámara de turbulencia y se mezcla con el aire de la cámara de combustión donde se produce la quema de combustible definitiva.En estos motores se produce, por tanto, un aumento lento de la presión en el interior de la cámara de combustión, lo cual da al motor una marcha relativamente silenciosa que es una de sus principales ventajas, así como unas características constructivas del motor mas sencillas que los hace mas baratos de fabricar.Las desventajas de estos motores son: menor potencia, un mayor consumo de combustible y un peor de arranque en frio.

SISTEMAS DE INYECCIÓN.SISTEMA MECÁNICO

, una bomba capaz de dosificar y elevar la presión a los valores necesarios para la inyección y en el momento preciso del combustible, gira arrastrada por el motor a través de un acoplamiento, esta bomba es la bomba de inyección.Unos conductos de alta presión llevan el combustible hasta los inyectores, que son los encargados de producir el aerosol dentro del cilindro.Una pequeña bomba adosada a la bomba de inyección y accionada por esta, trasiega el combustible desde el depósito y la alimenta haciéndolo pasar por un juego de filtros.La capacidad de bombeo de esta bomba de trasiego es muy superior a las necesidades del motor, lo que sirve para incluir un regulador de presión que adecua y estabiliza la presión de alimentación a la bomba de inyección, desviando por el retorno el combustible en exceso. Este combustible en exceso sirve además para refrigerar la bomba de inyección.Un mecanismo especial encargado de regular el avance a la inyección se interpone entre el acoplamiento al motor y la bomba de inyección. Al final de la bomba y acoplado a ella, se encuentra el regulador de velocidad, este regulador es el encargado de variar la cantidad de combustible a inyectar para aumentar y disminuir la potencia o velocidad de giro del motor.

SISTEMA DE INYECCIÓN DE ACUMULACIÓN (COMMON RAIL CR)

La generación de presión y la inyección se generan por separado en el sistema de acumulación. El caudal y el momento de inyección se calculan dentro de la ECU y se realiza a través del inyector a cada cilindro del motor.El sistema Common rail, es un sistema de inyección directa multipunto para motores diesel.Su objetivo es proporcionar el combustible a los inyectores a una presión aproximada de 1500 atmósferas gracias a la acción de una bomba mecánica por medio de una rampa denominada Common Rail, de la cual el sistema hereda su nombre, lo que posibilita un aumento en el rendimiento y un menor consumo de combustible.Los inyectores en este sistema se accionan con electro válvulas y es controlada por la unidad central de comando, la que gracias a la corriente que envía permite la apertura de la válvulas accionando un electroimán en éstas.La unidad central de comando controla además otras funciones de la inyección como el orden de inyección y volumen de combustible a través de la corriente enviada a cada inyector, basándose para su decisión en la información recibida de diferentes sensores.

Cabe notar que la presión del combustible siempre se mantiene igual a cualquier régimen del motor. El sistema de inyección de conducto común (common rail) proporciona una cantidad de atomización de combustible mas controlada, lo que conlleva un mayor ahorro de combustible y una disminución significativa del ruido en el motor.En el sistema de conducto común se utiliza un acumulador o rampa de inyección, separado de los puntos de inyección de combustible con una presión constante controlada.Una bomba de alta presión aumenta la presión del combustible en el acumulador (1600-2000 bares), esta es determinada por la unidad de control del motor.La unidad de regulación electrónica diesel es la que controla todos los parámetros de inyección del motor, presión, momento y duración de la inyección.

CARACTERÍSTICA DE INYECCIÓN

El proceso de la inyección del volumen de combustible al cilindro comienza como ya hemos visto, algunos grados antes del punto muerto superior, como este proceso dura determinado tiempo y el cigüeñal está en constante giro, terminará algunos grados pasado el punto muerto superior y antes de acercarse al punto muerto inferior. La dinámica del mecanismo biela-cigüeñal determina la forma en que debe crecer la presión dentro del cilindro para que el trabajo del motor tenga la máxima eficiencia, al mismo tiempo que las piezas no estén sometidas a cargas excesivas.Para adaptarse a los requerimientos óptimos del mecanismo biela-cigüeñal, la cantidad de combustible inyectado por unidad de tiempo durante el proceso de inyección debe cumplir ciertos requisitos. El comportamiento de la entrega de combustible al cilindro por unidad de tiempo se le llama característica de inyección.En el gráfico de la derecha muestra la forma teórica óptima en que debe producirse la inyección.El eje vertical representa el volumen de combustible inyectado y el eje horizontal el ángulo de giro del cigüeñal.Pueden diferenciarse claramente dos zonas, nombradas como 1 y 2.
En la zona 1 comienza abruptamente la inyección de una pequeña cantidad de combustible por unidad de tiempo durante un breve lapso de giro del cigüeñal. Este combustible en pequeña cantidad se inyecta durante el tiempo de demora de la inflamación a fin de preparar e iniciar el encendido sin que se acumulen grandes cantidades de combustible dentro del cilindro, luego, cuando ya se ha producido la inflamación, y dentro de la cámara de combustión hay alta temperatura y gases incandescentes que aceleran en mucho la velocidad de evaporación-inflamación del combustible, se aumenta al ritmo adecuado para su combustión gradual en la carrera de fuerza (zona 2). Finalmente y en el instante apropiado se interrumpe drásticamente la inyección.En los motores reales esta condición teórica no se alcanza, pero los fabricantes de motores tratan de hacer sus sistemas que cumplan lo mejor posible esta condición.

DIAGRAMAS DE INYECCIÓN

De la misma forma que los diagramas de indicador, los diagramas de inyección son característicos de cada motor.La comparación de diagramas actuales con los obtenidos cuando el motor estaba en perfectas condiciones puede reflejar anormalidades en el funcionamiento.

A-Cierra la galería de la bomba (aprox. -8º)
B-El inyector abre (aprox. -4º)
C-Abre la galería de la bomba (aprox. 12º)
D-El inyector cierra (aprox. 16º)
E-Onda de presión reflejada
F-Periodo de equilibrio parcial, es decir, el suministro a través del inyector equivale al ascenso del émbolo de la bomba y por lo tanto no hay aumento de la presión. La inestabilidad de la onda de presión puede indicar una viscosidad inadecuada del combustible.
G-Periodo de inyección (aprox. 20º)

RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO

Conceptualmente este indicador nos dice cuanto es capaz de aspirar un motor respecto al valor máximo teórico.Cuanto mas cantidad de aire es introducido en los cilindros, mas cantidad de combustible puede quemarse, por consiguiente cuanta mas energía se transforme en el motor mas trabajo útil puede obtenerse. El rendimiento volumétrico, coeficiente volumétrico o coeficiente de llenado, nos indica la relación entre la masa de aire efectiva que entra en el cilindro y la masa que teóricamente puede introducirse en unas condiciones de referencia.Factores  de funcionamiento que afectan al rendimiento o coeficiente volumétrico

Condiciones operativas esenciales

Régimen de giro

Grado de admisión

Condiciones operativas ambientales

Presión exterior (despreciable a una misma altura)

Temperatura exterior

Humedad (despreciable)

Reglajes

Relación aire/combustible

Temperatura del agua de refrigeración

Otros

Características de vaporización del combustible

Factores de diseño geométrico que afectan al rendimiento o coeficiente volumétrico

Sección de paso de las válvulas y sus formas

Colector de admisión y número de cilindros

Relación carrera/diámetro

Diagrama de distribución

VÁLVULAS

Condiciones que se le exigen:

Apertura y cierre en el momento más oportuno.

Apertura y cierre rápidos.

Cierre “suave” sobre los asientos. Sin golpes.

Mínima resistencia al paso del fluido.

Mínimas fuerzas de inercia generadas.

Capacidad para evacuar el calor transmitido.

Inexistencia de fugas en los asientos.

Duración máxima y gastos de mantenimiento mínimos.

Precios aceptables.

La palabra flujo expresa el movimiento de un fluido, pero también significa para nosotros la cantidad total de fluido que ha pasado por una sección determinada de un conducto. Caudal es el flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de fluido que circula por una sección determinada del conducto en la unidad de tiempo. las válvulas de asiento cónico tendrán una alzada mayor. Sin embargo, tienen la ventaja del auto centrado y una mayor superficie de asiento y de transmisión de calor.En la mayoría de los motores, las válvulas de admisión presentan una cabeza de mayor tamaño que las de escape, para facilitar el llenado del cilindro y mejorar el rendimiento volumétrico del ciclo.

Las válvulas en los grandes motores

Las grandes válvulas suelen ser de asientos postizos fabricados de acero al molibdeno, estelita  o nimónic. Los elementos principales de la caja de la válvula se suelen fabricar de hierro fundido y suelen ir refrigerados por agua, por lo que no suele soportar grandes esfuerzos ni ser necesarios cuidados especiales en estas partes. Es la zona del asiento la que soporta grandes esfuerzos térmicos y desgastes, por lo que deberán fabricarse de los mejores materiales. El asiento suele ser postizo para permitir su extracción y rectificado

ACCIONAMIENTO VÁLVULAS

El accionamiento por balancines tiene los siguientes problemas:Debe dejarse una cierta holgura entre la válvula y el balancín para permitir la dilatación de la  caña de la válvula. Una holgura insuficiente provocará que la válvula no cierre completamente, mientras que una holgura excesiva afectará al periodo en el que la válvula esta abierta.

Además se producirá un golpeteo en la holgura. (El empleo de actuadores hidráulicos fue un sistema empleado para atenuar este tipo de problemas) Se genera un empuje lateral en la caña de la válvula cuando la válvula abre, lo que causa desgastes y posteriores pérdidas Se produce desgaste entre el empujador y la zona de contacto con la válvula. Además, los cojinetes del balancín requieren lubricación constante. Válvulas de accionamiento hidráulico: Para evitar los problemas del accionamiento mecánico de las válvulas actualmente se emplea el sistema de actuación hidráulica, con lo que no hay problemas de holgura. La dilatación se permite dejando que el aceite escape a través de una válvula de seguridad en la unidad de la bomba. La apertura además se hace siempre axialmente.

RECIRCULACIÓN DE GASES DE ESCAPE (EGR)

A medida que ha crecido la importancia por la preservación del medio ambiente, la Comunidad Europea ha ido recogiendo, a modo de directivas, diversas ordenes a sus países miembros para cumplir unos compromisos en materia de emisiones contaminantes. Las más conocidas, y vigentes, se las ha llamado EURO I, EURO II, EURO III y EURO IV, cada una más estricta que la anterior.  Dentro de los contaminantes más importantes que se generan en los motores por la combustión están los Óxidos de nitrógeno.  Con el fin de reducir las emisiones contaminantes se ha obligado a los fabricantes a buscar soluciones, cada vez más exigentes. Esta es la razón por la que los nuevos elementos que deben incorporar los motores en materia anticontaminante sólo aportan inconvenientes en aspectos como el consumo, merma de potencia y mayor mantenimiento mecánico.La composición del aire es de un 75% de nitrógeno, 24% de oxígeno y un 1% de otros elementos.Cuando la temperatura reinante en el interior de la cámara de combustión es muy elevada y para una cantidad de combustible inyectado, la riqueza de la mezcla en aire y el entorno a temperatura elevada facilita la oxidación del nitrógeno del aire en mayor medida. La forma propuesta para corregir y reducir al máximo este efecto indeseable es la reintroducción (recirculación) de parte de los gases de escape (de un 5 a un 15%) nuevamente a la cámara de admisión. Así, empeorando la mezcla conseguiremos una reducción de las emisiones de óxido de nitrógeno en proporciones de un 60% más o menos. Con esto se consigue que la temperatura de combustión disminuya y que los gases emitidos a la atmósfera sean menos nocivos ya que el aire que entra ahora en los cilindros tiene un porcentaje de oxígeno inferior al que procede del exterior, reduciendo la emisión de óxidos de nitrógeno (NOX) . En los motores Diesel, los catalizadores no son efectivos en la eliminación de NOX, de ahí que sea necesario los sistemas EGR. En los propulsores de gasolina, se han de utilizar en combinación con las nuevas tecnologías de inyección directa.

SOBREALIMENTACIÓN

Para mejorar el llenado del interior del cilindro, hoy día, en la mayor parte de los motores se recurre a la SOBREALIMENTACIÓN. La potencia indicada es la desarrollada y medida en el interior del cilindro El uso de elementos que sirvan para sobrealimentar los motores viene dado por la necesidad de aumentar la potencia sin tener que aumentar la cilindrada. Aumentar la potencia depende de la cantidad de combustible quemado en cada ciclo de trabajo y del numero de revoluciones. Pero tanto en motores Diesel como en los de gasolina, por mucho que aumentemos el combustible que hacemos llegar al interior de la cámara de combustión, no conseguimos aumentar su potencia si este combustible no encuentra aire suficiente para quemarse. Así pues, solo conseguiremos aumentar la potencia, sin variar la cilindrada ni el régimen del motor, si conseguimos colocar en el interior del cilindro un volumen de aire (motores Diesel) o de mezcla (aire y gasolina para los motores de gasolina) mayor que la que hacemos entrar en una "aspiración normal" (motores atmosféricos). Para ello recurrimos a la sobrealimentación. En el terreno de la sobrealimentación de motores, tanto en gasolina como en Diesel, los mejores resultados obtenidos hasta ahora se han llevado a cabo con la ayuda de los turbocompresores que si bien tienen algunos inconvenientes, tienen la gran ventaja de que no consumen energía efectiva del motor. Todo esto y su facilidad para ser aplicados al motor debido a su pequeño tamaño (por lo menos en comparación a los compresores volumétricos) hace que se haya estudiado a fondo la manera de utilizarlos y que se hayan conseguido con ellos grandes éxitos. las posibilidades de aumentar la potencia se limitan a:

Aumentar la velocidad de giro del motor, con lo que aumentan las fuerzas de inercia, hay mayores desgastes y puede disminuir el rendimiento volumétrico.

Aumentar la cilindrada total del motor. Aumentaría el coste y el peso y el volumen del motor.

Aumentar la densidad del aire en la admisión.

Cuando sobrealimentamos un motor se consigue lo siguiente

El coste por unidad de potencia disminuye, ya que el motor varía poco y sin embargo la potencia aumenta bastante.

La potencia específica aumenta y esto es importante ya que la potencia específica disminuye con el tamaño del motor.

El rendimiento mejora, sobre todo si se emplea el sistema de sobrealimentación aprovechando la energía de los gases de escape

En los motores, salvo muy raras y antiguas excepciones, el sistema de sobrealimentación es mediante turbosoplantes, es decir, aprovechando la energía de los gases de escape.

LAS CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN LOS MOTORES DE DIESEL

En esta cámara ha sido confinado todo el aire que entró al cilindro durante la admisión en forma comprimida y por lo tanto muy caliente. Aquí es donde el inyector suministra el combustible.En los motores diesel juega un papel fundamental en el comportamiento y rendimiento del motor la forma y posición de la cámara de combustión.

La mezcla de combustible y aire debe de quemarse de forma uniforme y progresiva, puesto que una detonación violenta de la mezcla produciría un estado de marcha desigual. Para lograr la combustión correcta, el combustible y el aire deben de mezclarse adecuadamente, esto se consigue creando una turbulencia en el aire del interior del cilindro a la vez que se comprime.

Características que deben tener las cámaras de combustión en los motores diesel

Favorecer o inducir la turbulencia que garantice la correcta mezcla del combustible con el aire, sin que se aumente innecesariamente la transmisión de calor.

Relación superficie/volumen baja.

Permitir la disposición de válvulas y tamaños que permitan altos rendimientos volumétricos sin complicar excesivamente la distribución.

Facilitar un fácil arranque en frío.

Precio bajo de la culata.

Tipos de cámaras de combustión en los motores diesel

Cámaras de inyección directa.

Cámaras de precombustión o antecámaras.

Cámaras de acumulación de aire.

Las cámaras de precombustión y las de acumulación tuvieron sentido cuando los sistemas de inyección no permitían obtener las pulverizaciones que se consiguen actualmente. Hoy día, casi exclusivamente se diseñan y fabrican motores con cámaras de inyección directa, por sus importantes ventajas respecto a las anteriores

INYECCIÓN INDIRECTA

En el caso de la cámara de combustión separada, la oquedad donde se acumula el aire en la carrera de compresión se ha practicado en la masa metálica de la culata, y la comunicación entre el volumen sobre el pistón y esta cámara es un pasaje relativamente estrecho. Este pasaje estrecho hace que el aire en la carrera de compresión, circule a alta velocidad hacia la cámara en un flujo muy turbulento que favorece la formación de la mezcla del aire y el combustible una vez comenzada la inyección. Los gases a elevada presión producto de la combustión también tienen que pasar por este pasaje estrecho, por lo que van a parar a la cabeza del pistón con cierta gradualidad, que hace que las presiones máximas que tiene que soportar el mecanismo pistón-biela-manivela no sean tal elevadas como en el caso de la inyección directa. Estos motores son en general de un funcionamiento mas silencioso y elástico que los de inyección directa, pero el aumento del área de transferencia de calor (debido a la cámara) al agua de enfriamiento produce pérdidas y la eficiencia es menor así como se dificulta el arranque en frío.Este problema del arranque en frío se resuelve con la utilización de unas resistencias eléctricas especiales colocadas dentro de la cámara de combustión separada, conocidas como calentadores

.Las fronteras entre los diferentes tipos de cámaras de inyección indirecta no están bien definidos, puede asumirse entonces que hay diseños de motores que se acercan mas a un tipo que al otro y la denominación es por lo tanto algo ambigua.

INYECCIÓN DIRECTA

En este caso la inyección de combustible pulverizado se realiza directamente sobre la cabeza del pistón, donde se ha practicado una oquedad de forma especial para producir turbulencia en el aire. En esta oquedad es donde se acumula casi todo el aire del cilindro cuando el pistón está en el punto muerto superior, por tal razón es común denominarla como cámara de combustión, aunque en realidad la verdadera cámara de combustión es todo el volumen cerrado sobre el pistón.En este caso el incremento de presión se produce sobre el pistón, por lo que este recibe toda la fuerza generada por los gases.En las siguiente figuras se muestra un sistema de inyección directa. Note la forma de la oquedad practicada en el pistón terminada en una punta en el centro. Esta punta favorece el arranque en frío ya que se calienta notablemente durante la compresión. Observe también que los conductos de admisión están construidos para que produzcan un giro el aire de entrada, esto favorece la formación de la mezcla cuando se produce la inyección.En este tipo de cámara es muy común que el inyector tenga mas de un agujero de inyección, en este caso 5, para distribuir bien el combustible en la cámara dentro del pistón.

BALANCE TÉRMICO DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

Se llama balance, porque la suma del trabajo y de las perdidas debe ser igual al trabajo que puede desarrollar la energía suministrada. De toda la energía térmica del combustible empleada solo se utiliza una parte para producir trabajo útil.Elementos que soportan esfuerzos térmicos más importante: Cámara de combustión.Paredes interiores de los cilindros. Pistón. Válvulas de escape

VÁLVULAS DE ESCAPE

Las válvulas de admisión no tienen que soportar tan elevados esfuerzos térmicos y se enfrían con la carga fresca. En las válvulas de escape, el enfriamiento se efectúa sobre todo a través del inserto del asiento y de la culata del cilindro. Una parte menor del calor acumulado se disipa a través de la guía de la válvula en el trayecto hacia la culata. Las válvulas de admisión alcanzan temperaturas de 300 °C a 550 °C aproximadamente mientras que las válvulas de escape pueden llegar hasta 1000 °C.Los esfuerzos térmicos en las válvulas sobre todo las de escape son enormes, las válvulas de la figura son huecas y rellenadas con sodio para que soporten mayores fatigas.

El sodio móvil contenido en el vástago transporta el calor de la cabeza de la válvula hacia la guía con lo cual se consigue una reducción térmica considerable de hasta 150ºC.

PROBLEMAS QUE SE PRESENTAN SIN UNA BUENA REFRIGERACIÓN EN LAS PARTES ANTERIORMENTE MENCIONADAS

En las paredes interiores de los cilindros:

Se producen cambios fisicoquímicos en el lubricante.

Se forman depósitos de carbón.

Se provoca un desgaste excesivo de las paredes.

Culata:

Disminuye la duración de las válvulas, bujías y culata en los puntos de menor resistencia entre los orificios de las bujías o inyectores y los asientos de las válvulas.

La refrigeración no uniforme de la culata de los motores de explosión puede producir encendido anormal (detonaciones o encendido superficial).

Pistón:

Disminuye su resistencia mecánica, especialmente en los casos de aleaciones ligeras.

Se producen deformaciones de zonas clave tales como cajeras de aros y la unión del bulón y pistón.

Válvulas de escape:

Corrosión rápida sobre la superficie de contacto.

Reducción de la resistencia mecánica si falta el intercambio de calor a través de los asientos en el periodo de cierre.

SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

La reacción química que se produce al quemarse el combustible en el interior del motor genera una gran cantidad de calor que recogen las piezas que forman la cámara de combustión (culata, camisa y pistón). Si estas piezas no evacuan el calor recibido se deterioran rápidamente originando graves averías en el motor.El sistema de refrigeración tiene la función de absorber parte  del calor que recoge de la culata, camisa y del bloque de cilindros para cederlo a la atmósfera.Todo el sistema está formado por un circuito cerrado lleno de líquido de refrigeración. El bloque de cilindros y culata tienen una serie de cavidades interiores por donde circula el líquido y recoge el calor. El líquido entra primero al bloque y va ascendiendo hasta la culata por donde sale.

Por aire.

Por agua. (Dulce o salada).

Por líquidos especiales. (Entre los que se encuentra el agua tratada químicamente para evitar la corrosión y las incrustaciones).

En los grandes motores se emplea casi exclusivamente el tercero.

Refrigeración de la culata

La culata contiene la cámara de combustión o forma parte de ella, alcanza temperaturas muy altas y necesita refrigeración, como también la necesita el bloque del motor.

Refrigeración del cilindro

Hay que recordar que los aros rozan sobre una película de lubricante adherida a la camisa. Una temperatura excesiva degrada el aceite y dificulta el proceso de la lubricación.

Elementos del sistema de refrigeración

Calentador de agua de refrigeración.

En la línea existe un calentador de agua con vapor. Cuando el motor está parado el sistema de calefacción mantiene la temperatura del motor y de esta forma se mantienen las condiciones para el arranque, disminuyéndose el tiempo necesario para hacerlo. Intentar arrancar el motor sin estar caliente puede provocar mala combustión, lubricación insuficiente y choques térmicos. El agua entra y sale del motor a través de una serie de válvulas de retención. De esta manera cada cilindro puede ser drenado individualmente para evitar la pérdida excesiva de agua y reactivos químicos. Además hay purgas a dos niveles, lo que permite drenar el conjunto del cilindro o solamente la parte superior. Una parte del agua se deriva hacia la refrigeración de la turbosoplante.

Enfriador de agua de refrigeración

El agua caliente que sale del motor pasa a través de una válvula termostática que desvía una parte del agua hacia el enfriador. La temperatura se controla mediante una señal de retroalimentación (temperatura medida a la salida del enfriador) y una señal de medida de la temperatura a la salida del motor. De esta forma, el sistema reacciona más rápidamente cuando se producen variaciones en la carga

Evaporador.

Aumenta el rendimiento de la instalación por la utilización del calor de la refrigeración del motor para producir agua destilada. Los sistemas modernos (siempre que se disponga de sin alto coste de agua de mar) se diseñan de forma que el evaporador se utiliza para suplementar el sistema de refrigeración del motor, reduciendo el tamaño del enfriador principal.

Tanque de expansión o de dilatación. (También llamado tanque de compensación).

Mantiene una altura constante sobre las bombas de circulación reduciendo la posibilidad de cavitación a elevadas temperaturas en las bombas. Permite las variaciones en el volumen de agua sin necesidad de amortiguadores. Finalmente actúa como una reserva en los casos de pérdidas.

Liquido refrigerante

Sacar muestra del liquido refrigerante del tanque de expansión y controlar los siguientes parámetros.

Contenido de anticongelante

Contenido de aceite anticorrosivo

Control pH

INCRUSTACIONES EN EL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

Formación de depósitos

En las áreas de formación de depósitos, cuando las temperaturas aumentan, pueden precipitar los sólidos disueltos, específicamente los constituyentes de la dureza de Calcio y Magnesio del agua de la refrigeración.

Los depósitos pueden acumularse en las superficies de transmisión de calor formándose sulfatos y carbonatos, cuya magnitud depende de la dureza del agua, el contenido en sólidos disueltos, las temperaturas locales y las características del flujo local. Los depósitos pueden reducir los niveles de transferencia de calor y reducen la resistencia mecánica de los elementos componentes, lo que puede exacerbarse por la presencia de aceites y óxidos metálicos. El grado y tipo de la incrustación en un sistema de refrigeración depende de:Las temperaturas del sistema,Cantidades de pérdidas y rellenos ,Calidad del relleno ,Calidad del tratamiento

Carbonato de calcio: Aparece como un depósito amarillo crema pálido, formado por la descomposición térmica del bicarbonato de calcio.

Silicato de magnesio: Un depósito blancuzco de textura rugosa que se encuentra cuando hay suficiente cantidad de magnesio conjuntamente con cantidades adecuadas de iones silicio y con deficiente alcalinidad.

Cobre: La presencia de cobre en el sistema de refrigeración es muy preocupante ya que puede provocar corrosiones agresivas por acción galvánica. Se suelen incluir en los sistemas de refrigeración los inhibidores de corrosión específicos para estos casos.

Corrosión en los Sistemas de Refrigeración de los M.C.I.

En el interior del sistema de refrigeración de cilindros existen un buen número de causas de corrosión, pero las dos más comunes y más dañinas son las debidas a metales diferentes y a la aireación diferencial. En ambos tipos existe un ánodo y un cátodo, los metales que forman el sistema de refrigeración, y un electrolito que es el agua de refrigeración. La velocidad a la que se produce la corrosión depende de las áreas relativas del ánodo y el cátodo y la concentración del electrolito. Es el ánodo el que se desgasta. La corrosión debida a las diferencias de temperatura es evitable solamente con el empleo de tratamientos apropiados.

Corrosión electrolítica.Una celda galvánica metálica se forma cuando hay dos metales diferentes y un líquido conectándolos de alguna forma. Todos los metales pueden clasificarse en una serie electroquímica con los más nobles en la parte superior de esta clasificación. Estos metales en la parte alta de la serie son catódicos con respecto al resto clasificados más abajo. La posición relativa entre dos metales en la tabla determina la dirección y la intensidad de la corriente eléctrica que fluye entre ellos y por lo tanto el nivel al que se corroe el metal menos noble. Corrosión por aireación diferencialA pesar de que tengamos un sistema construido de un solo metal puede existir corrosión en el sistema si el contenido de oxígeno del electrolito no es homogéneo. Esta situación puede producirse rápidamente en las zonas donde queda agua estacionaria quedará un nivel de oxígeno reducido por la oxidación local del metal. El metal adyacente al agua con niveles reducidos de oxígeno se convertirá en anódico con respecto a los metales en contacto con agua con más alto contenido de oxígeno. Generalmente, el metal anódico es pequeño en comparación con el cátodo, es decir, el área de flujo reducido es pequeña en comparación con las zonas donde el flujo de electrolito es normal y ello puede provocar corrosiones importantes. Un caso claro de este tipo de corrosión es la generación de fuertes picaduras debajo de las escamas de óxido.