Motores térmicos

Tecnología. Lubricación. Refrigeración. Balance energético. Potencia y rendimiento. Motores diésel. Semidiésel. Wánkel

  • Enviado por: P@ko
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 7 páginas
publicidad
publicidad

LUBRICACIÓN Y REFRIGERACIÓN

Debido al continuo rozamiento de las piezas móviles en contacto en un motor es necesaria una adecuada lubricación. Si no existiera esta, el material se desgastaría rápidamente calentándose en exceso llegando al gripaje del pistón y la camisa del cilindro. Las partes más importantes a lubricar son las paredes del cilindro, las articulaciones de bielas, cojinetes del cigüeñal, árbol de levas, taques, válvulas, balancines y engranajes.

La lubricación se realiza por un circuito de aceite a presión. El aceite a presión. El aceite esta en el cárter. Desde allí lo coge la bomba de aceite y lo distribuye a presión a todas las partes que lo necesiten. La combustión producida origina una gran cantidad de calor que eleva la temperatura de sus paredes hasta el extremo de que si no fueran refrigeradas se fundiría. La refrigeración normalmente es realizada por aire o agua:

  • aire: utilizada en pequeños motores. En estos el bloque motor tiene aletas que aumentan la superficie de refrigeración en las que el aire las enfría. Esta corriente la genera el movimiento del vehículo o es forzada.

  • agua: los cilindros y culata están rodeados por una cámara de agua que al calentarse pasa al radiador donde se enfría por el aire.

  • BALANCE ENERGÉTICO

    De toda la energía introducida en el motor con el combustible solo una parte se transforma en energía mecánica, perdiéndose el resto por diversos caminos. Una de las perdidas más importantes son los gases de la combustión (son expulsados a altas temperaturas) y por tanto llevan asociada una cantidad de energía que en un principio no se utiliza. Existen varios métodos para utilizar esta energía y de este modo incrementar la potencia no el rendimiento. Otras perdidas muy significativa las ocasiona el liquido de la refrigeración que extrae el calor del motor. Por otra parte todos los elementos calientes del motor radian energía por su temperatura lo que constituye la 3ª clase de perdida importante de energía. En general podemos decir que el poder calorífico del combustible es igual al trabajo obtenido más las perdidas.

    Perdidas de refrigeración 25%

    Perdidas de gases de escape 25%

    Perdidas de la radiación calorífica 15-25%

    POTENCIA Y RENDIMIENTO

    La potencia se calcula a partir del trabajo según muestra la expresión Pi=Wi·n

    La potencia efectiva en la salida del motor es rendimiento mecánico = Pe/Pi = (Pe/m·Hc)/(Pi/m·Hc)

    Rendimiento indicado es igual al trabajo indicado / calor indicado

    Factores: temperatura exterior, régimen de giro, poder calorífico del combustible y grado de admisión.

    CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DIESEL

    Son análogas a los de explosión. Carece de bujías y se incorporan inyectores de combustible. Debido a las grandes presiones con los que trabaja requieren una construcción más robusta con un mayor dimensionado de cilindros y órganos móviles lo que les hace aptos para trabajos duro. Debido a las mayores temperaturas y presiones que tienen que soportar estos motores necesitan una refrigeración muy eficaz y una mayor calidad en los aceites de engrase.

    CLASIFICACIÓN

    Según aplicación y régimen de funcionamiento en:

    Rápidos 2000 a 4000 rpm. Se usa en vehículos de tracción con cilindradas medias.

    Medios 1000 a 1500 rpm. Navegación y ferrocarriles. Cilindradas media-alta. Utilizan petróleo y gasóleos medios.

    Lentos 200 a 500 rpm. Motores estacionarios en centrales eléctricas y utilizan como combustibles aceites pesados.

    Según el ciclo de funcionamiento estos motores se clasifican en motores de 4T, 2T y semidiesel o de culata incandescente.

    MOTOR DIESEL 2T

    Es similar al de explosión de 2T en cuanto a su forma y funcionamiento, pero al ser diesel la alimentación y combustión se realiza comprimiendo aire energía inyectando combustible al finalizar la combustión. Trabaja en un ciclo de 2T con dos carreras alternativas de su embolo que se transforman en un giro de 360º. El llenado del cilindro no se realiza por precomprensión en el carter como en el de explosión 2T, sino introduciendo directamente el aire en el cilindro a través de la lumbrera de admisión situada a la altura de la de escape, ambas próximas al PMI. Debido a esta forma de llenado y al poco tiempo que se dispone para el evacuado de los gases residuales, el barrido es muy deficiente. Para mejorarlo se necesita acoplar un sistema de bomba que introduce y acelere la entrada de aire a presión que facilite el arrastre de los gases residuales fuera del cilindro y que efectúe el llenado con una carga de aire lo más pura posible. En este motor al efectuar el barrido de los gases quemados solo con aire no se desperdicia combustible por lo que su consumo es inferior al de gasolina. Además tiene mas rendimiento térmico debido al mayor grado de compresión con que trabaja. Sin embargo como ocurre con el 4T diesel las cargas de trabajo son mayores lo que exige elementos más robustos que hacen disminuir su velocidad de régimen, por esta razón no pueden nunca desplazar al motor de explosión ligero y rápido en aplicaciones de automoción.

    COMPARACIÓN CON EL 4T DIESEL

    Con respecto al 4T diesel y en mimas condiciones de llenado, el 2t da mayor potencia porque gira a doble numero de revoluciones sin embargo por su forma de llenado y evacuado de gases el rendimiento es inferior al 4T, siendo imprescindible un buen barrido de gases cuestión difícil de conseguir con un motor rápido de que dispone para realizarlo, por eso solo se emplea en motores estacionarios y marinos por su sencillez constructiva de elementos de distribución y otros auxiliares. Resultan más económicos sobre todo los modelos lentos y medios donde se pueden efectuar un buen barrido de gases. La potencia útil de estos motores es grande aunque necesitan parte de ella para mover la bomba de barrido.

    FUNCIONAMIENTO DEL 2T DIESEL

    1º tiempo compresión: el embolo se desplaza del P.M.I. al P.M.S. efectuando su 1ª carrera ascendente y un giro de 180º. Al subir el pistón cierra las lumbreras de admisión y escape y comienza la compresión del aire q termina cuando el pistón llega al P.M.S.

    2º tiempo expansión: cuando el embolo esta en el P.M.S. y el aire se halla comprimido se produce la inyección del combustible. Este en contacto con el aire se inflama y produce la combustión del mismo a presión constante hasta el final de la inyección y a continuación se inicia la expansión o carrera de trabajo antes de que el embole llegue al PMI. Se abren las lumbreras de carga y escape y se inicia la salida de gases residuales y la entrada de aire procedente de la bomba. Este aire al entrar a gran velocidad y por propia inercia de los gases residuales arrastran a estos al exterior a trabes del colector de escape con ellos sale gran parte del aire impulsado por la bomba. El aire continua entrando hasta que el embolo con se movimiento y comienza un nuevo ciclo.

    MOTOR SEMIDIESEL

    Este motor generalmente de 2T tiene una función intermedia entre los de explosión y diesel en cuanto a su relación de compresión y forma de realizar el encendido para la combustión de la mezcla. Pertenece al grupo de motores diesel por su alimentación y funcionamiento en un ciclo de 2T con 2 carreras alternativas de su embolo que produce un giro de 360º en el árbol motriz

    Criterios de diseño: ha sido diseñado con el fin de obtener un motor ligero y económico pero a la vez lo suficientemente robusto para su empleo en trabajos duros como en agricultura, navegación fluvial y pequeñas embarcaciones de pesca. Aprovechando la simplificación de elementos y como trabaja a presiones inferiores al diesel (Rel. Compresión"9. Los elementos constructivos del mismo son más económicos. Tiene una estructura más sencilla y más ligera que el diesel lo que origina un menor peso muerto. No necesita bombas de inyección de gran presión ya que la presión de entrada a suministrar por las mismas es muy inferior con lo cual el trabajo empleado para comprimir el combustible es menor.

    Llenado de aire y escape de gases: el llenado del cilindro con aire y el escape de gases residuales se realiza como en los motores de 2T a trabes de lumbreras situadas lateralmente en el cilindro y próximas al PMI. Como la admisión y el barrido se realizan como en los motores de explosión por precomprensión de aire del barrido en el carter, se elimina por tanto la bomba de barrido y de esta manera se simplifica aun más el sistema

    Sistema de combustión y encendido: la combustión se realiza comprimiendo el aire en una recamara de combustión e inyectando el combustible cuando el pistón esta próximo al PMS. Como se trabaja a presiones medias la temperatura alcanzada al final de la compresión no es lo suficiente elevada para producirla por si misma la inflamación de combustible, por lo cual la inyección se realiza haciendo incidir el chorro de combustible sobre una pieza muy caliente (inflamador de incandescencia) Esta pieza se halla situada en la cámara de combustión a una temperatura de 500 a 600 ºC de forma que al chocar el combustible sobre ella se produce la combustión. Debido a esta forma de encendido se les llama motores de culata incandescente por que el calor producido por las sucesivas combustiones mantiene el elemento a la temperatura adecuada para seguir produciendo la inflamación del combustible.

    Ciclo de trabajo: el funcionamiento se realiza como en un 2T, es decir, en 2 carreras o desplazamientos alternativos de su embolo. Se obtiene así un diagrama teórico similar al 2T con aportación de calor a presión constante y escape a volumen constante. Como en todos los motores 2T la mejora del funcionamiento se consigue inyectando el combustible antes de que el embolo llegue al PMS. La combustión se realiza en su mayor parte a volumen constante acortando el recorrido de descenso del embolo durante la combustión y dando un pequeño adelanto a la lumbrera de escape con respecto a la de carga para obtener una mejor evacuación y barrido de gases residuales. En estas condiciones se obtiene un ciclo mixto que se aproxima mas al teórico y con mayor rendimiento térmico.

    Descripción del ciclo de trabajo: 1º tiempo: el embolo es su carrera ascendente cierra en primer lugar la lumbrera de carga y a continuación la de escape iniciando la compresión del aire que dura hasta que ese inicia la inyección del combustible la cual se realiza antes de que el embolo llegue al PMS. Durante este recorrido el embolo crea un vació en el interior del carter cuya depresión abre unas válvulas construidas a base de laminas de acero situadas lateralmente en el carter a través de las cuales entra el aire de la atmósfera debidamente purificado para llenar el recinto del carter.

    2º tiempo: poco antes de que el embolo llegue al PMS se inyecta el combustible haciéndolo incidir sobre el punto incandescente de la precámara. Al inflamarse se produce la combustión del mismo que dura mientras se esta realizando la inyección, de esta forma aumenta la presión en la precámara a volumen constante en su 1ª fase hasta que los gases por dilatación, empiezan a salir por el orificio de la misma, presionando sobre la cabeza del embolo el cual inicia su recorrido de expansión a presión constante hasta finalizar la inyección. Finalizada esta, el embolo continua el descenso hasta el PMI en su carrera de trabajo hasta que el llegar a las proximidades del PMI se abre la lumbrera de escape a través de la cual y por diferencia de presión salen los gases quemados a gran velocidad. A continuación se descubre la lumbrera de carga a través de la cual y debido a la presión del aire dentro del carter, este pasa al interior del cilindro, efectúa el barrido de los gases residuales y lo llena de aire fresco para realizar de nuevo el ciclo. Durante su descenso el embolo comprime el aire contenido en el carter entre 1.2 y 1.6 kg/cm2, suficiente para cerrar las válvulas de admisión y efectuar el llenado del cilindro.

    CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR WANKEL

    Es mas compacto y ligero porque lleva menos cantidad de piezas en movimiento. Puede tener mas velocidad de giro al no estar sometido a los efectos de inercia de las masas oscilantes. Así mismo el giro es mas silencioso y sin apenas vibraciones al carecer de cigüeñal de formas excéntricas. Elimina todo el sistema de distribución y realiza la admisión y escape a través de lumbreras de forma análoga al 2T. Los sistema de engrase refrigeración, alimentación y encendido se efectúan como en los motores alternativos, con el inconveniente que en este motor la succión de explosiones se realiza en una cámara común, por esto el calentamiento en esta zona es mucho mayor que en las demás y en consecuencia se necesita una refrigeración superior a la ordinaria, lograda con una bomba de mayor caudal que por otro lado absorbe mayor energía del motor. La estanqueidad es uno de los factores mas importantes del diseño debido a los problemas que presenta. Esta estanqueidad de ser muy perfecta y eficaz para que las acciones en los sucesivos tiempos no afecten a las otras cámaras del rotor. Esto se consigue por medio de unos patines situados en los vértices del rotor paralelos al eje que hacen las veces de segmentos para conseguir la estanqueidad radical. La axial se asegura por medio de unas laminas que se encuentran alojadas en unos canales laterales a ambos lados del rotor y perpendiculares al eje. Los patines y laminas llevan unos expansores elásticos situados en las ranuras del rotor por debajo de ellos y unidos al conjunto por unos pernos de anclaje.

    CICLO DE FUNCIONAMIENTO TEÓRICO

    Funciona un ciclo de 4 T para cada lado del rotor y produce por tanto 3 ciclos de W en cada vuelta completa del mismo lo que equivale a un 3 cilindros. Debido a la relación de transmisión que existe entre la corona del rotor y el piñón del árbol, se obtienen 3 revoluciones en el árbol motriz por cada giro completo del rotor. Considerando uno de los lados del motor como motor monocilíndrico el funcionamiento del mismo es el siguiente:

    1ºT admisión: cuando el vértice 1 en su giro rebasa la lumbrera de admisión de la figura, la mezcla es aspirada del carburador por la depresión que crea el rotor en su giro. Entra en la carcasa que hace de cilindro mientras el vértice 2 realiza el barrido de gases procedentes del ciclo anterior que salen de la lumbrera de escape al exterior. La admisión continua hasta que el vértice 2 ha rebasado la lumbrera de admisión.

    2ºT compresión: este tiempo comienza cuando el vértice 2 ha rebasado la lumbrera de admisión y la mezcla ocupa todo el volumen entre la carcasa y el rotor. La cámara formada disminuye por la forma elíptica de la carcasa a medida que sigue girando el rotor. De este modo se llega al mínimo volumen o punto de máxima compresión cuando el rotor se encuentra en la posición de la figura 1.34c

    3ºT explosión y expansión: cuando el rotor se encuentra en su máxima compresión, salta la chispa eléctrica y se realiza la combustión de la mezcla. De esta forma aumenta la presión interior que se ejerce sobre el rotor que lo hace girar en el mismo sentido de rotación, con lo cual el espacio ocupado por los gases aumenta de volumen en su fase de expansión y disminuye la presión interior que transforma en trabajo hasta que el vértice 1 descubre la lumbrera de escape.

    4ºT escape: cuando el vértice 1 rebasa la lumbrera de escape, los gases comienzan a salir rápidamente debido a la presión interior, siendo arrastrados a continuación por el vértice 2 en su giro hasta que dicho vértice rebasa la lumbrera de escape, con lo cual, comienza la admisión del ciclo siguiente.