MOTORES RECIPROCANTES DE COMBUSTIÓN INTERNA

2.1 MOTORES RECIPROCANTES

UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ES UNA MÁQUINA EN LA CUAL SE COMBINAN EL AIRE Y EL COMBUSTIBLE Y SE QUEMAN DENTRO DEL MOTOR, Y NO EN UN HOGAR U HORNO SEPARADO. LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA CONVIERTEN LA ENERGÍA QUÍMICA ALMACENADA EN SUS COMBUSTIBLES EN ENERGÍA TÉRMICA MIENTRAS EJECUTAN LA COMBUSTIÓN. LA ENERGÍA TÉRMICA SE CONVIERTE EN ENERGÍA MECÁNICA POR MEDIO DE LA EXPANSIÓN DE LOS GASES CONTRA LOS PISTONES UNIDOS A LOS CIGUEÑALES QUE PUEDEN GIRAR. EXISTEN OTROS TIPOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA PARA QUEMAR ACEITES Y COMBUSTIBLES MÁS PESADOS DE LOS CUALES EL QUE HA LLEGADO A TENER UN USO MÁS EXTENDIDO ES EL MOTOR DIESEL. EL MOTOR CORRIENTE DE COMBUSTIÓN INTERNA ES DEL TIPO DE CUATRO TIEMPOS, LLAMADO ASÍ PORQUE EN CADA CICLO SE VERIFICAN CUATRO PROCESOS. PARTIENDO DEL INSTANTE EN QUE EL PISTÓN SE ENCUENTRA EN LA PARTE SUPERIOR DE SU CARRERA, SE INTRODUCE EN EL CILINDRO, DURANTE LA CARRERA DE ADMISIÓN, UNA MEZCLA EXPLOSIVA DE VAPOR DE GASOLINA Y AIRE, PERMANECIENDO ABIERTA LA VÁLVULA DE ADMISIÓN Y CERRADA LA DE ESCAPE. ESTA ES LA CARRERA DE ADMISIÓN. AL FINAL DE ELLA LA VÁLVULA DE ADMISIÓN SE CIERRA, Y EL PISTÓN SE ELEVA, REALIZÁNDOSE UNA COMPRESIÓN, APROXIMADAMENTE ADIABÁTICA, DE LA MEZCLA DE GASOLINA Y AIRE. ESTA ES LA CARRERA DE COMPRESIÓN. EN EL EXTREMO DE ESTA CARRERA O CERCA DE ÉL UNA CHISPA INFLAMA LA MEZCLA DE VAPOR DE GASOLINA Y AIRE, CUYA COMBUSTIÓN SE PRODUCE MUY RÁPIDAMENTE. LA PRESIÓN Y LA TEMPERATURA AUMENTAN, APROXIMADAMENTE, A VOLUMEN CONSTANTE. EL PISTÓN ES EMPUJADO ENTONCES HACIA ABAJO, AL EXPANDIRSE DE MODO ADIABÁTICO LOS GASES RESULTANTES DE LA COMBUSTIÓN. ESTA ES LA CARRERA DE TRABAJO, AL TERMINAR LA CUAL SE ABRE LA VÁLVULA DE ESCAPE. LA PRESIÓN DENTRO DEL CILINDRO DISMINUYE RÁPIDAMENTE HASTA LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA, Y AL ELEVARSE EL PISTÓN OBLIGA A SALIR A LOS GASES QUE QUEDAN, DURANTE LA CARRERA DE ESCAPE. SE CIERRA AHORA LA VÁLVULA DE ESCAPE, SE ABRE LA DE ADMISIÓN Y SE REPITE EL CICLO.

EL CICLO DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN PUEDE SUSTITUIRSE APROXIMADAMENTE POR EL CICLO DEL MOTOR DE AIRE CALIENTE O CICLO OTTO.

EL CICLO OTTO ES UN CONJUNTO DE PROCESOS USADO POR LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA (2-TIEMPOS 0 4-TIEMPOS). ESTOS MOTORES: a) ADMITEN UNA MEZCLA DE COMBUSTIBLE Y AIRE, b) QUE ES COMPRIMIDA, c) PARA QUE ESTA PUEDA REACCIONAR CON EFICACIA A LA ADICIÓN DE CALOR, ASÍ QUE LA ENERGÍA QUÍMICA DE LA MEZCLA SE PUEDA TRANSFORMAR EN ENERGÍA TÉRMICA, d) Y MEDIANTE LA EXPANSIÓN DE LOS PRODUCTOS DE

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LA COMBUSTIÓN SE PRODUZCA MOVIMIENTO, Y POSTERIORMENTE e) LOS GASES EXHAUSTOS DE LA COMBUSTIÓN SE EXPULSAN Y POSTERIORMENTE SE SUSTITUYEN POR UNA NUEVA MEZCLA DE COMBUSTIBLE Y AIRE. LOS DIVERSOS PROCESOS SE DEMUESTRAN EN LA SIGUIENTE FIGURA.

DIAGRAMA P-v CORRESPONDIENTE AL CICLO OTTO, FIG. 1

PARTIENDO DEL PUNTO (a), EL AIRE A LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA ES COMPRIMIDO ADIABÁTICAMENTE EN UN CILINDRO HASTA EL PUNTO (b), DESPUÉS CALENTADO A VOLUMEN CONSTANTE HASTA EL PUNTO (c), A CONTINUACIÓN SE LE PERMITE EXPANDIRSE ADIABÁTICAMENTE HASTA EL PUNTO (d), Y, POR ÚLTIMO, SE ENFRÍA A VOLUMEN CONSTANTE HASTA EL PUNTO (a), REPITIÉNDOSE EL CICLO. LA LINEA (ab) CORRESPONDE A LA CARRERA DE COMPRESIÓN; (bc), A LA DE EXPLOSIÓN; (cd), A LA CARRERA DE TRABAJO, Y (da), A LA DE ESCAPE. EN LA FIGURA V1 Y V2 REPRESENTAN, LOS VOLÚMENES MÁXIMO Y MÍNIMO QUE OCUPA EL AIRE EN EL CILINDRO. LA RAZÓN V1/V2 SE DENOMINA RAZÓN DE COMPRESIÓN, Y ES APROXIMADAMENTE 7 PARA UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA.

EL TRABAJO REALIZADO VIENE REPRESENTADO, EN LA FIGURA, POR EL ÁREA RAYADA ENCERRADA POR EL CONTORNO (abcd). EL CALOR SE SUMINISTRA A VOLUMEN CONSTANTE A LO LARGO DE LA LINEA (bc). EL CALOR SE CEDE A LO LARGO DE (da). DURANTE LOS PROCESOS ADIABÁTICOS (ab) Y (cd) NO HAY CAMBIOS DE CALOR CON EL EXTERIOR.

LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA SE CONSTRUYEN APLICANDO UNA VARIEDAD DE CICLOS TERMODINÁMICOS. LOS TIPOS PUEDEN VARIAR ENTRE SÍ EN SUS CARACTERÍSTICAS, COMO FLEXIBILIDAD, COMBUSTIBLE USADO, FACILIDAD PARA EL ARRANQUE, PESO, COSTO, ETC., PERO TODAS TIENEN MUCHOS DETALLES COMUNES COMO:

1. EL USO DE UN PISTÓN Y UN CILINDRO PARA CREAR UNA CAMARA DE VOLUMEN VARIABLE EN LA QUE SE PUEDE LLEVAR A CABO EL CICLO.

2. UN MEDIO DE OPERACIÓN GASEOSO.3. CICLOS TÉRMICOS ABIERTOS, LO QUE IMPLICA UNA CORRIENTE DE AIRE Y OTRA DE

COMBUSTIBLE DENTRO DEL MOTOR, Y LA DESCARGA DE LOS PRODUCTOS GASEOSOS DE SU COMBUSTIÓN.

4. CICLOS MECÁNICOS DE DOS O DE CUATRO TIEMPOS.

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5. PRODUCCIÓN DE POTENCIA DE MAGNITUD CÍCLICA, POR LO TANTO NO UNIFORME, QUE NECESITA EL USO DE CILINDROS MÚLTIPLES O DE VOLANTES PESADOS PARA UNIFORMAR SU RENDIMIENTO.

2.2 CICLO OTTO (2 Y 4 TIEMPOS)

UN CICLO TEÓRICO DE INTERÉS AL ANALIZAR EL COMPORTAMIENTO DE LOS MOTORES ALTERNATIVOS DE ENCENDIDO PROVOCADO ES EL CICLO OTTO. SE LLAMA ASÍ POR EL INGENIERO ALEMÁN NICHOLAS OTTO.

EL CICLO DE DOS TIEMPOS: MUCHOS PEQUEÑOS MOTORES DE GASOLINA Y MUCHOS DIESEL, GRANDES Y PEQUEÑOS TRABAJAN CON UN CICLO DE DOS TIEMPOS O CARRERAS. COMO LA CARRERA DE EXPULSIÓN EN EL MOTOR REAL TIENE POR FIN PURGAR O BARRER LOS GASES DEL CILINDRO (LIMPIANDO EL CILINDRO DE PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN), SÓLO ES NECESARIO PROPORCIONAR OTROS MEDIOS DE BARRIDO PARA QUE SE PUEDA COMPLETAR EL CICLO EN SÓLO DOS CARRERAS (UNA REVOLUCIÓN). EN LA FIGURA SE MUESTRA UN DIAGRAMA DE INDICADOR.

C I C L O O T T O D E D O S T I E M P O S, FIG. 2

LA COMPRESSIÓN SE HA COMPLETADO EN EL PUNTO “c”; LA COMBUSTIÓN TIENE LUGAR EN “cd”, SEGUIDA DE UNA EXPANSIÓN. EN EL CICLO DE DOS TIEMPOS, LA EXPULSIÓN PRINCIPIA ANTES QUE DE ORDINARIO, EN AVANCE, EN UN PUNTO COMO “e”, Y EL BARRIDO SE REALIZA SOPLANDO AIRE (O AIRE Y COMBUSTIBLE) DENTRO DEL CILINDRO. PARA DAR TIEMPO AL BARRIDO, O A LA INTRODUCCIÓN DE MEZCLAS COMBUSTIBLES, LAS VÁLVULAS GENERALMENTE

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PERMANECEN ABIERTAS HASTA QUE EL ÉMBOLO SE HAYA MOVIDO HASTA CIERTA POSICIÓN CORRESPONDIENTE A “b”, DONDE PRINCIPIA LA COMPRESIÓN.

EL CICLO OTTO DE AIRE NORMAL

EL CICLO OTTO DE AIRE NORMAL ES UN CICLO IDEAL QUE SE ASEMEJA AL DE UNA MÁQUINA DE COMBUSTIÓN INTERNA DE IGNICIÓN POR CHISPA. EL CICLO SE VE EN LOS DIAGRAMAS P-v Y T-s. El PROCESO 1-2 ES UNA COMPRESIÓN ISENTRÓPICA DEL AIRE A MEDIDA QUE EL ÉMBOLO SE MUEVE DEL PUNTO MUERTO ANTERIOR AL PUNTO MUERTO SUPERIOR; DESPUÉS SE AÑADE CALOR A VOLUMEN CONSTANTE, MIENTRAS EL ÉMBOLO ESTÁ MOMENTÁNEAMENTE EN REPOSO EN EL PUNTO MUERTO ANTERIOR. (ESTE PROCESO CORRESPONDE A LA IGNICIÓN DE LA MEZCLA DE AIRE-COMBUSTIBLE POR LA CHISPA Y EL CORRESPONDIENTE QUE LA MÁQUINA REAL). EN EL PROCESO 3-4 ES UNA EXPANSIÓN ISENTRÓPICA, Y EL PROCESO 4-1 ES LA OBTENCIÓN DE CALOR DEL AIRE, CUANDO EL ÉMBOLO ESTÁ EN EL PUNTO MUERTO POSTERIOR.

CICLO DE OTTO DE AIRE NORMAL EN DIAGRAMAS P-v Y T-s FIG. 3

EL CICLO DE CUATRO TIEMPOS: EL CICLO DE CUATRO TIEMPOS (O CARRERA) ES AQUEL EN QUE SE REQUIEREN CUATRO CARRERAS DEL ÉMBOLO, DOS REVOLUCIONES, PARA COMPLETAR UN CICLO.

LAS SECUENCIAS DE SUCESOS, MOSTRADAS EN LA FIGURA (PAG. 1), SON LAS MISMAS PARA CUALQUIER “MCI” DE CUATRO TIEMPOS, ES DECIR:

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1. UNA CARRERA DE ASPIRACIÓN, QUE INTRODUCE COMBUSTIBLE Y AIRE EN UN MOTOR OTTO, O SOLAMENTE AIRE EN UNO DIESEL.

2. UNA CARRERA DE COMPRESIÓN.3. ENCENDIDO DEL COMBUSTIBLE QUE YA ESTÁ DENTRO DEL CILINDRO, GRACIAS A UNA

BUJÍA, O BIEN, POR LA AUTOIGNICIÓN DEL COMBUSTIBLE, EL CUAL, IDEALMENTE, SE 4. INYECTA DENTRO DEL CILINDRO AL FINAL DE LA CARRERA DE COMPRESIÓN (SU

COMBUSTIÓN DEPRENDE LA ENERGÍA QUE CONSUME Y UTILIZA EL SISTEMA).5. UNA CARRERA DE EXPANSIÓN, O CARRERA DE POTENCIA, DURANTE LA CUAL SE

EFECTÚA Y TRABAJO POSITIVO; Y6. UNA CARRERA DE ESCAPE O EXPULSIÓN DURANTE LA CUAL LA MAYOR PARTE DE LOS

PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN SE SACAN DEL CILINDRO; LUEGO SE REPITE EL CICLO.

2.3 CICLO DIESEL (2 Y 4 TIEMPOS)

EL MOTOR DIESEL, LLAMADO TAMBIÉN MOTOR DE IGNICIÓN POR COMPRESIÓN RECIBE SU NOMBRE POR EL DOCTOR RUDOLF DIESEL QUIÉN PATENTO UN MOTOR EN 1893. ES UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA, ES DECIR, LA COMBUSTIÓN TIENE LUGAR DENTRO DEL MOTOR. EN SUS ASPECTOS BÁSICOS ES SIMILAR EN DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN A UN MOTOR DE GASOLINA, QUE TAMBIÉN ES DE COMBUSTIÓN INTERNA. SIN EMBARGO, EN EL MOTOR DIESEL HAY DIFERENCIA EN EL MÉTODO DE HACER LLEGAR EL COMBUSTIBLE A LOS CILINDROS DEL MOTOR Y EN LA FORMA QUE OCURRE LA COMBUSTIÓN.

EN EL MOTOR DE GASOLINA EL COMBUSTIBLE ENTRA A LOS CILINDROS COMO UNA MEZCLA DE AIRE Y COMBUSTIBLE Y LA INFLAMACIÓN O IGNICIÓN DE LA MEZCLA SE PRODUCE POR UNA CHISPA ELÉCTRICA EN LAS BUJÍAS. EN EL CASO DEL DIESEL, EL COMBUSTIBLE SE INYECTA EN EL CILINDRO EN FORMA DE CHORRO DE ROCÍO ATOMIZADO (SE LLAMARÁ ATOMIZACIÓN) Y LA IGNICIÓN OCURRE DEBIDO A LA ELEVADA TEMPERATURA DEL AIRE QUE HAY DENTRO DEL CILINDRO EN EL CUAL SE INYECTA EL COMBUSTIBLE. EL DIESEL DIFIERE DEL MOTOR DE GASOLINA DE IGNICIÓN POR CHISPA, EN DOS ASPECTOS PRINCIPALES: 1) EN EL MOTOR DE GASOLINA, EL AIRE Y EL COMBUSTIBLE SE MEZCLAN EN EL CARBURADOR ANTES DE QUE ENTREN AL CILINDRO, PERO EN EL MOTOR DIESEL, EL COMBUSTIBLE SE ALIMENTA DENTRO DEL CILINDRO POR MEDIO DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE Y SE MEZCLA CON EL AIRE QUE EXISTE DENTRO DEL CILINDRO. 2) EL MOTOR DE GASOLINA COMPRIME UNA MEZCLA DE GASOLINA Y AIRE QUE SE ENCIENDE POR MEDIO DE UNA CHISPA ELÉCTRICA, PERO EL

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MOTOR DIESEL COMPRIME SÓLO UNA CARGA DE AIRE Y LA IGNICIÓN SE LLEVA A CABO POR EL CALOR DE LA COMPRESIÓN, PERO EN LOS MOTORES DIESEL LA COMPRESIÓN ES MUY SUPERIOR A LA QUE UTILIZAN LOS MOTORE DE IGNICIÓN POR CHISPA, LO QUE LE PERMITE CONVERTIR EN TRABAJO UNA MAYOR CANTIDAD DE ENERGÍA DE SU COMBUSTIBLE QUE LO QUE PUEDE LOGRARSE CON EL MOTOR DE GASOLINA. LAS DESVENTAJAS DEL DIESEL, EN COMPARACIÓN CON LOS MOTORES DE IGNICIÓN POR CHISPA UTILIZADOS EN LOS MODERNOS CARROS DE PASAJEROS, SON: SU MÁS ALTA RELACIÓN DE PESO POR CABALLO DE FUERZA, SU MAYOR DIFICULTAD PARA ARRANCAR, SU MÁS ALTO COSTO INICIAL Y SU MÁS ALTO COSTO PROBABLE DE MANTENIMIENTO. LA MAYOR PARTE DE LOS MOTORES DIESEL FUNCIONAN CON EL CICLO DE CUATRO TIEMPOS; LOS OTROS, CON EL CICLO DE DOS TIEMPOS. EL CICLO COMPLETO DEL MOTOR DIESEL, SEA CON DOS O CUATRO CARRERAS DEL PISTÓN, REQUIERE COMPRIMIR EL AIRE EN EL CILINDRO, INYECTAR EL COMBUSTIBLE, QUE OCURRA LA COMBUSTIÓN, QUE SE EXPANDAN LOS GASES Y PRODUZCAN PRESIÓN CONTRA EL PISTÓN Y FINALMENTE LA EXPULSIÓN DE LOS GASES QUEMADOS DEL CILINDRO. EN LOS MOTORES DE CUATRO TIEMPOS, EL AIRE ENTRA AL CILINDRO Y LOS GASES SALEN DE ÉL MEDIANTE VÁLVULAS EN LA CULATA DE CILINDROS. EN LOS MOTORES DIESEL DE DOS TIEMPOS SE UTILIZAN LUMBRERAS EN LA PARED DEL CILINDRO PARA HACER ENTRAR EL AIRE AL MISMO. LAS LUMBRERAS QUEDAN DESCUBIERTAS Y CUBIERTAS POR EL MOVIMIENTO ASCENDENTE Y DESCENDENTE DEL PISTÓN PARA INTRODUCIR AIRE EN EL CILINDRO. LOS GASES DE ESCAPE SALEN DEL CILINDRO MEDIANTE VÁLVULAS IGUAL QUE EN LOS MOTORES DE CUATRO TIEMPOS.

¿QUÉ ES UN CICLO DE UN MOTOR DIESEL?

ES UN CICLO EN EL CUAL EL FUNCIONAMIENTO OCURRE COMO SIGUE: 1) UNA CARRERA DE ADMISIÓN, QUE ADMITE AIRE EN LOS CILINDROS; 2) UNA CARRERA DE COMPRESIÓN, QUE AUMENTA LA PRESIÓN DEL AIRE EN EL CILINDRO HASTA UN VALOR MUY ALTO; 3) SE INYECTA COMBUSTIBLE Y SE PRODUCE LA COMBUSTIÓN; 4) LA CARRERA DE ESCAPE ELIMINA LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN, PARA PODER VOLVER A ADMITIR AIRE Y REPETIR EL CICLO.

EN LA FIGURA SE ILUSTRAN LAS PARTES DE UN MOTOR DIESEL BÁSICO. LAS PARTES EXTERNAS ESTÁN CORTADAS PARA PODER VER LAS INTERNAS.

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MOTOR DIESEL BÁSICO. SE HAN CORTADO SECCIONES PARA MOSTRA LAS PIEZAS INTERNAS.

EN LAS SIGUIENTES FIGURAS SE MUESTRAN ALGUNAS DE LAS PARTES MÁS IMPORTANTES DE LOS MOTORES DIESEL.

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BLOQUE DE CILINDROS: 1. PARTE SUPERIOR DEL BLOQUE EN DONDE SE ATORNILLA LA CULATA DE CILINDRORES, 2. ESPÁRAGOS (CILINDROS) PARA LA CULATA 3. JUNTA DE LA CULATA, 4. CAMISA DE CILINDRO, 5. PARTE SUPERIOR DEL BLOQUE.

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CABEZA (CULATA) DE CILINDROS: 1. CULATA, 2. VÁLVULA DE ADMISIÓN, 3. VÁLVULA DE ESCAPE, 4. RESORTE DE CULATA, 5. MÚLTIPLE DE ESCAPE, 6, SALIDA DE AGUA.

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LOS COJINETES O CHUMACERAS SE UTILIZAN EN TODOS LOS TIPOS DE MÁQUINA, O MOTORES PARA SOSTENER Y CONTROLAR EL MOVIMIENTO DE GIRO, DESLIZAMIENTO O DE ACCIÓN RECÍPROCA DE LAS PARTES. LAS PARTES GIRATORIAS QUE ESTÁN SOPORTADAS Y CONTROLADAS POR COJINETES, POR LO GENERAL SON LAS FLECHAS, MANDRILES O EJES

CIGÜEÑAL Y COJINETES: 1. POLEAS, 2. ENGRANES, 3. CONTRAPESO, 4. COJINETES PRINCIPALES, 5. BRIDA PARA EL VOLANTE, 6. MUÑON DE BIELAS.

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CONJUNTO DE PISTÓN: 1. ANILLOS DE PISTÓN, 2. PISTÓN, 3. PASADOR (PERNO) DE PISTÓN, 4. BIELAS, 5. COJINETES, 6. TORNILLO.

ÁRBOL DE LEVAS: 1. MUÑONES PARA COJINETES, 2. LEVAS DE ACCIONAMIENTO DE VÁLVULAS (DOS CILINDROS), 3. LEVA PARA BOMBA ELEVADORA DE COMBUSTIBLE, 4. ENGRANE DEL ÁRBOL DE LEVAS.

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C I C L O D I E S E L D E D O S T I E M P O S

EN EL MOTOR DIESEL DE DOS TIEMPOS, SE EFETÚA EL CICLO COMPLETO DE FUNCIONAMIENTO CON DOS CARRERAS DEL PISTÓN: UNA ASCENDENTE Y UNA DESCENDENTE. LOS MOTORES BÁSICOS DE DOS TIEMPOS TIENEN LUMBRERAS --- CADA UNA DE LAS DOS ABERTURAS QUE SIRVEN PARA LA ADMISIÓN Y EL ESCAPE DEL VAPOR O DE LOS GASES EN LOS CILINDROS DE LAS MÁQUINAS DE VAPOR Y DE LOS MOTORES DE DOS TIEMPOS --- EN LAS PAREDES DEL CILINDRO LAS CUALES DESCUBRE Y CUBRE EL PISTÓN DURANTE SU MOVIMIENTO HACIA ABAJO Y HACIA ARRIBA EN EL CILINDRO. ESTAS LUMBRERAS SON DE ADMISIÓN Y DE ESCAPE. EN LOS MOTORES DIESEL, POR LO GENERAL, SE UTILIZAN TANTO LAS LUMBRERAS Y VÁLVULAS: LAS LUMBRERAS PARA INTRODUCIR AIRE EN EL CILINDRO Y LAS VÁLVULAS DE ESCAPE PARA DESCARGAR LOS GASES QUEMADOS DENTRO DEL CILINDRO.

EL MOTOR ESTÁ EQUIPADO CON UNA BOMBA DE AIRE O SOPLADOR QUE SUMINISTRA AIRE A UNA PRESIÓN UN POCO MÁS ALTA QUE LA PRESIÓN DE LOS GASES. ESTO, ADEMÁS DE LLENAR EL CILINDRO CON AIRE LIMPIO, AYUDA A EXPULSAR LOS GASES DE ESCAPE. ESTA ACCIÓN SE DENOMINA BARRIDO.

EN LA FIGURA SE ILUSTRA EL FUNCIONAMIENTO DE UN CILINDRO DE UN MOTOR DIESEL DE DOS TIEMPOS, EN EL CUAL SE UTILIZA UN SOPLADOR PARA INTRODUCIR AIRE EN EL

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CILINDRO MEDIANTE LAS LUMBRERAS DE ADMISIÓN (LLAMADAS TAMBIÉN LUMBRERAS DE BARRIDO) Y UNA VÁLVULA DE ESCAPE POR LO CUAL SE DESCARGAN LOS GASES QUEMADOS DEL CILINDRO. EL FUNCIONAMIENTO ES COMO SIGUE:

a) EL PISTÓN ESTÁ EN PMI (PUNTO MUERTO INFERIOR). EL SOPLADOR INTRODUCE EL AIRE POR LAS LUMBRERAS DE ADMISIÓN EN LA PARED DEL CILINDRO. ESTO LLENA EL CILINDRO CON AIRE EXTERIOR Y EXPULSA LOS GASES QUEMADOS POR LAS VÁLVULAS DE ESCAPE QUE ESTÁ EN LA CULATA DE CILINDROS.

b) EL PISTÓN SE MUEVE HACIA ARRIBA Y HA CUBIERTO LAS LUMBRERAS DE ADMISIÓN PARA CORTAR EL PASO DE AIRE DESDE EL SOPLADOR. EL PISTÓN SIGUE SU MIVIMIENTO ASCENDENTE PARA COMPRIMIR EL AIRE EN EL CILINDRO A ALLREDEDOR DE 1/16 PARTE DE SU VOLUMEN ORIGINAL. ESTO ELEVA LA TEMPERATURA DEL AIRE COMPRIMIDO.

c) EL PISTÓN CASI HA LLEGADO AL PMS (PUNTO MUERTO SUPERIOR) EN LA CARRERA DE COMPRESIÓN. EL COMBUSTIBLE ATOMIZADO POR EL INYECTOR EN LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN SE INFLAMA CON LA ALTA TEMPERATURA DEL AIRE COMPRIMIDO. LA PRESIÓN RESULTANTE EMPUJA EL PISTÓN HACIA ABAJO EN EL CILINDRO EN LA CARRERA DE POTENCIA

d) EL PISTÓN CASI HA LLEGADO AL PMI EN LA CARRERA DE POTENCIA. LA VÁLVULA DE ESCAPE ESTÁ SINCRONIZADA PARA QUE ABRA ANTES DEL PMI Y DEJE SALIR LOS GASES QUEMADOS DEL CILINDRO. CONFORME CONTINÚA LA ROTACIÓN DEL CIGÜEÑAL, EL PISTÓN LLEGARÁ AL PMI Y DESCUBRIRÁ LAS LUMBRERAS DE ADMISIÓN PARA QUE PENETRE EL AIRE AL SOPLADOR Y EL CICLO CONTINÚA IGUAL QUE ANTES. TODO EL CICLO OCURRE CON UNA SOLA REVOLUCIÓN DEL CIGÜEÑAL.

C I C L O D I E S E L D E D O S T I E M P O S

a) BARRIDO b) COMPRESIÓN c) POTENCIA d) ESCAPE.

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C I C L O D I E S E L D E C U A T R O T I E M P O S

EL MOTOR DIESEL DE CUATRO TIEMPOS FUNCIONA CON CUATRO CARRERAS DE LOS PISTONES: ADMISIÓN DE AIRE, COMPRESIÓN, POTENCIA Y ESCAPE, QUE SE ILUSTRA EN LA FIGURAS, LAS VÁLVULAS DE ADMISIÓN Y DE ESCAPE ABREN Y CIERRAN EN MOMENTOS EXACTOS EN RELACIÓN CON EL PISTÓN.

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CICLO DIESEL DE CUATRO TIEMPOS: a) ADMISIÓN, b) COMPRESIÓN, c) POTENCIA, d) ESCAPE.

EN LA FIGURA ANTERIOR SE ILUSTRA LA SECUENCIA DE LOS CUATRO TIEMPOS DE UN MOTOR DIESEL QUE ES COMO SIGUE:

a) ADMISIÓN DE AIRE (CARRERA DESCENDENTE) EN LA CARRERA DE ADMISIÓN DE AIRE (O SIMPLEMENTE DE ADMISIÓN), LA VÁLVULA DE ADMISIÓN ESTÁ ABIERTA Y EL PISTÓN SE MUEVE HACIA ABAJO. EL AIRE ENTRA AL CILINDRO POR EL ORIFICIO DE LA VÁLVULA DE ADMISIÓN. EN PMI EL CILINDRO ESTARÁ LLENO DE AIRE.

b) EL PISTÓN LLEGA AL PMI EMPIEZA A MOVERSE HACIA ARRIBA. CUANDO OCURRE ASÍ, SE CIERRA LA VÁLVULA DE ADMISIÓN. LA VÁLVULA DE ESCAPE TAMBIÉN ESTÁ CERRADA CON LO CUAL EL CILINDRO ESTÁ HERMÉTICO. CUANDO EL CIGÜEÑAL EN ROTACIÓN Y LA BIELA EMPUJAN EL PISTÓN HACIA ARRIBA, SE COMPRIME EL AIRE. PARA EL MOMENTO EN QUE EL PISTÓN LLEGA AL PMS, EL AIRE HA SIDO COMPRIMIDO A ALREDEDOR DE 1/6 PARTE DE SU VOLUMEN ORIGINAL O QUIZÁ MÁS TODAVÍA. LA COMPRESIÓN DEL AIRE EN EL CILINDRO NO SÓLO LE AUMENTA SU PRESIÓN SINO TAMBIÉN SU TEMPERATURA. EL AIRE QUE HAY EN EL PEQUEÑO ESPACIO ENCIMA DEL PISTÓN O SEA LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN, ESTÁ LO BASTANTE CALIENTE PARA INFLAMAR EL COMBUSTIBLE DIESEL QUE SE INYECTARÁ EN ÉL.

c) POTENCIA (CARRERA DESCENDENTE) JUSTO ANTES DEL PMS SE ATOMIZA UNA PEQUEÑA CANTIDAD DE COMBUSTIBLE DESDE EL INYECTOR HACIA LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN EN EL CILINDRO. EL AIRE CALIENTE EN LA CÁMARA NO SÓLO FORMA UNA MEZCLA

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COMBUSTIBLE CON LA ATOMIZACIÓN, SINO QUE ADEMÁS LA INFLAMA. LA COMBUSTIÓN O EL QUEMADO OCURRE CON RAPIDEZ Y AUMENTA LA PRESIÓN DENTRO DEL CILINDRO. LOS GASES CALIENTES HACEN PRESIÓN CONTRA EL CILINDRO Y EL PISTÓN, Y PROPORCIONAN LA FUERZA QUE OBLIGA AL PISTÓN A BAJAR EN EL CILINDRO. ESTE MOVIMIENTO SE TRANSFIERE POR MEDIO DE LA BIELA AL CIGÜEÑAL PARA HACERLO GIRAR Y QUE FUNCIONE EL MOTOR. LAS DOS VÁLVULAS PERMANECEN CERRADAS DURANTE LA CARRERA DE POTENCIA, PERO CASI AL FINAL DE ELLA SE ABRE LA VÁLVULA DE ESCAPE.

d) ESCAPE (CARRERA ASCENDENTE) CON LA VÁLVULA DE ADMISIÓN CERRADA, EL PISTÓN SE MUEVE HACIA ARRIBA EN LA CARRERA DE ESCAPE PARA EXPULSAR LOS GASES QUEMADOS DEL CILINDRO POR EL ORIFICIO DE LA VÁLVULA DE ESCAPE. CUANDO EL PISTÓN LLEGA AL PMS, SE CIERRA LA VÁLVULA DE ESCAPE. CON ESTO CONCLUYEN LOS CUATRO TIEMPOS O CARRERA DEL CICLO.

EL CONJUNTO DEL MOTOR DIESEL, ES DECIR EL MOTOR EN SÍ Y EL EQUIPO AUXILIAR Y ACCESORIOS PARA SU FUNCIONAMIENTO, SE PUEDE CONSIDERAR QUE CONSTA DE LO SIGUIENTE:

1. EL MOTOR EN SÍ.2. EL SISTEMA DE ARRANQUE.3. EL SISTEMA DE COMBUSTIÓN.4. EL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO.5. EL SISTEMA DE LUBRICACIÓN6. EL SISTEMA DE ADMISIÓN DE AIRE.7. EL SISTEMA DE ESCAPE.

2.4 PARÁMETROS DE LA MÁQUINA

2.5 PROBLEMAS

2.6 MOTOR ROTATORIO (WANKEL)

TANTO EL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA DE ENCENDIDO A CHISPA (CICLO OTTO) COMO EL DE AUTOENCENDIDO (CICLO DIESEL) TIENEN UN INCONVENIENTE FUNDAMENTAL. COMO SON MOTORES QUE FUNCIONAN POR MEDIO DE PISTONES, NO HAY OTRA FORMA DE OBTENER MOVIMIENTO ROTATIVO EN EL EJE DEL MOTOR QUE CONVERTIR EL MOVIMIENTO LINEAL EN LOS PISTONES EN MOVIMIENTO CIRCULAR. ESTO EXIGE UN COMPLICADO SISTEMA DE BIELA Y

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CIGÜEÑAL. ESTO SIGNIFICA MAYOR COMPLEJIDAD MECÁNICA, VENCER LA INERCIA DEBIDO AL CAMBIO DE DIRECCIÓN DE MOVIMIENTO ALTERNATIVO DE LOS PISTONES Y MAYOR PESO. EN EL MOTOR DE DOS TIEMPOS NO ES TAN SERIO COMO EN EL DE CUATRO TIEMPOS, PERO NO OBSTANTE SIGUE SIENDO UNO DE LOS MAYORES DEFECTOS DE ESTE TIPO DE MOTOR.

EL MOTOR WANKEL (1954) ES ROTATIVO, POR LO QUE NO TIENE ESTE INCONVENIENTE. NO TIENE PISTONES, VÁLVULAS, ÁRBOL DE LEVAS, MANIVELAS NI BIELAS, SINO UN ROTOR TRIANGULAR EQUILÁTERO LLAMADO PISTÓN ROTATORIO, AUNQUE LA DENOMINACIÓN ES ENGAÑOSA PORQUE NO ES UN PISTÓN. ESTE SE ENCUENTRA MONTADO EN POSICIÓN LIGERAMENTE EXCÉNTRICA EN UNA CAJA DE FORMA EPICICLOIDAL. ESTA DISPOSICIÓN PERMITE QUE SE FORMEN TRES CAVIDADES DE VOLUMEN VARIABLE ENTRE EL ROTOR Y LA CAJA, COMO SE VE EN LA FIGURA. LAS CAVIDADES, IDENTIFICADAS COMO A, B Y C, CUMPLEN LA FUNCIÓN DE LOS MIVIMIENTOS DEL PISTÓN O “TIEMPOS” DE LOS MOTORES ALTERNATIVOS. DE TAL MODO LOS CUATRO EVENTOS PRINCIPALES DEL MOTOR SE HACEN SIN MOVIMIENTOS LINEALES, LO QUE ELIMINA UNA CANTIDAD IMPORTANTE DE COMPONENTES. DURANTE EL TIEMPO DE ADMISIÓN LA CAVIDAD “A” SE LLENA DE MEZCLA DE AIRE Y COMBUSTIBLE, QUE INGRESA POR LA LUMBRERA DE ADMISIÓN. COMO EL EJE GIRA EN EL SENTIDO DE LAS AGUJAS DEL RELOJ, LA CAVIDAD “A” SE ACHICA, Y LA MEZCLA SE COMPRIME. LA LLEGAR A LA BUJÍA SALTA LA CHISPA, Y SE PRODUCE LA COMBUSTIÓN. LUEGO CONTINÚA SU EVOLUCIÓN, ESTA VEZ DE EXPANSIÓN PORQUE EL ESPACIO LIBRE SE AGRANDA. EN ESE PUNTO OCUPA LA POSICIÓN QUE ROTULAMOS “B”. LUEGO CONTINÚA GIRANDO HASTA QUE SE CONECTA CON LA LUMBRERA DE ESCAPE EN LA POSICIÓN “C”. LOS DETALLES MECÁNICOS SON COMPLICADOS, Y NO SON DE INTERÉS PARA LA TERMODINÁMICA. NO OBSTANTE, ES EN LOS DETALLES MECÁNICOS DONDE RESIDE EL MAYOR ATRACTIVO DE ESTE MOTOR. UN MOTOR TÍPICO PUEDE TENER ALGO ASÍ COMO 350 A 400 PARTES MÓVILES, DEPENDIENDO DEL DISEÑO. POR COMPARACIÓN, UN MOTOR WANKEL DE POTENCIA SIMILAR TIENE 150 PARTES MÓVILES. LA SIGUIENTE FIGURA REPRESENTA UN MOTOR WANKEL.

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2.7 COMBUSTIBLES (MEZCLAS REACTIVAS)

LA MATERIA PRIMA DE LAS PLANTAS TERMOELÉCTRICAS ES LA ENERGÍA POTENCIAL LATENTE EN UN COMBUSTIBLE Y EL OXÍGENO NECESARIO PARA PONERLA EN CONDICIONES DINÁMICAS A ALTA TEMPERATURA. UN COMBUSTIBLE SE COMPONE DE ELEMENTOS QUÍMICOS LOS CUALES, POR SU UNIÓN QUÍMICA RÁPIDA CON EL OXÍGENO, PRODUCEN LA COMBUSTIÓN. COMO ESTA DEFINICIÓN DEPENDE DEL SIGNIFICADO DE LA PALABRA COMBUSTIÓN, SE DEFINE LUEGO ÉSTE TÉRMINO. COMBUSTIÓN ES LA UNIÓN QUÍMICA RÁPIDA CON EL OXÍGENO DE UN ELEMENTO CUYO CALOR EXOTÉRMICO DE REACCIÓN ES SUFICIENTEMENTE GRANDE Y DE VELOCIDAD RÁPIDA, QUE QUEDEN EN LIBERTAD CANTIDADES UTILIZABLES DE CALOR A ELEVADAS TEMPERATURAS. EN TODOS LOS COMBUSTIBLES DE USO COMÚN, LOS ELEMENTOS QUE SE BUSCAN, POR TENER EL CALOR DE FORMACIÓN NECESARIO Y LA VELOCIDAD SUFICIENTE PARA REACCIONAR, SON EL CARBÓN Y EL HIDRÓGENO. SE EMPLEAN COMBUSTIBLES SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASEOSOS, SEPARADAMENTE EN GENERAL. EL CARBÓN ES EL COMBUSTIBLE SÓLIDO QUE MÁS SE USA EN LA GENERACIÓN DE VAPOR, PERO TAMBIÉN A VECES SE USAN DESPERDICIOS INDUSTRIALES. EL PETRÓLEO ES EL TIPO DE COMBUSTIBLE LÍQUIDO MÁS IMPORTANTE. EL TERCER GRUPO LO FORMAN LOS GASES NATURALES Y LOS QUE RESULTAN COMO PRODUCTOS SECUNDARIOS EN LA INDUSTRIA, ADEMÁS DE LOS MANUFACTURADOS, PERO ESTOS ÚLTIMOS SE USAN RARA VEZ DEBIDO A SU ALTO COSTO.

GAS. EL GAS NATURAL ESTÁ DISTRIBUIDO A NIVEL MUNDIAL, Y LAS REDES SIEMPRE CRECIENTES DE TUBERÍAS, LO HACEN ASEQUIBLE A LA INDUSTRIA. SU COSTO POR UNIDAD TÉRMICA AL SALIR DE LOS POZOS SE COMPARA FAVORABLEMENTE CON OTROS COMBUSTIBLES, PERO EL COSTO DEL TRANSPORTE POR LAS COSTOSAS TUBERÍAS, QUE DEBEN TENER ESTACIONES COMPRESORAS A INTERVALOS REGULARES, AÑADEN UN COSTO POR DISTRIBUCIÓN QUE LO CONVIERTEN EN UN COMBUSTIBLE CARO, COMPARADO CON EL PETRÓLEO O EL CARBÓN DE PIEDRA. LAS VENTAJAS QUE TIENE, SON LA COMODIDAD PARA SU USO, QUE PROVIENEN DE SU FÁCIL CONTROL, COMBUSTIÓN SIN HUMO Y AUSENCIA DE CENIZA. SU COSTO ES EL MAYOR PARA USARLO EN GRAN ESCALA PARA PRODUCIR VAPOR. EL METANO (CH4) ES EL PRINCIPAL COMPONENTE DEL GAS NATURAL. ADEMÁS, ESTE GAS A VECES CONTIENE ETANO, NITRÓGENO Y MONÓXIDO DE CARBONO. LA MAYOR PARTE DE LAS MUESTRAS DE GAS NATURAL DAN COMO PROMEDIO 9 CALORÍAS POR LITRO EN LAS CONDICIONES NORMALES DE TEMPERATURA 15.5°C Y 762mmHg DE PRESIÓN. SE VENDE EN GENERAL POR VOLUMEN, CORRIGIENDO POR TEMPERATURA Y PRESIÓN.

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PETRÓLEO. LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS PARA LAS PLANTAS DE FUERZAS SON CASI SIEMPRE PRODUCTOS SECUNDARIOS DEL PETRÓLEO. EL PETRÓLEO CRUDO CONTIENE PRINCIPALMENTE CARBÓN E HIDRÓGENO EN UNIÓN DE PEQUEÑAS CANTIDADES DE OXÍGENO, NITRÓGENO Y PEQUEÑAS CANTIDADES DE AZUFRE. EL HIDRÓGENO SE PRESENTA SIEMPRE EN FORMA DE UNA MEZCLA DE HIDROCARBUROS. LOS PETRÓLEOS CRUDOS MUY RARA VEZ SE USAN EN SU FORMA ORIGINAL. SU DESCOMPOSICIÓN EN NUMEROSOS PRODUCTOS COMERCIALES ES UNA DE LAS INDUSTRIAS MAYORES A NIVEL MUNDIAL. LA COMPOSICIÓN QUÍMICA APROXIMADA ES: CARBÓN, 85%, HIDRÓGENO, 15%. ENTRE LOS PRODUCTOS Y PRODUCTOS SECUNDARIOS DEL PETRÓLEO VARÍAN POCO LAS PROPIEDADES QUÍMICAS, AUNQUE LAS PROPIEDADES FÍSICAS, COMO LA VISCOSIDAD, LA DENSIDAD Y EL COLOR VARÍEN MUCHO. SE PRODUCEN MUCHOS COMBUSTIBLES ESPECIALES POR LA DESTILACIÓN DEL PETRÓLEO CRUDO Y POR CRACKING, QUE ES LA DESCOMPOSICIÓN A QUE SE SOMETE MEDIANTE ALTAS PRESIONES Y TEMPERATURAS. EL CRACKING DE LOS PETRÓLEOS CRUDOS PRODUCE UNA FRACCIÓN MAYOR DE COMBUSTIBLES PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA QUE LA SIMPLE DESTILACIÓN. LA TREMENDA DEMANDA QUE TIENE EL COMBUSTIBLE PARA MOTORES SE REFLEJA EN LA CIRCUNSTANCIA DE QUE LA MAYOR PARTE DE LOS CRUDOS SE TRATAN POR EL PROCEDIMIENTO DE CRACKING. LOS PRODUCTOS PRODUCIDOS EN LAS REFINERÍAS DE CRACKING DEBEN SEPARARSE DE ACUERDO CON SU PUNTO DE EBULLICIÓN EN ACEITES LIGEROS, Y ACEITES RESIDUALES Ó PESADOS.

COMBUSTIBLES PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

EL MOTOR DE C. I. SE OPERA CON COMBUSTIBLES CASI SIEMPRE OBTENIDOS DEL PETRÓLEO. EL GAS COMBUSTIBLE ES LA EXCEPCIÓN QUE SE USA EN ALGUNOS MOTORES DE DOS COMBUSTIBLES. AUNQUE DIESEL ORIGINALMENTE TRATÓ DE OPERAR SU NUEVO MOTOR CON POLVO DE CARBÓN, NI ÉL NI NADIE HA PODIDO RESOLVER EL PROBLEMA DE LA CENIZAS. EL PETRÓLEO CRUDO HA SIDO ABUNDANTE, PERO EL USO CRECIENTE DE LOS MOTORES DE C. I. EN LA TIERRA, EN EL MAR Y EN EL AIRE, ESTÁN HACIENDO GRANDES MERMAS A LAS FUENTES NATURALES DE PETRÓLEO CRUDO.LA DEMANDA MAYOR ES LA DE GASOLINA DEBIDO A LOS AUTOMÓVILES, CAMIONES Y AEROPLANOS. LAS REFINERÍAS SUJETAN A LOS CRUDOS A UN PROCESO EN EL QUE SE OBTIENE LA MAYOR PRODUCCIÓN DE GASOLINA. HASTA LA ACTUALIDAD, EL COMBUSTIBLE DIESEL SE HA OBTENIDO POR DESTILACIÓN, PERO AL IR AUMENTANDO SU DEMANDA, SIN DUDA SE MEZCLARÁ CON EL QUE SE OBTIENE POR MEDIO DEL CRACKING CON CATALIZADOR.

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