Motores de combustión interna
José Flavio Millán Salgado
INTRODUCCIÓN
Los motores térmicos son máquinas
que tienen por objeto transformar energía calorífica en energía mecánica
directamente utilizable. La energía calorífica puede provenir de diversas fuentes
primarias; combustibles, energía eléctrica, energía atómica; pero en el estudio
de los motores endotérmicos (combustión interna), es obtenida de la combustión
de combustible líquido o más raramente gaseosos.
Se conoce como motores de combustión
interna o endotérmicas alternativos a cualquier tipo de maquina mecánica
directamente utilizable. La energía térmica
transformada es proveniente de una combustión que se lleva a cabo en su
interior, la cual es producida por el fluido activo, o bien, la mezcla de
combustible, ya sea gaseosos, líquidos, con el comburente o aire. El movimiento
de los elementos y componente de los motores endotérmicos alternativos se
efectúa siempre a partir del efecto producido por su fluido activo, en este
caso el movimiento se origina a partir de la reacción química violenta.
En esta unidad se estudiaran al motor Otto ,Diesel, de propulsión a chorro , turbinas de gas y los equipos auxiliares correspondientes.
Desarrollo
CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN
Una forma muy general de
clasificar los motores se hace partiendo del tipo de combustible que utilizan,
debido a que esto establece diferencias muy importantes entre ellos como
veremos mas adelante:
1.- Motores de gasolina (también
llamados motores Otto).
2.- Motores Diesel.
Si hacemos una síntesis del
trabajo de los dos tipos de motores podemos decir que en un motor de gasolina
se introduce dentro de una cámara de combustión cerrada cuyo fondo es el pistón
una mezcla de aire y combustible, que luego se inflama con el uso de una
chispa, en una suerte de explosión controlada que hace aumentar la presión y la
temperatura dentro de la cámara, esta presión empuja el pistón, el que a su vez
transmite la fuerza al cigüeñal a través de la biela como hemos visto. Para el
caso del motor Diesel el funcionamiento es muy similar, pero a la cámara de
combustión solo entra aire, y luego, en ella, se inyecta el combustible
finamente pulverizado, el que se inflama espontáneamente y produce el aumento
de presión que da la pie al movimiento del cigüeñal.
Como desde el punto de vista
constructivo-funcional ambos motores son de estructura básica similar, en este
portal utilizaremos el motor de gasolina como patrón de descripción, para
luego, tratar de forma separada el motor Diesel a fin de comprender sus
diferencias y particularidades.
Cabe destacar que la eficiencia
de los motores es bastante baja, solo el 15-25% de la energía térmica del
combustible puede ser utilizable en el eje de salida, el resto se pierde, en
forma de calor transferido a las paredes de la cámara, en los gases de escape,
que aun calientes se vierten al exterior, en pérdidas internas por rozamiento y
en el movimiento de las partes necesarias como los líquidos de lubricación o de
enfriamiento. La eficiencia de los motores Diesel es un tanto mayor que los de
gasolina.
Como ya se dijo, la
transformación de la energía se basa en el movimiento del mecanismo
pistón-biela-manivela que convierte la traslación reciprocante del pistón en
movimiento de rotación del árbol de salida para proporcionar fuerza. Durante el
trabajo de este mecanismo se pueden diferenciar varias etapas que se ha
convenido en llamar ciclos o tiempos y que conoceremos con algo de detalle mas
adelante, pues bien, en la práctica esto proporciona otra vía importante y muy
general de clasificación:
1.- Motores de dos tiempos.
2.- Motores de cuatro tiempos.
Motor OTTO
Es el ciclo ideal para las
maquinas reciprocaste de encendido por chispa. Recibe ese nombre en honor a
Nikolaus A. Otto, quien en Alemania en el año de 1876, contribuyo una exitosa
máquina de cuatro tiempos utilizando el ciclo propuesto por el francés Beau de
Rochas en 1862.
En la mayoría de las máquinas de
encendido por chispa el émbolo ejecuta cuatro tiempos completos (dos ciclos
mecánicos) dentro del cilindro, y el cigüeñal completa dos revoluciones por
cada ciclo termodinámico. Estas máquinas son llamadas máquinas de combustión
interna de cuatro tiempos.
Inicial mente tanto la válvula de
admisión como la de escape están cerradas y el émbolos encuentra en su posición
más baja (PMI). Durante la carrera de compresión, el émbolo se mueve hacia
arriba y comprime mezcla del aire y combustible. Un poco antes de que el émbolo
alcance su posición más alta (PMS), la bujía produce una chispa y la mezcla se
enciende, como lo cual aunque la presión y la temperatura del sistema.
Los gases de alta presión
impulsan al émbolo hacia abajo, el cual a ser vez obliga a rotar al
cigüeñal, lo que produce una salida de
trabajo útil durante la carrera de expansión o carrera de potencia.
se muestra un ciclo Otto de 4 tiempos
Admisión (1). El pistón desciende
con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire y
combustible) en la cámara. (Expansión a presión constante puesto que al estar
la válvula abierta la presión es igual a la exterior). E-A.
Compresión (2). El pistón
asciende comprimiendo la mezcla, ambas válvulas permanecen cerradas
(Comprensión adiabática). A-B.
Combustión. Con el pistón en el
punto muerto superior, salta la chispa de la bujía, que inicia la combustión de
la mezcla a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado
tiempo a bajar). B-C.
Expansión (3). Debido a la
combustión se produce un ascenso brusco de temperatura que empuja al pistón
hacia abajo, realizando trabajo sobre él, las válvulas continúan cerradas.
(Expansión adiabática). C-D.
Escape (4). Se abre la válvula de
escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura
mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en
la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa
con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que
entra es la misma podemos, desde el punto de vista del balance energético,
suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en
dos fases. Cuando el pistón se encuentra en el punto muerto inferior, el
volumen permanece aproximadamente constante D-A.
Cuando el pistón empuja el aire
hacia el exterior, con la válvula abierta, A-E, cerrando el ciclo.
Motor DIESEL
Es un ciclo ideal para las
máquinas reciprocas ECOM. EL motor ECOM por primeras vez, fue propuesto por
Rudolph Diesel en el año de 1890, es muy similar al motor ECH estudiado; la
diferencia principal está en el método de inicio de la combustión, en los
motores de ensendido por chispa la mezcla de air y combustible se comprime
hasta una temperatura inferior a la temperatura, sin embargo, los motores Diesel
operan con relaciones de compresión mucho más altas, por lo que suele ser más
eficiente que los motores de encendido de chispa.
Los motores Diesel también queman
el combustible de manera más completa, ya que usualmente operan a menores
revoluciones de masa de aire y combustible es mucho mayor que en los motores de
encendido por chispas las eficiencia térmica de los motores Diesel varia
aproximadamente entre 35 y 40 por ciento.
La mayor eficiencia y al menor
costo de combustible de los motores diesel los convierte en la opción más indicada
para aplicaciones que requieren cantidades relativamente grandes de potencia
como los motores de locomotoras, las unidades de generación de electricidad de
emergencia, camiones pesados, etc.
Ciclo diesel similar al ciclo de Otto
SISTEMAS AUXILIARES
SISTEMAS DE ENCENDIDO
La
finalidad del sistema de encendido es encender la mezcla comprimida de aire y
combustible de las cámaras de combustión del motor. Esto debe ocurrir en
momento correcto para que se inicie la combustión, el sistema de encendido entrega
una chispa eléctrica que salta un espacio en los extremos dé los electrodos de
las bujías, que sobresalen dentro de las cámaras de combustión.
Tipos de sistemas de encendido•
Encendido convencional (por ruptor).• Encendido electrónico por descarga decondensador.•
El encendido electrónico sin contactos tambiénllamado "encendido
transistorizado"• El sistema de encendido DIS (Direct IgnitionSystem)
SISTEMA DE INYECCIÓN
El sistema de carburación, ha
sido durante años el sistema por excelencia en los motores de gasolina. Se
trata de un sistema mecánico que no requiere la gestión de una centralita, pues
prepara la mezcla de aire-combustible en la propia admisión. Cuando entra el
aire en la admisión y cruza el sistema de carburación, funciona del mismo modo
que un pulverizador de pintura. Cuanto más aire entra, mayor es la fuerza que
empuja el combustible. Es un sistema antiguo pero que, en el fondo, nunca
falla. Aunque no es nada eficiente.
La carburación se vio superada
por el sistema actual por excelencia, la inyección de combustible. Un sistema
que inyecta el combustible directamente en la cámara de combustión, o en el
caso de la mayoría de los diésel, en la precámara de combustión (ubicada en la
culata).
Por cierto. Los sistemas de
carburación tan solo se usaban con los motores de gasolina. En los diésel no se
pueden usar, porque no pueden funcionar con el flujo de combustible en la
admisión. Por lo que utilizan un sistema de inyección, desarrollando el flujo
en la precámara, de tal manera que, cuando entre el diésel en la zona, pueda
llevar a cabo su trabajo.
SISTEMA DE LUBRICACION
La función del sistema de
lubricación es evitar el desgaste de las piezas del motor, creando una capa de
lubricante entre las piezas, que están siempre rozando. El lubricante suele ser
recogido (y almacenado) en el Carter inferior (pieza que cierra el motor por
abajo). El lubricante y su viscosidad pueden influir mucho en el rendimiento de
un motor, además, existen varios sistemas para su distribución.
Los aceites empleados para la
lubricación de los motores pueden ser tanto minerales, como sintéticos. Las
principales condiciones o propiedades del aceite usado para el engrase de
motores son: resistencia al calor, resistencia a las altas presiones,
anticorrosiva, antioxidante y detergente.
La presión a la que circula el
aceite, desde la salida de la bomba hasta que llegue a los puntos de engrase.
Esta presión debe ser la correcta para que el aceite llegue a los puntos a engrasar,
no conviene que sea excesiva, ya que aparte de ser un gasto innecesario
llegaría a producir depósitos carbonosos en los cilindros y las válvulas.
Los filtros de aceite se instalan
para evitar que el lubricante se deteriore prematuramente a causa de las
impurezas. Además, suelen mejorar la refrigeración del flujo de aceite. Hay que
distinguir entre filtros del circuito principal y del circuito secundario.
Normalmente se montan filtros de circuito principal porque así todo el caudal
impulsado pasa a presión por el filtro antes de llegar a los puntos de
lubricación y se eliminan previamente las impurezas.
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
Es el encargado de mantener el
motor en la temperatura adecuada para su optimo funcionamiento capas de
mantener al motor a temperatura constante.
BOMBA DE AGUA: Hace circular el
liquido refrigerante, y debe garantizar el flujo correcto a cada punto.
TERMOSTATO: es el encargado de
hacer circular el refrigerante al radiador cuando esta a una temperatura alta.
RADIADOR: es un componente del
auto que usa aire y liquido para reducir las altas temperaturas que se generan
en el motor debido a la combusto.
VENTILADOR: es un aparato
giratorio que al elevase la temperatura del refrigerante se acciona para forzar
una corriente de aire a través del
radiador disminuyendo la temperatura.
TAPÓN DE SEGURIDAD: en vez de un
tubo de desagüe al aire libre, y de colocar un simple tapón con válvula para
refrigerar a presión, se combinan ambos.
MANGUERAS: son conductores de
gomas que unen el bloque del motor con el radiador y donde circula el agua o
refrigerador.
MOTOR PROPULSIÓN A CHORRO
La propulsión a chorro tiene como
principio básico la presurización de un recipiente el cual contiene algún
elemento llamado masa reactiva, misma que reacciona a la impresión o aplicación
de energía. El motor "Jet" trabaja con los mismos principios que el
cohete: el aire entra por la parte delantera del motor y es quemado con
parafina. El gas que se forma se expande rápidamente y es impulsado fuera por
detrás de los motores en un chorro que impulsa el avión hacia adelante con gran
fuerza.
MOTOR DE REACCIÓN
Los motores de reacción son
aquellos tipos de motores en los que la propulsión se realiza mediante la
reacción de una masa de gases, procedentes de unas cámaras de combustión, que
salen al exterior en sentido contrario a la marcha del avión animados de una
gran velocidad. Toda clase de propulsión que podamos imaginar ha de realizarse
por reacción, es decir, como aplicación del teorema fundamental de la
conservación de la cantidad de movimiento.
La diferencia fundamental entre
un grupo moto-propulsor ordinario, con motor de cilindros y hélice, y un motor
de reacción, es que, en el primero, los gases procedentes de la combustión
tienen como misión mover un mecanismo propulsor (hélice), y éste, a su vez,
lanzando hacia atrás una masa de aire, produce la necesaria reacción para el
movimiento de avance; mientras que en los motores de reacción, los gases,
procedentes de las cámaras de combustión, son lanzados al exterior, provocando
ellos mismos la reacción o tracción de avance.
TURBINA DE GAS
Una turbina de gas es un motor
térmico rotativo de combustión interna, donde a partir de la energía aportada
por un combustible se produce energía mecánica y se genera una importante
cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje de
oxígeno.
l principio de operación en una
turbina de gas obedece al siguiente esquema: el aire entra al compresor donde
se incrementa su presión y temperatura, posteriormente se mezcla con el
combustible y ocurre la combustión.
Los gases calientes se expanden
hasta presión atmosférica y producen trabajo en la turbina.
El compresor opera con una parte
de la energía que desarrolla la turbina (aproximadamente un 65%), y la energía
restante, es la energía mecánica disponible en el eje de la turbina.
Un generador eléctrico se conecta
al eje de la turbina y produce electricidad. El calor de los gases de
combustión se recupera mediante calderas recuperadoras de calor, HRSG.
La combustión se lleva a cabo con
un alto exceso de aire, por lo que los gases de escape a la salida de la cámara
de combustión, con una alta temperatura, poseen altas concentraciones de
oxígeno (hasta un 16%). La alta temperatura del ciclo se registra en este punto
(la salida de la cámara de combustión), a mayor temperatura mayor la eficiencia
del ciclo y con la tecnología disponible hasta el momento se pueden lograr
temperaturas de hasta 1300 ºC. Posteriormente, después de expandirse, los gases
de escape abandonan la turbina a una temperatura entre 450 y 600 ºC.
Se debe poner especial atención
al hecho de que los álabes de la turbina, en el ciclo abierto, se exponen
directamente a los gases de escape por lo que los productos de combustión no
deben contener constituyentes que causen corrosión.
A medida que la tecnología avance
permitirá una mayor temperatura a la entrada de la turbina, con una relación de
presión también mayor. Mayor temperatura y relación de presión resultará en una
mayor eficiencia y potencia.
Así la tendencia general en las
turbinas de gas es avanzar en una combinación de alta temperatura y presión.
Aunque estos avances aumentan los costes de fabricación de la máquina, el alto
valor, en términos de una mayor potencia y alta eficiencia, proporcionará
beneficios económicos netos.
Las características de operación
de las turbinas de gas dependen de las condiciones del aire ambiental, la
calidad del combustible, el suministro de agua de enfriamiento, la inyección de
agua y la altitud principalmente.
El consumo de combustible puede
disminuir precalentando el aire comprimido con el calor de los gases de escape
de la turbina usando un recuperador o un regenerador, el trabajo de compresión
puede reducirse y la potencia aumentar con el uso de interenfriamiento y
preenfriamiento, y los gases de escape utilizarse en un HRSG para producir
vapor y generar trabajo en un ciclo combinado.
RENDIMIENTO Y POTENCIA
Parece importante empezar
definiendo el concepto de eficiencia o rendimiento que vamos a utilizar
indistintamente a lo largo de todo el artículo. Así pues, entendemos el
rendimiento de un motor como el trabajo realizado por cada unidad de energía
consumida.
Si el trabajo realizado por el
motor (generación de movimiento) fuese igual a la energía química del
combustible utilizado para producirlo, la eficiencia de ese supuesto motor
sería de un 100% (eficiencia perfecta).
Obviamente, ningún proceso puede
tener una eficiencia superior al 100% porque eso sería tanto como decir que se
estaría creando energía nueva. El primer principio de la termodinámica
(conservación de la energía) niega esta posibilidad.
Por otro lado, cuando el trabajo
realizado es menor que la energía consumida, la pérdida o diferencia entre
ambos valores se transforma en calor, que podemos considerar como energía
inútil y por lo tanto perdida.
CONCLUSIÓN
Los procesos termodinámicos de
los motores de combustión interna por lo general constan de procesos
isotérmicos o adiabáticos, es importante conocer de que constan los procesos de
intercambio de calor y su funcionamiento mecánico así como los diferentes usos
que se le da a cada tipo de motor para conocer sus eficiencias, sus ventajas y
desventajas, y de esa manera mejorar los mantenimientos de cada uno .El ciclo
de otto y el ciclo Diesel solo se diferencian por su forma de encendido y admisión
que en el otto es por chispa y el diesel es por compresión de aire y
combustible las turbinas de propulsión son utilizadas comúnmente en los aviones
y las turbinas de gas en algunas centrales termoeléctricas. El ciclo Diesel es
para funciones donde se requiere de mayor potencia y el ciclo Otto donde se
requiere aceleración.
REFERENCIAS
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Nilson GR,(2013)Motor de propulsión
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Energisa, (2011)Turbinas de gas
Diariomotors,(2017)Eficiencia
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