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7/21/2019 MCI clases espol

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PRINCIPIOS Y CONSTRUCCION DEL MOTOR DIESEL Y GASOLINA

2.1.- Ciclos de Operacin

La operacin de un motor encierra la admisin del combustible y aire en la cmarade combustin y la compresin y encendido de la carga. La combustin resultante producegases e incrementa la temperatura dentro de la cmara. A medida que la temperatura crece,la presin tambin crece y pone al mbolo en movimiento. El movimiento es transmitidopor una cadena de partes al eje. El movimiento de rotacin del eje es usado como trabajo;as la energa trmica es transformada en energa mecnica. Para que el proceso seacontino, los gases expedidos deben ser retirados de la cmara y se agrega una nueva cargay se repite el proceso.

En el proceso de operacin del motor se producen una serie de eventos o procesos.El ciclo identifica a esta secuencia de eventos que tiene lugar en el cilindro de un motor porcada impulso o potencia transmitida al eje cigeal. Estos eventos siempre ocurren en elmismo orden cada vez que se repite el ciclo. El nmero de eventos que ocurren en un ciclode operaciones depende del tipo de motor, diesel o gasolina, como se muestra en la Tabla 2-1.

La principal diferencia, como se muestra en la tabla en el ciclo de operacin para unmotor Diesel o Gasolina reside en la admisin del combustible y aire en el cilindro.

Mientras que este tiene lugar como un evento en el ciclo de operacin del motor a gasolina,ello encierra dos eventos en el motor diesel. As, considerando el nmero de eventos hayseis eventos en el motor diesel, mientras que hay cinco eventos en el motor a gasolina. Esimportante tener en cuenta el nmero de eventos que ocurren y el nmero de carreras delmbolo durante un ciclo de operacin del motor, concluyendo que son diferentes. Ancuando los eventos del ciclo son estrechamente relacionados a la posicin y movimiento delmbolo todos los eventos ocurrirn en un ciclo de operacin sin importar el nmero decarreras que realice el mbolo.

De lo dicho anteriormente es aparente que el ciclo de operacin de motor diesel ogasolina encierra dos factores bsicos calor - mecnica. Cualquier explicacin en la relacin

del calor al movimiento de las partes del motor esta en el medio por el cual la energatrmica es transformada en energa mecnica, esto encierra muchos trminos como son:materia, molcula, energa, calor temperatura, equivalente mecnico del calor, fuerza,fusin, volumen, trabajo y potencia, etc.

La operacin mecnica del motor muchas veces se llama ciclo mecnico o ciclo deoperacin del motor; mientras que el proceso trmico que produce la fuerza que mueve laspartes del motor se llama ciclo de combustin. Un ciclo de cada tipo forma parte de un ciclode operacin del motor.


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2.2.- Ciclos Mecnicos

El nmero de carreras del mbolo que ocurre durante cualquier serie de eventos estlimitado a dos (2) o cuatro (4) dependiendo del diseo del motor. As tenemos un ciclo decuatro carreras y un ciclo de dos carreras. Estos son los ciclos mecnicos de operacin.

Ciclo de Cuatro y Dos Carreras

El trmino cuatro y dos carreras identifican el nmero de viajes que hace el mbolodurante un ciclo de eventos; tambin los dos tipos de ciclos mecnicos son usados en los dostipos de motores recprocos diesel y gasolina. Sin embargo la mayora de los motores degasolina operan en el ciclo de cuatro carreras, mientras que se encuentran motores dieseloperando en 4-carreras y 2-carreras.

Relacin de Eventos y Carreras en el Ciclo de 4T

La carrera del mbolo es la distancia que el mbolo se mueve entre dos lmitesllamados Punto Muerto Superior (PMS) y Punto Muerto Inferior (PMI). El nombre de estoslmites se debe ha que en esta posicin la lnea central del mun de la manivela est en elmismo plano con la lnea del centro del buln del mbolo y el eje cigeal y el mbolo no semueve por la presin de los gases. La fuerza del movimiento debe venir de la rotacin de lamanivela que acta a travs de la biela.

El ciclo de operacin en un motor que opera en el ciclo de 4-T involucra cuatrocarreras del mbolo. ADMISION, COMPRESION, POTENCIA, DESCARGA. En el ciclode 2-T solamente se tienen dos carreras ASCENDENTE y DESENDENTE. En la Tabla 2-1,se muestra que algunas carreras tienen el nombre que corresponde a los eventos. Sinembargo, hay seis eventos para el motor a diesel y cinco para el motor a gasolina, esevidente que ms de un evento ocurrir durante alguna de las carreras, especialmente en elciclo de 2-T. An as es prctica comn identificar algunos de los eventos como carreras delmbolo, ya que los eventos de admisin, compresin, expansin y descarga, en el caso delmotor de 4-T, tiene lugar en una gran parte de la carrera y en algunos casos en ms de unacarrera.

La relacin de los eventos y carreras implica determinar el nmero de eventos queocurren durante una carrera especfica, la duracin de este evento con respecto a la carreradel mbolo y el caso cuando un evento superpone a otro. La relacin de eventos y carrerases mejor comprendida mediante un grfico que representa los cambios de situacin queocurren en el cilindro durante un ciclo de operacin. La figura 2-1 muestra estos cambiospara un motor diesel de 4-T.

La relacin de eventos a carreras se comprende ms fcilmente si se consideran enprimer lugar el movimiento del mbolo y el cigeal. En la parte A de la figura 2-1 semuestra el movimiento recproco y carrera del mbolo y el movimiento de rotacin delcigeal durante dos carreras. Si el crculo que se muestra en la parte B se divide en varias

partes y se separa como en la parte C los eventos de un ciclo y su relacin con las carreras


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del mbolo se pueden demostrar, al igual de como algunos eventos se superponen. Hay quemantener siempre en mente el PMS y PMI ya que ellos identifican el comienzo y trmino de

una carrera y ellos son los puntos desde los cuales se establece el inicio y trmino de loseventos.

Siguiendo las carreras y eventos se puede notar que el evento de admisin comienzaantes del PMS, o antes que inicie la carrera real de admisin y contina ms all de PMI oms all del trmino de la carrera. El evento de compresin inicia cuando concluye elevento de admisin, pero la carrera de compresin ya inici desde el PMI. La inyeccin yencendido se superponen con la parte ltima del evento de compresin que termina en elPMS. La quema del combustible contina algunos grados pasando el PMS. El evento depotencia o expansin de los gases termina algunos grados antes de que termine la carrera dedescenso (potencia) en el PMI. El evento de descarga inicia cuando termina el evento de

potencia y contina a travs de la carrera de ascenso (descarga) y pasa al PMS. Note lasuperposicin del evento de descarga con el evento de admisin del prximo ciclo.

Los puntos de divisin de los eventos no coinciden con el comienzo y trmino de lascarreras correspondientes. La diferencia es pequea en los motores de baja velocidad perose incrementan a medida que la velocidad del motor crece. La vlvula de admisincomienza a abrir antes del PMS entre 10 a 25 de giro de manivela. Este adelanto permiteque la vlvula est bien abierta al PMS cuando el mbolo inicia la carrera de admisin(succin). La vlvula de admisin se cierra de 25 a 45 despus del PMI. La inyeccincomienza de 7 a 26 antes del PMS. El trmino de la inyeccin depende de la carga delmotor. La vlvula de descarga comienza abrir 30 o 60 antes del PMI y cierra de 10 a 20despus del PMS.

Relacin de Eventos y Carreras en el Ciclo de 2T

La relacin de eventos y carreras en un motor diesel de 2-T se muestra en la figura 2-2. Si comparamos la figura 2-1 con la figura 2-2 encontraremos un nmero de diferenciasentre los dos tipos de ciclos de operacin mecnicos. Estas diferencias no son difciles decomprender si recordamos que hay cuatro carreras del mbolo y 720 de rotacin del ejecigeal en un ciclo de 4-T, mientras que la mitad de las carreras y de ngulo de rotacin

encierra un ciclo de 2-T.An cuando las carreras del embolo en el motor de 2-T estn identificadas como

carreras de potencia y compresin, ellas tambin se identifican como carrera de descensoy ascenso.

Iniciando con la admisin de aire, (1) figura 2-2, encontramos que el mbolo est enla segunda mitad de la carrera de descenso y que la carrera de descarga (6) ya estocurriendo. El evento de descarga comenz unos grados antes que el evento de admisin,ambos comenzaron antes que el mbolo llegue al punto muerto inferior. La superposicinde estos eventos es necesaria para que el aire de admisin pueda ayudar a limpiar el cilindro

de los gases de descarga. Note que el evento de descarga termina unos grados antes que elde admisin, pero algunos grados despus que ha iniciado la carrera de ascenso. (En


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algunos motores diesel de 2-T el evento de descarga termina algunos grados despus quetermina el evento de admisin). Cuando el evento de barrido ha terminado el cilindro es

cargado con el aire que va ha ser comprimido. El evento de compresin (2) ocurre durantela mayor parte de la carrera de compresin (ascenso). El evento de inyeccin, encendido ycombustin ocurren durante la ltima parte de la carrera de compresin (El punto dondetermina la inyeccin vara de acuerdo al motor. En algunos motores termina antes del PMS,en otros despus del PMS). La intensidad de calor generado durante la compresin del aireenciende la mezcla de combustible y aire, la presin resultante de la combustin empuja almbolo para que descienda. La expansin de los gases (5) contina a travs de la mayorparte de la carrera de descenso. Despus que la fuerza de los gases se ha expandido, lavlvula de descarga se abre y permite que los gases se descarguen por el mltiple dedescarga. A medida que el mbolo se mueve hacia abajo, las lumbreras de admisin sedestapan y el aire de admisin limpia el cilindro con una carga de aire fresco y as el ciclo de

operacin ha iniciado nuevamente.

Ahora, cual es la diferencia entre el ciclo de 2-T y 4-T?. Del punto de vista de laoperacin mecnica la principal diferencia est en el nmero de carreras del embolo quetiene lugar en un ciclo de eventos. Una diferencia ms significante es el hecho que un ciclode 2-T produce el doble de impulsos de potencia al cigeal por cada 720 de rotacin deleje.

El ciclo mecnico del motor de GASOLINA, es similar al del motor Diesel exceptoque hay un evento menos durante el ciclo gasolina. El aire-gasolina se introduce al cilindrodel motor como una mezcla durante el evento de admisin, en este caso el evento deinyeccin no se lleva a cabo. En el motor a gasolina el evento que necesita una mayorexplicacin es el encendido. Despus que la mezcla aire-combustible es admitido al cilindroy comprimida la mezcla se convierte en una substancia altamente combustible que necesitasolo de una chispa para encender. Esta chispa se obtiene de una fuente de alto voltaje quesalta a travs de una holgura de la buja que est instalada en la cmara de combustin.

En el caso del motor a gasolina de dos tiempos (no muy comn) como el quetenemos en la figura 2-3, no hay vlvulas instaladas, en su lugar hay tres lumbreras que hansido maquinadas en el cilindro, las mismas que son cerradas y abiertas por el movimientodel mbolo. Las tres lumbreras que reemplazan las vlvulas son:

1)

Lumbrera de admisin, que se conecta del carburador a la parte inferior del mbolo alcrter.2) Lumbrera de descarga, que va desde el cilindro al sistema de descarga de gases.3) Lumbrera de transferencia, que conecta del crter (debajo del mbolo) al cilindro sobre

el mbolo. La descarga de la lumbrera de transferencia est ubicada casi directamenteopuesta a la lumbrera de descarga.

El ciclo de operacin del motor de 2-T a gasolina se describe como sigue. En la carrera deascenso del mbolo, las lumbreras de transferencia y descarga se tapan y sellan por elmbolo Figura 2-5 pero al mismo tiempo la falda del pistn abre la lumbrera de admisinconectando el carburador a la cmara del crter. Debido al movimiento del mbolo en el

crter se crea una depresin en el rea absorbiendo la mezcla del carburador. Mientras estoocurre debajo del mbolo sobre el mbolo ocurre la compresin. Sin embargo la primera


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carrera de compresin es de poco uso porque la mezcla no ha sido introducida paracompresin. Cuando se produce la chispa al final de la compresin, obviamente no ocurre la

combustin en esta primera carrera.

Cuando el mbolo desciende Figura 2-6, en lo que normalmente es la carrera de potencia, lamezcla en el crter es comprimida ligeramente, debido al movimiento descendente delmbolo que reduce el volumen en el crter. La compresin de la mezcla en el crtercontina hasta que la lumbrera de transferencia es abierta por el mbolo Figura 2-7. Estopermite que la mezcla se transfiera del crter a la parte superior del mbolo mientras que almismo tiempo la lumbrera de descarga tambin se abre permitiendo que si hay gasesescapen bajo su propia presin. La nueva carga transferida tambin asiste en despejar losgases remanentes dentro del cilindro.

En el PMI el mbolo comienza su ascenso para la segunda carrera de compresin, serrandolas lumbreras de transferencia y descarga y comprimiendo la mezcla en la cmara decombustin para que sea encendida por la chispa de la buja en el PMS. La lumbrera deadmisin nuevamente es abierta por el mbolo ascendente el mismo que aspira otra carga demezcla en la cmara del crter y as se repite el ciclo. Resumiendo: en cada carrera delmbolo ocurre ms de un evento.

Carrera ascendente1) Bajo el mbolo: Aspiracin de la nueva carga al crter2) Sobre el mbolo: compresin de la carga admitida anteriormente.

Carrera descendente1) Sobre el mbolo: potencia producida por los gases de combustin2) Bajo el mbolo: compresin de la carga en el crter3) Sobre el mbolo: Descarga de los gases de combustin4) Finalmente: transferencia de la carga del crter a la parte superior del

cilindro.

Tabla 2-1Secuencia de Eventos en el Ciclo de Operacin

Motor Diesel Motor a Gasolina

Admisin de aire Admisin de combustible y aire

Compresin de aire Compresin de combustible y aire (mezcla)

Inyeccin de combustible ..................................................

Encendido y combustin de carga Encendido y combustin de carga

Expansin de los gases Expansin de los gases

Descarga de los gases Descarga de los gases


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Tabla 2-2

Componentes de la Substancia de Trabajo

Proceso Motor ECH Motor EC

Admisin Aire AireCombustible * Reciclaje de descarga #Reciclaje de descarga ** Gases residualesGases residuales $

Compresin Aire Aire

Vapor de combustible Reciclaje de descargaReciclaje de descarga Gases residualesGas residual

Expansin Producto de combustin Productos de la combustin(mezcla de H2, H2O, CO2, CO (mezcla de H2, H 2O, CO2, COH2, O2, NO, OH, O, H,...) H2, O2, NO, OH, O, H,...)

Descarga Productos de combustin Productos de combustin(Principalmente N2, CO2, H2O) Principalmente N2, CO2, H2O, O2)

* Lquido y Vapor en la admisin; en el cilindro todo vapor# ** Usado algunas veces para control de las emisiones$ Dentro del cilindro

2.3 COMPRESINHay dos propsitos para comprimir la carga de aire durante el evento de compresin;

primero, el de incrementar la eficiencia trmica de la mquina, incrementando la densidadde la carga y por lo tanto obteniendo altas temperaturas durante la combustin; segundo,

incrementar la temperatura del la carga de aire a tal punto que cuando el combustible esinyectado este se incendiar y comenzar a quemar si necesidad de una fuente externa deencendido.La razn de compresin de la mquina de combustin es la razn del volumen V1, de losgases en el cilindro cuando este se encuentra en el PMI, al volumen V 2de los gases cuandoel pistn est en el PMS. Luego:

Razn de Compresin rc = V1 / V2

El volumen V2se llama el volumen de compresin o volumen de la cmara; el volumenV1 es igual al volumen de desplazamiento ms volumen de la cmara.

Las razones de compresin ms usuales en la actualidad para las mquinas diesel es de 12 a24, si la razn de compresin es menor de 12 hay el peligro que la temperatura de la carga


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de aire no sea lo suficientemente alta para asegurar que el combustible se encienda cuando lamaquina esta fra. El lmite superior se fija por razones prcticas. Tericamente, un

incremento en la razn de compresin incrementa la presin mxima de los gases y latemperatura de combustin. Esto a su vez incrementa la presin y esfuerzos en varias partesde la maquina y se incrementan las perdidas por friccin. Esto hace que se necesite piezasms fuertes y robustas lo que incrementa el peso del motor. Altas presiones y temperaturastambin incrementan la razn de desgaste de las partes y por lo tanto reduce su vida til yconfiabilidad. Por lo tanto cada tipo de motor tiene su lmite superior de compresin sobre elcual no es recomendable elevar la compresin.

2.4 COMBUSTINHay dos mtodos distintos de quemar el combustible en la cmara de combustin de una

mquina: (1) a VOLUMEN CONSTANTE y (2) a PRESIN CONSTANTE.

La combustin a volumen constante significa que durante la combustin el volumen nocambia y toda la energa de calor desarrollada por el combustible sirve para incrementar latemperatura y presin de los gases. Significa que la combustin ocurre a una razn tanelevada tal que el pistn no tiene tiempo para cambiar de posicin. Esta combustin ocurrecuando el pistn se encuentra en el PMS. La ventaja de este mtodo es su alta eficienciatrmica. La desventaja es el incremento violento de presin lo que origina alto nivel deruido. Esta combustin se aproxima en el motor encendido por chispa.La combustin a presin constante significa que durante la combustin la temperatura crecea una razn tal que el incremento en presin es justo lo suficiente para contrarrestar lainfluencia del incremento de volumen debido al movimiento del pistn, y la presin nocambia. La energa desarrollada por el combustible una parte va a incrementar latemperatura de los gases y parte a realizar trabajo positivo. En este tipo de maquina elcombustible se quema gradualmente tal que la presin obtenida al final de la carrera decompresin se mantiene durante el evento de combustin. Esta combustin se puedeobservar en los motores de baja velocidad e inyeccin de aire. La ventaja es que se tiene unmotor operando suavemente y produciendo un torque mas uniforme debido a la extensin dela presin de combustin. La desventaja es que no es aplicable para motores de altavelocidad.Lo motores diesel modernos de alta velocidad operan en un mtodo de combustin o que esuna combinacin de los dos mtodos anteriores, llamada COMBUSTION DUPLEXLa combustin dplex significa que parte del combustible se quema rpidamente casi a

volumen constante cerca del PMS, el resto se quema cuando el pistn comienza a moversedesde el PMS. Sin embargo la mxima presin no permanece constante, primero comienza aelevarse y luego disminuye. En general este mtodo se asemeja a una combustin a volumenconstante ms que a uno de presin constante. La ventaja es su alta eficiencia y bajoconsumo de combustible. La desventaja es la dificultad de evitar una operacin ruda yruidosa.

2.5 MOTOR DE 2TLa ventaja del motor de 2T es la eliminacin de las dos carreras de carga necesarias en elmotor de 4T. As el pistn produce un pulso de potencia por cada revolucin de la maquinacomparado con un pulso de potencia por cada dos vueltas en el motor de 4T.

Si toda la condicin del motor esto es: dimetro, carrera, velocidad y presin media efectivason iguales, un motor de 2T desarrollar el doble de la potencia de un motor de 4T. Esto


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significa que un motor de 2T pesa la mitad de un motor de 4T de la misma potencia, yproduce un torque ms uniforme.

Hay que enfatizar que esto es valido para motores que solamente tienen la misma presinmedia efectiva. As un motor de 2T con barrido de crter tiene una presin media efectivamenor y por lo tanto desarrolla menor potencia que un motor comparable de 4T. Por otraparte, un motor de 4T sobre alimentado puede desarrollar la misma o aun ms potencia queun motor de 2T del mismo desplazamiento.Estas ventajas son muy importantes en buques, locomotoras por lo que el motor de 2T esusado en estas instalaciones ms que un motor de 4T particularmente en plantas de podergrandes.Una desventaja para todos los motores de 2T son las altas temperaturas del pistn y de laculata debido a que la combustin ocurre a cada vuelta.

2.6 METODOS DE BARRIDODependiendo de la posicin de las lumbreras de descarga con respecto a las lumbreras deadmisin, hay bsicamente dos mtodos de barrido: barrido de flujo cruzado; barrido de lazoo barrido de flujo de retorno.Si hay vlvula de descarga en lugar de lumbrera de descarga el barrido se llama de flujoUnidireccional.

Barrido de Flujo Cruzado: Con este mtodo, el pistn descubre primero la lumbrera dedescarga y alivia la presin en el cilindro. Luego descubre la lumbrera de barrido ycomienza a admitir aire comprimido cuyo flujo se orienta primeramente hacia arribaempujando los gases por la lumbrera de descarga.En la carrera de ascenso el pistn primero cubre las lumbreras de barrido y luego laslumbreras de descarga. El hecho que las lumbreras de descarga cierran despus de las debarrido permite que parte de la carga de aire fresca escape del cilindro. Esta es unadesventaja de esquema de barrido. Pero tiene una ventaja muy importante que es lasimplicidad de construccin y mantenimiento, la ausencia de vlvula de descarga, lo quepermite un sello ms confiable.

Barrido de Flujo de Lazo:Es similar al barrido cruzado en la secuencia de abertura de laslumbreras. Sin embargo, la direccin del flujo de aire es diferente. Su ventaja es que tanto elrecibidor de barrido como el acumulador de descarga de gases estn localizados a un sololado de los cilindros lo que permite mejor accesibilidad. Este esquema es muy til enmotores de doble accin.

Barrido de Flujo Unidireccional:En este esquema los gases de descarga como el aire debarrido fluyen en la misma direccin, con menor chance de formar turbulencia.

2.7 SOBREALIMENTACINEl objetivo de la sobrealimentacin es incrementar la potencia que un motor, de undesplazamiento y velocidad dado pueda desarrollar.En el motor diesel ella potencia se desarrolla quemando el combustible, y si queremosincrementar la potencia, ms combustible debe ser quemado y por lo tanto se necesita msaire, ya que por cada libra de combustible se necesita una cierta cantidad de aire.Si se mantiene las condiciones, un volumen espacio se llenar con un mayor peso de aire sise incrementa la presin del aire.. As la sobrealimentacin se obtiene con una presin ms

alta de la carga de aire en el cilindro al comienzo de la carrera de admisin.


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Para incrementar la potencia en el motor de 4T, la carga de admisin no es aspirada alcilindro, o en otras palabras no es de aspiracin natural, pero es empujado al cilindro por una

presin mayor creada por una bomba o soplador separado.Hay tres tipos de sopladores en uso: (1) la bomba reciproca similar a un compreso de aire;(2) el soplador de desplazamiento positivo del tipo Roots, y (3) el soplador de alta velocidadcentrifugo, semejante a una bomba centrifuga, generalmente accionado por una turbina degas que utiliza la energa cintica de los gases de descarga.Cuando se usa sobrealimentacin en un motor de 4T, hay que efectuar un cambio en lacalibracin de la vlvula de admisin y descarga. La aventura de la vlvula de admisin seadelanta y el cierre de la vlvula de descarga se retarda, Las dos vlvulas tiene un traslape de50 a 100 grados, dependiendo de la velocidad del motor.La ventaja de un traslape mayor es un mejor barrido del espacio de combustin. Laexperiencia indica que en traslapes de 40 a 50 grados se incrementa la potencia del motor en

un 5% - si la sobrealimentacin es muy pequea, suficiente solamente para eliminar el vacoen el cilindro durante la carrera de admisin a 8% con una presin de sobrealimentacin de12 pul., de mercurio, comparado con un traslape de 10 a 20 grados usado comnmente enmotores de admisin natural. La potencia total que se gana debido a la sobrealimentacinvaria de 20 a 50 %, dependiendo de la presin del sobrealimentado que normalmente variade 5 a 12 in de mercurio.Hay que notar adems que, simultneamente con un incremento de la presin mediaefectiva, la sobrealimentacin incrementa tambin la presin mxima y la mximatemperatura. Por otra parte el consumo de combustible por Hp-hora generalmente decrece,porque se incrementa la turbulencia y hay una mejor mezcla de aire combustible y por lotanto mejor combustin, adems se incrementa la eficiencia mecnica del motor porque lapotencia de salida crece ms que las prdidas por friccin

Los motores de 2T, generalmente ya tiene un soplador para el barrido y la sobrealimentacinse obtiene incrementando la presin del aire de barrido. Adems es necesario un ligerocambio de calibracin en la descarga y barrido para obtener ms aire de barrido al comienzode la carrera de compresin.


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