MOTORES: ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO


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1 MOTORES: ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO Existen muchos tipos de motores; en este curso se verán los eólicos, hidráulicos, eléctricos y térmicos. En este apunte se desarrollarán los térmicos de combustión interna, viéndose con cierto detalle solamente los de ciclo diesel, dado que son los de mayor aplicación en el campo agrícola. Los motores diesel (Popularmente conocidos como Gasoleros ) producen energía mecánica a partir del calor generado al quemarse un combustible líquido en el interior de un recinto cerrado llamado cilindro y no cuentan con un sistema auxiliar para iniciar la combustión. MOTORES DIESEL DE CUATRO TIEMPOS BASE DE SU FUNCIONAMIENTO Al cilindro primero se lo llena con aire, luego se comprime fuertemente aumentando en consecuencia su temperatura (Se intenta una compresión adiabática). En ese momento se inyecta gas oil finamente pulverizado el cual en contacto con el aire caliente inicia su combustión. Como consecuencia, la presión aumenta mucho más empujando al pistón y la energía del combustible puede ser aprovechada transformándose en trabajo mecánico. Por último hay que eliminar los gases producidos en la combustión para poder iniciar un nuevo ciclo al hacer ingresar aire nuevamente. DETALLE DEL FUNCIONAMIENTO Se considerará para su estudio al motor más sencillo como al formado por un recinto cilíndrico, con un fondo móvil llamado pistón montado en su interior, el cual puede desplazarse con un movimiento alternativo, y está conectado a una pieza denominada biela, ésta a su vez va tomada a un árbol acodado llamado cigüeñal. La parte superior del cilindro se encuentra cerrada por una pieza denominada tapa de cilindro. En la parte superior del cilindro se encuentra el lugar donde se produce la ignición, se llama cámara de combustión. A esta llegan dos canalizaciones que permiten la entrada y salida de gases. La apertura y cierre de estas galerías están reguladas por las denominadas válvulas de admisión (para el aire que entra) y escape (para los gases producidos en la combustión que salen) El inyector permite que el combustible penetre en el momento adecuado, en pequeñas porciones y finamente pulverizado

2 Esta es una descripción elemental de los llamados motores de cuatro tiempos, ya que en su funcionamiento se distinguen las cuatro fases que se ilustran en la siguiente figura y se describen a continuación: CICLO TEÓRICO Primer tiempo: Admisión, el pistón se desplaza desde el punto más alejado del cigüeñal (punto muerto superior, PMS ) al punto más cercano a este (punto muerto inferior, PMI ). La válvula de admisión está abierta, entra aire debido a la succión que produce el pistón al desplazarse y el cigüeñal gira 180 grados describiendo la primera media vuelta del ciclo. Segundo tiempo: Compresión, la válvula de admisión se cierra y el pistón se mueve del PMI al PMS. Como el aire no puede salir por estar cerrado el recinto, se comprime a presiones entre 25 y 50 Kg/cm2 y la temperatura llega a 500 á 750ºC cuando el pistón llega al PMS. El cigüeñal completa la segunda media vuelta del ciclo. Tercer tiempo: Trabajo o expansión, al finalizar la compresión, el inyector introduce una pequeña cantidad de combustible finamente pulverizado, que en contacto con el aire a alta temperatura, se inflama realizándose la combustión. La temperatura en el interior puede alcanzar más de 1500ºC y presiones de 50 á 75 Kg/cm2. Esta presión es la que impulsa con fuerza el pistón hacia el PMI y se realiza el trabajo recorriendo el cigüeñal la tercera media vuelta. Cuarto tiempo: Escape, el cilindro se encuentra lleno de gases quemados que hay que expulsar al exterior. Se abre la válvula de escape, el pistón se desplaza del PMI al PMS; el cigüeñal da la última media vuelta y el cilindro queda limpio y listo para iniciar un nuevo ciclo. Como se ve, fueron necesarias cuatro medias vueltas o lo que es lo mismo: dos vueltas enteras para completar los cuatro tiempos. El tercer tiempo, es el único que produce trabajo, en los otros tres tiempos, el cigüeñal se mueve impulsado por la energía cinética acumulada en el volante (que es una pieza circular y pesada, que absorbe energía en el tiempo de trabajo y la distribuye en los restantes) CICLO REAL

3 El funcionamiento del motor se explicó en forma muy simplificada. En realidad la válvula de escape comienza a abrirse antes que el pistón llegue al PMI, esto permite que la presión residual existente se reduzca y facilite la salida del resto de los gases de escape. La válvula de escape termina de cerrarse pasado el PMS para lograr una evacuación más completa del escape. La válvula de admisión comienza a abrirse antes de PMS para que esté bien abierta en la carrera de admisión. La válvula de admisión termina de cerrarse pasado el PMI para lograr un mejor llenado del cilindro aprovechando la inercia de los gases en el conducto de admisión. La inyección comienza antes de PMS para maximizar el aprovechamiento de la presión en la carrera de trabajo y el momento de inicio de la inyección se adelanta al PMS conforme aumenta la velocidad de giro del motor. (A esto se le llama avance de la inyección) El momento en que se producen estas operaciones varía según el motor, el fabricante, el modelo, la velocidad de funcionamiento, etc. Nota: b) En los motores de varios cilindros, todos los pistones realizan el trabajo sobre el mismo cigüeñal pero en distintos muñones del mismo. DATOS CARACTERISTICOS DE UN MOTOR La mayoría de los motores diesel son similares en lo que se acaba de exponer, y se diferencian en cuatro características básicas: Cilindrada, relación de compresión, velocidad de giro y tipo de admisión. Cilindrada: Es el volumen desplazado por cada émbolo del motor en una carrera, multiplicado por el número de cilindros. Puede expresarse en litros, cm3, CI (cubic inch). La equivalencia es la siguiente: Multiplicar / para Litros Cm 3 Cubic Inch Litros Cm Cubic Inch A mayor cilindrada, mayor potencia. Relación de compresión: indica cuantas veces se comprime el aire en la cámara de combustión. Rc= (V+v) / v donde Rc= relación de compresión V= cilindrada de un cilindro v= volumen de la cámara de combustión. Valores habituales de Rc para motores Diesel desde 14:1 hasta 22:1 y para motores Otto 5,5:1 hasta 10.5:1 A mayor relación de compresión, mayor potencia. Velocidad de giro: generalmente se expresa como la cantidad de vueltas ( revoluciones ) que da el cigüeñal en un minuto: RPM A mayor número de RPM, mayor potencia.

4 Tipo de admisión: El aire que llena los cilindros puede penetrar por succión a presión atmosférica (motores atmosféricos) o puede ser previamente comprimido (motores de admisión forzada) llamándose sobrealimentados, los más comunes: turboalimentados. A mayor presión de admisión, mayor potencia. MOTORES OTTO DE CUATRO TIEMPOS Los motores Otto guardan muchas semejanzas con los diesel, pero difieren fundamentalmente en dos aspectos: el combustible que utilizan y la necesidad de la presencia de una fuente de calor adicional (chispa) para lograr el encendido. Combustible: los de mayor difusión son las naftas, alcohol y GNC, estos deberán ser mezclados con aire antes o durante el tiempo de admisión. Esta mezcla podrá lograrse por distintos medios: Carburador: Es un mecanismo que tiene dos funciones 1) Dosificar las proporciones apropiadas de nafta y aire para lograr una buena combustión, el combustible se divide en finas gotitas y comienza su vaporización en el conducto de admisión. 2) Proporcionar la cantidad de mezcla requerida en cada oportunidad, según la aceleración y potencia solicitada al motor. Existen varios tipos de carburadores: ascendentes (ya en desuso), descendentes, horizontales de cortina, simples, de dos bocas, etc. El comúnmente llamado regulador en el equipo de GNC, trabaja en concordancia con la mariposa del acelerador del carburador, y en conjunto con éste hacen el trabajo de un carburador completo. Sistema de inyección; La inyección de combustible en motores Otto es un desarrollo relativamente nuevo y reemplaza al carburador como pieza del motor pero su función es la misma. El sistema inyecta el combustible pulverizándolo en el múltiple de admisión Encendido: La ignición de la mezcla se inicia por la alta temperatura (Chispa) que se genera entre los electrodos de una pieza llamada bujía y que se produce como consecuencia de una alta diferencia de potencial entre dichos electrodos. Esta diferencia de potencial (del orden de los á voltios) es proporcionada por un distribuidor y un elevador de tensión (bobina) el que es alimentado por el acumulador. En los motores sencillos, la corriente eléctrica es generada por el magneto.

5 Los cuatro tiempos: 1 Admisión: Se abre la válvula de admisión, el pistón se desplaza del PMS al PMI y el cilindro se llena con la cantidad de mezcla de aire y combustible que provea el sistema de carburación. El cigüeñal da la primera media vuelta. 2 Compresión: Se mantienen cerradas las válvulas de admisión y escape mientras el pistón se mueve del PMI al PMS, aumentando la presión de la mezcla. Sobre el final de la carrera se produce la chispa. El cigüeñal da la segunda media vuelta. 3 Expansión o trabajo: La mezcla encendida por la chispa entra en rápida combustión, aumenta la temperatura y por ende la presión. Esta presión empuja el pistón del PMS al PMI produciendo trabajo. El cigüeñal da la tercera media vuelta. 4 Escape: Se abre la válvula de escape, el pistón se desplaza del PMI al PMS expulsando los gases de escape y dejando el recinto del cilindro listo para iniciar un nuevo ciclo. El cigüeñal da la cuarta media vuelta. Nota: Esta es la forma simplificada de la descripción del funcionamiento. En el ciclo real, en forma análoga al motor diesel y por las mismas razones, existe un avance en la apertura de las válvulas de admisión y escape y un retraso en el cierre de las mismas. Por su parte, la chispa se produce antes de alcanzar el pistón el PMS (avance del encendido) El avance es mayor cuanto mayor sea la velocidad de giro del motor (mayor Nº de RPM) MOTORES OTTO DE DOS TIEMPOS Se puede lograr tener los cuatro tiempos necesarios para el funcionamiento del motor en una sola vuelta de cigüeñal, para esto es necesario hacer intervenir el cárter y la cara inferior del pistón (para los tiempos de admisión y pre compresión) o bien lograr esta pre compresión a través de un compresor externo. Estos motores tienen menor eficiencia que los de cuatro tiempos, pero tienen amplia difusión en máquinas motrices manuales para agricultura, debido a su conveniente relación peso-potencia. Descripción del funcionamiento: En estos motores no existen válvulas para admisión y escape; en su lugar hay tres tipos de perforaciones en las paredes de los cilindros que sirven para producir: 1) La salida de los gases de escape 2) la admisión hacia el cárter de la mezcla procedente del carburador 3) El pasaje desde el cárter a la parte alta del cilindro de la mezcla precomprimida en el cárter. El cárter de estos motores debe ser cerrado para lograr la pre compresión de la mezcla.

6 Primer tiempo: El pistón se desplaza del PMI al PMS, el cigüeñal da la primera media vuelta. Parte inferior del pistón: Al promediar la carrera, el pistón deja descubierta la lumbrera de admisión al cárter, se produce una depresión y como consecuencia de ésta el cárter se llena con la cantidad de mezcla que provea el carburador (admisión) Parte superior del pistón: Se comprime la mezcla proveniente del cárter en el ciclo anterior (compresión) y antes de llegar al PMS se produce la chispa. Segundo tiempo: El pistón se desplaza del PMS al PMI, el cigüeñal completa la segunda media vuelta. Parte inferior del pistón: Se produce la pre compresión de la mezcla, esta finaliza poco antes de llegar el pistón al PMI, momento en que queda descubierta la lumbrera de transferencia o transfer, y la mezcla precomprimida pasa a la parte alta. Parte superior del pistón: Por efecto de la combustión aumenta la temperatura y consecuentemente la presión, como consecuencia el pistón es impulsado al PMI produciendo trabajo (expansión o trabajo) Poco antes de llegar al PMI deja descubierta la lumbrera de escape y los gases son expulsados al exterior (escape) el barrido de los gases es ayudado por la entrada de la mezcla nueva proveniente del cárter.

7 Par motor RPM MOTORES DIESEL DE DOS TIEMPOS Su difusión en los equipos agrícolas es baja por lo que no se los estudia en detalle. Los cuatro tiempos se cumplen en una sola vuelta de cigüeñal, cuentan con válvulas de escape y lumbreras de admisión. El aire de admisión se precomprime con la ayuda de un compresor externo popularmente conocido como bomba de barrido RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO El par motor (torque, momento o cupla) que desarrolla un motor con su máxima alimentación de combustible no es constante sino que varía con la velocidad de giro. El motor girando a velocidad media generalmente desarrolla su par motor máximo. Cuando el motor gira a velocidades mayores, el par motor disminuye a medida que aumenta la velocidad. Este fenómeno se debe a que a mayores rpm, los tiempos para el vaciado de gases de escape y el llenado con aire para combustión se acortan, por lo tanto a igualdad de volumen la masa de aire que ingresa a los cilindros es menor, la combustión es menos completa por haber menor disponibilidad de oxígeno, en consecuencia la presión en la cámara de combustión es menor, finalmente la fuerza sobre la cabeza del pistón es menor y el par motor disminuye. Por el contrario, cuando el motor gira a bajas velocidades, si bien el llenado de los cilindros es muy bueno, se tiene que: a) La compresión es menos adiabática cediéndose una mayor cantidad de calor al cuerpo del motor. b) La carrera de trabajo tiene mayor duración, cediéndose calor al motor; disminuyendo la temperatura y consecuentemente disminuyendo la presión y la fuerza sobre la cabeza del pistón, por último el par motor es menor. A esto se suman pequeñas fugas de compresión y a velocidades muy bajas hay cierto retroceso de aire en la admisión. Balance energético Comparación entre motores Diesel y Otto Considerando el 100% de la energía del combustible, ésta se distribuye aproximadamente como se indica en el siguiente cuadro: Otto Diesel Refrigeración 32 38% 28 34% Gases de escape 28 34% 24 30% Radiación 6 7% 6 7% Accionamientos secundarios 2 3% 2 3% Rendimiento térmico 20 32% 30 40%

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