Motores térmicos de ciclo diesel de cuatro...

Mecánica y Maquinaria Agrícola

Departamento de Agronomía. U.N.S

Motores térmicos de ciclo diesel de cuatro tiempos

1_ Introducción:

En este tipo de motores durante la admisión entra en el cilindro solamente aire, en la carrera de compresión el aire eleva su temperatura hasta valores superiores al punto de inflamación del combustible. Un poco antes de que el pistón alcance el punto muerto superior (durante el tiempo de compresión) el combustible se inyecta en el cilindro y se quema en forma espontánea.

2_ Partes constitutivas:



3_ Ciclo diesel de 4 tiempos:

1.- Admisión: La válvula de admisión se abre instantáneamente en el PMS (Punto muerto superior) y mientras el pistón desciende hacia el PMI (Punto muerto inferior) aspira aire desde el exterior de manera que durante la admisión se supone que el cilindro se llena totalmente de aire. Se considera entonces que la presión se mantiene constante e igual a la presión atmosférica (figura 3 I).

2.- Compresión: Una vez que el pistón llega al PMI se cierra la válvula de admisión y comienza nuevamente el ascenso del pistón. Durante esta carrera el aire es comprimido hasta ocupar el volumen correspondiente a la cámara de combustión. La temperatura alcanzada al finalizar la compresión supera los 600 ºC debido a que el volumen del aire que entra se reduce significativamente, alcanzándose la temperatura necesaria para producir la autoinflamación del combustible sin necesidad de chispa eléctrica. El aire se comprime desde un volumen b, que incluye la cilindrada más la cámara de combustión, hasta c, que sólo expresa la cámara de combustión (figura 3 II).

3.- Trabajo o expansión: La inyección de combustible se produce cuando el pistón está por alcanzar el PMS. Éste se inyecta pulverizado, facilitando su cambio de estado para la ignición. Durante la combustión, la presión generada dentro del cilindro impulsa el pistón hacia el PMI generando la fuerza necesaria para producir trabajo (figura 3 III).

4.- Escape: En el PMI se abre instantáneamente la válvula de escape y los gases son expulsados al exterior por el pistón durante su recorrido hasta el PMS. Al llegar a él se supone que de forma instantánea se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión para iniciar un nuevo ciclo.



Figura 3.

4_ Puesta a punto: Consiste en ubicar el momento óptimo la inyección y la apertura y cierre de válvulas de admisión y escape con el objetivo de aumentar la presión durante la combustión. En las figuras 3 y 4 puede observarse que en el ciclo útil la expansión es adiabática (presión constante), en el ciclo real ésto no se cumple y se genera una caída de presión (figura 4, ciclo real sin puesta a punto). Con la puesta a punto se busca incrementar la presión, de tal forma la superficie útil A se incrementa (trabajo útil) y disminuye la superficie B, siendo ésta el gasto de energía para sacar el gas de escape e introducir el gas de admisión.

Figura 4. Diagrama presión volumen del ciclo diesel de cuatro tiempos.



Rendimiento térmico: La segunda ley de la termodinámica expresa que ninguna máquina térmica es capaz de convertir en trabajo mecánico todo el calor aportado. Por ello, sólo una parte de la energía química aportada por el combustible es transformada en trabajo y esta proporción representa el rendimiento térmico del motor.

t = (Q1 - Q2) / Q1 40% Q1 = Calor desarrollado a presión constante Q2 = Calor perdido en la descarga

t = Rendimiento térmico

Rendimiento volumétrico:

v = (masa real aspirada/masa teórica) 97%

5_ Datos característicos del motor:

5.1 Cilindrada: Es el nombre que se le da al volumen desplazado por el pistón. Para obtener la cilindrada de un motor de varios cilindros, se multiplica la cilindrada de un cilindro por el número de cilindros. Entonces:

Cilindrada (C) = * l * (D/2)2 l = Carrera del pistón D = Diámetro del cilindro Ejemplo: Calcule la cilindrada de un motor de 3 cilindros, con un diámetro de cilindro de 91,94 mm y 127 mm de carrera.

Cilindrada (C) = * l * (D/2)2 = 3.1416 * 127 * (91,94/2)2 = 843145 mm3 = 843 cm3

Cilindrada del motor (Cm) = ( * l * (D/2)2 ) Nº cilindros = 843 cm3 * 3 = 2502 cm3

Figura 5. Representación gráfica de las cotas de un motor.

5.2 Relación de compresión:

Se define como la relación entre el volumen inicial, es decir, el volumen de compresión más la cilindrada, y el volumen final o volumen de la cámara de compresión. Relación de compresión (R) = (C + Vc)/ Vc= C = Cilindrada

Vic = Volumen de la cámara de compresión



Ejemplo: Si tememos un motor de 4 pistones con una cilindrada de motor de 3 litros, y una cámara de combustión de 50 cm3. ¿Cuál será la relación de compresión? Cilindrada del motor=3000cm3 Cilindrada de cada pistón= 3000 cm3/4=750 cm3 Relación de compresión= (750cm3+50cm3)/50cm3=16/1

6_ Sistemas complementarios de los motores diésel:

Sistema de válvulas:

Figura 6

Sincronización de las válvulas: En la figura 6 se ilustra un diagrama de distribución, con la apertura y cierre de las válvulas.

Hay que destacar los siguientes puntos: - La válvula de admisión debe abrirse antes del P.M.S., es decir, antes de que el pistón empiece a descender en el tiempo de admisión. - La válvula de admisión permanece abierta después del P.M.I. (en plena fase de compresión), para aprovechar la velocidad de los gases entrantes, lo cual ayuda a introducir una cantidad adicional de la mezcla de aire y combustible en el cilindro.



- La válvula de escape debe abrirse antes de que termine el tiempo de explosión para liberar la presión de los gases en expansión que están en el cilindro antes de que el pistón suba en el tiempo de escape. - La leva mantiene abierta la válvula de escape pasado el P.M.S. En regímenes elevados, la inercia del gas que sale del cilindro crea un vacío tras de sí, absorbiendo más aire fresco (incremento de la eficiencia volumétrica) y garantizando la eliminación total de los gases quemados, lo que aumenta la potencia del motor.



7_ Sistema de enfriamiento:

La transferencia de exceso de calor de los cilindros hacia el exterior se realiza directamente o por medio de agua; el primer sistema se llama refrigeración por aire o convección, el último refrigeración por agua. En forma general, la energía calórica que se genera por la combustión se distribuye de la siguiente forma:

Aproximadamente un 33% se transforma en energía mecánica, que será utilizable. 30% debe ser extraída del motor por medio del sistema de enfriamiento. 30% sale a la atmósfera por medio del sistema de escape. Un 7% irradia a la atmosfera a partir de las superficies del motor.

Refrigeración por aire: ésta se consigue exponiendo las partes más calientes del motor (cilindros) a la corriente de aire que se produce mediante una turbina, al irse renovando el aire rápidamente, éste absorbe el calor de las superficies y es expulsado al exterior. El calor producido en el motor se evacúa directamente al aire, por este motivo el motor se construye de una aleación con buen coeficiente de conductividad térmica, y se le aumenta la superficie de contacto con el aire dotándole de una serie de aletas. El intercambio de calor entre los cilindros y el aire será mayor cuanto más delgadas sean las paredes de las aletas, debiéndose mantener el espacio entre las aletas perfectamente limpio, en caso contrario el motor puede sufrir un exceso de calentamiento.



Refrigeración por líquido: Es el sistema generalizado que utilizan los motores agrícolas actuales. En este sistema los cilindros y el block están diseñados para que entre ellos circule el líquido refrigerante en su interior. Este líquido, que se calienta al contacto con las paredes durante su trayecto dentro del motor, es a continuación dirigido hacia el radiador, donde es enfriado por medio de una corriente de aire para después volver al motor.

Sistema de lubricación: La función del sistema de lubricación es evitar el desgaste de las piezas del motor, creando una película de lubricante entre las piezas en movimiento.

Tipos de lubricación:

Lubricación por salpicadura: Se da cuando el eje cigüeñal y la biela giran, pasando por el carter salpicando aceite, para lubricar la parte baja de los cilindros y otras partes cercanas.

Lubricación a presión: Dada por la bomba de aceite, que es la encargada de llevar lubricante a presión a todas las partes móviles del motor, como puede ser el cigüeñal, árbol de leva, balancines, etc.

Lubricación por gravedad: Luego de llegar el lubricante por presión y salpicadura a las partes altas del motor, este regresa hacia el carter, lubricando las partes que encuentra en su recorrido, como pueden ser los botadores, los engranajes de distribución, etc.



Sistema de admisión de aire:

Filtrado del aire: Las condiciones extremas de polvo y suciedad donde los tractores trabajan, tornan los elementos responsables del filtrado de aire en un factor decisivo para la vida del motor. Las impurezas abrasivas presentes en la atmósfera de trabajo pueden ingresar al motor y acelerar su desgaste. El sistema de filtrado puede incluir todos o algunos de los siguientes elementos:

Prefiltro: Tiene la función de eliminar partículas relativamente grandes de polvo y residuos vegetales. Las impurezas son separadas por fuerza centrífuga y decantan por gravedad en un depósito evitando pasar al filtro de aire, de esta forma se incrementa la vida del filtro de aire y del motor.

Filtro de aire: La cantidad de aire que un motor consume es elevada, debe de estar libre de partículas duras o polvo para que no sufran los cilindros un desgaste prematuro. Todo el aire de entrada debe pasar a través de elemento filtrante antes de llegar al motor. El filtro de aire elimina las partículas muy finas que hay en el aire del ambiente. El elemento filtrante puede ser de tipo seco o húmedo, siendo el de tipo seco el usado actualmente en los motores agrícolas modernos, por su mayor eficiencia de filtrado.

A Carcaza, B sensor de vacío, C pinzas, D tapa. Fuente J. Deere.

A filtro primario. Fuente J. Deere

A filtro secundario. Fuente J. Deere

Múltiple de admisión: Es el encargado de distribuir el aire a cada uno de los cilindros del motor. Están fabricados de acero fundido, aluminio o de plástico, tendiendo a este último en el caso de los motores aspirados, por tener menos rozamiento del aire con la pared del mismo. Los múltiples no deben tener curvas cerradas ni obstáculos para el libre fluido del aire, para no afectar la eficiencia volumétrica.

Válvula de admisión: Es la encargada de suministrar la cantidad adecuada de aire, en el momento adecuado a cada cilindro.

Turbo cargador: Es una bomba de aire, diseñada para empujar aire adicional en el motor. Proporciona aire presurizado al sistema de admisión a fin de aumentar la eficiencia volumétrica. Un motor turboalimentado puede incrementar la potencia y el par motor de un diesel de un 35 a 40%.



Intercooler: Es un dispositivo de refrigeración o enfriamiento del aire de admisión del motor. Se utiliza para reducir la alta temperatura del aire cuando sale del turbo, incrementando así la densidad del aire de admisión. Cuanto más denso es el aire, mayor es la cantidad de combustible que puede ser quemada, y mayor será la producción de potencia y de par motor. Se utiliza en motores que poseen turbo alimentador.



Circuito de combustible: Las principales partes de este sistema de alimentación de combustible son:

tanque de combustible. bomba de transferencia. filtros de combustible. bomba de inyección. inyectores.

Tanque de combustible: La forma y tamaño dependerán de los requerimientos de funcionamiento del tractor. Entre los criterios más importantes se considera: almacenar la mayor cantidad de combustible posible y el espacio disponible para alojarlo. Los materiales con que son construidos pueden ser chapa galvanizada o plástico, siendo este último el utilizado en los tractores modernos, por facilidad de construcción debido a la complejidad de las formas.

Bomba de transferencia: Normalmente es accionada por el árbol de levas del motor o por la bomba de inyección, su función es aspirar el combustible del tanque y enviarlo a través de los filtros hasta la bomba de inyección.

Filtros: En un sistema típico se instala un filtro a la salida del tanque antes de la bomba de transferencia, donde suele intercalarse una trampa de agua, y dos filtros en serie, para realizar un filtrado progresivo, entre la bomba de transferencia y la bomba inyectora. El filtro primario retiene las partículas más gruesas, mientras que los secundarios se encargan de retener las más finas.

Bomba inyectora: La bomba inyectora es el elemento encargado de alimentar de combustible a un motor diesel. La bomba utiliza inyectores a través de los cuales introduce combustible a alta presión en el interior de la cámara de combustión, de este modo el combustible se pulveriza y alcanza la temperatura ideal para la autoinflamación. Los sistemas de bombas de inyección diesel se dividen en tres grupos: - Bombas de inyección en línea - Bombas de inyección rotativas - Sistema de inyección de acumulador (common rail)



Bombas de inyección lineal: Las bombas de inyección están formadas por un elemento de bombeo con un cilindro y un émbolo por cada cilindro del motor. El émbolo se mueve en la dirección de suministro por el árbol de levas accionado por el motor. Los elementos que forman la bomba están dispuestos en línea. Para poder variar el caudal de suministro, el émbolo dispone de aristas de mando inclinadas, de manera que al girar el émbolo mediante una varilla de regulación resulte la carrera útil deseada.

Bombas de inyección rotativa: El funcionamiento de esta bomba consiste en una bomba de aletas que aspira el combustible del depósito y lo introduce en el interior de la cámara de bomba. El émbolo realiza tantas carreras como cilindros del motor ha de abastecer. La bomba rotativa convencional dispone de una corredera de regulación que determina la carrera útil y dosifica el caudal de inyección.

Sistema de inyección de acumulador (common rail): La generación de presión y la inyección se generan por separado en el sistema de acumulación. El caudal y el momento de inyección se calculan dentro de la ECU (unidad de control electrónica) y se realiza a través del inyector a cada cilindro del motor.



Problemas: 1) Un motor de 6 cilindros trabaja a 1850 rpm, si su eficiencia volumétrica es 0,85 y su relación de compresión es de 18,8:1, calcule la masa de oxígeno ingresada a los cilindros en una hora de trabajo. Tenga en cuenta que el diámetro de los cilindros son de 0,12 m y en un volumen determinado de aire generalmente el 21 % es oxígeno (considere la cámara de compresión cilíndrica y con una altura de 5 mm). 2) Un motor de cuatro cilindros cuyo régimen es de 1600 rpm, posee pistones de 100 mm de diámetro y la distancia entre el PMS y el PMI es de 100 mm. Calcule: a) La cilindrada del motor. b) Si la presión instantánea en la cabeza del pistón es de 7 kg/cm2, 90º después de pasar por el PMS. ¿Cuál será el torque que se generará sobre el cigüeñal? c) La cámara de compresión de los cilindros es de 45 cm3, ¿cuál será la relación de compresión del motor? 3) El régimen de un motor de cuatro tiempos es de 1600 rpm, si la válvula de admisión tiene 13º de avance y 42º de retraso, calcule cuánto tiempo (en segundos) se mantendrá abierta dicha válvula durante un ciclo. 4) Considerando un motor diesel de cuatro cilindros trabajando a 1850 rpm, con una eficiencia volumétrica de 81 % y una cilindrada de 3600 cm3 ¿cuántos gramos de polvo deberá retener el filtro durante una jornada de trabajo de 10 horas si la densidad de polvo en el aire es de 0,25 g/m3 y la eficiencia de filtrado es de 0,96?

5) ¿En qué tiempo se encuentra cada uno de los cilindros del motor de cuatro tiempos, si el motor es varillero?

6) Un motor diesel de cuatro cilindros está trabajando a 2000 rpm, con una eficiencia volumétrica de 90 % y una cilindrada del motor de 4130 cm3. ¿Cuántos gramos de polvo deberá retener el filtro durante una jornada de trabajo de 8 horas si la densidad de polvo en el aire es de 0,0125 g/m3 y la eficiencia de filtrado es de 0,99%?



7)

a) Complete los recuadros con los nombres correspondientes.

b) Calcule la carrera del pistón.

c) Calcule la superficie del pistón.

d) Calcule la cilindrada de un pistón. Calcule la cilindrada del motor si tiene 4 cilindros.

e) Si la cámara de compresión es de 55 cm3, ¿cuál es la relación de compresión?

f) Calcule el torque del cigüeñal si sobre la superficie del pistón tiene una presión de 7 kg/cm2.

g) Si el motor gira a 2000 rpm, ¿cuántos ciclos por minuto se produce en el motor de 4 cilindros?

h) Si en cada explosión se produce una inyección de gas oil de 0,05 cm3, ¿qué consumo de combustible

tendrá por hora?

i) ¿Qué potencia tiene el motor si presenta el torque del punto f?

j) Calcule la potencia (kW) producida por litro de combustible.

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