APUNTES DE FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÒN INTERNA

APUNTES DE FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
5º SEMESTRE
ING. SALVADOR CAUDILLO GONZÁLEZ
APENDICE
UNIDAD I
ANALISIS PARAMÈTRICO DEL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA ALTERNATIVO
UNIDAD II
ANALISIS PARAMETRICO DEL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA ROTATIVO
UNIDAD II
SISTEMA DE DOSIFICACIÒN DE COMBUSTIBLE
UNIDAD IV
COMBUSTIÒN
UNIDAD I
ANALISIS PARAMÈTRICO DEL MOTOR DE COMBUSTIÒN INTERNA ALTERNATIVO
1.1 CICLO OTTO REAL.
1.2 BALANCE TERMICO DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ALTERNATIVOS.
1.3 ANALISIS DE FUERZAS DEL SISTEMA BIELA MANIVELA.
1.4 EQUILIBRADO Y REGULARIDAD CILICA.
1.5 DETERMINACION DEL ORDEN DE ENCENDIDO.
1.6 DESPLAZAMIENTO DEL PISTÒN.
FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
PROTOCOLO
La existencia de los MOTORES DE COMBUSTIÒN INTERNA ALTERNATIVOS
(MCIA) se debe a hombres intuitivos, investigadores y a genios inventores que han
imaginado, construido, experimentado y mejorado el motor, así como a sus diferentes
dispositivos mecánicos. Posteriormente entro la investigación científica y el ingenio
empezó a influir sobre la concepción y preparación de las diferentes partes, asi como
también en su producción.
El motor de combustión interna alternativo se utiliza en: aviones, coches,barcos y
otros vehículos. En la actualidad, las compañías fabricantes de motores desarrollan
nuevas versiones de ellos, tratando de conseguir mayor rendimiento de los combustibles y
menos contaminantes de la gasolina. El desarrollo tecnológico que actualmente se vive en
las armadoras es enorme, generándose motores fantásticos, que si bien se parecen poco
al motor original de Otto, cumple con los mismos principios físicos.
Este artificio compacto, movida por las pequeñas explosiones provocadas dentro
del cilindro, permitió aplicar la fuerza motriz de vehículos menores. Realmente, se
construyeron algunas maquinas de combustión interna a principios del siglo XIX. En 1860,
el inventor francés Ètienne Lenoir construyo el primer motor practico de combustión
interna y, en 1876, el técnico alemán Nikolaus Augusto Otto diseño un motor de “cuatro
tiempos”.
CONCEPTOS FUNDAMENTALES
MOTOR.- Es una máquina que recibe energía de cierta forma y la restituye bajo otra
forma más fácilmente utilizable para el fin buscado.
FUNCIÓN.- El motor está encargado de dar la potencia necesaria para el
movimiento del vehículo. Por lo tanto los motores térmicos son máquinas que tienen por
objeto transformar la energía calorífica en energía mecánica directamente utilizable.
FLUIDO ACTIVO.- Lo entenderemos siempre, salvo aviso contrario como una
mezcla de aire y combustible.
CICLO.- Cuando una sustancia pasa a través de una serie de procesos y su
estado final es idéntico al estado inicial, se dice que dicha sustancia ha experimentado un
ciclo. El ciclo de un motor es la serie de sucesos que un motor de combustión interna lleva
a cabo mientras está operando y liberando potencia.
CÁMARA DE COMBUSTIÓN.- Espacio que queda entre la culata y el pistón,
donde entra el aire y el combustible y se desarrolla la combustión.
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
CLASIFICACIÓN: MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS (M.C.I.A)
MOTORES DE COMBUSTION
INTERNA
MOTORES POR ENCENDIDO
POR CHISPA DE GASOLINA
(motores de explosión)
MOTORES POR ENCENDIDO
POR COMPRESION
ALTERNATIVOS
(motores diesel-inyección)
Bomba de inyección e
inyectores
MOTOR ROTATIVO
WANKEL
Carburador
Inyección: directa e
indirecta
Ciclos Diesel
Ciclo de Beau Rochas
Encendido
espontaneo
Funcionamiento de 2 o 4
tiempos
La figura 1.1 muestra un motor monocilíndrico alternativo seccionado, mostrando sus
componentes
elementales
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Fig. 1.1 Constitución de un motor monocilíndrico
Una comparación del funcionamiento del motor lo muestra la figura. 1.2 así como la fuerza
del ciclista se transmite por su pierna al pedal, obligándolo a girar; de modo análogo la
fuerza F de la explosión aplicándola al émbolo, se transmite por biela al codo del cigüeñal
de este a la transmisión y pasar al diferencial para posteriormente comunicar el
movimiento a las llantas del vehículo para su desplazamiento.
Fig. 1.2 Transmisión de la fuerza de la explosión al cigüeñal
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A continuación se indican las operaciones que se realizan durante el funcionamiento del
M.C.I.A., así como las partes que intervienen en su realización, para que funcione
correctamente y proporcione la potencia requerida.
OPERACIONES
1. Preparación de la mezcla aire +
combustible
(fluido
activo)
y
transformación parcial en la mezcla
gaseosa.
2. Admisión de la mezcla en el
cilindro.
3. Compresión de la mezcla para
elevar
su
temperatura
y
homogeneidad
4. Inflamación y encendido.
5.
6.
7.
8.
9.
FUNCION ASEGURADA POR
El carburador
Las válvulas de admisión
El embolo
Chispa eléctrica producida por la ruptura de
la corriente (Magneto)
Transformación de movimiento Conjunto: embolo, biela, cigüeñal
alternativo
del
embolo
en
movimiento circular
Uniformidad del movimiento del Volante
árbol motor (cigüeñal).
Evacuación
de
los
gases La válvula de escape
quemados.
Apertura y cierre periódico de las Órganos de la distribución mandados por el
válvulas de admisión y escape.
árbol de levas y este por el eje motriz
(cigüeñal)
Engrase y refrigeración.
Sistema de aceite y por agua o aire
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS
La potencia del motor depende principalmente de los elementos siguientes:
 El calibre (D) o diámetro interior del cilindro.
 La carrera (C) o amplitud del desplazamiento del embolo.
 La cilindrada (Vu) o volumen unitario, es decir la cantidad de gases aspirados en
cada cilindro en centímetros cúbicos o en litros.
 Del régimen de giro (número de r.p.m.)
 Relación de compresión (Rc).
Cuando se trata de un motor de n cilindros, la cilindrada total es determinada por: 𝐶𝑇 =
𝑛 × 𝑉𝑢
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Dónde:
Cr= cilindrada total en cm3, pulgadas3 o litros
n= número de cilindros
Vu= volumen unitario o cilindrada unitaria.
El volumen unitario Vu, se determina por:
𝑉𝑢 = 𝜋 𝐷 2 𝐶/4
Relación de compresión: Es el grado al que la mezcla del combustible y aire de un motor
queda comprimido antes de la ignición depende de la relación del volumen de la mezcla
en el cilindro hacia arriba del pistón cuando este se encuentra en su punto muerto inferior
comparado con el volumen de la mezcla cuando el pistón se encuentra en el punto
superior, (figura 1.3)
Figura 1.3
Ejemplo 1. Determine la relación de compresión (Rc), volumen unitario (Vu) y la cilindrada
total (Cr) de un motor de 6 cilindros con las siguientes características:
(𝜋)(𝐷)2 (𝐶)=(𝜋)(75.6)2 (88.05𝑚𝑚)
D = 75.6mm
𝑉𝑢 =
= 395.24𝑐𝑚2
4
V = 40.05 𝑐𝑚3 CT = Vu =(6)(325.2417𝑐𝑚3 ) = 2371.45𝑐𝑚3
𝑉𝑢+𝑈
(325.24𝑐𝑚3 )+(40.05𝑐𝑚3 )
C = 88.05mm 𝑅𝑐 = 𝑈 =
= 10.8687
40.05𝑐𝑚3
Ejemplo 2. Calcular el volumen de la cámara de combustión (v) de un motor Golf GL y
Carabelle Combi de 4 cilindros en línea, que tiene las siguientes características:
D = 81mm = 8.1cm
𝐶𝑇 = 𝑛 × 𝑉𝑢
n=4
𝑉𝑢 =
C = 86.4mm = 8.64cm
v=?
𝐶𝑇
1780𝑐𝑚3
=
𝑛
4
𝑉𝑢+𝑈
𝑅𝑐 = 𝑈 = 8.5
𝑉𝑢
445𝑐𝑚3
𝑈 = 𝑅𝑐−1 = 8.5−1
= 445𝑐𝑚3
= 59.33𝑐𝑚3
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CONSTITUCIÓN DEL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA
El motor de 4 tiempos o de ciclo Otto es el motor clásico de uso en aviones ligeros
y en el automóvil se compone de los siguientes elementos:
ORGANOS FIJOS:




Culata
Bloque de cilindros
Cárter
Múltiples o colectores de admisión y escape
ORGANOS MOVILES:




Embolo
Biela
Cigüeñal
Volante
ORGANOS ANEXOS:







Carburador
Sistema de alimentación
Múltiple de admisión y escape
Sistema de encendido (distribuidor, bujías, bobinas)
Sistema de engrase (bomba de aceite, filtro, colador)
Sistema de refrigeración (radiador, ventilador, bomba de agua)
Sistema de distribución (válvulas, resorte, balancín, árbol de levas)
CICLO OTTO O BEAU DE ROCHES se compone de 4 procesos:
o
o
o
o
1er tiempo – admisión
2do tiempo – compresión
3er tiempo – combustión – expansión
4to tiempo – escape
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
A continuación se explica, cada uno de los 4 tiempos del ciclo OTTO, al cual también se le
llama MOTOR DE ENCENDIDO POR CHISPA (ECH) O motor de EXPLOSIÓN (Término
mal aplicado). Con su correspondiente diagrama p-v (presión – volumen), para cada
tiempo. Dicha explicación es desde el punto de vista teórico.
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ESTUDIO DEL CICLO 4 TIEMPOS Y SU REPRESENTACIÓN GRÁFICA
PRIMER TIEMPO: ADMISION
Fig. 1.4 TIEMPO DE ADMISIÓN .- El pistón va descendiendo, la válvula de admisión esta
abierta, y la mezcla combustible es aspirada dentro del cilindro. La válvula de escape esta
cerrada. El pistón llega al punto muerto inferior (pmi). La válvula de admisión permanece
abierta y la mezcla de continua entrando al cilindro, llevada por la misma velocidad con
que fue aspirada.
Su representación gráfica en el diagrama P-V (presión-volumen) se muestra en la figura
1.6. Suponemos que el equilibrio de las presiones se establece inmediatamente (motor
lento). En este caso la representación gráfica obtenida es una recta horizontal paralela al
eje de las abscisas y longitud igual a la carrera del émbolo, recta a-b.
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SEGUNDO TIEMPO COMRESION
Fig. 1.7
Tiempo de COMPRESIÓN Las dos válvulas están cerradas y el pistón va
subiendo. La mezcla que quedo encerrada dentro del cilindro esta siendo comprimida por
el pistón.
El pistón llega al punto muerto superior (pms). La mezcla combustible ha quedado
comprimida en alto grado. Ocurre una chispa eléctrica en la bujía y se inflama la mezcla
de gasolina y aire.
Su representación gráfica se ve en la figura 1.9. Se obtiene la curva b-c la cual nos indica
el aumento de la presión, por ejemplo de 1 a 7 kg/cm2.
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TERCER TIEMPO: COMBUSTIÓN – EXPANSION
Tiempo de FUERZA.- El pistón es lanzado hacia abajo por la presión desarrollada
al quemarse el combustible. Las dos válvulas continúan cerradas. EL pistón transmite el
esfuerzo cigüeñal.
Tiempo de ESCAPE.- La válvula de escape abre antes de que el pistón haya llegado al
punto de muerto inferior y los gases quemados que hay dentro del cilindro salen afuera.
Su representación gráfica es la figura 1.12. El aumento de la presión es representado por
la vertical c-d. La curva d-e nos indica el desplazamiento del émbolo del pms al pmi y nos
representa la expansión de los gases cuya presión baja por ejemplo hasta los 4kg/cm2
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CUARTO TIEMPO: ESCAPE
Tiempo de escape el piston va subiendo, todavía en el tiempo de escape, forzando
hacia afuera los gases quemados, que son el producto de la combustión. La valvula de
admisión continua cerrada
El piston llega al punto muerto superior. La valvula de escape esta acabando de cerrar y
al mismo tiempo la valvula de admisión esta principiando a abrir. Principia un nuevo ciclo.
Se ha realizado otra vuelta del cigüeñal. (180°)
El ciclo ha terminado y se ha realizado en 720° o sea , 2 vueltas completas del cigüeñal.
Su representación gráfica es la figura 1.15. La línea vertical e-b, nos representa al escape
de los gases bajo la fuerza expansiva cuando el embolo se encuentra en el pmi y la
horizontal b-a representa el barrido de los gases quemados.
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DIAGRAMA TEÓRICO.- El diagrama teórico P-V, nos representa los cuatro tiempos de
que se compone el ciclo teórico. Las hipótesis que se han formulado para trazarlo son:





Inercia de los gases supuestamente nula
Apertura y cierre de las válvulas instataneamente
Equilibro instantáneo de las presiones entre la atmosfera y el cilindro
Combustión instantánea del combustible
De una comprensión y expansión consideradas como adiabáticas, (sin intercambio
de calor).
DIAGRÁMA PRÁCTICO P-V
El diagrama práctico P-V, se obtiene por medio de un indicador de Watt, dicho diagrama
nos mostrará que existen diferencias entre ambos diagramas.
En realidad las hipótesis cambian a:
En el primer tiempo, la presión es menor a la presión atmosférica
En el segundo tiempo, la presión final es inferior a la presión teórica, porque el volumen
aspirado ha sido menor que le teórico ( debido a la inercia de los gases ademas existe un
intercambio de calor en el cilindro).
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En el tercer tiempo. La combustión no es instantánea; y el desplazamiento del
émbolo está en función de los gases y la presión máxima es inferior a la presión teórica y
se alcanza cuando el embolo ha recorrido parte de su carrera al pmi. Además existe un
intercambio de calorías con el cilindro.
En el cuarto tiempo. El equilibrio de las presiones no se hace instantáneamente y
la presión en el cilindro es la presión a la atmosférica.
Comparando ambos diagramas teórico y práctico, vemos que el área que representa al
trabajo (W) es inferior en el diagrama práctico.
DIAGRAMA REAL PARA LOGRAR EL REGLAJE DE LA DISTRIBUCIÓN
Como se ha explicado anteriormente, para un motor que nos proporcione la potencia que
teóricamente se determinó, es necesario realizar algunas modificaciones en su
funcionamiento.
Para ello se modifican la apertura y cierre de vávulas tanto de la misión como de escape,
asi como de adelantar el momento de lo encendido, a este conjunto de modificaciones se
llama REGLAJE de la distribución y del encendido, cuya finalidad es mejorar el
funcionamiento del motor y aumentar su trabajo efectivo. Las modificaciones son:
PRIMER TIEMPO: ADMISIÓN.
a) AAA = Adelanto a la apertura de admisión
AAA= 5° a 15°
Este adelanto toma en cuenta el tiempo necesario, el levantamiento de la
válvula y si apertura es total cuando la depresión se hace sentir.
b) RCA = Retraso al Cierre de la válvula de Admisión.
RCA= 30° a 40°
Cuando el émbolo está en el pmi, la depresión en el cilindro se hace sentir todavía y los
gases han adquirido una gran velocidad en el múltiple de admisión. El retraso es con la
finalidad de permitir que los gases con su engería sinética se compriman en el cilindro
SEGUNDO TIEMPO:
COMPRESION.- Debido a los adelantos y retrasos
obtenemos un mejor llenado del cilindro, por la cual la curva de compresión se acerca a la
teorica. Las dos válvulas se encuentran cerradas.
TERCER TIEMPO: COMBUSTION-EXPANSION
AE = Adelanto al Encendido
AE=5° a 10°
En este tiempo es necesario un adelanto al encendido, sobretodo por el tiempo necesario
para la combustión(para un motor de régimen 3000 rpm una combustión es del orden de 1
entre 3000seg. Y corresponde a algún angulo del cigüeñal de 60 °).Si provocamos el
encendido antes de que el embolo llegue a su pms , la presión máxima tendrá lugar mas
cerca del pms con esto nos acercamos mas al diagrama teorico.
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CUARTO TIEMPO: ESCAPE.- El escape nunca es completo porque los gases
quemados contenidos en el espacio muerto no pueden ser eliminados totalmente. Se trata
de que los gases tengan la menor presión posible al final del escape.
A) AAE = Adelanto de apertura de escape
AAE = 35 ° a 45°
Este adelanto permite que la valvula de escape , de la salida de los gases quemados aun
con bastante presión antes de que le embolo llegue a su pmi. La presión en el cilindro es
muy baja cuando el embolo empieza a subir. La contrapresión de escape, debido al
adelanto de la apertura, es pequeña.
B) RCE = Retraso al cierre de la valvula de escape.
RCE = 8° a 15°
No existe ningún inconveniente si la valvula de admisión también esta abierta, el embolo
no ha trabajado notablemente hacia el pmi y la velocidad de los gases quemados es
suficiente para que estos continúen al salir por simple inercia. Las anteriores
modificaciones de la distribución y del encendido siempre estará indicado por el
constructor con un diseño de la distribución que da un valos angular e indicativos lineales
de la carrera del embolo correspondiente a los adelantos y retrasos de las válvulas.
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DIAGRAMA CIRCULAR DE LA DISTRIBUCION
Las modificaciones a la distribución, asi como el adelanto al encendido se pueden
presentar por medio de un diagrama circular de la distribución, la cual es individual para
cada tipo de motor, como ya se indico. La figura 1.20 nos da el ejemplo de un diagrama
circular de la distribución con diferentes reglajes en la misma.
FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE UN CILINDRO
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ELEMENTOS DEL MOTOR.- La figura 1.21presenta la sección transversal de un
motor de SH, ciclo de cuatro tiempos con válvulas en la cabeza.La figura 1.22 nos
muestra los elementos de que esta constituido el MCIA , órganos fijos, movilesy sistemas
auxiliares.
ELEMENTOS FIJOS DEL MOTOR .- Para facilitiar la fabricación y maquinado de
un motor, el armazón o conjunto de órganos fijos , consta de cuatro piezas principales, las
cuales son :
1.- Carter superior
2.- Culata
3.- Bloque de cilindros
4.- Carter inferior
5.- Colectores de admisión y de escape
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A continuación se presentan diferentes bloques de cilindros, con diferente numero de
cilindros y diferentes posiciones de ellos.
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DISPOSICION DE LOS EJES DE LOS CILINDROS.- Un motor multicilindro se
caracteriza por el método adoptado para agrupar los cilindros con el fin de obtener su
armazón de forma simple y de pequeña dimensión. A continuacion se presentan las
posiciones mas comunes de los cilindros,asi como el diagrama de las carreras de ellos:
1.-Motor de cuatro cilindros en línea, figura 1.24 .- los ejes de los cilindros son verticales y
situados
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ELEMENTOS MOVILES
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Embolo
Biela
Cigüeñal
Volante
Peso reducido
Gran conductividad del calor
Engrase suficiente en su pared exterior
2,. BIELA Es el órgano intermedio que transmite a la manivela del cigüeñal una
parte de la fuerza motriz que recibe el embolo. Une al pistón con la correspondiente
marivela del cigüeñal. La viela debe combinar una gran resistencia y rigidez con un
peso ligero. Debe ser lo bastante resistente para mantenerse líquida cuando transmite
el empuje del émbolo durante la carrera motriz o de trabajo. Al mismo tiempo, debe
ser ligera como sea posible, de forma que las fuerzas centrífugas y de inercia que
transmite a los cojientes no sea mayores a lo estricamente necesario.
Por lo general, las vielas se realizan en acero templado medianto forja, aunque hay
motores de competición con vielas de titanio, ya se está experimentando con fibra de
carbono.
El cuerpo de la biela es sometido a esfuerzos de compresión y de tracción por ello
debe tener una longitud mínima para evitar la flexión. Pero no debe ser muy corta,
para no tener esfuerzos laterales grandes y para no impedir la libertad de movimiento
de la biela. La cabeza de la biela, por facilidad de montaje esta dividida por un plano
diametral. La parte desmontable se llama sombrerete.
Para que el roce con la manivela del cigueñal sea más suave, se interponen medios
cojinetes o metales los cuales están recubiertos interiormente de metal antifricción
llamado metal BABBIT, es una aleación de plomo, estaño, y antimonio con pequeñas
cantidades de cobre y níquel. Estos metales tienen dos propiedades principales:
 Un bajo coeficiente de fricción de rozamiento.
 Un bajo punto de fusión (temperatura de 400°C)
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Ejemplo de la fuerza que los gases producen cuando se realiza la combustión.
Ejemplo cosideramos el caso de un émbolo de 80mm de diámetro y de una
presión de 30kg/cm2 durante la explosión. La fuerza total sobre el émbolo es:
D = 80mm
F = PA
𝐹 = 𝜋(𝑟 2 )30 = 1508𝑘𝑔
P = 30kg/𝑐𝑚2
A = 𝜋𝑟 2
Con el bojeto de disminuir las fuerzas de inercia, se fabrican de aleación de aluminio cuyo
pequeño peso específico permite aumentar la velocidad del émbolo y alncazar grandes
velocidades de rotaci´in de los motores, antiguamenten se fabricaban de fundición de
hierro.
1,. EMBOLO O PISTON .- El embolo llamado comúnmente pisto, se mueve arriba
y abajo en el interior del cilindro. Es la parte móvil de la cámara de combustión formada
por el cilindro y la culata. Tiene tres importantes misiones comprime la mezcla, transmite
la fuerza de las explosiones que provocan sus movimientos de vaivén al cigüeñal a través
de la biela, e impide que los gases quemados tras la combustión puedan filtrarse hacia el
cráter. Por lo general son de aleaciones especiales tde aliuminio, para conseguir ligereza,
dureza y buena conductividad térmica, ya que deben resistir alttas presiones, elevadas
temperaturas y están sometidos a un gran desgaste por fricción. Los pistones son de una
piez, y se compone de: la cabeza, parte que soporta directamente el empuje de los gases
tras la combustión, y la falda o cuerpo, que es la parte inferior, encagarada de mantener al
pistón
recto
en
el
interior
del
clinidro.
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Para que el acoplamiento entre el pistón y paredes del cilindro sea adecuado, la falda se
diseña ligeramente ovalada y cónica. Es la forma, en frío, se transforma en un cilindro casi
perfecto una vez que se ha dilatado debido a la temperatura.
Los émbolos han sido realizados en gran variedad de formas y tamaños. Generalmente
se fabrican de una sola pieza, la cual se compone de:
 Cabeza
 Faldilla, que sirve como guía y sporta el empuje lateral.
FUNCIONES:




Constituye la pared móvil de la cámara de combustión
Recibe el impulso motriz
Comprime la mezcla
Sirve de guía al pie de la biela
CUALIDADES ESENCIALES:
 Buena estanqueidad
 Resistencia y rigidez
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3.- CIGUEÑAL
El cigüeñal forma parte del mecanismo biela y manivela, es decir de la serie de órganos
que con su movimiento transforman la energía desarrollada por la combustión en energía
mecánica. El cigüeñal recoge y transmite la potencia desarrollada por cada uno de los
cilindros. Por consiguiente, es una de las piezas imporantes del motor. A través de las
bielas, transforma el movimiento alternativo de los pistones en movimiento rotatorio, que
luego pasa a las ruedas a través de la transmisión. Por lo general están forjados en que
luego pasa a las ruedas en motores de grandes dimensiones pueden conformarse con
varias piezas unidas. La configuración y forma del cigüeñal se denominan muñequillas de
bancada.
Muchos motores de cuatro cilindros tienen 3 muñequillas de bancada, pero en los motores
mas modernos y, principalmente, en los de mayor cilindrada se prefiere la solución con
cinco muñequillas de bancada, que es la mas costosa pero permite alcanzar potencias
específicas eleveda y, al mismo tiempo, mayor ligeresa de motor.
Volante (fig. 1.36) .- Aún cuando los impulsos de potencia (tiempo motriz) en un motor
policilindro son mas continuos y proporcionan un flujo de potencia, es deseable una mejor
nivelación de los discursos, para que le motor gire uniformemente, lo cual se consigue
mediante un volante el cual es una rueda de acero, fijada en el extremo posterior del
cigüeñal. Cada carrera de potencia, la cual ocurre durante cada 4 ciclo de eventos,
necesario para realizar trabajo útil. En un motor de cuatro tiempos con un solo cilindro,
esta carrera de potencia solo ocurre una vez cada dos revoluciones del cigüeñal (cada
720°) y representa menos del 25% del movimiento del cigüeñal.
El restante movimiento del cigüeñal, que representa más del 75%, depende de la energía
almacenada en el volante. Por lo tanto el volante del motor de un cilindro debe tener una
masa bastante grande para enfrentar este problema, y su tamaño será muy grande.
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Funciones del volante
1.- Al almacenar la energía del tiempo motriz y restituirla durante los tiempos resistentes.
2.- Regularizar el par motor
3.- Obtener un ralentí
Con mayor número de cilindros y en consecuencia con más impulsos de potencia en cada
revolución, será menor la masa del volante.
1.2.- BALANCE TÉRMICO DE MOTORES DE COMBUSTIÓN DE COMBUSTIÓN
INTERNA ALTERNATIVOS.
Con objeto de poder identificar algunos parámetros interesantes relativos a las
características principales de los motores de C.I.A, es importante conocer ciertos
conceptos a través de los cuales de mide el calor aprovechado, en relaciones que se han
denominado rendimientos (n).
En el lenguaje corriente se emplea con mucha frecuencia la palabra rendimiento. (n) con
aceptaciones diferentes, unas veces es sinónimo de potencia y otras de potencia
específica. Por lo anterior podemos concluir:
RENDIMIENTO. (n) . Es el grado de eficiencia o el grado de utilización de: un motor, una
máquina, una reacción química, etc.
En toda máquina existen resistencias pasivas que ocasionan perdidas de energía,
específicamente en forma de calor, por ejemplo: roce de los árboles con sus cojinetes,
deslizamiento de las correas con sus poleas, de los choques entre los dientes de los
engranes, resistencia por el aire a las piezas en movimiento, frotamiento de los fluidos en
las paredes de sus conductos, etc. Por lo tanto una parte de la energía suministrada por la
maquina se pierde y en consecuencia, se requiere saber cual es su grado de utilización o
rendimiento. En consecuencia el (n) es siempre inferior a la unidad; n>1
Ejemplos de N de algunos motores:
 Máquina de vapor del 10% al 15%
 Motor de C.I.A. para automóvil del 20% al 30%
 Motor diesel del 30% al 40%
 Motores eléctricos del 80% al 95%
Desarrollemos el siguiente ejemplo para comprender mejor este importante concepto.
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Ejemplo 1.- El rendimiento proporcionado por la combustión de 1 kg de gasolina tiene un
poder calorífico de 11,000 Cal Recordando que:
1 Cal= 427 Kg – m
El trabajo producido por 11,000 cal es: 11,00 x 427= 4,697,000 kg. – m
Si se tiene un motor que proporciona 4cv por el consumo de 1Kg/ hr de gasolina, cual
será el trabajo realizado por dicho motor:
P=W/t;
W=P t;
W= (fuerza) ( distancia) = Kg – m
Sabemos que 1cv = 75 /Kg – m)/seg.
W= 4 x 75 =300 (Kg – m) / seg.
Como t = 1 hora = 3600 seg.
W= 300 x 3600 = 1,080,000 Kg – m
La relación entre el trabajo producido por la gasolina y el trabajo aprovechado es:
(1,080,000 Kg – m) / (4,697,000 Kg – m) = 0.2299 = 0.23
Al cociente obtenido por esta relación le llamamos RENDIMIENTO (n) indicando en % es:
n=23%
Por lo anterior n= trabajo real o efectivo producido por el motor, el cual es suministrado en
forma de calor.
Ejemplo 2.- Obtener el n si el combustible está dado en BTU, y el poder calorífico de
gasolina es de 19,000 Btu /lb, para un motor que proporcione 23 HP por el consumo de
12 lb / hr de gasolina
1Btu = 778 lb-pie
1h.p= 550 lb - pie
Otros tipos de rendimientos que nos permiten conocer el grado de aprovechamiento del
calor suministrado al motor son:
2.1.- Rendimiento de combustión (nc)
2.2.- Rendimiento termodinámico (nt).nt= QA ( calor aprovechado) / QS (calor suministrado)
2.3 Rendimiento de diagrama (nd).- Se llama así a la reacción de la energía del ciclo
práctico (ECR) entre la energía del ciclo teórico (ECT) en los motores del ciclo Otto de 4
tiempos aplicados a la aviación se aprovecha del 70% al 80%, es decir, que el ciclo
práctico aprovecha entre el 70% - 80% de la energía del ciclo teórico.
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
2.4.- Rendimiento mecánico (nm).- En este tipo de rendimiento intervienen tres tipos de
potencia desarrolladas por el motor las cuales son:
a) Potencia indicada (Pi). Es la desarrolladora al anterior de la cámara de combustión de
la mezcla combustible.
b) Potencia perdida por rozamientos (Pr). Se trata de la perdida de potencia debido a los
diferentes contactos de las superficies que tienen contacto en el interior del motor.
c) Potencia al freno (Pf). Esta potencia es la que realmente se utiliza y se mide a la salida
del cigüeñal. También es llamada potencial útil o potencia efectiva.
El nm se define como la relación entre la potencia al freno y la potencia indicada.
nm= Pf (potencia al freno) / Pi (potencia indicada)
2.5.- Rendimiento económico (ne).- Es el más importante y decisivo para definir las
condiciones de un motor con respecto a su utilidad, pues nos indica cuanto trabajo útil
puede obtenerse de la potencia calorífica contenida en un combustible útil o aprovechado
y el contenido en el combustible. Él n e se obtiene mediante:
Ne= Nc Nt Nd Nm
CONCLUSIÓN.- Un motor tendrá un buen rendimiento cuando es capaz de obtener la
mayor cantidad de trabajo mecánico del combustible que consume y suministrara más
potencia con menos consumo.
La manera de conseguirlo, es reducir al mínimo las pérdidas de energía calorífica del
combustible, reduciendo los rozamientos así como las fuerzas de inercia.





Por el agua de refrigeración y con el aceite lubricante 35%
Por los gases de escape 35%
Rozamiento en el interior del motor 35%
Rozamiento en el eje motriz 10%
Potencia útil 5%
Para la determinación de los diferentes rendimientos, para un motor de C.I.A se hará a
partir de las siguientes figuras. La energía que nos proporciona el combustible para el
funcionamiento del motor, no toda se transforma en trabajo útil al eje motriz ( cigüeñal) ya
que durante el ciclo se producen pérdidas que son inevitables, veamos cuales son estas.
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Ejemplo 1.- Consideremos un motor de encendido por chispa que consume 1.443 lb/hp –
h para producirnos una potencia de 600 Hp usando un combustible cuyo poder calorífico
es de 18,500 BTU/ lb. Determine la cantidad de energía inicial, energía del ciclo teórico,
energía del ciclo práctico, energía árbol motor, el rendimiento económico así como indicar
las pérdidas de energía que se tienen en cada una de las etapas.
Para primer escalón
E = Hc Cc
Cc= (0.443) (600) = 265.8 lb / h
Hc= 18,500 BTU/lb
E= (18,500 BTU/lb) (265.8 lb/h) = 4.9 x 106 BTU / h
Para segundo escalón
Se considera nc = 90%
Nc=Q /E Q=E nc
Q= (4.9 x 106 BTU / h) (0.90) = 4.41 x 106 BTU / h
Energía perdida
E – Q= 4.9 – 4.41) x 106 BTU / h = 490 x 103 BTU / h
Para tercer escalón
Nt=0.51
ECT= t Q
ECT= (0.51) ( 4.41 x 106 BTU/h) = 2.24 x 106 BTU / h
Energía perdida
Q – ECT = (4.41 – 2.24) x 106 BTU/ h
Para el cuarto escalón
Nd=______
ECP=ECT d
ECT
Nd= 80%
ECP= ( 2.24 x 106) ( 0.80) = 1.79 x 106 BTU / h
Energía perdida
ECT – ECP = (2.24 – 1.79) x 106 BTU / h = 450 X 103 BTU / h
Para el quinto escalón
Nm=________
EAM= ACP nm
ECP
Nm= 80%
EAM= (1.79 x 106)(0.80) = 1.432 x 106 BTY/h
Energía perdida
ECP – EAM = (1.79 – 1.432) x 106 BTU/h = 360 x 103 BTU/h
Ne=______________________=0.29
7.9 x 106 BTU/h
ne=29%
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FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Ejemplo 2.- Se pone a funcionar un motor de encendido por chispa que funciona según el
ciclo de 4T. El combustible que consume tiene un poder calorífico de 11,000 cal / k y
consume 0.200kg/cv-h para proporcionar una potencia de 300 cv y sus rendimientos son:
nc= 85%, nt= 75%, nd= 70%, nm= 80%. Determinar E, ECT, ECP, EAM, ne e indicar las
pérdidas de energía.
HC= Poder calorífico
Cc= Combustibles que consume
Para el primer escalón
E= Hc Cc
Cc= (0.2 kg/cv-h)(300cv)=60 kg/h
Hc= 11000 cal/k
E=(11000 cal/kg)(60 kg/h) = 660000 cal/h
Para el segundo escalon
Nc= 85%
nc=Q/E
Q= ncE
Q= (0.85)(660000 cal/h)= 561 x 103 cal /h
Energía perdida
E – Q=(660 – 561) X 103 cal /h= 99 x 103 cal/ h
Para tercer escalón
Nc= 75%
ECT= Qt
ECT= (561 x 103 cal/h) ( 0.75)= 420750 cal / h
Energía perdida
Q – ECT = (561 X 103 – 420750) cal/h = 14.25 x 103 cal/h
Para el cuarto escalón
Nd= 70%
nd=EAM/ECP
ECP=ECT nd
ECP= (420750 call/h) ( 0.70) = 294525 cal / h
Energía perdida
ECT – ECP = 561275.73 – 460246 = 110459.06 BTU/h
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FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Presión media (PM): Una vez realizada la combustión cuyo efecto se presenta por medio
de una explosión, la cual provoca una fuerza que hace que él embolo sea empujada hacia
su P.M.I.; A lo largo de su carrera y que se presenta una serie de presiones diferentes.
Estas pueden ser sustituidas por una presión promedio a lo largo de su carrera y esta es
llamada presión media indicada (pmi) o presión media efectiva (pme), lo cual es útil para
efectos de cálculo numérico. La Pme es una medida de eficiencia del motor.
Determinación de la potencia La potencia desarrollada al interior del cilindro no se aplica
íntegramente en el eje motor porque una parte de ella es absorbida por las resistencias
pasivas.
Debido a ello se distinguen tres clases de potencias:
1.- Potencia indicada (Pi).- Es la potencia de desarrollada en el interior del cilindro por el
proceso de la combustión y puede calcularse partiendo del ciclo indicado cuya área
representa el trabajo indicado por el gas en el interior del cilindro durante un ciclo.
2.- Potencia absorbida (Pr).- Esta potencia se mide generalmente haciendo girar el motor
sin encenderlo, por medio de una fuente de potencia externa. También se puede ser
determinada por la diferencia entre Pi y Pe:
3.- Potencia efectiva (Pe).- Esta potencia, se obtiene midiendo con un freno el trabajo
desarrollado por el eje motriz.
Potencia indicada. De ella se aprovecha el 30% y el restante 70% se pierde en:
40% por los gases de escape y el 30% por refrigeración. También la Pi la podemos
determinar por medio de la formula:
Pi= PLANK/33000HP
Pi= PLANK7 4500CV
Donde:
p= pme en: lb/pulg2 (psi); kg/cm2
L= carrera en : pies, metros
A= Área de la superficie del émbolo en: pulg2, cm2
N= r.p.m./2 (número de carreras de trabajo por minuto)
K= número de cilindros.
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FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
DESPLAZAMIENTO DEL PISTÓN
El movimiento alterno del pistón se transforma en movimiento circular continuo del eje
mediante el sistema biela-manivela.
Para efectos del cálculo, el movimiento circular de la manivela se considera uniforme, si
es apreciable.
L= longitud
R= radio de la manivela
C= carrera del pistón
𝑥=Deslizamiento del pistón referido al PMS y menor a C
α=Desplazamiento angular de la manivela respecto a la posición correspondiente al PMS
β:Ángulo que forma el eje de la biela con el del cilindro
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FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Para poder determinar la velocidad y la aceleración del pistón, es necesario determinar
primero, la relación que existe entre los deslizamientos 𝑥 del pistón y los desplazamientos
angulares α de la manivela
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VELOCIDAD DEL PISTÓN
La velocidad del pistón no es uniforme. Si consideramos en un determinado instante
recorriendo el pistón una parte infinitesimal de carrera dx en una parte infinitesimal de
tiempo dt, la velocidad está dada por:
Es decir, por la derivada respecto al tiempo.
De la expresión 6:
Nos queda:
Factorizando:
Derivando:
Si despreciamos λ2 sen2α,se hace muy pequeño, y entonces:
(considerarlo en la práctica)
Por lo tanto:
Y recordando que:
Expresión de la velocidad del pistón:
Recordando que ω=
2𝜋𝑛
60
𝑟𝑎𝑑/𝑠𝑒𝑔 y sustituimos en la ecuación 7, obtenemos:
Si expresamos r y L en mm V en m/s:
En el caso hipotético de la biela fuera de longitud infinita
Conociendo el número de rpm del motor durante el primer minuto, 𝑛 se puede determinar
así como la velocidad del pistón correspondiente a una posición cualquiera de la
manivela.
𝑟
Ejercicio. Diagrama de la velocidad para C= 80 mm, L= 150mm,𝜆 𝐿 = 0.266
¿Cuándo se obitien su máxima velocidad?
Un importante índice de las condiciones de funcionamiento de los motores es la
VELOCIDAD MEDIA DEL PISTÓN U
Por cada giro de la manivea, el pistón recorre un espacio igual a dos veces la carrera. Si
𝑛 = 𝑟𝑝𝑚 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟:
Y si r y L están en mm y V en m/s:
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UNIDAD II
ANALISIS PARAMETRICO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ROTATIVO
1.1 Ciclo Joule-Brayton real.
1.1 Ciclos equivalentes de aire estándar, con fricción, medio real y equivalente.
1.2 Turbina de gas con regenerados, con enfriamiento, con recalentamiento.
1.3 Turbina de gas con enfriamiento interno, recalentamiento y regeneración
1.4 Límites operacionales de los M.C.I.R.
1.5 Factores que afectan el desarrollo de los M.C.I.R.
1.6 M.C.I.R VS M.C.I.A.
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Ciclo Brayton
Es el ciclo ideal para los motores de turbina de gas.
Usualmente las turbinas de gas
operan en un acto abierto, figura 2.1
pero este ciclo puede modelarse
como un ciclo cerrado figura 2.2,
mediante Ias suposiciones de aire
estándar.
En la figura los procesos de
compresión
y
expansión
permanecen iguales. Si el proceso
de combustión hay adición de calor
a P=cte. Y el proceso de escape
hay rechazo de calor.
Este ciclo ideal es el ciclo Brayton,
integrado por 4 procesos:
1- 2 Compresión isentrópica (compresor)
2- 3 Adición de calor (P=cte.)
3- 4 Expansión isentrópica (Turbina)
4- 1 Rechazo de calor (P=cte)}
Cuando los cambios de las Ec y la Ep se ignoran, la ecuación de la conservación de la
energía para un proceso de flujo permanente con masa continua es:
q-w = hs - he
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Al suponer calores específicos constantes a temperatura ambiente (suposición de aire
estándar), la transferencia de calor hacia él y del fluido de trabajo es, tomando en cuenta
los diagramas “T-s” y “P-v” :
𝑞𝑒 = 𝑞23 = ℎ3 − ℎ2 = 𝐶𝑝(𝑇3 −𝑇2 )
𝑞𝑠 = 𝑞41 = ℎ4 − ℎ1 = 𝐶𝑝(𝑇4 −𝑇1 )
𝑛𝑡ℎ =
𝑊𝑛
𝑞𝑠 𝐶𝑝(𝑇4 − 𝑇1)
=1− =
𝑞𝑒
𝑞𝑒 𝐶𝑝(𝑇3 − 𝑇2)
Para los procesos isentrpicos de 1 a 2 y de 3 a 4
Además P2= P3 y P1= P4
Dónde:
𝑟𝑝 = Relación de presiones.
K= Relación de calores específicos.
La 𝜂𝑡ℎ − 𝑟𝑝 para 𝑘 = 1.4
La temperatura máxima delimitada por la temperatura que pueden soportar los alabes de
la turbina.
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La temperatura máxima del ciclo de
presenta
al final del proceso de
combustión (estados) y limitada por
la
temperatura máxima
que
los alabes de la turbina
pueden soportar.
Existe una relación entre 𝑟𝑝 y la
salida neta de trabajo.
La 𝑟𝑝 varía entre 11 a 16.b La 𝜂𝑡ℎ de
un motor de turbina de gas depende de
la temperatura máxima permisible del
gas en la entrada de la turbina.
Temperatura de 900°C a 1200°C
incrementan la salida de potencia hasta
un 71% y la 𝜂𝑡ℎ 26%.
Se han logrado avances como recubrir
las alabes de la turbina con capas
cerámicas enfriarlos con la descarga de aire del compresor. Por ello, las turbinas actuales
pueden soportar Temperatura hasta de 1425° C (2600 ° F) a la entrada de la turbina.
Áreas de aplicación:
•
•
Propulsión de aviones.
Generación de energía eléctrica.
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Relación de Trabajo de Retroceso
Es la relación entre el trabajo del compresor y el
trabajo de la turbina.
𝑊𝑐𝑒
𝑅𝑡𝑟 =
𝑊𝑡𝑠
La fracción de trabajo utilizada para accionar el
compresor recibe el nombre de la relación del trabajo
en retroceso.
Ejemplo 1.- una central eléctrica estacionaria que opera en ciclo Brayton ideal; tiene una
relación de presiones de 8. La temperatura del gas es 300° k en la entrada del compresor
y de 1300° k en la entrada de la turbina.
Mediante las comparaciones de aire estándar y si se toma en cuenta la variación de los
calores específicos con la temperatura, determine:
a)
La temperatura del gas en las salidas del compresor
b)
La relación de trabajo de retroceso.
c)
La eficiencia térmica.
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Desviación De Los Ciclos De Turbina De Gas Reales De Los Ideales
Los ciclos de turbina de gas reales defieren del ciclo ideal de Brayton por:
1.
Disminución de la presión en
los procesos de adición y
rechazo de calor.
2.
La entrada de trabajo real al
compresor es mayor.
3.
La salida de trabajo real de
la turbina será menor,
debido a las fricciones.
De la figura
𝑊𝑖𝑐 ℎ2𝑠 − ℎ1
=
𝑊𝑟𝑐 ℎ2𝑎 − ℎ1
𝑊𝑟𝑡 ℎ3 − ℎ4𝑎
𝑛𝑐 =
=
𝑊𝑖𝑡 ℎ3 − ℎ4𝑠
𝑛𝑐 =
La desviación de un ciclo de turbina de gas
real del ciclo Brayton ideal como consecuencia de irreversibilidades.
Dónde:
1.- los estados 2a y 4a son los estados reales del compresor y al turbina.
2.- los estados 2s y 4s son los estados correspondientes para el caso isentrópico.
Ejemplo 2.- suponga una eficiencia del compresor de 80% y una eficiencia de la turbina
del 85%, determine:
a) La relación de trabajo de retroceso
b) La eficiencia térmica
c) La temperatura de salida de la turbina de la central eléctrica de la turbina de gas
analizada en el ejemplo anterior.
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Ciclo Joule Brayton Real
Ciclo Brayton Con Regeneración
En los motores con turbina de gas, la temperatura de las gases de escape que salen de la
turbina es mayor que la temperatura del que sale del compresor.
La regeneración o recuperación consiste en calentar este aire que sale del compresor
aprovechando el calor de los gases de escape mediante un intercambiador de calor a
contraflujo.
La figura 2.9 nos muestra a la turbina de gas con el refrigerador y la figura 2.10 el
diagrama de “T - s”.
Un motor de turbina de gas con regenerador.
Diagrama T-s de un ciclo Brayton con regeneración
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
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Con este sistema aumenta la eficiencia térmica del ciclo debido a que la energía de los
gases de escape se usa para precalentar el que entra a la cámara de combustión, lo cual
disminuye los requerimientos de entrada de calor y como consecuencia de combustible,
para la misma salida de trabajo neta.
La temperatura más alta dentro del regenerador es T4, el aire sale de el a T5. En el caso
(ideal) limite, el aire sale a T4. Las transferencias de calor reales y máximas de los gases
de escape al aire pueden expresarse como: (figura)
𝑞𝑟𝑒𝑔.𝑟𝑒𝑎𝑙 = ℎ5 −ℎ2
𝑞𝑟𝑒𝑔.𝑚𝑎𝑥 = ℎ5 −ℎ2 = ℎ4 −ℎ2
El grado al cual un regenerador sea próxima a un regenerador ideal se llama Eficacia (e)
y se define.
𝜀=
𝑞𝑟𝑒𝑔.𝑟𝑒𝑎𝑙 ℎ5 − ℎ2
=
𝑞𝑟𝑒𝑔.𝑚𝑎𝑥 ℎ4 − ℎ2
Cuando se utilizan las suposiciones de aire frío estándar la 𝜀 es:
𝜀=
𝑇5 − 𝑇2
𝑇4 − 𝑇2
Un regenerador con una eficacia más alta ahorrara una gran cantidad de combustible ya
que precalentara al aire a una temperatura mayor que la de la combustión. Pero esto
requiere de un regenerador más grande y más costoso. La mayoría de los regeneradores
su eficacia es menor del 85%.
Bajo suposiciones de aire frío estándar, la eficacia térmica del ciclo Brayton ideal con
regeneración es
𝑘−1
𝑇1
𝑛𝑡ℎ 𝑟𝑒𝑔 = 1 − ( ) (𝑟𝑝 ) 𝑘
𝑇3
La figura nos muestra las diferentes eficacias térmicas del ciclo Brayton ideal con y sin
regeneración.
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Eficacia térmica de un ciclo Brayton ideal con y sin regeneración
Ejemplo 3.- Determine la eficiencia térmica de la central eléctrica de turbina de gas
suponga el ejemplo anterior, si se instala un regenerador que tiene una eficacia del 80%.
Diagrama T-s del ciclo Brayton regenerativo descrito en el ejemplo 3
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Ciclo Brayton Con Inter Enfriamiento, Recalentamiento Y Regeneración.
El trabajo para comprimir un gas entre dos presiones se puede disminuir si se efectúa el
proceso de compresión en etapas y ampliar el gas entre ellas, empleando el método de
compresión de etapas múltiples con ínter enfriamiento.
Cuando aumenta el número de etapas el proceso de compresión se vuelve isotérmico a la
temperatura de entrada del compresor y el trabajo de compresión disminuye.
De igual modo, la salida de trabajo de
una turbina aumenta al expandir el
gas en etapas y recalentando entre
ellas,
utilizando
expansión
de
múltiples
estepas
con
recalentamiento.
Conclusión:
El
trabajo
de
compresión o expansión de flujo
permanente es proporcional al
volumen específico del fluido.
Figura Compraración de entradas de
trabajo en un compresor de una sola
etapa (IAC) y u compresor de 2
etapas con inter enfriamiento (IABD).
El proceso de Ínter enfriamiento y de
recalentamiento logra que el volumen
específico del fluido de trabajo sea
bajo en el proceso de compresión y lo más alto durante el proceso de expansión.
La figura gas (aire) entra a la primera etapa 1, se comprime de modo isentrópico hasta P 2.
Luego se enfría a P=C hasta el estado 3, (T3 = T1) y se comprime en la segunda etapa
isentrópicamente hasta la presión final P4 Enseguida pasa al regenerador, y se calienta a
T5 a P= Cte.
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
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Figura Un motor de turbina de gas con compresión de dos etapas con inter enfriamiento,
expansión de dos etapas con recalentamiento y regeneración.
Figura Diagrama T-s de un ciclo de turbina de gas ideal con inter enfriamiento,
recalentamiento y regeneración.
En un regenerador ideal, el gas saldrá a T5 = T9. El proceso de adición de calor (o
combustión) primario es entre los estados 5 y 6.
El gas entra a la turbina (estado 6) y se expande isentrópicamente hasta el estado 7 y
entra después al recalentador.
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Se precalienta a P= C hasta el estado 8 (T8 = T6) y entra a la segunda turbina, enseguida
el gas sale del estado 9 y entra al regenerador, donde se enfría hasta el estado 10 a
P=Cte. El ciclo se completa cuando el gas se enfría hasta el estado inicial.
Para un compresor de 2 etapas.
𝑃2 𝑃4 𝑃6 𝑃8
=
𝑦
=
𝑃1 𝑃3 𝑃7 𝑃9
La relación de trabajo de retroceso de un ciclo de turbina de gas mejora con el ínter
enfriamiento y con recalentamiento.
Cuando aumenta el número de etapas
de compresión y expansión, el ciclo de
turbina de gas con inter enfriamiento
recalentamiento y regeneración se
aproxima al ciclo Ericsson.
Ejemplo 4.- Un ciclo de turbina de gas
ideal con 2 etapas de compresión y dos
etapas de expansión tiene una relación
de presión total de 8. En cada etapa
del compresor entra aire a 300 K y en
casa etapa de la turbina a 1300 K.
Determine la relación de trabajo de
retroceso y la eficiencia térmica de este
ciclo de turbina de gas, suponga.
a) Que no hay regeneradores.
b) Un regenerador ideal con una eficacia
del 100%
c) Compare los resultados con los
obtenidos del ejemplo 3.
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Limites Operacionales De Los M.C.I.R.
En aviación los motores están sometidos a condiciones limites ambientales y o
mecánicas, las cuales pueden modificar la eficiencia del motor.
Factores que afectan el empuje
• Altitud critica.
Significa la altitud máxima a la cual, a una atmósfera estándar, es posible mantener las
r.p.m. especificadas, una potencia o presión de admisión especificada. A menos que se
determine de otro modo la altitud crítica, es la altitud máxima a la que es posible mantener
las r.p.m. máximas continuas, con una de las siguientes condiciones:
El motor puede sufrir congelamiento interno, este efecto tendrá una disminución de
potencia muy notorio al motor, o sufrirá un apagado total.
• Densidad del aire.
El peso del aire consumido por un MR es el primer factor en determinar el empuje
Condiciones que afectan el peso de un volumen determinado del aire son:
• Presión: Si ésta incrementa, si la densidad disminuye, por otro lado si la densidad
aumenta la temperatura disminuye.
• Temperatura: Una temperatura constante, la densidad del aire varía en proporción a la
presión absoluta.
• Humedad: Cuando ésta incrementa la densidad del aire decrece.
Las RPMS DEL MOTOR
Para cualquier motor, el empuje aumenta rápidamente como las RPM aprovechan la
máxima velocidad
del motor.
La masa de aire que penetra en el motor es función principal de las rpm y estas, a su vez,
de la cantidad de combustible suministrado. La función de la unidad de control de
combustible es regular las rpm y el consumo de combustible en el sentido de que se
obtenga un mayor empuje cuando mayores sean dichos factores, hasta aquellos valores
que no supongan respectivamente sobre velocidad del rotor ni alta temperatura en las
turbinas.
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
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Factores Que Afectan El Desarrollo O Desempeño De M.C.I.R.
Condiciones ambientales
Cualquier cambio en la temperatura, humedad o presión afectará el flujo de masa en, y
por consiguiente la energía producida por la turbina de gas.
Altitud y Densidad
A medida que ascendemos, la presión y temperatura disminuyen. Al reducirse la presión,
la densidad también disminuye, por lo que el gasto másico es menor y como
consecuencia el empuje disminuye. Más temperatura, menos presión, más altura suponen
menos densidad.
Menor densidad --> menor rendimiento.
Velocidad
Teóricamente, si la velocidad de avance de la aeronave aumenta el empuje disminuye.
Esta conclusión se puede sacar observándose la fórmula del empuje: E=m (Vs - Ve)
Cámaras de combustión
Las características funcionales y problemas operacionales de las cámaras de combustión
son su rendimiento, pérdidas de presión, intensidad de la combustión, distribución de
temperaturas a la salida y problemas de contaminación atmosférica.
Ruido
Las principales fuentes de ruido son el compresor, turbina y tobera de escape. Este tipo
de fenómeno causa más fricción con el aire (disminuye el empuje), aumentando el
consumo de combustible.
Formación de hielo
Es frecuente que en los vuelos de alta altura la temperatura exterior baje de los 0 grados
centígrados, por lo que el empuje de los rectores se ve afectado simplemente por la
formación del hielo en la admisión, siendo los compresores auxiliares los más afectados
por el hielo. En estos cas se utiliza Sistema de protección contra el hielo en la admisión.
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
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Cámaras de combustión
Las características funcionales y problemas operacionales de las cámaras de combustión
son su rendimiento, pérdidas de presión, intensidad de la combustión, distribución de
temperaturas a la salida y problemas de contaminación atmosférica.
El "pompaje" o "pérdida del compresor"
Son pérdidas aerodinámicas durante las cuales los álabes del compresor exceden sus
posibilidades de sustentación. Este puede ocurrir por varias razones y trae como
consecuencia que el compresor pierda su potencia o se pase de los límites para los que
fue diseñado.
M.C.I.R. VS M C I.A
VENTAJAS DE LOS M.C.I.R.
• a) Muy buena relación potencia vs. Peso y tamaño
• b) Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como son los
movimientos alternativos MCIA)
• C) Al ser una máquina rotante el equilibrado de la misma es prácticamente
perfecto y simple(a diferencia de MCIA)
• d) Menos piezas en movimiento, Menores pérdidas por rozamiento (comparado
con Los MCIA)
• e) Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormente
• k) Pocos elementos componentes: compresor, cámara/s de combustión y turbina
a
• g) El proceso de combustión es continuo y se realiza a presión constante ea la
cámara de combustión (diferente a los MCIA)
• h) Bajas presiones de trabajo (es la máquina térmica que funciona a más baja
presiones)
• i) El par motor es uniforme y continuo
• j) Permiten emplear diferentes tipos de combustibles como kerosene, gasoil, gas
natural, carbón pulverizado
Ventajas M.C.I.A.
• Amplio campo de potencias, lo que permite su empleo en la alimentación de máquinas
manuales pequeñas así como grandes motores marinos.
• El uso de combustibles líquidos, de gran poder calorífico, lo que proporciona elevadas
potencias y amplia autonomía. Estos combustibles son principalmente la gasolina en los
motores Otto y el gasóleo o diesel en los motores diesel aunque
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
también se usan combustibles gaseosos como el hidrógeno molecular, el metano o el
propano.
• Rendimientos aceptables, aunque raramente sobrepasan el 50% (téngase en cuenta
que rendimientos del 100% son imposibles, ver ciclo de Carnot).
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
UNIDAD III
SISTEMA DE DOSIFICACION DE COMBUSTIBLE
3.1 CARBURACIÓN
3.2 INYECCIÓN
3.3 SOBREALIMENTACIÓN
3.4 MOTOR TUBOCARGADO
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
FUNDAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Sabemos que el motor de combustión interna alternativo (M.C.I.A.) para
funcionar necesita de un combustible o fluido activo el cual puede ser gasolina o diesel.
Para un motor que utiliza gasolina como fluido activo necesita un sistema de alimentación
(Figura. 3.1) el cual se compone de:
1.-Depósito de gasolina.
2.-Bomba de gasolina.
3.-Filtro.
4.-Tuberías.
5.-Carburador.
Este sistema comprende al conjunto de elementos citados, los cuales tienen la finalidad
de proporcionar la mezcla adecuada para el buen funcionamiento del motor.
3.1. CARBURACION
FUNCIÓN.- La carburación tiene por
objeto preparar la mezcla combustible de aire
con gasolina pulverizada (combinación de un
gas con un líquido), en proporción adecuada
para que su inflamación por medio de una
chispa resulte de combustión tan rápida que
parezca casi instantánea.
Puesto que el motor está sometido a
regímenes variables, esto influye para que la
mezcla este variando continuamente dando
lugar a que se desarrollen diferentes
presiones al interior del cilindro. Las
variaciones de mezcla son debidas a la
influencia de las diferentes leyes físicas que
se aplican de modo diferente en la
aceleración sobre un gas que sobre un
líquido, por lo cual su relación se
descompensa entre uno y otro.
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
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Lo anterior produce mezclas ricas y mezclas pobres, con los siguientes desequilibrios y
trastornos del motor. Sin embargo, los fabricantes de carburadores han resuelto de modo
aceptable esta descompensación por medio de una serie de sistemas de automaticidad y
auxiliares.
EL CARBURADOR Está diseñado para producir una fina niebla, formada por
gasolina y aire en la proporción adecuada, que debido a la chispa de la bujía combustiona
en el interior del cilindro. Los carburadores basan su funcionamiento en un dispositivo
denominado "tubo de venturi”.
El tubo venturi. Es un tubo o pasaje, como se muestra en la figura 3.3 y 3.4 que
es más angosto en su parte central de tal manera que el área a través de la cual el aire
debe pasar disminuye de manera considerable. Puesto que la misma cantidad de aire
debe pasar a través de todos los puntos en el tubo, su velocidad aumentara grandemente
en su punto más angosto y entre más reducida sea esta área, mayor será la velocidad del
aire y en forma proporcional se aumentara la succión.
Por medio de los tubos que los conectan con el conducto de aire, los tres recipientes de
mercurio muestran las diferencias de la depresión en los diferentes puntos, por el desnivel
que el mercurio alcanza en ellos. En la constricción del venturi se encuentra la depresión
máxima.
El venturi o difusor provoca un vacio o depresión que se desarrolla debajo de la
constricción. Entonces, la presión atmosférica impulsa al combustible a salir por el
surtidor.
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FUNDAMENTO DEL CARBURADOR ELEMENTAL.- El fundamento del
carburador es que toda corriente de aire que pasa rozando un orificio provoca sobre este
una succión. Tal como ocurre en un pulverizador vulgar (figura.3.5). La corriente de aire
producida a mano pasa rozando el orificio del tubo sumergido, provoca que la succión
absorba el líquido y lo lanza, pulverizado, en el chorro de aire. En los carburadores, la
corriente de aire es la producida por la aspiración de los cilindros, que se ejerce en la
tubería de admisión T (figura 3.6). A la cual asoma el tubito llamado surtidor, por el cual
llega la gasolina. Para que la succión o vació, provocado por la aspiración de los cilindros,
sea mayor en la boca del surtidor, se coloca el difusor o venturi D, que al estrechar el
paso aumenta la velocidad del aire y hace que «sorba» más enérgicamente el líquido del
surtidor y lo pulverice más eficazmente. Algunas veces hay dos o tres difusores en
cascada, como en algunos modelos Zenith, Stromberg y Cárter el objeto es que cada uno
refuerce la acción del anterior.
El carburador es un dispositivo para atomizar y vaporizar el combustible y
mezclarlo con el aire en diferentes proporciones a fin de que se ajusten a los cambios de
régimen de funcionamiento de los motores de los vehículos. A este proceso de
descomponer y mezclar la gasolina con el aire se le llama carburación.
La mezcla proporcionada debe ser rica (elevado porcentaje de gasolina), en el
arranque, en la aceleración y funcionando a alta velocidad, y debe ser pobre a
velocidades intermedias, o en ralentí, y cuando el motor ya está a su temperatura de
funcionamiento.
El carburador tiene varios circuitos, a través de los cuales el combustible o la
mezcla fluyen bajo las diferentes condiciones de funcionamiento. Para que la combustión
de la mezcla proporcionada por el carburador sea completa, dicha mezcla debe cumplir
con:
1. Una adecuada dosificación.
2. Una buena vaporización.
3. Una correcta homogeneidad.
El estudio de carburación, supone el estudio de estas condiciones.
DOSIFICACIÓN.- Es la relación entre el peso del combustible y el peso del aire. La
dosificación teórica para la combustión completa de la gasolina es de 1gr de gasolina por
15gr de aire; obteniéndose como productos de la combustión: nitrógeno, anhídrido
carbónico
y
agua.
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La dosificación que produce la máxima potencia en el motor es de 1gr de gasolina
por 12.5gr de aire, con ella se obtiene la máxima velocidad de propagación de la llama, en
el interior de los cilindros. La dosificación para obtener el rendimiento máximo, con el
mínimo consumo es de 1gr de gasolina por 18gr de aire (mezcla pobre), el exceso de aire
permite que la mezcla arda en forma completa, sin dejar residuos.
VAPORIZACIÓN.- Es el proceso de cambio de un líquido al estado de vapor. Para
que la gasolina vaporice rápidamente, debe ser pulverizada en el seno de la corriente de
aire que pasa por la garganta del carburador. Al pulverizarse se convierte en finísimas
gotas, llamado fenómeno de atomización.
Cada pequeña gota está completamente rodeada de aire, por lo cual su
vaporización se hará con rapidez y ocurre casi instantáneamente. Para que la mezcla
(aire-gasolina) pueda inflamarse y quemar convenientemente, es necesario que la
gasolina este perfectamente vaporizada, lo cual se consigue con:
a) Una fuerte depresión.
b) Una intensa pulverización.
c) Un calentamiento de la mezcla.
a) Depresión. Esta depende de:
 Velocidad del motor, número de r.p.m.
 Del grado de abertura de la mariposa.
HOMOGENEIDAD.- Una buena homogeneidad es cuando el aire y la gasolina se
encuentran íntimamente mezclados, lo cual se logra con una buena pulverización.
RELACIÓN DE MEZCLAS En un banco de pruebas se puede obtener, para un
determinado motor, su variación del par motor en el eje al variar la dosificación de la
mezcla aire-gasolina, permaneciendo fijas la abertura de la mariposa del carburador y la
velocidad de rotación del motor.
Estas experiencias, han permitido obtener en la práctica dos relaciones más de
mezcla particularmente interesantes:
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
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1.- RELACIÓN DE MEZCLA DE MÁXIMA POTENCIA Esta relación es de 1/12.5
[1 gr gasolina/12.5gr aire], decimos que cuales sean las condiciones de funcionamiento
del motor (carga o régimen), se ha comprobado que dicha relación siempre conserva
dicho valor, para proporcionar la máxima potencia.
2.- RELACIÓN DE MÁXIMO RENDIMIENTO Por prácticas realizadas en el banco
de pruebas, se ha comprobado que la relación de mezclas que nos proporciona el
máximo rendimiento es de 1/18.- La figura 2.7 nos muestra una relación más, que es 1/15,
que es la relación para una combustión perfecta, llamada de RIQUEZA
ESTEQUIOMETRICA. Además en dicha gráfica se muestran también los límites de
inflamabilidad, donde se tiene movimiento y son 1/8 y 1/28.
Si en las pruebas realizadas en el banco se hace variar la velocidad del motor con
la abertura de la válvula de mariposa del acelerador, se obtienen otras curvas del par
motor en función de la dosificación, similares a la figura 3.7, las cuales se muestran en la
figura 3.9
Variación del par motor en función de la dosificación para diferentes rpm, M. Lugar
de los puntos de máximo rendimiento.
Generalmente para la dosificación de la mezcla se busca un intermedio entre la
exigencia de máxima potencia y la limitación de consumo. En particular, al calcular un
carburador para un motor determinado se procura obtener:
a) La dosificación capaz de proporcionar la potencia máxima a plena
admisión (mariposa del acelerador completamente abierta)
b) La dosificación capaz de asegurar el rendimiento máximo a regímenes de
funcionamiento del motor con admisión parcial.
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La figura nos presenta la dosificación ideal que debería proporcionar el carburador
en función de la abertura de la válvula de mariposa del acelerador; hasta la abertura del
80% la dosificación deberá ser la de rendimiento máximo, mientras que, para aberturas
mayores, la dosificación debería aproximarse a la necesaria para el desarrollo de máxima
potencia.
Dosificación ideal del carburador en función de la abertura de la válvula de mariposa.
MEZCLAS POBRES.- Se consideran mezclas pobres las comprendidas entre las
relaciones 1/16 y 1/28. Dichas relaciones se caracterizan en primer lugar por la lentitud de
la combustión. El exceso de oxígeno, la falta de carburante atomizado hace que la pme
del embolo disminuya y en consecuencia la potencia del motor.
MEZCLAS RICAS. - Este tipo de mezclas, son todo lo contrario, es decir, la
proporción de gasolina es mayor a la del aire y están comprendidas entre 1/8 y 1/12.
El grado óptimo oscila entre 12 y 15 partes del aire por una de gasolina, dentro de
esta gama se encuentran las mezclas que en el motor producen la PRESIÓN MEDIA
EFECTIVA (pme) más elevada, según el régimen de revoluciones a que se halla sometido
el motor, ya que los motores muy revolucionados y con altas relaciones de compresión
tienden a hallar más propia la mezcla de 13 o 12 partes de aire por una de gasolina,
debido a que estas mezclas poseen una mayor rapidez de combustión. Por esta razón
para motores que giran a alta velocidad se prefieren las mezclas ricas.
Es obligación de los fabricantes de carburadores y de hecho ha sido su
preocupación más apremiante, poder cambiar eficientemente los tres mezclas siguientes:
a) Mezcla correcta: 1/15
b) Mezcla pobre: 1/16
c) Mezcla rica: 1/13
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En la figura se muestran los elementos fundamentales de un carburador elemental lo cual
permite apreciar los principios de su funcionamiento:
1.- El flotador. La constancia del nivel se consigue con un flotador que abre y cierra el
orificio de entrada de la gasolina mediante una válvula de aguja.
2.- El difusor, que está dotado de un estrangulamiento en tubo de Venturi. Dicho
estrangulamiento situado en correspondencia con el surtidor, sirve para generar la
depresión necesaria para aspirar por su interior el carburante que luego entra en los
cilindros mezclado con aire. También la velocidad máxima dentro de la sección
estrangulada debe estar comprendida dentro de unos límites muy concretos, por lo
general entre 100 y 300 m/s.
3.- El surtidor o pulverizador que desemboca a un nivel superior al de la gasolina y sirve
para llevar el combustible a la zona de depresión del difusor. El caudal del surtidor
depende del valor de la depresión y de su propio diámetro.
4.- La válvula de mariposa, situada en la zona no estrangulada del difusor, es el órgano
que permite al motor adaptarse a la carga haciendo variar el peso de mezcla introducida.
El mando de la mariposa no es otra cosa que el pedal del acelerador que actúa sobre ella
mediante un sistema de varillas.
5.- Cuba de nivel constante.-es el depósito de gasolina que llega del tanque de
combustible, cuyo nivel es controlado por el flotador y ajuga de control que obtura la
llegada del combustible
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL CARBURADOR ELEMENTAL
Carburador de tubo sencillo. Puesto que todos los carburadores comerciales modernos
se basan en el carburador de tubo sencillo, una explicación de su construcción y
funcionamiento ayudara a entender los principios básicos sobre los que se basan todos
los carburadores.
Carburador sencillo de una sola garganta.
La figura muestra un carburador de tubo sencillo, que trabaja de la manera
siguiente: el suministro de la gasolina se bombea desde el tanque de almacenamiento de
gasolina y entra en la cámara del flotador del carburador a través de una válvula de aguja
en uno de sus lados. A medida que se eleva el nivel de la gasolina el flotador eleva una
palanca articulada en una de los lados de la cámara de flotación.
Tal nivel debe quedar aproximadamente un 1/16 pulgada (1.59 mm) más abajo del orificio
de la parte superior de la esprea o boquilla de descarga.
El carburador elemental como el descrito anteriormente no satisface los requerimientos
del motor, ya que se tendrían los siguientes problemas:
1.- Relación de mezcla variable influida por:
a) Régimen del motor.
b) Temperatura.
c) Cambio de presión atmosférica.
2 - Problemas para el arranque en frió.
3.- Problemas para la marcha en ralentí
4 - Problemas para obtener una aceleración rápida y enérgica.
5.- No se podrían variarlas condiciones de marcha para hacerlo más económico.
Por lo tanto un carburador para cumplir debidamente con su cometido debe reunir las
siguientes características:
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
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1. Ser capaz de proporcionar una perfecta pulverización de la gasolina, de manera
2.
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9.
que esta se mezcle perfectamente con el aire.
Mantener la proporción de la mezcla correcta (15:1), cuando el motor arrastre a
las ruedas y el pedal de gas se va oprimiendo lentamente.
Ser capaz de empobrecer la mezcla cuando las ruedas tiran del motor a fin de
escatimar el combustible.
Proporcionar una mezcla rica (11 o 12:1) en las aceleraciones bruscas.
Mecanismo que facilite la puesta en marcha proporcionando una mezcla rica en el
momento del arranque.
Permitir la marcha regular a ralentí o marcha lenta.
Llevar un mecanismo de regulación para compensar los efectos del aire poco
denso o demasiado denso, es decir, poder regular la desproporción de la mezcla
en alta montaña, en invierno y verano.
La máxima simplicidad posible para hacer que sean fáciles sus reglajes y sus
reparaciones, sobre todo las de limpieza que deben ser muy frecuentes.
Accesibilidad para montar y desmontar.
Por lo anterior los carburadores modernos están previstos de varios sistemas
que dan solución a los problemas citados.- Dichos sistemas son:
a) . SISTEMAS DE AUTOMATICIDAD.
1. Surtidor en derivación.
2. Surtidor compensador.
3. Surtidor sumergido.
4. Aire secundario.
5. Dispositivo de emulsión.
b) .- SISTEMAS AUXILIARES.
1. Marcha en vació.
2. Acompañamiento de la marcha en vació.
3. Aceleración.
4. Arranque en frio.
SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN Y AUXILIARES Actualmente se usan los
carburadores DESCENDENTES INVERTIDOS o de tiro hacia abajo, en los que el tubo “T”
es vertical, pero la corriente de aire va de arriba-abajo y, en vez de tener que elevar la
niebla de gasolina, esta desciende ayudada por la acción de la pesantez, la succión no
necesita ser tan enérgica y, por tanto el tubo “T” y difusor “D” pueden ser más anchos,
permitiendo una mejor alimentación de los cilindros. El nivel en la cuba de carburadores
se mantiene 1 a 2 mm. Por debajo de la boca del surtidor, esto con el fin de que no se
derrame
en
paradas,
subidas,
pendientes
y
curvas.
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
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En los motores modernos para corregir que la mezcla sea rica o pobre cuando se
necesite para obtener del motor la potencia requerida, estos defectos de mezcla más rica
(cuando se necesita) y mezcla pobre, se corrigen automáticamente en los carburadores
modernos con el juego combinado de varios surtidores, bomba de todos un dispositivo
que permite al motor girar en vacío o ralentí cuando la mariposa está cerrada, sin pisarse
el acelerador.
Antiguamente los surtidores venían calibrados en la punta por donde sale el
chorro de gasolina (surtidor), pero en la actualidad casi todos los calibres están
sumergidos en el combustible de la cuba o canalizaciones como en la figura 3.14 dosifica
la cantidad de gasolina que puede salir de surtidor S, y, en cambio el estrechamiento
calibrado C puede colocarse en un sitio más accesible para limpiarlo fácilmente en caso
de obstrucción.
Para corregir la tendencia al enriquecimiento de la mezcla cuando aumenta la
velocidad del motor, se emplea el método de COMPENSACIÓN. En vez de mandar la
gasolina directamente al surtidor S se intercala un pozo P anteponiendo (figura.3.14) un
calibre C más pequeño y sumergido, la reacción de los cilindros va gastando no solo la
gasolina que pasa por C, sino también la almacenada en el pozo P, y cuando aumenta la
velocidad y aspiración de motor que tendía a enriquecer la mezcla se gasta el combustible
del pozo y solamente pasa la que permite el calibre C, que es menos y además
empobrecida por el aire que entra por la parte alta del pozo (figura.3.15)
La figura. nos representa el sistema Zenith (el cual es de la combinación
enriquecedora). La tendencia a enriquecer del surtidor principal S se equilibra con la
empobrecedora del compensador C.
En vez de dos calibres para gasolina y dos surtidores, puede usarse sólo uno, si el
calibre compensador de gasolina se sustituye por otro en la parte alta del pozo para
graduar el aire que puede entrar por él; es como si en la figura se tapase el pozo para que
en vez de entrar libremente el aire, que al emulsionarse con la gasolina de C empobrece
demasiado la mezcla aspirada, solo pudiera pasar aire en la cantidad justa para mantener
constante la riqueza. Este es, precisamente el esquema de los carburadores Solex,
Stromberg, Holley e Irz (figura.3.17); el pozo calibrado A para el aire se llama
SOPLADOR, y suele estar organizado en forma de aumentar el número de sus agujeros a
medida que baja el nivel de gasolina en el pozo.
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
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La aspiración de los cilindros se ejerce sobre el orificio R, por el que sale la
emulsión de gasolina sorbida del pozo por el conducto T, que se mezcla con más aire que
pasa por los bornes de la mariposa M. En el conducto T hay un calibre llamado de ralentí,
y una primera entrada regulable con un tornillo. Con la disposición explicada de
surtidores, pozo y compensador, está prácticamente organizado el carburador para dar
mezcla de riqueza uniforme, cualquiera que sea el régimen de marcha del motor.
Sin embargo, en los momentos de brusca aceleración, conviene enriquecer
momentáneamente la mezcla para obtener un aumento instantáneo y vigoroso en la
fuerza de las explosiones; esto se consigue con el aditamento de la BOMBA DE
ACELERACIÓN.
BOMBA DE ACELERACIÓN El tipo más corriente es el de pistón en la misma
cuba, se separa un cuerpo de bomba B, cuyo émbolo E está ligado a las < varillas que
mandan la mariposa de gases M; cuando ésta se abre porque se pisa el acelerador, baja
a la vez el pistón E, empujando la gasolina de B a través de la válvula n (que se abre
mientras que la misma presión de la gasolina cierra la m), sube por el tubito a y sale en
forma de chorro por el conducto p a unirse y enriquecer la mezcla salida por el surtidor S.
Cuando se suelta el acelerador, gira M a derechas, cerrándose, y sube E, con lo que n se
cierra y el pistón aspira gasolina de la cuba por m, quedando cargado el cuerpo de la
bomba B para otra vez que se acelere. La bomba también puede accionarse con el vacío
de
la
aspiración.
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
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Los carburadores más recientes
están dotados de dispositivos llamados
ECONOMIZADORES
que
ahorran
combustible en la marcha a poca potencia.
La riqueza de la mezcla oscila entre 13
partes en peso de aire por 1 de gasolina
(mezcla rica) y 17 aire por 1 de gasolina
(mezcla pobre).
ECONOMIZADORES El empobrecimiento de la mezcla puede conseguirse como
es natural, o aumentando el aire o disminuyendo la gasolina. El primer sistema, seguido
por Zenith consiste en tapar el pozo con una válvula de membrana V que se cierra por la
fuerza de un resorte F contenido en una cámara que comunica por el tubo vacío K con el
colector de admisión. Normalmente entra al pozo el aire necesario por el orificio
destapado J; pero cuando la mariposa M va casi cerrada (señal de que no hace alta
potencia y justo cuando puede economizarse gasolina), entonces la fuerza de vacío que
llega por K es lo bastante grande para levantar V venciendo al muelle F, con lo que entra
al pozo un suplemento de aire que empobrece aún mas la mezcla que salen por el
compensador C.
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
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El economizador actuante sobre la gasolina, figura.3.20, es el adaptado por Solex,
Stromberg, Holley y Cárter BB, por ejemplo: El paso de gasolina al surtidor S se hace
normalmente, por dos conductos a la vez, cada uno con su calibre C y E.
El conducto de este último tiene una válvula V mandada por la membrana N con
resorte F que tiende a mantenerla abierta; cuando la mariposa M está casi cerrada y el
vacío que llega por K es grande, tira de la membrana venciendo al muelle F, y se cierra la
válvula V, con lo que disminuye el suministro de gasolina y se empobrece la mezcla. En
los carburadores Cárter se efectúa sobre el flujo de gasolina mediante una aguja que
obstruye más o menos el calibre de paso al surtidor.
Economizador de gasolina accionado por la depresión.
A continuación se describen nuevamente algunos sistemas ya explicados
anteriormente, esto es debido a que existen diferentes marcas de carburadores y por lo
tanto los sistemas de automaticidad y auxiliares son diferentes en su presentación, de
acuerdo a la marca del carburador y por ello se comprenderá mejor su funcionamiento.
1.- EL SISTEMA DE MARCHA MÍNIMA El motor de un vehículo requiere una
mezcla rica para funcionar a bajas velocidades o a marcha mínima, y por lo general es de
aproximadamente 10 partes de aire en peso por una parte de combustible. El sistema
entra en acción durante la puesta en marcha, la marcha mínima y el funcionamiento a
bajas velocidades y se corta cuando la velocidad alcanza aproximadamente 40 km por
hora. La figura 2.30 muestra cómo funciona uno de estos sistemas de marcha mínima,
aplicada a un carburador de tipo sencillo.
Cuando el acelerador está cerrado o parcialmente cerrado, la succión de aire bajo
la válvula aceleradora hace que el combustible se eleve hasta llegar al tubo de marcha
mínima y que se descargue a través de la salida de descarga de marcha mínima
directamente hasta el múltiple de admisión del motor.
Elaborado por el Ing. Salvador Caudillo González
Esta succión también succiona aire a través de la sangría de aire de marcha
mínima que se combina con la gasolina para ayudar a vaporizarla y atomizarla a
medida que pasa a través del paso de marcha mínima. Esta mezcla de aire y
combustible que sale de la descarga de marcha mínima se combina con la
corriente de aire que se escapa más allá del acelerador para producir la mezcla
corriente.
Figura.3.21. Sistema de marcha mínima en un carburador de una sola
garganta
2.-SISTEMA DE ACELERACIÓN (figura 3.22).- Cuando se aumenta
repentinamente la succión a través del carburador, al abrir rápidamente el
acelerador para una aceleración rápida o potencia extra, el aire, siendo más ligero
que la gasolina, responderá casi de inmediato y su flujo se acelerara
repentinamente. Este fenómeno dará por resultado que el aire se precipite
adelantándose a las partículas de gasolina y la proporción de aire y gasolina será
mayor hasta que haya vencido la inercia y las partículas de gasolina hayan tenido
tiempo a responder por completo al aumento de succión.
Figura.3.22 Carburador de tubo sencillo con bomba de aceleración.
3.- SISTEMA DE MARCHA MÍNIMA Y BAJA VELOCIDAD (Figura 3.23).El sistema de marcha mínima y de baja velocidad controla por completo el
suministro de gasolina al motor durante las marchas mínimas y bajas cargas con
velocidades de aproximadamente 35 kilómetros por hora, y controla de manera
parcial el suministro de velocidades con cargas moderadas entre 35 y 40
kilómetros por hora. El combustible fluye desde el depósito del flotador a través de
la boquilla de baja velocidad, se mezcla con aire, y continua a través de los
pasajes de marcha mínima y sale hasta la garganta del carburador, a través de
una o dos aberturas; el flujo es originado por la succión creada en el múltiple de
admisión debajo de la válvula de aceleración y las aberturas de entrada en la
pared del carburador.
El flujo exacto es de la manera siguiente; desde el depósito del flotador el
combustible pasa a través de la válvula de regulación principal hasta un pasaje
que suministra tanto a los sistemas de marcha mínima como al de la válvula de
regulación principal y de ahí se eleva hasta la boquilla de baja velocidad a la que
cuidadosamente mide el suministro de gasolina y posteriormente el flujo continua
a través del pasaje de marcha mínima en donde se mezcla con una corriente de
aire que pasa a través de una desviación (un pequeño agujero que conduce hasta
la garganta del carburador) y la combinación de la corriente de aire con la
65
corriente de gasolina tiende a atomizar o descomponer la gasolina convertida en
vapor.
Figura.3.23. Funcionamiento del sistema de marcha mínima y baja la velocidad.
La entrada de marcha mínima está hecha en una variedad de formas de
ranuras de tal manera que, a medida que la válvula del acelerador se abre, no solo
permite que pase más aire a través de ella, sino que también descubre una mayor
fricción de la entrada de la marcha mínima, permitiendo que una mayor cantidad
de la mezcla de gasolina y de aire entre a la garganta del carburador desde el
paso de la mezcla de marcha mínima.
El tornillo de ajuste de mezcla de marcha mínima varía la cantidad de
mezcla de marcha mínima que pasa a través de la abertura de entrada que
controla. Esta mezcla se ajusta para cada motor en particular, a la que una vez
correctamente ajustada produce una mezcla que hace funcionar al motor a
velocidad mínima en forma suave en combinación con una abertura de acelerador
inicial.
4.- SISTEMA DE ALTA VELOCIDAD (Figura 3.24).- La gasolina fluye
desde él depósito del flotador, a través de la válvula de regulación, y sale a la
espera principal (esprea de descarga) para llegar hasta la garganta del
carburador.
Figura 3.24.- Sistema de alta velocidad en funcionamiento
Este circuito tiene una válvula de paso variable operada por medio del acelerador
y un venturi triple. En este diseño la boquilla o esprea principal descarga el
combustible a un ángulo hacia arriba dentro del venturi primario y en contra de la
corriente del aire entrante. El combustible, atomizado en el venturi primario, se
mantiene localizado en forma central en la corriente de aire por medio del
recubrimiento de aire que lo rodea y que pasa dentro del venturi secundario y
nuevamente hasta dentro del venturi principal, lo que ofrece protección para que el
combustible no entre en contacto con las paredes del carburador.
5.- EL SISTEMA AHOGADOR (Figura 3.25).- La figura muestra a la válvula
ahogadora en la admisión de aire (en la garganta de aire) casi completamente
cerrada, de tal manera que el suministro de aire que entra a la cámara mezcladora
se reduce grandemente y en la misma proporción aumenta el vacío en la esprea
de descarga; esta combinación tiende a suministrar una mezcla más rica, que es
esencial para la puesta en marcha del motor, especialmente en los climas fríos.
Figura.3.25. Funcionamiento del sistema del ahogador.
66
En resumen todos los carburadores modernos están
provistos de los sistemas:
1.
Cuba de nivel constante,:
2. .- Surtidor principal
3.
Surtidor de ralentí
4.
surtidor auxiliar compensador
5.
surtidor auxiliar con soplador de aire
6.
Bomba de aceleración
7.
Economizados por: freno sobre la gasolina o aumento de aire.
CARBURADORES CÁRTER (Figura.3.26).- Son muy usados en
automóviles americanos. De todos los populares, los Cárter W y los Y son los
únicos que, para actuar sobre la cantidad de gasolina que llega al surtidor S,
emplean como economizador una aguja G que obtura más o menos el calibre
principal C.
La gasolina llega a la cuba por F y pasa por dicho calibre C (con la
aguja G) al surtidor S que asoma al más estrecho de los tres difusores 1,2,3,
este último formado en el tubo de admisión, y los 1 y 2 soportados por el
brazo B, el juego de los tres canaliza y acelera la corriente de aire que entra
por A y pasa por abajo, ya carburada, a los cilindros.
En ralentí, con la mariposa M cerrada, la succión de los cilindros se
ejerce sobre el paso J, la gasolina se aspira a través del calibre R, se
emulsiona con una primera carga de aire que entra por la toma D, pasa por el
calibre economizador E, donde se bate y pulveriza mejor la gasolina con el
aire, y continúa por el conducto N a recibir una nueva dosis de aire por la
toma L; la mezcla sale por J donde recibe el último aire; el que pasa por los
bordes de la mariposa M, que ni puede cerrar herméticamente ni se le deja
totalmente, pues un tornillo exterior ajusta la posición más conveniente para
que el aire que pase por sus bordes proporcione la cantidad de mezcla
necesaria al ralentí.
Así es que el tornillo H ajusta la cantidad de emulsión que se mezcla al
último aire, o sea la riqueza de la mezcla final, y la cantidad de esta se gradúa
por la posición de reposo de la mariposa.
A medida que se abre la mariposa, la emulsión que viene por N sale
también por L, mezclándose con el aire que pasa por los bordes de M cada vez en
mayor cantidad.Pero este aire, al circular por el difusor 1, provoca una depresión,
cada vez más fuerte; comienza a sorberse gasolina de S que se pulveriza y
mezcla en el triple venturi. La cantidad de gasolina viene impuesta por el paso que
le permite la aguja afilada G en el calibre C, de modo que estando la mariposa M
abierta del todo la aguja esta hacia arriba y deja pasar, en cada momento, la
cantidad de gasolina que requiere el aire aspirado por el motor, manteniendo
67
constante la riqueza de la mezcla. El mando de la mariposa M (desde el pedal
acelerador) es solidario por la palanca P con el de la aguja G y también al de la
bomba, que no se dibuja en la figura por no complicarla. Conviene fijarse en que: 1
o hay tres calibres C, R y E (que se pueden desmontar o alcanzar desde el
exterior por tomillos fácilmente desmontables, para su limpieza), y 2° que solo hay
dos reglajes a mano: el del tornillo H y el del otro tornillo-tope citado y uno
dibujado que fija la posición de cierre de la mariposa M.
CARBURADORES STROMBERG (FIG.3.27).- El calibre principal l2 da
paso a la gasolina de la cuba. Para el ralentí sube por 11 y su calibre 8 a
emulsionarse con el aire que entre por el soplador interno 5; sigue por el conducto
vertical al mezclarse con más aire, que entra por I4, y sale debajo de la mariposa J
por el orificio que gradúa el tornillo I3.
Figura 3.27 Carburador Stromberg
A medida que se abre la mariposa J ocurre lo explicado en los otros
carburadores: la succión en S (que asoma al pequeño venturi 2 dentro del grande)
aspira la emulsión que se forma en S con el aire del soplador 4.
Cuando se agota la gasolina del pozo, sólo pasa a los cilindros la que deja
el calibre I2 (marca económico). Mientras la depresión es apreciable, el vació que
desde el orificio 1 llega por el conducto 3 al pistón 7 mantiene a éste levantando
venciendo al débil resorte 9; si, J está abierta a fondo y marchar despacio el
motor, la depresión pequeña (lo que ocurre al pisar el acelerador pidiendo la
máxima fuerza al motor), entonces no existe vacío que retenga al émbolo 7, su
resorte 9 tira del vástago que pisa y abre la válvula 10, y un suplemento de
gasolina pasa por 11a sumarse al económico del calibre 12, con lo que la mezcla
se enriquece para dar mayor potencia.
CARBURADOR ZENITH (Figura 3.28).- Los modelos modernos de Zenith
son los de tiro descendente. Las características fundamentales son:
1o, Surtidor único en forma de pico o boquilla P, al que confluyen la
gasolina que viene de la cuba por el calibre principal S y la del compensador C,
pozos X y Z y bomba de aceleración (sale por el pitorro W);
2o, barra de difusión B colocada transversalmente en la boca de la boquilla
P, con otra barrita normal G; al pasar el aire se crea una fuerte depresión debajo
de las varillas B y G que, además de ayudar a la producida por el venturi D,
reparte la emulsión de gasolina que sale por P a todo lo ancho del difusor.
3o, pozo X cerrado, con soplador permanente de aire H y otro mayor J
descubierto por el pistón economizador E: cuando la mariposa de gases M esta
casi cerrada, el fuerte vacío del colector de admisión se comunica por 7 y
conducto 8 a la parte superior del émbolo E, que se levanta venciendo al resorte
que lo aplica hacia abajo y descubre el paso grande de aire J, y
68
Figura.3.28.Esquema del carburador Zenith
4o, sistema equilibrado o antipercolador, pues la cuba y el pozo X, por K, y
la toma de aire del ralentí por L, comunican con la entrada general de aire en vez
de con la atmósfera exterior. Los modelos de la serie V-30 no suelen estar
equilibrados.
La gasolina pasa a la cuba a través de un colador N, y por los calibres
principales S y compensador C sale al surtidor-boquilla P. Los conductos
provenientes de S y C se comunican en Q, frente al conducto que alimenta al pozo
X. Por encima de Q está la toma de gasolina para el ralentí, que pasa el calibre R
y por el tubo U sale a los surtidores 5 y 6 de funcionamiento conocido, en L se
toma el aire, graduable desde el exterior por el tornillo T.
Por encima de Q sube el amplio conducto que termina en la boquilla P, por
unos orificios comunica con el pocillo Z, que a su vez lo hace por el conducto V
con el pozo X. A medida que se abre la mariposa de gases M, la succión sobre la
boquilla P sorbe la gasolina de Y, dando una mezcla rica, pero enseguida baja el
nivel y al descubrir los orificios de Z sale aire desde V y H, emulsionando y
rebajando la mezcla.
El nivel sigue bajando, y como el pozo se vacía por Q más deprisa de lo
que puede llenarlo C, llega un momento en que por los agujeros de Z solamente
sale aire, y por Q una emulsión de gasolina de C con aire que viene por H y X. Si
la succión es muy fuerte en el colector (mariposa a medios gases y gran velocidad
del motor), el vacío que pasa por 7 levanta el pistón economizador E, y al
descubrirse J, la proporción de aire que sale por Z y Q es mayor,
empobreciéndose la mezcla al máximo. Cuando la succión sobre P es pequeña,
vuelve a llenarse el pozo por la izquierda de Q, y el pocillo Z por los orificios de Y.
La bomba de aceleración funciona, como las explicadas, a través de un
resorte, según el siguiente esquema: al pisar a fondo el acelerador, el enganche
del embolo baja según b también de golpe, dejándolo liberado, de modo que es el
resorte el que más lentamente empuja al pistón Ñ que envía, por la válvula de la
bola U, la carga de gasolina a salir, no de repente, sino durante un breve pero
cierto tiempo, por el conducto W. Cuando se levanta al pie, el acelerador tira
según la flecha a, haciendo que el enganche suba a Ñ, que se carga por debajo
con la gasolina que entra por la valvulita de carga.
CARBURADOR DOBLE.- Muchos de los carburadores descritos
anteriormente se fabrican tanto en modelo de una garganta como de dos
gargantas. Ambos modelos operan de la misma manera, compartiendo el mismo
depósito de flotador, boquilla de potencia, bomba de aceleración y, en algunos
casos la válvula ahogadora a fin de formar un carburador doble.
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CARBURADOR DE CUATRO GARGANTAS (Figura 3.31).- Este tipo de
carburador está formado por dos carburadores dobles como una sola unidad,
como lo muestra la figura 3.31. La parte principal es un carburador doble completo
que contiene un ahogador, una bomba de aceleración, una válvula de potencia, y
un sistema de marcha mínima y de medición principal completa, similar en diseño
a los que ya se han descrito. La unidad secundaria tiene su propio depósito de
flotador y su propio sistema de medición principal para carburador doble así como
su propio sistema de marcha mínima.
FILTROS PARA EL AIRE ASPIRADO POR EL MOTOR
El aire aspirado por el motor contiene polvo en suspensión, que debe ser
eliminado para evitar que al mezclarse con el aceite de lubricación forme una
especie de pasta de esmeril y desgaste las paredes de los cilindros, asientos de
válvulas, etc. Se ha comprobado que los filtros corrientes de aire reducen el
desgaste de los cilindros en un 35%; los de papel, bastante más. Todos se
colocan en la boca de la tubería de admisión, antes del carburador, y están
basados en someter el aire a un movimiento de giro o cambio de dirección que
separa el polvo por fuerza centrífuga (depuración), y luego se ie hace pasar por
una materia que retiene las mas finas impurezas que van en suspensión (filtrado).
Los filtros son de tres tipos: húmedos, con baño de aceite y de papel.
FILTRO HÚMEDO (Figura 3.32, muestra dos versiones).- Consiste en
hacer pasar el aire, que entra por 1, a través de la esponja metálica 2
(generalmente virutas de cobre contenidas en una malla) que previamente se ha
sumergido y escurrido en aceite. La cámara 3 actúa como silenciador de entrada,
y el aire sigue por 4 al carburador. Los cambios de dirección y, sobre todo, el paso
a través de la esponja, despojan al aire de un 50 a 60% del polvo. La esponja 2
puede ser de poliuretano (parecida a la de caucho fino); pero, en todo caso, el
filtrado no es bueno y este sistema se considera anticuado. El filtro 2 debe lavarse
en petróleo y volverlo a bañar en aceite limpio cada 5000 a 10000 Km, según el
ambiente más o menos polvoriento donde trabaje el vehículo.
Figura 3.32.-Filtro húmedo para el aire.
En el filtro con baño de aceite (figura 3.32) el aire entra por la abertura
periférica A, baja, y al pasar por el estrechamiento en forma de venturi B aumenta
su velocidad, con lo que las partículas sólidas más pesadas son proyectadas
sobre el aceite de la bandeja C. Al pasar el aire, remueve y recoge gotas de este
aceite, y al subir atraviesa la masa esponjosa de virutas metálicas D, en la que se
quedan el aceite y el polvillo más fino y ayudados además porque al ensancharse
70
el paso disminuye la velocidad y el polvo es fácilmente retenido. El aire limpio
sigue por E al tubo central F que lo lleva al carburador.
Figura 3.33 Filtro con baño de aceite.
La cámara G debajo de la bandeja C, así como el tubo que en ella rodea a F,
sirven para amortiguar las pulsaciones de aire producidas por la aspiración
intermitente de los cilindros, y apagar las ondas sonoras, de modo que el aparato
es a la vez silenciador en ambos sentidos. Este tipo de filtro debe desmontarse
cada 8 o 10000 Km. Para lavar en gasolina o petróleo la bandeja y reponer en
esta aceite limpio tipo.
No hace falta aceitar la esponja, porque ya lo hace el aire entrante al pasar
cargado con gotas de aceite recogidas en C, además del salpicado que causa el
traqueteo de la marcha. El rendimiento oscila entre el 85 y el 90 %, bastante mejor
que el de simple esponja aceitosa.
EL FILTRO DE PAPEL O FILTRO SECO es el más moderno, sencillo y
eficaz (Limpia el aire hasta un 98%)(Figura 3.34), por estas razones es el más
usado, el aire que entra por 1 pasa a través de un acordeón 2-3 de “papel” poroso
al aire ( celulosa)] los numerosos pliegues en zigzag permiten dar una amplia
superficie de filtrado (para motores grandes más de la mitad de 1 m2) con poca
resistencia al paso del aire y en un aparato no excesivamente voluminoso.
Figura 3.34.- Filtro de papel
El aire deja sus impurezas en la superficie externa del acordeón 2-3. Cada 5 a
8 000 Km, según el ambiente de trabajo, se quita la tapa para extraer el plisado de
papel (que está sujeto arriba y abajo por los aros blandos dibujados) y se cambia.
Todos los filtros, a la vez que depuran el aire silencian su entrada. Para poder
rebajar la altura del capó, en vez de colocar el filtro encima del carburador
descendente, se sitúa inclinado a un costado.
En conclusión, los requisitos esenciales de un filtro, para el aire son:
1.- Elevada eficiencia filtrante, es decir, capacidad para retener un gran
porcentaje de impurezas. Con filtros de papel se puede alcanzar una
eficiencia de aproximadamente un 99%.
2.- Buen poder acumulador, es decir, posibilidad de funcionar durante largos
periodos de tiempo sin necesidad de limpieza o cambio.
CARBURADORES EN LOS MOTORES DE AVIACION.- En aviación, el
carburador de tipo clásico se usa en motores de pequeña cilindrada (aviones de
turismo). Para motores de mayores dimensiones requieren de un carburador de
seguro funcionamiento, empleando los carburadores de inyección.
Un carburador en la aviación debe satisfacer:
71
1.- Asegurar el flujo de combustible.
2.- Garantizar la homogeneidad de la mezcla.
3.- Asegurar la dosificación constante.
4.- Proporcionar una mezcla rica a plena potencia.
5.- Obtener un adecuado calentamiento del carburador para una buena
vaporización del combustible.
Lo anterior es muy importante ya que a grandes alturas, la temperatura del
aire es baja lo cual facilita la formación de depósitos de hielo. La acumulación de
hielo puede causar el agarrotamiento de la mariposa del acelerador y como
consecuencia la disminución de la entrada de aire, y otras consecuencias graves.
Para evitar el grave problema anterior se requiere:
1. -Calentamiento del aire.
2. -Calentamiento de las partes propensas a formar depósitos de hielo.
Lo cual se resuelve mediante:
1. -Tubo de salida de los gases de escape.
2. -Aceite lubricante.
3. -Admisión de mezclas anticongelantes (alcohol anhídrido) que al mezclarse con
la humedad del aire baja su punto de congelación.
Por ello el carburador de inyección en aviación es garantía de seguridad en el
funcionamiento del motor, se elimina la formación de hielo en el venturi y se
permite alimentar a los cilindros en las más difíciles condiciones de vuelo. En un
carburador de inyección el combustible es inyectado continuamente a muy baja
presión (1.3 a 1.4 Kg/cm2) por debajo de la mariposa de regulación del caudal del
aire. A este sistema de alimentación se le llama también de inyección continua o
inyección de baja presión.
3.2.- -INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE
HISTORIA DE LA INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE
La idea de inyectar combustible en la cámara de combustión o en los
conductos de admisión de un motor es muy antigua; es una idea en la que
empezó a trabajar Rodolfo Diesel a finales del pasado siglo, aunque la inyección
para motores diesel tiene una problemática diferente de la de los motores de
gasolina dada la diferencia de cómo se produce la explosión en cada uno de los
motores. Pero a pesar de que Diesel trabajó a fondo el sistema de alimentación de
combustible para sus motores, la inyección de combustible para motores de ciclo
Otto dio sus primeros pasos hacia el año 1893.
El año 1948 fue la primera aplicación de la inyección de gasolina a un motor
72
de combustión interna de un automóvil.
La aplicación de la electrónica a los sistemas de inyección, ha elevado a
cotas altísimas el grado de eficacia a la hora de introducir en un cilindro la
cantidad exacta de combustible que necesita. Las grandes posibilidades de la
electrónica aplicada a la alimentación, permite medir todos los parámetros
indispensables para conseguir una dosificación perfecta en función de múltiples
parámetros que influyen directamente en este proceso, hasta el punto de que
sistemas combinados de control de inyección y encendido, son aplicados con
profusión en los modelos que se fabrican hoy día.
Gracias a las últimas tecnologías desarrolladas en los sistemas electrónicos
de inyección-encendido, la alimentación de los motores de explosión se acerca a
los límites de la perfección y, para conseguirlo, existen una serie de condiciones
que han de cumplir.
Con estos parámetros bajo control, el sistema electrónico permite modificar
la aportación de gasolina con respecto a la del aire, y así mantener siempre una
dosificación correcta para cada uno de los múltiples estados de funcionamiento del
motor.
En un principio la inyección de gasolina fue aplicada solamente a motores
de carreras y competición. Entre los constructores europeos la casa MERCEDES
BENZ equipa su famoso gran turismo 300 SL con un sistema de inyección y lo
propio puede decirse de la casa inglesa JAGUAR así como de la GENERAL
MOTORS con el CORVETTE CHEVROLETT con este sistema.
Un microprocesador, que llamaremos módulo eléctrico, controla el tiempo
de apertura de los inyectores en función de los datos que recibe de los diferentes
captadores periféricos del sistema.
Exceptuando los sistemas de inyección continua y de inyector único, el
momento de inicio de la inyección lo determina el paso del pistón por el PMS en el
primer cilindro.
La mayor parte de los automóviles modernos, a partir de aproximadamente
1985, van equipados con sistema de inyección de gasolina en lugar del
carburador.
Con la inyección de gasolina no se necesita venturi, por lo que el flujo de
aire encuentra menos obstáculos que en el carburador. Como el colector de
admisión solo conduce aire, no necesitará foco calorífico y puede tener una forma
que no dificulte el paso de este.
Los principales inconvenientes del sistema de inyección son su elevado
costo comparativamente con el sistema de carburador y las reparaciones deben
ser realizadas por un experto.
El cambio de carburadores a sistema de inyección se debe a que este
último proporciona una mejor manera de resolver los estándares de economía y
emisión de combustible establecidos a nivel mundial.
73
La supresión del carburador permite una concepción óptima de los
colectores y conductos de admisión, gracias a la cual se mejora notablemente el
llenado de los cilindros, del que resulta una potencia específica mayor y una curva
característica del par motor mejor adaptada a las condiciones de circulación del
vehículo.
La aplicación de los sistemas de inyección de combustible en TODOS los
MCIA modernos es debido a las cada vez más rigurosas normas para el control de
las emisiones de dichos motores. La inyección de combustible permite un control
más preciso de la mezcla aire-combustible que la que se logra con carburador.
Los inyectores de combustible pueden ser controlados eléctricamente o mediante
presión de combustible para inyectar cantidades exactas de éste, aun cuando en
la mayoría de los casos, los carburadores suministran el combustible en corriente
constante.
La inyección del combustible se realiza de dos formas:
-INYECCIÓN DE MANDO MECÁNICO.
-INYECCIÓN DE MANDO ELECTRÓNICO.
PROCEDIMIENTO DE LA INYECCION. Puede realizarse por dos procedimientos:
a)-INYECCION DIRECTA (Figura 3.35). Independientemente de si se trata
de un motor de gasolina o diesel, se dice que el sistema de inyección es directa
cuando el combustible se introduce directamente en la cámara de combustión
formada por la culata y la cabeza del pistón, que suele estar labrado para
favorecer la turbulencia de los gases, y mejorar así la combustión. La inyección del
combustible es a una presión superior a los 40 bares. Su construcción es más
complicada
b).-INYECCION INDIRECTA (Figura 3.35). En los motores de gasolina de
inyección indirecta la gasolina se introduce antes de la cámara de combustión, en
la tubería de admisión de cada uno de los cilindros, frente y cerca de la válvula de
admisión. La presión necesaria es de 1.2 a 1.7 bares y el equipo es menos
costoso que el anterior. Su construcción es más sencilla.
Según el número de inyectores utilizados, los sistemas de inyección se
clasifican en dos grupos:
INYECCION MONOPUNTO: En estos sistemas se dispone de un solo
inyector o electro-válvula, generalmente acoplado en el lugar del carburador, que
introduce el combustible en el colector de admisión.
INYECCION MULTIPUNTO: Estos sistemas disponen de un inyector por
cilindro, generalmente emplazados en las proximidades de la válvula de admisión.
Esquema de un sistema monopunto.
Esquema de un sistema multipunto.
En este apartado se establecen dos grandes grupos: La Inyección continúa
y La inyección Intermitente. En el primer grupo, los inyectores introducen el
74
combustible de forma continua en el colector de admisión, previamente dosificado
y a presión. En el segundo grupo, los inyectores introducen el combustible de
manera intermitente, es decir, cada inyector se abre y cierra continuamente.
Cuando las inyecciones se producen sucesivamente en cada inyector, una tras
otra, el sistema se denomina inyección Secuencial; por el contrario si el
combustible es inyectado por todos los inyectores a la vez, el sistema recibe el
nombre de Inyección Simultanea.
Los sistemas de inyección de gasolina ya estaban disponibles en motores
aeronáuticos antes de la II Guerra Mundial, y han sido profusamente empleados
en aviación, el rendimiento de los motores con este sistema es excelente, siendo
mayor el coste con este sistema que con el de carburador.
Figura 3.35.- Inyección indirecta y directa
La inyección de combustible presenta varias ventajas, en relación con los sistemas
de carburador, que compensan su mayor costo y complejidad.
Los sistemas de inyección electrónica presentan dos ventajas sobre el sistema
mecánico:
1.- Disponen de innumerables dispositivos de alta sensibilidad para
suministrar a los cilindros el volumen adecuado de gasolina.
2. - No requieren un distribuidor mecánico de alta precisión.
Estas ventajas resultan evidentes en el sistema electrónico Bosch (Figura
3.36) uno de los más populares, que además funciona a presiones de combustible
más bajas que las mecánicas (1.75 a 2.1 Kg/cm2). Dispone de una bomba
eléctrica que aspira del depósito más gasolina de la que se necesita inyectar. El
sobrante vuelve al depósito a través de un regulador de presión, que evita que se
formen bolsas de aire y de vapor de gasolina.
El sistema de inyección electrónica de gasolina emplea elementos tales como:
 sensores,
 circuitos integrales,
 resistores,
 termómetros, etc.
Los cuales aportan constantemente a la unidad de control (computadora) datos
sobre:
 velocidad del motor
 carga
 temperatura del refrigerante
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 temperatura del aceite, etc.
VENTAJAS DE LA INYECCION DE GASOLINA
1.- MEJOR LLENADO DE LOS CILINDROS.- La alimentación y pulverización se
realiza por medio de inyectores. De esta manera el conducto de alimentación de
aire está libre de obstáculos y puede ser tan amplia como convenga a la
respiración del motor. Además, como no es necesario tener puntos calientes para
vaporizar la gasolina, el aire no se calienta y la masa aspirada es mayor
2.-MAYOR RELACION DE COMPRESION.- Si la inyección es directa (inyección
en la cámara de combustión) el tiempo de contacto entre las gotitas de gasolina y
el aire es mucho menor que en el caso de los carburadores, el calentamiento de la
mezcla es menor y la oxidación que se produce con el contacto del aire y que
tiende a hacer detonante la mezcla es muy inferior a la que se produce en los
carburadores por ello se puede aumentar de 1 a 1.5 la relación de compresión.
3.-CONTROL PRECISO DE SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE.- La cantidad
inyectada a cada cilindro está perfectamente controlada.
4.-ACELERACIONES MÁS RAPIDAS.- Aceleraciones y desaceleraciones más
rápidas debido a que la cantidad de gasolina inyectada varía instantáneamente
según la posición del acelerador.
5.- MAYOR ELASTICIDAD DEL MOTOR.- El aumento del régimen del motor es
directo y pisado a fondo se hará sin golpeo ni vibraciones ya que el suministro de
gasolina se hará siempre según el caudal de aire aspirado.
6.- ELIMINACION DEL EFECTO DE CONGELACION EN EL MULTIPLE - Lo cual
es una ventaja importante para los motores de aviación
7.- ARRANQUE MÁS FACIL.- Puesto que el combustible es atomizado y
suministrado en el cilindro
8.- MEJOR REFRIGERACION.- Porque la vaporización del combustible tiene
lugar (sin adición de calor) en las carreras de admisión y compresión y en
consecuencia, se reducen las temperaturas de compresión.
9.- DISEÑO MÁS COMPACTO DEL MOTOR
10.- HABILIDAD PARA UTILIZAR COMBUSTIBLES MENOS VOLATILES
11.- AL NO EXISTIR CARBURADOR NO HAY POSIBILIDAD QUE SE
PRODUZCA HIELO EN EL MISMO.
En resumen podemos decir que la inyección de combustible nos da:
VENTAJAS
1.-Aumento de la potencia de un 10 a un 20%.
2.- Disminución del consumo hasta un 10%
3.- Mayor elasticidad del motor.
4.- Aceleraciones más rápidas.
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DESVENTAJAS
1.- Más costos en su fabricación.
2.- Más complicados para ajustarse y mantenerse.
3.- Menor vida prevista
4.- Menor tiempo para el proceso de mezcla.
5.- Se forman tapones de vapor durante las operaciones en días calurosos.
6.- Es más difícil rearrancar un motor parado por falta de combustible.
INYECCIÓN CON SISTEMA MECANICO (FIGURA 3.36)
El sistema mecánico Lucas (figura 3.36) emplea un dispositivo de lanzadera, que
regula el suministro de gasolina. Una bomba eléctrica, situada cerca del
dispositivo de gasolina, aspira el combustible a través de un filtro de papel y lo
envía a una presión de 7 Kg/cm2 a la unidad de control o distribuidor-dosificador.
La presión se mantiene constante gracias a una válvula de descarga que devuelve
el exceso de gasolina al depósito. El suministro de carburante está regulado por
un rotor o cilindro movido por el motor. Del distribuidor-dosificador parten a cada
inyector y por turno volúmenes de combustible cuidadosamente medidos y
sincronizados. Las válvulas inyectoras se mantienen cerradas por efecto de unos
muelles, hasta que las abre la presión de la gasolina, inyectándose ésta en la
parte posterior de las válvulas de admisión.
SISTEMA DE INYECCION ELECTRONICA BOSCH (FIGURA 3.37)
Figura 3.37.- Sistema de Inyección Electrónica BOSCH
La computadora a su vez activa los solenoides del inyector para abrir o
cerrar las válvulas. La duración de la apertura de las válvulas depende de las
condiciones del motor y generalmente están entre 8 y 12 milisegundos (milésimas
de segundo).Debido al uso de componentes electrónicos, este sistema
proporciona una respuesta rápida a los cambios en las condiciones del
funcionamiento del motor dando por resultado un mejor rendimiento y una
reducción en los costos operacionales.
MOTORES ENCENDIDOS POR COMPRESIÓN (MEC)
En el motor encendido por compresión el doctor Diesel introdujo la
inyección de aire como un medio para atomizar el combustible. Al funcionar, el aire
era medido y bombeado hacia la tobera, la cual a su vez estaba conectada a una
fuente de aire a presión. La tobera era simplemente una válvula accionada
mecánicamente una niebla bien atomizada aun cuando fueran empleados
combustibles pesados y viscosos. Sin embargo el tamaño y costo del compresor
de aire junto a la potencia requerida para su funcionamiento han hecho que la
77
inyección mediante aire resulte anticuada. Los sistemas modernos, utilizan la
inyección sólida o mecánica de combustible con tres métodos de operación:
1.- Sistema de bomba individual (figura.3.38), que cuenta con un dosificador y
una bomba de compresión por separado para cada cilindro del motor.
2.- sistema de distribuidor (figura.3.39), que cuenta con una bomba para
dosificar y comprimir el combustible más un mecanismo divisor para distribuir el
combustible hacia los cilindros.
Figura 3.38 Sistema de bomba individual.
Figura 3.39 Sistema de distribuidor.
3.- Sistema de conducto común (figura.3.40), que cuenta con una sola bomba para
comprimir el combustible más un elemento dosificado para cada cilindro.
Figura 3.40. Sistema de conducto común.
Un inyector electromagnético Consiste en una pequeña cámara alargada
en cuyo interior se aloja una aguja solidaria al núcleo de un electroimán. Cuando
no circula corriente por la bobina del electroimán, la base cónica y ancha de la
aguja se mantiene apretada, contra su asiento por la fuerza de un muelle. Cuando
se da paso a la corriente por las espiras del electroimán se produce un campo
magnético que desplaza el núcleo y con él la aguja, cuya base cónica se separa
de su asiento aproximadamente O, 15 mm.
El combustible, que es mantenido a una presión en torno a los 2 Kg/cm 2,
fluye entonces por el hueco anular calibrado y es pulverizado durante todo el
tiempo que dure la inyección (unos pocos milisegundos). La cantidad de
combustible inyectado depende del tiempo que permanezca abierto el inyector, es
decir, del tiempo que se mantenga el impulso eléctrico suministrado por la unidad
electrónica de control.
Estos modernos circuitos reúnen componentes miniaturizados tales como
condensadores, resistencias, diodos y transistores, formando una unidad
electrónica de computación. Sus dimensiones son tan asombrosa-mente
pequeñas que en la superficie equivalen a la de una uña aproximadamente 22
mm2, uno de estos microcircuitos puede reunir hasta 3.400 transistores y
componentes diversos.
En resumen un sistema de inyección electrónica de gasolina está
constituido por tres partes bien diferenciadas:
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1.-El circuito de combustible: Su cometido es la alimentación de gasolina a
los inyectores, la regulación de la presión del combustible y su filtrado.
2.-Sensores, sondas y medidores: Detectan los parámetros del motor, que
determinan las necesidades de carburante en cada momento.
3.-Microprocesador o unidad de control electrónico (ECU): Elabora las
señales eléctricas de los sensores, calcula las necesidades de combustible y
emite finalmente los necesarios impulsos eléctricos para hacer actuar a los
inyectores.
Figura 3.42.- Esquema del Sistema Bosch L-Jetronic
I. Depósito de combustible
2. Bomba eléctrica de combustible
3. Filtro de combustible
4. Tubo distribuidor
5. Regulador de presión
6. Sonda volumétrica de aire
7. Distribuidor de encendido
8. Interruptor de la mariposa
9. Sonda térmica del motor
10. Sonda Lambda
11. Dispositivo de mando
12. Válvula de inyección
13. Batería
14. Interruptor de encendido y arranque
15. Combinación de relés.
16. Válvula de arranque en frío
17. Interruptor térmico de tiempo 18. Válvula de aire adicional
19. Tornillo de regulación de fa mezcla de ralentí (mínimo)
20. Tornillo de regulación de la velocidad de ralentí (mínimo)
21. Mariposa
Existen varias marcas de los sistemas de inyección de combustible como marcas
de automóviles hay. Por ejemplo el sistema de inyección electrónico KJETRONIC, con sus diferentes componentes
SISTEMA K-JETRONIC.- El K-Jetronic es un sistema de funcionamiento
mecánico, en el cual se dosifica en forma continua el combustible según el caudal
de aire aspirado por el motor. El K-Jetronic se ha aplicado desde 1973 hasta 1995
79
en el equipamiento original de vehículos de serie. Desde entonces, el K-Jetronic
se ha tenido en cuenta para el mantenimiento y la reparación
1.- Electrobomba de combustible
2 • Acumulador de combustible
3 • Filtro de combustible
4 • Regulador de calentamiento
5 • Válvula de inyección
6 • Electroválvula de arranque
7 • Distribuidor dosificador de combustible
8 • Medidor de caudal de aire
9 • Interruptor térmico de tiempo
10 • Válvula de aire adicional
La inyección directa permite empobrecer la mezcla de aire y combustible,
sin desmerecer en rendimiento, consumos o emisiones contaminantes. Para ello
una de las válvulas de admisión se encarga del llenado, a través de un conducto
recto, mientras que la otra helicoidal, aporta verticidad-elevado grado de velocidad
y turbulencia rotatoria-al aire entrante. La del llenado solo se abre a medida que
aumenta la potencia demandada por el conductor, manteniendo un nivel constante
bajo condiciones moderadas de marcha. Esto último se logra gracias al
movimiento circular adoptado por el aire que canaliza el combustible inyectado
hacia la bujía, eliminando cualquier dispersión y, por ende, simplificando el
funcionamiento en modo económico (aún con la mezcla empobrecida). Este
procedimiento ya se había visto con anterioridad en los motores diesel de
inyección directa.
Inyector
•Proporciona el combustible.
•Localización: si el motor es de inyección indirecta de gasolina, está en el colector
de admisión.
Si es de inyección directa o Diesel, en la cabeza.
AVANCES EN LA AVIACIÓN.- Los primeros avances de la inyección de
combustible realmente vinieron a través de la aviación. Desde su inicio, la
inyección de combustible constituyó un papel muy importante en la aviación
práctica. En 1903, el aparato Wright Flier utilizó un motor de combustible de 28
HP. En toda Europa, antes de la Primera Guerra Mundial, la industria de la
aviación consideró las ventajas obvias que la inyección de combustible
proporcionaba.
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Los carburadores en los aeroplanos están propensos a congelarse durante
los cambios de altitud, limitando la potencia disponible; mientras que eso no le
sucede a la inyección de combustible. Las tazas del carburador están propensas a
derramarse y a causar fuego durante cualquier cosa que no sea vuelo normal,
nivelado y controlado; mientras que no sucede así con la inyección de
combustible.
INTRODUCCIÓN
La sobrealimentación tuvo su origen en los motores de aviación para
corregir sus deficiencias de mezcla rica, ya que a cotas elevadas la densidad
del aire es menor y su rendimiento (ƞ) disminuye.
En aviación, se puede establecer que a partir de los 5,400m de altura, el ƞ
del motor disminuye por falta de presión atmosférica, hasta en un 50% con
respecto al nivel del mar (N.M.). La solución a este problema fue la adaptación de
sobrealimentadores. Posteriormente se aplicaron en la automoción, en especial en
los motores de competición.
Generalmente, la sobrealimentación se realiza por medio de un mecanismo
llamado compresor. En los motores de 4 tiempos se aplica el compresor
solamente en casos especiales para lograr mayor potencia, mientras que en los
motores de 2 tiempos, el compresor es indispensable para el normal
funcionamiento.
La sobrealimentación nos permite introducir en el cilindro un fluido de
mayor peso del que el motor es capaz de aspirar normalmente y tiene como
finalidad:
1.- Alcanzar una determinada presión de alimentación para condiciones
particulares de funcionamiento.
2.- Aumentar la potencia por unidad de cilindrada
El primero se refiere principalmente al caso de motores de aviación ya
que al variar la cota varía la presión atmosférica y por lo tanto, la
alimentación. Ya que la densidad del aire y el peso de la carga aspirada
disminuye y por consiguiente, la potencia.
FACTORES EN LOS QUE INFLUYE LA SOBREALIMENTACIÓN.
81
 Rendimiento volumétrico (ƞ𝒗 ).- Es la relación entre la masa de gas
realmente admitida en el cilindro y la masa correspondiente al mismo
volumen a la presión atmosférica.
 Par motor.- Esta relacionado con el qv. Influye en la obtención de la
potencia ya que:
Pot = Pm vel.angular
Par motor: representa la capacidad del motor para producir trabajo. Es el
momento de torsión de un motor.
SISTEMAS DE SOBREALIMENTACION Y SU APLICACIÓN.
Dos son los tipos fundamentales de compresores de aire con los cuales se
obtiene generalmente la sobrealimentación:
Compresor volumétrico o mecánico o de desplazamiento positivo
Pueden ser: de lóbulos, de paletas o de pistones, accionados mecánicamente
Compresor centrífugo. Están compuestos esencialmente de un rotor centrífugo,
un difusor y una turbina, pueden ser accionados ya sea mecánicamente o por
medio de una turbina que aprovecha la energía contenida en los gases de escape.
En este último caso se llaman TURBOSOPLANTES O TURBOCOMPRESORES.
Se usan principalmente en los motores de aviación porque se adaptan bien a las
características de este empleo, actualmente este tipo de dispositivo se emplea en
los motores modernos para proporcionar mayor potencia.
La diferencia esencial entre los dos tipos de sobrealimentadores es la
manera en que estos son accionados. El compresor volumétrico es accionado por
el cigüeñal para su funcionamiento y en el segundo es accionado mediante la
velocidad de salida de los gases de escape y, por tanto la energía para accionarlo
es gratuita.
Empezamos con la descripción y funcionamiento de los compresores
volumétricos o mecánicos o también llamados de desplazamiento positivo
HISTORIA.- En los primeros años del automóvil la forma de conseguir más
potencia fue relativamente sencilla: si se querían más caballos se aumentaba la
cilindrada, bien empleando pistones de mayor tamaño o bien aumentando el
número de cilindros. Este tipo de solución no presentaba problemas graves en
vehículos de uso normal, pero en competición pronto se demostró que no era la
solución ideal.
82
La idea de la sobrealimentación es casi centenaria y existen patentes que se
remontan al siglo XIX. Ya los hermanos Daimler patentaron un tipo de compresor
en 1896, y el ingeniero Büchi también presentó en 1905 la primera idea de lo que
podría ser un turbocompresor, la cual completó en 1910 con un sistema
básicamente igual al que se utiliza hoy día.
TIPOS DE COMPRESORES VOLUMÉTRICOS
La toma del movimiento desde el motor se hace en los casos más simples
mediante un acoplamiento de correa o normalmente con una serie de engranes. El
compresor de lóbulos más difundido es el tipo Roots (figura. 3.1). Está compuesto
en su realización más simple por dos rotores de dos lóbulos que tienen una
sección parecida a un ocho; los rotores están unidos a los engranajes y giran a la
misma velocidad y en sentido contrario.
Figura 3.1.- Compresor volumétrico de 2 y 3 lóbulos ti
En la figura 3.2, en base a los datos experimentales, se muestra un diagrama de
las características de un compresor Roots de lóbulos. Este compresor une a sus
ventajas la alta velocidad de rotación, la simplicidad y la ausencia de contactos
entre las partes de giro (por lo que no necesita lubricación interna). La máxima
velocidad periférica de los rotores, compatible con la seguridad de funcionamiento,
es de unos 60-65m/s, mientras que la presión de descarga debe ser limitada a
1.6-1.7kg/cm2.
El caudal efectivo del compresor es teóricamente proporcional al número de
revoluciones del motor y es menor al teórico a causa de las perdidas volumétricas
debidas al huelgo entre los elementos fijos y rotativos. Con estas pérdidas (que
pueden agruparse en dos categorías: perdidas de presión a la entrada y perdidas
por filtraciones), cuando se termina el caudal efectivo del compresor, es oportuno
basarse en valores del rendimiento volumétrico deducido de pruebas y obtener el
caudal como producto del teórico y del rendimiento volumétrico así obtenido.
Figura 3.2 curva de rendimiento adiabático del compresor Roots.
El compresor Elliot-Lysholm (figura. 3.3) es un tipo de compresor de lóbulos que
no sólo transporta la carga desde la aspiración a la descarga, sino que
simultáneamente la comprime según unapolitrópica próxima a la adiabática,
(figura. 3.4).
83
Sus características son: el elevado rendimiento adiabático (hasta un 84%),
su amplio campo de condiciones de funcionamiento, para las cuales el rendimiento
se mantiene aceptable y la notable relación de compresión.
La dificultad de fabricación, así como su elevado costo, han impedido su
difusión.
Figura.3.4 curva de rendimiento adiabático del compresor Elliot-Lysholm
Los compresores de paletas (figura. 3.5), (Soller, cozette, etc.) permiten alcanzar
relaciones de compresión elevadas (hasta 3:1) con rendimiento adiabático de
0.4-0.5 y en algunos casos de 0.6.
Figura. 3.5. Compresor de paletas
La figura 3.6 ilustra la marcha de las presiones de alimentación suministradas por
dos compresores, uno volumétrico y otro centrifugo, aplicados al mismo motor.
Figura.- 3.6 Comparación de presiones de dos sobrealimentadores
Otros tipos de compresores son:
Compresor Eaton Roots aplicado a un motor alternativo
a. Se trata de una máquina pura de circulación, en las que no se comprime el aire.
La presión de carga efectiva no se crea hasta llegar al colector de admisión.
COMPRESOR G DE VOLKSWAGEN
a. El compresor G de Volkswagen ya no se utiliza, y se ha estado incorporando en
algunos motores del W. Polo, W Golf y W. Passat durante menos de una década.
El VW Polo G40 fue lanzado al mercado automotor en la Primavera de 1991 y
ha sido el más rápido Polo construido en serie hasta la actual fecha por la
casa VW, habiendo registros de los 0-100 km/h entre los 7,5 y 8,5 segundos,
y velocidades máximas entre los 195 y 230 km/h.
VENTAJAS DE LA SOBREALIMENTACIÓN
1.-En motores de pequeña cilindrada el compresor mecánico es ventajoso porque
en ellos puede trabajar con un buen rendimiento, y dar resultados a bajo régimen
84
similares al de motores de gran cilindrada. Se calcula que el límite de validez
ronda los motores entre 1.6 y 2 litros.
2.- Aumentar la potencia de un grupo existente sin necesidad de grandes y
costosas modificaciones.
3.- Realizar grupos de dimensiones reducidas con características de espacio
adaptadas a particulares servicios, no realizables con motores no
sobrealimentados, de cilindrada necesariamente superior.
4.- Obtener consumos específicos más bajos en comparación con los motores de
aspiración natural de igual potencia.
5.- Compensar, en caso de funcionamiento a cota elevada, el efecto de
Tarificación del aire.
INCONVENIENTES DE LOS SOBREALIMENTADORES MECÁNICOS
1.- Gran tamaño y peso
2.- Consumen potencia directamente del motor
3.- Funcionamiento ruidoso,
4.- Dificultad de construcción.
5.- Su delicadeza
6.- Lo complejo del accionamiento.
3.4.- MOTOR TURBOCARGADO
Se llama motor turbo cargado aquel que está equipado con un mecanismo
llamado TURBO COMPRESOR
TURBOCOMPRESOR CENTRÍFUGO (TCC)
Los turbocompresores son turbo máquinas térmicas que se emplean
para la compresión de grandes caudales de gases. Están compuestos por
una carcasa con dos orificios, uno de admisión y otro de escape, y al interior
de ésta se encuentran uno o más rotores con alabes. Existen dos tipos de
clasificaciones para los turbocompresores, una de acuerdo a la relación de
presiones y la otra de acuerdo a su principio de funcionamiento.
Los turbocompresores en general presentan varias ventajas para preferir
su uso, siendo algunas de ellas las siguientes
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• construcción compacta
• volumen de máquina reducido
• seguridad de funcionamiento
• carencia de desgaste
• escasa cimentación
• montaje sencillo
• marcha exenta de vibraciones
• regulación progresiva fácil
• carencia de vibraciones en los conductos de gas
• Obtención de elevadas potencias a partir de cilindradas reducidas
• Reducción de peso y volumen
• Funcionamiento silencioso
Estas ventajas justifican la introducción del TCC en la industria
desplazando al compresor alternativo, sobre todo cuando se requieren caudales
volumétricos elevados.
Gracias a investigaciones realizadas para el desarrollo del compresor el
TCCinvade cada vez más la zona de aplicación a los motores alternativos.
Ejemplo.- Si un motor produce 500 Hp al N.M. para desarrollar esta
potencia requiere de un consumo de 4300 pies3 de aire por hora, cuyo peso es de
3000lb, a una altura de 1000 pies los 4300 pies3 pasaran a 2460lb y a una altura
de 10000 pies, esta cantidad de aire pesara 1810lb.Ya que la potencia del motor
depende de la capacidad de consumo de libras de aire, a medida que el avión
asciende la potencia del motor desciende, y a una altura de 15000 pies solo
proporcionara aproximadamente una potencia de 250Hp en lugar de los 500Hp.
Existen dos tipos de clasificaciones para los turbocompresores, una de
acuerdo a la relación de presiones y la otra de acuerdo a su principio de
funcionamiento. Así, podemos clasificarlos en:
FUNCIONAMIENTO DEL TURBOCOMPRESOR (Figura 3.7)
Luego que se produce la combustión, los gases del escape penetran en la
caja donde se encuentra la turbina, y aplican fuerza a los alabes de la misma.
86
Esos gases son los que hacen girar la turbina, debido al mismo principio de física
que hace girar las aspas de un molino de viento cuando este sopla. Los gases de
escape actúan sobre el mismo centro de la turbina, y después continúan su
camino hacia el sistema convencional de escape. (Figura 3.7).
Figura 3.7 Compresor en corte completo
En el lado opuesto del eje de la turbina se encuentra el compresor. El
compresor absorbe el aire a la presión atmosférica y lo comprime para aumentar
esta presión. Seguidamente el aire comprimido es enviado al múltiple de admisión
y a los cilindros.
Siempre que el motor se encuentre en funcionamiento, también la turbina
estará girando. Sin embargo a bajas rpm, el motor absorberá el aire con mayor
rapidez que el compresor lo puede comprimir. Como resultado de esto, la presión
en el múltiple será menor a la presión atmosférica. Esto origina un vacío en el
múltiple. A medida que aumenta la velocidad del motor, también incrementa el
volumen de los gases de escape. Llegando a cierto punto, el volumen de los
gases de escape es tal que el compresor será capaz de bombear con mayor
velocidad de lo que el motor puede utilizarlo. Por lo tanto, el vacío existente en el
múltiple de admisión desarrolla esta presión, la condición se describe como la
etapa de impulso.
Esta presión positiva contenida en el múltiple de admisión aporta ciertos
beneficios para que el motor reciba un cierto incremento en las cámaras de
combustión. Esto contribuye a que desaparezca cualquier residuo de gas y se
enfríen las cabezas de los cilindros, los pistones, las válvulas, y en cierta medida,
los gases de escape. El que la explosión de la mezcla de aire y combustible
resulte más limpia. Unido esto al efecto de enfriamiento del motor, son factores
que ayudan a prolongar la vida útil de cualquier motor. A medida que el
turbocargador comprime el aire, aumenta su temperatura. Es algo muy común,
mientras que el motor está en la etapa de impulso, la temperatura del compresor
aumenta de 21°C (70°F), a 93.3°C (200°F). El calor producido por la compresión
tiene sus ventajas, pero también ciertas desventajas. Mientras el incremento de la
temperatura ayuda a una mayor vaporización de combustible, también aumenta la
tendencia a detonaciones por parte de bujías, la figura. 3.8, muestra dicho
funcionamiento.
Figura.3.8 Funcionamiento del Turbocompresor centrífugo.
Figura 3.9 Curva de comparación de un motor con aspiración normal y uno con
turbocargador
87
Con el turbocompresor se está introduciendo en los cilindros aire
comprimido, consiguiendo con ello un llenado perfecto y una mayor masa de aire
que permita una combustión más rica en aire y una mejor refrigeración del pistón,
cilindro y cámara. Esta sencilla forma de funcionamiento se logra gracias a la
elevada tecnología y calidad del propio turbocompresor.
Para dar una ligera idea basta decir que el régimen de giro del conjunto rotativo
turbina-compresor puede alcanzar hasta las 250.000 vueltas por minuto (rpm) y
soportar temperaturas de más de 1000°C, donde los niveles de precisión en el
ajuste equilibrado, tolerancias, estanqueidad,.etc. Son de extremo rigor.
DESVENTAJAS DE UN TURBOCOMPRESOR CENTRIFUJO
Menor duración dei motor ya que lo fatigamos más.
Potencias reducidas a bajas revoluciones.
La respuesta dei motor entonces es poco brillante
El mantenimiento del turbo es más exigente que el de un motor
atmosférico.
 Los motores turbo requieren un aceite de mayor calidad y cambios de
aceite más frecuentes, ya que éste se encuentra sometido a
condiciones de trabajo más duras.




Los motores turboalimentados requieren mejores materiales y sistemas de
lubricación y refrigeración más eficientes.En la evolución de los sistemas
sobrealimentados se han incluido en el circuito de admisión un intercambiador de
calor llamado intercooler.
El intercooler está compuesto por un intercambiador de calor, ya que, al ir
el aire más de prisa se produce un roce molecular entre las moléculas de aire, que
aumenta la temperatura de este. Con el intercooler logramos enfriar el aire de
admisión de aproximadamente 150°c a 40°-50° centígrados, lo que produce un
aumento de la densidad del aire. (Aire más frío = aire más denso, aire más
caliente = aire menos denso), que mejora la combustión consiguiendo unas
mayores prestaciones, frente al motor simplemente atmosférico.
El cuerpo de la turbina es de fundición, o de fundición con aleación de
níquel, y el rodete se suele fabricar en aleaciones de níquel, de alta resistencia al
calor.
Para que el conjunto funcione correctamente el turbo no ha de sobrepasar
ciertos valores de sobrepresión, que oscilan generalmente entre los 0,4 y 0,7
bares, según el diseño, de modo que se hace necesaria una válvula de seguridad
que controle la presión máxima para la que el motor ha sido diseñado. Esto se
88
consigue por medio de la válvula de descarga, también conocida como
“wastegate” (puerta de desecho), que desvía las presiones de los conductos
cuando alcanzan valores superiores a los establecidos. Esta válvula está
gobernada automáticamente por una cápsula manométrica que actúa en función
de la presión de admisión (ver figura 3.8).
FORMAS DE COLOCACIÓN DEL TURBOCOMPRESOR CENTRÍFUGO
Carburador soplado: el carburador se sitúa entre el compresor y el colector
de admisión. De esta forma el aire que entra en el compresor es aire limpio
directamente del exterior.
Carburador aspirado: el carburador se monta antes del compresor por lo que en
este caso lo que se comprime es una mezcla de aire y gasolina.
SISTEMA INTERCOOLER
El sistema intercooler consiste en un intercambiador de calor en el que se
introduce el aire que sale del turbocompresor para enfriarlo antes de introducirlo
en los cilindros del motor.
La circulación del aire en el sistema de alimentación de un motor turbo es muy
complicada.
A- Aire que llega desde el filtro.
B- Aire que al pasar por el turbocompresor se calienta.
C- Aire refrigerado por el intercambiador de calor.
D- Gases productos de la combustión que van a la turbina de escape.
E- Dichos gases se expulsan por el tubo de escape.
Al enfriar el aire disminuye la densidad de éste por lo que para el mismo
volumen de los cilindros se puede introducir mayor masa de aire y así mejorar el
rendimiento del motor.
LIMITES DE LA PRESION.- En la etapa de impulso, es imprescindible
que se ponga un límite a la presión que suministra el turbocargador. Si no se
tomara en cuenta, el motor se vería sometido a presiones más altas y a
temperaturas superiores a las que puede tolerar.
Una forma de hacer esto es utilizar una compuerta de salida. Este equipo
no es más que un diafragma, con una válvula regulada por la presión. Esta válvula
permite a los gases hallar otra salida, sin pasar por la rueda de la turbina, y fluir
directamente al sistema de escape. Cuando la presión en la tapa de impulso
alcanza cierto nivel predeterminado, por ejemplo, 0.50 Kg/cm2 (7.2 psi), el
89
diafragma que actúa como compuerta se mueve contra un resorte de presión. A
medida que el resorte se desplaza, va empujando a una varilla que es la
encargada de abrir la compuerta (ver figura 3.8)
En el caso de los motores adecuadamente dimensionados y con
turbocompresores provistos de enfriadores de aire antes de su ingreso en los
cilindros, se alcanzan, (con presiones de alimentación de 2Kg/cm 2), incrementos
de potencia notablemente superiores.
Últimamente se han experimentado turbocompresores perfeccionados que
permiten relaciones de compresión de 3:1 en los cuales es obtienen incrementos
de potencia superiores al 100%.
En sus comienzos, el diseño del turbocompresor se debió más al mundo de
los motores de aviación que a la ingeniería de los automóviles. Para el uso en
carretera, el desarrollo de los turbos, se concentró en un principio en los grandes
motores Diesel que llevan los camiones pesados. Las existencias reducidas de
componentes adecuados retrasaron el desarrollo de motores de gasolina turbo
comprimidos para automóviles.
En los turbo para motores de gasolina otra necesidad es el aumento de la
fiabilidad a alta temperatura. A plena carga se pueden pasar de 1000°C en la
turbina y el material más habitual, denominado inconel, sufre cambios en su
estructura a partir de esos grados. En el futuro se usará acero austenítico
inoxidable para la envolvente, costoso en la actualidad, pero garantizado por su
uso en competición.
COMPRESOR COMPREX.- El turbo del futuro, utiliza la energía
transmitida, por contacto directo, entre los gases de escape y los de admisión,
mediante las ondas de presión y depresión generadas en los procesos de
admisión y escape. El Comprex resulta de un tamaño bastante grande, y es
accionado por el cigüeñal a través de una correa. Por ambas razones las
posibilidades para elegir ubicación son muy reducidas.
El sistema Comprex, al igual que los sistemas turbo, aprovecha la energía
de los gases de escape. Su principal ventaja es que responde con mayor rapidez
a los cambios de carga del motor, por lo que éste tendrá un comportamiento más
alegre. Los principales inconvenientes que presenta este sistema son:
• Precios dos o tres veces mayores que los de un turbocompresor
equivalente.
• Presencia de un silbido agudo durante las aceleraciones.
• Altas temperaturas de los gases de admisión, al haber estado en contacto
las paredes con los gases del escape.
90
Es una máquina dinámica de gas, eg la cual se verifica un cambio de
energía del gas de escape al aire fresco por medio de ondas de presión. Este
cambio tiene lugar en las celdas del rotor, llamado también rodete celular, que
debe ser accionado por el motor a través de correas trapezoidales para la
regulación y mantenimiento del proceso de la onda de presión.
a.-Cámara de gases. b.-Rotor. c.-Correa de transmisión cigüeñal-coprex.
d.- Colector de admisión. 1.-Mezcla de admisión. 2.-Mezcla de presión. 3.-Gases
de escape del motor.4.- Escape.
4.1 TEORÍA DE LA COMBUSTIÓN
La principal fuente de energía empleada en los motores de combustión interna es
el calor liberado en el proceso de la combustión. Al quemarse un hidrocarburo
como la gasolina, los productos de esta combustión son dióxido de carbono, agua
y nitrógeno, además de un desprendimiento de calor. La cantidad de calor liberado
dependerá de la composición química del combustible y del grado de oxidación de
sus elementos.
El proceso de la combustión es sinónimo de oxidación y consiste en la
unión del oxígeno con una sustancia combustible. La combustión nunca es
instantánea mas bien, se propaga a través de la masa gaseosa a una velocidad de
aproximadamente 37m/s. La combustión a veces se denomina impropiamente
“explosión" lo cual es incorre que la velocidad de oxidación de los explosivos es
mucho mayor que la de la gasolina; en algunos casos, la velocidad de estos
alcanza el valor de 690 m/s.
El estudio de la combustión es de gran importancia, debido a que en la
mayoría de los ciclos de los motores térmicos, el calor liberado en el proceso de
combustión, constituye la fuente de energía. Puesto que los combustibles
contienen altos porcentajes de carbono e hidrógeno, los productos de la
combustión estarán formados por:
• óxido de carbono
• humedad (óxido de hidrógeno)
El proceso total de la combustión por el cual es liberado el calor puede
expresarse simplemente como:
Combustible + aire —> calor liberado + productos de combustión
La cantidad de calor liberado dependerá de la naturaleza del combustible
(composición química) y del grado de oxidación de los constituyentes.
91
DEFINICIÓN.-Se llama combustión al conjunto de fenómenos químico,
físicos y termodinámicos que acompañan la combinación de un cuerpo con el
oxígeno.
La combustión es sinónimo de oxidación y consiste en la unión del oxígeno
con una sustancia combustible.
MEZCLA CARBURADA.- Es la formada por un combustible líquido al
estado de vapor o de un gas y del aire ambiente.
COMBURENTE.- es el aire que lleva el oxígeno necesario para la combustión
CARBURANTE.- Se llama así a los combustibles líquidos o hidrocarburos.
La combustión nunca es instantánea, pero se propaga en la masa gaseosa a una
velocidad variable, relativamente rápida. Se designa generalmente con el término
de "explosión", término impropio, ya que la velocidad de la combustión es inferior a
la de la oxidación de los explosivos.
TEMPERATURA DE INFLAMACIÓN.- Es la temperatura mínima que
poseen las moléculas de una mezcla (particular en cada caso) para que entren
espontáneamente en combustión. Un exceso de carburante, así como un aumento
de la presión tienen por efecto elevar dicha temperatura de inflamación. Por
ejemplo:
•Para la mezcla petróleo-aire es de 350 °C
•Para la mezcla gasolina-aire es de 380 °C
•Para la mezcla benzol-aire es de 420 °C
•Para la mezcla alcohol-aire es de 460 °C
PROPAGACIÓN DE LA LLAMA
Figura 4.1 Propagación de la Llama
Donde
dx = volumen de gas que se quema en un tiempo dt
dX = expansión de este volumen durante su combustión
dx/dt = Vo (velocidad de las reacciones químicas)
dX/dt = Y (velocidad de traslación)
Los gases que están junto al electrodo de la bujía se inflaman cuando brota
la chispa (corno se muestra en la figura 4.1).
92
La capa contigua de gases no quemados todavía, se le transmite por
conducción parte del calor desarrollado por la combustión, llegando así esta capa
a su temperatura de inflamación y entra en la fase de combustión.
De esta manera y progresivamente el frente de llama se extiende y
progresa en la cámara de combustión, con una rapidez que depende de la
velocidad de combustión (Vo) y de la velocidad de translación (v).
 *la velocidad de combustión se refiere a la velocidad de las reacciones
químicas
 *la velocidad de traslación se refiere al movimiento físico del frente de llama
con relación a las paredes de la cámara de combustión. Esta velocidad
resulta de la expansión de los gases quemados (A) que comprime a los
gases por quemar (B) y del movimiento de turbulencia de los gases.
REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA COMBUSTIÓN.- El mejor rendimiento
térmico de! motor implica una duración muy corta de la combustión (Figura 4.2).
La figura 4.2 indica una velocidad de combustión normal, donde.
• En A la velocidad le corresponde al valor Vo.
• De A a B podría crecer continuamente si la influencia de la .presión y
temperatura no estuviesen neutralizadas por las pérdidas térmicas de las paredes.
•La velocidad se estabiliza y llega aproximadamente a una velocidad de 37m/s.
•De B a C la velocidad disminuye y llega a un valor final de Vo.
Fig. 4.2.-Velocidad de la combustión
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA COMBUSTIÓN
Con respecto a su velocidad son:
a) Clase de combustible.- Es lógico pensar que cuanto más baja sea la
temperatura de inflamación, más rápidamente se llegue a ella por conducción
térmica y más rápida sea la combustión. La mezcla carburada tendrá una
velocidad de combustión más rápida (Ti = 380°C) que la mezcla de alcohol-aire
(Ti = 460°C).
b) Tipo de mezcla.- En ella influyen los factores de:
-Temperatura
-Presión
-Homogeneidad
- Dosificación
93
-Vaporización (para su velocidad de combustión)
c) Calidad de la chispa.- La combustión se inicia más aprisa con la températura
que produce la chispa.
d) Conductibilidad térmica..- La velocidad de la combustión varia en el mismo
sentido que la conductibilidad térmica y en sentido inverso del calor especifico del
carburante.
Con respecto a la reducción del trayecto de la llama se tiene en cuenta:
a) Forma de la cámara de combustión.- Siempre es interesante reducir el
desplazamiento del frente de llama, teniendo una cámara de combustión más
compacta. Ya que así se reducen las pérdidas de calorías por las paredes y se
aumenta su rendimiento térmico (figura 4.3 a y b)
b) Número de bujías.- El trayecto del frente de llama disminuye, así como el
tiempo de combustión, con el número de bujías, (figura 4.3 c)
c) Turbulencia.- Surge de la necesidad de conseguir un mezclado perfecto,
pudiendo obtenerse con una cámara de combustión de forma especial, la cual
aumenta la agitación y homogeneidad de la mezcla y, como consecuencia, el
aumento de la velocidad de combustión, (figura 4.3 d)
Figura 4.3 Reducción del Trayecto deí Frente de Llama
Una combustión normal o deflagrante, comienza en el instante que salta
la chispa y continúa de una manera progresiva. Cuando la combustión no es
realizada de esta manera, se tendrá entonces una combustión anormal. Según la
forma en que sea el encendido se tendrán las siguientes combustiones anormales:
COMBUSTIONES ANORMALES:
Encendido Superficial
Por Autoencendido
Combustión Detonante
La figura 4.4 nos indica la variación de la presión o gradiente de presión. En la
práctica se trata de controlar y dominar ese gradiente, con una combustión
progresiva para evitar un funcionamiento rudo, violento o con detonación.
Figura 4.4.- Gradiente de presión
Por experiencia práctica se ha comprobado que un gradiente de
aproximadamente 2 kg/cm2 por grado suministra la potencia máxima.
94
1. Combustión por encendido superficial.- Un encendido superficial
originado por puntos excesivamente calientes en la cámara de
combustión, o por partículas incandescentes y puede iniciarse antes o
después de saltar la chispa por los electrodos de la bujía (ver figura 4.5).
Figura 4.5.-Combustión por encendido superficial
Como muestra la figura 4.5, la combustión por preencendido se inicia
mucho antes del PMS, con ello el motor tendrá un rendimiento muy bajo, se
calentará y facilitará cada vez más este fenómeno.
Si el fenómeno de la combustión se verifica después que la chispa ha
iniciado, la combustión, se llamará postencendido y tendrá el inconveniente de
originar otro frente de llama, disminuyendo el tiempo de combustión, pero se
tendrá gradiente (presión) muy elevado y el funcionamiento del motor será rudo.
Para evitar estos inconvenientes se estudia particularmente la refrigeración las
bujías y válvulas de escape.
Figura 4.6.- Combustiones anormales
2.-Autoencendido - El autoencendido es una combustión espontánea de la mezcla
carburada debida a ciertas condiciones de presión y temperatura.
En particular, una presión excesiva puede provocar tal fenómeno, y puede
aparecer con una Rc≥10.
3.- Combustión detonante.-Una combustión instantánea de cierta masa debido al
aumento de compresión provocada por la combustión, puede aparecer a partir de
una Rc≥6,Este tipo de combustión se presenta cuando en un tiempo (dt) muy
pequeño, la masa gaseosa pasa de 600°C a 1800°C, dando lugar a un aumento
de presión muy grande y a una onda de choque muy potente, la cual se propaga a
la velocidad del sonido, aún en los gases quemados y quemará al resto de los
gases carburados. La combustión creada por esta onda de choque, se llamará
combustión detonante
LAS ANTERIORES COMBUSTIONES pueden ser problemas
funcionamiento provenientes de una situación inadecuada del motor, de bujías
convenientes (demasiado “calientes”) combustibles y aceites de lubricación
adecuados al tipo de motor.
Podemos agregar que se tendrá en general una combustión incompleta
la mezcla: carburada debido a:
• escasez de oxígeno.
• una mezcla imperfecta de combustible y oxígeno
de
no
no
de
95
• una temperatura baja para mantener la combustión
Combustión normal: Propagación uniforme del frente de llama, obteniéndose un
empuje uniforme sobre la cabeza del pistón.
Combustión anormal: La última porción de mexla detona antes de ser alcanzada
por el rente de llama, generando un violento empuje sobre la cabeza del pistón,
con consecuencias nocivas para el motor.
4.2.- DETONACIÓN Y OCTANAJE
RELACIÓN DE COMPRESIÓN Y DETONACIÓN. A medida que las relaciones de
compresión de los motores han aumentado, también lo ha hecho la tendencia a la
detonación.
MEDIDA DE LA CAPACIDAD ANTIDETONANTE. La calificación se realiza en
términos del NÚMERO DE OCTANO (NO). Una gasolina con un NO elevado es
muy resistente a la detonación y, un combustible con un bajo número de octano,
detonará con facilidad.
El iso-octano, es un hidrocarburo con una alta resistencia a la detonación si NO es
de 100; por otra parte, el heptano tiene un NO de 0, por lo que detona con
extremada facilidad. Estos dos hidrocarburos se emplean como combustibles de
referencia para poder evaluar el NO de otros combustibles desconocidos. El
ensayo para tal graduación se desarrolla, de modo aproximado, como sigue: el
combustible investigado se emplea en un motor en diversas condiciones y
regímenes de compresión y se toma niya de sus características de detonación
(condiciones e intensidad). A continuación se emplean dos combustibles de
referencia en el motor funcionando en las mismas condiciones. Si, por ejemplo, se
halla que una mezcla de iso-octano del 88% y del 12% de heptano tiene las
mismas características de detonación que el combustible ensayado, se considera
que éste tiene el mismo NO que la mezcla de referencia, es decir, 88.
Control de la detonación por medios químicos. Se conocen diversos compuestos
químicos que, añadidos a la gasolina son capaces de inhibir la devlción o
combustión espontánea de la última parte de la mezcla comprimida.
Anteriormente, se empleaba extensivamente el tetraetilo de plomo como aditivo,
pero actualmente se ha descontinuado su uso debido a los contaminantes que su
uso produce.
Factores mecánicos que afectan a la detonación. La forma de la camara
de combustión y la relación de compresión tienen una gran influencia en la
tendencia de un motor a detonar, además altas temperaturas del aire aumentan la
tendencia a detonar, los depósitos dé carbón en las cámaras, el avance al
96
encendido y las mezclas ricas, aumentan la tendencia a detonar. Mientras que la
humedad, las altitudes (baja densidad del aire), reducen dichas tendencias, buena
refrigeración, evacuación adecuada del calor.
GASES DE ESCAPE.- El color de los gases de escape puede revelar una
combustión anormal y en particular una mezcla demasiado rica o un consumo
exagerado de aceite.
La combustión nunca será perfecta y siempre aparecerá CO (monóxido de
carbono) en los gases de escape, entre el 3% y el 9% según las circunstancias de
empleo.
ESTUDIO QUÍMICO TEÓRICO
Combustión es sinónimo de oxidación y consiste en la unión de oxígeno con
una materia combustible.
Los productos principales de la combustión en todos los casos son:
1.- anhídrido carbónico (CO2)
2.- óxido de carbono (CO)
3.- vapor de agua
4.- nitrógeno
5.- oxigeno
6.- azufre
ECUACIONES QUÍMICAS DE LOS PROCESOS DE LA COMBUSTION
La solución de los problemas que incluyen procesos de combustión
requiere algunos conocimientos elementales de química y de saber establecer
ecuaciones quimicas. En algunos procesos de combustión pueden estar presentes
sustancias no indicabas en el cuadro siguiente:
Al escribir una ecuación química, el número de átomos de cualquier
elemento del primer miembro debe ser igual al número de átomos del mismo
elemento en el segundo miembro. Esto es evidente, dado que la masa de una
sustancia existente antes del proceso, es igual a la existente después del mismo
(ley de conservación de la masa).
Tabla 1
Consideremos, por ejemplo, la combustión del carbono a CO 2. La ecuación para
este proceso es:
Carbono + Oxígeno —» Anhídrido Carbónico
97
O bien en símbolos,
C + O2 — CO2
De acuerdo con los fundamentos de la química la unión de carbono y oxígeno se
expresa:
C + O2 —> CO2, (oxidación completa del carbono)
1 + 1 —> 1 en moles
12+32 —> 44 en peso (masa)
Las expresiones anteriores indican que un peso molecular de carbono, se
combina con un peso molecular de oxígeno para producir un peso molecular de
anhídrido carbónico.
Un mol de una sustancia vale M kilogramos cuando M es el peso molecular.
Aunque las cantidades que se combinan pueden expresarse en kilogramos es
más sencillo efectuar todos los cálculos utilizando moles y transformarlos en
kilogramos o m3 solamente cuando es necesario. Se dice que una combustión es
completa cuando el combustible es totalmente oxidado y se libera toda su energía.
En la tabla 2 figuran los porcentajes de los principales componentes del aire seco,
que contienen trazas de muchos otros gases. El vapor de agua contenido en el
aire varía ampliamente con la temperatura y con el porcentaje de saturación.
Tabla 2: Composición del Aire Seco
RELACIÓN MOLAR ENTRE EL NITRÓGENO Y EL OXÍGENO DE AIRE
Su relación molar es la misma que su relación volumétrica, debido a que ambos
son gases y se encuentran a la misma temperatura; entonces:
Esta relación nos dice que por cada mol de oxígeno presente en el aire
existen 3.76 moles de nitrógeno. Por consiguiente, en un motor de combustión
interna, por cada volumen de oxígeno que pasa a través del filtro de aire,
carburador, válvula de admisión y cilindro entran 3.76 volúmenes de nitrógeno.
La combustión del carbono en el aire viene representada por la siguiente
relación:
En forma simple: C + aire —CO2+ ?
C + O2 + N2 —>CO2 + N2
Más completo como:
98
C + O2 + 3.76N2 —>CO2 + 3.76N2
1 + 1 + 3.76 —> 1 + 3.76 en moles
12 + 32 + 3.76 (28.2) —> 44 + 3.76 (28.2) en peso
Dividiendo todo entre 12:
1+ 2.667 + 8.84 —> 3.667 + 8.84
Por lo tanto, el aire requerido será:
(2.667 + 8.84) = 11.5 kg por kg de Carbono
La combustión del hidrogeno en el aire viene representada por la siguiente
relación:
2H2 + O2 + 3.76N2 —> 2H2O + 3.76N2
“
2+1+3.76 —> 2 + 3.76 en moles
Dividiendo todo entre 4:
Por lo tanto el aire requerido será:
La combustión del azufre en el aire da
Todo entre 32:
Ejemplo 1 – La combustión de hidrocarburos consideremos el caso de la gasolina
típica.
Para la combustión de cada kg de gasolina se necesitan:
3.51 + 11.62 =15.13 de aire (constituido por 3.51 Kg. De O2 y 11.62kg de N2)
La relación de aire/combustible es de 15.13 a 1.
Esta ecuación representa una mezcla perfecta, químicamente correcta o ideal.
Para lograr la total oxidación del combustible es necesario utilizar una mezcla que
tenga cierto exceso de are. Con insuficiencia de aire se tienen perdidas en forma
de:
•Oxido de carbono
•Hidrogeno libre
•Hidrocarburos destilados
99
Ejemplo 2. Se quema un fuel-oil típico C16H32, con la cantidad correcta de aire:
Calcular:
1. La ecuación de la combustión.
2. La relación ideal aire/combustible.
3. El porcentaje de CO2, en volumen, existente en los gases secos.
4. El porcentaje de nitrógeno, en volumen, presente en esos mismos gases.
1.
2.
3. Porciento de CO2, en los gases secos, en volumen (únicamente volúmenes)
4.
Ejemplo 3. Se quema una gasolina típica C8H18, con un 20% de exceso de aire en
peso. Calcular:
1. La ecuación de la combustión.
2. La relación aire/combustible.
3. El porcentaje de CO2 en volumen de los gases de escape secos.
4. Kg de vapor de agua formados por kg de combustible.
5. Volumen de los gases de escape secos por kg de combustible. En el supuesto
de que T=15.6°C y P=1.0336 kg/cm2 (presión absoluta).
6. Presión parcial del vapor de agua en los gases de escape.
1.
2.
3.
4.
5. Volumen de los gases de escape secos por kg de combustible, suponiendo que
Suponiendo que se trata de un gas ideal:
100
Pero ya son gases quemados de C8H18 Donde mc=peso del combustible quemado
en kg
Por kg de combustible
El combustible quemado
5. Presión parcial del vapor de agua en los gases de escape
Ejemplo 4.- Se quema un kg de combustible tipo C6H14 con el 80% del aire
teórico, a una presión absoluta de 10336 kg/cm2 En el supuesto de que se formen
CO2. CO, H2 y N2, calcular:
a) La ecuación de combustión.
b) Relación A/C
c) Porcentaje de CO2, en volumen, en los productos secos.
d) La presión parcial del vapor de agua de los gases de escape.
e) Volumen de los gases secos del escape por kg de combustible, si T=16°C
f) El porcentaje de CO en volumen, en los productos secos.
AIRE TEORICO PARA LA COMBUSTIÓN.
El peso teórico de aire necesario para quemar 1 kg de combustible cuyo
análisis químico es conocido, viene dado por
En donde CxHy Oz Sw representan, respectivamente los pesos de carbono,
hidrógeno, oxígeno y azufre por kg de combustible.
El análisis químico da la humedad permanente del carbón.
La relación de combinación del H2 al O2 es de 1 a 8 en peso; por lo tanto el peso
neto de H2 disponible para una ulterior oxidación vendrá dado por:
Ejemplo 5. El análisis de un gas natural da los siguiente porcentajes en
volumen: etano=9.0; metano=90.0; CO2=0.2 y N2=0.8. Calcular: el volumen teórico
de aire necesario por m3 de gas en el supuesto de que el gas y el aire se
encuentren a una temperatura de 15.6°C y una presión de 760mmHg.
Etano – C2H6
Metano CH4
101
PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN
A los gases de escape de los motores, se les llama productos de la
combustión. La composición de estos productos depende de:
• Tipo de combustible utilizado.
• De la relación aire-combustible.
• Condiciones en que se efectúa la combustión
Dichos gases de escape generalmente contienen: CO2, CO, O2, N2, C libre,
cenizas ligeras, vapor de agua, SO2 e hidrocarburos no quemados.
La mayoría de los productos son invisibles. El CO presente en los gases de
escape puede producir elevadas pérdidas de energía. En general, la aparición de
densos humos gaseosos es indicio de que se trabaja a baja temperatura o con
insuficiente oxígeno.
ANÁLISIS DE LOS PRODUCTOS DE ESCAPE.
Mediante un aparato llamado de Orsat puede efectuarse un análisis de los
productos de escape a partir del cual es posible calcular la relación
aire/combustible.
Las centrales térmicas de vapor registran continuamente la concentración de CO 2
mediante un Orsat con el fin de controlar la marcha de la operación. La presencia
de C que aparece en los productos de escape constituye un índice del contenido
en combustible.
El análisis del Orsat es únicamente sobre los gases secos, es decir, el vapor de
agua no entra en dicho análisis.
Ejemplo: 6
El análisis de ciertos gases de escape da los siguiente porcentaje en volumen:
CO2=12.1; O2=0.3; CO=3.3; H2=1.3; CH4=0.3; N2=82.7. Suponiendo que el
combustible sea un hidrocarburo de la forma CxHy. Encontrar:
a) Los valores de x y y
b) Establecer la ecuación de combustión.
c) La relación aire-combustible.
a)
102
Donde :
a=moles de O2(en el aire suministrado)
b= moles de vapor de agua (en los productos)
de la relación molar
(Relación de entrada de O2, con respecto al volumen normal de N2)
b)Ecuación de la combustión.
c) Relación de combustible
NOTA: Aunque x y y ya han sido determinados pueden aproximarse a números
enteros sin que se afecte la ecuación de combustión al ser multiplicados por una
constante k(CxHy). Es mas importante la relación hidrógeno/carbono, pudiendo
determinarse como H/C ó Y/X, en este caso, para el problema se tiene H/C =
35.6/15.7=2.27 o escribirse como CH2.26. El análisis de cualquier gas se debe
realizar con una muestra típica. Debe tenerse gran cuidado al tomar la muestra
para que no resulte diluida con aire.
APARATOS PARA EL ANÁLISIS DE GASES QUEMADOS.
Sus partes fundamentales son




Bureta de medición, A
Frasco nielador,F
Filtro de gas, H
Pipetas de absorción, B, C, D, y E
Las cuales se conectan entre si mediante las llaves I. Cada una de las pipetas de
absorción va provista de un pequeño número de tubos de vidrio, con el fin de
exponer una gran superficie, mojada por los reactivos absorbentes al gas
sometido al análisis. La bureta de medida está rodeada por una camisa de agua,
para evitar las variaciones de temperatura y densidad del gas.
El CO es absorbido en la pipeta B la cual está parcialmente llena de potasa
caustica KHO; en la pipeta C queda retenido el oxígeno, dicha pipeta contiene una
solución alcalina de ácido pirogálico, finalmente el óxido de carbono (CO) es
absorbido por una solución ácida de cloruro cuproso contenida en las pipetas D y
E.
103
Estas pipetas deben contener algo de cobre metálico, con el fin de
mantener la solución activada.
Las absorciones deben realizarse en el orden indicado, obteniéndose el
nitrógeno por diferencia. Deben utilizarse reactivos recién preparados y han de
mantenerse protegidos del aire.
PESO REAL DEL AIRE DE LA COMBUSTIÓN
Por medio del aparato Orsat se puede verificar el análisis de los gases de
escape sobre todo sí se conoce la fórmula química. También se puede determinar
la cantidad real de aire por kg de combustible empleado, mediante sus pesos
moleculares.
Los porcentajes de CO2, CO, O2 y N2 de los gases de escape deben toarse
en volumen; el contenido del combustible en carbono se toma en peso.
Si se consideran 100 volúmenes molares de gases quemados, o de escape,
los porcentajes de análisis de dichos gases representan los volúmenes molares de
cada componente presente.
• El peso del nitrógeno es de 28 (N2)
• El peso del carbono en forma de CO y CO2 es de 12(CO+C02)
• Por lo tanto el peso del N2 por kg de carbono será de:
Como 1Kg de aire contiene 0.769Kg de N2, el peso del aire ma por kg de carbono
será:
En las cenizas y residuo de los combustibles sólidos puede haber
carbono no quemado. En tales circunstancias los cálculos que llevan consigo al
empleo del análisis de los gases de escape deben basarse en el carbono
realmente quemado por kg de combustible. La cantidad real de carbono
consumido por kg está dada por la expresión:
Dónde:
C1 = carbono quemado por kg de combustible, en kg
mf = peso del combustible quemado, en kg
Cf = carbono del combustible según análisis elemental, en porciento
mr = peso del residuo procedente del mf kg de combustible, en kg Cr = carbono
contenido en el residuo, en porcentaje
Si Cf, no ha sido determinado por análisis, puede encontrarse mediante la
expresión:
Dónde:
A= porcentaje de cenizas obtenidas en el análisis elemental.
Utilizando el producto mc pr C1, se tiene
104
Dónde:
maa= peso real de aire seco utilizado por kg de combustible quemado, en Kg.
Cuando se tiene en cuenta el nitrógeno contenido en el carbón, debe
dividirse su porcentaje por 76.9, deduciendo de m aa el peso de aire equivalente.
Esta conexión representa el aire equivalente al nitrógeno contenido en
los gases quemados de la chimenea procedentes del nitrógeno del combustible.
PESO DEL EXCESO DE AIRE
El exceso de aire se expresa generalmente como un porcentaje del
requerido teóricamente
Donde
Ea= m% de aire en exceso
maa= cantidad de aire real empleado por kg de combustible, en kg.
mta= cantidad teórica de aire requerido por kg de combustible, en kg.
PESO DE LOS GASES SECOS POR KILOGRAMO DE COMBUSTIBLE
Basándose en iguales razonamientos a los empleados para expresar la
cantidad real de aire empleado por kg de combustible, se encuentra, para el peso
de los gases secos formados por kg de carbono, la siguiente expresión:
Los símbolos CO2, O2, CO y N2 representan los porcentajes en volumen
determinados mediante el análisis de los gases quemados.
La expresión anterior puede simplificarse así:
El peso real del gas seco formado por kg. de combustible se encuentra efectuando
el producto C1mg
Utilizando la siguiente fórmula es posible obtener el peso rea! de aire seco
suministrado por kg de combustible quemado.
1.- Determinar la relación aire/combustible requerida para la combustión deCi2Hi6.
2.- Se quema C8H18 con un 10% de aire en exceso. Suponiendo que la
combustión sea completa encontrar
a) La relación aire/combustible, en kg por kg.
b) El % de O2 medido por un Orsat.
.
c) El volumen de aire, a una presión absoluta de 0.98 kg/cm 2 y a una temperatura
de 37.8°C, necesitado por kg de combustible.
105
d) El peso de gases secos formados por kg de aceite.
3.- Se quema C7H16 con un peso químicamente correcto de aire. Suponiendo que
la combustión sea completa, encontrar:
a) La ecuación de combustión
b) El % de CO2 de los gases de escape secos.
c) La relación aire/combustible en kilogramos por kilogramos.
d) Los kilogramos de vapor de agua formado por kilogramo de combustible.
e) La temperatura del punto de rocío de los gases de escape húmedos si la
presión atmosférica es de 1033 kg/cm2.
4.- Lo mismo que el problema 7 pero empleando un 20% en peso de exceso de
aire.
5.- Se quema C7H16 con un 20% de aire en defecto. Encontrar:
a) La ecuación de combustión suponiendo que se quema todo el H2.
b) El % de CO2 leido en un Orsat.
c) La relación aire/combustible en kilogramos por kilogramo.
d) Los kilogramos de vapor de agua formado por kilogramo de combustible.
e) La temperatura del punto de rocío de los gases de escape húmedos si la
presión atmosférica es de 1033 Kg/cm2.
6.- Un fuel-oil constituido por C11H22 se quema utilizando la relación
aire/combustible químicamente correcta. Encontrar:
a) Los kilogramos de humedad formados por kilogramo de combustible.
b) La presión parcial absoluta de vapor de agua, en kg/m2.
c) El % de CO2 de los gases de la chimenea en metros cúbicos por kilogramo de
aceite si la temperatura es de 282°C y la presión absoluta 1033 kg/cm 2.
7.- Se quema un kilogramo de C6H14 con el 80% del aire teórico, a una presión
absoluta de 1033 Kg/m2. En el supuesto de que únicamente se forme CO2, CO,
H2O y N2, encontrar:
a) La ecuación de combustión.
b) El % de CO2 en volumen, en los productos secos.
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