Motoresde combustininternaalternativosEditoresProf. F. Payri Prof. J. M. DesantesPrlogoVIIIMOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOSSe van a cumplir 30 aos desde la primera edicin del libro Motores de Combustin Inter- na Alternativos, dirigido por M. Muoz y F. Payri, que desde entonces ha sido ampliamente utilizado como libro de texto y se ha convertido en algo as como un clsico de la literatura tcnica en castellano relativa a este tipo de motores. No es por tanto de extraar que, con el paso de los aos, y ms tratndose de un campo en constante evolucin, dicha obra haya que- dado obsoleta, al menos en determinados aspectos. Por otra parte, tampoco son abundantes, ni demasiado recientes, los textos en castellano que aborden este tema. Estas consideraciones proporcionan en parte la razn de ser a este nuevo texto, que nace entre otras con la vocacin de paliar en lo posible estas carencias.Una lectura del libro trasluce que los 30 aos transcurridos han permitido generar una im- portante cantidad de ciencia a los autores y bastara hacer una simple revisin bibliogrfica para comprobar que en el libro estn reflejadas ms de 50 tesis doctorales y numerosos artcu- los en revistas y ponencias en congresos de los propios autores.A lo largo de los captulos que comprende la obra, se ha dado primaca a los aspectos rela- tivos a los procesos termofluidodinmicos de los motores de combustin interna alternativos (MCIA), que se han tratado de cubrir en detalle y con profundidad. Adems, se han incluido captulos dedicados a la cinemtica y dinmica del motor, as como a sus elementos construc- tivos, para de esta forma ofrecer un compendio sobre los motores alternativos y proporcionar al lector una visin suficientemente global.El texto, cuya orientacin es bsicamente acadmica, est dirigido sobre todo a estudiantes que cursen una materia bsica o avanzada sobre MCIA en los ltimos cursos de ingeniera o de mster, a quienes resultar til fundamentalmente como libro de consulta, aunque sin re- nunciar a que pueda ser de utilidad a otras personas interesadas en la materia. Se ha supuesto que los potenciales lectores del libro ya tienen unos conocimientos en materias de corte bsi- co, como son la mecnica de fluidos, la termodinmica, la transmisin de calor, la termoqu- mica, etc., debidamente asentados. Sin embargo, se ha considerado conveniente incluir breves recordatorios e incluso algunos captulos especficos en que se abordan conceptos fundamen- tales de especial relevancia en los MCIA, y que proporcionan un cuerpo de doctrina comn para otros captulos de corte ms tecnolgico.A lo largo del libro se ha intentado potenciar la inclusin de conceptos que sean permanen- tes, poco susceptibles en principio de cambiar en el horizonte razonable de vida de un libro de texto. Por ello no se ha insistido en exceso en aspectos tecnolgicos que vienen esencialmente determinados por las condiciones de contorno socioeconmicas de la evolucin de los MCIA, tales como la legislacin de proteccin medioambiental, las exigencias de los consumidores, el precio de los combustibles, etc.En la redaccin del texto han participado treinta y cuatro autores, todos ellos con un largo historial de docencia e investigacin en el rea de los MCIA en nuestro pas. Esta proliferacin de autores tiene algn inconveniente, como el esfuerzo de coordinacin que ha sido necesario realizar, o el hecho de que el estilo y la forma de presentar los temas sea lgicamente algo ms heterognea que con un nmero ms reducido de autores. Como contrapartida, se pueden destacar las siguientes ventajas: La colaboracin de un gran nmero de autores ha permitido que el contenido y el alcance del texto sean ms amplios y por tanto menos sesgados. Un amplio nmero de autores aporta sin duda riqueza al texto y da cabida a estilos, a for- mas de introducir y organizar los temas e incluso a opiniones (en lo que de opinable tengan los MCIA) diferentes. La inclusin de profesores e investigadores con reas de inters y de especializacin dife- rentes en el campo de los MCIA supone sin duda un valor aadido para el texto, puesto que los diferentes captulos han sido redactados en la mayora de los casos por expertos en el tema.Esperamos que, adems de constituir una herramienta til tanto para nuestros compaeros profesores como para los futuros ingenieros, este libro sea fiel reflejo de la vocacin didctica de sus autores y deje traslucir su genuino inters por los MCIA, para ser as capaz de despertar un inters similar en cuantos dediquen tiempo a su estudio.Valencia, verano 2011Los editoresRelacin de autoresXMOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOSArmas Vergel, OctavioU. de Castilla La Manchaoctavio.armas@uclm.esBallesteros Yez, RosarioU. de Castilla La Mancharosario.ballesteros@uclm.esBenajes Calvo, JessU. Politcnica de Valenciajbenajes@mot.upv.esBermdez Tamarit, VicenteU. Politcnica de Valenciabermudez@mot.upv.esBroatch Jacobi, AlbertoU. Politcnica de Valenciaabroatch@mot.upv.esCasanova Kindeln, JessU. Politcnica de Madridjesus.casanova@upm.esCliment Puchades, HctorU. Politcnica de Valenciahcliment@mot.upv.esDesantes Fernndez, Jos M.U. Politcnica de Valenciajmdesant@mot.upv.esGalindo Lucas, JosU. Politcnica de Valenciagalindo@mot.upv.esGarca Oliver, Jos M.U. Politcnica de Valenciajgarciao@mot.upv.esGimnez Olavarra, BlancaU. de Valladolidblagim@eii.uva.esGuardiola Garca, CarlosU. Politcnica de Valenciacarguaga@mot.upv.esHernndez Adrover, Juan J.U. de Castilla La Manchajuanjose.hernandez@uclm.esHorrillo Gemes, AlfonsoU. de Valladolidalfhor@cidaut.esLapuerta Amigo, MagnU. de Castilla La Manchamagin.lapuerta@uclm.esLecuona Neumann, AntonioU. Carlos III de Madridlecuona@ing.uc3m.esLpez Snchez, J. JavierU. Politcnica de Valenciajolosan3@mot.upv.esLujn Martnez, Jos M.U. Politcnica de Valenciajlujan@mot.upv.esMacin Martnez, VicenteU. Politcnica de Valenciavmacian@mot.upv.esMolina Alcaide, SantiagoU. Politcnica de Valenciasamolina@mot.upv.esNavarro Arvalo, EmilioU. Politcnica de Madridemilio.navarro@upm.esNogueira Goriba, Jos I.U. Carlos III de Madridgoriba@ing.uc3m.esOlmeda Gonzlez, Pablo C.U. Politcnica de Valenciapabolgon@mot.upv.esPastor Soriano, Jos V. U. Politcnica de Valencia jpastor@mot.upv.es Payri Gonzlez, Francisco U. Politcnica de Valencia fpayri@mot.upv.es Payri Marn, Ral U. Politcnica de Valencia rpayri@mot.upv.es Rodrguez Antn, Luis M. U. Politcnica de Madrid lm.rodriguez@upm.es Rodrguez Aumente, Pedro A. U. Carlos III de Madrid aument@ing.uc3m.es Salvador Rubio, F. Javier U. Politcnica de Valencia fsalvado@mot.upv.es Serrano Cruz, Jos R. U. Politcnica de Valencia jrserran@mot.upv.es Tinaut Fluix, Francisco V. U. de Valladolid tinaut@eis.uva.es Tormos Martnez, Bernardo U. Politcnica de Valencia betormos@mot.upv.es Torregrosa Huguet, Antonio J. U. Politcnica de Valencia atorreg@mot.upv.es Valds del Fresno, Manuel U. Politcnica de Madrid manuel.valdes@upm.esndice de materiasXIIMOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOSPrlogoRelacin de autoresNomenclaturaVII IX XIX1Introduccin histricaM. Valds, S. Molina1.1 Introduccin....................................................................................................................21.2 Antecedentes histricos de los MCIA ............................................................................41.3 Los motores de combustin interna alternativos............................................................81.4 Historia reciente de los motores de combustin interna alternativos...........................141.5 Resumen .......................................................................................................................22Referencias y bibliografa ....................................................................................................222Clasificacin de los MCIA J. Benajes, E. Navarro2.1 Introduccin..................................................................................................................242.2 Potencial y debilidades de los MCIA ..........................................................................252.3 Criterios de clasificacin y caractersticas diferenciadoras .........................................262.4 Diferencias fundamentales entre MEC y MEP ............................................................352.5 Principales campos de aplicacin.................................................................................412.6 Resumen .......................................................................................................................42Referencias y bibliografa ....................................................................................................423 Parmetros bsicosA. Lecuona, P. A. Rodrguez3.1 Introduccin y objetivos ...............................................................................................443.2 Parmetros geomtricos ...............................................................................................443.3 Parmetros de funcionamiento .....................................................................................503.4 Parmetros indicados y efectivos .................................................................................573.5 Relaciones ms importantes entre parmetros .............................................................653.6 Curvas caractersticas ...................................................................................................673.7 Resumen .......................................................................................................................68Referencias y bibliografa ....................................................................................................694 Ciclos de trabajoO. Armas, A. Lecuona4.1 Introduccin ................................................................................................................. 724.2 Definicin de ciclos. Clasificacin .............................................................................. 724.3 Diferencias fenomenolgicas entre ciclos tericos y reales ........................................ 734.4 Ciclos tericos de aire estndar ................................................................................... 784.5 Efecto de los parmetros del ciclo ............................................................................... 824.6 Otros ciclos tericos..................................................................................................... 854.7 Resumen....................................................................................................................... 89Referencias y bibliografa .................................................................................................... 905 Prdidas de calor. RefrigeracinA. J. Torregrosa, P. Olmeda5.1 Introduccin ................................................................................................................. 925.2 La transmisin de calor en el cilindro.......................................................................... 925.3 Flujos trmicos en el motor ....................................................................................... 1065.4 Sistemas de refrigeracin ........................................................................................... 1125.5 Introduccin a la gestin trmica ............................................................................... 1165.6 Resumen..................................................................................................................... 121Referencias y bibliografa .................................................................................................. 1226 Lubricacin y aceitesV. Macin, B. Tormos6.1 Introduccin ............................................................................................................... 1246.2 Modos o regmenes de lubricacin ............................................................................ 1246.3 La lubricacin de los motores .................................................................................... 1266.4 Sistema de lubricacin y componentes ...................................................................... 1376.5 Caractersticas de los aceites lubricantes de motor.................................................... 1426.6 Clasificaciones de los aceites lubricantes de motor................................................... 1456.7 Anlisis de los aceites en uso como herramienta de diagnstico .............................. 1486.8 Resumen..................................................................................................................... 149Referencias y bibliografa .................................................................................................. 1507 Prdidas mecnicasV. Bermdez, B. Tormos7.1 Introduccin ............................................................................................................... 1527.2 Clasificacin de las prdidas mecnicas .................................................................... 1537.3 Procedimientos para determinar las prdidas mecnicas.......................................... 1657.4 Resumen..................................................................................................................... 171Referencias y bibliografa .................................................................................................. 172NDICE GENERALXIVMOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOS8 Flujo en conductos de admisin y escapeA. J. Torregrosa, B. Gimnez8.1 Introduccin................................................................................................................1748.2 Origen y naturaleza del flujo ......................................................................................1748.3 Anlisis estacionarios y cuasiestacionarios................................................................1758.4 Propagacin adiabtica de ondas en conductos .........................................................1808.5 Flujo no adiabtico .....................................................................................................1918.6 Resumen .....................................................................................................................199Referencias y bibliografa ..................................................................................................2009Renovacin de la carga en motores 4T J. R. Serrano, J. Galindo9.1 Introduccin................................................................................................................2029.2 Parmetros que caracterizan el proceso de renovacin de la carga ...........................2049.3 Efecto de las prdidas de carga. Influencia en el diseo de pipas y vlvulas. ...........2089.4 Efecto de la compresibilidad. Influencia en el diseo de vlvulas. ...........................2109.5 Efecto de inercia del fluido. Diagrama de distribucin..............................................2149.6 Efecto de las ondas de presin. Diseo de colectores ................................................2219.7 Efecto del calentamiento ............................................................................................2299.8 Sntesis........................................................................................................................2309.9 Efecto de otros sistemas de motor ..............................................................................2329.10 Resumen .....................................................................................................................237Referencias y bibliografa ..................................................................................................23710 Renovacin de la carga en motores de 2T H. Climent, B. Gimnez10.1 Introduccin................................................................................................................24010.2 El proceso de barrido. Tipos de barrido .....................................................................24410.3 Coeficientes para evaluar el proceso de barrido ........................................................24810.4 Procesos de barrido tericos: desplazamiento perfecto y mezcla perfecta ................25210.5 Flujo en lumbreras......................................................................................................25510.6 Diseo de lumbreras ...................................................................................................25710.7 Diseo del sistema de escape en MEP .......................................................................26210.8 Aspectos tecnolgicos ................................................................................................26510.9 Resumen .....................................................................................................................269Referencias y bibliografa ..................................................................................................26911 SobrealimentacinF. Payri, J. R. Serrano11.1 Introduccin................................................................................................................27211.2 Justificacin de la sobrealimentacin.........................................................................27211.3 Consecuencias sobre el comportamiento del motor ...................................................27411.4 Clasificacin de los sistemas de sobrealimentacin...................................................27811.5 Turbosobrealimentacin .............................................................................................28311.6 Dificultades en la implementacin de la turbosobrealimentacin ............................. 30111.7 Sntesis y perspectivas futuras ................................................................................... 31511.8 Resumen..................................................................................................................... 321Referencias y bibliografa .................................................................................................. 32212 Movimiento del aire en el cilindroJ. M. Desantes, J. V. Pastor12.1 Introduccin ............................................................................................................... 32412.2 Caractersticas generales del flujo interno en motores .............................................. 32512.3 Descripcin del movimiento del aire en el cilindro................................................... 33212.4 Interaccin del aire con el chorro de combustible ..................................................... 35012.5 Resumen..................................................................................................................... 351Referencias y bibliografa .................................................................................................. 35213 Introduccin a la combustinJ. M. Desantes, S. Molina13.1 Introduccin ............................................................................................................... 35413.2 Termoqumica de la combustin................................................................................ 35513.3 Cintica qumica de la combustin ............................................................................ 36513.4 Ecuaciones de conservacin para flujo reactivo ........................................................ 37113.5 Clasificacin de los procesos de combustin tpicos en MCIA ................................ 37313.6 Resumen..................................................................................................................... 388Referencias y bibliografa .................................................................................................. 38814 CombustiblesM. Lapuerta, J. J. Hernndez14.1 Introduccin ............................................................................................................... 39014.2 Definicin y clasificacin .......................................................................................... 39014.3 Historia de los combustibles ...................................................................................... 39114.4 Procesos de produccin ............................................................................................. 39314.5 Propiedades fsico-qumicas de los combustibles ..................................................... 40114.6 Parmetros termoqumicos de los combustibles........................................................ 40714.7 Normativas y directivas ............................................................................................. 41014.8 Combustibles de sustitucin ...................................................................................... 41114.9 Resumen..................................................................................................................... 412Referencias y bibliografa .................................................................................................. 41315 Emisiones contaminantesM. Lapuerta, R. Ballesteros15.1 Introduccin ............................................................................................................... 41615.2 Parmetros para caracterizar emisiones ..................................................................... 41715.3 xidos de nitrgeno: Formacin y efectos ................................................................ 41915.4 Monxido de carbono: Formacin y efectos ............................................................. 42415.5 Hidrocarburos: Formacin y efectos ......................................................................... 42715.6 Partculas: Formacin y efectos .................................................................................43115.7 Otras emisiones ..........................................................................................................44015.8 Emisiones de efecto invernadero ...............................................................................44115.9 Resumen .....................................................................................................................443Referencias y bibliografa ..................................................................................................44316 Requerimientos y formacin de la mezcla en MEP F. V. Tinaut, A. Horrillo16.1 Introduccin. Tipos de requerimientos de la mezcla en MEP ...................................44616.2 Requerimientos cuantitativos de la mezcla aire-combustible ....................................44716.3 Requerimientos de dosado en funcin de las variables operativas del motor............45716.4 Carburadores ..............................................................................................................46016.5 Sistemas de inyeccin ................................................................................................47116.6 Inyeccin directa de gasolina .....................................................................................48516.7 Formacin de la mezcla con combustibles gaseosos .................................................49216.8 Resumen .....................................................................................................................496Referencias y bibliografa ..................................................................................................49717 Encendido elctricoL. M. Rodrguez, E. Navarro17.1 Introduccin................................................................................................................50017.2 Teora del encendido ..................................................................................................50017.3 Principio de funcionamiento del sistema elctrico de encendido ..............................50817.4 Sistemas de encendido ...............................................................................................52117.5 Las bujas....................................................................................................................53117.6 Resumen .....................................................................................................................534Referencias y bibliografa ..................................................................................................53518 Combustin en MEPF. V. Tinaut, J. J. Lpez18.1 Introduccin. Nociones del proceso ...........................................................................53818.2 Combustin normal ....................................................................................................54218.3 Combustin anormal ..................................................................................................56118.4 Emisiones contaminantes ...........................................................................................56818.5 Cmaras de combustin en MEP ...............................................................................57218.6 Resumen .....................................................................................................................575Referencias y bibliografa ..................................................................................................57719 Formacin de la mezcla en MEC. Inyeccin de combustibleR. Payri, F. J. Salvador19.1 Introduccin................................................................................................................58019.2 Definicin y funciones de un sistema de inyeccin Diesel........................................58119.3 Funcionamiento de un sistema de inyeccin Diesel: El sistema common rail ..........58119.4 El flujo interno en toberas de inyeccin diesel ..........................................................586XVIMOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOSXVIINDICE GENERAL19.5 Descripcin general del chorro Diesel ....................................................................... 59719.6 El proceso de atomizacin de un chorro Diesel. Regmenes de atomizacin .......... 59919.7 Similitud entre el chorro Diesel atomizado y el chorro gaseoso ............................... 60619.8 Chorro Diesel en condiciones evaporativas............................................................... 61019.9 Aspectos tecnolgicos: otros sistemas de inyeccin ................................................. 61419.10 Resumen................................................................................................................... 617Referencias y bibliografa .................................................................................................. 61820 Combustin en MECJ. Benajes, J. M. Garca-Oliver20.1 Introduccin ............................................................................................................... 62020.2 Descripcin del proceso de combustin convencional en MEC ............................... 62120.3 Control del proceso de combustin convencional en MEC ...................................... 63120.4 Procesos alternativos de combustin en MEC........................................................... 64320.5 Resumen..................................................................................................................... 652Referencias y bibliografa .................................................................................................. 65421 Tcnicas para reducir las emisiones contaminantes. NormativasJ. Casanova, O. Armas21.1 Introduccin. .............................................................................................................. 65621.2 Tecnologas que afectan al diseo del motor............................................................. 65721.3 Postratamiento de gases de escape............................................................................. 66421.4 Normativas de control de emisiones contaminantes.................................................. 67621.5 Resumen..................................................................................................................... 685Referencias y bibliografa .................................................................................................. 68622 Emisiones acsticasA. Broatch, R. Payri22.1 Introduccin ............................................................................................................... 68822.2 Fuentes de ruido en motores ...................................................................................... 68822.3 Ruido generado por el bloque .................................................................................... 68922.4 Ruido de admisin y escape....................................................................................... 69422.5 Mtodos de reduccin ................................................................................................ 69722.6 Normativa .................................................................................................................. 70522.7 Resumen..................................................................................................................... 707Referencias y bibliografa .................................................................................................. 70723 Control de motoresJ. M. Lujn, C. Guardiola23.1 Introduccin ............................................................................................................... 71023.2 Evolucin de los sistemas de control de MCIA......................................................... 71023.3 Estructura de los sistemas de control electrnicos .................................................... 71323.4 Adquisicin de parmetros de funcionamiento de motores. Sensores ...................... 71723.5 Algoritmos de control ................................................................................................ 72623.6 Calibracin y optimizacin del motor ........................................................................73823.7 Tendencias en el control de MCIA ............................................................................74123.8 Resumen .....................................................................................................................742Referencias y bibliografa ..................................................................................................74324 Modelado de motoresJ. Galindo, J. J. Hernndez24.1 Introduccin................................................................................................................74624.2 Clasificacin de modelos ...........................................................................................74724.3 Modelado del flujo de gases en el motor....................................................................74824.4 Modelado de la combustin .......................................................................................76124.5 Modelado de otros sistemas de motor ........................................................................79324.6 Resumen .....................................................................................................................796Referencias y bibliografa ..................................................................................................79625 SemejanzaF. Payri, C. Guardiola25.1 Introduccin................................................................................................................80025.2 Teora de la Semejanza...............................................................................................80025.3 Consecuencias de la semejanza ..................................................................................81125.4 Aplicaciones de la Teora de la Semejanza ................................................................81525.5 Resumen .....................................................................................................................822Referencias y bibliografa ..................................................................................................82226 Cinemtica, dinmica y equilibradoM. Valds, V. Macin26.1 Introduccin................................................................................................................82426.2 Cinemtica del mecanismo biela-manivela................................................................82526.3 Dinmica del mecanismo biela-manivela ..................................................................82926.4 Equilibrado de motores ..............................................................................................83926.5 Resumen .....................................................................................................................853Referencias y bibliografa ..................................................................................................85327 Elementos constructivosJ. M. Lujn, V. Bermdez27.1 Introduccin ...............................................................................................................85627.2 Sistema soporte ..........................................................................................................85727.3 Mecanismo pistn - biela manivela.........................................................................87027.4 Mecanismo de distribucin ........................................................................................90027.5 Resumen .....................................................................................................................911Referencias y bibliografa ..................................................................................................912XVIIIMOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOSXVIIIMOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOS28 Tcnicas experimentalesJ. V. Pastor, A. Broatch28.1 Introduccin ............................................................................................................... 91428.2 Ensayo de motores ..................................................................................................... 91528.3 Transductores ............................................................................................................. 91628.4 Medidas en ensayos convencionales de motor .......................................................... 91728.5 Ensayos dinmicos en motores .................................................................................. 93428.6 Medidas en ensayos especficos de investigacin ..................................................... 93628.7 Registro de seales dinmicas ................................................................................... 94628.8 Regulacin y control .................................................................................................. 94728.9 Resumen..................................................................................................................... 949Referencias y bibliografa .................................................................................................. 95029 Curvas caractersticas y aplicacionesP. A. Rodrguez, J. I. Nogueira29.1 Introduccin ............................................................................................................... 95229.2 Variables de operacin que afectan a los parmetros de salida del motor ................ 95429.3 Curvas caractersticas a plena carga .......................................................................... 95829.4 Curvas caractersticas a carga parcial ........................................................................ 96429.5 Curvas caractersticas de otros parmetros ................................................................ 96529.6 Normativa aplicable a la determinacin de actuaciones. Frmulasde correccin de potencia y consumo especfico....................................................... 97129.7 Variacin de potencia con la altura en aplicaciones aeronuticas ............................. 97429.8 Resumen..................................................................................................................... 977Referencias y bibliografa .................................................................................................. 97830 Criterios de diseo y tendencias de futuroJ. Casanova, L. M. Rodrguez30.1 Consideraciones previas ............................................................................................ 98030.2 Criterios de diseo y seleccin .................................................................................. 98930.3 Tendencias futuras. .................................................................................................... 99930.4 Resumen................................................................................................................... 1001Referencias y bibliografa ................................................................................................ 1002Captulo 1Introduccin histricaM. ValdsS. Molina1.1 Introduccin.....................................................................................................................21.2 Antecedentes histricos de los MCIA .............................................................................41.2.1 Las mquinas de vapor.............................................................................................41.2.2 El nacimiento de la Termodinmica ........................................................................61.3 Los motores de combustin interna alternativos .............................................................81.3.1 El motor sin compresin previa de la carga: Lenoir ................................................81.3.2 El ciclo terico del motor de 4T: Beau de Rochas...................................................91.3.3 El primer motor de 4T: Otto ..................................................................................101.3.4 Motores de encendido por compresin ..................................................................111.3.5 Motores de combustin por difusin .....................................................................121.4 Historia reciente de los motores de combustin interna alternativos............................141.4.1 Sobrealimentacin..................................................................................................161.4.2 Sistemas de formacin de la mezcla en MEP ........................................................171.4.3 Sistemas de inyeccin Diesel .................................................................................191.4.4 Inyeccin directa e indirecta en motores Diesel ....................................................201.4.5 Sistemas de control de emisiones ..........................................................................211.5 Resumen ........................................................................................................................22Referencias y Bibliografa .........................................................................................................222MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOS31. INTRODUCCIN HISTRICA1.1 IntroduccinLos motores de combustin interna alternativos (MCIA) actuales tienen ya ms de un siglo de historia. Si hubiera que escoger una fecha que marcara el nacimiento de los motores mo- dernos (tal como los conocemos actualmente), esa sera el ao 1876, cuando el alemn Nico- laus Otto solicit la patente titulada Gasmotor, obtenida a nombre de la Gasmotorenfabrik Deutz AG con el nmero DE 532. En la Figura 1.1 se muestran unos dibujos del motor, ex- trados de la solicitud de patente presentada en Estados Unidos.Figura 1.1 Dibujos de la patente de Otto Motor de gas. Fuente: Patente US 194 047; USPTO, Washington.Si bien el motor de Otto fue, a buen seguro, resultado de una evolucin continua, basada a su vez en numerosos antecedentes, hay que atribuirle el mrito de haber establecido la estrate-gia de los desarrollos futuros de los MCIA en una direccin con respecto a la cual iban a exis- tir pocas desviaciones en lo sucesivo.Los MCIA no empiezan (ni terminan) con el motor de Otto, aunque ste constituya uno de los hitos ms importantes de su historia. Los primeros antecedentes de los MCIA fueron, sin duda, las mquinas de vapor, desarrolladas en el siglo XVIII, durante la primera revolucin industrial, de la que, en buena parte, fueron artfices. Las mquinas de vapor se pueden consi- derar los primeros ingenios capaces de producir, con rendimientos aceptables, energa mecni- ca no natural, entendiendo por tal la que no procede del aprovechamiento de energas existen- tes en la naturaleza, como la hidrulica o la elica. Todos los motores trmicos actuales se derivan, en mayor o menor medida, de las mquinas de vapor. Los MCIA tienen en comn con stas una de sus principales caractersticas, que consiste en ser mquinas volumtricas o de desplazamiento positivo, lo que significa que el fluido de trabajo est contenido dentro de un recinto delimitado por paredes mviles que, al desplazarse, modifican el volumen de la masa de fluido que evoluciona por el motor.Esa circunstancia confiere a las mquinas volumtricas la propiedad de que su funciona- miento se puede comprender de manera intuitiva ya que, hasta cierto punto, es sencillo imagi- nar lo que sucede cuando un gas se expande o se comprime dentro de un cilindro por media- cin del movimiento de un mbolo. Esa aproximacin intuitiva permiti que las mquinas de vapor (y, en buena medida, tambin los MCIA) se desarrollasen de manera esencialmente emprica, sin la existencia de una base que explicara su funcionamiento con mtodo cientfico.La similitud existente entre los procesos que tienen lugar en las mquinas de vapor y en los MCIA queda reflejada en la Figura 1.2, que muestra los diagramas presin-volumen (pV) de ambas mquinas. El diagrama pV, tambin conocido como diagrama del indicador, es de gran importancia, como se ver oportunamente, en el estudio de los MCIA.Figura 1.2 Diagramas pV de una mquina de vapor (izquierda) y de un MCIA (derecha).Su carcter de antecedente histrico de los MCIA y los aspectos que tienen en comn justi- fican la conveniencia de describir brevemente los hitos fundamentales que determinaron la historia de las mquinas de vapor.51. INTRODUCCIN HISTRICA71. INTRODUCCIN HISTRICAFigura 1.3 Esquema de la mquina de Newcomen de 1712.La carrera de trabajo se realizaba durante el movimiento descendente del mbolo, debido al vaco generado al condensar el vapor dentro del cilindro por mezcla con agua lquida; el movimiento ascendente tena lugar gracias a la accin de un contrapeso. La presin del vapor en la caldera era muy baja, evitando as los problemas de seguridad de la mquina de Savery.Los derechos otorgados a la patente de Savery extendan la proteccin de su invencin a los dispositivos para conseguir la elevacin de agua usando la potencia del fuego, razn por la que Newcomen (que tuvo que firmar acuerdos comerciales, primero con Savery y luego con sus herederos) muri sin haber podido disfrutar en exclusiva de los beneficios de su invento.En 1769 se produjo un nuevo avance cuando el escocs James Watt obtuvo en el Reino Unido una patente que tena por ttulo Un nuevo mtodo para disminuir el consumo de vapor y de combustible en mquinas trmicas (patente britnica GB 913 A.D. 1769). Watt enumeraba en su patente una serie de mejoras, de entre las que las ms destacables eran el condensador separado (que reduca las prdidas de calor en el cilindro, al evitar tener que recalentarlo en cada ciclo) y el cuadriltero articulado para transmitir el movimiento desde el pistn que hizo posible la mquina de doble efecto que patent en 1782 (patente GB1.321 A. D. 1782), gracias a la cual se duplicaba el nmero de carreras de trabajo por unidad de tiempo. Las mejoras aportadas por Watt hicieron que el rendimiento trmico de las mquinas de vapor pasara del0,5% que tenan las de Newcomen a valores cercanos al 4% en los albores del siglo XIX.Durante casi doscientos aos, las mquinas de vapor fueron los nicos motores trmicos disponibles. Llegaron a alcanzar un elevado grado de perfeccionamiento gracias a su aplica- cin en la propulsin, primero fluvial, luego martima y, por fin, ferroviaria. Las mejoras se produjeron, en gran medida, por los avances en los materiales y en los dispositivos mecnicos, pero no se tena una idea clara de la naturaleza de los procesos que permitan la obtencin de energa mecnica, que solo se comprendi bien entrado el siglo XIX, cuando se desarrolla la Termodinmica.rentes: ahora bien, ese contacto debe evitarse en la medida de lo posible. No puede evitarse completamente, sin duda; pero por lo menos hay que hacer de suerte que los cuerpos puestos en contacto unos con otros difieran poco entre ellos de temperatura.La parte ms interesante de las Reflexiones, para un estudioso de motores, es aquella en la que describe lo que se conoce como el ciclo de Carnot (Figura 1.4), que es la sucesin de una compresin isoterma (1-2), una compresin isentrpica (2-3), una expansin isoterma (3-4) y una expansin isentrpica (4-1).Figura 1.4 Ciclo de Carnot dibujado en un diagrama T-s (izquierda) y p-V (derecha).Carnot no podra haber dibujado su ciclo en un diagrama Ts, como hoy es costumbre, ya que el concepto de entropa fue desarrollado por el alemn Rudolph Clausius aos despus, en1865. En realidad, tampoco lo dibuj en un pV, aunque resulta sencillo hacerlo siguiendo las indicaciones de su libro. Fue el francs mile Clapeyron quien, en 1834, dos aos despus de la muerte de Carnot, public un artculo en el Journal de l'cole Royale Polytechnique, en el que mostr como podan formularse matemticamente y grficamente las ideas de Carnot, y dibuj por primera vez el ciclo en un diagrama pV como el de la derecha de la Figura 1.4. Hasta esa fecha, las Reflexiones haban pasado prcticamente inadvertidas.Carnot expres de este modo la igualdad entre el trabajo til y la diferencia entre el trabajo de expansin y el de compresin:[] a igual volumen, es decir para posiciones semejantes del mbolo, la temperatura es ma- yor durante los movimientos de dilatacin que durante los de compresin. En los primeros, la fuerza elstica del aire es mayor y por consiguiente la cantidad de potencia motriz producida por los movimientos de dilatacin es mayor que la consumida para producir los movimientos de compresin. As, se obtendr un excedente de potencia motriz, excedente del que se podr disponer para diversos usos.Sobre el rendimiento de la obtencin de energa mecnica, escribe:La potencia motriz del calor es independiente de los agentes puestos en juego para realizarla; su cantidad depende nicamente de las temperaturas de los cuerpos entre los cules se efect- a en ltima instancia el transporte del calrico.La frase anterior muestra una comprensin intuitiva de los fenmenos que llevaran a Kelvin y a Clausius, conocedores ambos de la obra de Carnot, a formular el segundo principio de la Termodinmica.En 1832, Carnot ingres en una casa de salud con un diagnstico de delirio generalizado. En los libros de registro de esa casa una anotacin indica: curado de su mana, muerto de cle- ra el 24 de agosto de 1832. Sus efectos personales fueron quemados como medida de precau-8 MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOScin y el fuego que haba motivado sus Reflexiones fue tal vez responsable de la destruccin de los trabajos acometidos tras la publicacin de su obra.Con la obra de Carnot se abrieron las puertas para el desarrollo de los motores trmicos ba- sado en el mtodo cientfico. Las mquinas de vapor prosiguieron su evolucin, mejorando de manera continua durante todo el siglo XIX y buena parte del XX. Otros motores diferentes, como los de aire caliente, coexistieron con las mquinas de vapor sin llegar a suponer una alternativa comercial real, hasta que surgieron los motores de combustin interna alternativos, que compitieron rpidamente con ventaja debido a su menor peso, su mayor facilidad de arranque y parada, un campo de aplicacin ms amplio (que inclua la propulsin) y un coste econmico menor.1.3 Los motores de combustin interna alternativosEn su libro, Carnot ya describa su ciclo con aire como fluido de trabajo. No era, por tanto, necesario, el empleo de un fluido condensable como el vapor de agua, y esa idea dio nacimien- to a los denominados motores de aire caliente, que coexistieron con las mquinas de vapor en la segunda mitad del siglo XIX, que eran tambin motores de combustin externa, aunque de fluido no condensable. Algn motor de aire caliente, como el del escocs Robert Stirling (1790-1878), ha subsistido hasta nuestros das. Pero los motores de aire caliente no influyeron de modo decisivo en la gnesis de los MCIA, cuya historia empieza realmente con el motor de Lenoir.1.3.1 El motor sin compresin previa de la carga: LenoirFigura 1.5 Dibujo de la patente estadounidense US 31 722 de Lenoir. Fuente: USPTO, Washington.El primer motor de combustin interna alternativo con cierto xito comercial se atribuye al belga, de ascendencia luxemburguesa, tienne Lenoir, que en 1860 solicit una patente cuyo1. INTRODUCCIN HISTRICA1. INTRODUCCIN HISTRICAttulo en su versin del privilegio real espaol ES 2 140 PR era Motor de aire dilatado con la combustin de los gases por medio de la electricidad. El motor de Lenoir, del que la Figura1.5 muestra unos dibujos de la patente estadounidense US 31 722, era un monocilndrico de dos tiempos sin compresin previa de la mezcla, formada por gas de hulla y aire.El motor de Lenoir era muy ruidoso y con tendencia a sobrecalentarse y a gripar si no se refrigeraba intensamente. Su rendimiento era bajo por la ausencia de compresin previa y por la pequea relacin de expansin. A pesar de eso, se vendieron cerca de quinientos ejempla- res, con potencias comprendidas entre 6 y 20 HP, hasta que nuevos avances lo fueron arrinco- nando.1.3.2 El ciclo terico del motor de 4T: Beau de RochasEl primero en establecer la importancia de comprimir la carga del cilindro antes de la com- bustin fue el francs Alphonse Eugne Beau de Rochas, que haba conocido y compartido estudios con Lenoir en Paris. En 1862, Beau de Rochas present en Francia la solicitud de patente FR 52593, que constaba de 151 pginas manuscritas en las que se trataban, en cuatro captulos, aspectos tan variopintos como el misterio de las fuentes del Nilo o la trata de escla- vos. El epgrafe ii del captulo 2 tena por ttulo Motor mixto a vapor o a gas. Dispositivo con compresin previa (pginas 45 a 49 del documento). En la pgina 48 del documento se lee textualmente:As, para un mismo lado del cilindro, se llega naturalmente a ejecutar las siguientes opera- ciones, en un perodo de cuatro carreras consecutivas:1 aspiracin durante una carrera completa del pistn;2 compresin durante la carrera siguiente;3 inflamacin en el punto muerto y expansin durante la tercera carrera;4 expulsin del gas quemado fuera del cilindro en el cuarto y ltimo retorno.Figura 1.6 Diagramas Ts de los ciclos de Beau de Rochas y Lenoir.1.3.4 Motores de encendido por compresinEn 1884, Daimler, que se haba marchado de Deutz en 1882 (junto a Maybach) por diver- gencias con Otto, solicit la patente Un nuevo motor de gas, que en Espaa se clasific con el nmero ES 4 410. La patente describa lo que se conoci ms tarde como motor de cabeza caliente, que se podra situar a mitad de camino entre el de Otto y el de Diesel (que se estu- diar a continuacin). Segn Daimler, su motor se rega por el siguiente principio de funcio- namiento:Las paredes del espacio A adquieren, a las pocas repeticiones de dicho juego, una temperatu- ra normal algo elevada, la cual, unida al efecto de la compresin, produce con regularidad la inflamacin de la mezcla en, o alrededor del punto muerto superior de la cursa del pistn, segn el principio confirmado por la experiencia, de que mezclas combustibles, las que bajo presin puramente atmosfricas no se inflamaran o quemaran con lentitud, al ser comprimi- das rpidamente, queman, no solamente con rapidez, sino hasta hacen explosin.La Figura 1.7 muestra un dibujo de la patente ES 4 410. Se trataba de un motor de encen- dido por compresin, si bien la compresin tena lugar sobre la mezcla de aire y combustible, mientras que Diesel en su motor propuso comprimir solamente aire, por razones que se ex- pondrn a continuacin.Figura 1.7 Algunos dibujos de la patente de Daimler ES 4 410. Fuente: OEPM, Madrid.12 MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOS1.3.5 Motores de combustin por difusinRudolf Diesel naci en Pars de padres alemanes y se diplom en ingeniera mecnica en la Universidad Tcnica de Munich a los veintids aos. Diesel escribi lo siguiente acerca de la gnesis de su motor:Cuando mi venerado maestro, el doctor Linde, explicaba al auditorio en el curso de sus lec- ciones de Termodinmica en la Escuela Politcnica de Munich, en 1878, que la mquina de vapor transforma en trabajo efectivo slo entre el 6 y el 10% de la cantidad de calor disponi- ble; cuando esclareca el principio de Sadi Carnot y demostraba cmo en los cambios isotr- micos de estado de un gas, todo el calor cedido se transformaba en trabajo, yo escrib en el margen de mi cuaderno: Estudiar si es posible realizar prcticamente la isoterma ... El de- seo de realizar el proceso ideal de Carnot domin desde entonces mi espritu.Figura 1.8 Evolucin p-V del motor Diesel sin inyeccin de agua (izquierda) y con ella (derecha). Fuente: patente britnica GB 7 241 A. D. 1892. UK Intellectual Property Office, Newport.De acuerdo con lo anterior, la idea principal de Diesel (a la que, con el paso del tiempo, terminara por renunciar) era acercarse lo ms posible a la realizacin de un ciclo de Carnot. Diesel quera mantener constante la temperatura durante las primeras fases tanto de la compre- sin como (sobre todo) de la expansin. Para conseguir esto ltimo, pens en inyectar el com- bustible al mismo tiempo que ste se quemaba, con una ley de inyeccin tal que mantuviese la temperatura constante al compensarse el calentamiento de la combustin con el enfriamiento de la expansin. Lo que se comprima, por consiguiente, era solamente aire. Para conseguir lo primero, concibi la idea de refrigerar la primera mitad de la carrera de compresin mediante la inyeccin de agua. Tras la compresin isoterma vena la compresin isentrpica, igual que tras la expansin isoterma segua la expansin isentrpica.En 1892, Diesel plasma esas ideas solicitando la patente de ttulo Procedimiento para pro- ducir trabajo motor por la combustin de combustibles en varios pases europeos (en Alema- nia fue la patente DE 67 207, presentada el 28 de febrero de 1892; en Francia fue la patente FR 220 903 presentada el 14 de abril de ese ao, mientras que en Reino Unido fue la patente1. INTRODUCCIN HISTRICA1. INTRODUCCIN HISTRICAGB 7 241 A. D. 1892, presentada tambin el 14 de abril de ese ao; la primera patente espao- la de Diesel se registr en 1894). La Figura 1.8 muestra el diagrama pV de la evolucin en el cilindro en dos variantes del motor con refrigeracin de la compresin y sin ella, tal como aparece en la patente britnica.Los puntos 2 y 3 de la figura de la derecha delimitan, respectivamente, los finales de los procesos de compresin isoterma (con la inyeccin de agua) y de expansin isoterma (con la inyeccin de combustible). Diesel no hace referencias en la patente a lo que sucede entre los puntos 4 y 1, que recuerda a lo que tiene lugar en un ciclo de Atkinson, si bien en otras versio- nes de su patente modific esa parte del ciclo, sustituyndolo por un enfriamiento a volumen constante.Figura 1.9 Primer motor operativo diseado por Diesel.As pues, Diesel aspira a realizar un ciclo de Carnot, lo cual ha constituido siempre el sue- o ms o menos confeso de todos los ingenieros motoristas. Por esa razn, su estimacin de rendimiento es la correspondiente al de un ciclo de Carnot y depende solo de las temperaturas extremas del ciclo. La patente dice:En la realizacin de este proceso se ha encontrado que fcilmente pueden conseguirse tempe- raturas entre 600 a 1.200 C, con lo que pueden conseguirse rendimientos entre el 70 y el80%.Si se considera una temperatura de cesin de calor de 280 K, el rendimiento de un ciclo deCarnot para esas temperaturas estara, en efecto, comprendido entre el 67% y el 80%.Las condiciones termodinmicas obtenidas en la compresin tambin se exponen en la pa- tente britnica:[] Carrera ascendente (del pistn) con inyeccin de agua dentro del cilindro, compresin consiguiente, a temperatura constante, del aire absorbido; a continuacin supresin de la in- yeccin de agua y compresin hasta alrededor de 250 atmsferas, presin que corresponde a1. INTRODUCCIN HISTRICA 15 1876: Nicolaus Otto presenta en Alemania la patente Gasmotor, que sienta las bases de lo que hoy son los MCIA. 1878: Dugald Clerk disea el primer motor de dos tiempos obteniendo su patente en 1881. 1885: Gottlieb Daimler presenta una patente donde justifica el uso de la sobrealimentacin en motores de dos tiempos. 1885: Karl Benz inventa el primer modelo de carburador, obteniendo su patente un ao despus. 1886: Karl Benz patenta el primer automvil equipado con un MCIA. 1889: Joseph Day disea un motor de dos tiempos que a diferencia del de Clerk no utiliza vlvulas, diseo que perdura actualmente. La patente Americana data de 1896. 1892: Rudolf Diesel patenta en varios pases Europeos su concepto de motor que actual- mente lleva su nombre. 1900: Rudolf Diesel presenta, en la exposicin mundial de Pars, su motor funcionando con aceite de cacahuete como combustible. 1902: Louis Renault obtuvo la patente de un compresor centrfugo para la sobrealimenta- cin de motores. 1905: Alfred Bchi patenta un motor sobrealimentado con un turbocompresor accionado por una turbina movida por los gases de escape. Construy cuatro motores con esta tecno- loga. 1909: Prosper L'Orange, junto con Benz, desarrollan la precmara de combustin. 1922: El primer motor con precmara de combustin es fabricado por Mercedes-Benz; se trata de un motor para uso en tractores. 1925: Jonas Hesselman presenta el primer motor de gasolina con inyeccin directa 1927: Bosch presenta el primer sistema de bomba de inyeccin en lnea. 1933: Primer turismo con motor Diesel (Citron Rosalie), aunque nunca lleg a producirse en serie, debido a restricciones legales del uso de los motores Diesel. 1934: Primer motor Diesel con sobrealimentacin para trenes. 1936: Mercedes lanza el 260D, el primer coche Diesel de fabricacin en serie. 1938: Primeros motores Diesel sobrealimentados para uso en camiones. 1952: Bosch fabrica los primeros sistemas de inyeccin directa de gasolina para aplicacin en serie en vehculos. 1953: Mercedes produce los primeros motores Diesel turboalimentados para camiones. 1961: Bendix patenta el Electrojector, el primer sistema de inyeccin controlado electrni- camente. 1962: Primera bomba de inyeccin de embolo radial 1967: Bosch saca al mercado el primer sistema de inyeccin electrnica el D-Jetronic. 1978: Mercedes produce el primer turismo turboalimentado, el 300 SD. 1983: Sistema de inyeccin electrnico con sonda lambda para el control del dosado. Cata- lizador de tres vas. 1984: Primera bomba de mbolo radial controlada electrnicamente. 1989: El grupo VW presenta un motor diesel de inyeccin directa turboalimentado para aplicacin en automviles. 1995: Denso presenta el primer common rail para motores de camin. 1996: Reaparece la inyeccin directa de gasolina en el mercado de la mano de Mitsubishi. 1997: Alfa Romeo saca al mercado el modelo 156 JTD. El primer motor Diesel con com- mon rail.171. INTRODUCCIN HISTRICA171. INTRODUCCIN HISTRICAEn la industria del automvil fue General Motors en el ao 1962 el primer fabricante que introdujo en el mercado los motores de gasolina turboalimentados. Los modelos fueron el Monza Spyder, con un motor de 2,4 litros y una potencia de 112 kW, y el Oldsmobile Cutlass, con un motor V8 de 3,5 litros y una potencia de 160 kW; en Europa fue Porsche, en el ao1974, el que introdujo en el mercado una versin del 911 con turboalimentacin.En el ao 1938 la empresa suiza Swiss Machine Works Saurer fabric los primeros moto- res Diesel de camin con turboalimentacin, sin embargo, no fue hasta los aos 50 cuando, tanto Mercedes como Volvo, comenzaron la fabricacin de motores Diesel sobrealimentados para algunos de sus camiones. Los primeros coches de produccin en serie de motor Diesel turboalimentados fueron el Mercedes 300SD y el Peugeot 604, que fueron ambos lanzados al mercado en el ao 1978. En la actualidad casi todos los motores Diesel del mercado son tur- boalimentados.Merece una especial atencin la utilizacin de la turboalimentacin en la competicin, ya que ayud de manera importante al desarrollo de esta tecnologa. Durante los aos 1977 a1989 la Frmula 1 utiliz motores de 1,5 litros sobrealimentados que en algunos casos llega- ron a entregar una potencia cercana los 900 kW. El primer fabricante en introducir el concepto fue Renault en el ao 1977, al que le siguieron Ferrari, BMW y Honda.1.4.2 Sistemas de formacin de la mezcla en MEPLa forma de introducir un combustible lquido en los motores de encendido provocado ha sido siempre un tema en constante evolucin y, aunque para mucha gente es desconocido, el desarrollo del carburador y de los sistemas de inyeccin de gasolina se ha realizado de manera simultnea desde los comienzos de la historia del motor. Los sistemas de inyeccin, con venta- jas claras frente al carburador, no han podido imponerse en el mercado hasta la llegada de la electrnica, que ha permitido un control eficiente en todas las condiciones de funcionamiento del motor. En los siguientes prrafos repasaremos la evolucin histrica de ambos sistemas de formacin de la mezcla.El concepto bsico de carburador, como se conoce hoy en da, fue patentado por Benz en1885, pero fue Maybach en el ao 1875 el primero en intentar quemar combustible lquido en un motor que en origen funcionaba con gas; para ello utiliz una mecha sumergida en el com- bustible por un extremo y por el otro se haca pasar la corriente de aire, que evaporaba el com- bustible y lo arrastraba hacia el motor.Por su parte, los sistemas pioneros de inyeccin de gasolina fueron desarrollados en esta misma poca por la empresa Deutz, aunque las ventajas, por su simplicidad y coste, del carbu- rador propuesto por Benz, y posteriormente mejorado por Bnki, aparcaron el desarrollo de esta idea. Sin embargo fue la industria de la aviacin la que potenci la utilizacin de los sis- temas de inyeccin, ya que los carburadores son propensos a congelarse cuando se vuela a gran altura y a derramar el combustible cuando se hacen cambios de direcciones que podan llevar a incendios del motor. Se puede decir, aunque no por los motivos antes expuestos, que el motor que equip el primer avin de la historia usaba un sistema primitivo de inyeccin, ya que el combustible era introducido en el motor por gravedad a travs de unas boquillas ali- mentadas por el combustible que se encontraba en un depsito en las alas del avin.Durante la poca entre guerras se retom el inters de los sistemas de inyeccin de gasoli- na para aplicaciones en automviles y fue en 1925 cuando el ingeniero Suizo Jonas Hesselman18 MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOSfabric el primer motor de gasolina de inyeccin directa de la historia; para ello utiliz un sistema inyeccin derivado de los que ya haca aos que se utilizaban en los motores Diesel.La empresa alemana Bosch comenz con desarrollos de sistemas de inyeccin de gasolina en 1912, pero slo en 1937 comenz la fabricacin en serie de sistemas de inyeccin de gaso- lina para la industria aeronutica, equipando entre otros a toda la gama de los Mercedes DB601-605. En 1952 aparecen los primeros coches, el Goliath y el Gutbrod, equipados con motorde dos cilindros, dos tiempos, de 660 cm3 alimentado por sistemas de inyeccin directa degasolina, y en 1954 el mismo sistema se mont en el legendario Mercedes 300SL, aunque en este caso era un motor de cuatro tiempos, 6 cilindros y 3 litros de cilindrada.La inyeccin indirecta de gasolina, que consiste en la introduccin del combustible antes de la vlvula de admisin y no directamente en el cilindro, comenz su desarrollo a finales de los aos 50, siendo General Motors en Estados Unidos uno de los primeros fabricantes en incorporar sistemas de inyeccin indirecta al V8 del 57 de su modelo Corvette, aunque el sistema ya se haba utilizado con mucho xito en motores destinados a la competicin en Indianpolis. Las empresas Bosch y Lucas tambin estaban desarrollando sistemas de inyec- cin indirecta controlados mecnicamente y varios fabricantes, tales como Porsche, Mercedes, Aston Martin y Maserati entre otros, los incorporaron en algunos modelos de sus coches, en los aos 60.En paralelo, el carburador haba tenido una evolucin notoria dentro del mercado del au- tomvil; de aquel concepto simple presentado por Benz ya casi no quedaba nada y el carbura- dor se haba convertido en un elemento complejo pero eficaz y fiable para las necesidades de la poca. En el captulo 16 de este libro se pueden ver los elementos fundamentales que hicie- ron del carburador un dispositivo capaz de suministrar el combustible en todas las condicio- nes de operacin del motor. A fines de los 70 el carburador haba llegado a un grado de com- plejidad tal que su evolucin se estaba estancando y, aunque segua siendo mayoritario su uso en todo tipo de vehculos con motor de gasolina, su futuro no era muy prometedor. Fueron dos hechos casi simultneos los que eliminaron del mercado del automvil al carburador: uno fue la irrupcin de la electrnica en el control de los sistemas de inyeccin (aunque haba empeza- do varios aos antes no fue hasta fines de los 70 que su costo y fiabilidad fueron interesantes para el mercado) y el segundo fue la implementacin del catalizador de tres vas para el con- trol de emisiones, hecho que se ver con ms en detalle en el aparatado 1.4.5 de este captulo.Los sistemas de inyeccin controlados electrnicamente tienen su origen en una patente presentada por Bendix en el ao 1957 y otorgada en el ao 1961. El sistema patentado por Bendix inclua, adems de una bomba para elevar la presin, un sistema de boquillas (inyecto- res) controlados por medio de vlvulas solenoides. Aunque el sistema nunca fue utilizado en vehculos por problemas de costos y fiabilidad, sent las bases de lo que posteriormente sera la verdadera revolucin electrnica. Bendix cedi los derechos de esta patente a Bosch, que en1967 present el modelo D-Jetronic, que fue el primer sistema de inyeccin electrnica. Este sistema lo incorporaron entre otros VW en el modelo 3, Mercedes en su serie R107 y Volvo en la serie 100. A partir de ah el desarrollo de los sistemas de inyeccin electrnica no ha para- do. El primer avance fue incorporar un sensor mecnico para la medida del caudal de aire en el modelo L-Jetronic, montado por primera vez en un coche, en el Porsche 914, en el ao 1974. En el ao 1979 se incorpor al sistema de inyeccin el control del encendido por medio del sistema Motronic, que inclua el primer microprocesador usado en un automvil. El avance definitivo se complet en el ao 1982, cuando se incorpor el control del dosado por medio de la sonda lambda y la medida del caudal de aire mediante un sensor de hilo caliente.20 MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOSEn paralelo al desarrollo del common rail aparecieron en el mercado otros sistemas de in- yeccin controlados electrnicamente. Uno de ellos fue el inyector bomba, que en su versin mecnica fue patentado en 1911 por Frederick Lamplough. Los primeros en utilizarlos para aplicaciones industriales fueron Caterpillar en sus motores V8 de 7,3 litros y el grupo VW en automviles, que lo incorpor en algunos de sus modelos a partir del ao 1997. Otro sistema similar es el unit pump, que est compuesto de una bomba controlada electrnicamente para cada cilindro y un inyector que puede ser mecnico o tipo common rail; este sistema apareci en el mercado en el ao 1995 cuando Mercedes y Mack lo utilizaron en sus motores de ca- min. Ambos sistemas tienen la ventaja respecto al common rail de que pueden obtener pre- siones de inyeccin ms altas, alrededor de 2000 bar, pero su flexibilidad no es tan amplia (vase el captulo 19 para ms informacin sobre estos sistemas de inyeccin).1.4.4 Inyeccin directa e indirecta en motores DieselEl motor Diesel naci como un motor de inyeccin directa, es decir el combustible era di- rectamente inyectado en la cmara de combustin, sin embargo, debido a las bajas velocidades de combustin su uso estaba limitado a grandes motores girando a bajo rgimen de giro.La primera patente que hace referencia a una precmara de combustin es debida a LOrange, un ingeniero alemn, que en marzo de 1909 patent (DRP 230517) el concepto de precmara de combustin. En el ao 1922 Mercedes-Benz present un motor de tractor con un sistema semejante a lo que hoy conocemos como una precmara de combustin. El sistema consista en inyectar el combustible en una pequea cmara situada sobre el pistn donde debido a un mayor movimiento del aire la velocidad de combustin aumentaba considerable- mente, haciendo posible que el motor girara a un rgimen de giro mayor.Entre los tipos ms difundidos de precmara de combustin por turbulencia, reviste espe- cial relieve la proyectada por Harry Ricardo, conocida como cmara Comet, la cual est dise- ada para darle al aire un movimiento en direccin tangencial, por tanto, de rotacin en torno al eje principal del cilindro, y capaz de persistir como torbellino libre durante toda la carrera de compresin del pistn. Estos desarrollos, junto con los avances en los sistemas de inyec- cin, permitieron aumentar el rgimen de giro de los motores Diesel hasta 3000 rpm. As apa- rece, en el ao 1936, el primer motor Diesel que equipaba un turismo, el Mercedes 260D.Durante los aos 60, con la utilizacin de la sobrealimentacin en los motores Diesel y el desarrollo de los sistemas de inyeccin de alta presin, la tecnologa de las cmaras de com- bustin qued dividida dependiendo del tipo de utilizacin de los motores. Los motores de camin eran en su mayora de inyeccin directa con la cmara de combustin labrada en el pistn, con una relacin de compresin en torno a 17:1 y un rgimen mximo de giro que estaba alrededor de las 2200 rpm. Por otro lado, los motores de turismo estaban equipados con prcamaras de combustin, trabajando con relaciones de compresin de 22:1 y un rgimen de giro que lleg a alcanzar las 5500 rpm.La principal desventaja de los sistemas de precmara de combustin radica en las prdidas de calor debido a su gran relacin superficie volumen, que hacen indispensable el uso de bujas de precalentamiento para el arranque en frio; otra desventaja son las prdidas produci- das al pasar los gases por el orificio que conecta la precmara con el cilindro, problema que se acenta a altos regmenes de giro, incrementando el consumo de combustible.En la dcada de los 90, el desarrollo de los sistemas de inyeccin y la sobrealimentacin permiti a los fabricantes introducir en el mercado motores Diesel de turismo de inyeccin1. INTRODUCCIN HISTRICA 21directa sobrealimentados. Estos motores, aunque giran a un rgimen menor que los de pre- cmara, alrededor de 4000 rpm, pueden entregar una potencia mayor gracias a los altos niveles de sobrealimentacin que alcanzan. La irrupcin en el mercado de estos motores ha dado por finalizado el desarrollo de los motores de precmara, ya que su rendimiento es menor que el de los motores Diesel de inyeccin directa.1.4.5 Sistemas de control de emisionesLa evolucin de los motores a lo largo de la historia ha tenido tendencias de acuerdo a los requerimientos de la sociedad. Una vez acabada la Segunda Guerra Mundial la industria de los motores se centr en mejorar las prestaciones de los MCIA, quedando el consumo de combus- tible en un segundo plano. A partir de la gran crisis del petrleo a comienzos de los 70, la industria automotriz centr su inters en la reduccin del consumo de combustible, haciendo motores ms pequeos y eficientes.Con la masificacin del uso del automvil apareci el problema de la contaminacin at- mosfrica, que ha controlado en gran medida el desarrollo de los MCIA en los ltimos aos.En los aos 60 y 70, principalmente en California, y posteriormente en el resto de Estados Unidos y Europa, comenzaron a implantarse las primeras reglamentaciones relacionadas con las emisiones contaminantes de los motores, al principio con medidas simples como el control de los gases del crter del motor, el control de la evaporacin del combustible, o el control de monxido de carbono (CO) emitido en ralent.Pero con el tiempo las normas comenzaron a centrarse en la emisin de CO e hidrocarbu- ros (HC) emitidos en condiciones de marcha del motor, apareciendo los primeros ciclos de conduccin reglamentados para la medida de emisiones contaminantes. En la dcada de los 70 en Estados Unidos ya haba normativas que regulaban la emisin de CO, HC y NOx para mo- tores de gasolina y la emisin de humos para motores Diesel.En principio los fabricantes lograron resolver estos problemas por medio de los elementos disponibles, optimizando la combustin, e integrando nuevos elementos como fueron los cata- lizadores de oxidacin, que permitan completar la oxidacin de CO y HC antes de su emisin por el tubo de escape. En motores Diesel se integr en la bomba de inyeccin un sistema de control de dosado durante las aceleraciones para limitar la emisin de humos (boost control).No fue hasta los 80 cuando las restricciones en los motores de gasolina forzaron a la utili- zacin del catalizador de 3 vas, que reduce simultneamente la emisin de CO, HC y NOx. Este dispositivo que, desde el punto de vista de emisiones contaminantes, ha sido la solucin para los motores de gasolina hasta la actualidad, provoc dos revoluciones relacionadas con los motores. La primera fue la supresin del plomo de las gasolinas, ya que este produca un envenenamiento del catalizador, con la consiguiente revolucin en la industria de los combus- tibles. La segunda fue la eliminacin del uso del carburador en motores de automviles, debi- do a que para que el catalizador tenga la mxima eficiencia, el motor debe trabajar en todo momento con dosado estequiomtrico. El carburador, que cumpla con creces los requerimien- tos de mezcla de los motores de gasolina, no poda controlar de manera eficiente el dosado, siendo los sistemas de inyeccin controlados electrnicamente, que incorporaban la sonda lambda para el control del dosado, los que sentenciaron el abandono del uso del carburador.En los motores Diesel la adecuacin a las normativas ha sido diferente que en los motores de gasolina. Si bien tambin los sistemas de inyeccin controlados electrnicamente han sido vitales en el cumplimiento de las normativas, el postratamiento de los gases de escape no haCaptulo 2Clasificacin de los MCIAJ. BenajesE. Navarro2.1 Introduccin...................................................................................................................242.2 Potencial y debilidades de los MCIA ............................................................................252.3 Criterios de clasificacin y caractersticas diferenciadoras...........................................262.3.1 Proceso de combustin...........................................................................................272.3.2 Ciclo de trabajo ......................................................................................................282.3.3 Presin de admisin ...............................................................................................322.3.4 Tipo de refrigeracin..............................................................................................332.3.5 Nmero y disposicin de los cilindros ...................................................................352.4 Diferencias fundamentales entre MEC y MEP .............................................................352.4.1 Formacin de la mezcla .........................................................................................362.4.2 Regulacin de la carga y dosado............................................................................372.4.3 Tipos de cmaras de combustin ...........................................................................382.4.4 Tipo de combustible ...............................................................................................402.4.5 Potencia y rendimiento...........................................................................................412.5 Principales campos de aplicacin ..................................................................................412.6 Resumen ........................................................................................................................42Referencias y bibliografa ..........................................................................................................4224MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOS24MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOS2.1 IntroduccinEn general, un motor se puede considerar como un dispositivo que permite transformar cualquier tipo de energa en energa mecnica. Dentro de ese amplio campo, se encuentra el motor trmico, que se puede definir como el dispositivo que permite obtener energa mecnica a partir de la energa trmica contenida en un fluido compresible. Cabe la posibilidad de poder disponer directamente de esa energa, como es el caso de la radiacin solar o la energa ge- otrmica, u obtenerla a partir de otros tipos de energa como puede ser la energa qumica almacenada en la materia. En este ltimo caso se necesitar transformar esa energa qumica en energa trmica mediante un proceso adicional, como puede ser un proceso de combustin. Se necesitar adems disponer de un fluido de trabajo que sea capaz de variar su energa a partir de la energa trmica y de los elementos mecnicos adecuados para que el fluido pueda transformar su energa en energa mecnica.Dependiendo de donde se produzca el proceso de combustin los motores se pueden clasi- ficar (Figura 2.1) en: Motores de combustin externa: si el proceso de combustin tiene lugar de forma externa al fluido de trabajo, como por ejemplo los motores Stirling. Motores de combustin interna: si el proceso de combustin tiene lugar en el propio fluido de trabajo, siendo este generalmente una mezcla de aire y combustible.Figura 2.1 Clasificacin de los motores.Dentro de los motores de combustin interna, la combustin puede producirse de forma continua o de forma discontinua, lo que permite dividir a los motores de combustin interna en: Motores de combustin continua, que son aquellos en los que el proceso de combustin ocurre de forma continua en el tiempo y por consiguiente el fluido de trabajo debe tambin pasar a travs del motor de forma continua. Motores de combustin discontinua, que son aquellos en los que el proceso de combustin ocurre de forma intermitente. En estos motores el fluido desarrolla un trabajo bien sobre una superficie mvil o bien aumentando la energa cintica de una corriente. En este ltimo caso se tratara de un motor propulsivo, como por ejemplo un pulsorreactor.26 MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOSEn la construccin de MCIA se pueden emplear materiales de bajo coste (acero poco alea- do y aleaciones de aluminio), fundamentalmente debido a que las temperaturas medias de trabajo son relativamente bajas comparadas con las que se obtienen en otros tipos de motores, como consecuencia de la combustin discontinua y la sucesin de procesos que tienen lugar en el motor (combustin seguida de expansin y de renovacin de la carga).Sin embargo la utilizacin de los MCIA tambin presenta algunas debilidades e inconve- nientes, como pueden ser: La emisin de gases contaminantes, incluyendo aqu el dixido de carbono, comparado especialmente con otros propulsores en algunas aplicaciones especficas, como el motor elctrico en pequeos vehculos. Esta debilidad puede desaparecer si se compara no sola- mente el resultado de la utilizacin del motor, sino la cadena completa de impactos produ- cidos por todos los procesos necesarios desde el acopio de energa primaria hasta el uso fi- nal del motor. La limitacin en la potencia mxima, que es crucial en aplicaciones de centrales elctricas, donde el MCIA no puede competir con las turbinas, tanto hidrulicas como trmicas. La potencia especfica mxima (potencia por peso del motor) que es decisiva en aplicacio- nes de transporte a alta velocidad (aeronaves o buques rpidos), en las que el MCIA ha si- do desplazado por la turbina de gas. La dependencia del petrleo para obtener el combustible que se emplea mayoritariamente en transporte. Este factor ha potenciado la investigacin para disminuir el consumo de combustible y para emplear combustibles alternativos no derivados del petrleo.En cualquier caso, el balance global entre ventajas e inconvenientes se ha mantenido muy favorable para el MCIA durante los ltimos cien aos, no encontrndose ninguna planta pro- pulsora que pudiera sustituirle de modo extensivo, excepto en el campo de la aviacin. El futuro del MCIA pudiera parecer incierto, en vista del endurecimiento de las normativas anti- contaminacin, la disminucin de las reservas de petrleo, y de las diferentes alternativas que se postulan para sustituirlo total o parcialmente en un plazo ms o menos lejano. No obstante, las ventajas comentadas han tenido como resultado que hasta hoy da hayan fallado los fre- cuentes pronsticos lanzados en el pasado que auguraban la sustitucin y desaparicin del MCIA.2.3 Criterios de clasificacin y caractersticas diferenciadorasLos motores alternativos se pueden clasificar de mltiples formas, atendiendo a criterios tan diferentes como pueden ser: el proceso de combustin, el ciclo de trabajo, la forma en la que se introduce el aire en el cilindro, el tipo de combustible utilizado, el sistema para introdu- cir el combustible, el sistema de control utilizado, el tipo de refrigeracin, el nmero y dispo- sicin de los cilindros, etc.Ninguna de esas caractersticas excluye a las dems, por lo que en una clasificacin global existiran tantas categoras distintas de MCIA como combinaciones de esas caractersticas se pudieran pensar. Obviando tipos de motor con aplicaciones marginales, los criterios ms im- portantes para clasificar los MCIA, y los tipos ms caractersticos dentro de cada clasificacin se exponen a continuacin.MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA ALTERNATIVOS2. CLASIFICACIN DE LOS MCIAlled Auto-Ignition) cuando derivan de un MEC o de un MEP respectivamente. Este tipo de combustin se comenta con ms detalle en el captulo 20.2.3.2 Ciclo de trabajoSegn el ciclo de trabajo los motores alternativos se pueden clasificar en motores de cuatro tiempos (4T) y motores de dos tiempos (2T). Las diferencias entre estos dos tipos de motores tienen que ver bsicamente con el proceso de renovacin de la carga, es decir, escape y admi- sin.Motores de cuatro tiemposEn estos motores el ciclo de trabajo se completa en dos vueltas de cigeal o, lo que es lo mismo, en cuatro carreras del mbolo. De esto ltimo proviene la denominacin de motores de4 tiempos.Figura 2.2 Fases de un motor de 4T.Los procesos que tienen lugar, salvo modificaciones que se detallan posteriormente, son(Figura 2.2): Fase de admisin (1 carrera): con las vlvulas de admisin abiertas y las de escape cerra- das, el mbolo se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) hacia el punto muerto in- ferior (PMI). Debido a esto se crea en el interior del cilindro una pequea depresin, sufi- ciente como para inducir la entrada de gases a travs del conducto de admisin. Estos ga- ses sern aire o una mezcla de aire y combustible, dependiendo del tipo de motor. Cuando el mbolo llega al PMI las vlvulas de admisin se cierran y comienza la siguiente fase. Fase de compresin (2 carrera): con las vlvulas de admisin y escape cerradas el mbolo se desplaza desde el PMI hacia el PMS comprimiendo el fluido contenido en el cilindro. En las cercanas del PMS se produce el salto de chispa en el caso de un motor de encendi- do provocado o se inyecta el combustible en el caso de un motor de encendido por com- presin, producindose la combustin. Fase de expansin (3 carrera): la combustin, entre otros efectos, produce un aumento de presin de los gases contenidos en el cilindro, empujando al mbolo, que se desplaza desde el PMS hacia el PMI. Este desplazamiento es el nico del que se obtiene trabajo. Fase de escape (4 carrera): en el PMI se abre la vlvula de escape y el mbolo comienza a desplazarse hacia el PMS expulsando los gases quemados hacia el exterior del cilindro. Cuando el mbolo llega al PMS se cierra la vlvula de escape y se inicia un nuevo ciclo.En realidad, debido a la compresibilidad del aire y a que la combustin no puede producir- se a volumen constante, es necesario realizar modificaciones respecto a lo descrito anterior- mente en los momentos de apertura y cierre de las vlvulas y en el instante de inicio de com- bustin, de modo que no coinciden con los PMS y PMI, sino que se producen con adelantos y retrasos respecto a estos puntos.As se definen, siguiendo la misma secuencia anterior: Avance en la apertura de admisin (AAA), como el ngulo girado por el cigeal desde el inicio de la apertura de la vlvula de admisin hasta el PMS. Retraso en el cierre de admisin (RCA) como el ngulo girado por el cigeal desde elPMI hasta que se cierra la vlvula de admisin. Avance al encendido (AE) o avance a la inyeccin (AI), como el ngulo girado por el cigeal desde el salto de chispa en la buja o desde el inicio de la inyeccin de combusti- ble hasta que el mbolo se encuentra en el PMS. Avance en la apertura de escape (AAE), como el ngulo girado por el cigeal desde el inicio de la apertura de la vlvula de escape hasta el PMI. Retraso en el cierre de escape (RCE), como el ngulo girado por el cigeal desde el PMShasta que se cierra la vlvula de escape.El ngulo durante el que permanecen abiertas las vlvulas de admisin y escape se deno- mina ngulo de cruce de vlvulas, y es la suma de los valores del AAA ms el RCE. Estos ngulos se suelen representar en un grfico como el de la Figura 2.3.Figura 2.3 Diagrama de la distribucin de un motor de cuatro tiempos.La conveniencia de los ngulos de avance y de retraso se justifica con detalle en captulos posteriores, y es debido por un lado a efectos como la no estacionariedad y la compresibilidad del flujo, y a razones mecnicas, ya que no es posible abrir y cerrar las vlvulas instantnea- mente, por lo que para conseguir una cierta abertura en los puntos muertos, es preciso abrir antes y cerrar ms tarde.El valor ptimo de estos ngulos depende claramente tanto de las condiciones de operacin del motor, sobre todo del rgimen de giro, como de las caractersticas constructivas del motor como el nmero de cilindros, la disposicin y dimensiones de los colectores de admisinEn la Figura 2.4 se muestra el diagrama presin-volumen de un motor de 4T.Figura 2.4 Diagrama presin-volumen de un motor de 4T.Motores de 2 tiemposEste tipo de motores se caracteriza porque el ciclo se completa en dos carreras del mbolo o, lo que es lo mismo, en una revolucin, es decir, en 360 grados de giro de cigeal. Los procesos que tienen lugar son los mismos que en un motor de cuatro tiempos, aunque con menor duracin angular. La diferencia fundamental reside en el proceso de renovacin de la carga, ya que en estos motores la mayor parte de los procesos de escape y de admisin ocurre simultneamente, en lo que se denomina proceso de barrido. Como ese trmino indica, el pistn no expulsa los gases quemados y aspira los gases frescos, sino que son los gases fres- cos, que se encuentran a mayor presin que los gases en el cilindro, los que barren a los gases quemados hacia el escape. El ciclo seguido por los gases del cilindro se muestra en la Figura2.5.Figura 2.5 Fases de un motor de dos tiempos de barrido por crter.Los procesos de compresin y de combustin son anlogos a los de un motor de cuatro tiempos, y podrn ser de MEC o de MEP. Las diferencias comienzan en la segunda mitad de la carrera de expansin, cuando mucho ms temprano que en un motor de cuatro tiempos, se inicia el proceso de escape. Esto puede ocurrir de dos modos, dependiendo del tipo de motor:por apertura de una o varias vlvulas de escape, como en un motor de cuatro tiempos, o por una o varias aberturas practicadas en el propio cilindro, llamadas lumbreras, y que quedan descubiertas por el propio movimiento del mbolo. En cualquier caso, los gases de escape abandonan el cilindro espontneamente, por la presin elevada en su interior. A continuacin, y todava antes de que el mbolo alcance el PMI, se inicia la apertura de la admisin, por uno de los dos mtodos ya comentados. En este instante, la presin en el cilindro debe haber cado suficientemente, de modo que los gases frescos en el conducto de admisin puedan entrar en el cilindro y efectuar el barrido de los gases quemados. El proceso de barrido contina con el mbolo llegando al PMI e iniciando su carrera hacia el PMS, permaneciendo tod