BALANCE TERMICO E INTENSIDAD TERMICA DE LAS PIEZAS DEL MOTOR

1. Balance térmico del motor

Del análisis del ciclo del motor se desprendo que para realizar el trabajo

efectivo se consumo solamente una pequeña parto del calor que se obtiene

al quemar el combustible

Para determinar la tendencia del aprovechamiento de calor y las vías de su

mejoramiento, así como los datos necesarios para el cálculo del sistema de

enfriamiento, se debe establecer en que se gasta el calor introducido al

motor. Con este fin al investigar el motor se determinan las componentes

separadas del balance térmico en función de los diferentes parámetros que

caracterizan las condiciones de explotación (carga, frecuencia de rotación,

composición de la mezcla, etc.)

La ecuación del balance térmico (la cantidad de calor está referida a la

unidad de tiempo) es

Donde es la cantidad total del calor introducida con el combustible al

motor en el régimen dad; Q el calor equivalente al trabajo efectivo del

motor; el calor cedido al medio refrigerante; el calor que se llevan

del motor los gases de escape; la parte del combustible que se pierde

debido a su combustión incompleta; el calor entregado al lubricante;

el termino independiente que determina las perdidas no incluidas en las

demás componentes del balance térmico

El balance térmico puedo determinarse en porcentaje de la cantidad total de

calor introducido. Entonces

Es evidente que

La cantidad total de calor consumida en 1s es

Donde viene en kg/s y en J/kg

El calor (en J/s) equivalente a la potencia efectiva (en W) es

El calor trasmitido al medio refrigerante a través de las paredes del cilindro,

culata, pistón y de sus segmentos puede determinarse recurriendo a la

ecuación

Donde es la cantidad del agente refrigerante que pasa por el motor en

kg/s; el calor especifico del mismo (para el agua =41086 J/kg) la

temperatura del agente refrigerante a la salida del motor; en C; lo

mismo, pero a la entrada del motor en C

El calor que arrastran los gases de escape es:

Donde G………… es la cantidad de calor evacuando del cilindro con los

gases de escape en J/s; G………. la cantidad de calor introducida al cilindro

del motor con la carga fresca J/s y pCp son los calores específicos molares

a presión constante respectivamente de los productos de combustión y de

la carga fresca, en J/(Kmol.C): tg, la temperatura de los gases quemadas,

medida detrás del colector de escape en °C; to la temperatura de la carga

fresca que entra en el cilindro del motor en °C

El calor Qo se determina midiendo la cantidad de calor cedida por el

lubricante al agua en el enfriador de aceite

El valor Qc cuando α≥1 generalmente no se calcula aisladamente sino que

se incluye en el término Qt que se puede calcular por la diferencia

Si las pruebas se realizan a α<1 entonces el calor desaprovechado debido

a la combustión incompleta se calcula acorde con la expresión

Donde se determina a base de la formula, Qc se expresa en J/s

En la fig. 130 vienen representadas las componentes del balance térmico

interno del motor cuando este funciona sin sobrealimentación. Los valores

aproximados de los componentes del balance térmico se dan en la tabla 20

La fig.140 a muestra las componentes del balance térmico en función de la

frecuencia de rotación del motor de carburador GAZ-53. Aumentando la

frecuencia de rotación se eleva el calor utilizado con eficacia desde el 20

hasta el 24%. La cantidad de calor Qret disminuye al elevar la frecuencia

de rotación desde el 30 hasta el 20% con un considerable incremento del

calor Qg. El calor Qc obtiene su máximo

Valor a n=1200……1600 rpm. El calor Qs conjuntamente con Qp constituye

a una frecuencia de rotación intermedia cerca del 10% incrementándose al

elevar y disminuir la frecuencia

En la fig.140, b se representa la característica de carga del motor GAZ-53.

En la parte superior de la figura se ilustra la variación del coeficiente α en

función de la carga

La variación de los componentes del balance térmico en función de la carga

en el motor diesel YaMZ-238N sobrealimentado para n=2100 rpm se

muestra en la fig.140, c. el calor utilizado con la constituye el 30%

Al cambiar la carga desde la total hasta el 50% el rendimiento efectivo

definido por la magnitud q varia solamente en un 2% de su máximo valor

alcanzando cuando Ne=0.88N e max. Al medio

Refrigerante se transmite calor desde el 17% en caso de plena carga, hasta

el 23% siendo Ne=0.5 N e max; con los gases de escape se van

respectivamente desde el 30% hasta 33%. El carácter de variación de las

componentes del balance térmico siguiendo la característica de velocidad

del motor diesel se ilustra en la fig.140

2. Intensidad térmica

La tendencia moderna en el desarrollo de los motores rápidos para

automóviles y tractores se caracteriza por estar orientada a la

intensificación de su régimen de velocidad y de su presión media efectiva.

Dichas tendencia conduce al crecimiento de las cargas mecánicas y

térmicas. Estas últimas principalmente son las que determinan el límite de

intensificación del motor

La intensidad térmica del motor caracteriza el nivel de la temperatura de

sus piezas principales y define, partiendo de la resistencia mecánica

admisible para los materiales utilizados, cual deberá ser carga térmica en

aquellas. La intensidad térmica caracteriza también las condiciones de

funcionamiento de los pares de rozamiento

En las condiciones más complejas, en cuanto a la intensidad térmica se

refiere se encuentran las superficies candentes de los fondos de la culata y

del pistón, cuyos campos de temperatura se caracterizan por su

considerable irregularidad en diferentes zonas.

La temperatura de la superficie de estas piezas y especialmente del pistón

influye sustancialmente en las condiciones de explotación del motor y en su

fiabilidad. El recalentamiento del pistón, si es que al mismo tiempo las

piezas conjugadas no se lubrican lo suficientemente bien, suscita el

emplastamiento con carbonilla de los anillos, raspaduras en la superficie de

trabajo del pistón y de la camisa y otros defectos. Debido al irregular campo

de temperaturas en el fondo del pistón y en la culata, estos se deforman y

el grado de intensidad térmica en las zonas con diferentes temperaturas

resulta desigual, como resultado de lo cual aparecen fisuras y quemaduras

en algunos lugares

Para obtener las optimas condiciones del estado térmico de un motor

intensificase se presta gran atención a la estructura racional de las piezas

que perciben el calor a las cavidades de refrigeración y a los parámetros de

las unidades del sistema de enfriamiento. Una gran importancia tiene

también la correcta relación entre la cantidad de calor que desprende el

motor al medio refrigerante y laque solo el cilindro con los gases quemados.

Especialmente en el caso de sobrealimentación por turbocompresor la

distribución racional del calor desprendiendo permite elevar el

aprovechamiento del calor y por lo tanto la intensificación del motor. En este

caso mediante la introducción de mayor cantidad másica de aire al cilindro y

respectivamente (para el motor diesel) gracias al trabajo a grandes cargas

con valores más elevados de α, se puede disminuir considerablemente la

intensidad térmica del motor

De esta manera el estudio de los factores que influyen en la intensidad

térmica de las piezas fundamentales del motor tiene gran significado para

garantizar su servicio fiable

En el motor de combustión interna la intensidad térmica de las piezas

fundamentales se determina por la magnitud y el carácter de circulaciones

los flujos térmicos. Las complejidad de la estructura de las piezas, la

diferencia de las condiciones de enfriamiento en las superficies de las

piezas, la heterogeneidad de los parámetros termodinámicos del fluido

operando por todo el volumen de la cámara de combustión conducen a que

las condiciones de emisión de calor a través de la superficies de las piezas

que delimitan el volumen interior del cilindro sean desiguales. Como

consecuencia de esto, los flujos térmicos que pasan a través de sectores

individuales en la superficie de transmisión de calor son diferentes. En el

proceso de realización del ciclo la superficie de transmisión de calor varía.

Estos y otros factores que acompañan la realización de las fases separadas

del ciclo (el flujo turbulento de los gases, los procesos hidrodinámicos

durante la admisión y el escape, la variación del estado del fluido operante

durante la combustión, etc.) influyen sustancialmente sobre el carácter de

los flujos de calor

El flujo especifico del calor, en W/

Donde Q es la cantidad de calor que pasa a través de la superficie de la

pieza examinada en W; F, el sector estudiado de la superficie en

Los flujos térmicos en el motor tienen un carácter no estacionario muy

elocuente

En la fig.141 en calidad de ejemplo se muestra para uno de los sectores de

la superficie interior candente de la culata, la variación del flujo térmico

procedente del fluido operante que se encuentra en el cilindro hacia la

pared, en función del tiempo (Angulo de rotación del cigüeñal de un motor

de vehículo de cuatro tiempo tipo YaMZ)

En vista de que temperatura del aire aspirado durante la admisión es menor

que la temperatura de la superficie que limita el volumen interior del cilindro,

el calor se transmite desde las paredes hacia el aire (véase en cap.VI).

Luego en el proceso de compresión

A medida que se incrementa la temperatura de la carga fresca (véase el

cap.) comienza el desprendimiento del calor desde esta hacia las paredes.

La cantidad de calor transferida a las paredes considerablemente crece en

el periodo de combustión. Durante la expansión, inclusivo hasta en el

escape de los gases quemados continua el desprendimiento del calor a las

paredes

En la fig.141 vienen representados también los valores de las temperatura

media del gas en el cilindro, calculada a base de la ecuación característica

de los gases, utilizando el diagrama indicando así como la temperatura

media de la pared en la zona estudiada tp

Medida con ayuda de termopares. En el grafico se muestra la variación del

coeficiente de emisión de calor desde el gas hacia las paredes en función

del Angulo de rotación del cigüeñal, calculada conforme a la ecuación

La distribución del calor transmitido a las paredes según las fases del ciclo

se muestra en la tabla 21

La cantidad relativa de calor con respecto al total introducido con el

combustible y absorbido por la culata en función de la carga

Varía desde el 11 hasta el 19%. De la cantidad total de calor, transmitida a

la culata de 10 al 37% se transfiere a las paredes del conducto de escape.

Esto disminuye visiblemente la energía de los gases quemados que

principio podría utilizarse en la sobrealimentación por turbocompresor

Las piezas más cargadas, en el sentido térmico en un motor de cuatro

tiempos son las válvulas de escape. El barrido del cilindro por aire en el

periodo de traslapo de válvulas que se emplea, por ejemplo en la

sobrealimentación es un método efectivo para refrigerar las válvulas

En la fig. 142 se muestra el campo de temperaturas t de las piezas del

motor diesel investigado en función de la carga del coeficiente α para

diferentes Pk regímenes de velocidad y presión de sobrealimentación. Los

valores de t en las distintas zonas de la superficie de una pieza difieren.

Esto determina el carácter complejo del grado de la intensidad térmica del

fondo del pistón y de la culata, lo que deberá tomarse en cuenta durante su

diseño para obtener la necesaria equirresistencia y para garantizar la

requerida transferencia de calor al medio refrigerante. Aumentando la carga

Pt y reduciendo correspondientemente α a Pk=const, así mismo elevando la

frecuencia de rotación crece el flujo especifico y como consecuencia

también crece to en todas las zonas. Por ejemplo la temperatura de la

superficie interna candente de la culata a n=1300 rpm, Pk=0.17 MPa y a

plena carga (Pt=1.56 MPa) en la periferia es igual a 230ºC mientras que en

la zona ubicada cerca del centro es 380ªC. al aumentar Pk la función to=f

(α) varia prácticamente en forma equidistante (véase la fig. 142)

La temperatura de la superficie del pistón difiere esencialmente en las

zonas donde se realizaron las mediciones. En estas zonas a elevadas

cargas (y respectivamente Pk) y regímenes de altas velocidades to=320ªC

mientras que en las zonas de menor intensidad térmica a estas cargas

to=260ªC

En la fig. 143 se muestra el campo de temperaturas del fondo del pistón del

motor diesel YaMZ-238 dicho campo con respecto

Al eje del cilindro prácticamente es simétrico. Las investigaciones mostraron

que ejerce una influencia sustancial sobre tw en la culata y en el pistón, la

variación del Angulo de avance a la inyección de combustible. A medida

que aumenta el Angulo la temperatura tw φ en todas las zonas investigadas

se incrementa. Al aumentar φ desde 20 hasta 40ª en algunas zonas de la

culata la tw crece linealmente aproximadamente en 70ªC, mientras que en

el pistón en 60ªC

En las piezas del motor de carburador que perciben el calor, fabricadas de

aluminio, la temperatura en las diferentes zonas es menor que en el motor

diesel. Según datos de la fábrica ZIL, la temperatura de la superficie interna

de la culata de aluminio, que no tiene costra, en el plano de unión de la

culata con el bloque de cilindros en el régimen de máxima potencia

(Ne=110kW, n=3200 rpm)siendo la temperatura del agua de refrigeración

to=90ªC, constituye 150ªC, mientras que en los salientes para los pernos de

ajuste de la culata con el bloque es 170ªc. habiendo un gran cantidad de

costra, la temperatura, en comparación con la culata que no la tiene en los

salientes crece en unos 50ªC

Las elevadas tensiones térmicas en el fondo del pistón de los motores de

carburador surgen en caso de combustión anormal detonante o de

encendido por incandescencia

En el motor diesel debido a que la duración del proceso de combustión es

relativamente prolongada, el calor parcialmente se transmite por radiación.

En este caso, el calor en menor medida se transmite a las paredes de la

camisa del cilindro y en mayor grado al fondo del pistón y a la culata. En

comparación con el motor de carburador, un flujo térmico mayor se

transmite a través de dichas superficies y especialmente a través del fondo

del pistón. A esto contribuye también el que la densidad de la carga en el

motor diesel es mayor, gracias a que la relación de compresión y la

sobrealimentación en el son más elevadas.

Las investigaciones han mostrado que la transmisión de calor por radiación

considerablemente influye sobre la intensidad térmica de ciertas zonas de

las superficies que perciben el calor del motor. Este se relaciona

especialmente a las condiciones de transmisión de calor en la zona central

de la superficie interna de la culata del motor diesel, así como a la

trasmisión de calor por los bordes de su pistón