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LABORATORIO N 1 CURVAS DE PERFORMANCE DE LOS MCI MEC-3337

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CURVAS DE PERFORMANCE DE LOS MCI

1. INTRODUCCION.

1.1. ANTECEDENTES.

Sobre una precedente percepcin termodinmica de los MCIs, se tiene que madurar y desarrollar los

criterios de detalle tecnolgico de estos sistemas, en este sentido, el primer paso es interpretar en

detalle la naturaleza de las prestaciones y gastos ms representativos de los MCIs.

1.2. OBJETIVOS.

- Profundizar sobre el significado y las formas de representacin de las prestaciones de los MCI.

- Desarrollar tcnicas de evaluacin de un MCI a partir del uso de sus curvas de prestaciones.

1.3. FUNDAMENTO TEORICO.

Datos especficos del motor: Marca, modelo, industria, N de Fbrica, N de serie, N de cilindros,

Disposicin Valvular, Cilindrada, dimetro, carrera, Relacin de Compresin, Potencia, Par motor,

combustible, N de tiempos, tipo de admisin, tipo del sistema de refrigeracin, Datos especficos del

sistema de dosificacin de combustible, etc.

Se muestra a continuacin los conceptos bsicos que caracterizan los datos tcnicos ms elementales

de los MCI y un listado de datos especficos que tendr que contener las fichas tcnicas de los MCI del

Laboratorio.

Nmero de Cilindros: Existen tendencias universales en funcin de la potencia y la aplicacin

especfica del motor para definir el nmero y la disposicin de los cilindros de un motor; as por

ejemplo, un motor atmosfrico para un auto de explotacin urbana cuya potencia est entre 50-100

kW normalmente tendr un motor 4 cilindros o en caso extremo 6 cilindros; los deportivo utilitarios

preferentemente tienen motores de 4 y 6 cilindros, motores disel para camiones: por debajo de

100kW son motores normalmente de 4 cilindros, por encima de 100kW hasta inclusive los 350 kW

desde motores atmosfricos hasta sobrealimentados con intercooler existe la predominancia de

motores de 6 cilindros, por encima de los 300 kW es fcil encontrar ya motores con 8 a10 cilindros,

motores disel para maquinaria pesada ms o menos tienen las mismas caractersticas que el grupo

anterior en lo que respecta al nmero de cilindros, pero en este tipo de aplicaciones existen motores

disel de alta potencia cuya aplicacin se extiende para grupos generadores y motores de

locomotoras con rango de potencias que est entre 600-1000kW; normalmente estos motores son de

10, 12 e inclusive 16 cilindros.


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Relacin de Compresin: Motores de gasolina 7-11, Motores Diesel 13-23; motores de alta eficiencia

tendrn relaciones de compresin altas, pero en contraparte son motores ms caros por tecnologa y

por el incremento de las solicitaciones que exigirn ms y mejores materiales. Relaciones de

compresin bajas exigirn menor tecnologa y motores ms baratos pero tambin motores de alto

consumo de combustible o sea de menor eficiencia.

Frecuencia de Rotacin (n=rpm): para motores convencionales de gasolina desde los ms

conservadores 3500-4000 r.p.m. hasta los de altas revoluciones 6000-8000 r.p.m.; esta ltima

tendencia es caracterstica en motores de baja cilindrada como son los motores de motocicletas y los

deportivo utilitarios de baja cilindrada de origen asitico. Para motores disel para camiones y para

maquinaria pesada normalmente su frecuencia de rotacin est entre los 1500-3000 r.p.m.; adems,

actualmente es fcil encostrar motores disel de bajas a moderadas potencias (50kW 100kW) de

altas revoluciones 3000-4500 r.p.m., como son los urban asiticos.

Relacin Carrera Dimetro ( s/): Normalmente los motores diesel tienden a ser motores largos ( s

> ), especialmente en los motores para maquinaria pesada y para camiones de alto tonelaje donde

s/ =1.1......1.35, esta caracterstica constructiva optimiza el par motor y es altamente compatible

con las moderadas r.p.m. de estos motores. Los motores disel modernos de altas revoluciones

tienden a ser cuadrados o sea: s / =0.9......1.1. Los motores de gasolina por su natural tendencia a

las altas revoluciones van de sper cuadrados a cuadrados, esto significa que: s / =0.8...1...1.1.,

mientras ms altas sean sus revoluciones es ms factible encontrar motores sper cuadrados o

cortos, o sea: s /


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Fig. 1.1. Curvas de performance, brindan informacin acerca de los parmetros ms

representativos de un MCI, Potencia; Par Motor y Consumo especfico de combustible, todo es en

funcin del nmero de revoluciones

El parmetro de consumo especfico (bef), es el recurso ms fidedigno para establecer los parmetros

de rendimiento, consumos caractersticos, emisiones y parmetros de explotacin econmica y

tcnica de los MCI.

Existen muchas relaciones para cuantificar el bef, una relacin con fuertes implicancias

termodinmicas se muestra a continuacin:

(1.1)

Dnde:

= Consuno especfico de combustible = Presin media efectiva [Mpas]

= Densidad del aire de alimentacin = Rendimiento volumtrico del llenado del cilindro = Relacin aire combustible real


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1.3.1. CICLOS REALES DE LOS MCI (CUESTIONARIO)

Los motores de combustin interna trabajan en distintas zonas y condiciones de funcionamiento,

adems en distintos regmenes de funcionamiento de acuerdo al tipo de motor desde 800 hasta

6000 rpm para motores a gasolina y de 800 hasta 5000 rpm para motores diesel.

Teniendo en cuenta los principios de los ciclos ideales de los MCI, determinar parmetros

termodinmicos de los diferentes procesos es rpido y sencillo, que ignoran la influencia de muchas

variables importantes que los ciclos ideales no consideran.

Los ciclos reales de los MCI, se implementaran definiciones termodinmicos ms precisas, que

formaran parte del anlisis, discusin de cada uno de los procesos, de manera real de

funcionamiento de un MCI, de manera coherente en las aproximaciones de los parmetros

termodinmicos.

En los motores encendidos por chispa el proceso de formacin de la mezcla de aire

combustible, comienza anticipadamente en el proceso de admisin, lo cual en el proceso de

admisin se produce una cada de presin, lo que significa que la presin atmosfrica no es

constante en este proceso, debido a la hidrodinmica.

La sustancia de trabajo en el SCP de un MCI, pues en realidad es una mezcla de

sustancias gaseosas comportndose como gases reales que la constitucin molecular va

sufriendo cclicamente cambios en su constitucin:

Combustible + Aire Gases de Combustin

Al ser el aire como una sustancia de trabajo predominante en la combustin y al

analizar las propiedades trmicas del aire, se puede ver que todas estas tienen un

comportamiento global suficientemente prximo a las del aire en su comportamiento como

gas real, lo que significa que las propiedades trmicas Cp, Cv, K y R variaran en funcin a la

temperatura a lo largo de los procesos.

Los procesos de compresin y expansin, realizan continuamente intercambios de

calor a travs de las paredes del SCP, por consecuencia dejaran de ser procesos isotrpicos,

pasaran a ser reajustados a procesos poli trpicos.

1.3.2. PROCESO DE ADMISION Para desarrollar un ciclo de trabajo los motores a gasolina, los procesos de admisin y escape estn

vinculados entre s, debido a la expulsin de los gases quemados producto de la combustin, al


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ingresar la mezcla de carga fresca que se admite en el cilindro, a consecuencia de aquello estos

proceso van relacionados, porque de ello depender la calidad con que limpia en el SCP al ser

admitido la carga de fresca admitida en el cilindro, de esta manera el proceso de admisin debe

ser analizado tomando en cuenta estas consideraciones que caracterizan el proceso de escape,

examinado todo el complejo de fenmenos que se refieren al proceso de intercambio de gases en

conjunto, es necesario analizar los siguientes parmetros a considerar en el proceso de admisin.

En los diagramas de las fases de distribucin de los gases, en los diagramas

indicados los instantes de adelantos a la apertura de la vlvula de admisin, el retraso al cierre

de la vlvula de escape, estn en funcin al ngulo de rotacin del cigeal y de la carrera del

pistn, lo cual hace que influya en la alimentacin del motor.

La disminucin de la presin en el sistema de admisin y en el cilindro depende del

rgimen de velocidad del motor, de las resistencias hidrulicas en todos los elementos

del sistema, del rea de secciones de paso por donde se desplaza la carga fresca y de su

densidad, despus de abrir la vlvula de admisin, se produce la cada de presin, donde la

presin de alimentacin en el cilindro resulta menor que la presin atmosfrica.

> !"#$% > '

La existencia de cierta cantidad de gases residuales (mr) que se quedan en la cmara de

combustin (Vc) producto de la combustin al no ser expulsados completamente los gases

quemados, causa el efecto de calentamiento sobre la carga de admisin que se ejercen en

las paredes del SCP en consecuencia disminuye la densidad de la masa de carga fresca

admitida en el cilindro.

El efecto de la inercia en el desplazamiento de la carga fresca a travs del sistema de

admisin hasta llegar al SCP, a consecuencia de estos factores se harn difcil el llenado

completo de la mezcla de aire combustible cilindro durante el proceso de admisin.

1.3.3. CARACTERSTICAS DE LA PRESIN DEL PROCESO DE ADMISIN La existencia de ciertas resistencias en el proceso de admisin conduce a que la cantidad de carga

fresca admitida en el cilindro, disminuye debido al decrecimiento de la densidad de la carga,

la influencia de las perdidas hidrulicas sobre el llenado, se tendra que analizar el uso de la teora

hidrulica (Utilizando la ecuacin de Bernoulli) aplicada a las caractersticas de este sistema.


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Fig. 1.2. Presin del Proceso De Admisin

En trminos generales la presin atmosfrica ser igual a la presin de alimentacin del cilindro.

Para poder determinar los clculos con exactitud la cada de presin en la admisin, existe una tabla

de la cada de presin que se puede estimar en funcin a mrgenes establecidos a partir de esta

tabla tomando en cuenta las caractersticas de los motores.

Tabla 1.1 Caractersticas del Motor

La cada de presin en el sistema de admisin ser un factor que disminuir la cantidad de carga

fresca admitida, con la consecuente disminucin de potencia desarrollada por los MCI.

El objetivo tecnolgico es de optimizar el proceso de admisin, que esto significa que las paredes

debern ser ms lizas y optimizacin geomtrica del mltiple de admisin para disminuir la magnitud

de la resistencia hidrulica del sistema, incremento de las secciones crticas de la admisin a travs de

los sistemas multivlvulares de admisin.

1.3.4. TEMPERATURAS CARACTERISTICAS

En condiciones reales de funcionamiento es evidente que la temperatura de la carga fresca al final

de la admisin no ser la misma que de la alimentacin, para evaluar esta temperatura final se

tendr que tomar en cuenta lo siguientes pasos:

Calentamiento de la carga antes del ingreso al cilindro (Th).-


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Debido a que las paredes de los ductos de admisin estn calientes, estas aportaran calor a la carga

fresca incrementando su temperatura en:

(1.2) De acuerdo a las formas de admisin se tienen los siguientes parmetros para estimar la temperatura

de la carga fresca hasta antes de su ingreso al cilindro (Th)

a) Motores de gasolina atmosfricos

Fig. 1.3. Calentamiento de la carga de admisin antes del ingreso a los cilindros de un MCI gasolina.

.

b) Motores diesel atmosfricos

Fig. 1.4. Calentamiento de la carga de admisin antes del ingreso a los cilindros de un MCI

Diesel.

CALENTAMIENTO FINAL DE LA CARGA DE ADMISIN AL INGRESAR AL SCP

Debido a los gases residuales calientes que se quedan en la cmara de combustin, paredes

interiores calientes del SCP, la carga fresca al ingresar al cilindro sufrir un incremento adicional

importante de temperatura, para poder calcular este calentamiento final de la carga de admisin, se

tiene que establecer mrgenes aproximativos de ciertos parmetros caractersticos de la admisin


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basados en el seguimiento experimental del funcionamiento de los MCI

Coeficiente de los gases residuales ()

El coeficiente de los gases residuales es igual al cociente entre la masa de los gases residuales y la

masa de la carga fresca admitida:

Se pueden asumir los siguientes valores caractersticos.

Presin del gas residual (pr)

Temperatura de los gases residuales (Tr) En funcin a los valores propuestos se podr definir la temperatura de la masa gaseosa contenida

en un cilindro al final de la admisin (T1) se tendr:

(1.3) Por lo tanto los diagramas termodinmicos para el proceso de admisin de los diferentes

sistemas de admisin sern.


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Fig. 1.5. Proceso de admisin para el ciclo real en Diagrama de Presin Temperatura.

1.3.5. NMERO DE CILINDROS. Si los automviles utilizarn motores de un solo cilindro, las dimensiones de este seran grandes para

obtener una buena cilindrada y una potencia apreciable, lo cual nos llevara al problema del gran

peso del motor.

Es por eso que la utilizacin de varios cilindros supone mayor potencia con la ventaja de una mejor

disposicin de los cilindros y rganos mviles ms ligeros y reducidos, adems que el cigeal recibe

en lugar de un impulso fuerte que provocara vibraciones varios impulsos repartidos

convenientemente para eliminar las vibraciones y as provocar un giro ms regular y lograr que el

volante de inercia sea mucho ms ligero.

Seguidamente surgen dos posibilidades para los motores de varios cilindros, siendo estos:

a) Muchos cilindros de pequea cilindrada unitaria.

b) Pocos cilindros de gran cilindrada unitaria.

Comparando estos dos sistemas de cilindros se encuentran las siguientes ventajas del primero sobre

el segundo.

i) Posibilidad de obtener potencias especficas superiores aumentando el rgimen mximo del

motor.


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ii) Mejor rendimiento trmico, ya que el menor dimetro de los cilindros permite el empleo de

altas compresiones, y, en consecuencia, la reduccin del consumo especfico de combustible.

iii) Mayor uniformidad del par motor.

iv) Mejor equilibrio de las masas en movimiento, que se traduce en menores vibraciones del

motor.

Por el contrario los inconvenientes son:

i) Aumento de la longitud del cigeal, y problemas ligados a las vibraciones.

ii) Aumento del volumen y peso total del motor.

iii) Empeoramiento del rendimiento mecnico y con ello disminucin de la potencia.

Las formas de distribucin de los cilindros tambin generan diferencias de funcionamiento, siendo las

ms comnmente utilizadas las siguientes:

1.3.5.1. CILINDROS EN LNEA.

Se llama as debido a la disposicin en que los cilindros se encuentran uno a continuacin del otro en

un solo bloque, la principal desventaja de esta disposicin respecto a otras radica en la longitud del

cigeal.

Fig. 1.6. Disposicin de Cilindros en Lnea.

1.3.5.2. CILINDROS EN UVE. Se llama as debido a la disposicin en que los cilindros se encuentran en dos bloque que se unen

formando una Uve, permitiendo reducir la longitud del cigeal y hacerlo ms rgido lo cual aumenta

su suavidad en los altos regmenes de funcionamiento.


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Fig. 1.7. Disposicin de Cilindros en UVE.

1.3.5.3. CILINDROS HORIZONTALES OPUESTOS. Se llama as debido a la disposicin en que los cilindros se encuentran repartidos en dos bloques que

se oponen, por lo cual tambin reducen la longitud del cigeal y aumentan se rigidez, adems se

obtiene un equilibrio mecnico excelente, debido a que el movimiento de un pistn en un sentido se

compensa con el homlogo en sentido contrario.

Fig. 1.8. Disposicin de Cilindros Horizontales Opuestos. Existen tendencias universales en funcin de la potencia y la aplicacin especfica del motor para

definir el numero de la disposicin de los cilindros de un motor, as por ejemplo un motor atmosfrico

para un auto de explotacin urbana cuya potencia este entre 50 y 100[kW]. normalmente tendr un

motor de cuatro cilindros o en caso extremo a cilindros; los deportivos utilitarios preferentemente

tienen motores de 4 y 6 cilindros, motores diesel para camiones; por debajo de 100[kW] son motores

normalmente de 4 cilindros, por encima de 100[kW] hasta inclusive los 350[kW] desde motores

atmosfricos hasta sobrealimentados con Inter Cooler existe la predominancia de motores de 6

cilindros, por encima de los 300[kW] es fcil encontrar ya motores con 8 a 10 cilindros, motores diesel

para maquinaria pesada mas o menos tienen las mismas caractersticas que el grupo anterior en lo

que respecta al nmero de cilindros, pero en este tipo de aplicaciones existen motores diesel de alta


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potencia cuya aplicacin se extiende para grupos generadores y motores de locomotoras con rango

de potencia entre 600[kW] 1000[kW]; normalmente estos motores son de 10, 12 e inclusive 16

cilindros.

1.3.6. NMERO DE TIEMPOS. Los motores segn la cantidad de veces que se desplaza el pistn dentro del cilindro se clasifican en

Motores de 2 tiempos y Motores de 4 tiempos.

1.3.6.1. MOTORES DE DOS TIEMPOS. Motores donde todo el ciclo de trabajo se realiza en cada vuelta de cigeal. Este es un tipo de motor

totalmente diferente al de cuatro tiempos, tanto en funcionamiento como en apariencia fsica. Dentro

de las diferencias se encuentran que no posee eje de levas, engranajes de distribucin, vlvulas, etc.

El crter es de pequeas dimensiones y se encuentra cerrado hermticamente debido a que se usa

para la admisin y pre comprensin de la mezcla.

Fig. 1.9. Motor de dos tiempos. La descripcin del motor es la siguiente; a un lado del cilindro se encuentra una lumbrera o conducto

de carga, por el cual la mezcla pasa del crter al cilindro. Existen otros dos conductos, generalmente

opuestos en posicin al de carga por donde se hace la admisin procedente del carburador y el

escape hacia la atmsfera. El funcionamiento es el siguiente:

a) El crter aspira una nueva mezcla y al subir el pistn se comprime la mezcla.

b) En el crter contina la aspiracin mientras que en la parte superior del cilindro se presenta

la chispa de la buja y el pistn comienza su descenso.

c) En el crter se pre comprime la mezcla y el pistn deja escapar los gases por el conducto de

escape.

d) Por el conducto de carga entra la nueva mezcla que empuja los gases quemados hacia

fuera.


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Para entender el funcionamiento del motor de dos tiempos, es necesario saber de qu tipo de motor

se trata, porque los distintos tipos de motor actan de maneras diferentes.

Los tipos de diseo del motor de dos tiempos varan de acuerdo con el mtodo de entrada de la

mezcla aire/combustible, el mtodo de barrido del cilindro (intercambio de gases de combustin por

mezcla fresca) y el mtodo de agotar el cilindro. Estas son las principales variaciones, que pueden

encontrarse individualmente o combinadas entre s.

Puerto del pistn: Es el ms simple de los diseos. Todas las funciones son controladas

nicamente por el pistn tapando y destapando los puertos, que son agujeros en un lado del

cilindro, mientras mueve arriba y abajo el cilindro.

Barrido de lazo: El mtodo del cilindro con barrido de lazo utiliza puertos destinados a

transferencia para barrer la mezcla fresca hacia arriba en uno de los lados del cilindro y hacia

abajo en el otro lado, haciendo que la mezcla quemada sea empujada hacia delante y

expulsada por una lumbrera de escape. El barrido de lazo o "Schnurle", por su inventor, es, de

lejos, uno de los sistemas de barrido ms utilizados.

1.3.6.2. MOTORES DE CUATRO TIEMPOS.

En este caso el ciclo de trabajo se realiza por cada dos vueltas del cigeal. Se conoce con este

nombre debido a que cada subida y/o bajada del pistn dentro del cilindro corresponde a un tiempo

del motor, los cuatro tiempos son: admisin, compresin expansin y escape.

Fig.1.9. Motor de cuatro tiempos.

a) Admisin: El pistn se desplaza desde el PMS hasta el PMI mientras que la mezcla aire

combustible entra a la cmara de combustin, gracias a la apertura de la o las vlvulas de

admisin


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b) Compresin: Al finalizar la admisin el pistn empieza su recorrido hacia arriba, la vlvula

de admisin que se encontraba abierta se cierra y debido a que la mezcla no tiene ninguna

opcin de escape, es comprimida.

c) Combustin (expansin): Es tambin mal llamado explosin, este nombre no se debe dar

porque no existe tal, lo que sucede es una ignicin progresiva de la mezcla debido a la chispa

que se genera por la buja en los motores a gasolina; gracias a esta combustin los gases

generados se expanden y empujan de nuevo el pistn hacia el PMI. En los motores Diesel la

combustin no se genera por chispa si no por el alto grado de compresin al que se llega, lo

que se traduce en alto grado de temperatura. Este empuje hacia abajo es el que hace girar el

cigeal

d) Escape: Nuevamente el pistn vuelve a su recorrido hacia arriba, empujando los residuos de

la combustin que gracias a la apertura de la o las vlvulas de escape salen del motor; aqu se

inicia el ciclo nuevamente abriendo la vlvula de admisin.

1.3.7. DIMENSIONES DEL CILINDRO.

El tamao de los cilindros de un motor se define por su dimetro interior y la carrera del pistn o

distancia existente entre los puntos muertos Superior e Inferior ambas generalmente expresadas en

milmetros.

Hasta el ao 1960 la mayor parte de los motores se construan con la carrera ms grande en relacin

al dimetro, siendo denominados Motores Alargados, sin embargo en la actualidad se tiende a

carreras ms cortas que el calibre denominndose Motores Cuadrados cuando el dimetro y la

carrera son de la misma longitud, Supercuadrados cuando el dimetro es mayor que la carrera.

Teniendo en cuenta que para conseguir un cierto volumen del cilindro es posible jugar con se carrera

y dimetro, existen diversas razones para la construccin de estos con caractersticas cuadradas o

supe cuadradas, las cuales son:

a) Mayor potencia del motor para un mismo volumen del cilindro, ya que aumenta con el

cuadrado del calibre y solamente con el exponente de la carrera.

b) Posibilidad de colocar mayor nmero de vlvulas en la culata, que mejoran el llenado de del

cilindro de gases frescos y la evacuacin de los quemados.

c) Bielas ms cortas y por tanto ms rgidas.

d) Disminuye el rozamiento entre el pistn y el cilindro debido a la menor carrera al mismo

tiempo reduce la velocidad del pistn y la inercia de las cargas que soportan los cojinetes.

e) Codos del cigeal menos salientes que reducen las fuerzas de inercia y aumentan rigidez.

Por el contrario sus desventajas son las siguientes:


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a) Se consigue menor rendimiento de la cmara de compresin.

b) Se proporciona menor tiempo para la combustin de la mezcla por lo cual se realiza no de

manera perfecta provocando ms residuos de gases txicos

c) Menor capacidad de disipacin de calor debido a la menor superficie lateral del cilindro.

1.3.8. CILINDRADA. Se denomina cilindrada al volumen que desaloja el pistn cuando se desplaza entre los puntos

muertos superior e inferior, siendo C la carrera del pistn y D el dimetro de cilindro, tenemos:

[ ]324

cmCDV pi= (1.4)

La potencia de un motor est directamente relacionada con la Cilindrada del mismo, as mayor sea

esta, mayor cantidad de gases entra en el cilindro, obtenindose explosiones ms considerables.

1.3.9. RELACIN DE COMPRESIN. Se llama Relacin de Compresin a la relacin existente entre el volumen del cilindro cuando el pistn

se encuentra en el punto muerto inferior y el de la cmara de compresin que es el volumen ocupado

por los gases cuando el pistn se encuentra en el punto muerto superior, siendo v el volumen de la

cmara de compresin y a la Relacin de Compresin tenemos:

v

vV += (1.5)

La relacin de compresin de un motor, da el nivel de compresin a que se somete el gas en el interior

del cilindro. Cuanto mayor sea esta, ms presin se obtiene al final de la compresin.

1.3.10. VELOCIDAD DE ROTACIN.

Esta referida al movimiento directo del motor, siendo para motores convencionales de gasolina desde

los mas conservados 3500 4000[rpm] hasta los de altas revoluciones 6000 8000[rpm] esta ltima

tendencia es caracterstica en motores de baja cilindrada como son los motores de motocicletas y los

deportivos utilitarios de baja cilindrada de origen asitico. Para motores diesel para camiones y para

maquinaria pesada normalmente su frecuencia de rotacin esta entre los 1500 3000[rpm] adems

actualmente es fcil encontrar motores diesel de bajas o moderadas potencias (50kW 100kW) de

altas revoluciones 3000-4500 r.p.m., como son los Urban Asiticos.


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1.3.11. FORMA DE LUBRICACIN.

Existen dos maneras de lubricar un motor.

1.3.11.1. MOTORES DE CRTER HMEDO .

Motores donde existe un crter que contiene aceite lubricante. El crter est ubicado en la parte

inferior de la carcasa del motor donde aloja el aceite (por esta razn se denomina sistema de crter

hmedo) y una bomba con los que se lubrican las partes del motor.

Fig.1.10. Lubricacin de Carter Hmedo

La forma de lubricar es la siguiente: el aceite pasa del canal a los cojinetes del cigeal a travs de

conductos perforados en el bloque; los cojinetes son dos cascos semicirculares, uno de estos tiene un

agujero por donde pasa el aceite hacia el bloque. El aceite pasa desde los cojinetes de los codos a los

de los apoyos a travs de canales diagonales muy finos taladrados a travs de los asientos y

contrapesos del cigeal hasta los codos. El cojinete del pie de la biela se puede lubricar de dos

formas, el primero utiliza un agujero que atraviesa esta, la segunda utiliza la salpicadura (ver figura)

con los contrapesos del cigeal que al sumergirse en el aceite arrojan cierta cantidad de este a la

biela y a su pie. Con este mtodo se lubrica la pared del cilindro.

En algunos motores el aceite entra al eje de levas por medio de un conducto central, de modo que

lubrica directamente los cojinetes y asientos.

Fig.1.11. Lubricacin del rbol de Levas.


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Para completar el sistema debe tenerse en cuenta la lubricacin en el eje de balancines y el tren de

vlvulas la cual se lleva a cabo mediante goteo directo.

1.3.11.2. MOTORES DE CRTER SECO.

En este caso el crter est vaco y el lubricante entra al motor mezclado con la gasolina. En la

mayora de los vehculos se utiliza un sistema de lubricacin del motor que a grandes rasgos consiste

en llevar aceite a presin desde un depsito (Carter) por medio de una bomba hasta los puntos en que

la lubricacin es necesaria.

El aceite se almacena en el Carter y es tomado all por medio de la bomba que lo impulsa a presin

hasta los puntos necesitados de lubricacin. En algunas circunstancias no se puede asegurar que la

boca de la bomba de aceite este inmersa en el aceite de lubricacin, por lo que es necesario recurrir al

sistema de lubricacin con Carter seco. Este sistema consiste en disponer de un depsito auxiliar,

externo al motor, donde se almacena el aceite. La tapa inferior del motor es solamente una tapa

donde se recoge el aceite una vez ha realizado su tarea de lubricacin; desde ah, por medio de una

bomba, el aceite se enva de nuevo al depsito auxiliar, de donde, por medio de otra bomba se enva

al circuito de lubricacin. Este sistema se utiliza cuando se trata de motores que cambian su posicin

durante el funcionamiento, por ejemplo en motores de aviacin, o tambin cuando se producen

aceleraciones tan fuertes, que por el efecto centrfugo y las fuerzas de inercia desplazan la masa de

aceite lejos de la boca de la bomba de lubricacin en el Carter.

El sistema presenta una serie de ventajas con respecto a los sistemas de lubricacin convencionales;

por ejemplo se puede colocar el motor ms bajo, lo que permite bajar el centro de gravedad del

vehculo, el aceite permanece alejado de los gases de la combustin, lo que retrasa su degradacin y

la cantidad de aceite no est determinada por el tamao del motor, pudiendo colocar un mayor

volumen de aceite y por lo tanto mejorara la refrigeracin del mismo. El principal inconveniente es

que se tiene que montar un circuito con dos bombas como mnimo y esto hace que aumenten las

prdidas mecnicas y por supuesto, tambin se produce un incremento en el coste de este sistema.

1.3.12. MEZCLA AIRE COMBUSTIBLE.

Se la puede realizar de las siguientes maneras:

1.3.12.1. CARBURACIN.

El suministro de gasolina de un motor con carburador se consigue utilizando un tubo de Venturi. Para

lograr la carburacin adecuada, el aire acelera su paso en el Venturi.


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Fig.1.12. Inyeccin por Venturi.

El vaco que se genera es suficiente para permitir que la presin atmosfrica empuje la gasolina desde

la cmara del flotador hacia la garganta del carburador. La salida de gasolina se controla mediante la

altura de nivel de bencina, en la cmara del flotador y un orificio calibrado (jet).

1.3.12.2. INYECCIN EN EL MLTIPLE DE ADMISIN.

Este mltiple posee un conducto para conducir la mezcla de aire-combustible hecha por el carburador

para cada uno de los cilindros. Es necesario que el mltiple de admisin sea conformado para que la

mezcla aire-combustible sea distribuida uniformemente y fcilmente.

Fig.1.13. Inyeccin en el Mltiple de Admisin

1.3.12.3. INYECCIN DENTRO DEL CILINDRO.

Si comparamos el sistema de inyeccin en los colectores (inyeccin indirecta tambin llamados MPI)

con la inyeccin directa de gasolina, entendemos porqu esta ultima es superior a la primera. Los

inyectores de un motor de gasolina (MPI) suelen estar ubicados en el colector de admisin. El


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combustible es inyectado por delante de una vlvula cerrada o bien encima de la vlvula abierta y es

mezclado de forma casi completa con el aire de admisin en cada una de las toberas del colector de

admisin. Pero esta mezcla de aire y neblina de combustible inyectado no permite su perfecta

explosin en el cilindro si no est preparada conforme a una exacta relacin estequiomtrica

comprendida en unos lmites muy especficos. En el caso de los motores dotados de un catalizador de

tres vas es vlida la ideal ecuacin de = 1.

Fig.1.14. Motor con Inyeccin dentro del Cilindro

Esta precisa relacin de aire/combustible tiene que ser ajustada durante cada uno de los ciclos del

motor cuando la inyeccin tiene lugar en el colector de admisin. El problema de estos sistemas de

inyeccin viene dado principalmente a cargas parciales del motor cuando el conductor solicite una

potencia no muy elevada, por ejemplo, (acelerador a medio pisar). Los efectos se podran comparar

con una vela encendida dentro de un envase que se va tapando poco a poco por su apertura superior:

la llama de la vela va desapareciendo conforme empeoran las condiciones de combustin. Esta

especie de estrangulacin supone un desfavorable comportamiento de consumo de un motor de ciclo

Otto en los momentos de carga parcial.

En unas condiciones de carga parcial del motor, el combustible es inyectado muy cerca de la buja y

con una determinada turbulencia cilndrica (efecto tumble) al final de la fase de compresin mientras

el pistn se est desplazando hacia su punto muerto superior. Esta concentrada carga de mezcla

puede ser explosionada aunque el motor se encuentre en esos momentos en una fase de trabajo con

un determinado exceso de aire 1/12,4. Su grado de efectividad termodinmica es

correspondientemente ms alto. Comparado con un sistema de inyeccin en el colector de admisin

(MPI) se obtienen unas importantes ventajas de consumo de combustible merced a la eliminacin de

la citada estrangulacin.


20

Fig.1.15. Seccin de un motor de inyeccin directa donde se aprecia la curva caracterstica de la

cabeza del pistn y el colector de admisin situado por encima de la vlvula para favorecer la

rotacin del flujo de aire dentro del cilindro.

1.4. MOTORES DE GASOLINA.

Motores que se alimentan con una mezcla de aire-gasolina que luego es encendida por una chispa

elctrica.

Fig.1.16. Motor Rolls Royce de aviacin.

La gasolina, la cual se obtiene mediante la destilacin fraccionada del petrleo, fue descubierta en

1857. Ms adelante, en 1860, Jean Joseph Etienne Lenoir cre el primer motor de combustin interna

quemando gas dentro de un cilindro. Pero habra que esperar hasta 1876 para que Nikolaus August

Otto construyera el primer motor de gasolina de la historia, de cuatro tiempos, que fue la base para

todos los motores posteriores de combustin interna. En 1885 Karl Benz comienza a utilizar motores

de gasolina en sus primeros prototipos de automviles.

1.5. MOTORES DIESEL.

Motores que se alimentan solo de aire que comprime y calienta. Luego se inyecta el combustible

finamente pulverizado para que se auto-inflame.


21

Fig.1.17. Motor Diesel de 1906, en Augsburgo.

El motor diesel es un motor trmico de combustin interna en el cual el encendido se logra por la temperatura elevada que produce la compresin del aire en el interior del cilindro.

Fig.1.17. Motor Diesel ms potente del mundo Wartsila Sulzer RTA96-C. Fue inventado y patentado por Rudolf Diesel en 1892, del cual deriva su nombre. Fue diseado

inicialmente y presentado en la feria internacional de 1900 en Pars como el primer motor para

"biocombustible" como aceite puro de palma o de coco. Diesel tambin reivindic en su patente el uso

de polvo de carbn como combustible, aunque no se utiliza por lo abrasivo que es.

1.6. CICLOS DE FUNCIONAMIENTO.

Se llama ciclo, en un motor de combustin interna, a la sucesin de fenmenos que se inician con la

ignicin de una carga de combustible y duran hasta la ignicin de la carga de combustible siguiente

en el mismo cilindro, pero sin incluir en esta definicin a una segunda ignicin.

1.6.1. CICLO IDEAL OTTO.

Es un ciclo termodinmico que sirve de modelo para compararlo con los ciclos reales de los motores

Otto. Este ciclo esta formado por 4 procesos termodinmicos en su lazo cerrado y se lo complementa

con dos procesos fuera del lazo cerrado que se anulan entre si, que nos sirve para una comparacin

mas cercana con en funcionamiento del motor real. Los procesos de lazos cerrados son: dos procesos


22

isentrpicos, uno de compresin y otro de expansin, dos procesos a volumen constante. Para el

anlisis de los ciclos termodinmicos es necesario representarlos en dos planos de coordenadas,

presin volumen y temperatura entropa. En el plano p V las superficies generadas en los

procesos del ciclo significan trabajo y ala superficie generada en los procesos del ciclo en el plano T s

significa calor, lo que nos permite visualizar las cantidades de estas dos formas de energa que

intervienen en el ciclo que se esta estudiando. A continuacin mostramos el ciclo Otto con sus

diagramas, para luego indicar todos los procesos y la comparacin respectiva con el funcionamiento

real del motor Otto. Es un ciclo termodinmico que sirve de modelo para compararlo con los ciclos

reales de los motores Otto. El anlisis de todo ciclo termodinmico se determina primeramente el

trabajo del ciclo y el rendimiento del mismo.

3

4

1

2

P

V

PMS PMI

V1= V4

VD

W

L

D V D

V2= V3=V0

p2p4

p2

0p1cVD

QS

QR

n

(rpm)

Wb

3

4

1

2

T

s

s3= s4s1= s2

T2

T4

T3

T1

QSQR

0

W=S

Q

Fig. 1.18 Ciclo Termodinmico Ideal Otto Diagramas P vs v y T vs s. El trabajo del ciclo puede determinarse a partir de los planos p-V o a partir del plano T-s. El trabajo a

partir del p-V es el siguiente y se obtiene por la sumatoria de los trabajos en cada uno de los procesos,

pero solamente se obtiene trabajo 1-2 y 3-4 de modo que:

K1xVpxVp

K1xVpxVpW 33441122

+

=

[J] (1.6) Por lo tanto es necesario determinar QS y QR en los procesos a V = ctte.

( )233223 TTCvdTCvUUQs ==

kgkJ

(1.7.)

( ) ( )14411441 TTCvdTCvUUQr TTCv ===

kgkJ

(1.8)


23

( ) ( ) ( )

==

kgkJTTCTTCUUUUW vv 14231423 ** (1.9)

El rendimiento trmico es una relacin el calor aprovechado o convertido en trabajo entre el calor

suministrado.

QsW

QsQ

th ==

1.10)

23

14

23

14th TT

TT1UUUU1

=

=

(1.10.a) La ecuacin 6a no es muy practica porque esta expresada por muchos trminos referentes a energa

interna o temperaturas, debido a que es necesario conocer las energas internas en cuatro puntos del

estado del ciclo, en la misma forma la temperatura. Es conveniente expresarla la ecuacin 6` es un

solo parmetro, este parmetro se utiliza tanto en el campo ideal como en el campo real y se

denomina relacin de compresin RK.

Entonces aplicando la ecuacin isentrpica en los procesos respectivos.

1Kk

1K

2

1

1

2 rVV

TT

=

=

(1.11)

1Kk

1K

3

11K

3

4

4

3 rVV

VV

TT

=

=

=

(1.12) Entonces para:

1Kk2

1

23

14

r

1TT

TTTT

==

1.13)

1Kk2

1

r

11TT1

==th

(1.14) El rendimiento trmico del ciclo segn la ecuacin (2.3.7.a), aumenta si RK aumenta y disminuye si RK

disminuye.

Relacin aire combustible (Ra/c) Para que en el motor se produzca una buena combustin es necesario

tener una relacin adecuada de aire, para una cierta cantidad unitaria de combustible, ambas

expresadas generalmente en kg de masa de aire y de combustible. A esta relacin adecuada se

denomina relacin aire combustible, para producir una buena combustin que inicialmente se

determina a partir de una reaccin qumica de la combustin y del respectivo proceso


24

Estequiomtrico, se determina que el valor adecuado es de 15[kg] de aire para 1[kg] de combustible y

por lo tanto la relacin Ra/c ser:

c

a

c

a

cam

m

kgkg

r =

=

115

/

1.15) Tambin se utiliza en algunos casos la relacin inversa.

a

c

a

c

acm

m

kgkg

r =

=

151

/

(1.16) Presin media del ciclo, en el plano p V la superficie que encierra el ciclo es el trabajo del ciclo. Si

esta superficie lo traducimos en una superficie rectangular el lado correspondiente a V es el volumen

de desplazamiento y el lado correspondiente a p es la Presin media del ciclo. Por lo tanto el W

tambin puede determinarse a partir de la Presin media del ciclo y el VD.

W = PMC * VD[J] (1.17)

DVWpmc =

[Pa] (1.18) La relacin de espacio muerto c es el cociente de V2/VD.

D2D

2 V x cVVV

c == (1.19)

1r1

cc

11V x c

VV x cVV

rkD

DD

2

1k

=++

==

(1.20) Siempre se parte del ciclo ideal y tambin del trabajo del ciclo, para encontrar la potencia.

W = PMC x VD [J] (1.21) En la ecuacin (19) VD generalmente se expresara en la prctica por: volumen por unidad de tiempo

[m3/min], el minuto viene de la velocidad de rotacin del motor que se expresa [rpm], entonces es necesario conocer el numero de ciclos que se efectan durante el funcionamiento.

3D

10 x 60 x n x x ZV x pmc x 2P =

[kW] 1.22)

3D

10 x 30 x n x x ZV x pmcP =

[kW] (1.23)


25

1.6.2. CICLO IDEAL DIESEL. El ciclo ideal o termodinmico Diesel, es el modelo que sirve de comparacin con los ciclos reales de

los motores Diesel.

Este ciclo en su lazo cerrado esta formado por 4 procesos, dos procesos isentrpicos, 1 proceso a

presin constante y 1 proceso a volumen constante. Por razones de comparacin se completa el ciclo

por 2 procesos a presin constante que se anulan. En las figuras siguientes mostramos los diagramas

presin-volumen (p-V) y temperatura- entropa (T-s).

Fig. 1.19 Ciclo termodinmico de un motor Diesel. Para el anlisis del ciclo es necesario calcular el trabajo del ciclo y el rendimiento del ciclo, el trabajo

del ciclo puede determinarse a partir de plano p - V y T - s. Siendo el trabajo a partir del plano p-V

ser:

( )K1

VpVpVVpK1

VpVpW 33442321122

+++

=

[J] (1.24) En el plano T-s el trabajo esta en funcin del calor suministrado y el calor rechazado perdido es decir:

( )233223 TTCpdThhQs === [kJ/kg] (1.25) ( ) ( )14411441 TTCvdTUUQs TTCv ==== [kJ/kg] (1.26)

El rendimiento trmico, es la relacin del trabajo trmico del ciclo y el calor suministrado en el ciclo.

QsQ

QsW

TH ==

(1.27)

( ) ( )( ) 23

14

23

1413TH TT

TTx

CpCv1

T-TCpTTCvT-TCp

=

=

(1.28)

3

4

1

2

P

V

PMS PMI

V1= V4

VD

L

D V D

p2 =p3

p4

0p1 cVD

QS

QR

n (rpm)

Wb

V0= V2 V3

W

3

4

1

2

T

ss3= s4s1= s2

T2 T4

T3

T1

QS

QR0

W=SQ


26

23

14TH TT

TTx

K11

=

(1.29) La ecuacin (1.29) no es muy practica debido a que esta en funcin de 4 temperaturas y conviene

expresarlos en frunci de dos parmetros que son la relacin de compresin y el grado de admisin

de combustible (RK y RC).

( )1rrK x 1r1

c

1Kk

Kc

TH

=

(1.30) 1.7. SOBREALIMENTACIN DE MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA. La sobrealimentacin es un mtodo que se utiliza para dar potencia y rendimiento a un motor.

Sobrealimentar un motor puede definirse como la forma de utilizar un sistema mediante el cual se

consiga aportar un mayor llenado gravimtrico al interior de los cilindros, es decir una mayor

cantidad de mezcla fresca, para obtener as mayor energa y por lo tanto mayor trabajo del que

podra obtenerse de un motor de aspiracin natural. La sobrealimentacin no slo sirve para dar

mayor potencia al motor, sino tambin para conseguir la misma potencia en condiciones

atmosfricas anormales, como ser a grandes alturas (en el caso de los aviones o vehculos que

transiten en zonas montaosas) o zonas de elevadas temperaturas. El problema de las grandes

alturas y elevadas temperaturas es que en estos lugares la presin es ms baja y por lo tanto la

cantidad de mezcla que ingresa al motor es menor.

1.8. INTERCAMBIADOR DE AIRE (INTER COOLER).

Algunos vehculos con turbocompresor llevan un intercambiador de aire que es una especie de

radiador de aire llamado Inter Cooler aire-aire (el ms usado), o tambin existe el Inter Cooler aire-

agua (refrigerado por agua). El enfriamiento del aire despus que sali del compresor tiene ventajas

evidentes porque aumenta el rendimiento energtico (hasta un 20%) y reduce el desgaste del motor.

El aumento energtico se produce por el enfriamiento de la mezcla de aire y combustible hace que

sta sea ms densa, as entra ms cantidad en el cilindro y produce mayor potencia. La reduccin del

desgaste del motor se debe a que la combustin de la mezcla es a menor temperatura con lo que

hace menos probable que se quemen las vlvulas y as se reduzca la temperatura del motor. Como el

Inter Cooler hace ms densa la mezcla tambin reduce la presin de sta en el mltiple de admisin

esto es una desventaja y tambin una ventaja, porque al reducir la presin se consigue que el trabajo

del motor una vez que entra al cilindro se reduzca y contribuye a evitar la detonacin por lo que se le

puede dar ms presin al turbo; aunque por la reduccin de presin en el mltiple de admisin


27

produce que la presin de los gases de escape tambin sea menor con lo cual hay menos energa para

mover la turbina, an as el Inter Cooler ayuda a generar ms potencia.

1.9. Evolucin de los ndices de emisin de CO2 y consumo de combustible en los motores de

combustin interna (MCI)

La energa mecnica, indispensable para poner en accin diferentes mquinas se puede obtener

utilizando energa trmica, hidrulica, solar y elica. La que ms se utiliza es la energa trmica

obtenida de los combustibles de naturaleza orgnica. Los equipos energticos que ms aceptacin

han tenido son los motores de combustin interna, a ellos corresponde ms de un 80 % de la

totalidad de la energa producida en el mundo.

En la Unin Europea aunque los medios de locomocin son responsables nicamente de un 5 % de las

emisiones de dixido de azufre (SO2), son responsables del 25 % de las emisiones de dixido de

carbono (CO2), del 87 % de las de monxido de carbono (CO) y del 66 % de las de xidos de nitrgeno

(NOx).

Por todas estas razones se est intentado por todos los medios posibles la reduccin de los gases de

escape y sus emisiones contaminantes.

Fig. 1.20. Las emisiones de los productos de combustin al medio ambiente es la mayor

preocupacin de los fabricantes de automviles. La reduccin de los niveles de contaminacin de

un motor, indica el grado de avance tecnolgico

1.9.1. Componentes de los gases de escape

El aire est compuesto bsicamente por dos gases: nitrgeno (N2) y oxgeno (02). En un volumen

determinado de aire se encuentra una proporcin de nitrgeno (N2) del 79 % mientras que el

contenido de oxgeno es aproximadamente de un 21 %.


28

El nitrgeno durante la combustin, en principio, no se combina con nada y tal como entra en el

cilindro es expulsado al exterior sin modificacin alguna, excepto en pequeas cantidades, para

formar xidos de nitrgeno (NOx). El oxgeno es el elemento indispensable para producir la

combustin de la mezcla.

Cuando se habla de la composicin de los gases de escape de un vehculo se utilizan siempre los

mismos trminos: monxido de carbono, xido ntrico, partculas de holln o hidrocarburos. Decir que

estas sustancias representan una fraccin muy pequea del total de los gases de escape. Debido a

ello, antes de describir las diferentes sustancias que integran los gases de escape, le mostramos a

continuacin la composicin aproximada de los gases que despiden los motores diesel y de gasolina.

Fig. 1.21. Composicin de los gases producto de la combustin.

1.9.1.1. Distribucin de las sustancias que integran los gases de escape

El motor de combustin interna, por su forma de funcionar, no es capaz de quemar de forma total el

combustible en los cilindros. Pero si esta combustin incompleta no es regulada, mayor ser la

cantidad de sustancias nocivas expulsadas en los gases de escape hacia la atmsfera. Dentro de los

gases generados en la combustin, hay unos que son nocivos para la salud y otros no.

Fig. 1.22. Gases txicos y no txicos, provenientes de la combustin.


29

1.9.1.2. Nitrgeno (N2)

El nitrgeno es un un gas no combustible, incoloro e inodoro, se trata de un componente esencial del

aire que respiramos (78 % nitrgeno, 21 % oxgeno, 1 % otros gases) y alimenta el proceso de la

combustin conjuntamente con el aire de admisin. La mayor parte del nitrgeno aspirado vuelve a

salir puro en los gases de escape; slo una pequea parte se combina con el oxgeno O2 (xidos

ntricos NOx).

1.9.1.3. Oxgeno (O2)

Es un gas incoloro, inodoro e inspido. Es el componente ms importante del aire que respiramos (21

%). Es imprescindible para el proceso de combustin, con una mezcla ideal el consumo de combustible

debera ser total, pero en el caso de la combustin incompleta, el oxgeno restante es expulsado por

el sistema de escape.

1.9.1.4. Agua (H2O)

Es aspirada en parte por el motor (humedad del aire) o se produce con motivo de la combustin fra

(fase de calentamiento del motor). Es un subproducto de la combustin y es expulsado por el sistema

de escape del vehculo, se lo puede visualizar sobre todo en los das ms fros, como un humo blanco

que sale por el escape, o en el caso de condensarse a lo largo del tubo, se produce un goteo. Es un

componente inofensivo de los gases de escape.

1.9.1.5. Dixido de carbono (CO2)

Se produce al ser quemados los combustibles que contienen carbono (p. ej. gasolina, gasoil). El

carbono se combina durante esa operacin con el oxgeno aspirado. Es un gas incoloro, no

combustible.

El dixido de carbono CO2 a pesar de ser un gas no txico, reduce el estrato de la atmsfera terrestre

que suele servir de proteccin contra la penetracin de los rayos UV (la tierra se calienta). Las

discusiones generales en torno a las alteraciones climatolgicas (efecto invernadero), el tema de las

emisiones de CO2 se ha hecho consciente en la opinin pblica.

1.9.1.6. Monxido de carbono (CO)

Se produce con motivo de la combustin incompleta de combustibles que contienen carbono. Es un

gas incoloro, inodoro, explosivo y altamente txico. Bloquea el transporte de oxgeno por parte de los

glbulos rojos. Es mortal, incluso en una baja concentracin en el aire que respiramos. En una

concentracin normal en el aire ambiental se oxida al corto tiempo, formando dixido de carbono

CO2.


30

1.9.1.7. xidos ntricos (NOx)

Son combinaciones de nitrgeno N2 y oxgeno O2 (p. ej. NO, NO2, N2O, etc.). Los xidos de nitrgeno

se producen al existir una alta presin, alta temperatura y exceso de oxgeno durante la combustin

en el motor. El monxido de nitrgeno (NO), es un gas incoloro, inodoro e inspido. Al combinarse con

el oxgeno del aire, es transformado en dixido de nitrgeno (NO2), de color pardo rojizo y de olor

muy penetrante, provoca una fuerte irritacin de los rganos respiratorios.

Las medidas destinadas a reducir el consumo de combustible suelen conducir lamentablemente a un

ascenso de las concentraciones de xidos ntricos en los gases de escape, porque una combustin ms

eficaz produce temperaturas ms altas. Estas altas temperaturas generan a su vez una mayor

emisin de xidos ntricos.

1.9.1.8. Dixido de azufre (SO2)

El dixido de azufre o anhdrido sulfuroso propicia las enfermedades de las vas respiratorias, pero

interviene slo en una medida muy reducida en los gases de escape. Es un gas incoloro, de olor

penetrante, no combustible. Si se reduce el contenido de azufre en el combustible es posible disminuir

las emisiones de dixido de azufre.

1.9.1.9. Plomo (Pb)

Ha desaparecido por completo en los gases de escape de los vehculos. En 1985 se emitan todava a

la atmsfera 3.000 t, debidas a la combustin de combustibles con plomo.

El plomo en el combustible impeda la combustin detonante debida a la auto-ignicin y actuaba

como una sustancia amortiguadora en los asientos de las vlvulas. Con el empleo de aditivos

ecolgicos en el combustible sin plomo se han podido mantener casi idnticas las caractersticas

antidetonantes.

1.9.1.10. HC Hidrocarburos

Son restos no quemados del combustible, que surgen en los gases de escape despus de una

combustin incompleta. La mala combustin puede ser debido a la falta de oxgeno durante la

combustin (mezcla rica) o tambin por una baja velocidad de inflamacin (mezcla pobre), por lo que

es conveniente ajustar la riqueza de la mezcla.

Los hidrocarburos HC se manifiestan en diferentes combinaciones (p. ej. C6H6, C8H18) y actan de

diverso modo en el organismo. Algunos de ellos irritan los rganos sensoriales, mientras que otros

son cancergenos (p. ej. el benceno).


31

1.9.1.11. Las partculas de holln PM (masa de partculas; ingls: paticulate matter)

Son generadas en su mayor parte por los motores diesel, se presentan en forma de holln o cenizas.

Los efectos que ejercen sobre el organismo humano todava no estn aclarados por completo.

1.9.1.12. Evolucin general

En Europa as como a nivel mundial, se han emitido decretos y disposiciones legales con miras a la

reduccin de las emisiones contaminantes que se expulsan al medio ambiente. Dentro de los sectores

que contribuyen activamente a la contaminacin atmosfrica, esta el sector del automvil y en

general el trfico rodado en carretera. A raz de ello, y motivada por las normativas ms estrictas

sobre las emisiones contaminantes en Europa y tambin EEUU, la industria del automvil ha

desarrollado tecnologas nuevas y mejoradas para reducir y evitar sustancias contaminantes en los

gases de escape.

En Europa y a nivel mundial se han tomado determinaciones y dictado normativas legales en los

ltimos aos, con miras a reducir las emisiones de contaminantes en el aire. Existen las normativas

europeas sobre emisiones contaminantes denominadas norma EURO y expresadas como "EU1" que

han ido evolucionado hasta la "EU5" y las siguientes normativas que se aprobaran en el futuro. Estas

normativas indican a la industria del automvil los lmites de las emisiones contaminantes para la

homologacin de nuevos modelos de vehculos.

Fig. 1.23. Lmites de emisiones de gases producto de la combustin, en el continente europeo, bajo

las normativas EURO, actualmente rige la EURO VI.


32

Fig. 1.24. Valores lmite de las normas EURO V y EURO VI, aplicables a los fabricantes de

automviles establecidos en Europa, y cuyos automviles circulan en el continente europeo y el

resto del mundo.

La evolucin de las cantidades emitidas de gases de escape (Fig. 1.23) demuestra, que entre los aos

1992 2014, se han reducido, gracias al cumplimiento por parte de los fabricantes de automviles de

las normativas de reduccin de gases de escape. Los objetivos establecidos por la legislacin han sido

superados incluso en parte, y las reducciones seguirn continuando en los prximos aos.

Sin embargo, existe una excepcin en esta evolucin: el dixido de carbono CO2. Las emisiones de

dixido de carbono CO2 se hallan en una relacin directa con el consumo de combustible del vehculo.

Si bien, las nuevas tecnologas han logrado reducir el consumo, por otro lado tenemos que el

incremento del parque automovilstico y la tendencia a adquirir vehculos cada vez ms potentes y

pesados, han actuado en contra de la reduccin de CO2.


33

La energa mecnica, indispensable para poner en accin diferentes mquinas se puede obtener

utilizando energa trmica, hidrulica, solar y elica. La que ms se utiliza es la energa trmica

obtenida de los combustibles de naturaleza orgnica. Los equipos energticos que ms aceptacin

han tenido son los motores de combustin interna (MCI), a ellos corresponde ms de un 80 % de la

totalidad de la energa producida en el mundo.

En la Unin Europea aunque los medios de locomocin son responsables nicamente de un 5 % de las

emisiones de dixido de azufre (SO2), son responsables del 25 % de las emisiones de dixido

de carbono (CO2), del 87 % de las de monxido de carbono (CO) y del 66 % de las de xidos de

nitrgeno (NOx).

El impacto ambiental del MCI est estrechamente relacionado con un problema social surgido por la

utilizacin creciente del mismo: la reduccin de los niveles de emisin de sustancias txicas y de los

llamados "gases de invernadero", y la reduccin de los niveles de ruido.

Las discusiones internacionales acerca de las causas e implicaciones para la humanidad del llamado

"efecto invernadero", provocado por las crecientes emisiones a la atmsfera de gases tales como:

CO2, metano, xido nitroso y los cloro-flurocarbonatos, reflejan la necesidad de un enfoque integral

en el tratamiento de los problemas ambientales y del desarrollo, as como la necesidad de una accin

concertada de la comunidad internacional para mitigar los efectos del calentamiento global.

En el presente trabajo se analizan los factores que influyen sobre los niveles de toxicidad y ruido de

los MCI ms usados en la agricultura y se ofrecen algunas medidas que pueden tomarse para

disminuir los mismos.

1.9.1.13. Las normativas Tier 4

1996 fue el ao en que se introdujo la primera normativa sobre emisiones Tier 1; desde entonces, los

xidos de nitrgeno (NOx) y las partculas en suspensin (PM) se han reducido en un 60%. Con la

entrada en vigor de la normativa Tier 4A en 2011, las partculas se reducirn un 90% ms y los xidos

de nitrgeno en un 50%. Estas sustancias txicas se generan durante la combustin y pueden

perjudicar nuestra salud y el medio ambiente. Pero averigemos un poco ms sobre ellas.

NOx: el monxido y el dixido de nitrgeno se producen durante la combustin cuando el motor

alcanza su temperatura mxima. Estos gases son dos de las principales causas de la lluvia cida y del

debilitamiento de la capa de ozono.

PM: las partculas en suspensin se componen principalmente de pequeas partculas de carbono y

otras sustancias venenosas que se crean cuando no todo el carburante se quema durante la

combustin, generalmente cuando el motor est ms fro.


34

Fig. 1.24. Este grfico muestra el proceso evolutivo de la normativa Tier, en los ejes x e y se

representan la cantidad de emisiones de NOx y el nmero de partculas por milln (PM) de CO2 que

emana un nmero de terminado de tractores.

La Agencia de Proteccin Ambiental de Estados Unidos (EPA) y la Unin Europea desde 1996 vienen

fijando objetivos cada vez ms restrictivos para las emisiones, con el objetivo de mejorar la calidad

del aire. Las normativas Tier 4 entrarn en vigor en dos fases, empezando en 2011 con la norma Tier

4A. Cuando la norma Tier 4B entre en vigor a principios de 2014, las partculas en suspensin (PM) y

los xidos de nitrgeno (NOx) se reducirn un 90% en comparacin con los niveles establecidos por la

norma Tier 3.

La EPA y la UE usan una terminologa algo diferente para referirse a las normativas sobre emisiones.

La EPA usa el trmino Tier y la UE habla de Fase. New Holland1 ha optado por el trmino Tier.

Tier 4A, que a veces tambin se llama Tier 4 interim, equivale a la Fase 3B y Tier 4B equivale a la Fase

4.

1.9.1.14. Estrategias adoptadas para el cumplimiento de las normas Tier 4A

Estamos listos para cumplir con las normas Tier 4A usando dos soluciones diferentes que hemos

elegido para nuestra gama de productos: la Recirculacin de Gases de Escape Refrigerados (CEGR) y

la Reduccin Cataltica Selectiva (SCR).

La tecnologa CEGR requiere un sistema de filtrado de los gases de escape para reducir los niveles de

partculas. La tecnologa SCR consiste en un sistema de postratamiento que aade un lquido de

escape disel (Diesel Exhaust Fluid, DEF)/AdBlue para obtener la necesaria reduccin de

contaminantes emitidos por el motor.


35

New Holland usar la te2cnologa SCR en mquinas cuya potencia supere los 100 cv, mientras que las

mquinas que generan menos de 100 cv llevarn el sistema CEGR para alcanzar los niveles de

emisiones exigidos, con los menores costes de mantenimiento.

New Holland Agriculture ha adoptado dos soluciones distintas basndose en las ventajas que ofrece

cada una de ellas, porque una solucin de talla nica no tiene cabida en la agricultura moderna.

Nuestro objetivo es integrar la mejor tecnologa de motores disponible para reducir los costes de

mantenimiento e incrementar la productividad. Esto significa elegir soluciones personalizadas para

cada tipo concreto de mquina.

Para garantizar que nuestros clientes reciben la tecnologa de motores ms eficiente, productiva y

fiable, New Holland se ha nutrido de la enorme experiencia de su socio en desarrollo de motores, Fiat

Powertrain Technologies (FPT). FPT siempre ha sido pionero en materia de sistemas con bajo nivel de

emisiones y ha utilizado las tecnologas CEGR y SCR en aplicaciones de carretera y fuera de carretera.

De hecho, ya se han fabricado ms de 150.000 motores SCR para usarlos en operaciones de

transporte. Estas tecnologas evolucionan y se perfeccionan continuamente, lo que se traduce en

costes de mantenimiento reducidos y un alto nivel de productividad, con bajas emisiones y un precio

competitivo.

Las mquinas agrcolas de gran potencia, como los tractores, las cosechadoras y las picadoras de

forraje de mayor magnitud, generan ms calor en el motor y precisan mejores sistemas de

refrigeracin. Aqu la SCR ha demostrado ser la opcin natural para mquinas de ms de 75 kW (100

cv) porque reduce las necesidades de refrigeracin y a la vez garantiza una potencia de salida

excelente.

Con tractores pequeos que funcionan con menos potencia, menos evacuacin de calor y, por lo

tanto, menos demanda de refrigeracin, la CEGR es la solucin correcta, ya que se instala en el

compartimiento existente y garantiza una maniobrabilidad ptima y una visibilidad de 360.

La tecnologa SCR es independiente del funcionamiento del motor principal y ofrece evidentes

ventajas en trminos de rendimiento. Los motores que usan el sistema SCR respiran aire fresco y

limpio en lugar de humo sucio recirculado para crear unas condiciones de combustin ptimas. El

resultado es un aumento de la potencia mxima y mayor par, lo que mejora la productividad y la

eficiencia en las operaciones agrcolas.


36

Adems, esta solucin es totalmente compatible con el sistema de gestin de la potencia del motor

de New Holland, que adecua la potencia de salida a las condiciones reales de funcionamiento, para

mejorar el rendimiento y el ahorro de combustible en cualquier situacin.

La tecnologa CEGR es la solucin idnea para las mquinas de menor potencia, ya que retienen su

tamao compacto y su maniobrabilidad excepcional. Por otra parte, estos productos tienen

necesidades de refrigeracin reducidas, por lo que la solucin cabe perfectamente en el

compartimiento del motor.

1.9.1.15. Lquido de escape disel DEF/AdBlue

Es una solucin de un 32,5% de urea y un 67,5% de agua desmineralizada, que es incolora e inodora.

El lquido de escape disel (DEF)/AdBlue es un elemento clave en los sistemas SCR que reacciona con

los gases de escape del motor en presencia de un catalizador, descomponiendo los xidos de

nitrgeno (NOx) en inocuas emisiones de nitrgeno y vapor de agua, ambos presentes de forma

natural en la atmsfera. Todo el sistema se gestiona con una unidad de control de dosificacin

(Dosing Control Unit, DCU) equipada con un sensor que vigila los gases de escape. La DCU recibe esta

informacin y la utiliza para calcular la cantidad precisa de DEF/AdBlue que debe aadir a la mezcla.

AdBlue se usa desde hace ya ms de cuatro aos en el sector del transporte.

"Lquido de escape disel", ms conocido como DEF (Diesel Exhaust Fluid), es el nombre que se utiliza

en Norteamrica, mientras que AdBlue es el nombre europeo del mismo producto. AdBlue es una

marca comercial de VDA (Verband der Automobilindustrie), la Asociacin Alemana de la Industria

Automovilstica.

2. METODOLOGIA. Presentacin conceptual de las curvas de performance de los MCI.


37

2.1. EQUIPO, MATERIAL E INSTRUMENTOS.

Dos motores seleccionados de catlogo, uno de encendido por chispa y el otro de encendido por

compresin.

Fig. 2.1. Motor de combustin interna de encendido por compresin de la marca Kohler Diesel KDI,

con potencia mxima de 100 kW.

Fig. 2.2. Motor de combustin interna de encendido por chispa, con una potencia mxima de


38

100 kW. Toyota 1ZZ-FE VVT-i 1.8

2.2. Procedimiento

Exposicin, anlisis y discusin sobre la naturaleza de las prestaciones de un MCI y de sus curvas de

performance.

3. Registro de datos

Para el presente laboratorio se eligieron dos motores con potencias similares, uno de encendido por

compresin y el otro de encendido por chispa. A continuacin se detalla en una ficha tcnica las

caractersticas de ambos motores:

FICHA TCNICA DEL MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA (MCI) DE ENCENDIDO POR CHISPA

FICHA N: 1

MARCA: TOYOTA

MODELO: 1ZZ-FE VVT-i 1.8

N DE SERIE DEL MOTOR:

INDUSTRIA: JAPONES

CDIGO INTERNO:

DOHC de 16 vlvulas con VVT-i 1.794 cm3

4 cilindros en lnea y transmisin por cadena

Inyeccin electrnica

4 tiempos

De combustible (tipo EFI) Potencia mxima: 100 kW / 134 hp a 6.000 rpm

Torque mximo: 171 Nm / 17,4 kg-m a 4.200 rpm

FICHA TCNICA DEL MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA (MCI) DE ENCENDIDO POR

COMPRESIN

FICHA N: 2

MARCA: KOHLER

MODELO: Diesel KDI3404tCR sCR

N DE SERIE DEL MOTOR:

INDUSTRIA: ALEMAN

CDIGO INTERNO:

4 cilindros en lnea

4 tiempos

De combustible (tipo EFI) Potencia mxima: 100 kW / 134 hp a 2200 rpm

Torque mximo: 500 Nm a 1400 rpm


39

4. Clculos.

4.1. Sobre las curvas de prestacin de dos motores de potencia equivalente, cuyos encendidos sean

uno por chispa y otro por compresin, estructurar tubularmente estas curvas, calcular las

curvas de rendimiento, para luego presentarlas en una grfica simultnea comparativa,

adicionando las de rendimiento.

Fig. 4.1. Curve de Performance Motor Toyota 1ZZ-FE VVT-i 1.8

Fig. 4.2. Curve de Performance Diesel KDI3404tCR Scr


40

N

Velocidad

del motor

[rpm]

Potencia

[kW]

Torque

[N*m]

bef

[g/kWh]

1 1000 43 410,62 217

2 1400 73 497,93 205

3 1800 91,8 487,01 214

4 2200 100 434,06 230

5 2600

6 3000

7 3400

8 3800

9 4200

10 4600

11 5000

12 5400

13 5800

14 6200

N

Velocidad

del motor

[rpm]

Potencia

[kW]

Torque

[N*m]

bef

[g/kWh]

1 1000 15 143,24 256,52

2 1400 20 136,42 269,35

3 1800 22,5 119,37 307,83

4 2200 31 134,56 273,07

5 2600 38 139,57 263,27

6 3000 45 143,24 256,52

7 3400 50 140,43 261,65

8 3800 60 150,78 243,70

9 4200 70 159,15 230,87

10 4600 76 157,77 232,90

11 5000 80 152,79 240,49

12 5400 87 153,85 238,83

13 5800 93 153,12 239,97

14 6200 100 154,02 238,57


41

4.2. Sobre la grfica anterior hacer un anlisis comparativo sobre las caractersticas ms

relevantes que presentan las curvas de los motores elegidos.

En la figura 2.5 podemos observar que la potencia del motor de ignicin por chispa, tiene fuerte

dependencia del nmero de revoluciones en el cigeal, pero tambin es necesario hacer notar que el

motor de ignicin por compresin, tambin tiene altas revoluciones y que la diferencia de

revoluciones para la potencia mxima de 18,5 kW, es simplemente de 200 revoluciones, considerando

tambin que ambos motores son de cuatro carreras.

ste pequeo anlisis de la potencia en funcin del nmero de revoluciones, nos lleva a pensar que los

motores de ignicin por compresin, han avanzado bastante en el desarrollo de mayores

revoluciones, en comparacin con los primeros motores de esta familia.

Ahora bien, no debemos dejar suelto el tema de la relacin que existe entre la potencia y el par

motor; es bien conocido el hecho de que si el motor adquiere mayor potencia, esto gracias a las

mayores revoluciones, el motor tiende a perder torque o par motor. Esto se puede apreciar con

bastante claridad, en las pendientes; para ello recurrimos al ejemplo de un carro subiendo un

pendiente a una velocidad lineal considerable, llegar a un punto en el cual el motor comience a


42

perder fuerza, las revoluciones del motor habrn disminuido bastante al punto de querer apagar la

mquina, para ello habr que disminuir la relacin del tren de engranes dentro la caja de velocidades

y con ello tambin ha de ser necesario la disminucin de las revoluciones del motor, pero se lograr

ganar un mayor par motor o torque que proporcionar el impulso necesario al vehculo para poder

subir la pendiente.

Esto podemos ver el figura 2.6, en la misma se ha realizado un comparacin entre los motores

seleccionados, como podemos apreciar el torque del motor de encendido por compresin es casi

constante en un rango considerable de revoluciones, mientras que para el motor de encendido por

chispa, dentro el mismo rango, la variacin del torque es bastante considerable.

Otro punto que podemos analizar es elevado par motor que tiene el motor de encendido por

compresin respecto al de encendido por chispa, como podemos apreciar en el grfico, para un

nmero de revoluciones de 2400 rpm, el torque desarrollado por el motor de encendido por

compresin es aproximadamente de 62 N-m, mientras que para el de encendido por chispa, resulta

ser de aproximadamente 56 N-m; esta variacin constituye en una de la cualidades que ha

caracterizado a los motores de encendido por compresin, como ideales para el trabajo pesado.

Por ltimo, la figura 2.7 muestra la relacin del consumo especfico de combustible (BSCF) en funcin

del nmero de revoluciones del motor, propiamente del cigeal, podemos apreciar que para el

motor de encendido por compresin, la variacin del consumo especfico de combustible no sufre una

variacin considerable, comparada con su par a encendido por chispa, en el cual la variacin es

claramente apreciable.

Esto nos lleva a comprender que los motores de encendido por compresin tienen una eficiencia en

cuanto a consumo y rendimiento de combustible mayor que su contraparte de encendido por chispa,

lo cual se refleja en los costos de operacin.

5. Conclusiones

Las curvas de performance de los motores de combustin interna, ya sean estos de

encendido por compresin o encendido por chispa, son una fuente de informacin bastante

til a la hora de seleccionar un motor adecuado para una determinada aplicacin, tal como

se pudo apreciar en las figuras 2.5 al 2.7, en las cuales observamos las prestaciones que

ofrece un motor de combustin interna de encendido por compresin frente a su

contraparte de encendido a chispa, en la cual el primero goza de buenas prestaciones.


43

Un aspecto muy til dentro las curvas de performance se hallan en el consumo especfico de

combustible, mediante esta curva podemos apreciar la reduccin de gastos por concepto de

combustible, ms aun sabiendo que en estos tiempos, los combustibles (gasleo y nafta) son

una fuente de contaminacin al medio ambiente.

Son grandes los esfuerzos por reducir las emisiones de gases productos de la combustin,

esto por aplicacin y desarrollo de nuevas tecnologas en el control de la inyeccin de

combustible y su completa combustin, adems de obtener ciclos termodinmicos con

mayor eficiencia (mayor trabajo obtenido y menor cantidad de calor agregado).

Este laboratorio constituye una base esencial en la compresin de los efectos que producen

los motores de combustin interna sobre nuestro planeta, si bien son una valiosa

herramienta en la vida cotidiana del ser humano (transporte, generacin de energa,

maquinaria pesada, maquinaria agrcola, tareas de hogar, etc.), son tambin una gran

enemigo del hogar en el que habitamos todos, la Tierra.

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CURVAS DE PERFORMANCE DE LOS MCI ROVER.pdf

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