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TEMA 3º Determinación de las magnitudes fundamentales de un motor de combustión interna

Como ya se indicó en el capítulo anterior, el análisis de los procesos que tienen lugar en el interior de los motores de combustión interna alternativos es sumamente difícil. Para efectuar el análisis correcto del funcionamiento de un motor en las muy diversas condiciones operativas se debe recurrir a la vía experimental.

El procedimiento experimental permite obtener datos del comportamiento del motor, bien de los procesos termodinámicos y químicos internos del motor mediante dispositivos indicadores y el análisis de la composición de humos formados en la combustión, o bien, de los parámetros efectivos mediante el ensayo del motor en los bancos de pruebas dinamométricos. El concepto de magnitud efectiva va asociado al valor de dicha magnitud determinado en el eje del motor.

Ensayo de motores

En general, un banco de ensayo de motores térmicos es un sistema constituido por un conjunto de instrumentos de medida y de control destinados a obtener las características operativas de un motor en unas condiciones controladas.

Los objetivos de un banco de ensayos pueden ser muy variados, y estarán equipados en función de estos objetivos. Los ensayos pueden ser de rodaje, de control de calidad, de homologación o para realizar tareas de investigación y desarrollo.

Los bancos de ensayo de I+D deben estar preparados para el análisis del comportamiento del motor bajo toda una gama de condiciones de operación. Generalmente suelen estar situados en una local (celda de ensayos) en donde las condiciones ambientales están controladas (presión, temperatura y humedad relativa), provista de aislamiento acustico, renovación de aire, expulsión y recolección de gases de escape y sistema de extinción de incendios, etc.

Un banco de ensayo de motores, además de una bancada soporte del motor y unos indicadores del estado del motor, consta básicamente de: Freno dinamométrico, Medidor de par (brazo + transductor de fuerza), Tacómetro (r.p.m.), Caudalímetro de combustible y Caudalímetro de aire aspirado.

Para el correcto ensayo de un motor, mientras se mide con los dispositivos de medida (trasductores) es necesario que durante el funcionamiento sean estables unas determinadas variables, de ello se encarga el sistema de regulación y control.

El sistema de regulación y control consta de transductor + sistema actuador + sistema de control. Finalmente, se registran los valores obtenidos. El ordenador permite las funciones de visualización de las condiciones de operación, almacenamiento de las medidas realizadas e incluso el control interactivo a través de su comunicación con actuadores y posicionadores mediante el interface adecuado. Los resultados suelen ser presentados en gráficas o en tablas de datos.

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Parámetros fundamentales de los motores de combustión interna

Las parámetros que definen el punto de funcionamiento de un motor de combustión interna son:

PAR MOTOR EFECTIVO: Me Es el parámetro obtenido directamente en el banco de ensayo del freno dinamométrico, es el par motriz medido en el eje del motor. (Brake Torque)

LFMe

RÉGIMEN DE GIRO: n Es el número de revoluciones por unidad de tiempo del cigüeñal. (speed).

GRADO DE CARGA: GC Se define como la relación entre el par efectivo que produce el motor en unas determinadas condiciones de la posición del acelerador y el par efectivo máximo al mismo régimen de giro (Load rate).

ctenMe

MeGC

max

A plena carga (full load) el GC = 1 y corresponde con la posición más abierta de la mariposa del acelerador en los MEP y con la máxima posición del mando del acelerador en los MEC. Se denominan cargas parciales (partial load) cuando GC<1.

De las tres variables que definen el punto de funcionamiento, dos de ellas vienen dadas por las condiciones operativas y la tercera queda fijada por las características del motor, es resultado del ensayo del motor. También hay otros parámetros que identifican el comportamiento del motor.

GASTO MÁSICO DE COMBUSTIBLE: mf Es la masa de combustible consumida por unidad de tiempo. (Fuel mass flow rate)

GASTO MÁSICO DE AIRE: ma Es la masa de aire aspirada por el motor por unidad de tiempo. (Air mass flow rate)

Estos parámetros anteriores tienen asociados otros parámetros derivados de las relaciones entre ellos.

POTENCIA EFECTIVA: Ne Es la energía mecánica producida en el motor por unidad de tiempo. Se calcula como el producto del par motor efectivo por la velocidad angular de giro del cigüeñal, y corresponde a la energía absorbida por el freno dinamométrico. (Brake Power)

nMeMeNe 2

PRESIÓN MEDIA EFECTIVA: pme Es la relación entre la potencia efectiva y el volumen desplazado por unidad de tiempo. Para un motor dado la presión media efectiva es proporcional al par e independiente del valor de la cilindrada total. (Brake mean effective pressure)

MeKV

Me

iinV

Npme

TT

e

1

2

TRABAJO EFECTIVO: We Es el trabajo que se obtiene en el eje del motor por cilindro y ciclo de trabajo efectuado en su interior. Se obtiene al dividir la potencia por el número de cilindros y en número de ciclos de trabajo por unidad de tiempo. (brake work per cycle)

Ne

e Vpmeinz

NW

VELOCIDAD LINEAL MEDIA DEL PISTON: Cm Es la velocidad media con que el pistón se desplaza desde el PMS al PMI. Para un motor dado es proporcional al régimen de giro del motor. (Mean piston speed)

Cm = 2·S·n = K2·n

CARGA TÉRMICA DEL PISTÓN: N/Ap Es la potencia producida por unidad de superficie del pistón. Su valor es proporcional al producto de la presión media efectiva y de la velocidad lineal media del pistón. (Power per unit piston area)

CmpmeKiCm

pmeApz

Ne 32

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POTENCIA ESPECIFICA: N/VT Es la relación entre la potencia efectiva del motor y su cilindrada total. (Specific power)

PESO ESPECIFICO DEL MOTOR: Es la relación entre el peso del motor y su potencia efectiva. Este parámetro indica la efectividad del diseño en cuanto a los materiales de sus componentes. (Specific weight)

VOLUMEN ESPECIFICO DEL MOTOR: Es la relación entre el volumen ocupado por el motor y la potencia efectiva. Este parámetro indica la efectividad del diseño en cuanto a lo compacto de la disposición de sus componentes. (Specific volume)

Para la valoración de la bondad de la tranformación de la energía del combustible en energía mecánica se utilizan:

RENDIMIENTO EFECTIVO: e Es la relación entre la potencia efectiva y la energía aportada con el combustible por unidad de tiempo. Expresa la calidad de la transformación de la energía química del combustible en energía mecánica en el eje del motor. (Fuel conversión efficiency)

ff

ee hm

N

CONSUMO ESPECIFICO EFECTIVO DE COMBUSTIBLE: gef Es la relación entre la potencia efectiva y el gasto másico de combustible (Brake specific fuel consumption, bsfc). En la práctica es la manera habitual de expresar el rendimiento efectivo de un motor. Se expresa de manera usual en gramos de combustible por hora y kilovatio de potencia producida (gr/kWh).

fee

fef hN

mg

1

RENDIMIENTO MECÁNICO: m Es la relación entre el rendimiento efectivo y el rendimiento indicado de un motor. Expresa la calidad de la transformación de la energía mecánica en el pistón en energía mecánica en el eje del motor. (Mechanical efficiency)

i

e

i

em N

N

pmi

pme

Curvas características de un motor

En la mayor parte de las aplicaciones, los motores de combustión interna alternativos tienen que funcionar en condiciones operativas variables, por lo que es necesario conocer el comportamiento del motor, o lo que es lo mismo sus prestaciones en dichas condiciones.

Las parámetros más importantes utilizados en relación con las prestaciones del motor son el par, la potencia y el consumo de combustible en función del régimen de giro. Sin embargo, a efectos comparativos, es más útil para presentar las prestaciones utilizar los parámetros equivalentes pero independientes de la cilindrada del motor: presión media efectiva, carga térmica del pistón, gasto específico de combustible y velocidad lineal media del pistón.

Potencia efectiva DIN (normas alemanas): se mide con todos los accesorios acoplados (ventilador, bomba de agua, bomba de aceite, alternador, etc) y con los reglajes de carburación y encendido de serie. Es la habitual en Europa.

Potencia efectiva SAE (normas americanas): se mide sin accesorios y reglando cada 200 rpm, con lo que se consiguen mejores resultados. La potencia SAE es por tanto mayor; del orden de un 12%, que la DIN.

La llamada Potencia fiscal no guarda ninguna relación con las potencias reales. Se obtiene mediante una fórmula matemática que cada país utiliza a efectos fiscales. En España la potencia fiscal se calcula a partir del número de cilindros y de la cilindrada unitaria de motor expresada en cm3:

CV fiscal = 0,08·z·(0,785·D2·S)0,6 = 0,08·z·VN 0,6

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CURVAS DE PLENA CARGA

Entre las curvas características más representativas, y de uso más frecuente, se encuentran las de par (o pme), potencia (o carga térmica) y consumo específico de combustible en función del régimen de giro a plena carga.

Estas curvas proporcionan una valiosa información sobre régimenes de giro máximo y mínimo, el máximo par y la máxima potencia que es capaz de desarrollar el motor en cada régimen, así como el consumo específico en dichas condiciones.

Para realizar los ensayos a plena carga, se mantiene completamente abierta la mariposa del acelerador en lo MEP y la máxima inyección de combustible en los MEC, obteniendose al realizar varios ensayos con diferentes regimenes de giro del motor las curvas de la figura.

CURVAS A CARGAS PARCIALES

Como datos comerciales de un motor son generalmente suficientes, la potencia efectiva, el par motor y el consumo específico de combustible a plena carga. Sin embargo, si conocemos su comportamiento en diferentes grados de carga, dispondremos de una información más completa del funcionamiento del motor. a) Mapa térmico de un MEP b) Mapa térmico de un MEC

Esta información habitualmente se facilita en forma de gráfica. En ella, los puntos de funcionamiento de igual consumo específico de combustible (curvas de isoconsumo) y las curvas de potencia constante o carga térmica del pistón (en trazo discontinuo) se representan en forma de planos acotados. Esta representación facilita la comparación entre motores de diferentes configuraciones geométricas.

Curvas características:

Motor industrial (camión)

Motor MACK - E9-440 Tipo: Diesel 4T , 8 en linea

Carrera: 140 mm. Diametro: 137 mm.

Ensayo según: SAEJ816D

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Puede observarse en la figura a) que en el motor MEP el punto de consumo óptimo, polo económico, (300 gr/kW·h), se encuentra en general situado en la zona de bajos valores de la velocidad lineal media del pistón y elevados valores de la presión media efectiva.

El motor Diesel de la figura b) tiene su consumo óptimo (211 gr/kwh) cerca del punto de máxima presión media efectiva sobre la línea de carga máxima, debido a que su dosado queda limitado por la aparición de humos negros en el escape.

INFLUENCIA DE LAS PRESTACIONES DEL MOTOR EN EL TIPO DE SERVICIO

a) Motores de régimen esencialmente variable

Los motores de automoción funcionan en una gama de regímenes de giro muy amplia. Las cualidades más adecuadas para esta aplicación son: 1) curva de par motor favorable para la tracción (decreciente con el régimen de giro), 2) amplio campo de funcionamiento, 3) consumo reducido y 4) elevada potencia específica.

En general los motores de combustión interna alternativos no cumplen plenamente la primera condición, siendo necesario el empleo de una caja de velocidades. En el diseño de motores se intenta conseguir curvas de par favorables para la tracción, aún a costa de penalizar la potencia máxima. De los distintos tipos de motores, se puede decir:

En los MEP el margen de utilización es elevado, pero el par es creciente a bajos regímenes de giro, tiene un máximo y pasa a ser decreciente al aumentar el régimen.

En los MEC el margen de utilización es menor y su curva de par más plana. Se procura, jugando con leyes de inyección y de distribución, que el máximo se presente a bajo régimen de giro.

En los motores 2T el par presenta un máximo acusado en la zona de diseño por lo que no se comporta muy favorablemente a regímenes variables, su campo de utilización es pequeño.

En los motores sobrealimentados: al aumentar el régimen de giro crece la energía disponible en el escape y aumenta la energía cedida por el compresor, y por tanto el caudal y densidad del aire en la admisión, aumentando el par. La curva de par es desfavorable para la automoción.

En cuanto al consumo del motor, si se dibuja sobre el mapa térmico la línea característica del funcionamiento de un motor instalado en un vehículo, la curva de utilización para un recorrido sin pendiente, veríamos que en muchos casos esta curva está lejos del polo económico.

vehiculorrrr cFMN ·

Actualmente, con el aumento del precio del combustible, se están buscando funcionamientos más próximos al polo económico a base de relaciones de cambio más largas, reducción del margen de utilización del motor, y correcta adecuación del turbocompresor en los motores sobrealimentados. b) Motores de régimen esencialmente constante (industriales)

Para el accionamiento fundamentalmente de generadores eléctricos y otros tipos de maquinaria. En esta aplicación el parámetro fundamental es el mínimo consumo específico de combustible. Debido a ello el punto de funcionamiento de estos motores estará, en general, próximo al polo económico, aún a costa de reducir la potencia máxima.

El tipo de motor es función del tipo servicio y su tamaño de la potencia máxima a obtener. Los motores cuanto más grandes mejor es su rendimiento térmico, pero menor es su potencia específica. Así por ejemplo los grandes motores suelen ser MEC de dos tiempos sobrealimentados. (hasta de 40.000 kW)

Con la posibilidad de un suministro continuo de Gas Natural a través de gasoductos, los MEP que funcionan con este tipo de combustible son muy empleados en aplicaciones industriales de cogeneración aunque es mayor su consumo específico.

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Teoría de Semejanza

Los motores presentan, al variar su cilindrada, ciertas tendencias que pueden ser explicadas por la teoría de semejanza de motores. Hay que indicar que esta teoría, aunque no resulta exacta debido al gran número de simplificaciones que se hacen, resulta una herramienta útil para el diseño de motores y para la elección de un motor para una determinada aplicación. Esto se consigue partiendo de los datos de motores ya utilizados en esta aplicación, y teniendo en cuenta las conclusiones que se obtienen de la semejanza de motores.

Dos motores son semejantes si cumplen las siguientes condiciones:

Semejanza geométrica: Dos motores son geométricamente semejantes cuando la relación entre dos dimensiones geométricas cualesquiera, en uno de ellos, es igual a la relación entre las dimensiones geométricas respectivas en el otro (motores iguales a diferente escala). es la relación de semejanza

1

2

1

2

2

2

1

1 S

S

D

D

S

D

S

D

Mismas condiciones operativas: Los dos motores deben trabajar en las mismas condiciones ambientales de trabajo (presión, temperatura, ..), los mismos reglajes (dosado, temperatura del refrigerante, punto de encendido, ...) y la misma velocidad lineal media del pistón (Cm).

La exigencia de la igualdad de las velocidades lineales medias del pistón, es equivalente a exigir que los motores se encuentran en igualdad de cargas mecánicas.

En estas condiciones las presiones medias efectivas de ambos motores serán prácticamente iguales

CONCLUSIONES DE LA TEORÍA DE SEMEJANZA

a) Relación entre las potencias.

La potencia de un motor puede ser expresada como:

iCD

zpmeinSAzpmeinVpmeN mpTe

24

2

Por lo tanto la relación entre las potencias de dos motores semejantes será proporcional al cuadrado de la relación de semejanza.

2

1

22

11

22

2

1

2

24

24

z

z

iCD

zpme

iCD

zpme

N

N

m

m

e

e

b) Relación entre las cilindradas.

La relación entre las cilindradas unitarias de dos motores semejantes será proporcional al cubo de la relación de semejanza. La relación entre las cilindradas totales dependerá a su vez del número de cilindros de los motores en el caso de que este sea distinto.

3

1

2

1

21

1

2

22

2

1

2

4

4

z

z

SD

z

SD

z

V

V

T

T

c) Relación entre los regímenes de giro.

La igualdad en la velocidad lineal media del pistón en los motores semejantes, al definir las mismas condiciones operativas, lleva acompañada la relación existente entre los regímenes de giro.

1

2

1

1

2

1

2

2

2 S

S

SC

SC

n

n

m

m

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Balance energético en el motor

Si se realiza un análisis del destino final de la energía aportada por aportada por el combustible en un motor de automóvil al efectuar un ciclo de conducción urbana, posiblemente nos sorprenderíamos de la magnitud de las pérdidas energéticas que en él ocurren.

En el funcionamiento real de los motores aparecen, además de la necesaria cesión de calor al foco frío satisfecha en los ciclos teóricos mediante la salida de los gases de combustión en el escape, otras pérdidas energéticas que deben ser consideradas. La transmisión de calor al medio refrigerante, impuesta por la necesidad de mantener acotada la temperatura de los diversos elementos del motor, repercute negativamente sobre el rendimiento indicado, reduciendo la potencia indicada obtenida.

Energía Combustible (PCI) 100%

Energía gases escape Refrigeración cilindros Potencia indicada 33% 29% 38%

Potencia al freno SAE Fricción motor Fricción segmentos-camisa Admisión aire: Wbombeo 25% 4% 3% 6%

Potencia al freno DIN Accesorios

22.5% 2.5%

Las diferencias de valor que existe entre la potencia indicada y la potencia obtenida al freno al ensayar los motores son las llamadas pérdidas mecánicas. Estas pérdidas energéticas engloban a las debidas al rozamiento entre las partes móviles del motor (sistema motriz: cilindro-segmentos-pistón-biela-cigüeñal, sistema de distribución), el trabajo de bombeo (necesario para la expulsión de los gases residuales y la aspiración del fluido fresco) y la potencia consumida en el accionamiento de los elementos auxiliares del motor (bomba de refrigerante, bomba de combustible, alternador, ventilador,...)

PÉRDIDAS DE CALOR POR REFRIGERACIÓN

La refrigeración de los motores térmicos alternativos no es deseable desde el punto de vista termodinámico, el rendimiento del motor sería mayor si la evolución del fluido durante la expansión fuera adiabática. Sin embargo, la necesidad de una correcta lubricación, el mantener las dilataciones de los elementos en valores moderados y la disminución de la resistencia mecánica de los materiales con la temperatura obligan a dotar a los motores de sistemas de refrigeración.

A título indicativo cabe señalar que las temperaturas medias que se pueden alcanzar en condiciones normales en las caras internas de las principales piezas del motor, son las siguientes:

Válvula de admisión 100ºC Cilindro 250ºC Centro del pistón 300ºC Culata 250ºC Válvula de escape 750ºC Segmentos 250ºC

Estos valores son simplemente orientativos y dependen del tamaño del motor y de las condiciones operativas. Los puntos de mayor temperatura del motor son: La punta del electrodo de la bujía en los MEP, La cabeza del pistón y la válvula de escape.

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Conviene recordar que las perdidas de calor repercuten en mayor o menor cuantía en el rendimiento según el punto de la evolución en que tiene lugar. Las pérdidas de calor que se producen en las proximidades del punto muerto superior afectan más al rendimiento que las que tiene lugar al final de la expansión, y las que se producen durante el proceso de escape casi no tienen influencia en el rendimiento.

Es posible determinar las perdidas de calor de un motor aplicando las ecuaciones generales de transmisión de calor. Suponiendo un flujo unidimensional, dichas ecuaciones referidas a un elemento de la pared, tienen por expresión:

Calor transmitido por convección desde el fluido a la pared. Q/Ag = hg ·(Tg - Tsg)

Calor transmitido por conducción a través de la pared.

Q/Ag = (k/e) ·(Tsg - Tsr )

Calor transmitido por convección de la pared al refrigerante.

Q/Ar = hr · (Tsg - Tr)

donde: Q: Calor transmitido por unidad de tiempo. Ag: Superficie de transmisión en el lado del gas. Ar: Superficie de transmisión en el lado del refrigerante. Tg: Temperatura del gas. Tsg: Temperatura de la pared en el lado del gas. Tsr: Temperatura de la pared en el lado del refrigerante. Tr: Temperatura del refrigerante. hg: Coeficiente de película pared del gas. hr: Coeficiente de película pared del refrigerante. k: Coeficiente de conductividad de la pared. e : Espesor de la pared.

La aplicación de estas ecuaciones al conjunto del motor presenta las siguientes dificultades:

1) No se tiene en cuenta la radiación que supone del 1al 5% de la perdida total de calor.

2) La temperatura Tg del gas varía con el tiempo debido a la naturaleza del proceso y no es homogénea, es decir la temperatura no es la misma en toda la masa del fluido.

3) La temperatura Tr del refrigerante varía con el tiempo, al igual que Tg, pero de forma mucho menos acusada, sobretodo cuando la refrigeración es por líquido.

4) La geometría del motor suele ser compleja y con superficies de transmisión variables con el tiempo debido al movimiento del émbolo. Los valores de e/k pueden ser variables debido al empleo de espesores de pared y de materiales, con frecuencia, muy diferentes.

5) Los valores de hg y de hr varían de unos puntos a otros a causa de los valores locales del número de Reynolds, propiedades físicas del fluido, condiciones termodinámicas, etc.

La determinación de las pérdidas de calor por este procedimiento resulta muy laboriosa. Sin embargo, hacer un tratamiento global de las mismas permite deducir una serie de consecuencias y tendencias de indudable interés, difíciles de cuantificar, y que analizamos a continuación.

Calor transmitido por unidad de superficie:

Suministra información de las perdidas de calor del motor

rg

rr

g

g

gTT

hA

A

k

e

h

A

Q

11

1

Diferencia de temperatura entre la superficie del lado del gas y la superficie del lado del refrigerante:

Es un indicativo de las tensiones térmicas en la zona de la pared considerada.

rg

rr

g

g

rssg TT

hA

A

k

e

h

k

e

TT

11

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Temperaturas locales:

Afectan a la dilatación, a la resistencia mecánica del material y a las condiciones de engrase en el caso de ser una superficie con fricción.

rg

rr

g

g

rr

g

rgs TT

hA

A

k

e

h

hA

A

k

e

TT

11

1

Las tendencias que siguen estos parámetros aparecen en la tabla siguiente:

Q/Ag Tsg - Tsr Tsg

Aumenta grado de carga aumenta aumenta aumenta

Aumenta el régimen de giro aumenta aumenta aumenta

Aumenta el diámetro del cilindro disminuye aumenta aumenta

BALANCE ENERGÉTICO DE UN MOTOR

La ecuación del balance energético de un motor en condiciones estacionarias, puede escribirse como:

raacresgerNf QQQQQQQ

Siendo, por unidad de tiempo: Qf : calor suministrado en la combustión del combustible. QN : calor equivalente a la potencia efectiva del motor Qr : calor transmitido al refrigerante. Qge : calor perdido en los gases de escape. Qres : calor equivalente a las pérdidas por combustión incompleta. Qac : calor transmitido al aceite. Qra : calor transmitido por radiación al ambiente.

Se observa que el calor disipado en el sistema de refrigeración es el calor transmitido a través de las paredes del cilindro y la culata, pero en parte también es consecuencia del calor generado por la fricción de los segmentos del pistón. El aceite cumple también una misión refrigerante, disipando una fracción importante del calor generado por fricción y una parte del calor transmitido por los gases contenidos en el cilindro a través del pistón. Finalmente una fracción reducida de las pérdidas de calor en el motor se produce en forma de radiación.

Realizar un cálculo exacto de todos estos flujos energéticos resulta muy difícil, puesto que son variables con el tipo de motor y con las condiciones operativas de mismo. En motores sin radiador de aceite independiente, el calor evacuado por los gases en el escape y por el sistema de refrigeración pueden considerarse prácticamente iguales.

Las tendencias que siguen al variar diferentes variables tanto geométricas como de funcionamiento, se ven en la tabla siguiente.

VARIABLE A CONSIDERAR Qr Qr/Ne debido funda-

mentalmente a:

Aumento del diámetro del motor aumenta disminuye aumento de D aumento de m

Aumento del régimen de giro aumenta disminuye aumento de m

Disminución de la presión de admisión disminuye aumenta disminución de m

Aumento del dosado aumenta(F<1)

disminuye(F>1) aumenta(F<1)

disminuye(F>1) Variación de Tg

Retraso del encendido a partir del punto de encendido optimo

aumenta aumenta aumento de Tg

Avance del encendido a partir del punto de encendido optimo

aumenta aumenta aumento de Tg

Aumento de la temperatura de admisión aumenta aumenta aumento de Tg

Aumento de la temperatura del refrigerante

disminuye disminuye aumento de Tr

Aumento de los depósitos en el motor disminuye disminuye disminución de hm

Aumento de la relación de compresión aumenta aumenta aumento de Tg

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Es importante resaltar que al aumentar el tamaño del motor o el régimen de giro, el valor absoluto de las perdidas de calor se incrementa, pero disminuye el valor relativo, que esta inversamente relacionado con el rendimiento del motor. También resulta interesante conocer, de forma general, donde se produce la cesión de calor al refrigerante, con el fin de conseguir una intensidad de la refrigeración adecuada a las necesidades del motor. A título indicativo, la tabla siguiente muestra los valores porcentuales de los flujos de calor en los distintos elementos.

CULATA PARED CILINDRO CONDUCTOS DE

ESCAPE OTROS

50-60 % 8 - 22 % 16 - 26 % 2 - 6 %

Además de la localización geométrica de las pérdidas, es importante la localización a lo largo del ciclo:

COMPRESION COMBUSTION EXPANSION ESCAPE

1- 3 % 6 - 10 % 30 - 50 %

50 % 50 %

Sistema de refrigeración

El calor cedido por los gases en el interior del cilindro se evacúa a través del sistema de refrigeración al fluido refrigerante. El fluido refrigerante es aire o agua. En el caso de emplear agua, se transportar la energía térmica a un elemento llamado radiador, donde finalmente se transmite al ambiente empleando el aire como fluido refrigerante.

REFRIGERACIÓN POR LÍQUIDO

La figura representa el esquema de un circuito de refrigeración por agua de un motor.

La bomba de agua (11) impulsa el fluido refrigerante desde la parte inferior del motor hacia la parte alta (13) (12) donde tiene lugar la aportación de calor. Cuando el fluido refrigerante llega al termostato (9), donde en función de su temperatura el caudal se bifurca, de tal forma que una parte se deriva hacia el radiador (5) mientras que otra partedel caudal se circula directamente hacia la admisión de la bomba. El ventilador (6) es movido por la correa del ventilador (1). En la actualidad es más común que el ventilador sea accionado por un motor eléctrico controlado en función de la temperatura del agua del radiador por un termointerruptor.

REFRIGERACIÓN POR AIRE

El sistema de refrigeración por aire consiste en ceder el calor transmitido a las paredes directamente al aire, facilitando el proceso por medio de un aleteado en la superficie externa del motor. Si la velocidad relativa del aire respecto del motor es suficiente (motores de aviación, motocicletas, etc.), el sistema no necesita ningún elemento más.

En motores estacionarios y de automoción es necesario disponer de un ventilador o soplante, una carcasa envolvente y un elemento de regulación del caudal impulsado por el motor que cumple el mismo papel que el termostato en la refrigeración por agua, derivando una mayor o menor cantidad de aire en función de la temperatura del motor.

La disposición de todos estos elementos depende del tipo de motor, número de cilindros y disposición geométrica del mismo. Como datos orientativos, los volúmenes de aire a 40ºC necesarios para refrigerar distintos tipos de motores son: de 40-70 m3/kW·h en los MEP y 50-75 m3/kW·h en los MEC.

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COMPARACION ENTRE LA REFRIGERACION POR AIRE Y POR LIQUIDO

Ventajas

Según datos estadísticos el 20% de las averías de los motores refrigerados por líquido son debidas al sistema de refrigeración. En motores refrigerados por aire, incluso empleando soplante, el número de averías comparativamente es mas bajo.

El motor refrigerado por aire es más autónomo que el motor refrigerado por agua. En aplicaciones militares esto es una ventaja apreciable.

El motor refrigerado por aire tiene menor inercia térmica, es decir, se calienta y se enfría más deprisa. Un rápido calentamiento es ventajoso, puesto que se alcanza rápidamente la temperatura de régimen, disminuyendo los desgastes del arranque en frío. Como contrapartida, un rápido enfriamiento es un inconveniente si la cadencia de arranques es elevada.

El motor refrigerado por aire es menos sensible a las variaciones de la temperatura exterior ya que el gradiente de temperatura motor-medio ambiente es notablemente superior al gradiente agua-medio ambiente en el radiador.

Inconvenientes

Las temperaturas de funcionamiento de los elementos más característicos del motor son más elevadas. Los problemas térmicos suelen ser más acusados en este tipo de motores que en los refrigerados por agua, obligando al aumento de juegos en frío. La refrigeración por aire se limita a motores pequeños, siendo difícil encontrar este sistema a partir de los 150 mm. de diámetro por los graves problemas térmicos asociados.

Las temperaturas elevadas de funcionamiento también provocan la disminución del rendimiento volumétrico, aumento de la emisión de algunos contaminantes y problemas de autoencendido.

La mayor superficie de transmisión de calor en los motores refrigerados por aire condiciona la geometría del motor. En general los motores son más voluminosos y el espacio entre cilindros debe de ser mayor para asegurar una correcta refrigeración.

Los caudales de aire para la refrigeración del motor son muy elevados, lo que lleva a potencias de accionamiento importantes y a niveles de ruido elevados.

Los motores refrigerados por aire resultan más ruidosos que los refrigerados por agua por las siguientes razones: mayores juegos, construcción menos rígida al emplear cilindros independientes, ruidos producidos por el soplante y por la vibración de las propias aletas. En los motores refrigerados por agua la cámara de agua hace de aislamiento acústico.

Los depósitos de suciedad entre las aletas pueden ser un inconveniente importante, particularmente en ciertas aplicaciones, en donde además de perdida de efectividad del sistema de refrigeración, existe el peligro de incendio.

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Pérdidas mecánicas

Reciben el nombre de pérdidas mecánicas: el conjunto de pérdidas que integran la diferencia existente entre el trabajo realizado por los gases en el ciclo termodinámico (potencia indicada) y el trabajo realmente disponible en el eje del motor (potencia efectiva).

Wpm = Wi - We

Si el trabajo se divide entre el volumen desplazado por el pistón se obtiene una expresión de la presión media de las pérdidas mecánicas (Total friction mean effective pressure) que es función de las presiones medias indicadas y efectivas del motor. Este término es independiente del tamaño del motor.

La potencia de las pérdidas mecánicas es: Npm = Ni - Ne

Y el rendimiento mecánico del motor: pmi

pm

pmi

pme

N

N pm

i

e

i

em 1

Las pérdidas mecánicas se pueden clasificar en tres grupos:

Perdidas por bombeo: Reciben este nombre las pérdidas que tiene lugar durante el proceso de renovación de carga, es decir, es el trabajo realizado por el émbolo contra los gases para realizar los procesos de escape y de admisión.

Perdidas por fricción: Son debidas al rozamiento entre las piezas móviles que componen los mecanismos del motor.

Perdidas de accionamiento de auxiliares: Corresponden a la potencia consumida en el accionamiento de los diversos elementos auxiliares del motor (bomba de aceite, bomba de agua, ventilador, alternador, etc.). En los motores con sobrealimentación mecánica, también se cuentan las pérdidas de accionamiento del compresor: debidas a la potencia consumida por el compresor de sobrealimentación en los cuatro tiempos y por la bomba de barrido en los motores de dos tiempos.

pmpm = pmb + pmR + pma

De forma general las pérdidas mecánicas en motores de automoción de aspiración natural a plena carga y régimen de máxima potencia efectiva, se distribuyen en porcentajes de la forma siguiente:

Pérdidas por fricción: 60% Pérdidas por bombeo: 25% Pérdidas por auxiliares 15%

PÉRDIDAS DE BOMBEO

Estas pérdidas tienen su origen en el proceso de renovación de la carga tanto en los motores de 4T y como en los motores de 2T de barrido por cárter.

Los factores que afectan a las pérdidas de bombeo son: las pérdidas de carga en el sistema de admisión, la contrapresión de escape, las pérdidas de carga en las válvulas, el diagrama de distribución del motor, la geometría de los colectores, el sistema de regulación de la carga en los MEP y la Sobrealimentación

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PÉRDIDAS POR FRICCIÓN

De los diferentes tipos de fricción, la que ocurre con mayor frecuencia en las piezas de los motores de combustión interna alternativos es la fricción hidrodinámica, en este tipo de fricción las superficies con rozamiento están completamente separadas por una película de lubricante, y por tanto el coeficiente de fricción depende de su viscosidad.

En la figura se presenta el Diagrama de Stribeck, que muestra la evolución del coeficiente de fricción en función del parámetro de Hersey.

En el se pueden apreciar tres zonas claramente diferenciadas por la magnitud del coeficiente de fricción, las cuales corresponden a los diferentes tipos de lubricación.

Se puede observar en el diagrama que tipo de lubricación suele ocurrir en las piezas del motor.

Segmentos del pistón: hay que distinguir el trabajo de los segmentos de compresión y los de engrase, los primeros deben impedir las fugas de gases hacia el cárter, mientras los de engrase evitan el trasiego de aceite a la cámara de combustión.

Las condiciones más críticas en la lubricación de los segmentos ocurren durante el paso del pistón por los puntos muertos porque debido a la baja velocidad no se crea la cuña de aceite. Adicionalmente, en las proximidades del PMS durante el proceso de combustión las altas temperaturas reducen la viscosidad del aceite y la lubricación hidrodinámica se hace inviable.

El pistón se comporta como un cojinete oscilante al pivotar en el bulón que lo une a la biela. Al inclinarse se forma una cuña de aceite por toda la superficie de la falda facilitando la lubricación hidrodinámica. Solo durante los períodos de arranque y calentamiento del motor se producen condiciones de fricción mixta en la falda del pistón.

En los Cojinetes existen las condiciones favorables para que se produzca la lubricación hidrodinámica gracias al suministro de aceite a presión. La característica fundamental que condiciona la fricción en los cojinetes de gorrón de los motores es la variación de carga en magnitud y dirección según el giro del cigüeñal.

En el sistema de distribución las pérdidas de fricción son pequeñas debido a que las velocidades de trabajo son pequeñas en general. Es de destacar el caso particular del árbol de levas y el seguidor cuyas superficies de contacto trabajan en condiciones de lubricación límite o mixta debido a que las condiciones de lubricación no son favorables y las cargas transmitidas son elevadas.

PÉRDIDAS DE ACCIONAMIENTO DE AUXILIARES

Estas pérdidas son debidas a la potencia necesaria para accionar los diversos dispositivos o máquinas auxiliares del motor. El tipo y cantidad de dispositivos auxiliares varía según la aplicación del motor, pero de forma general la mayoría de los Motores de Combustión interna alternativos accionan los siguientes elementos:

Bomba del sistema de lubricación Bomba del sistema de refrigeración (sólo en sistemas de enfriamiento por liquido) Generador eléctrico Ventilador (muy importante en motores de refrigeración por aire) Bombas de sistema de suministro de combustible (importante en MEC)

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Métodos de determinación de las pérdidas mecánicas

La determinación práctica de las pérdidas mecánicas no es fácil aunque existen métodos muy diversos para su evaluación.

MÉTODO DE DECELERACIÓN LIBRE

Este método consiste en medir la deceleración angular instantánea del motor al eliminar el suministro de combustible o interrumpir el encendido. Conocido el momento de inercia del conjunto y determinando la evolución de la velocidad de rotación, se puede calcular el par resistente de las pérdidas mecánicas por la expresión:

Mpm = I ·

donde: I : es el momento de inercia del conjunto de los elementos del motor : es la deceleración angular

MÉTODO DE WILLIANS

Este método está basado en la relación existente entre el consumo horario de combustible (mf) y la presión media indicada (pmi) cuando el régimen de giro permanece constante. El método es válido si se cumple que la relación entre el consumo horario de combustible y la presión media indicada es de la forma:

inV

hm

inV

Npmi

T

ffi

T

i

Entonces se cumple que:

)( pmf pmpmeKpmiKm

Extrapolando en la gráfica hasta que mf es cero se obtiene el valor de las pérdidas mecánicas.

MÉTODO MORSE

El método consiste en desconectar el encendido o interrumpir el suministro de combustible en uno de los cilindros y medir la potencia efectiva del motor en esa condición, dicha operación se repite con cada cilindro. Al eliminar la combustión en un cilindro la potencia efectiva medida corresponde a la suma entre la potencia entregada por los cilindros activos y la potencia de pérdidas originadas por el cilindro arrastrado.

izNeNezNpm )1(

donde Neiz es la potencia efectiva del motor obtenida cuando el cilindro iz está desconectado.

MÉTODO DE ARRASTRE

Este procedimiento es el más utilizado para medir las pérdidas mecánicas. Consiste en determinar la potencia necesaria para arrastrar el motor con el suministro de combustible interrumpido o el encendido desconectado, es decir, sin proceso de combustión.

El arrastre se realiza generalmente con la ayuda de un dinamómetro eléctrico reversible, capaz de trabajar como motor o como freno.

MÁQUINAS TÉRMICAS

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Los resultados son algo inferiores a los reales al funcionar el motor sin combustión y ser las cargas sobre las diversas piezas menores.

BIBLIGRAFIA:

Muñoz, M. – Payri, F. “Motores de Combustión Interna Alternativos”, UPM, 1989.

Heywood, J.B. “Internal Combustion Engine Fundamentals”, Mc Graw-Hill, 1989.

Carreras, R. – Comas, A. – Calvo, A. “Motores de combustión interna. Fundamentos”, Ed. UPC, 1993

CIDAUT, “Curso de Motores de Combustión Interna Alternativos”, CIDAUT, 2001

Giacosa, D. “Motores Endotérmicos”, Ed. Dossat, 1979.

Serrano, J.R. “Pérdidas mecánicas en motores de combustión interna alternativos”, Valencia, 2000.