SSeerriiee:: RReeccuurrssooss ddiiddccttiiccooss

Tapa:Imagen combinada de la Supernova Remnamt captadapor el telescopio Hubble - NASA.

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PRESIDENTE DE LA NACINDr. Nstor Kirchner

MINISTRO DE EDUCACIN, CIENCIA Y TECNOLOGALic. Daniel Filmus

SECRETARIO DE EDUCACIN, CIENCIA Y TECNOLOGAProf. Alberto E. Sileoni

DIRECTORA EJECUTIVA DEL INSTITUTO NACIONAL DEEDUCACIN TECNOLGICALic. Mara Rosa Almandoz

DIRECTOR NACIONAL DEL CENTRO NACIONAL DEEDUCACIN TECNOLGICALic. Juan Manuel Kirschenbaum

Probador de inyectores y de motorespaso a pasoCarlos Colombini,

Ernesto Forgan,

Enrique Martn,

Graciela Pellegrino,

Pablo Pilotto,

Hilmar Bordo,

con la colaboracin de Federico Sar.

Martn, EnriqueProbador de inyectores y de motores paso a paso / Enrique Martn; GracielaPellegrino; Ernesto Forgan; coordinado por Juan Manuel Kirschenbaum.- 1a ed. - Buenos Aires: Ministerio de Educacin, Ciencia y Tecnologa de laNacin. Instituto Nacional de Educacin Tecnolgica, 2005.132 p.; 22x17 cm. (Recursos didcticos; 2)

ISBN 950-00-0497-6

1. Inyectores-Probador. 2. Motores-Probador. I. Pellegrino, Graciela. II. Forgan,Ernesto. III. Kirschenbaum, Juan Manuel, coord. IV. Ttulo

CDD 621.4

Fecha de catalogacin: 12/05/2005

Coleccin Serie Recursos didcticos.Coordinadora general: Hayde Noceti.

Distribucin de carcter gratuito.

Queda hecho el depsito que previene la ley n 11.723. Todos los derechosreservados por el Ministerio de Educacin, Ciencia y Tcnologia - InstitutoNacional de Educacin Tecnolgica.

La reproduccin total o parcial, en forma idntica o modificada por cualquiermedio mecnico o electrnico incluyendo fotocopia, grabacin o cualquier sis-tema de almacenamiento y recuperacin de informacin no autorizada en formaexpresa por el editor, viola derechos reservados.

Industria Argentina.

ISBN 950-00-0497-6

Instituto Nacional de Educacin TecnolgicaCentro Nacional de Educacin TecnolgicaCeNET-Materiales

Serie: Recursos didcticos

1 Invernadero automatizado

2 Probador de inyectores y motores paso a paso

3 Quemador de biomasa

4 Intercomunicador por fibra ptica

5 Transmisor de datos bidireccional por fibre ptica, entre computadoras

6 Planta potabilizadora

7 Medidor de distancia y de velocidad por ultrasonido

8 Estufa de laboratorio

9 Equipamiento EMA -Caractersticas fsicas de los materiales de construccin-

10 Dispositivo para evaluar parmetros de lneas

Ministerio de Educacin, Ciencia y Tecnologa.Instituto Nacional de Educacin Tecnolgica.Saavedra 789. C1229ACE.Ciudad Autnoma de Buenos Aires.Repblica Argentina.

El Instituto Nacional de EducacinTecnolgica -INET- enmarca sus lneas deaccin, programas y proyectos, en las metasde:

Coordinar y promover programasnacionales y federales orientados a for-talecer la educacin tcnico-profesional,articulados con los distintos niveles y ci-clos del sistema educativo nacional.

Implementar estrategias y acciones decooperacin entre distintas entidades,instituciones y organismos gubernamen-tales y no gubernamentales-, que permi-tan el consenso en torno a las polticas,los lineamientos y el desarrollo de lasofertas educativas, cuyos resultados seanconsiderados en el Consejo Nacional deEducacin-Trabajo CoNE-T y en elConsejo Federal de Cultura y Educacin.

Desarrollar estrategias y acciones desti-nadas a vincular y a articular las reas deeducacin tcnico-profesional con lossectores del trabajo y la produccin, aescala local, regional e interregional.

Disear y ejecutar un plan de asistenciatcnica a las jurisdicciones en los aspectosinstitucionales, pedaggicos, organizativosy de gestin, relativos a la educacin tc-

nico-profesional, en el marco de los acuer-dos y resoluciones establecidos por elConsejo Federal de Cultura y Educacin.

Disear y desarrollar un plan anual decapacitacin, con modalidades presen-ciales, semipresenciales y a distancia, consede en el Centro Nacional de EducacinTecnolgica, y con nodos en los CentrosRegionales de Educacin Tecnolgica ylas Unidades de Cultura Tecnolgica.

Coordinar y promover programas deasistencia econmica e incentivos fis-cales destinados a la actualizacin y eldesarrollo de la educacin tcnico-profe-sional; en particular, ejecutar lasacciones relativas a la adjudicacin y elcontrol de la asignacin del CrditoFiscal Ley N 22.317.

Desarrollar mecanismos de cooperacininternacional y acciones relativas a dife-rentes procesos de integracin educativa;en particular, los relacionados con lospases del MERCOSUR, en lo referente ala educacin tcnico-profesional.

Estas metas se despliegan en distintos pro-gramas y lneas de accin de responsabilidadde nuestra institucin, para el perodo 2003-2007:

VVIIIIII

LAS METAS, LOS PROGRAMAS Y LAS LNEAS DEACCIN DEL INSTITUTO NACIONAL DEEDUCACIN TECNOLGICA

Programa 1. Formacin tcnica, media ysuperior no universitaria:

1.1. Homologacin y validez nacional dettulos.

1.2. Registro nacional de instituciones deformacin tcnica.

1.3. Espacios de concertacin.

1.4. Perfiles profesionales y ofertas formati-vas.

1.5. Fortalecimiento de la gestin institu-cional; equipamiento de talleres y la-boratorios.

1.6. Prcticas productivas profesiona-lizantes: Aprender emprendiendo.

Programa 2. Crdito fiscal:

2.1. Difusin y asistencia tcnica.

2.2. Aplicacin del rgimen.

2.3. Evaluacin y auditora.

Programa 3. Formacin profesional para eldesarrollo local:

3.1. Articulacin con las provincias.

3.2. Diseo curricular e institucional.

3.3. Informacin, evaluacin y certifi-cacin.

Programa 4.Educacin para el trabajo y laintegracin social.

Programa 5. Mejoramiento de la enseanzay del aprendizaje de la Tecnologa y de laCiencia:

5.1. Formacin continua.

5.2. Desarrollo de recursos didcticos.

Programa 6. Desarrollo de sistemas de infor-macin y comunicaciones:

6.1. Desarrollo de sistemas y redes.

6.2. Interactividad de centros.

Programa 7. Secretara ejecutiva del ConsejoNacional de Educacin Trabajo CoNE-T.

Programa 8. Cooperacin internacional.

Los materiales de capacitacin que, en estaocasin, estamos acercando a la comunidadeducativa a travs de la serie Recursosdidcticos, se enmarcan en el Programa 5del INET, focalizado en el mejoramiento dela enseanza y del aprendizaje de la Tec-nologa y de la Ciencia, uno de cuyos pro-psitos es el de:

Desarrollar materiales de capacitacindestinados, por una parte, a la actua-lizacin de los docentes de la educacintcnico-profesional, en lo que hace a co-nocimientos tecnolgicos y cientficos; y,por otra, a la integracin de los recursosdidcticos generados a travs de ellos, enlas aulas y talleres, como equipamientode apoyo para los procesos de enseanzay de aprendizaje en el rea tcnica.

Estos materiales didcticos han sido elabora-dos por especialistas del Centro Nacional deEducacin Tecnolgica del INET y por espe-cialistas convocados a travs del Programa delas Naciones Unidas para el DesarrolloPNUD desde su lnea Conocimientoscientfico-tecnolgicos para el desarrollo deequipos e instrumentos, a quienes estaDireccin expresa su profundo reconoci-miento por la tarea encarada.

Mara Rosa AlmandozDirectora Ejecutiva del Instituto Nacional de

Educacin Tecnolgica.Ministerio de Educacin, Ciencia y

Tecnologa

IIXX

Desde el Centro Nacional de EducacinTecnolgica CeNET encaramos el diseo,el desarrollo y la implementacin de proyec-tos innovadores para la enseanza y el apren-dizaje en educacin tcnico-profesional.

El CeNET, as:

Es un mbito de desarrollo y evaluacinde metodologa didctica, y de actuali-zacin de contenidos de la tecnologa yde sus sustentos cientficos.

Capacita en el uso de tecnologa a do-centes, profesionales, tcnicos, estudian-tes y otras personas de la comunidad.

Brinda asistencia tcnica a autoridades e-ducativas jurisdiccionales y a edu-cadores.

Articula recursos asociativos, integrandoa los actores sociales involucrados con laEducacin Tecnolgica.

Desde el CeNET venimos trabajando en dis-tintas lneas de accin que convergen en elobjetivo de reunir a profesores, a especialistasen Educacin Tecnolgica y a representantesde la industria y de la empresa, en accionescompartidas que permitan que la educacintcnico-profesional se desarrolle en la escuelade un modo sistemtico, enriquecedor, pro-fundo... autnticamente formativo, tanto paralos alumnos como para los docentes.

Una de nuestras lneas de accin es la de di-sear y llevar adelante un sistema de capaci-

tacin continua para profesores de educacintcnico-profesional, implementando trayec-tos de actualizacin. En el CeNET contamoscon quince unidades de gestin de apren-dizaje en las que se desarrollan cursos,talleres, pasantas, conferencias, encuentros,destinados a cada educador que desee inte-grarse en ellos presencialmente o a distancia.

Otra de nuestras lneas de trabajo asume laresponsabilidad de generar y participar enredes que vinculan al Centro con organismose instituciones educativos ocupados en laeducacin tcnico-profesional, y con organis-mos, instituciones y empresas dedicados a latecnologa en general. Entre estas redes, seencuentra la Red Huitral, que conecta aCeNET con los Centros Regionales deEducacin Tecnolgica -CeRET- y con lasUnidades de Cultura Tecnolgica UCTinstalados en todo el pas.

Tambin nos ocupa la tarea de producirmateriales de capacitacin docente. DesdeCeNET hemos desarrollado distintas seriesde publicaciones todas ellas disponibles enel espacio web www.inet.edu.ar:

Educacin Tecnolgica, que abarca mate-riales que posibilitan una definicin cu-rricular del rea de la Tecnologa en elmbito escolar y que incluye marcostericos generales, de referencia, acercadel rea en su conjunto y de sus con-tenidos, enfoques, procedimientos yestrategias didcticas ms generales.

XX

LAS ACCIONES DEL CENTRO NACIONAL DEEDUCACIN TECNOLGICA

Desarrollo de contenidos, nuestra segundaserie de publicaciones, que nuclea fasccu-los de capacitacin en los que se profun-diza en los campos de problemas y decontenidos de las distintas reas del cono-cimiento tecnolgico, y que recopila, tam-bin, experiencias de capacitacin docentedesarrolladas en cada una de estas reas.

Educacin con tecnologas, que propicia eluso de tecnologas de la informacin y dela comunicacin como recursos didcti-cos, en las clases de todas las reas yespacios curriculares.

Educadores en Tecnologa, serie de publica-ciones que focaliza el anlisis y las pro-puestas en uno de los constituyentes delproceso didctico: el profesional queensea Tecnologa, ahondando en losrasgos de su formacin, de sus prcticas,de sus procesos de capacitacin, de suvinculacin con los lineamientos curricu-lares y con las polticas educativas, deinteractividad con sus alumnos, y consus propios saberes y modos de hacer.

Documentos de la escuela tcnica, quedifunde los marcos normativos y curricu-lares que desde el CONET ConsejoNacional de Educacin Tcnica- deli-nearon la educacin tcnica de nuestropas, entre 1959 y 1995.

Ciencias para la Educacin Tecnolgica,que presenta contenidos cientficos aso-ciados con los distintos campos de la tec-nologa, los que aportan marcos concep-tuales que permiten explicar y funda-mentar los problemas de nuestra rea.

Recursos didcticos, que presenta con-tenidos tecnolgicos y cientficos,

estrategias curriculares, didcticas yreferidas a procedimientos de construc-cin que permiten al profesor de la edu-cacin tcnico-profesional desarrollar,con sus alumnos, un equipamientoespecfico para integrar en sus clases.

Desde esta ltima serie de materiales decapacitacin, nos proponemos brindar he-rramientas que permitan a los docentes noslo integrar y transferir sus saberes y capaci-dades, sino tambin, y fundamentalmente,acompaarlos en su bsqueda de solucionescreativas e innovadoras a las problemticascon las que puedan enfrentarse en el procesode enseanza en el rea tcnica.

En todos los casos, se trata de propuestas deenseanza basadas en la resolucin de pro-blemas, que integran ciencias bsicas ytecnologa, y que incluyen recursos didcti-cos apropiados para la educacintcnicoprofesional.

Los espacios de problemas tecnolgicos, lasconsignas de trabajo, las estrategias deenseanza, los contenidos involucrados y,finalmente, los recursos didcticos estnplanteados en la serie de publicaciones queaqu presentamos, como un testimonio derealidad que da cuenta de la potencialidadeducativa del modelo de problematizacin enel campo de la enseanza y del aprendizajede la tecnologa, que esperamos que resultede utilidad para los profesores de la edu-cacin tcnico-profesional de nuestro pas.

Juan Manuel KirschenbaumDirector Nacional del Centro Nacional de

Educacin Tecnolgica.Instituto Nacional de Educacin Tecnolgica

XXII

Desde esta serie de publicaciones del CentroNacional de Educacin Tecnolgica, nos pro-ponemos:

Poner a consideracin de los educadoresun equipamiento didctico a integrar enlos procesos de enseanza y de apren-dizaje del rea tcnica que coordinan.

Contribuir a la actualizacin de losdocentes de la educacin tcnico-profe-sional, en lo que hace a conocimientostecnolgicos y cientficos.

Inicialmente, hemos previsto el desarrollo deveinte publicaciones con las que intentamosabarcar diferentes contenidos de este campocurricular vastsimo que es el de la educacintcnico-profesional.

En cada una de estas publicaciones es posiblereconocer una estructura didctica comn:

1 Problemas tecnolgicos en el aula. Enesta primera parte del material sedescriben situaciones de enseanza y deaprendizaje del campo de la educacintcnico-profesional centradas en la re-solucin de problemas tecnolgicos, y sepresenta una propuesta de equipamientodidctico, pertinente como recurso pararesolver esas situaciones tecnolgicas ydidcticas planteadas.

2 Encuadre terico para los problemas.En vinculacin con los problemas didc-ticos y tecnolgicos que constituyen elpunto de partida, se presentan conceptos

tecnolgicos y conceptos cientficos aso-ciados.

3 Hacia una resolucin tcnica. Manualde procedimientos para la construc-cin y el funcionamiento del equipo.Aqu se describe el equipo terminado y semuestra su esquema de funcionamiento;se presentan todas sus partes, y los mate-riales, herramientas e instrumentos nece-sarios para su desarrollo; asimismo, sepauta el paso a paso de su construc-cin, armado, ensayo y control.

4 El equipo en el aula. En esta parte delmaterial escrito, se retoman las situa-ciones problemticas iniciales, aportandosugerencias para la inclusin del recursodidctico construido en las tareas quedocente y alumnos concretan en el aula.

5 La puesta en prctica. Este tramo dela publicacin plantea la evaluacindel material didctico y de la experien-cia de puesta en prctica de las estrate-gias didcticas sugeridas. Implica unaretroalimentacin de resolucin vo-luntaria de los profesores destinata-rios hacia el Centro Nacional deEducacin Tecnolgica, as como elpunto de partida para el diseo denuevos equipos.

Esta secuencia de cuestiones y de momentosdidcticos no es azarosa. Intenta replicar enuna produccin escrita las mismas instanciasde trabajo que los profesores de Tecnologaponemos en prctica en nuestras clases:

XXIIII

LA SERIE RECURSOS DIDCTICOS

XXIIIIII

Es a travs de este circuito de trabajo (pro-blema-respuestas iniciales-inclusin terica-respuestas ms eficaces) como enseamos ycomo aprenden nuestros alumnos en el rea:

La tarea comienza cuando el profesorpresenta a sus alumnos una situacincodificada en la que es posible recono-cer un problema tecnolgico; para con-figurar y resolver este problema, es nece-sario que el grupo ponga en marcha unproyecto tecnolgico, y que encare anli-sis de productos o de procesos desarro-llados por distintos grupos sociales pararesolver algn problema anlogo.Indudablemente, no se trata de cualquierproblema sino de uno que ocasionaobstculos cognitivos a los alumnosrespecto de un aspecto del mundo artifi-cial que el profesor en su marco curri-cular de decisiones ha definido comorelevante.

El proceso de enseanza y de aprendiza-je comienza con el planteamiento de esasituacin tecnolgica seleccionada por elprofesor y con la construccin del espa-cio-problema por parte de los alumnos, ycontina con la bsqueda de respuestas.

Esta deteccin y construccin derespuestas no se sustenta slo en losconocimientos que el grupo disponesino en la integracin de nuevos con-tenidos.

El enriquecimiento de los modos de very de encarar la resolucin de un proble-ma tecnolgico por la adquisicin denuevos conceptos y de nuevas formastcnicas de intervencin en la situacin

desencadenante suele estar distribuidamaterialmente en equipamiento, enmateriales, en herramientas.

No es lo mismo contar con este equipamien-to que prescindir de l.

Por esto, lo queintentamos des-de nuestra seriede publicacio-nes es acercar alprofesor distin-tos recursos di-dcticos que a-yuden a sus a-lumnos en estatarea de proble-matizacin y dei n t e r v e n c i n s u s t e n t a d aterica y tcni-camente en elmundo tecno-lgico.

Al seleccionar los recursos didcticos queforman parte de nuestra serie de publica-ciones, hemos considerado, en primer trmi-no, su potencialidad para posibilitar, a losalumnos de la educacin tcnico-profesional,configurar y resolver distintos problemas tec-nolgicos.

Y, en segundo trmino, nos preocup quecumplieran con determinados rasgos que lespermitieran constituirse en medios eficacesdel conocimiento y en buenos estructurantescognitivos, al ser incluidos en un aula por unprofesor que los ha evaluado como perti-

XXIIVV

Caracterizamos comorecurso didctico a to-do material o compo-nente informtico se-leccionado por un edu-cador, quien ha evalua-do en aqul posibili-dades ciertas para ac-tuar como mediadorentre un problema de larealidad, un contenidoa ensear y un grupode alumnos, facilitandoprocesos de compren-sin, anlisis, profundi-zacin, integracin,sntesis, transferencia,produccin o evalua-cin.

nentes. Las cualidades que consideramosfundamentales en cada equipo que promove-mos desde nuestra serie de publicacionesRecursos didcticos, son:

Modularidad (puede adaptarse a diversosusos).

Resistencia (puede ser utilizado por losalumnos, sin peligro de romperse confacilidad).

Seguridad y durabilidad (integrado pormateriales no txicos ni peligrosos, ydurables).

Adaptabilidad (puede ser utilizado en eltaller, aula o laboratorio).

Acoplabilidad (puede ser unido o combi-nado con otros recursos didcticos).

Compatibilidad (todos los componentes,bloques y sistemas permiten ser integra-dos entre s).

Facilidad de armado y desarmado (posi-bilita pruebas, correcciones e incorpo-racin de nuevas funciones).

Pertinencia (los componentes, bloquesfuncionales y sistemas son adecuadospara el trabajo con los contenidos cu-rriculares de la educacin tcnico-pro-fesional).

Fiabilidad (se pueden realizar las tareaspreestablecidas, de la manera esperada).

Coherencia (en todos los componentes,bloques funcionales o sistemas se siguenlas mismas normas y criterios para elarmado y utilizacin).

Escalabilidad (es posible utilizarlo enproyectos de diferente nivel de com-

plejidad).

Reutilizacin (los diversos componentes,bloques o sistemas pueden ser desmonta-dos para volver al estado original).

Incrementabilidad (posibilidad de iragregando piezas o completando elequipo en forma progresiva).

Hayde NocetiCoordinadora de la accin Conocimientoscientfico-tecnolgicos para el desarrollo de

equipos e instrumentos.Centro Nacional de Educacin Tecnolgica

XXVV

2. Probador de

inyectores y

de motores

paso a paso

22

Este material de capacitacin fuedesarrollado por:

Carlos Colombini,Ernesto Forgan,Enrique Martn,Graciela Pellegrino,Pablo Pilotto,Hilmar Bordo,coordinadores de acciones de capacitacindel Centro Nacional de EducacinTecnolgica, con la colaboracin deFederico Sar.

Coordinacin general:Hayde Noceti

Diseo didctico:Ana Ra

Administracin:Adriana Perrone

Monitoreo y evaluacin:Laura Irurzun

Diseo grfico:Toms Ahumada

Karina LacavaAlejandro Carlos Mertel

Diseo de tapa:Laura Lopresti

Juan Manuel Kirschenbaum

Con la colaboracindel equipo de profesionales

del Centro Nacionalde Educacin Tecnolgica

Las metas, los programas y las lneas de accindel Instituto Nacional de Educacin Tecnolgica VIII

Las acciones del Centro Nacional de Educacin Tecnolgica X

La serie Recursos didcticos XII

1 Problemas tecnolgicos en el aula 4

El recurso didctico que proponemos

2 Encuadre terico para los problemas 7

Combustin

Motor de ciclo de Otto

Sistema de inyeccin de combustible

Probador de inyectores y de motores paso a paso

3 Hacia una resolucin tcnica.Manual de procedimientos para la construccin yel funcionamiento del equipo 68

El producto

Los componentes

Los materiales, herramientas e instrumentos

La construccin

El armado

El ensayo y el control

La superacin de dificultades

4 El equipo en el aula 85

Probando el motor

Probando los inyectores

Propuestas finales

5 La puesta en prctica 92

ndice

44

Veamos qu sucede en estas situaciones deenseanza y de aprendizaje, familiares paratodos nosotros:

Hayde tiene a su cargo el mdulo"Componentes e instalaciones mecnicas, elc-tricas, electrnicas, hidrulicas y neumticas"del Trayecto Tcnico-Profesional Automotores.Enrique es responsable de "Mantenimientoelectromecnico" del TTP Equipos e instala-ciones electromecnicas. En este momento,estn encarando contenidos correspondientesa motores de combustin interna, con sus gru-pos de alumnos.

Para avanzar en las capacidades de compren-sin y de operacin con estos motores, presen-tan a los estudiantes la siguiente situacin:

Luego de haber planteado la situacin pro-

SSeerr ppoorr eell ppeeaajjee??

Regresando de mis vacaciones y cerca de la cabinade peaje, noto con estupor que el motor de mi auto sedetiene. Al arrancarlo nuevamente, no slo no sedetiene sino que queda girando a un nmero ms ele-vado de revoluciones por minuto -esto es evidencia-do por el indicador de rpm del panel (tacmetro) y,adems, por un mayor nivel de ruido en el fun-cionamiento del motor-.

Despus de haber pasado por el peaje, contino lamarcha; presto mucha atencin al comportamientodel motor y noto que el problema no vuelve a repe-tirse. Puedo comprobar que, al mantener una veloci-dad constante ms elevada, no se manifiesta eldefecto.

Pero, llegando a casa, se repite el inconveniente.Preocupado, decido buscar las causas del problema.

Cul o cules pueden llegar a ser las causas de estaanomala?

blemtica a sus alumnos, Enrique les proponeanalizar los elementos involucrados, para queexpresen sus hiptesis:

El origen del problema puede ser el sistema quecontrola el ralenti del motor -dice Carlos.

Si el motor paso a paso no es el causante de miproblema, podra ser algo en los inyectores -plantea Laura.

Problemas con el circuito de alimentacin decombustible? -se pregunta Pablo.

El profesor sugiere, entonces:

Con qu dispositivo haran las pruebas nece-sarias?

Cmo podemos realizar las determinacionescorrespondientes?

Para realizar las pruebas, es necesario algntipo de dispositivo? Qu deberamos poderhacer con l?

En el aula de Tecnologa del 9 ao de EGB 3, los alumnos estn resolviendo proble-mas referidos a motores elctricos; en particu-lar, respecto de cuestiones de regulacin y con-trol. La profesora plantea este problema:

TTrreenn bbaallaa jjaappoonnss

En un viaje de nego-cios que hizo porJapn, Tito Tapia lescompr a sus hijos unpar de trenes elctri-cos en escala HO, queestaban de oferta.

La escala HO es unade las tantas existen-tes en la actualidadpara representar tre-nes en miniatura.Corresponde a una es-cala 1:87, con una tro-cha de 16,5 mm.

1. PROBLEMAS TECNOLGICOS EN EL AULA

5555

Luego de la presentacin de esta situacin, ladocente plantea a los distintos grupos de alum-nos la necesidad de agregar al juguete algn tipode dispositivo para controlar la velocidad deltren: Tendramos que tener la posibilidad de cambiar,

a voluntad, la velocidad del tren. Sobre quvariables podramos influir?

Podramos realizar la variacin de la velocidaden forma automtica? Esto es que, cuando estacercndose a una de las curvas, el tren dis-minuya su velocidad y vuelva a aumentarlaluego de haberla traspasado. De qu forma?

Con qu dispositivo podramos realizar laspruebas necesarias?

Cada uno de los equipos est compuesto por cuatrovagones -dos de ellos, motores; dos, de arrastre-para pasajeros, conformando un convoy de losdenominados "tren bala", catorce tramos de vas enlnea recta y doce curvas de 480 mm de radio, y losaccesorios correspondientes para su conexionado ala red de energa elctrica domiciliaria y para su fun-cionamiento.

Despus de un interesante trabajo de armado y pos-terior alimentacin con una fuente de 12 V, incluidaen el kit, los chicos descubren que todo va per-fecto... Pero, slo hasta que alguno de los trenesdebe tomar una curva: Son tan rpidos que siemprese descarrilan...

Su primera idea es bajarles la velocidad. Pero, no entodo el recorrido; solamente en las curvas -que esdonde se presenta el problema-.

8 entradas analgicas (4 entradas en tensin enun rango de -10 V a +10 V y 4 entradas en corrien-te con un rango de variacin de 0 a 20 mA),

un canal de medicin de frecuencias hasta 1000kHz que permite medir la frecuencia de un tren depulsos,

8 salidas digitales con una corriente mxima porsalida de 0.3 A,

una corriente mxima total para las 8 salidas de 2A. y 2 salidas analgicas de tensin.

Entusiasmados, los chicos -con el apoyo del maes-tro de enseanza prctica de "Automatizacin yrobtica"- comienzan a trabajar acerca de qu esun PLC, cul es su lgica de funcionamiento, culesson sus partes componentes, cmo son los lengua-jes de programacin.

Realizan, tambin, las primeras pruebas con pro-gramas sencillos, accediendo a estructuras bsi-cas de programacin, interpretando los resultadosobtenidos y analizando fallas. Desarrollan las expe-riencias integrando elementos disponibles en eltaller: pulsadores, interruptores, lamparitas, rels,pequeos motores elctricos, bocinas, zum-badores...

En un momento de este proceso de anlisis tec-nolgico del PLC, se escucha la pregunta de uno delos alumnos del grupo:

El PLC, puede servir para controlar cuntasvueltas gir un motor?

El maestro de enseanza prctica, entonces,plantea:

Cmo lo haras? Cmo podemos verificar lascaractersticas del PLC para que controlar lasvueltas? Qu elementos o dispositivos que uste-des conocen, son capaces de emitir una sealelctrica digital?

Ante esta propuesta, los chicos comienzan a pen-sar en posibles respuestas y a buscar materialampliatorio en la biblioteca del taller, para averiguarcmo y con qu tipo de seales se utiliza el PLC.

EEssttee ccoonnttrroollaaddoorr qquuee nnoo ccoonnttrroollaa!!

A una escuela tcnica llega un PLC -contro-lador lgico programable-, como donacin deuna de las empresas de la zona.

El PLC tiene como caractersticas bsicas:

tensin de alimentacin de 24 volts de co-rriente continua -VCC- (fluctuacin admisible16 a 30 VCC), 16 entradas digitales (mximacorriente admisible a 24 VCC: 6 miliamper, mA),

En estos testimonios de situaciones deenseanza y de aprendizaje, los alumnos seenfrentan a problemas que requieren unasolucin, para la cual resultara de utilidadcontar con algn recurso didctico que per-mita, en primer lugar, generar seales elctri-cas y, luego, d la posibilidad de modificarparmetros caractersticos de estas seales.

Para encontrar una respuesta eficaz a estassituaciones, los alumnos tienen que aprendera controlar pulsos de secuencia, de frecuen-cia y ancho ajustables, por lo que en su auladebera haber un equipo basado en eltratamiento de las caractersticas de estasseales elctricas.

Como una de las muchas alternativas posi-bles en esta tarea de bsqueda de un buenrecurso didctico, vamos a presentarle unPPrroobbaaddoorr ddee iinnyyeeccttoorreess yy ddee mmoottoorreess ppaassoo aappaassoo..

Se trata de un dispositivo que utiliza compo-nentes electrnicos para la generacin deseales, que nos permite introducirlas en labobina del inyector, y variar tanto el anchode pulso como la frecuencia, verificando larespuesta a estos cambios.

Este equipo permite que un docente que, porejemplo, aborda con su grupo el tratamientode contenidos vinculados con el sistema deinyeccin de combustible utilizado en laactualidad en la industria automotriz, cuentecon un recurso didctico necesario para su

correcta modelizacin.

El recurso didctico PPrroobbaaddoorr ddee iinnyyeeccttoorreessyy ddee mmoottoorreess ppaassoo aa ppaassoo tiene bajo costo,supera la necesidad de recurrir a tster oscanner, es fcil de utilizar, permite una clarainterpretacin de los resultados obtenidos y...est al alcance de la mano.

66

NNuueessttrraa pprrooppuueessttaa ddeerreeccuurrssoo ddiiddccttiiccoo

77

2. ENCUADRE TERICO PARA LOSPROBLEMAS

Lo invitamos a recordar la situacin problemtica "Ser por el peaje?". El siguiente diagramaen bloques representa los efectos que se van produciendo en el automvil:

El motor sedetiene

Vuelve a repetirseel inconveniente.

A mayor velocidad, no semanifiesta el defecto.

Arranca nuevamente el motor (amayor nmero de revoluciones) y se

apaga otra vez.

Cules pueden ser las posibles causas que originan el inconveniente? Veamos...

El motor se detiene alsoltar el acelerador

Falla de combustible Falla elctrica

Falla de alimentacinde combustibleFalta de combustible

El problema puedeser la falta de com-

bustible

Arranca nuevamente Falla aleatoria

RReevviissaarr: Inyector de combustible Motor paso a paso

RReevviissaarr: Estado del combustible Obstruccin en elpasaje de combustible

Arranca nuevamente?

Vuelve adetenerse?

Falla a altavelocidad?

SNo

S No

S No

El primer bloque plantea que el motor sedetiene al soltar el acelerador. Esta falla puedeestar originada por dos tipos de causas: porfalla de combustible o por alguna falla elctri-ca (que no analizamos en este material).

La falla puede ser por falta de combustible opor falla de la alimentacin. Como el autovuelve a arrancar, se plantea un bloque dedecisin: Vuelve a detenerse? Si no se detienems, podemos pensar que se trat de unafalla aleatoria; pero, si se vuelve a detener ya arrancar, podemos preguntarnos: Falla aalta velocidad?

Si el defecto ocurre a alta velocidad, tenemosque revisar el estado del combustible, laobstruccin en el pasaje de combustible y laentrada del aire obstruido. Pero, esto nosucede en el problema planteado; por lo tanto,como la falla noocurre a alta veloci-dad, revisamos losdispositivos del sis-tema de inyeccin:el inyector de com-bustible y el motorpaso a paso.

Cmo podemosdetectar si el motor paso a paso es el causantedel problema?

88

Nuestra propuesta esque usted vaya cons-truyendo este diagra-ma con sus alumnos, amedida que ellos vanexpresando sushiptesis respecto delproblema.

PPrruueebbaa ddeell mmoottoorr ppaassoo aa ppaassoo(auto estacionado)

Sin desmontar del automvil

Reemplazar la alimentacin elctrica del motor paso apaso (proveniente de la unidad electrnica de control)por el probador de motor paso a paso. Con el motor delauto funcionando, accionar la variacin del tren depulsos que genera el probador.Si el motor paso a paso funciona bien, se debe obser-var una variacin de las revoluciones del motor delauto (rpm).

Varan lasrevolucionesdel motor del

auto?

El motor paso a pasofunciona correcta-

mente.

Seguir buscando lacausa del problema.

El motor paso a paso nofunciona correcta-mente. Retirarlo del

automvil.

Medir la resistencia de lasbobinas del motor paso apaso. Deben ser del orden

de 20 a 100 .

Las resistenciasde las bobinas,

estn entre 20 y100 ?

El motor paso a pasofunciona correcta-

mente.

Seguir buscando lacausa del problema.

Reemplazar el motorpaso a paso

El motor paso apaso est roto o

desgastado

Puede tenersuciedad que nopermita que gire.

ReemplazarloLimpiarlo

S

No

No

NoConectar

el probador al motorpaso a paso

Gira?

S

S

99

Los resultados del anlisis que nuestrosalumnos efectan:

Si el motor paso a paso funciona correc-tamente, hay que seguir buscando lacausa del problema.

Si el motor paso a paso se encuentrasucio, se recomienda limpiarlo y probarnuevamente.

Si el motor paso a paso est daado, esnecesario reemplazarlo; de este modo, seha solucionado el problema.

Anlogamente, cul es el procedimientopara detectar si el inyector es el causante delproblema?

Vayamos planteando algunas ideas bsicasacerca de este proceso:

Como sabemos, el resultado de la com-bustin genera monxido de carbono. Paracontrolar la emisin de gases a la atmsfera yevitar la contaminacin, resulta imprescin-dible controlar la cantidad de monxidohasta reducirla a cero. Con el sistema decombustin... es imposible lograrlo; sola-mente en teora tenemos una combustincompleta sin generacin de monxido.

Lo que debemos concretar, entonces, es unacombustin ms adecuada a nuestra necesi-dad y a la del medio ambiente.

Al respecto, las necesidades actuales son:

Baja emisin de monxido de carbono -CO-.

Excedente de oxgeno en la combustin,

que se utilice posteriormente en el catali-zador para reducir u oxidar el monxidode carbono.

Uno de los impli-cados en la gene-racin del CO esel carburador, queno puede mante-ner la relacinestequiomtricadurante todas lasetapas del fun-cionamiento. De-bido a ello esreemplazado porun sistema deno-minado iinnyyeecccciinnddee ccoommbbuussttiibbllee.

El principio de funcionamiento de este sis-tema de inyeccin de combustible es unmicroprocesador que recibe informacin deparmetros reales de funcionamiento delmotor y genera, a partir de ellos, la informa-cin necesaria para que, a travs de los actua-dores, se concrete una combustin con bajaemisin de monxido de carbono, y el exce-dente necesario de oxgeno para que el catali-zador oxide o reduzca el CO.

Unos de esos actuadores son los inyectores,electrovlvulas que, en el momento de laexcitacin, permiten que el combustible -mantenido a presin por la bomba corres-pondiente-, entre en contacto con el aire deadmisin en la proporcin adecuada.

Este caudal de aire es variable y depende delnmero de revoluciones al que est girando

La relacin este-quiomtrica expresalos componentes deuna combustin teri-ca en la que los reac-tivos actan en canti-dades exactas comopara que el com-bustible se oxide com-pletamente; por lotanto -siempre, enteora- no existe com-bustible no quemadoen los productos de lareaccin.

el motor, situacin controlada con el pedalcorrespondiente -excepto en el momento enel cual el motor tiene que mantener un rgi-men de ralent-. Este rgimen es variable enfuncin de las cargas que estn actuandosobre el motor. Los inyectores dosifican lacantidad de combustible administrada, enfuncin de la frecuencia con la que son exci-tados, as como en funcin del ancho depulso de dicha excitacin.

Por otra parte, para que este rgimen se man-tenga constante, es necesario variar los cau-dales de aire, de all la necesaria intervencindel motor paso a paso, para abrir y cerrar elpaso alternativo de aire. Para que el motorpaso a paso funcione como tal, es necesarioexcitar las dos bobinas, de acuerdo con unadeterminada secuencia, permitiendo invertirno slo el orden de la excitacin sino tam-bin la velocidad con la que sta se realiza.Esto nos otorga la posibilidad de verificar doscosas: en primer lugar, si el motor funciona y,en segundo, su sentido de giro.

En el caso de la inyeccin de combustible, las

posibles fallas pueden ser determinadas porel uso de un probador de inyectores y motorpaso a paso como el que sugerimos desarro-llar, el que permite trabajar muy fuertementesobre el anlisis de los datos obtenidos yposibles de obtener.

En este proceso de control que estamos anali-zando, estn involucrados conceptos en losque resulta oportuno que nos detengamos.Organizamos su presentacin, de este modo:

1100

El dispositivo didctico PPrroobbaaddoorr ddeeiinnyyeeccttoorreess yy ddee mmoottoorreess ppaassoo aa ppaassoo

permite introducir seales en las que es posi-ble variar tanto el ancho de pulso como la fre-cuencia, verificando la respuesta delinyector.

Para esto, el recurso didctico presen-tado dispone de cuatro conectores de

alimentacin: dos para cada bobina que formaparte del motor paso a paso.

CCoommbbuussttiinn

Reaccin qumica de la combustin. Combustibles. Contaminacin del aire.

MMoottoorr ddee cciicclloo ddee OOttttoo

Leyes fsicas de los gases. Termodinmica. Ciclos en los motores trmicos. Ciclo Otto ideal. Ciclo real.

SSiisstteemmaa ddee iinnyyeecccciinn ddee ccoommbbuussttiibbllee

El carburador como antecedente del sistema deinyeccin.

Clasificacin y descripcin de los sistemas.

PPrroobbaaddoorr ddee iinnyyeeccttoorreess yy ddee mmoottoorreess ppaassoo aa ppaassoo

Componentes electrnicos del probador de inyec-tores.

Circuitos electrnicos del probador de inyectores. Control del motor paso a paso. Control del inyector de combustibles.

1111

CCoommbbuussttiinn

RReeaacccciinn qquummiiccaa ddee llaa ccoommbbuussttiinn

La combustin es una reaccin qumica entreel oxgeno y el carbono (que, en este caso, seencuentra en el combustible gasolina) y esexotrmica.

Si se realiza bajo determinadas condiciones -por ejemplo, en un recipiente cerrado- lareaccin genera un aumento de la presindentro del recinto; si una de las paredes delrecipiente se puede desplazar, podramosmantener la presin con un aumento delvolumen, lo cual permite transformar estacombustin en trabajo mecnico.

Para producir una combustin se debemezclar el oxgeno y el carbono, de formadirectamente proporcional; de esta relacindependen los residuos. Consideremos queobtenemos el oxgeno del aire y que su con-centracin es variable, dependiendo de lascondiciones atmosfricas.

La combustin puede entenderse desde unplano terico o eesstteeqquuiioommttrriiccoo. En esteestudio qumico terico, intervienen com-bustibles formados, principalmente, por car-bono e hidrgeno, los cuales reaccionan enpresencia de suficiente oxigeno, dando comoproductos CO2 y NH2O. En este caso, se tiene

una reaccin de combustin completa.

Considerando un combustible como el iso-octano (C8H18), la ecuacin de combustin

es:

La ecuacin estbalanceada: Lacantidad de to-mos de cada ele-mento de los reac-tivos es igual a lade los productos.De esta forma,podemos analizarqu cantidad deoxigeno se necesitapara que 500 gramos de iso-octano produz-can una combustin completa.

Primero, expresamos la cantidad de reactivosy productos de la ecuacin en gramos, uti-lizando la masa atmica de los distintos ele-mentos.

Se sabe que 114 gramos de C8H18 reaccionan

con 400 gramos de O2; entonces,

500 gramos de C8H18 necesitan X gramos de

O2.

Calculemos, ahora, qu cantidad de aire senecesita para tener 1754,3 gramos de O2.

Como el aire tiene 23 % de O2.

0,23 gramos de O2 1 gramo de aire

1754,3 gramos de O2 XC8H18 + 12,5O2 + 47N2 8CO2 + 9H2O + 47N2

Advierta la presenciade nitrgeno en losgases de escape. Estedato es decisivo en elmomento de estudiarlos principales conta-minantes que son pro-ductos de la com-bustin en los motorestrmicos.

114g C8H18 + 400g O2 + 1316g N2

352g CO2 + 162g H2O + 1316g N2

X g O2 =500g C8H18 * 400g O2

114g C8H18

1754,3 g O2X g O2 =

Por lo tanto, para que la combustin seacompleta, se necesitan 7627,3 gramos deaire atmosfrico.

Decamos que los productos de la com-bustin estn formados, principalmente porCO2 y H2O. Detengmonos en analizarlos.

A alta temperatura, estos productos se diso-cian con absorcin de energa (por lo tanto,baja la temperatura). El dixido de carbono(CO2) se disocia a monxido de carbono

(CO) y oxgeno (O2). stos, a su vez, reaccio-

nan y forman CO2 y, adems, ocasionan el

aumento de la temperatura. Esta reaccin seda en ambos sentidos hasta que se alcanza unequilibrio, denominado eeqquuiilliibbrriioo qquummiiccoo.

El agua (H2O) se disocia a hidrgeno (H2) y

oxgeno (O2); stos reaccionan para formar

H2O. Tambin se produce reaccin y diso-

ciacin, hasta alcanzar el equilibrio qumico.

Las ecuaciones que representan la diso-ciacin son:

La disociacin de CO2 y H2O absorbe calor,

provocando una prdida del calor de la reac-cin de combustin.

El ppooddeerr ccaalloorrffiiccoo es la cantidad de calor quese libera cuando se quema combustible conexceso de aire (es el contenido de energa delcombustible). Se expresa en unidades deenerga por unidades de masa; por ejemplo,kcal/kg, kcal/mol.

Existen dos poderes calorficos del com-bustible: el superior y el inferior. El podercalorfico superior es la cantidad de calordada por 1 kg de combustible que se quemacon exceso de aire; los productos (H2O, entre

otros) se enfran a temperatura atmosfrica yse observa que el vapor de agua se condensa.El poder calorfico inferior es la cantidad decalor que se produce por 1 kg de com-bustible que se quema con exceso de aire;mientras que los productos se enfran, elvapor de agua de los productos no se con-densa.

A fines prcticos, pensando en los motores,interesa el poder calorfico inferior porque nohay posibilidad de convertir el calor de con-densacin en trabajo mecnico: A mayorpoder calorfico, menor es el gasto de com-bustible que produce el motor.

En el control electrnico de un motor decombustin interna, el inyector y el motorpaso a paso son los actuadores que cumplenun rol fundamental en el control de la reac-cin de combustin que se produce dentrodel cilindro, ya que:

1122

1554,3g O20,23g O2

X =

7627,3g de aireX =

CO2 CO + 12

O2

H2O H2 + 12

O2

1133

El inyector permite introducir una canti-dad exacta de combustible en la cmarade combustin (cilindro).

El motor paso a paso permite regular lacantidad de aire que intervendr en lareaccin de combustin.

De este modo, se trata de realizar una mezclaaire/combustible que produzca una reaccinque tienda a ser completa.

PPooddeerr ccaalloorrffiiccoo ddee aallgguunnooss ccoommbbuussttiibblleess

CCoommbbuussttiibbllee SSmmbboolloo RReeaacccciinn eessttqquuiioommttrriiccaa PPooddeerr ccaalloorrffiiccoo iinnffeerriioorrkkccaall//kkgg

Metano CH4 CH4 + 2O2 CO2 + 2 H2O 12030

Propano C3 H8 C3 H8 + 5O 3CO2 + 4H2O 11148

Iso-octano C8 H18 C8 H18 + 12,5O2 8CO2 + 9H2O 10672

CCoommbbuussttiibblleess

Los combustiblesse clasifican segnel estado en quese encuentran:slido, gaseoso olquido.

Los ccoommbbuussttiibblleess llqquuiiddooss industriales comola nafta, el kerosene, el gasoil, son prove-nientes de la destilacin destructiva -cracking- del petrleo.

Los combustibles lquidos ms utilizados sonlos que provienen del petrleo. El petrleocrudo es una mezcla de hidrocarburos: gasesde estructura simple y lquidos espesos; tam-bin contiene varias cantidades de azufre,oxgeno, nitrgeno, arena y agua. Por logeneral, el porcentaje de carbono es de 85 % y de hidrgeno 12 %.

Los hidrocarburos son buenos por tener altavolatilidad (tendencia a la evaporacin), laque posibilita que se mezclen con aire fcil-mente, para luego provocar la combustin.

Las principales familias de hidrocarburos,que constituyen las naftas empleadas en losmotores de combustin interna son:

FFaammiilliiaa ppaarraaffnniiccaa: El componente bsico esel metano. La frmula general es:Cn H2.n+2. Donde n es igual a la cantidad de

tomos de carbono. Por ejemplo, el metanoposee n = 1; por lo tanto la frmula es CH4.

La aplicacin de com-bustibles slidos espoco usual en losmotores, ya que provo-ca daos en ellos.

El metano es un compuesto saturado: Lasvalencias del tomo de carbono estn com-pletamente ocupadas por hidrgeno.

La cantidad de tomos de carbono est indi-cada en el prefijo del nombre que, por ser defamilia parafinica, lleva el sufijo ano. Porejemplo:

Metano CH4

Etano C2H6

Propano C3H8

Butano C4H10

Estos ejemplos muestran la cadena de car-bonos en lnea recta; pero, tambin puedentener una cadena de carbono ramificada,siempre cumpliendo con la frmula parafni-ca:

Isobutano C4H10

FFaammiilliiaa oolleeffnniiccaa: Estos compuestos tienenun enlace doble de tomos de carbono y, porlo tanto, son no saturados. Tienen cadenaabierta. Su frmula general es CnH2.n.

La familia olefnica tiene sufijo eno y prefijoigual al de la parafnica.

Por ejemplo: Eteno C2H4

FFaammiilliiaa ddiioolleeffnniiccaa: Son similares a las ole-fnicas pero con dos enlaces dobles en sustomos de carbono. Est constituida porcompuestos no saturados de cadena abierta.

El sufijo es dieno. Su frmula general esCnH2.n-2.

Por ejemplo: Butadieno C4H6

FFaammiilliiaa nnaaffttnniiccaa: Su frmula es igual a lasolefnicas CnH2.n. Sus componentes son satu-

rados con estructura de anillo o cerrada.

Se los nombra con el prefijo ciclo. Por ejemp-lo, el nombre correspondiente a la parafnicade cadena recta:

1144

1155

Ciclohexano C6H12

FFaammiilliiaa aarroommttiiccaa: Son hidrocarburos deestrucura de anillo, no saturados. Su frmulageneral es CnH2.n-6. Los aromticos son los

compuestos ms estables entre los no satura-dos. Esta familia brinda combustible de muybuena calidad.

Por ejemplo, Benceno C6H6

Los alcoholes son productos que provienende la oxidacin parcial del petrleo. Sonsaturados con estructura de cadena, de formatipo R-OH, donde R es parafina que se uneal grupo oxidrilo (OH). Se denominan con elnombre del radical, el hidrocarburo, seguidodel sufijo ol.

CH3OH alcohol metlico (metanol)

Son buenos antidetonantes; pero, poseen unpoder calorfico bajo.

En ccoommbbuussttiibblleess eenn eessttaaddoo ggaasseeoossoo, laspartculas se encuentran ms dispersas; porlo tanto, tienen ms facilidad de reaccionarcon el oxgeno, produciendo una com-bustin muy eficiente.

La mayora de los gases utilizados enautomviles es mezcla de hidrocarburosparafnicos u olefnicos. En determinadascondiciones de temperatura y presin, pasandel estado lquido al gaseoso.

La causa por la cual no tuvo difusin inicialel uso de gases como combustible es, princi-palmente, al inconveniente de su almace-namiento; porque, para almacenar una canti-dad suficiente de gas, se ocupa un volumenmuy grande que, para ser reducido, requiereaumentar la presin dentro del recipienteque lo almacena.

Los gases que resultan de la combustin sonmenos contaminantes que los producidospor los combustibles lquidos.

Las propiedades ms importantes de loscombustibles son:

CCoommppoossiicciinn. La composicin de uncombustible se utiliza para determinarlas cantidades que entran en juego en laestequiometra de la reaccin de com-bustin. La composicin se expresa conel porcentaje en volumen de cada uno desus componentes, en condiciones nor-males de temperatura y presin. Si seexpresa este porcentaje relativo al 100 %del total, se obtiene la fraccin molar.

PPooddeerr ccaalloorrffiiccoo. Para un combustible, esla cantidad de energa desprendida en lareaccin de combustin, referida a launidad de masa de combustible. El podercalorfico est dado por las cantidades decarbono y de hidrgeno que contiene elcombustible. En los productos de la reac-cin de combustin aparece agua, la queprovoca una disminucin del podercalorfico del combustible. Cuando elpoder calorfico de un combustible esgrande, ocasiona un menor volumen deconsumo.

VViissccoossiiddaadd. Es una propiedad intensiva(no depende de la cantidad de muestraque se toma para su estudio) que tieneimportancia para los combustibles lqui-dos.

DDeennssiiddaadd. Es la relacin entre la masa yel volumen de un cuerpo; es decir, masapor unidad de volumen (kg/m3). Para uncombustible, podemos calcular los datosde volumen y de masa, y, por ende, cal-cular la energa interna (por unidad demasa), la que est dada en Joule por kgde mezcla.

LLmmiittee ddee iinnffllaammaabbiilliiddaadd. Propiedad quese considera en los combustiblesgaseosos. Establece la proporcin de gas(combustible) y aire necesaria para quese produzca la combustin.

PPuunnttoo ddee iinnffllaammaacciinn oo tteemmppeerraattuurraa ddeeiiggnniicciinn. Para que se produzca la reac-cin de combustin, la mezcla de com-bustible y comburente debe alcanzar unatemperatura mnima necesaria, la querecibe el nombre de punto de infla-macin o temperatura de ignicin. Unavez que se llega a dicho punto, el calorproducido mantiene la temperatura porencima de la de ignicin y la reaccincontina, hasta que se agotan el com-bustible o el comburente.

TTeemmppeerraattuurraa ddee ccoommbbuussttiinn. Es la tem-peratura mxima de llama que se alcanzadurante el proceso de combustin.

CCoonntteenniiddoo ddee aazzuuffrree. Es importanteconocer el contenido de S de los com-bustibles, ya que ste determina la canti-dad de dioxido de azufre (SO2) que

aparece en los humos del escape comoresultado de la combustin. El SO2 se

oxida a SO3, lentamente, y es el respon-

sable de las lluvias cidas.

Una forma de reducir la formacin de trixi-do de azufre (SO3) es controlar el exceso de

aire en la reaccion de combustin, de formatal que se emplee el "mnimo" exceso de aireposible.

1166

Su formacin ocasiona daos en distintaspartes del motor, debido a que el agua resul-tante del proceso de combustin se puedecombinar con el azufre y generar cidosulfrico, el que provoca corrosin de laspartes metlicas del motor. Un 0,15 % deazufre resulta peligroso para el motor.

EEssttaabbiilliiddaadd qquummiiccaa. Est asociada con lasaturacin de la molcula. Representa lamayor o menor facilidad que tiene elhidrocarburo para entrar en reaccinqumica capaz de producir alguna modi-ficacin en su estructura molecular. Laestabilidad es grande en los hidrocar-buros saturados y pequea en los nosaturados.

CCoonnssttaanncciiaa oo ccoonnssiisstteenncciiaa mmoolleeccuullaarr.Est relacionada con la detonancia ydepende de la frmula de la molcula. Esla resistencia que pone la molcula dehidrocarburos a su rotura o divisin endos o ms hidrocarburos de estructurams sencilla. La consistencia moleculares grande en hidrocarburos de cadenacerrada y pequea en hidrocarburos decadena abierta.

DDeettoonnaanncciiaa. Es un fenmeno originadoinmediatamente despus de que salta lachispa dentro del cilindro. Se debe alnacimiento de una onda explosiva en losgases -mucho ms rpida de lo normal-que produce un ruido caracterstico(como si fuese un martillo mecnico).

La onda explosiva sin detonancia posee unavelocidad de 8 a 20 m/s; la detonante, de 300a 500 m/s.

Un instante antes de la detonancia, se puedeconsiderar la masa gaseosa dividida en dospartes; una que ya entr en combustin yotra que todava no lo hizo; en esta ltima, lapresin es uniforme en toda su extensin, noas su temperatura. En los puntos en que latemperatura es mxima se produce la infla-macin de la mezcla, originndose otrofrente de llama que, al chocar con el pro-ducido por la chispa, origina la detonancia.Por consiguiente, la detonancia est ntima-mente ligada con el punto de inflamacin dela mezcla.

La detonancia ocurre debido a la alta tem-peratura producida en algn punto de lacmara de combustin, a causa de la defi-ciente refrigeracin o bien de la acumulacinde impurezas sobre un punto.

El poder antidetonante de una nafta (com-bustible examinado) se mide por el nmerode octano -NO-. Este nmero se obtienemediante un ensayo prctico normalizadoque consiste en tomar un motor monociln-drico hacindolo girar a cierta cantidad derevoluciones; entonces, se toma la tempe-ratura de la mezcla -y otros datos-, a la vezque se va aumentando la relacin de la pre-sin hasta que se produce la detonacin.Mediante un sensor especfico se mide laintensidad de la detonacin producida.

Para obtener el nmero de octano, se utilizauna escala de 0 a 100. Se toma el motor y selo hace funcionar con heptano puro -(C7H16); es el combustible ms detonante-;

se mide la intensidad de detonacin y se aso-cia este punto con el valor cero antideto-

1177

nante. Luego, se ensaya el mismo motor coniso-octano puro -(C8H18); hidrocarburo muy

resistente a la detonancia-; se mide nueva-mente la intensidad de detonacin y se le dael valor 100. Luego, se ensaya el motor conuna mezcla de estos hidrocarburos paradetectar los puntos intermedios de estaescala; una mezcla de 99% de iso-octano y 1 % de heptano tiene el valor 99; a 98 % deiso-octano y 2 % de heptano corresponde elnmero 98. Por lo tanto, el nmero deoctano del combustible examinado es elnmero de % de iso-octano (de la mezcla iso-octano y heptano) que produzca la mismaintensidad de detonacin con los dos com-bustibles. La mezcla de iso octano y heptanoacta como combustible de referencia.

El nmero de octano de un combustible nosda la capacidad que tiene el combustible deresistir a la detonacin; si es mayor, entoncesel combustible es mejor.

Vale la pena aclarar que el nmero de octanose puede cambiar, mediante el agregado deaditivos qumicos que hacen variar la estruc-tura de la molcula del hidrocarburo.

VVoollaattiilliiddaadd. Es la capacidad que tiene uncuerpo slido o lquido de transformarseen gas o vapor. La volatilidad del com-bustible es una propiedad que tiene granimportancia en el funcionamiento delmotor. Por ejemplo, la evaporacin decombustible permite que ste llegue msdisperso a los cilindros; por lo tanto, mspartculas de combustible pueden reac-cionar con aire, produciendo una mejorcombustin. La evaporacin es funcinde la temperatura del combustible; por

esto, para cada combustible existe unacurva de destilacin que permite conocerel porcentaje de evaporacin al variar latemperatura. El ensayo se realiza colo-cando combustible en un vaso abierto -inicialmente, entonces, a temperaturaatmosfrica-; se hace variar la temperatu-ra y se observa el porcentaje de com-bustible destilado para cada temperatura.

En pocas de temperaturas bajas, convieneutilizar naftas con evaporacin a menor tem-peratura.

CCoonnttaammiinnaacciinn ddeell aaiirree

Se define como contaminante a aquella sus-tancia que produce un efecto perjudicial almedio ambiente y a la salud.

La contaminacin del aire es una cuestinque preocupa a todo el mundo. A pesar delos grandes esfuerzos llevados a cabo por dis-tintos actores involucrados -por ejemplo,organizaciones destinadas a proteger elmedio ambiente-, no se ha logrado una solu-cin total a esta crisis.

Las causas bsicas que provocan contami-nacin se relacionan directamente con lagran cantidad de combustibles que son que-mados y, tambin, con diversas actividades

1188

Conocer las propiedades de los com-bustibles -sabiendo cul es su contenido deazufre o de plomo- resulta importante paracontrolar la contaminacion producida porlos motores de combustion.

industriales.

Los contaminantesproducidos por lacombustin en losmotores, que seidentifican comoperjudiciales parala salud y el bien-estar de los sereshumanos son:

Monxido de carbono

xido de azufre

xidos de nitrgeno

Hidrocarburos

Plomo

Ozono

La eemmiissiinn ddee CCOO en un motor de encendidopor chispa es de 1 a 3 % del volumen de gasde escape (en un motor diesel, la cantidad deCO es de 0,01 a 0,1 % del volumen del gasde escape). De este modo, advertimos que elmotor de encendido a chispa es altamentenocivo para el medio ambiente. La aparicinde CO se debe, principalmente, a la quemaincompleta de combustibles (para el caso delmotor ech).

Para que la combustin sea completa -o,mejor dicho, sea lo menos incompleta posi-ble-, es necesario controlar la cantidad deoxgeno de manera adecuada. Cuando eloxgeno es insuficiente durante el proceso decombustin, se produce mayor cantidad demonxido de carbono (CO).

El CO es un gasincoloro, inodoro,inspido y no irri-tante. Es el conta-minante que msabunda en la capainferior de laatmsfera. Si laexposicin a l esprolongada y, a la vez, en cantidades de con-centracin elevadas, puede llegar a ocasionarla muerte.

El monxido de carbono ingresa en el orga-nismo por los pulmones y, parte del gas, sedirige al torrente sanguneo. La toxicidad delCO se debe a que ste se combina con lahemoglobina, formando carboxihemoglobi-na (COHb), la que no transporta O2.

La afinidad de la hemoglobina por elmonxido de carbono es de 220 veces mayorque por el oxgeno, con lo cual, si tenemoshemoglobina (Hb) en presencia de unamolcula O2 y otra de CO, se forma (COHb)

carboxihemoglobina.

Hb + O2 + CO O2 + COHb

De este modo, la sangre tiene menor capaci-dad de transportar oxgeno porque lasmolculas de hemoglobina (Hb) estn unidasa CO. Por otro lado, disminuye an ms lacantidad de oxgeno que llega a los tejidos,porque la COHb se comporta como inhibidora en la disociacin o separacin dela molcula oxihemoglobina (O2Hb)

disponible.

1199

En nuestro caso, nospreocupa principal-mente la contami-nacin debida a losprocesos de com-bustin y, en particu-lar, los procesos decombustin que sedan en los motores deencendido por chispa -ech-.

Un gran nmero demuertes sucede cadaao debido a lainhalacin de este gasproducido por ventila-ciones inadecuadas,como sucede enhornos y automviles.

Los factores que determinan la toxicidad deCO dependen, principalmente, de la concen-tracin de gas inspirado, del tiempo deexposicin, del volumen respirado por mi-nuto, del gasto cardaco y, tambin, de laconcentracin de hemoglobina en la sangre.Las personas anmicas -con poca cantidadde glbulos rojos o hemoglobina- son mssensibles a la intoxicacin.

Para controlar el oozzoonnoo en la atmsfera serequiere disminuir la cantidad de xido denitrgeno. La principal fuente de este conta-minante es constituida por los productos dela combustin incompleta -que se produceen los motores de los vehculos-, los que sonexpulsados por los escapes; tambin, el usode solventes orgnicos en procesos indus-triales, entre otros.

La contaminacin con ozono afecta princi-palmente al pulmn, ocasionando diferentessntomas, segn su concentracin.

Concentracin de O3 en ppm -partes por mi-

lln-:

0,75 a 1 Irritacin de los pulmones.

0,25 a 0,75 Tos, sequedad de lafaringe, sensacin de presin en el pecho.

0 a 0,25 Sin sntomas.

La concentracin de ozono en las zonasurbanas no es considerada como un alto ries-go para la salud.

Los xxiiddooss ddee aazzuuffrree son gases inodoros; sufuente principal es la quema de com-bustibles. La cantidad de dixido de azufreemitido por el escape de un automvil esprcticamente la misma cantidad que seencuentra en el combustible, debido a queaqul pasa de reactivo a producto casi sinmodificaciones.

Los efectos sobre la salud estn dados, prin-cipalmente, en el pulmn.

Concentracin de SO2 ( g / m):

El aire contiene nitrgeno en un 78 %. Losxxiiddooss ddee nniittrrggeennoo se producen en formanatural y, tambin, por procesos llevadosadelante por el hombre, como es el de lacombustin. El nitrgeno del combustible y

2200

Los primeros auxilios frente a esta situacin,consisten en llevar a la vctima a un medio conaire fresco. Si ya no respira, encargamos aalguna persona que llame al servicio de emer-gencia y comenzamos -sin prdida de tiempo-la operatoria de respiracin artificial.

Ya en manos expertas, el tratamiento consisteen suministrar cantidades adecuadas de O2 alas clulas y apresurar la eliminacin de CO.

2900

2300 }Sntomas respiratorios en indivi-duos sanos.Posible agravamiento en personascon enfermedades pulmonares.

2300600 }

Sntomas respiratorios (tos,irritacin de garganta) en personascon asma

0 } Sin sntomas

el aire forman: NO (xido ntrico) y NO2(dixido de nitrgeno) que son las dos for-mas de xido de nitrgeno.

Los efectos sobre la salud humana dependende la concentracin. El xido ntrico es rela-tivamente inofensivo; en cambio, el dixidode nitrgeno puede causar efectos sobre lasalud -principalmente, daos en el sistemarespiratorio- porque penetra en las zonasms profundas del pulmn.

Los hhiiddrrooccaarrbbuurrooss se encuentran presentesen los gases de escape de los vehculos. Estosucede de dos formas: como hidrocarburosno quemados y como parcialmente oxidadosdebido a la combustin incompleta. Endeterminadas condiciones atmosfricas, pro-ducen reacciones qumicas que forman alde-hdos; stos tienen olor desagradable, irritanlas mucosas y los ojos; adems, son nocivospara las plantas.

Los compuestos de pplloommoo -presentes en elescape de los vehculos- se deben a que loscombustibles contienen aditivos (que seagregan a los combustibles para evitar ladetonancia), como el tetraetilplomo. Estetipo de combustible no es usado en la actua-lidad ya que el plomo es un contaminantetxico para los seres humanos, muy difcil deeliminar del organismo; se acumula en losdistintos rganos y puede daar el sistemanervioso central.

Los efectos en la salud de los nios para unaconcentracin de plomo en sangre (g /100 ml):

MMoottoorr ddee cciicclloo ddee OOttttoo

Organizaremos nuestra exposicin de estemodo:

2211

80 % Dao cerebral grave, retardo men-tal, anemia.

70 % Disminucin del coeficiente inte-lectual.

50 % Reduccin de la produccin dehemoglobina, alteraciones en elaprendizaje.

30 % Sntomas gastrointestinales.20 % Alteracin en la conducta, dficit

en la atencin; alteraciones elec-trofisiolgicas en el sistemanervioso central.

15 % Interferencia en el metabolismo dela vitamina D.

10 % Bajo peso al nacer (en exposicinprenatal), retardo en el crecimien-to.

Ciclo real

Ciclos en los motorestrmicos

Termodinmica

Leyes fsicas de losgases

Motor de ciclode Otto

Ciclo Otto ideal

LLeeyyeess ffssiiccaass ddee llooss ggaasseess

Los gases tienen comportamientos parecidos,al variar las condiciones (parmetros) a lasque se encuentran sometidos.

Si se tiene una masa gaseosa constante atemperatura constante y se vara la presin,se observa que el volumen ocupado por elgas se modifica.

A temperatura y masa constantes, el produc-to del volumen por la presin que soporta elgas se mantiene constante (Ley de Boyle yMariotte):

p1.V1 = p2.V2 = p3.V3 = - - - - = CONSTANTE

Las leyes de Charles Gay-Lussac muestran elcomportamiento de un gas, cuando semantiene la presin constante o el volumenconstante. Para los dos casos, la masa gaseosase mantiene constante.

A presin constante, el volumen y la tempe-ratura absoluta son proporcionales (PrimeraLey):

A volumen constante, la presin y la tempe-ratura absoluta mantienen una relacin pro-porcional (Segunda Ley):

Integrando estas tres leyes, se formula la Leygeneral de los gases ideales:

Si se mantiene la masa constante:

Si el gas se encuentra en condiciones nor-males de temperatura y presin:T =273K, P = 1 atmsfera y V = 22,4 dm3.

Donde:- R es la constante universal de los gases.

Si se considera para n moles, la ecuacin deun gas ideal se expresa como:

P . V = n . R . T

Donde:

- R es 0.082

- n es el nmero de moles.- T es la temperatura.- V es el volumen.- P es la presin.

2222

V1 V2 V3T1 T2 T3

= = = - - - - - - = CONSTANTE

P1 P2 P3T1 T2 T3

= = = - - - - - - - = CONSTANTE

p1.V1 p2.V2 p3.V3T1 T2 T3

= = = - - - -= CONSTANTE

pV

T R =

atm.dm3

K.mol

1 atm . 22,4 dm3 mol-1

273 KR =

0,082 atm.dm3

K molR =

TTeerrmmooddiinnmmiiccaa

Calor es la energa trmica en transicin atravs de las superficies, que limita un cuer-po o sistema.

Se mide en Joule o en kcal (1 kcal = 4186,8 Joule).

La Primera ley de la termodinmica se obtuvoexperimentalmente: El calor es transformableen trabajo y viceversa. Para pasar de una aotra energa hay una relacin constante.

La Segunda ley de la termodinmica, aplicada alos motores de combustin interna, estableceque el fluido (combustible), absorbe unadeterminada cantidad de calor Q1 de un foco

trmico que se encuentra a temperatura T1.

Luego, realiza trabajo W y cede calor Q2 a

otro foco trmico que est a una temperaturamenor T2.

Esta mquina trabaja en forma cclica. Endistintos momentos del ciclo, absorbe o cedecalor y produce trabajo: Obtiene trabajo apartir del calor.

Aunque el rendimiento de las mquinas tr-micas ha ido aumentando a travs de lostiempos, es completamente imposible con-seguir que una mquina trmica alcance el100 % de rendimiento; es decir, que no cedacalor a un foco que est a menor temperatu-

ra. (La expresin general de este hecho cons-tituye la Segunda ley de la termodinmica).

Dicho de otro modo, estas dos formas deenerga -trmica y mecnica- no pueden sercreadas ni destruidas; lo que ocurre es que setransforma una a otra.

Cmo se vinculan las leyes con nuestroprobador de inyectores? En el proceso decombustin que se realiza dentro del cilin-dro, el combustible quemado genera calor yel fluido se expande; de este modo, la energase convierte en trabajo mecnico. Paraanalizar los diferentes estados de este proce-so, se utilizan distintos parmetros: la pre-sin, el volumen, la temperatura, la energainterna, la entropa y la entalpa.

Recordemos estos conceptos:

EEnneerrggaa ppootteenncciiaall -nos referiremos, en estecaso, a la "energa potencial qumica" del flui-do- es aquella que se encuentra almacenadaen enlaces qumicos. Otro tipo de energapotencial es aquella energa que se debe a la

2233

FOCOCALIENTE

T1

MOTORTRMICO

FOCOFRO

T2

Q1 Q2

W

posicin del fluido; para motores endotrmi-cos, sta se considera despreciable

EEnneerrggaa cciinnttiiccaa es la energa que tiene el flui-do; se debe a la velocidad que posee.

Donde:- m es la masa de fluido.- v es la velocidad.

TTrraabbaajjoo mmeeccnniiccoo. Al expandirse, el fluidoaplica una fuerza sobre la cabeza del pistn,desplazndolo en sentido longitudinal.

W = F .dx

Trabajo = Fuerza . Desplazamiento

El mdulo de la fuerza es igual a la presinpor el rea del cilindro: F = p. rea

El volumen es igual al rea por la longitud:Vol = rea . x

W = p.A.dx

W = p.dv

Se puede simplificar, diciendo que el trabajoes: W = presin . volumen

La eenneerrggaa iinntteerrnnaa -U- es la energa debida alas molculas del fluido; est asociada con sutemperatura:

U = cv .T

Donde:- T es la temperatura del fluido.- cv es el calor especfico.

La eennttaallppaa -h- se define como h = U + p . V

Si se plantea la ecuacin de conservacin dela energa para el sistema pistn, definiendoque el pistn se mueve entre el punto 1 y elpunto 2:

Donde:- Q es el calor (energa trmica).- W es el trabajo o energa mecnica que esrealizado para mover el pistn desde el punto2 al 1.

La energa potencial es despreciable enambos casos, por lo que en su expresinmatemtica se hace igual a cero.

La energa cintica mv2 es cero, porque lavelocidad del fluido es cero en los puntos deanlisis. Por lo tanto:

El calor es igual a la suma del trabajo realiza-do ms la variacin de energa interna. Estaecuacin es la representacin del primerprincipio de la termodinmica, donde U1 y

2244

x2

x1

vol2

vol1

h1 + mv + Q + Ep1 = h2 + mv + W + Ep212

12

2

1

2

2

U1+pV1+ mv +Q+Ep1= U2+pV2+ mv +W+Ep212

12

2

12

2

12

U1 + pV1 + mv + Q = U2 + pV2 + mv + W + Ep212

12

2

12

2

Q = W + (U2 - U1)

12

Ec = m . v2

x2

x1

U2 son la energa interna en los estados 1 y 2,

respectivamente.

El ddiiaaggrraammaa pprreessiinn--vvoolluummeenn -P-V- se utilizapara calcular el trabajo mecnico realizadopor el pistn.

El trabajo, como fue deducido antes, es:

W = fuerza . desplazamiento

Y, como el mdulo de la fuerza es igual a lapresin por el rea, entonces:

W = pAdx

W = pdV

Por lo tanto, el rea encerrada en el diagramaP-V, es el trabajo realizado por el pistn parair de 1 a 2.

Tambin resulta de utilidad el ddiiaaggrraammaa ddeetteemmppeerraattuurraa--eennttrrooppaa -T-S-. La entropa Sest relacionada con el segundo principio dela termodinmica. Si nos detenemos en elcaso especial del gas ideal, es fcil demostrar

que existe la funcin de estado S que estrelacionada con el calor absorbido por el sis-tema y con la temperatura a la que el calor esabsorbido.

Para obtener la cantidad de calor Q inter-cambiada, no son necesarios los valoresabsolutos de S, sino slo la variacin de S.

Q = T.ds

Es el calor intercambiado entre el fluido y elexterior

La cantidad de energa trmica necesaria paraelevar la temperatura de un objeto (fluido) enun grado centgrado, se denomina ccaappaacciiddaaddccaalloorrffiiccaa C del objeto (fluido). La capacidadcalorfica de un objeto es proporcional a sumasa.

La capacidad calorfica absorbida por la masaes el ccaalloorr eessppeeccffiiccoo c.

2255

2

12

1

dS = dQT

S2

S1

calor especfico (c) = capacidad calorfica masa

calor especfico (c) = Cm

Se ha determinado y tabulado el calor espec-fico y la capacidad calorfica de muchas sus-tancias.

La energa trmica Q que interviene en unavariacin de temperatura T de un sistemade masa m es:

Q = C.(T2 - T1)

Q = m.c.(T2 - T1)

Siendo: [c] = o [c] =

El calor necesario para elevar la temperaturade un fluido a presin constante cp no es, engeneral, el mismo que el calor a volumenconstante cv.

Se define:

K =

K =

Utilizamos esta relacin K para el clculo delrendimiento, en el motor de combustininterna.

El calor especfico de los gases vara muchocon la temperatura. A mayor temperatura, elfluido tiene mayor capacidad calorfica.

En los motores endotrmicos, los procesosms importantes son:

iissooccrriiccooss (a volumen constante), iissoottrrmmiiccooss (a temperatura constante), iissoobbrriiccooss (a presin constante), aaddiiaabbttiiccooss (a entropa constante).

PPRROOCCEESSOO AA VVOOLLUUMMEENN CCOONNSSTTAANNTTEE((IISSOOCCRRIICCOO))

En un proceso isocrico -a volumen cons-tante- no se efecta trabajo, ya que siendo

W = pV y V = 0 W = 0

Todo el calor que se incorpora permite incre-mentar la energa interna y, por lo tanto, latemperatura del gas.

Q = U2 - U1 + W

El calor especfico a volumen constante estdefinido por:

Q = cv (T2 - T1)

Como el trabajo a volumen constante es iguala cero (W = 0), las ecuaciones quedan:

Si Q = U2 - U1 + W y W = 0 Q = U1 - U2

y Q = cv (T2 - T1)

2266

J

kg K

calor especfico a presin constantecalor especfico a volumen constante

cpcv

Se denomina pprroocceessoo a toda transforma-cin de un sistema, desde un estado de equilibrioa otro, Tambin, al cambio de estado de una sus-tancia (fluido) o sistema desde unas condicionesiniciales (estado inicial) hasta unas condicionesfinales (estado final), proceso que se realiza poruna trayectoria definida.

kcal

kg C

Para un kilogramo de fluido:

Q = c.(T2 - T1)

Donde:- Q es el calor aportado por la variacin deenerga interna.

Esta variacin se puede ver en el diagrama T-S:

De la ley general de los gases ideales:

y como V = constante, entonces V1 = V2.

Por lo tanto:

PPRROOCCEESSOO AA TTEEMMPPEERRAATTUURRAACCOONNSSTTAANNTTEE ((IISSOOTTRRMMIICCOO))

En un proceso isotrmico, laenerga interna del gas idealpermanece constante:

U = 0 ya que la temperaturaes constante.

Segn la Primera Ley de la Termodinmica:

Q = U + W

Siendo: U = 0 Q = W

Esta expresin matemticaindica que, para un gas ideal,un proceso isotrmico es talque la energa calorfica setransforma en energa mecni-ca.

De la ecuacin de los gasesideales:

p . V = n.R.T y, adems:

W = p.dV

W = n dV

W = n.R.T.1n

2277

p1.V1T1

p2.V2T2

=

p1T1

p2T2

=

V2

V1

V2

V1

RTV

V2V1

PPRROOCCEESSOO AA PPRREESSIINN CCOONNSSTTAANNTTEE((IISSOOBBRRIICCOO))

En un proceso isobrico -a presin cons-tante-, el calor agregado al gas pasa a laenerga interna, que se incrementa y permiterealizar un trabajo.

Q = U2 - U1 + W

Q = U2 - U1 + p2.V2 - p1.V1

Q = U2 - U1 + p.(V2 - V1)

Como el calor especfico es, a presin cons-tante:

Q = cp.(T2 - T1)

Q = U2 - U1 + p.(V2 - V1)

Q = cp.(T2 - T1)

En el grfico P-V, el trabajo W es el rea bajola curva.

En el grafico T-S, el calor Q es el rea bajo lacurva.

De la ecuacin general de los gases ideales:

y, como p1 = p2 , se deduce:

PPRROOCCEESSOO AA EENNTTRROOPPAA CCOONNSSTTAANNTTEE((AADDIIAABBTTIICCOO))

Al realizarse a entropa constante, el procesose efecta sin transferencia de calor. Esto seve, porque el rea encerrada en el grfico T- S es cero, lo que significa que Q = 0.

De la ecuacin de la Primera Ley:

Q = 0

Q = U2 - U1 + W

La energa interna U = cv. T; por lo tanto

U2 - U1 = cv .(T2 - T1)

como

W = -U = -(U2 - U1) = cv.(T2 - T1)

Reemplazando en la ecuacin

2288

p1.V1T1

=p2.V2

T2

V1T1

=V2T2

de la Primera Ley de la termodinmica:

0 = cv .(T2 - T1) + p .(V2 - V1)

0 = cv .T + p.V

Expresando las variaciones como diferen-ciales, se puede integrar:

0 = cv .dT + p .dV

A partir de la ecuacin de los gases: p.V = R .T, para n = 1 mol

0 = cv .dT + dV

derivando ambos miembros (p.V) = (n.R.T):

p .dv + V .dp = n .R .dT

De la ecuacin (1) se sabe que dT = - .dV

p .dv + V .dp = n .R . - dV

Lo que es lo mismo:

cv .p .dV + cv .V .dP = -n .R. p .dV

Reagrupando:

(cv + n .R )p .dV + cv .V .dp = 0

cp .p .dV + cv .V .dp = 0

Dividiendo cv .V .p:

.dV + .dp = 0

Integrando:

K .1n V + 1n p = constante

siendo K =

Por propiedad de logaritmos:

1n VK + 1n p = constante

1n p.VK = constante

p.VK = constante

Esta ecuacin relaciona p con V para unaexpansin adiabtica. La ecuacin tambin esaplicable para la compresin adiabtica. Deeste modo, queda caracterizado el trabajorealizado en la expansin y en la compren-sin del pistn.

Por lo tanto: p1 .V1K = p2 V2K

De otro modo = .

2299

RTV

pcv

pcv

cv Vcp 1

p1

P1

p2 V1V2K

(1)

cvcp

3300

Por otro lado, tenemos la ecuacin del gasideal:

Agrupando las dos ecuaciones:

El cciicclloo tteerrmmooddiinnmmiiccoo es un conjunto deprocesos que, de forma secuencial, retornana la sustancia de trabajo (fluido) a sus condi-ciones iniciales. El sistema realiza una trayec-toria cerrada -pasa de un estado inicial aotros estados para, finalmente, regresar alestado inicial-.

El ciclo termodinmico se puede representaren el diagrama P-V:

En el diagrama T-S, el reaencerrada por el ciclo, repre-senta la cantidad de calor Q.

Para motores endotrmicos,el rea del ciclo en el diagra-ma P-V representa el trabajorealizado por el fluido.

Recordemos que el motortrmico es un dispositivo

que, a partir de calor Q (energa trmica),produce trabajo W (energa mecnica). Elciclo trmico se realiza entre dos focos queestn a temperaturas diferentes. El motorabsorbe calor Q1 del foco que se encuentraa temperatura T1; parte de este calor es trans-formada en el trabajo (W) mecnico y el calor

p1.V1T1

=p2.V2

T2

T2T1

=p2V2p1V1

T2T1

= .

T2T1

=

KV1V2 V2V1 K -1V1V2

sobrante Q2 es cedido al foco que se encuen-tra a menor temperatura.

La cantidad de calor que se transforma entrabajo es: W = Q1 - Q2

Se define como rreennddiimmiieennttoo eenn uunn mmoottoorrttrrmmiiccoo a la relacin que existe entre el tra-bajo realizado y el calor absorbido Q1.

El cciicclloo ddee CCaarrnnoott es un proceso cclicoreversible, en el cual el fluido de trabajo esun gas ideal; est constituido por dos trans-formaciones isotrmicas y dos transforma-ciones adiabticas.

En el diagrama siguiente se muestra el ciclode Carnot representado por el movimientode un pistn:

El ciclo de Carnot representado en los dia-gramas P-V y T-S:

Tramo 1-2: Expansin isotrmica a tem-peratura T1.

Tramo 2-3: Expansin adiabticaTramo 3-4: Compresin isotrmica a tem-

peratura T2Tramo 4-1: Compresin adiabtica

El ciclo de Carnot, en la prctica, no es reali-zable.

Expresamos el rendimiento en funcin de lastemperaturas T1 y T2.

3311

W

Q1 =

Q1 - Q2Q1

=

W

Q = = 1 -

T2T1

CCiiccllooss eenn llooss mmoottoorreess ttrrmmiiccooss

Los ciclos en los motores trmicos alterna-tivos se dividen, bsicamente, en dos tipos:

CCiiccllooss tteerriiccooss:

- CCiicclloo iiddeeaall. Se considera que el fluidode trabajo est formado por aire, gasperfecto para el cual los calores espec-ficos son constantes. Para el aire a 15 Cy a una presin de una atmsfera, cp = 1 kJ/kg.K. Cv = 0,72 kJ / kg K;entonces, el rendimiento trmico y eltrabajo til calculados son mximos,comparados con los otros ciclos.

- CCiicclloo aaiirree--ccoommbbuussttiibbllee. En l, lamquina es ideal y el fluido es real. Es elms cercano al ciclo real. El uso de unfluido real trae aparejada la dificultad deobtener las leyes de comportamiento delos gases reales; para salvarla, se utilizantablas de datos obtenidos experimental-mente. Por otra parte, no se puedendespreciar los efectos de la variacin delos calores especficos ni la disociacin

de algunos gases de la mezcla, debidosa la alta temperatura que alcanzan losproductos de la combustin.

CCiicclloo rreeaall. Se considera que la mquinaes real y que el fluido es real. El ciclo sedetermina experimentalmente y difieredel ideal por tener asociadas prdidas decalor -debido a que hay transmisin decalor por las paredes del cilindro-, fugade gases a travs de vlvulas y aros delpistn, falta de instantaneidad en el pro-ceso de combustin, combustin incom-pleta -debido al equilibrio qumico-,mezcla de gases que no es perfecta, varia-ciones en la relacin aire-combustible,distinto tiempo de encendido de la mez-cla, la vlvula de escape que se abre antesde terminar la expansin. Por estascausas, el rendimiento del motor esmenor.

El objetivo principal de los motores trmicoses transformar la energa potencial del com-bustible en trabajo mecnico.

3322

PPrroocceessoo CCaalloorr TTrraabbaajjoo VVaarriiaacciinn ddee llaaeenneerrggaa iinntteerrnnaaIsocrico

(V = constante)Q = cv (T2 - T1) W = 0 U = cv .(T2 - T1)

Isotrmico(T = constante) Q = W W = n.R.T. ln . U = 0

Isobrico(P = constante)

Q = cp (T2 - T1) W = p .(V2 - V1) U = Q -W

Adiabtico(S = constante) Q = 0 W = U

U = cv .(T1 - T2)

V2V1

MMoottoorreess eennddooddrrmmiiccoossRReessuummeenn ddee ssuuss pprroocceessooss mmss iimmppoorrttaanntteess

Por la SSeegguunnddaa LLeeyy ddee llaa TTeerrmmooddiinnmmiiccaasabemos que no se puede convertir todo elcalor aportado en trabajo mecnico; por lotanto, definimos el rendimiento en el motor.

Donde:- Q1 es el calor entregado al fluido.

- Q2 es el calor que permanece en el sistema

(calor sobrante en el fluido luego de realiza-do el trabajo).

El fluido es expulsado por el escape. Debidoal segundo principio, Q2 no puede ser nulo;

por lo tanto, el rendimiento es siempremenor a la unidad.

CCiicclloo OOttttoo iiddeeaall

El motor completa un ciclo en cuatro reco-rridos del pistn; por este motivo, se lodenomina motor de combustin interna decuatro tiempos. Y, como la mezcla de aire-combustible se enciende mediante unachispa, se lo suele llamar, tambin, motor deencendido por chispa -ech-.

En los distintos recorridos del pistn (ca-rrera), se realizan procesos que vamos ainterpretar a travs del diagrama de presinen funcin del volumen (p-V) y del diagra-ma de temperatura en funcin de la entropa (T-S).

El recorrido del pistn est acotado o limita-do a dos puntos extremos:

3333

trabajo til o calor utilizadocalor entregado al sistema

=

Q1 - Q2Q1

=

punto muerto superior -PMS, asociadocon el mnimo volumen en la cavidad delcilindro (mayor distancia del pistnrespecto del cigeal)-,

punto muerto inferior -PMI, asociadocon el mximo volumen que encierra elcilindro (menor distancia del pistnrespecto del cigeal)-.

Reconstruyamos las fases:

FFaassee ddee ccoommpprreennssiinn ((11--22)). En el diagra-ma P-V se ve graficado el trabajo realiza-do por el pistn, para comprimir el flui-do (compresin adiabtica).

FFaassee ddee eexxpplloossiinn ((22--33)). En el diagramaT- S se ve el calor aportado Q1 por la

combustin. El diagrama P- V muestra lapresin a volumen constante.

FFaassee ddee eexxppaannssiinn ((33--44)). El aumento depresin desplaza el pistn desde PMS aPMI. W1 es el trabajo realizado durante la

expansin

FFaassee ddee ddeessccaarrggaa ddee ggaass ddee eessccaappee ((44--11))1.Eliminacin de calor Q2 que no se puede

aprovechar. Aqu se extrae el gas quema-do resultante de la combustin, a volu-men constante, y el calor extrado Q2,

mostrado por el grfico T- S. En el dia-grama P-V, se observa que la presin dis-minuye del punto 4 al 1.

W1 - W2 es igual al trabajo til producido

por el ciclo.

Q1 - Q2 es la cantidad de calor utilizada, es

decir la cantidad de calor que se transform

en trabajo mecnico.

El clculo del rendimiento para el motor deciclo de Otto:

Por otro lado, para un gas ideal:

3344

1 Los pasos 4-5-6-1 se representan con el paso 4-1(elimina

calor a volumen constante).

calor entregado al sistema =

Q1 - Q2Q1

calor ingresado al sistema calor extraido del sistema

=cv (T3 - T2) - cv(T4 - T1)

cv (T3 - T2)

= 1-T4 - T1T3 - T2

T2T1

=V1

K - 1

V2

=

donde K =

y como

V1 = V4 y V2 = V3

Donde:

- rc es la relacin de compresin. Al aumen-tar rc se tiene mayor eficiencia del motor.

CCiicclloo rreeaall

El ciclo terico que acabamos de describir notiene en cuenta las condiciones reales de fun-cionamiento del motor, las que modifican losdiagramas o curvas termodinmicas.

La figura siguiente muestra el ciclo de Ottoreal y terico, superpuestos, para poder ser

comparados..Las variaciones entre el ciclo real y el tericoestn dadas por los siguientes factores:

PPrrddiiddaa ddee ccaalloorr. En el ciclo terico no setienen en cuenta y, por lo tanto, se modi-fica la curva. Debido a esto, se observauna prdida de trabajo til en la zona 1.

VVllvvuullaass ddee eessccaappee. En el ciclo terico sesupone que la apertura de la vlvula parala extraccin de gases quemados, esinstantnea en el PMI; pero, en realidad,se abre antes de llegar a este punto paradar tiempo a los gases quemados a salir;si la vlvula se abre en PMI, la prdida es

3355

=T3T4

= 1-T1 - 1

T4T1

T2 - 1

T3T2

= 1- 1T2T1

= 1- 1

K -1

= 1- rc1 -K

cp

cv

T3T4

=V4

K - 1

V3

T2T1

V2V1

mayor; por lo que se opta por abrir antesde PMI.

LLaa ccoommbbuussttiinn nnoo eess iinnssttaannttnneeaa. En elciclo terico suponemos que es instan-tnea y que se produce en PMS (a volu-men constante). Pero, como la com-bustin no es instantnea, encendemos lamezcla antes de que el pistn llegue aPMS. Se realiza de esta manera porque asse reduce la prdida de trabajo til.

CCaalloorr eessppeeccffiiccoo ddeell fflluuiiddoo. En el cicloterico no se tiene en cuenta que el calorespecfico vara con la temperatura. Porlo tanto, cp y cv varan, con lo cual K semodifica y, por ende, el rendimiento delmotor disminuye.

DDiissoocciiaacciinn ddee pprroodduuccttooss ddee llaa ccoomm--bbuussttiinn. Los productos de la combustinson CO2 y H2O; stos se disocian en CO,

H2 y O2, reaccin que produce absorcin

de calor, con lo cual genera prdida detrabajo til asociado. En la consideracinterica, esta disociacin no es tenida encuenta.

Tambin existen diferencias en el ciclo teri-co debido a que, en la carrera de admisin, lapresin en la cmara de combustin (interiordel cilindro) es inferior a la atmosfrica. En lacarrera de escape, la presin es un pocomayor que la ideal (atmosfrica); entonces, elrea encerrada entre escape y admisin re-presenta un trabajo perdido.

En importante estudiar, finalmente, el ddiiaa--ggrraammaa ddee pprreessiinn que se desarrolla dentro delpistn, en funcin del ngulo del eje. Para elcaso de un motor de cuatro tiempos, el dia-grama de presiones se grafica durante las

cuatro fases del ciclo: admisin, compresin,expansin y escape.

1. AAddmmiissiinn. El pistn se desplaza desdePMS a PMI. Antes de producirse laadmisin de la mezcla, se produjo elescape; debido a ste, se observa inicial-mente una pequea presin levementesuperior a la atmosfrica graficada con lacurva 1-2. En el punto 2 se observa unaleve disminucin de la presin, porque seest aspirando la mezcla, la que dependede la velocidad con que sta ingrese. En elpunto 3 (PMI) el pistn comienza adesplazarse hacia PMS; pero, an hay unapequea depresin debida a que sigueingresando mezcla. Cuando el pistn llegaal punto 4, existe igualdad entre la presininterna y la presin externa -la de fuera delcilindro, la atmosfrica-, ya que, en estepunto, se cierra en la vlvula de admisin.Aqu se inicia la fase de compresin.

2. CCoommpprreessiinn. Continuando el desplaza-miento del pistn hacia PMS, comienza aelevarse rpidamente la presin dentro delcilindro. Antes de llegar a PMS (punto 5),se produce el encendido de la mezcla, deforma tal que se logre el mejor resultado -es decir, la mxima presin en el pistn-.

3. EExxppaannssiinn. Con la combustin se producela mxima presin, mientras el pistn estdesplazado de PMS a PMI. Su valor mxi-mo se da en el punto 7. Antes de llegar aPMI termina la combustin, debido a laapertura de la vlvula de escape (punto 8).A partir de aqu, disminuye rpidamentela presin.

4. EEssccaappee. Al abrir la vlvula de escape, en un

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momento en el que an hay presin supe-rior a la atmosfrica, los gases se expulsanrpidamente fuera del pistn. La presinen este tramo es ligeramente superior a la

atmosfrica. En PMS, la presin coincidecon el punto inicial de nuestro anlisis(punto 1); en el punto 2 se cierra nueva-mente la vlvula de escape.

EEll ccaarrbbuurraaddoorr ccoommoo aanntteecceeddeenntteeddeell ssiisstteemmaa ddee iinnyyeecccciinn

El carburador es el encargado de mezclar elcombustible con el aire.

Durante el re