CAPITULO XIX

Motores diesel

1. Introducción 2. Definición de términosEl motor diesel cumplirá en 1992 un siglo desde que A continuación , se explican algunos de los términos másfue patentado por Rudolf Diesel . Su utilización en el frecuentemente utilizados en el estudio de los motorescampo de la minería a cielo abierto tuvo unos comien- térmicos:zos lentos y difíciles , no siendo hasta los años treintacuando se aplicó a un volquete minero . En la década de - Trabajo mecánico , es el producto de una fuerzalos cuarenta apareció la primera generación de car- por la distancia durante la cual actúa dicha fue rza.gadoras frontales sobre orugas que los montaba,mientras que los cincuenta y los sesenta supusieron la La unidad de trabajo es el julio:aparición respectiva en las retroexcavadoras y lasfrontales hidráulicas . 1 julio (J) = 1 Newton x metro (N.m)

Los motores diesel constituyen el sistema de - Potencia , es el trabajo realizado en la unidad deaccionamiento de la mayoría de los equipos utilizados tiempo.en la minería a cielo abie rto . En ocasiones . cuando lainfraestructura del área o las dimensiones y movilidad de La unidad de potencia es el vatio:los equipos dificultan el uso de energía eléctrica, seutiliza una combinación diesel-eléctrica , cuya fuente de 1 vatio (W) = 1 julio/segundo (J/s)accionamiento pri maria es diesel.

Presión media efectiva, (PME), es la presión mediaLa Tabla 1 refleja los equipos mineros estándar utilizados en el cilindro durante un ciclo completo.en una explotación a cielo abierto , y los sistemas deaccionamiento posibles . Se puede calcular a partir del diagrama ter-

modinámico , Fig. 1, y es la altura de un rectángulohipotético de base "a" y superficie S.

TABLA 1 pSistemas de accionamiento estándar

EQUIPO DIESEL ELÉCTRDIESEL

CO ELÉCTRICOS

Perforadoras X X XTractores X - Í -Palas de ruedas X X -Excavadoras X X X oRotopalas - - X VMototrafllas X - -Volquetes X X - Figura 1

Cintas transportadoras - - X- Presión media efectiva al freno, ( PMEF), es la

fracción de PME disponible en el volante de unmotor, una vez deducidas las pérdidas por roza-

Los motores de gasolina raramente se aplican en mientos internos.equipos de minería, quedando su uso reservadoa algunos vehículos ligeros , especialmente de - Potencia indicada en un motor monocilíndricoservicios . ( Pi), se calcula a partir de la PME, la superficie del

pistón "S" y su carrera "I", como sigue:La mayor ventaja que ha aportado la utilización delmotor diesel es el aumento de la movilidad de los Fuerza en el pistón:equipos. No obstante , su crecimiento ha sufrido diversos F = PME (Pa) x S (m) = PME x S (N)altibajos de rivados de la crisis del petróleo en la décadade los setenta y sus repercusiones sobre el precio de Trabajo por ciclo:los combustibles . Este hecho ha llegado a afectar T = F (N) x 1 (m) = PME x S x 1 (J)incluso a la utilización exclusiva del -diesel en losvolquetes , donde el desarrollo y aplicación de la alimen- Potencia indicada:tación eléctri ca vía trole en los accionamientos diesel- Pi = PME x S x 1 x N (W)eléctricos , ha permitido disminuir el consumo de gasó-leo. Siendo "N" el número de ciclos por segundo.

475

Como consecuencia: Definición de características

2 1.224 x Potencia régimen (kW) - Admisión de combustible. En el motor diesel el cicloPME (kg/cm) =Cilindrada (1) x RPM de compresión se realiza sólo con aire, elevándose la

temperatura del mismo. El combustible necesario se- Potencia al freno, se define como la potencia dis- dosifica, presuriza y conduce a los inyectores donde se

ponible en el volante para realizar un trabajo útil. Se pulveriza en el interior del cilindro, mezclándose con elobtiene por medio de un dinamómetro. aire, e inflamándose como consecuencia de las eleva-

das temperaturas existentes.- Par motor, es la fuerza de giro que produce el - Relación de compresión . Es la existente entre el

motor. volumen de aire en el cilindro con el pistón en elpunto muerto inferior (P.M.I.), y el volumen de aire

La relación del par y la potencia viene expresada por la cuando se halla en el punto muerto superiorfórmula: (P.M.S.), Fig. 2.

P (kW) =Par (N.m) x RPM

V, + VZ9.552 R = VT =- Eficiencia mecánica, es la relación entre la poten- V, v,

cia al freno y la indicada.- Eficiencia volumétrica , es la relación del volumen

de aire que entra en el cilindro y el desplazado por - áel pistón. ó ., ó

En los motores de 4 tiempos y aspiración natural es del worden del 85% y en los sobrealimentados , aproximada-mente,

m Q =del 130%. 3 «

3. Características generales

3.1.Características del motor diesel ; QEl motor diesel se define como aquella máquina decombustión interna capaz de transformar el calorproducido como consecuencia de la ignición de uncombustible , gasóleo , en trabajo mecánico de rotación.El proceso consiste en introducir aire en un cilindro, P.M.S. P. M. 1.donde mediante un pistón se comprime incre- Figura 2.- Volúmenes caracteristicos en un cilindro.mentándose , como consecuencia , la temperatura hastalas proximidades de los 500°C. En este momento seinyecta el combustible produciéndose instantáneamente - Encendido . Como consecuencia de las elevadasla ignición y expansión de la mezcla. relaciones de compresión utilizadas, entre 15 y 24:1,

se alcanzan presiones del orden de 3.800 kPa yLa Tabla II refleja las características más . destacables elevadas temperaturas, suficientes para producir ladel motor diesel. ignición del combustible inyectado en el momento

TABLA IIoportuno.

Características del motor diesel - Par motor. Es la fuerza de giro existente en elcigüeñal del motor, y su valor es el producto de lafuerza actuante por la distancia al eje de giro. Suunidad es el newton-metro, N.m. (1 kg.m = 9,807

RelaciónAdmisión dee compresión

combustibleVariableVriadel

entreinyector

15-24:1 N.m.) . Los motores diesel se caracterizan porEncendido Por temperatura del aire mantener unos adecuados valores de par motor,

comprimido esto es, fuerza de tracción , a lo largo de la gamaPar motor Poco variable dentro de la gam de giro del motor.de r.p .m. del motorRendimiento térmico 35-40% - Rendimiento térmico. La energía química contenidaToxicidad de los gases Inofensivo , CO muy reducidoConstrucción Robusto y voluminoso en el combustible se transforma en calorífica en elVelocidad de rotación Moderada < 2.500 r.p.m. interior del cilindro . Las pérdidas en la transfor-Presión máx. de compresión Variable, 3-4 MPa oración son del 25-30% en el sistema de refrigera-Temperatura máxima de ción , igual valor en los gases de escape , y cercacompresión Ga ,Combustibl e Gasóleo (N.. cetano > 45) del 10% en contrarrestar fuerzas de rozamiento

interno , con un balance final de un 35% disponiblepara desarrollar trabajo efectivo.

476

Toxicidad de los gases. Las elevadas relaciones Teóricamente, la presión alcanzada se rige por lade compresión que se alcanzan en el interior del fórmula:cilindro suponen unas condiciones de combustión enlas que ésta se completa en buena medida, produ- kciéndose, como consecuencia, fundamentalmente P, = P. . rCO, que es un gas no tóxico.

donde:La calidad de los gases de escape de un motordiesel les hace irremplazables en trabajos sub- P. y P, = Presiones en el cilindro, antes deterráneos. La Tabla III es un ejemplo de los gases comenzar el ciclo de compresión, y alproducidos como consecuencia del proceso de final, respectivamente.combustión.

r = Relación de compresiónk = Constante característica del aire.

TABLA 111Temperatura máxima de compresión . Durante elCalidad de los gases de escape ciclo de compresión las moléculas del aire intro-

de un motor diesel ducido en el cilindro aumentan su velocidad, produ-ciéndose como consecuencia el incremento de latemperatura del aire hasta alcanzar la denominada

Potencia: 155 kW a 2.100 r.p.m. temperatura de compresión. Esta temperatura noConsumo gasóleo: 60 I/h. (S = 0,2%) tiene relación con la que se alcanza cuando seConsumo de aire: 1.650 kg/h produce el proceso de combustión.

La temperatura de compresión del aire en el interiorGases de escape Peso (kg/h) % del cilindro depende de:

CO, 157,8 9,3 • La temperatura del aire cuando entra en elcilindro.

NZ 1.266,7 74,5 • La relación de compresión utilizada, y0, 212,2 12,5

• La constante característica del aire.H20 62,6 3,7CO 0,3 0,02 La expresión teórica de su valor corresponde a la

fórmula:NO 1,1 0,06 k-1NO1,1,7 0,1 T, = T, . r

HO 0,1 0,006donde:

SO2 0,2 0,012T, y T. = Temperaturas absolutas final e inicial

respectivamente.r = Relación de compresión.

- Calidad de construcción. Las condiciones imperan- k = Constante característica del aire.tes en el cilindro, en cuanto a elevadas presiones ycaracterísticas del ciclo de combustión y expansióntípicas del motor diesel, requieren un apropiado Los valores teóricos de presión y temperatura dediseño y robustez en elementos como bloque, compresión se ven afectados por la velocidad decigüeñal, cojinetes, pistones, bielas, etc. La calidad giro del motor, altitud, relación presión-volumen ymetalúrgica alcanzada con los materiales actuales climatología. En la práctica, los valores son bastantehace que la robustez de un motor diesel no sea menores por solape de válvulas, por fallos de cierre,sinónimo de máquinas de gran peso. por desgaste de cilindros y por pérdidas de tempe-

- Velocidad de rotación . Existen motores diesel con ratura debidas al sistema de refrigeración.velocidades desde 90 a 6.000 r.p.m., aunque losaplicados en maquinaria de minería tienen regíme- - Combustible . El combustible diesel es un productones de giro inferiores a 2.500, con objeto de alcan- de la destilación del petróleo, y cuyas propiedadeszar una mayor longevidad mecánica. dependen de forma importante del tipo de crudo

original y del proceso de refinado utilizado.- Presión máxima de compresión . La presiónmáxima que alcanza el aire en el cilindro, durante Las especificaciones del combustible son estableci-el ciclo de compresión, depende de las revoluciones das por los fabricantes de motores. de acuerdodel motor, desgaste de las paredes del cilindro, de con una serie de propiedades cuya gama de valo-los aros de los pistones, estado de las válvulas, etc.

• Indice cetano : 40 - 60 • Residuo carbonoso: < 0,5%

• Temperatura autoencendido . = 280°C • Cenizas y agua: nulos

• Poder calorífico superior: 42-44 MJ/kg • Azufre: < 0,5%

• Punto de inflamación: > 65°C Las especificaciones actuales del gasóleo B se• Peso específico : 830 - 860 g/I recogen en la Tabla W.

TABLA IV

Especificaciones del gasóleo de automoción

LIMITES DE ESPECIFICACION

CARACTERISTICAS UNIDADES España U.S.A. (NO.2.D)

Mínimo Máximo Mínimo Máximo

Densidad a 15•C kg/1 0,825 0,860 - -Azufre % en peso - 0,3 - 0,51. cetano 50/65 (adt) - 40 -Destilación:65% recogido °C 250 -90% recogido °C - 350 282 338Punto final •C - 380

Viscosidad ( 1,4-14,9 ) cSt - 5,2 1,9 4,1(15,9-31 .3) cSt - 4.3

Punto de inflamación °C 55 - 52 -Cok Ramsbottom (s/10% residuo) % en peso - 0,2 - 0,35Agua y sedimentos % en vol . - 0,1 - 0,05Corrosión tres horas 100° 1 bmáx. - (a 509C)

No.3Transparencia y brillo - CumplePunto de obstrucción fi ltro fr ío (POFF) °C -8

•C 0Punto de enturbiamiento °C - 1 - sfCPotencia calorífica superior kcal/kg 10.500 -Cenizas % en peso 0,01

En algunas especificaciones de motores diesel aparece 3.2. Ciclos del motor dieselel tipo de combustible recomendado en unidades °API,a una temperatura determinada , conve rtibles en peso Los motores diesel son de dos Tipos básicos : cuatroespecífico mediante la expresión : tiempos y dos tiempos.

141,5Pe a) Motor de cuatro tiempos131,5 + °API

El motor de cuatro tiempos utiliza una carrera del pistónpor cada fase del ciclo, lo que supone que por cadacarrera, el cigüeñal realiza medio giro , y dos giros para

Por ejemplo 35 °API a 60°F, equivalen a un combusti ble un ciclo completo del motor. La Fig. 3 esquematiza losde 0,850 g/cm3 a 15 ,6°C. distintos tiempos:

47R

AIREINYECCION

Wí

GASES

in

O O O O

O O O O

1. ADMISION 2. COMPRESION 3. COMBUSTION 4. ESCAPE

Figura 3

1. Admisión . El aire entra en el cilindro a través de la b) Motor de dos tiemposválvula de admisión en posición abie rta y la deescape cerrada como consecuencia de la depresión En este tipo de motores, a cada ciclo completo decreada al desplazarse el pistón del P.M.S. al P .M.I. trabajo corresponde un giro del cigüeñal , lo que supone,La entrada de aire puede realizarse a presión por comparación con el motor de cuatro tiempos, elatmosférica , o forzada mediante compresor . doble de ciclos de trabajo a igual velocidad dei motor,

Fig. 4. Teóricamente, el motor de dos tiempos desarro-2. Compresión. Con las válvulas cerradas , el pistón llaría doble potencia que uno de cuatro tiempos con

asciende del P.M.I. al P.M.S. comprimiendo el aire igual cilindrada y número de cilindros , aunque en la(3.100 - 3.800 kPa), y elevándose la temperatura (- práctica, por problemas de barrido de gases , sólo se550°C) de forma que pueda inflamarse el gasóleo. alcanza una potencia del orden del 50% mayor.

3. Combustión. Con el pistón próximo al P.M.S. se En maquinaria de minería son conocidos y utilizadosinyecta o pulveriza el combustible , produciéndose su ampliamente los motores de dos tiempos Detroit Dieselinflamación , y, como consecuencia de la presión Allison, de G.M., cuyo sistema de operación se describegenerada, hace descender el pistón . seguidamente.

4. Escape. Una vez el pistón próximo al P.M.I., se abrela válvula de escape , el pistón comienza su carrera El ciclo de trabajo se realiza en cuatro fases , y un giroascendente y expulsa los gases quemados, finalizan - de cigüeñal, Fig. 5.do el ciclo.

1. Barrido . La bomba soplante introduce aire en elDe los cuatro tiempos descritos ante riormente , tres cilindro , por las lumbreras de admisión, expulsandode ellos son consumidores de trabajo , por lo que el los gases quemados por la válvula de escape, yfuncionamiento regular del motor se consigue con dejando el cilindro lleno de aire limpio . El pistón estávarios cilindros y volante de inercia en el cigüeñal . en el P.M.I.

MOTOR 4TIEMPOS

Admisión Compresión Combustión Escape

2 giros de cigüeñal

MOTOR 2 TIEMPOS

Admisión Combustión Admisión CombustiónCompresión Escape Compresión Escape

Is-- 1 giro de cigüeñal �'- 1 giro de cigüeñal

Figura 4

INYECCION

J

AIREAIRE AIRE AIRE I AIRE GASES

r r, r lllllt•� , rrrr a •�'

1. BARRIDO 2 . COMPRESION 3. COMBUSTION 4. ESCAPE

Figura 5

2. Compresión . El pistón , que se hallaba en el P.M.I., 3.3. Características de diseñocomienza su ascenso sellando las lumbreras de ad-misión, y , cerrada la válvula de escape , el aire se Las características generales de diseño de los motorescomprime y calienta progresivamente . diesel son muy similares en todos los fabricantes,

correspondiendo las mismas a la gama de parámetros3. Combustión . Próximo el pistón al P.M.S. se inyecta siguientes:

el combustible produciéndose su inflamación comoconsecuencia de la presión y temperatura . El pistón - Configuración constructiva de cilindros en línea hastaes empujado hacia el P . M.I., ab riéndose , poco antes 6, y en V hasta 16 . Foto 1.de llegar , la válvula de escape.

4. Escape. Con la válvula de escape abierta comienza- Cilindradas de hasta 70 litros.

la salida de los gases quemados, forzada por el aire - Potencias de hasta 1 .500 kW a 1.800 r.p.m.de barrido , y una vez que el pistón , en su descenso,descubre las lumbreras de admisión . - Valores de par motor de hasta 7.000 N .m., dentro

de la gama de 1.200 - 1.800 r.p.m.

Las fases de admisión y escape del motor de dos - Reguladores de inyección de velocidad variable,tiempos se realizan en un corto periodo , siendo accionados mecánica, hidráulica o electrónica-facilitadas por el soplado forzado de una bomba de mente , y con coeficiente de irregularidad de 8rotores tipo Roots . Este sistema soplante monoflujo y a 10%.las camisas de los cilindros con lumbreras son, desdeun punto de vista mecánico , los componentes más - Los motores de determinados equipos móviles estandiferenciados en relación con el motor de cuatro diseñados para trabajar con inclinaciones del ordentiempos . de 35° en sentido longitudinal , y 15° en el transver-

sal.

é•,7 • F!^'7

•• w

Foto 1 .- Motores diesel de 4 y 16 cilindros.

480

- El diseño de los componentes se realiza con el La unidad de potencia en el Sistema Internacional (SI)criterio de facilidad de mantenimiento , reparación e es el Kilovatio (kW).intercambiabilidad de elementos en familias demotores . Por definición 1 kW = 103 julios por segundo

- Los sistemas de arranque pueden ser de accio-namiento eléctrico , neumático , o con motor auxiliar Otras unidades y equivalencias son:de arranque eléctrico.

1 CV =75kg .m.s'=0,735kW- Mejora de la eficiencia de la combustión , y conse- 1 HP = 0,746 kW.

cuentemente menor nocividad en los gases deescape y mayor potencia, mediante la alimentaciónde aire comprimido y enfl'iado , Fig. 6. Puesto que la potencia suministrada es variable con la

velocidad de giro del motor, la magnitud potencia debesiempre ir acompañada de las revoluciones a las cualesse obtiene . Otros factores de tipo operativo que afectana la capacidad para producir potencia son: la presiónatmosférica , temperatura ambiente y del combustible,

4. Especificaciones de operación del humedad , componentes auxiliares del propio-motor, con-siderados o no al realizar la medición , y condiciones detrabajo . En un intento de regularizar las condiciones delos ensayos, algunos paises disponen de normas, siendolas más importantes:

4.1. Curvas característicasBS. British Standard del Reino Unido , con referencia

Las especificaciones de un motor comprenden el 5514.conjunto de datos característicos básicos de fun- DIN. Deutsche Industrie Normen de Alemania, concionamiento del mismo . Su presentación adquiere una

referencia 6271.configuración teóricamente clara y resumida y debepermitir definir las características de un motor, o es- ISO. International Standards Or anization , con la 3046/1.tablecer comparaciones en cuanto a la capacidad de . gtrabajo que puede realizar.

SAE. Society Automotive Engineers de U.S .A., con la JEl motor diesel es una máquina que consume energía 1349.de tipo químico en forma de gasóleo , y la transforma enmecánica mediante el giro de un eje condiciones de medición se realizan de acuerdo conje a determinada

datos cuyo resumen , para las normas más acep-velocidad . Esta magnitud constituye lo que se denomina lospotencia. tadas internacionalmente , se recogen en la Tabla V.

2! ETAPA(ALTA PRESION) 125°C

83 kPo AOMISION

033°C

AIRE ANTESDE ENFRIAR

205°C209 kPaTURBOCOMPRESOR19

IJ (8JAPPRESION)

GASES DEESCAPE640°C ESCAPE19IkPo ' 460°C

MOTOR5579C82 kPo

SISTEMAENFRIADOR- ADMISION MOTOR

106 °C203 kPo

Figura 6.- Diagrama de flujos en un motor diesel turboalimentado y enfriado.

481

TABLA V

Condiciones de medición de potencia

SAE J 1349 DIN 70020 DIN 6271

DIN 7ODE0\

= .NP (MARINA) j DIN EE7$ NN►OTENCIAMARINA

Q Q

(NTERMITENTE) GDIN Imn a NA (UTIL)

CL OE p(CONTtNUA)

DIN 4271 A#* (CONTINUA)

RPM RPM

Temperatura 25° C (77° F) 25° C 200 CPresión barométrica 100kPa (29,61 in.Hg) 750 mm.Hg 736 mm.HgPresión vapor de agua lkPa (0,30in.Hg) -

(humedad relativa) 60%P. barométrica seca 99kPa (29.31 in.Hg)Densidad de aire seco 1 , 16kg/m3 (1.961b/yd3)

Los resultados de la medición de la potencia pueden condiciones de carga del motor . El consumo se expresaexpresarse de dos maneras : en g/kWh.

• Potencia bruta, desarrollada por el motor dotado sólo Estas características permiten establecer las curvas dede los accesorios esenciales para su funcionamiento, rendimientos de cada motor. La Fig. 7 corresponde acomo son el volante , y las bombas de aceite y los rendimientos obtenidos por un mismo motor, concombustible . aspiración natural (a), o turboalimentado (b).

• Potencia neta , producida por el motor completamente Las curvas anteriores figuran en una ficha técnica deequipado con todos los accesorios necesarios para especificaciones , con otros datos como:desarrollar su función prevista. Es la potencia útil enla salida del motor (volante), y la que permite sumejor caracterización . Modelo a. Aspirado b. Turboalimentado

Otra característica del motor es su par, definido como la TIPO 4 Tiempos inyección directafuerza de giro transmitida por el cigüeñal , y expresada Aspiración Natural Turboalimentadoen newton metro (N.m). El giro del cigüeñal se produce y enfriadopor la fuerza aplicada en el pistón durante el ciclo de NQ Cilindros 6 en líneacombustión y transmitida a través de las bielas . La Diámetro x carrera (mm) 115 x 135capacidad máxima de giro se produce en el momento Cilindrada (1) 8,4de mayor presión en el cilindro , y corresponde a una Relación de c 17:1 15.5:1velocidad del motor infe rior a la máxima alcanzable,

Potencia máx .compresión

pr a rpm) 112a2.000 132a2.000motivado por las pérdidas de rendimiento mecánico queocurren en la gama alta de velocidades. Par máximo (N.m a rpm ) 570 a 1 .400 87o a 1.400

(según DIN 6271)En las máquinas existentes en las explotaciones mine- Peso (kg) 920 930ras, los motores que las accionan están sometidos a Lubricación Forzada, por bomba de engranajescontinuas variaciones de carga durante su ciclo de Arranque Eléctrico, 24 V.trabajo . Esta circunstancia exige que los motoresdispongan de mayor reserva de par, esto es el porcen-taje de incremento del par cuando trabaja en vacío a La ficha refleja también otros datos, como gama deelevadas revoluciones, y el momento de sobrecarga altitudes en la que se garantizan las prestacionesmáxima. nominales, materiales que configuran los componentes

principales del motor, sistemas de refrigeración deFinalmente, las características anteriores se acompañan fluidos, lubricación, filtrado, sistemas de seguridad,del consumo de combustible, dependiente de las etc.

482

V C x RPM x E

3 120 2.000

la

Z p0 donde:w

á V = Volumen de aire, (m3/min).C = Cilindrada(¡).

Eficiencia volumétrica del motor.150 E =

7 Cuando el motor es de dos tiempos, el volumen de airenecesario según la fórmula ante rior debe duplicarse.

zoo El valor de la eficiencia volumétrica es del orden de un85% para un motor de aspiración natural , y 130%, de

z promedio, en los sobrealimentados.0: 650-0

bEl aumento de la temperatura del aire de admisión secorresponde con una menor densidad del mismo y,

600- consecuentemente , unas condiciones más ineficientes enla combustión . Esto supone una disminución del ren-dimiento del motor y un mayor consumo específico.

550° Este factor se ve considerablemente agravado en la

actualidad , ya que la mayor parte de los motores dieselutilizados en la maquinaria minera están sobrealimen-tados. Esta operación consiste en presu rizar el aire deadmisión , con el resultado de incrementar el volumen0 <> 230-

2 �.. ° del mismo y la cantidad de combustible inyectado, cony

ú8220- b mejora del rendimiento del motor. El aire de admisión en

cZ.2 estas condiciones debe ser enfriado previamente a su

O w° 1000 1200 1400 I600 1800 2000 entrada en los cilindros , Fig. 8.(r. p. m.)

INTERCAMBIADOR° = ASPIRACION NATURAL

b = TURBOALIMENTADO

Figura 7.- Ejemplo de curvas características. 150°C

30°C

4.2. Otros factores de operación loo°c1eT0a¿r--� COMPRESOR

El motor diesel precisa aire para el proceso de combus-tión, por tanto sus características de funcionamiento y MOTORrendimiento pueden verse afectadas por los factoressiguientes:- Condiciones del aire de admisión.- Altitud.

760 °C (ENFRIADO)- Condiciones del combustible. 840°C ( NO ENFRIADO)

Figura S.- Gama de temperaturas del aire de admisión.

a. Condiciones del aire de admisiónLos sistemas de enfriado consisten en situar un radiador

La temperatura y calidad del aire influyen sobre el intermedio (intercambiador), por cuyo interior circula el

rendimiento y duración del motor. aire de admisión, siendo el fluido refrigerante el aguadel propio motor o el aire.

Las necesidades de aire para un motor de cuatro El factor temperatura del aire de admisión representatiempos y aspiración natural se estiman a partir de la una pérdida de potencia del 1% cada 2°C por encimaexpresión siguiente: de los 28°C, según cálculos de algunos fabricantes.

483

En cuanto a la calidad del aire de admisión, éste debe para su prevención (riego de superficies, captadores encarecer de polvo, ya que la mayor o menor abrasividad la perforación, etc) y, de otra parte, los filtros dedel mismo representa un factor de desgaste acelerado protección del motor cuando sea necesario.en segmentos , pistones, válvulas, etc., acortando la vidadel motor.El ejemplo desarrollado a continuación aporta una idea

b. Altitud

del polvo que debe retener un filtro en un motor diesel El rendimiento de un motor se expresa habitualmentede 4 tiempos y en las condiciones de trabajo siguientes: según las condiciones de alguna de las normas enun-

ciadas anteriormente (SAE J 1349, DIN 6271, etc).Vehículo Volquete 75 t Cualquiera de ellas considera unas condiciones de altura

Potencia neta ........... 650 kW a 1.800 rpm ' equivalentes a las del nivel del mar.

Cilindrada .............. 34 litros El incremento de la altura lleva consigo una disminuciónde rendimiento en el motor, ya que existe un descenso

Factor de carga .......... 80% en la densidad del aire-combustible en el interior de laContenido de polvo ambiental . 5 mg/m' cámara de combustión. La Tabla VI muestra los valoresAire necesario ........... =160 x 10' m'/h (50') de la densidad del aire para diferentes alturas, supuestaPolvo retenido ........... 800 g/h. una densidad de 1,225 kg/m' a 15°C y presión baromé-

trica de 1.013 mb.La modificación del rendimiento de un motor diesel con

Dado que las condiciones ambientales en una explota- la altura es una característica definida por cada fabri-ción a cielo abierto implican la existencia de polvo en cante, aunque, como estimación, se pueden considerarsuspensión, deben controlarse, por un lado, los factores los valores recogidos en la Tabla Vil.

TABLA VIAtmósfera estándar según NASA (1962)

ALTITUD PRESIÓN TEMPERATURA DENSIDAD(m) (bar) (°C) (kg/m')

0 1,013 15,0 1,225100 1,001 14 ,4 1,213200 0 ,989 13,7 1,202300 0 ,978 13, 1 1,190

400 0 ,966 12,4 1,179500 0 ,955 11 ,8 1,167600 0 ,943 11,1 1,156800 0 ,921 9,8 1,134

1.000 0 ,899 8 ,5 1,1121.200 0,877 7,2 1,0901.400 0,856 5,9 1,0691.600 0 ,835 4 ,6 1,048

1.800 0,815 3 ,3 1,0272.000 0,795 2,0 1,0072.200 0,775 0,7 0,9862.400 0,756 - 0,6 0,966

2.600 0,737 - 1,9 0,9472.800 0,719 - 3,2 0,9283.000 0,701 - 4,5 0,9093.200 0,683 - 5,8 0,891

3.400 0,666 -7,1 0.8723.600 0,649 - 8,4 0,8543.800 0,633 - 9,7 0,8374.000 0,616 - 11,0 0,819

5.000 0,540 - 17,5 0,7366.000 0,472 - 24,0 0,6607.000 0,411 - 30,5 0,5908.000 0,356 - 37,0 0,525

484

TABLA VIIReducción de potencia con la altura

SISTEMA DE ALIMENTACIÓN PÉRDIDA DE POTENCIA CONDICIONES%

- Aspiración natural• 4 tiempos 3,0 Cada 300 m, a partir de 300 m.

• 2 tiempos 1,5 Cada 300 m , hasta 1.800 m.

3,0 Cada 300 m , a parti r de 1.800 m.

- Turboalimentado

• 2 y 4 tiempos 0 Hasta 1.500 m.Variable A partir de 1.500 m.

Los motores provistos de turbocompresor se ven menos debe eliminarse antes de que su presencia puedaafectados por el aumento de altitud, compensando la afectar a los mecanismos de inyección.menor densidad del aire con una mayor velocidad de laturbina del compresor , lo que incrementa el volumen de Las medidas recomendables para realizar un correctoaire, manteniéndose aproximadamente el mismo peso de almacenado y servicio son:aire, y su relación con el de combustible inyectado. Porencima de los 3.000 m esta relación cambia , por lo que • Depósitos de forma preferiblemente cilíndrica, grandebe disminuirse el caudal de combustible con la capacidad , y en acero . No debe utilizarse chapa gal-consecuencia de una pérdida de potencia. vanizada , ya que el cinc es atacado por el gasóleo.

c. Condiciones del combustible • El depósito debe situarse con una ligera pendientedel 4%, Fig. 9. El orificio de salida estará situado a

El aumento de temperatura en el gasóleo representa 10 cm del fondo en el lado más elevado . Mientras

una disminución en la densidad y, por tanto , en el peso que el de purga de agua y sedimentos se situará en

inyectado . Las variaciones de temperatura del combus- el punto más bajo.tibie afectan , de forma poco significativa , al rendimientodel motor, disminuyendo la potencia cuando aumenta la • Debe purgarse el agua y sedimentos con periodicidad

establecida , y antes de cada llenado-temperatura, y a la inversa.

Algún fabricante de motores estima una pérdida de Opotencia de 2% por cada grado (°C) que supere los32°C del combustible.

Donde el factor temperatura puede tener una mayorrepercusión es en la comercialización del gasóleo, yaque el suministro de grandes volúmenes se controla porpeso . Recuérdese que las actuales especificacionesvigentes en España establecen para la densidad del ,oem.gasóleo a 15°C, unos valores mínimo y máximo de0,825 y 0,860 kg/l, que ya representan una posible --------------------variación del 4% a temperatura constante . 4%

Un factor de la máxima impo rtancia en el combustible autilizar , supuestas unas especificaciones técnicas 1 . Registro de inspección.inamovibles , es su limpieza y correcto almacenamiento . 2. Vari lla medidora.

Los filtros instalados en el motor deben llegar a retener 3. Tubería de ventilación.part ículas de hasta 2 µ , pues existen orificios en los 4. Entrada de gasóleo.circuitos de inyección con abe rturas del orden de 5. Purgador.0,0025 mm . 6. Salida de gasóleo.

El agua es un contaminante que aparece , generalmente,por condensación en los depósitos de combustible , y Figura 9.- Depósito de combustible.

485

• No mezclar tipos o marcas de gasóleo distintos. b) Condiciones operativas

• Cuando se llene el depósito, debe dejarse reposar su Algunos factores que se deben considerar al seleccionarcontenido algunas horas antes de reiniciar el suminis- un motor son:tro.

Condiciones ambientales de polvo, dimensionado y• Cuando se utilicen bidones, se posicionarán horizon- sistemas de seguridad en los elementos de filtrado

talmente, Fig. 10, apoyados en sitio seco, protegidos de admisión.de las inclemencias del tiempo y fuera de la accióndirecta del sol. - Condiciones de temperatura, que pueden afectar,

cuando es elevada, al dimensionado de los sistemasde refrigeración, o, si son bajas, a los de arranquey calentadores de aceite y combustible.

- Características de altitud, compensables medianteturbo-compresores, que reducen la pérdida de

f potencia, los humos de escape, etc.

Q ®Q - Características de humedad y corrosividad ambien-tal, que pueden afectar a la estanqueidad de lossistemas o equipos eléctricos.

Sistemas automáticos de detección y lucha contraFigura 10.- Almacenado de bidones . incendios, ya que las duras condiciones de trabajo

y las numerosas fuentes potenciales de incendio(temperatura de conductos de escape, de turbo-

5. Criterios de selección de motores compresores, cortocircuitos, etc), suponen un riesgopara las personas y el equipo.

Algunos fabricantes de equipos mineros contemplan ensu gama de productos la posibilidad de elegir motoresde distinta procedencia. Habitualmente, estas alternativasse apoyan en:

c) Características del motor- Motores de características similares y fabricantes

distintos. - Análisis de las curvas características en relación conlas del trabajo a desarrollar, especialmente en los

- Motores de características diferentes según la utiliza- valores de par motor y su reserva, que marcan lación a la que se destine el equipo. capacidad para asumir cargas variables.

Cuando se analiza el motor diesel de un equipo minero - Aquellos motores cuyo ciclo de trabajo debedeben considerarse los criterios básicos siguientes: afrontar cargas elevadas durante cortos periodos,• Aplicación. deben disponer de un porcentaje de reserva de

par mayor que si las condiciones son más• Condiciones operativas. homogéneas.• Características del motor. - Las mejores características con carga variable• Mantenimiento. corresponden a regímenes de funcionamiento• Servicio. óptimo, próximos al 80% del par motor máximo

especificado.

Las características alcanzadas por un motor a susa) Aplicación máximas revoluciones no son adecuadas para

alcanzar una eficiencia adecuada, un nivel deLos factores a considerar son: consumo óptimo, una vida del motor o una dispo- {

nibilidad mecánica correctas.- Calidad de movilidad o no del equipo en el que estáinstalado, por ejemplo en un volquete o en un com-presor. - La potencia del motor, que debe especificarse como

neta o al volante, y que es la realmente disponible- Fluctuaciones de carga en el ciclo de trabajo, por para realizar un trabajo útil en condiciones de carga

ejemplo en un tractor de orugas o en una motoni- intermitente, continua o máxima. Igualmente lasveladora. revoluciones a las que se obtiene, que actualmente

suelen ser inferiores o del orden de las 2.000 r.p.m.,- Régimen de carga, continua o intermitente. Fig. 11.

486

Aspectos tales como el almacén de repuestos , plazo de2400 disponibilidad de los mismos, calidad del personal de230C asistencia , programas de formación , etc., deben ser2200 tenidos en cuenta de forma prioritaria." INTERMITENTE

p 2100

02000

Q1900-18w. TINUO

1700-

1600-

6. Tendencias y nuevos desarrollosLas tendencias actuales en el desarrollo de motores15W - diesel aplicados en minería se orientan hacia los

1400 - campos siguientes:

1300 1300 1400 1500 1600 1700 teto 1800 zoco 2100 2200 - Logro de mayores potencias específicas (kWhl deRPM cilindrada), mediante la utilización de turbo-compresores , que suponen la admisión de mayorcantidad de aire, y enfri adores , que permiten elincremento en la densidad del aire por reducción de

600 su temperatura.

500 - Algunos fabricantes , como Cummins en su serie K,INTERMITENTE han desarrollado la alimentación de aire mediante

Zaoo dos etapas de turbocompresión , Fig. 12, con objeto

óde disponer de mayores posibilidades en la obtenión

CONTINUO de potencia, así como unos consumos más reduci-dos en una amplia gama de velocidades.

200 - Mejora de la eficiencia térmica, desde valoresactuales inferiores al 40% hasta cerca del 50%,mediante una reducción de la energía perdida y su1

1300 tato 1500 1600 1700 Ie00 1800 2000 2100 2200 mejor aplicación como trabajo.RPM

- Reducción en el consumo de combustible a nivelesFigura 11.- Curvas características en régimen continuo e infe riores a 200 g/kW/h e investigación de otrosintermitente .alternativos , bien líquidos (aceites vegetales, alcoho-les, etc), o gaseosos (GLP, metano, etc.).

- El índice Presión Media Efectiva al Freno ( PMEF),que señala la presión media ejercida en los pis- - Control electrónico de operación del motor, quetones . Cuanto mayor es su valor, menor es la vida permite reducir y optimizar el consumo , los gasesesperada del motor. nocivos de la combustión , mejorar la regularidad de

funcionamiento , establecer su autodiagnóstico, ymedidas de protección.

d) MantenimientoLa Fig . 13 representa los componentes fundamen-

- El motor y sus componentes deben estar cons- tales del sistema de control electrónico (DDEC)truídos en materiales de calidad probada . desarrollado por Detroit Diesel Allison . La Fig. 14

esquematiza este sistema electrónico con las- El diseño debe ser limpio , fácilmente accesible para funciones del motor sometidas a control y regula-

mantenimiento o reparaciones. ción.

- Modularidad en su construcción y ventajas de la - Tecnología de materiales de características mecáni-intercambiabilidad de componentes en la flota cas , térmicas y de desgaste, superiores a laspropia. actuales y aplicadas al motor y componentes con

objeto de alcanzar una mejor disponibilidad operativay periodos más prolongados entre revisiones genera-

e) Servicio les.

La calidad del servicio postventa, además de la posible - Aplicación de compuestos cerámicos como reves-mayor cercanía del distribuidor , son probablemente los timiento de cabeza de pistones , cilindros, conductosfactores finales que condicionan una elección deter- de escape , etc., al objeto de mejorar el rendimientominada . térmico del proceso de combustión.

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BAJA PRESION BAJA PRESION

ENTRADA AIRE>- ENTRADA AIRE

COMPRESOR TURBINA TURBINA COMPRESOR

�PREjJ

COMPRESOR TURBINA TURCOMPRESOR

INTERCAM- INTERCAM-SIAOOR BIADOR

BANCADA BANCADAIZQUIERDA DERECHA

Figura 12.- Flujo de gases en motores con doble sistema de turbooompresores.

MODULO DE CONTROL

UNIDAD DEELECTRONICO

DISTRIBUCIONELECTRONICA SENSORES

MEMORIAPROGRAMABLE

INYECTOR PEDAL DE MANDODE CONTROL ELECTRONICOELECTRONICO

Figura 13.- Sistema de control electrónico de Detroit Diesel(DDEC).

Mejoras en los procesos de fabricación que permitan - Programas de mantenimiento preventivo máscomponentes más homogéneos, dimensiones y sencillos y efectivos, con diseño accesible y cómodoajustes más precisos, reducción y simplificación de de los puntos de servicio.accesorios, etc.

488

BAJA PRESION BAJA PRESION

ENTRADA AIRE' l <ENTRADA AIRE

COMPRESOR TURBINA TURBINA 1111 COMPRESOR

ALTA PRESION ALTA PRESION

DCOMPRESOR TURBINA TURBINA COMPRESOR

1

C

%

1INTERCAM- INTERCAM-SIADOR BIADOR

BANCADA BANCADAIZQUIERDA DERECHA

Figura 12.- Flujo de gases en motores con doble sistema de turbocompresores.

MODULO DE CONTROL

UNIDAD DEELECTRONICO

DISTRIBUCIONELECTRONICA SENSORES

MEMORIAPROGRAMABLE }

INYECTOR PEDAL DE MANDODE CONTROL ELECTRONICOELECTRONICO

Figura 13.- Sistema de control electrónico de Detroit Diesel(DDEC).

Mejoras en los procesos de fabricación que permitan - Programas de mantenimiento preventivo máscomponentes más homogéneos, dimensiones y sencillos y efectivos, con diseño accesible y cómodoajustes más precisos, reducción y simplificación de de los puntos de servicio.accesorios, etc.

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DISTRIBUCION PROGRAMA FRENO MOTORSINCRONIZACION SEÑAL DE

MANDO UNIDAD DEDISTRIBUCa

POSICION ACELERADOR0 SEÑAL DE ELECTRON

RETORNO INYECTOR DE CONTROLMODULO ELECTRONICO

PRESION COMPRESOR DE CONTROL TACOMETROELECTRONICO CONTROL DE POTENCIA

TEMPERATURA ACEITE REGULADOR DE VELOCIDAD

CIRCUITO DE DIAGNOSTICO

LPRESION ACEITE

PARADA DE MOTORPARADA DE VELOCIDAD MAXIMA

NIVEL AGUA COMPROBADOR LAMPARAS

TEMPERATURA AIREODE VELOCIDAD

CONTROL DEO8ATERIAVELOCIDAD

LINEA PETICION DE DATOSFigura 14 .- Esquema del sistema de control electrónico ( DOEC).

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