mÓdulo xvi motores de pistÓn
TRANSCRIPT
MÓDULO XVI
MOTORES DE PISTÓN
JAVIER GEJO GARCÍA
1
ÍNDICE TEMA 1………………………………………………………………………….PÁG. 3
Fundamentos de los motores de combustión interna alternativos
TEMA 2…………………………………………………………………………PÁG. 24
Elementos constructivos de los motores de combustión interna alternativos
TEMA 3…………………………………………………………………………PÁG. 70
Ciclos termodinámicos de los motores de combustión interna alternativos.
TEMA 4…………………………………………………………………………PÁG. 90
Ensayo de motores de combustión interna alternativos.
TEMA 5………………………………………………………………………..PÁG. 136
Renovación de la carga en los motores de cuatro tiempos. Rendimiento
volumétrico.
TEMA 6……………………………………………………………………….PÁG. 167
Problemas de motores de combustión interna alternativos
TEMA 7……………………………………………………………………….PÁG. 212
Sistemas de formación de la mezcla en motores de gasolina.
TEMA 8……………………………………………………………………….PÁG. 260
La combustión en los motores de encendido por compresión.
TEMA 9……………………………………………………………………….PÁG. 280
Combustibles
TEMA 10……………………………………………………………………...PÁG. 295
Combustión en los MEP
TEMA 11……………………………………………………………………. PÁG. 309
Requerimientos de mezcla de los motores de encendido provocado (MEP)
2
TEMA 12 ……………………………………………………………………. PÁG. 314
Prueba de motores
TEMA 13 ……………………………………………………………………. PÁG. 322
Instalación del grupo motopropulsor
TEMA 14 ……………………………………………………………………. PÁG. 358
Almacenamiento y conservación del motor
3
TEMA i
Fundamentos de los motores de combustión
interna alternativos.
Este tema sirve de introducción para el resto de la materia, dedicada a los
motores de combustión interna alternativos (MCIA). En él, se encuadran y
se clasifican dichos motores atendiendo a ciertos aspectos de diseño, se
comentan sus campos de aplicación, se definen parámetros geométricos y
operativos que los caracterizan: cilindrada, potencia, rendimiento, etc. y se
establecen los aspectos que diferencian a los motores de encendido
provocado (MEP) de los motores de encendido por compresión (MEC). La
decadencia de la máquina de vapor y el bajo desarrollo de los motores
alternativos de combustión externa provoca que la denominación "motores
alternativos" haga referencia, por defecto, a los de combustión interna.
I.- INTRODUCCIÓN.
2.- ENCUADRE Y CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ALTERNATIVOS.
2.1.- Encuadre en el ámbito de los motores térmicos.
2.2.- Clasificación atendiendo al modo en que se realiza el ciclo.
2.3.- Clasificación atendiendo al proceso de combustión.
2.4.- Clasificación atendiendo al tipo de admisión.
2.5.- Clasificación atendiendo al tipo de refrigeración.
2.6.- Clasificación atendiendo al número y disposición de los cilindros.
3.- PARÁMETROS FUNDAMENTALES DE LOS MOTORES
ALTERNATIVOS:
3.1.- Parámetros geométricos y cinemáticos.
3.2.- Parámetros operativos.
4.- DIFERENCIAS ENTRE LOS MOTORES DE ENCENDIDO PROVOCADO
(MEP) Y DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN (MEC).
4
4.1.- Lugar de formación de la mezcla.
4.2.- Regulación de la carga.
4.3.- Naturaleza del combustible utilizado.
4.4.- Dosado de funcionamiento
4.5. - Potencia específica y rendimiento
5. CAMPOS DE APLICACIÓN DE LOS MOTORES ALTERNATIVOS
5
1- Introducción.
Los motores de combustión interna alternativos son, tal y como se deduce de su
propio nombre motores en los que, por un lado, se produce la combustión en el seno del
fluido motor y, por otro lado el movimiento del elemento que obtiene la energía de la
combustión es alternativo.
Si bien los primeros diseños de este tipo de motores datan de principios del
s.XIX, el primero que tuvo cierta relevancia fue el del francés R. Lenoir en 1860. Este
motor (Ilustr.1.1), fuertemente inspirado en las máquinas de vapor de la época, usaba
una mezcla de aire y gas de hulla que se inflamaba sin compresión previa mediante la
chispa eléctrica que producía una bobina. Su rendimiento era, aproximadamente, del
5%, muy inferior al de las máquinas de vapor de la época. Este hecho se debía
principalmente a la ausencia de una carrera de compresión previa, y a la baja relación de
expansión utilizada. La influencia de la relación de compresión sobre el rendimiento del
ciclo sólo se comprende al efectuar su estudio termodinámico y hubo que esperar hasta
1862 para que el francés Beau de Rochas describiese 1os principios básicos de la
combustión a volumen constante. Pese a este bajo rendimiento, se construyeron 500
motores de este tipo en Francia e Inglaterra con potencias entre 1 y 3 kW y un régimen
que rondaba las 110 r/min.
Los orígenes de los motores con compresión previa de la mezcla antes de la
combustión se pueden situar en las ideas de F. Million que, en 1861, presentó una
patente en la que describía un motor con citada característica. Se desconoce si este
motor llegó o no a construirse. En el mismo año, Beau de Rochas y G. Schmidt
también señalaron las ventajas de realizar dicho proceso de compresión previo con
vistas a mejorar el rendimiento de los motores alternativos.
A pesar de los diseños de motores alternativos descritos hasta ahora y de otros
muchos no mencionados, la máquina de vapor ó, incluso, los coches de caballos eran
aun los motores más utilizados. Esta situación cambió en 1876 gracias a Otto al diseñar
el primer motor de cuatro tiempos de la historia (Ilustr.1.2). El motor de cuatro
tiempos realiza las cuatro fases de funcionamiento de un motor a lo largo de cuatro
carreras del pistón:
6
admisión de la carga fresca - aire o aire + combustible- (1a carrera), compresión de la
misma (2a
carrera), combustión y expansión de la carga (3a carrera) y, por último,
escape o expulsión de los gases quemados (4a carrera). Así, un ciclo completo de
trabajo necesita dos revoluciones del motor.
En 1878 el escocés D. Clerk presenta el primer motor de gas de "dos tiempos"
de la historia. Este motor posee dos cilindros horizontales. En uno de dichos cilindros se
realizan los procesos de admisión y compresión y en el otro los de expansión y escape
(Ilustr. 1.3). De este modo, un ciclo de trabajo se puede realizar en una revolución del
motor.
En el posterior desarrollo de los motores de dos tiempos merece la pena destacar
el diseño de J. Day que, en 1891, patentó un motor de dos tiempos con tres lumbreras
que constituye el primer antecedente de los motores de dos tiempos de barrido por
cárter (Ilustr. 1.4).
El último gran avance en el desarrollo de los motores de combustión interna
alternativos se produjo en 1892 cuando el ingeniero alemán R. Diesel patentó un nuevo
7
tipo de motor (Ilustr. 1.5). Se trataba de un motor de cuatro tiempos en el que la
combustión se iniciaba al inyectar combustible líquido al final de la carrera de
compresión provocando, así, la autoinflamación de la mezcla. La elevada relación de
compresión utilizada le permitió alcanzar un rendimiento del 26,2%, superando con
creces los mejores rendimientos alcanzados por otros motores de la época. La baja
calidad de los combustibles de la época ocasionaba problemas de detonación que
limitaba, de forma importante, la relación de compresión en los motores de gas y en los
de gasolina.
El motor diesel se presenta desde sus inicios como un competidor de la máquina
de vapor más serio que el motor de Otto. No obstante, el tamaño excesivo de estos
motores en su primera etapa los hace inservibles para la automoción. Con la aparición
del motor Diesel se completó el desarrollo básico de los motores de combustión interna
alternativos en cuanto a su concepción mecánica.
Puede afirmarse que desde el punto de vista puramente mecánico los motores
actuales no tienen ningún dispositivo que pudiera asombrar a los ingenieros de
principios de siglo. La evolución de los combustibles marcó de manera notable el
desarrollo de los motores. Junto con la mejora del rendimiento, otros factores que han
condicionado el diseño de los motores de combustión interna alternativos son: la
reducción de las emisiones contaminantes y de las emisiones acústicas.
2.- Encuadre y clasificación de los motores alternativos.
2.1.- Encuadre en el ámbito de los motores térmicos.
En capítulos anteriores se vio que las dos grandes familias que se pueden
establecer dentro del conjunto de los motores térmicos son:
Los motores de combustión externa: En ellos se genera el estado térmico en un
fluido que no es el fluido motor y se transmite a él a través de una pared.
Los motores de combustión interna: En ellos se genera el estado térmico directamente
en el propio fluido motor.
8
Se vio como las características de los motores venían fuertemente condicionadas por
esta diferenciación anterior. Además, también se estudió que los motores de combustión
interna podían, a su vez, clasificarse en:
- Motores a reacción: La energía mecánica obtenida es un flujo de gases con
elevada velocidad.
- Motores rotativos: La energía mecánica obtenida se saca a través de un eje y el
órgano transformador de energía térmica en mecánica tiene movimiento rotativo.
- Motores alternativos: Se diferencian de los anteriores en que el órgano
transformador de energía térmica en mecánica tiene movimiento alternativo.
Es precisamente éste último grupo de motores el que se tratará en los capítulos
sucesivos. No obstante, éstos pueden, a su vez, clasificarse atendiendo a los diferentes
criterios que a continuación se indican.
2.2.- Clasificación atendiendo al modo en que se realiza el ciclo.
Atendiendo a este criterio existen en la actualidad dos tipos de motores
claramente diferenciados: los motores de cuatro tiempos (4T) y los motores de dos
tiempos (2T).
Los motores de cuatro tiempos reciben este nombre pues para realizar el ciclo
completo, el pistón debe recorrer cuatro carreras. Se denomina carrera al trayecto
cubierto por el pistón entre dos puntos muertos consecutivos. Así, el motor deberá girar
720°, esto es, dos revoluciones, para completar el ciclo.
Los motores de dos tiempos reciben este nombre porque para realizar el ciclo
completo, el pistón debe recorrer dos carreras. Así, el motor deberá girar 360°, esto es,
una rotación, para completar el ciclo.
A continuación se expone brevemente el fundamento operativo de cada uno de estos
motores:
Motores de cuatro tiempos:
Estos motores utilizan cada una de las carreras del pistón para realizar cada una
de las fases del ciclo (ilustr. 2.1). Antes de comenzar con la explicación del ciclo parece
conveniente definir ciertos conceptos:
Punto muerto: Posición del pistón en que su velocidad es nula. Será superior
(PMS) o inferior (PMI) dependiendo de que tenga lugar en la parte superior o inferior
del cilindro respectivamente.
Válvula: Dispositivo que controla la entrada y salida de gases del cilindro. Puede
ser de admisión o de escape dependiendo de que sirva para introducir o expulsar los
gases respectivamente.
9
1ª Carrera: Carrera de admisión:
La válvula de admisión se encuentra abierta, la de escape cerrada y el pistón
desciende por el cilindro hacia el punto muerto inferior. La depresión generada por el
pistón al separarse de su punto muerto superior provoca la entrada de carga fresca (aire
o aire + combustible) al cilindro a través de válvula de admisión y procedente del
sistema de admisión. (Proceso (1) en las Ilustrs. 2,1 y 2.2),
2ª Carrera: Carrera de compresión:
La válvula de admisión se encuentra cerrada, la válvula de escape cerrada y el
pistón asciende por e1 cilindro desde el punto muerto inferior al superior. Al estar la
cámara de combustión cerrada, el movimiento ascendente del pistón hace aumentar la
presión de la carga que se encuentra en su interior. (Proceso 2 en las Ilustrs. 2.1 y 2.2).
3a Carrera: Carrera de combustión - expansión:
La válvula de admisión se encuentra cerrada, la válvula de escape cerrada y el
pistón desciende por el cilindro desde el punto muerto superior al inferior. En las
proximidades del punto muerto superior se quema el combustible provocando un
aumento de la presión y realizando un esfuerzo importante sobre el pistón. El
movimiento descendente del pistón provoca que los gases quemados vayan
10
expansionándose y, en definitiva, la producción de un trabajo mecánico. Esta es la única
carrera en la que se produce trabajo. (Proceso 3 en las Ilustrs. 2.1 y 2.2).
4a Carrera: Carrera de escape:
La válvula de admisión se encuentra cerrada, la válvula de escape abierta y el
pistón asciende por el cilindro desde el punto muerto inferior al superior. La elevada
presión que todavía reina en el cilindro y el movimiento ascendente del pistón provocan
la salida de los gases quemados a través de la válvula hacia el sistema de escape.
(Proceso 3 en las Ilustrs. 2.1 y 2.2).
El hecho de que los motores trabajen a una elevada velocidad de giro provoca
que aparezcan efectos de inercia importantes en los flujos de admisión y escape. Para
que dichos efectos no entorpezcan la renovación de la carga (llenado de carga fresca y
expulsión de los gases quemados), las válvulas de admisión y escape deberán, en
realidad, abrir antes y cerrar después de los puntos muertos comentados. Más adelante,
se insistirá más en este aspecto. En la ilustración 2.2 se muestran los diagramas de
distribución de un ciclo teórico y de uno real. En ellos, las abreviaturas tienen el
siguiente significado:
AAA: Avance a la Apertura de la Admisión (Ángulo girado entre la apertura de la
admisión y el PMS).
AAE: Avance a la Apertura del Escape (Ángulo que gira el motor entre la apertura del
escape y el PMI).
RCA: Retraso al Cierre de la Admisión (Ángulo girado desde el PMI hasta el cierre de
la admisión).
RCE: Retraso al Cierre del Escape (Ángulo que gira el motor desde el PMS hasta el
cierre del escape).
11
Giro comprendido entre el cierre y la apertura de la lumbrera de escape (CE →AE):
Inicialmente: las lumbreras de escape, transferencia y admisión se encuentran
cerradas y el pistón asciende por el cilindro.
- En la cámara de combustión: al estar cerradas las lumbreras de escape y
transferencia y al estar ascendiendo el pistón, está teniendo lugar el proceso de
compresión. Poco antes de que el pistón llegue al PMS se producirá el encendido
de la mezcla o el inicio de la inyección de modo que comenzará la combustión.
Cuando el pistón comienza su carrera descendente, comenzará la fase de
expansión. La carrera de expansión continuará hasta que la lumbrera de escape
quede descubierta por el pistón, momento en que comenzará la fase de escape
(Ver proceso 1 en la Ilustr. 2.5).- En el cárter: inicialmente la lumbrera de
admisión se encuentra cerrada pero al ir subiendo el pistón llega un momento en
el que se abre. A partir de este momento, al estar abierta la lumbrera de
admisión y al estar ascendiendo el pistón, se está generando una depresión en el
cárter que succiona la carga fresca de la admisión. Cuando el pistón desciende
llega un momento en el que se cierra la lumbrera de admisión dejando atrapada
la carga fresca en el cárter (Ver proceso 2 en la Ilustr. 2.5). Al estar cerrada la
lumbrera de transferencia, conforme va descendiendo el pistón la carga fresca
contenida en el cárter se va comprimiendo (Ver proceso 3 en la Ilustr. 2.5).
Giro comprendido entre la apertura y el cierre de la lumbrera de escape (AE' a CE): Inicialmente: la lumbrera de escape se encuentra abierta, las de transferencia y
admisión, cerradas y el pistón desciende por el cilindro.
- En la cámara de combustión: al estar cerradas las lumbreras de transferencia,
los gases de escape salen por la lumbrera de escape haciendo caer rápidamente la
presión en el interior del cilindro. Como el pistón se dirige hacia el PMI, llega un
momento en el que se descubre la lumbrera de transferencia. En este momento la
presión en el cilindro es inferior a la presión en el cárter y por ello comienza la
entrada de carga fresca al interior de la cámara de combustión. La geometría de
las lumbreras, del pistón y del cilindro hacen que la carga fresca vaya
"barriendo" los gases quemados que quedan en la cámara. Este proceso continúa
durante la carrera descendente del pistón y durante la carrera ascendente hasta
que se cierra la lumbrera de transferencia. Poco más tarde, se cierra la lumbrera
de escape y vuelve a repetirse el ciclo. (Ver procesos 4 y 5 en la Ilustr. 2.5).
12
- En el cárter: al estar inicialmente cerradas la lumbrera de admisión y las de
transferencia, y al estar descendiendo el pistón, continúa comprimiéndose la
carga fresca encerrada en el cárter (Ver proceso 3 en la Ilustr. 2.5). Al ir
descendiendo el pistón llega un momento en el que se abre la lumbrera de
transferencia. En ese momento la carga atrapada en el cárter escapa hacia la
cámara de combustión. Este proceso perdurará prácticamente hasta que, debido
al movimiento ascendente del pistón, se cierre la lumbrera de transferencia. A
partir de ese momento, al estar el cárter cerrado, el movimiento ascendente del
pistón provocará un vació que posteriormente contribuirá a la entrada de carga
fresca cuando, posteriormente, abra la lumbrera de admisión.
Dentro de los motores de barrido por cárter es común lo que se denomina
"admisión por láminas ".
Esto consiste en controlar la entrada de gases al cárter, en lugar de con la
superficie del pistón, mediante unas láminas que funcionan a modo de válvula
antirretorno. No obstante, el principio general de funcionamiento en este tipo de
motores es similar al anteriormente descrito salvo que la entrada de gases al cárter
permanecerá abierta siempre y cuando la presión del cárter sea inferior a la del
ambiente.
Cuando se utiliza el "barrido forzado", más común en grandes motores
industriales, la entrada de la carga a la cámara de combustión viene forzada, en lugar de
por el cárter del motor, por una soplante exterior. En este tipo de motores no se precisa
que el cárter sea estanco, cosa que sí es necesaria en los primeros.
Al igual que en los motores de cuatro tiempos, la combustión no es instantánea y
por ello en los motores reales existe un avance para el encendido, en los MEP, o para la
inyección, en los MEC.
En la ilustración 2.6 se muestran dos de los diagramas más característicos de un
motor de combustión interna alternativo de dos tiempos:
13
- El diagrama Presión -Ángulo de giro del cigüeñal (p-α) o Presión - Tiempo
(p-t).
El diagrama Presión - Volumen de la cámara de combustión (p-V), también
llamado diagrama del indicador.
- Clasificación atendiendo al proceso de combustión.
Atendiendo a este criterio existen en la actualidad dos tipos de motores
claramente diferenciados: motores de encendido provocado y los motores de encendido
por compresión. No obstante, durante últimos años están teniendo lugar una serie de
desarrollos tecnológicos con previsible viabilidad que no encajan completamente en
ninguno de estos grupos.
Los motores sobrealimentados son aquellos en los que existe algún dispositivo
que eleva la presión de la carga fresca que entra al motor. Cuando dicho dispositivo es
un turbocompresor accionado por una turbina que aprovecha la energía de los gases de
escape se trata de un motor turbosobrealimentado, comúnmente denominado "motor
turbo". Como caso particular dentro de este grupo indicar que, en la actualidad, se están
desarrollando con buenas perspectivas turbocompresores accionados eléctricamente.
Cuando el compresor es volumétrico y se acciona mecánicamente desde el cigüeñal se
trata de un "motor sobrealimentado mecánicamente". Cada uno de estos tipos de
sobrealimentación tiene una serie de ventajas e inconvenientes frente a los otros.
14
2.5.- Clasificación atendiendo al tipo de refrigeración.
El sistema de refrigeración garantiza que la temperatura en ciertas partes del
motor no se eleve por encima de ciertos límites admisibles. Los dos tipos de
refrigeración utilizados para este cometido son: la refrigeración por aire y la
refrigeración por líquido (Ilustr. 2. 7).
En la refrigeración por aire, el calor se cede directamente al aire ambiente. Es
por ello que también es conocida como refrigeración directa. Este sistema es poco
eficiente debido al bajo coeficiente de transmisión de calor entre la 9 pared y el aire.
Para solventar esta limitación es preciso colocar aletas en diferentes partes del motor
que aumenten la superficie de transmisión y, en definitiva, la capacidad de
refrigeración. Por ello, no es el tipo de refrigeración adecuado para motores con cargas
térmicas importantes.
En la refrigeración líquida, generalmente por agua o agua aditivada, el calor de
refrigeración se cede a un líquido. Si este líquido es el ambiente se denomina, al igual
que antes, refrigeración directa. Si la cesión de calor al ambiente tiene lugar en un
intercambiador agua - aire, se denominará refrigeración indirecta. Este sistema de
refrigeración es el más efectivo debido al alto coeficiente de transmisión entre una pared
y un líquido. Este tipo de refrigeración se hace necesario en motores con cargas
térmicas importantes. En el caso de refrigeración indirecta se necesita, además de la
bomba que provoca la circulación del refrigerante por las diferentes partes del motor, un
intercambiador de calor agua-aire y un ventilador que haga pasar al aire a través del
intercambiador.
2.6.- Clasificación atendiendo al número y disposición de los cilindros.
Los motores se pueden clasificar atendiendo al número de cilindros (1, 2, 3, 4, 5,
6, 8, 12, 16, etc.) y a la disposición constructiva de los mismos. Las disposiciones más
habituales son:
- En línea: cuando todos los cilindros se encuentran uno a continuación del otro.
- En V: Cuando existen dos filas de cilindros que forman entre sí un cierto
ángulo.
- En estrella: Cuando los diferentes cilindros forman una estrella.
15
2.6.1.-Refrigeración del motor de aviación
Como decíamos cualquier motor genera una gran cantidad de calor, por ello es
necesario utilizar algún procedimiento de refrigeración para mantener la temperatura
dentro de los márgenes adecuados.
Aire Frio.
En la actualidad, el sistema de refrigeración utiliza la corriente de aire
procedente de la hélice.
Esta corriente es dirigida por medio de deflectores (baffles) hacia los cilindros y
las demás zonas del motor que lo necesiten, de forma que puedan refrigerarse
convenientemente.
Esta refrigeración es posible gracias a les aberturas que la cubierta del motor
tiene en su parte frontal.
Hay que tener en cuenta, que con bajas temperaturas, en un descenso
prolongado, etc., el motor puede igualmente no tener siempre una temperatura óptima
de funcionamiento. Por ello, se recurre al empleo de aletas o persianas.
Estas aletas o persianas están situadas en la zona inferior de la cubierta del motor.
Cilindros.
El cilindro por la función que realiza, es el elemento del motor que más necesita
disipar el calor generado por la combustión, por ello, el cilindro esta equipado de una
gran cantidad de aletas o deflectores de refrigeración, fundamentalmente en la culata.
Esto es debido a que es en esa zona del cilindro donde está la cámara de combustión y
es donde se genera la mayor parte del calor.
3. Parámetros fundamentales de los motores alternativos.
Existen una serie de parámetros que serán definidos a continuación y cuyo
conocimiento es necesario para caracterizar y evaluar los diferentes motores existentes.
El manejo de estos parámetros permitirá resolver muchos de los problemas relativos a
este tipo de motores. Al tratarse de definiciones sumamente simples, es más que
conveniente memorizarlos para poder resolver problemas con soltura.
3.1.- Parámetros geométricos y cinemáticos.
Los parámetros geométricos y cinemáticos derivan de la geometría del cilindro,
de la cámara de combustión, de la del sistema biela manivela y de la velocidad de giro.
Afectan de forma importante al comportamiento del motor y los más representativos se
relacionan a continuación:
16
- Diámetro del cilindro (D): Directamente relacionado con el tamaño del
motor. Puede tener valores comprendidos entre unos milímetros, en maquetas,
hasta más de un metro en motores estacionarios o marinos. Los valores
habituales en automoción están comprendidos entre 70 y 160 mm.
- Área del pistón (Ap): Área de la sección transversal del pistón. Responde a la
ecuación:
- Carrera (S): Distancia recorrida por el pistón entre dos puntos muertos
consecutivos. En los motores de 2T también se puede definir la carrera efectiva
(S') como la distancia recorrida por el pistón entre el cierre del escape y el PMS.
- Cilindrada unitaria (VD): Volumen desplazado por el pistón a lo largo de una
carrera. Responde a la ecuación:
- Número de cilindros (z): Número de cilindros de que dispone el motor
completo. Existen motores que cuentan incluso con 20 cilindros.
- Cilindrada total (VT): Volumen desplazado por todos los cilindros del motor a
lo largo de una carrera. Responde a la siguiente expresión:
- Velocidad de giro (n): Número de vueltas que realiza el motor en la unidad de
tiempo. Su valor máximo va desde unas 50 r/min en algunos motores
estacionarios y marinos, hasta casi 20000 r/min en pequeños motores deportivos.
Los valores habituales en automoción están comprendidos entre 1500 y 12000
r/min.
- Velocidad lineal media del pistón (cm): Tal y como indica el propio nombre,
es la velocidad media de deslizamiento del pistón sobre el cilindro.
El valor máximo de este parámetro queda limitado por la posibilidad de
mantener una lubricación adecuada entre cilindro y pistón y por los problemas
inerciales ocasionados por el movimiento alternativo del pistón. Su valor
condiciona la vida del motor y oscila entre 6 m/s en motores muy grandes y 25
m/s en motores deportivos. No resulta habitual superar valores de 20 m/s.
17
Relación carrera diámetro (S/D): Cociente muy relacionado con la potencia
específica de un motor. A igualdad de cilindrada y velocidad lineal media del
pistón, la potencia efectiva aumenta de forma lineal con el inverso de dicho
parámetro. Tiene valores comprendidos entre 0.6 para los motores de carácter
deportivo y 3 para los motores muy grandes. En motores de tamaño medio, su
valor ronda la unidad.
Volumen final de compresión (V): Volumen de la cámara de combustión
cuando el pistón se encuentra en su punto muerto superior.
Relación de compresión volumétrica geométrica (r): Es el cociente entre el
volumen de la cámara de combustión cuando el pistón se encuentra en el PMI y
cuando el pistón se encuentra en el PMS.
El valor que toma este parámetro es fijo para cada motor. No obstante, se
están desarrollando motores que tienen la posibilidad de variar su valor en
función de las condiciones operativas. Los MEC de inyección indirecta (IDI) son
los que utilizan valores más altos de relación de compresión, entre 18 y 23. Los
MEC de inyección directa (DI) tienen valores algo inferiores, entre 13 y 20. Por
último, los MEP tienen limitado este parámetro por problemas de
autoinflamación del combustible. Valores en torno a 10 son habituales aunque
los motores de inyección directa, los de relación de compresión variable o los de
gas natural pueden alcanzar valores superiores a 13. Cuando se trata de un motor
de 2T, se puede definir también la relación de compresión volumétrica efectiva
(r'). En este último caso, se considera el volumen de la cámara de combustión en
el instante del cierre del escape, en lugar del existente cuando el pistón se
encuentra en el PMI.
3.2.- Parámetros operativos.
Estos parámetros se determinan a partir de las prestaciones y consumos del motor y van
a permitir evaluar un motor o compararlo con otro desde un punto de vista cualitativo
y/o cuantitativo. A continuación se mencionan los más frecuentes:
- Dosado absoluto (F): Cociente entre los gastos másicos de combustible y aire en un
motor. Cuando dicha relación es la estequiométrica, el dosado recibe el apellido de
estequiométrico (Fe).
- Dosado relativo (Fr): Relación existente entre el dosado absoluto y el estequiométrico.
18
- Relación aire-combustible (A) o coeficiente lambda (λ): Relación existente entre el
gasto másico de aire y combustible de un motor, esto es, el inverso del dosado absoluto.
- Trabajo indicado (Wi): Trabajo desarrollado por los gases de la cámara de
combustión a lo largo de las carreras de compresión y expansión. En el diagrama p-V,
más conocido como diagrama del indicador (Ilustr. 3.1) se corresponde con el área
positiva y se obtiene por integración:
- Trabajo de bombeo (Wb): Trabajo consumido por el motor durante las carreras de
admisión y escape para renovar la carga (introducir la carga fresca y expulsar los gases
quemados). En el diagrama del indicador (Ilustr. 3.1) se corresponde con el área
negativa, y su valor se obtiene por integración:
-Trabajo de pérdidas mecánicas (Wpm): Trabajo empleado por el motor para vencer los
rozamientos, renovar la carga (trabajo de bombeo) y accionar ciertos elementos
auxiliares.
- Potencia indicada (Ne): Potencia mecánica producida por los gases en la cámara de
combustión durante las carreras de compresión y expansión. En definitiva, es el cociente
entre el trabajo indicado y el tiempo empleado en producirlo, un ciclo completo del
motor, esto es, una vuelta para los motores de 2T (i=1) y dos para los de 4T (i=2).
- Potencia efectiva (Ne): Potencia neta obtenida en el eje del motor.
- Potencia de pérdidas mecánicas (Npm): Parte de la potencia indicada que el motor
emplea en: vencer las pérdidas de fricción, renovar la carga del motor y accionar ciertos
elementos auxiliares, fundamentales para el funcionamiento del motor.
- Par indicado (Mi): Cociente entre la potencia indicada y la velocidad angular del
motor. Definiciones análogas tienen el par efectivo (Me) y el par de pérdidas mecánicas
(Mpm).
- Presión media indicada (pmi): Diferencia de presiones que debe existir entre las
caras del pistón para que, sin pérdidas, éste produzca en una carrera un trabajo igual al
indicado del motor.
19
A la vista de la ecuación anterior se comprueba que la presión media indicada es
proporcional al par indicado del motor.
Definiciones análogas tienen la presión media efectiva (pme) y la presión media
de pérdidas mecánicas (pmpm). Se puede comprobar fácilmente que:
Ne = Ni - Npm
pme = pmi – pmpm
Los valores habituales de pme en los motores actuales se encuentran entre 1 y 2
MPa.
- Rendimiento indicado (η¡): Cociente entre la potencia indicada del motor y la
potencia térmica disponible en el combustible consumido, considerando su poder
calorífico inferior:
Una definición análoga tiene el rendimiento efectivo (ηe) cuyo valor en algunos
de los modernos MEC puede alcanzar el 50% y en los MEP el 40%.
- Rendimiento mecánico (ηm): Cociente entre la potencia efectiva y la indicada del
motor y, en consecuencia, entre los rendimientos efectivo e indicado del mismo:
Su valor a plena carga puede estar comprendido entre 0.8 y 0.9.
Consumo específico indicado de combustible (gif): Relación entre el gasto másico de
combustible y la potencia indicada. Definición análoga tiene el consumo específico
efectivo de combustible (gef):
Se puede comprobar que este parámetro guarda una relación directa con el rendimiento
del motor:
20
Los valores óptimos de este parámetro oscilan entre los 180 g/kWh (50 mg/J) para
algunos MEC y los 240 g/kWh (67 mg/J) en algunos MEP.
4.- Diferencias entre los motores de encendido provocado (MEP) y de
encendido por compresión (MEC).
El hecho de que la principal clasificación de los motores alternativos atienda al
tipo de combustión que en ellos tenga lugar hace que se insista en las diferencias más
destacables entre estos dos grupos de motores.
4.1.- Lugar de formación de la mezcla.
La combustión que tiene lugar en los MEC no precisa de una mezcla de aire y
combustible homogénea. Esto, unido a las propiedades del combustible utilizado, obliga
a introducir el combustible en la cámara de combustión durante el proceso de
compresión, en las proximidades del PMS. Cuando la cámara de combustión se divide
en dos partes comunicadas por un pequeño canal, el motor se denomina de inyección
indirecta. En caso de no existir dicha división se denomina de inyección directa.
Los MEP requieren una mezcla homogénea de aire y de combustible para que se
propague adecuadamente la combustión. Esto obliga a preparar la mezcla con la
suficiente antelación. Habitualmente, se introduce el combustible en el colector de
admisión junto a la válvula de admisión. No obstante, actualmente se tiende a
introducirlo en el interior de la cámara de combustión con la antelación suficiente
que permita la preparación adecuada de la mezcla. Esto es, durante la carrera de
admisión, a cargas o velocidades elevadas, o durante la de compresión, a cargas y
velocidades bajas. Los motores que siguen esta ley se conocen como motores de
inyección directa.
4.2.- Regulación de la carga.
La potencia efectiva de un motor depende del rendimiento efectivo, del gasto
másico de combustible y de su poder calorífico.Para regular la carga de un motor sólo se
puede actuar libremente sobre el gasto másico de combustible, aunque se puede hacer
de dos formas diferentes:
Los MEC mantienen básicamente constante el gasto másico de aire y actúan
directamente sobre la riqueza de la mezcla inyectando más o menos cantidad de
combustible.
Los MEP convencionales mantienen sensiblemente constante el dosado y actúan
sobre el gasto másico de aire estrangulando el conducto de admisión mediante una
válvula de mariposa. Este tipo regulación hace aumentar las pérdidas de bombeo del
21
motor y supone un serio inconveniente para el rendimiento del motor a cargas
reducidas.
Los MEP de inyección directa tienen la posibilidad de trabajar con un rango de
dosados relativamente amplio y, por ello, la regulación de la carga combina los dos
tipos de regulación anteriormente comentados procurando evitar el segundo tipo, en la
medida de lo posible.
4.3.- Naturaleza del combustible utilizado.
Los MEP requieren una mezclahomogénea para que la combustión se propague
de forma adecuada. Esto exige que el combustible sea lo suficientemente volátil para
que la vaporización se complete en el tiempo disponible para ello. Por otro lado, cuando
se introduce durante la carrera de admisión, debe soportar las elevadas presiones y
temperaturas del proceso de compresión sin autoinflamarse por lo que su resistencia a
la autoinflamación debe ser elevada. Este último aspecto difiere en los motores de
carga homogénea y encendido por compresión. Se precisan, en consecuencia.
hidrocarburos ramificados de cadena corta.
Los MEC, por el contrario, no requieren una mezcla homogénea para su proceso
de combustión por lo que no precisan de una volatilidad tan elevada como los MEP. Por
otro lado, el proceso de combustión se basa en la autoinflamación de combustible y, en
consecuencia, debe tratarse de un combustible muy autoinflamable. Las elevadas
presiones de inyección de este tipo de motores hace que los equipos de inyección
trabajen con tolerancias más reducidas que aconsejan unas propiedades lubricantes del
combustible. Por todo ello, se recurre a hidrocarburos lineales de cadena larga.
4.4.- Dosado de funcionamiento.
El proceso de combustión de los MEP exige la propagación adecuada del frente
de llama a través de la mezcla. Para ello, la composición de la mezcla debe ser próxima
a la estequiométrica, pues es en estas condiciones donde dicha propagación presenta
menos problemas. Así, estos motores se verán obligados a trabajar con dosados
próximos a los estequiométricos, esto es, FR ≈ 1.
Resulta algo diferente el caso de los MEP-DI en los que, a pesar de que la
combustión también se propaga por frente de llama, son capaces de crear dentro de la
cámara de combustión dos zonas bien definidas: una de mezcla rica (FR>1) y otra sin
apenas combustible. La combustión tiene lugar únicamente, como es lógico, en la zona
que contiene combustible y de esta forma puede trabajar con mezclas globalmente
pobres sin que aparezcan problemas de propagación de la llama. Estos motores pueden
trabajar con dosados globales comprendidos en el margen 0.4 ≤ FR ≤ 1.1.
En el caso de los MEC la reacción de combustión tiene lugar por la elevada
presión y temperatura reinantes en la cámara de combustión. Por ello, el único
requerimiento para que dicha reacción tenga lugar es que exista aire disponible para
poder reaccionar con el combustible. Al tratarse de una mezcla heterogénea, la
dificultad de encontrar aire por parte del combustible limita el valor superior del dosado
(FR < 0.85). Valores superiores pueden provocar una mala combustión con la
22
consiguiente formación de humo negro y temperaturas inadmisibles en ciertas partes del
motor.
En el caso de los MEC que trabajan con carga homogénea, todavía en fase de
desarrollo, la necesidad de provocar la autoinflamación de un combustible que en
principio es resistente a la auto inflamación exige un dosado mínimo por debajo del cual
no tiene lugar dicha reacción. No obstante, trabajan con mezcla pobre (FR < 1).
4.5.- Potencia específica y rendimiento.
Tradicionalmente los MEP han gozado de una potencia específica muy superior
a los MEC. No obstante, la proliferación de la turbosobrealimentación y la sustancial
mejora que han sufrido las tecnologías aplicadas en estos últimos, ha supuesto una
considerable reducción en la diferencia de potencia específica entre ambos tipos de
motores. En los MEP convencionales la potencia específica está en el entorno de los 50
kW/dm3 pero algunos motores deportivos pueden alcanzar los 750 kW/dm
3. En los
MEC el abanico es más amplio al igual que su rango de utilización y oscila entre los 8
kW/dm3
en grandes motores y los 50 kW/dm3 en turismos.
En cuanto al rendimiento, los MEC tienen valores en torno a un 20% superiores
a los MEP homólogos. Los modernos motores MEP-DI pretenden recortar estas
diferencias.
5.- Campos de aplicación de los motores alternativos.
El gran desarrollo que los motores de combustión interna alternativos han tenido
durante el s. XX ha hecho de ellos los motores térmicos más versátiles. Con la
excepción de las aplicaciones espaciales donde resultan inútiles por necesitar aire para
funcionar, han estado presentes en todos los campos donde se han necesitado una fuente
de potencia. Esta versatilidad se debe a los siguientes motivos:
- Capacidad para utilizar diferentes tipos de combustibles (líquidos, gaseosos o,
incluso, sólidos).
- Rendimiento aceptable y, en muchas ocasiones, superior al de otros motores
térmicos (30% - 50%).
- Amplio rango de potencias máximas (50W - 100 MW).
- Funcionamiento más que aceptable a cargas parciales en cuanto a fiabilidad,
suavidad y rendimiento.
- Disposiciones constructivas variadas que permiten adaptar el motor a los usos
más diversos.
Actualmente, los motores de combustión interna alternativos tienen dos grandes
campos de aplicación:
1.- Propulsión de vehículos:
- Propulsión terrestre (motocicletas, automóviles, vehículos industriales,
militares, agrícolas, maquinaria de obras públicas, ferrocarriles, etc.): En este
terreno son líderes indiscutibles.
23
- Propulsión marina: Han desplazado a la turbina de vapor y a la de gas en la
mayoría de las aplicaciones civiles aunque en ciertas aplicaciones militares no
interesa su uso.
- Propulsión aérea: Su aplicación es reducida, sólo en aviones muy pequeños
tiene algo de interés.
2.- Aplicaciones estacionarias:
- Generación de energía eléctrica: Sólo para pequeños grupos portátiles, en
cogeneración, y en centrales térmicas de pequeña potencia.
- Accionamiento industrial y agrícola (compresores, bombas, motosierras, etc.).
En propulsión terrestre, las turbinas de gas pueden presentar cierta competencia
a los alternativos si llegan a desarrollarse adecuadamente los vehículos de motor
híbrido (combustión - eléctrico) ya que en ellos es posible su funcionamiento a régimen
y carga prácticamente constantes.
En propulsión marina, la turbina de gas sólo tiene interés para aquellos casos en
que se precise una alta potencia específica (embarcaciones militares, lanchas rápidas,
etc.) y la turbina de vapor, para aquellos en los que sea interesante la utilización de
energía nuclear (rompehielos, submarinos, etc.).
En generación de energía eléctrica, las turbinas de gas libran una fuerte lucha con los alternativos en el terreno de la cogeneración. En centrales térmicas, su uso es muy reducido y debe estar justificado.
24
Tema ii Elementos constructivos de los motores de combustión interna alternativos. 1.- INTRODUCCIÓN.
2.- LA BANCADA Y EL BLOQUE DE CILINDROS.
3.- LA CULATA.
4.- EL PISTÓN. .
5.- LOS SEGMENTOS.
6.- EL BULÓN.
7.- LA BIELA.
8.- EL CIGÜEÑAL.
9.- LOS COJINETES.
10.- LA DISTRIBUCIÓN.
10.1.- Definición y funciones.
10.2.- Factores que influyen en el diseño de la distribución.
10.3.- Componentes.
10.3.1.- Árbol de levas.
10.3.2.- Empujadores o taques.
10.3.3.- Varillas.
10.3.4.- Balancines.
10.3.5.- Válvulas.
10.3.6.- Tapas de muelles y semiconos.
10.3.7.- Asientos de válvula.
10.3.8.- Guías de válvula.
10.3.9.- Muelles.
10.4.- Motores multiválvula.
25
1. INTRODUCCIÓN.
Los motores de combustión interna alternativos transforman en trabajo la energía
térmica procedente de la combustión de un combustible a través del movimiento
alternativo de un órgano llamado pistón. La relación entre este motor y la turbina de
gas es análoga a la existente entre la máquina de vapor y la turbina de vapor. Esta
analogía podría inducir a pensar que se trata de una solución técnica obsoleta. No
obstante, el grado de perfeccionamiento en el diseño y ejecución de sus componentes
hace que siga siendo la solución más ventajosa para muchas aplicaciones. Sus elevados
rendimientos y potencias específicas, así como su mejor adaptación a distintas
condiciones de trabajo y de funcionamiento (carga y velocidad), les permite encontrar
aplicación en campos tan diversos como la propulsión marina, la aviación, la
automoción y la tracción ferroviaria.
Este capítulo tratará aspectos relativos a la finalidad, características
constructivas y condicionantes del diseño de los órganos constitutivos del motor más
importantes (Ilustr. II. 1.1).
La conversión de la energía asociada al combustible en energía térmica se
realiza en la cámara de combustión. Allí, la presión originada por la combustión actúa
sobre el pistón provocando su movimiento rectilíneo. Éste, por medio de la biela,
transmitirá el movimiento y el esfuerzo al cigüeñal, que se ocupa de transformar el
movimiento rectilíneo en circular. A través del eje del cigüeñal, el motor transmitirá su
potencia al exterior mediante un movimiento rotativo. Es decir, transmitirá un par motor
a una velocidad de giro dada (Ne = Me x ω).
El conjunto pistón-biela-cigüeñal constituye las barras móviles de un sistema
biela-manivela en el que la barra fija la forman el bloque de cilindros y la bancada
26
(Ilustr. II. 1.2). Por este motivo los elementos que forman el motor pueden dividirse en
fijos y móviles. Los elementos fijos son el bloque y la culata (cierre superior de la
cámara de combustión). Por otra parte los elementos móviles son el sistema pistón-
biela-cigüeñal .y la distribución, esta última formada por los órganos que colaboran a la
apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape. Existen también elementos
auxiliares que no son clasificables según este criterio: los aros de pistón o segmentos y
los cojinetes que llevan los órganos con movimiento relativo.
Naturalmente, el MCIA lleva muchos otros elementos auxiliares indispensables
para su funcionamiento. A pesar de ello, este capítulo se centrará en los anteriormente
mencionados por ser los intervienen directamente en el proceso de transformación de
energía térmica en mecánica.
2. LA BANCADA Y EL BLOQUE DE CILINDROS.
2.1. Funciones y partes en las que se divide.
El bloque de cilindros y/o la bancada (Ilustr. II.2.1) es el elemento estructural
que soporta los elementos alternativos y giratorios del motor y, en consecuencia, sirve
de punto de aplicación de las fuerzas originadas por la combustión. Además, sirve de
anclaje de componentes periféricos del motor e integra parte de los circuitos de
refrigeración y lubricación.
Salvo en el caso de grandes motores, los cilindros y la bancada superior se
encuentran integrados en una misma pieza, formando lo que habitualmente se conoce
con el nombre de bloque de cilindros. Para el caso de motores pequeños y medios, las
partes que lo constituyen son:
27
1. Bloque de cilindros: Estructura rígida que soporta a los cilindros.
2. Bancada: Estructura rígida que soporta al cigüeñal. A su vez, se divide en dos
partes:
a) Bancada superior: Unida rígidamente al bloque de cilindros forma la parte
superior del alojamiento del cigüeñal. En motores no excesivamente grandes
transmite los esfuerzos del motor hacia el bastidor dónde vaya sustentado.
b) Bancada inferior: Constituye la parte inferior del alojamiento del cigüeñal.
2.2. Esfuerzos que actúan sobre el bloque y factores que influyen en su diseño.
El diseño del bloque debe perseguir la obtención de una estructura rígida capaz de
soportar los esfuerzos que actúen sobre él con el mínimo de deformaciones y utilizando
la menor cantidad posible de material. Para ello, el espesor debe ser mayor en aquellas
direcciones en las que actúen las principales fuerzas y menor en el resto de las paredes.
Los esfuerzos más importantes que actúan sobre el bloque son:
Los derivados de la presión de combustión.
Los derivados de la de inercia de los elementos móviles. Los de origen térmico, derivados del gradiente térmico y de la dilatación
impedida.
La consideración de los esfuerzos a los que está sometido el bloque tiene una
importancia capital en el diseño del mismo y encontrar el espesor de material idóneo es
difícil. Los espesores grandes favorecen la resistencia a los esfuerzos mecánicos
derivados de la presión de combustión y de las inercias de los elementos móviles
asociados al bloque. Sin embargo, los espesores pequeños ayudan a minimizar las
tensiones térmicas. Habrá que buscar siempre una solución de compromiso.
Las distintas alternativas de ejecución del bloque vendrán dadas por el tipo de motor
que se desee realizar y habrá que tener en cuenta un gran número de condicionantes y
factores a la hora de su diseño. Entre otros, estos factores pueden ser los siguientes:
1.- Configuración del motor.
El número y disposición de los cilindros de un motor suelen estar condicionados
por el tamaño del habitáculo disponible, por los requerimientos de suavidad de la
marcha, por el coste de fabricación y/o por la resistencia mecánica del cigüeñal. En lo
que al número de cilindros respecta, cuanto mayor sea, más suave será el
funcionamiento del motor pero mayor su coste. Por lo que se refiere a la disposición de
los cilindros, algunas de las más usuales son (Ilustr. II.2.2):
En línea: Es la disposición más sencilla y económica. Tiene gran suavidad de
funcionamiento aunque cuando el número de cilindros es elevado, el diseño del
cigüeñal se complica por las vibraciones torsionales.
En "V": Reduce la longitud y la altura del motor y, además, modificando el
ángulo de la "V" se puede controlar la altura y la anchura del motor. Es más caro
28
y su funcionamiento es menos suave salvo en el caso de V-1200 o en el motor
"Bóxer.
Estrella: Reduce la longitud del bloque al máximo. Muy utilizado antiguamente
en aviación.
2.- Tipo de refrigeración.
Para mantener las propiedades mecánicas del material de los cilindros es preciso
refrigerarlos. Dependiendo del motor y de su aplicación, esta refrigeración podrá
llevarse a cabo utilizando dos tipos de fluido refrigerante:
Aire: El pequeño coeficiente de película existente entre el aire y el cilindro hace
que sólo sea aplicable a motores no demasiado cargados térmicamente. Para
aumentar la transmisión de calor se aumenta la velocidad del aire con una soplante y
se aumenta la superficie de contacto utilizando aletas de refrigeración (Ilustr. II.2.3).
El ruido producido por las aletas y por la soplante y/o el tamaño de las aletas pueden
hacer inviable este sistema en multitud de aplicaciones.
Líquido: La refrigeración líquida resulta mucho más efectiva que la refrigeración
por aire pero obliga al diseño de las cámaras de refrigeración alrededor del cilindro.
Estas cámaras deben conseguir un flujo de líquido en toda la periferia evitando a
toda costa los puntos de remanso. Pueden aparecer problemas de cavitación
29
importantes agravados con las vibraciones del motor. El líquido utilizado
habitualmente es una mezcla de agua y etilenglicol.
3.- Tipo de camisa.
La camisa es la parte del bloque que se encuentra directamente en contacto con
el pistón haciendo de cierre lateral de la cámara de combustión. El uso de los distintos
tipos de camisas existentes (integrales, secas o húmedas) estará condicionado por sus
diferentes cualidades (Ilustr. II.2.4). Los motores sin camisa o, lo que es lo mismo, con
camisas integrales son aquellos en los que el pistón desliza por el propio bloque de
cilindros. Las camisas secas son unos cilindros de pequeño espesor que se interponen
entre el pistón y el bloque de cilindros. Este tipo de camisas tiene unas extraordinarias
propiedades mecánicas para el deslizamiento pero no tienen ninguna responsabilidad
estructural. Finalmente, las camisas húmedas son aquellas en las que el fluido
refrigerante circula directamente por su parte exterior, de ahí su nombre. Su espesor es
mayor que el de las secas pues tiene que soportar las tensiones generadas por la
combustión.
El uso de los distintos tipos de camisas estará condicionado por algunos de los
factores que a continuación se relacionan:
Longitud del bloque: Los bloques sin camisa son más cortos y los de
camisa húmeda más largos.
Vida total del motor: La utilización de camisas resulta especialmente
interesante en aquellas aplicaciones que, por su elevado grado de
utilización, la vida del motor debe ser mucho mayor que la de la superficie
del cilindro. Así, en los motores industriales la instalación de camisas es una
solución habitual, cosa que no ocurre en los motores de los turismos.
Coste de utilización: El coste de adquisición de un bloque de cilindros con
camisas es superior al de otro sin ellas y el de un bloque de camisas secas
superior al de camisas húmedas. Esto se debe a que los motores con camisa
seca requieren el mecanizado de los cilindros antes y después de ser
30
montadas, mientras que las camisas húmedas no. El coste de sustitución de
las camisas secas será, por el mismo motivo, mayor que el de las húmedas
aunque la vida de las secas pueda ser mayor. En consecuencia, el coste total
de utilización vendrá condicionado por la vida del motor, por la vida de las
camisas y por el coste de las revisiones.
4.- Tipo de distribución.
Cuando el árbol de levas va colocado en la parte lateral del bloque deben
ubicarse los conductos de engrase, los pasos de las varillas y el alojamiento del propio
árbol de levas. Si va colocado en la culata, el diseño del bloque se simplifica.
5.- Materiales.
El material utilizado en la construcción del bloque vendrá condicionado por
aspectos tales como el tamaño, el peso, el coste, la rigidez, la emisión de ruido, etc.
Existen tres posibilidades de fabricación:
Fundición de acero: Se utiliza por su elevada rigidez, bajo precio, baja
emisión de ruido y posibilidad de adoptar formas complejas. El elevado peso,
principal inconveniente de esta solución constructiva, puede hacerlo no apto
para ciertas aplicaciones.
Aleación ligera: Mejor que el de acero fundido por su menor peso, su
mayor conductividad térmica y la mejor adaptación al pistón cuando éste es
del mismo material. Sin embargo, son mayor es su coste y su emisión sonora.
Chapa soldada: La posibilidad de construir una pieza por fundición tiene un
límite de tamaño. Por ello, ésta será la única solución constructiva para los
grandes motores estacionarios y marinos.
3. LA CULATA.
3.1 Funciones y generalidades.
La culata es el elemento que cierra la cámara de combustión por su parte
superior. Aloja los conductos de admisión (pipas de admisión) (1), de escape (pipas de
escape), de refrigeración (2) y de engrase, algunos de los componentes de la
distribución (3), los inyectores (4) o las bujías, a veces una precámara de combustión y
otros elementos (5). Además, al igual que el bloque, sirve de punto de anclaje para otros
elementos del motor.
31
La culata es una de las partes del motor cuyo diseño es más difícil debido a: <&
La propia complejidad geométrica.
La carga mecánica que debe soportar a causa de la presión de la cámara de
combustión.
La carga térmica: Gradiente térmico existente a causa de la presencia de la
propia cámara de combustión y de los conductos de admisión, escape,
refrigeración y engrase.
3.2.- Factores que influyen en el diseño de la culata.
A continuación se analizan algunos de los factores más importantes que
condicionan el diseño de la culata.
1.- Número de válvulas por cilindro.
32
Las elevadas exigencias de los motores modernos obligan a mejorar los procesos
de renovación de la carga y de combustión. Para ello, en multitud de ocasiones se
recurre al aumento del número de válvulas por cilindro, a pesar de que el uso de una
válvula para la admisión y otra para el escape (Ilustr. II. 3.2) sigue siendo acertada para
motores con unas exigencias no muy elevadas. No obstante, tendrá ocasión de
comprobarse que el interés de los motores multiválvula (Ilustr. II.3.1 v II.3.3) va mucho
más allá del simple incremento del área de paso. A continuación se enuncian algunas de
las ventajas e inconvenientes más importantes de su uso.
Mayor área de paso y, por ello, mejor renovación de la carga. Este efecto se
hace más patente cuando las válvulas están inclinadas.
El puente de válvulas se encuentra situado en una zona menos cargada
térmicamente.
El inyector o la bujía pueden colocarse verticalmente en el centro de la cámara
de combustión con las ventajas que ello implica por la mayor simetría del
proceso de combustión.
Las distintas pipas de admisión pueden generar distinto tipo de turbulencia en la
cámara de combustión. Controlando el flujo por cada una de ellas es posible
modificar la turbulencia en función de las condiciones operativas, aspecto vital
en los MEP de inyección directa.
El aumento del número de pipas de admisión y escape y la mayor complejidad
del sistema de distribución dificultan su diseño y su fabricación y, en
consecuencia, su coste es más alto.
La adopción de un sistema u otro dependerá del tipo de motor que se esté
diseñando. La tendencia actual es hacia los motores multiválvula, que a altas
revoluciones consiguen mantener un rendimiento muy superior a los de dos
válvulas por cilindro. Lo más usual es montar cuatro válvulas por cilindro: dos de
admisión y dos de escape. Sin embargo, también se recurre a las tres válvulas por
cilindro, dos de admisión y una de escape.
33
2.- Número de cilindros cubiertos.
Cuando el diámetro del cilindro de un motor es inferior a 100 mm resulta
habitual el empleo de culatas de una única pieza (enterizas - Ilustr. II.3.2). Sin embargo,
para motores mayores y, en consecuencia, con mayor diámetro de cilindro, el uso de
culatas partidas o culatines individuales (Ilustr. II. 3.4) presenta ciertas ventajas desde el
punto de vista del diseño. La adopción de una u otra solución va a depender de los
requerimientos del propio motor y del balance de las ventajas e inconvenientes que ello
conlleva. Algunas de las ventajas e inconvenientes más importantes al reducir el número
de cilindros cubiertos por la culata se enuncian a continuación:
El sellado entre culata y bloque mejora.
Las cargas térmicas son menores.
La fundición es más sencilla.
Es posible normalizar los culatines y hacerlos aptos para diferentes motores.
La distancia entre cilindros aumenta.
El peso y el coste del motor y de la culata aumentan.
El árbol de levas en cabeza hace necesario el uso de culatas enterizas.
Las conexiones entre los conductos de refrigeración y engrase deben
realizarse por el exterior.
En resumen, las culatas enterizas son soluciones baratas aptas para ser aplicadas
en pequeños motores de gran serie pero que pierden parte de su interés en motores
industriales. Una solución intermedia muy usada es el empleo de culatas partidas que
cubren 2 ó 3 cilindros simultáneamente.
34
3.- Tipo de cámara de combustión
La cámara de combustión del motor marca profundas diferencias entre las
culatas de distintos motores (Ilustr. II. 3.5). Los MEC de inyección indirecta (MEC IDI)
llevan la precámara labrada en la culata mientras que los MEC de inyección directa
(MEC DI) no. Este hecho hace que la culata de los primeros presente dificultades de
diseño añadidas. Los MEP suelen llevar labrada en la culata la cámara de combustión
aunque al tratarse de cámaras abiertas no complica su diseño. En este tipo de motores
también existe la posibilidad de que la cámara vaya labrada en el pistón (“System
Porsche”).
4.- Forma y disposición de los conductos de admisión y escape.
La disposición de los colectores de admisión y escape en la culata determina el
tipo de flujo que el fluido tiene en el motor dotándole de ciertas ventajas e
inconvenientes (Ilustr. II.3.6). Existen dos formas posibles:
a) Flujo Paralelo: Los colectores de admisión y de escape se encuentran en el
mismo lado.
b) Flujo Cruzado: Los colectores de admisión y de escape se encuentran en
lados distintos.
35
El flujo paralelo incrementa las tensiones térmicas por la alternancia de zonas
frías y calientes y empeora el rendimiento volumétrico por la transferencia de calor
entre los colectores. Por otra parte, tiene la ventaja de tener libre uno de los lados de la
culata para la colocación de otros elementos y accesorios.
La forma de los conductos, especialmente los de admisión (Ilustr. II.3.7),
condiciona también el diseño de la culata. En función del tipo de motor existen distintos
tipos de conductos:
a) Direccionales: Utilizados en la admisión de los MEP y de los MEC-IDI,
tienen un coeficiente de gasto elevado y no generan torbellino (swirl) en el flujo de
admisión.
b) Helicoidales: Utilizados en la admisión de los MEC-DI, generan torbellino
(swirl) en el flujo de admisión. Tienen un coeficiente de gasto bajo a causa del
aumento de la fricción y de la reducción del área efectiva de paso.
c) De escape: En los conductos de escape, aún a costa de sacrificar su
coeficiente de gasto, se alarga la guía para mejorar la refrigeración de la válvula. Las
velocidades admisibles son superiores a las de las pipas de admisión.
36
5.- Tipo de distribución.
Cuando el árbol de levas se coloca en la culata, generalmente en su parte
superior, deben ubicarse sus apoyos y cojinetes y nuevos conductos de engrase (Ilustr.
II.3.8).
6.- Tipo de refrigeración.
La refrigeración de la culata es uno de los factores que influyen de forma más
importante en su diseño por ser éste uno de los elementos del motor que se ve sometido
a mayores cargas térmicas. Las opciones existentes en cuanto al tipo de refrigeración
son, al igual que para el bloque, la refrigeración líquida y la refrigeración por aire. La
refrigeración debe evacuar el calor de las zonas más calientes, en especial:
El puente de válvulas.
Los conductos de escape.
La zona del inyector en los MEC.
La garganta de la precámara de los MEC-IDI.
La refrigeración por aire (Ilustr. II. 2.3.) tiene serias limitaciones para motores con
elevada carga térmica. La menor efectividad de este sistema obliga a utilizar aletas de
refrigeración de aluminio.
La refrigeración líquida (Ilustr. II. 3.1) es más efectiva y resulta más adecuada para
motores con altas exigencias pero complica el diseño geométrico de la culata al utilizar
galerías por las que debe circular el refrigerante. Es importante evitar la formación de
remansos en la circulación del refrigerante, ya que en estos puntos podrían formarse
burbujas de vapor que reducirían drásticamente la transmisión de calor y ocasionarían
aumentos locales de temperatura.
Los espesores de las paredes de las cámaras de refrigeración de la culata deben ser
estudiados con cuidado. Las paredes gruesas aumentan la resistencia frente a las cargas
37
mecánicas pero son perjudiciales frente a las tensiones térmicas. Habrá que buscar una
solución de compromiso.
6.1.- Indicador de alta temperatura del cilindro (indicador de Temperatura de Culata)
Para controlar la temperatura de la culata, algunos aviones están equipados con
un instrumento en cabina que muestra en todo momento la temperatura producida.
Este indicador, toma la temperatura de dos formas, dependiendo del constructor:
Puede tomarse de cada uno de los cilindros y dar una indicación ponderada
(media)
O por medio de un sensor de temperatura en el cilindro que el fabricante
considera critico o más desfavorecido.
7.- Materiales.
El material empleado en la fabricación de la culata debe poseer alta resistencia,
bajo coeficiente de dilatación y buena conductividad térmica. Su precio y su peso son
también factores a tener en cuenta. La fundición gris y las aleaciones de aluminio son
los materiales empleados de forma más habitual. En los MEC resulta habitual el uso de
la fundición de hierro. En los MEP se hace más necesario el empleo del aluminio para
mejorar la refrigeración de la cámara de combustión y evitar la autoinflamación.
8.- Sistema de lubricación en los motores de aviación
La función de un sistema de lubricación es proporcionar un fluido lubricante,
aceite, al motor a determinada presión y en suficiente cantidad, para conseguir:
Reducir el rozamiento entre las piezas metálicas del motor.
Rellenar imperfecciones internas de forma que siempre exista contacto entre
superficies lubricadas (reducir igualmente el rozamiento)
Disminuir el calor generado en las zonas más calientes del motor, absorbiendo
parte del calor.
Proteger de oxido y corrosión al motor.-> Por medio de aditivos
En los motores de aviación, de combustión interna de cuatro tiempos, el método
de lubricación que se emplea es la adición de aceite lubricante al motor.
Existen dos métodos de lubricación:
Por cárter húmedo (más utilizado en aviación ligera )
Por cárter seco.
En los motores de cárter húmedo, el aceite se aloja en el propio cárter del motor.
En los motores de cárter seco, el aceite se aloja en depósitos externos y es
necesario el uso de una bomba de recuperación para conducir el aceite al depósito. ( Se
usan en motores "de estrella")
38
8.1.-Requisitos de la bomba de aceite y filtro de aceite. Como la bomba de aceite es accionada por el motor, a mayor velocidad de giro
de motor, corresponderá mayor velocidad de giro de la bomba, lo que significa un
mayor caudal de aceite y con ello una mayor presión.
Para evitar los excesos de presión, las bombas de aceite utilizan una válvula de
alivio de presión, que retorna el aceite sobrante al cárter.
El filtro de aceite forma parte del circuito de engrase del motor. Este filtro
permite limpiar el aceite filtrando los contaminantes, impurezas. etc.
Para evitar que el sistema de lubricacion pueda quedar bloqueado, en el caso de
obstrucción del filtro de aceite, existe una válvula de derivación ( bypass ) que evita este
filtro y pasa el aceite al circuito para evitar que el motor se quede sin lubricar.
Hay que tener en cuenta que en este caso, el aceite no iría filtrado, por lo que
sería un aceite sucio el que circularía. por lo que habría que cambiar el filtro lo antes
posible.
8.2.- Calidades y grados de aceite.
Hay tres tipos de aceite:
1. Aceite Mineral. Derivado del petróleo.
La principal característica de estos aceites es el haber logrado que por aditivos
dispersantes, las impurezas pierdan Ia capacidad de adherirse unas a otras. Para
ello, las partículas son dotadas de propiedades electroestáticas que provocan que
las impurezas se mantengan en suspensión hasta que son atrapadas por el filtro.
2. Aceite Sintético.
El aceite sintético hace que el lubricante que ha permanecido adherido a las
piezas del motor durante más tiempo, permita el arranque con muy bajas
temperaturas y en aviones que lleven tiempo sin operar.
Este aceite se degrada menos que el aceite mineral, por lo que es posible su
utilización durante más tiempo.
Tiene el inconveniente de resblandecer la goma y los materiales relacionados
con el caucho.
3. Aceite Semisintético.
Combinación de los anteriores.
8.3.- Grados del aceite.
La SAE ( Society of Automotive Engineers ) establece los grados de viscosidad
del aceite, según Ia norma SAE J-300.
39
Esta gradación está relacionada con una serie de características físicas y
químicas que exigen a cada uno de ellos, tales como viscosidad, punto de inflamación,
punto de fluidez. etc.
8.4.-Control de la temperatura y de la presión del aceite.
EI control de ambos parámetros se realiza mediante instrumentos de cabina.
La temperatura del aceite se mide, normalmente, por medio de un sensor
eléctrico colocado a la entrada del aceite en el motor.
El control de la presión de aceite, se efectúa a la salida de la bomba de aceite.
Esta presión se mide en Libras por pulgada cuadrada ( psi ).
8.5.- Métodos de enfriamiento del aceite.
Parte del calor generado por la combustión es absorbido por el aceite, pero es
necesario un sistema completo de refrigeración.
Normalmente el sistema de refrigeración de aceite consta de las siguientes
partes:
Un radiador de aceite en el que el aceite cede calor al paso del aire fresco por
el mismo.
Una válvula reguladora de flujo ( termostática ), que regule el caudal de aire
en todo momento en función de la temperatura adquirida.
Una válvula limitadora de presión, para impedir el paso del aceite con muy
baja temperatura.
Un sistema de regulación ( persianas o aletas ) del caudal de aire que incide
sobre el radiador de aceite.
8.5. Reconocimiento del mal funcionamiento del sistema de enfriamiento del aceite.
Si se producen oscilaciones anormalmente altas o bajas en los indicadores de
presión y temperatura del aceite, se puede producir un fallo en este sistema.
Hay que comprobar si las persianas del motor están abiertas, incrementar la
velocidad y reducir la potencia del motor. Chequear Presiones y Temperaturas,
Si el fallo continua es recomendable aterrizar lo antes posible.
4. EL PISTÓN
4.1 Definición, funciones y partes.
El pistón es el órgano del motor de combustión interna alternativo que actúa de
cierre móvil inferior de la cámara de combustión desplazándose por el interior del
cilindro. Sus funciones fundamentales son:
40
Transformar la energía térmica de la combustión en energía mecánica y
transmitirla al siguiente elemento de la cadena cinemática, la biela.
Sellar inferiormente la cámara de combustión con ayuda de los segmentos.
Eliminar parte del calor no transformado en trabajo hacia el cilindro por medio
de los segmentos.
Controlar la entrada de gases al cilindro y su posterior salida en los motores de
2 tiempos.
En los motores de cuatro tiempos de inyección directa y en los de dos tiempos
es, en parte, responsable de generar un flujo adecuado de la carga fresca en la
cámara de combustión.
Para desempeñar todas estas funciones, el pistón consta de tres partes claramente
diferenciadas:
Cabeza: Es la parte superior del pistón. Se encuentra en contacto directo con la
cámara de combustión y, por lo tanto, es la zona más cargada térmica y
mecánicamente, lo que requiere tratamientos térmicos y superficiales adecuados.
Portasegmentos: Es la zona del pistón dónde se alojan los aros o segmentos.
Para mejorar las propiedades mecánicas y térmicas de esta zona se colocan
insertos de materiales especiales en los alojamientos de los segmentos.
Falda del pistón: Es la parte inferior del pistón. Se encarga del guiado del
pistón, de la transmisión del calor al cilindro y de soportar los esfuerzos
transversales y de fricción a los que el pistón se encuentra sometido.
4.2. Esfuerzos que actúan sobre el pistón y factores que influyen en su diseño.
Sobre el pistón actúan los esfuerzos debidos a los siguientes conceptos (Ilustr. II.
4.1):
Su propia inercia.
La presión en la cámara de combustión (MEC: 80-180 bar y MEP: 50-90
bar).
El rozamiento, choques y la reacción con el cilindro.
La reacción con la biela.
Tensiones térmicas originadas por la combustión (Férreos: 350-500°C y
aleación ligera 250 - 380°C).
41
Ilustr. II.4.1.- Fuerzas que actúan sobre el pistón
4.2.1. Tipo de motor
Las funciones que desempeña el pistón y las condiciones de trabajo a las que se
encuentra sometido van a determinar su forma. Pero estas funciones y condiciones de
trabajo van a verse afectadas por el tipo de motor, especialmente en lo que se refiere al
proceso de combustión y velocidad de giro. Por un lado, la forma de la cabeza
dependerá del proceso de combustión que en el motor tenga lugar. Las formas más
habituales (Ilustr. II.4.2) son:
MEC-IDI y MEC-DI de baja turbulencia: Forma plana (b, d, e).
MEP-IDI: Forma plana o ligeramente abombada (a, b, c).
MEC-DI de alta turbulencia: Aloja la precámara de combustión
(Cámara Saurer) (f, g, h).
MEP-DI: Provisto de una cuña deflectora de geometría compleja
responsable, junto con las pipas de admisión y el equipo de inyección, de la
preparación de la mezcla,
Motores de 2 tiempos de admisión o barrido por cárter: Disponen de una
cuña deflectora que se encarga de dirigir convenientemente los flujos de
admisión y escape.
En general: Cuando en las proximidades del PMS existe peligro de contacto
entre las válvulas y el pistón se labran en la cabeza cavidades específicas que
lo evitan (b, d).
42
4.2.2. Condiciones de trabajo.
El gradiente de temperaturas existente entre la cabeza del pistón y la falda
(Ilustr. II.4.3), así como el desigual reparto de material como consecuencia del moyú
(zona donde se aloja el bulón) hacen que el perfil deba tener una geometría muy
particular:
El portasegmentos tiene forma cónica, más estrecho en su parte superior, para
compensar la dilatación desigual que va a ocasionar la diferencia de temperatura.
El perfil de la falda es abarrilado para compensar la dilatación no uniforme y
para mejorar el guiado del pistón. A veces la falda está incompleta con el fin de
eliminar material innecesario y conseguir reducir la masa alternativa o,
incluso, con el fin de no tropezar con el cigüeñal en las proximidades del
PMI.
La sección transversal del pistón es oval o elíptica con el eje mayor
perpendicular al alojamiento del bulón. Esto se debe a que la mayor cantidad de
material de esta zona provoca una mayor dilatación en esta dirección. En
definitiva, estas soluciones persiguen que la geometría del pistón se aproxime lo
más posible a un cilindro cuando el motor esté funcionando.
43
4.4.3. Refrigeración. Al ser los pistones uno de los elementos más cargados desde el punto de
vista térmico debe tenerse previsto un sistema de refrigeración (Ilustr. II.4.4). El caso
más usual es la refrigeración por chorros de aceite que parten desde la cabeza de la
biela, desde el pie de la biela o desde alguna boquilla fija situada en el bloque (a, b). No
obstante, para el caso de motores diesel grandes se suele recurrir a la refrigeración por
circulación forzada de aceite o incluso de agua en los mayores (c, d, e).
4.4.4.- Materiales.
El material utilizado en la fabricación del pistón debe cumplir, entre otros, los
siguientes requisitos, incluso cuando funcionan a una temperatura elevada:
44
Alta resistencia al desgaste por deslizamiento, al rayado y al gripado.
Resistencia mecánica estática y a la fatiga.
Conductividad térmica elevada.
Estabilidad dimensional y dilatación térmica controlada.
Bajo peso específico.
Maquinabilidad
Antiguamente el material más utilizado para la fabricación de pistones era la
fundición de hierro. Este material es el usado habitualmente en los cilindros y, por ello,
ambos elementos tienen el mismo coeficiente de dilatación, lo que supone una ventaja,
importante. Actualmente, el uso de aleaciones ligeras que consiguen reducir su masa e
inercia se ha generalizado. No obstante, este material presenta dos inconvenientes.
Menor resistencia térmica y mecánica.
Coeficiente de dilatación 1.5 veces superior al del bloque cuando éste último es
de fundición de hierro.
Estos inconvenientes obligan a adoptar ciertas medidas especiales que complican el
diseño (los dos primeros no serán necesarios cuando se usen bloques de aleación ligera):
Aumentar las holguras entre cilindro y pistón → Aumenta el ruido.
Colocar anillos de expansión controlada, que impiden parcialmente la dilatación
radial del pistón.
Aplicar tratamientos térmicos y superficiales que eviten un desgaste prematuro o
el agrietamiento.
Colocar piezas postizas de acero sinterizado o materiales cerámicos en las zonas
más cargadas térmica o mecánicamente (cámara Saurer o alojamiento del
primer segmento).
5. LOS SEGMENTOS.
5.1 Definición y funciones.
Los segmentos, también llamados aros por su forma, son los elementos que se
encargan de garantizar la estanqueidad entre el pistón y el cilindro, separando así la
cámara de combustión del cárter. Sus misiones fundamentales son:
Hermetizar la cámara de combustión: impedir el paso de los gases de
combustión al cárter y del aceite lubricante a la cámara de combustión.
Transmitir calor desde el pistón al cilindro.
La forma de los segmentos, anillo abierto, garantiza la presión uniforme sobre las
paredes del cilindro. Cuando el motor se encuentra en funcionamiento, la ranura del
segmento se debe cerrar casi por completo pero nunca totalmente para evitar el gripado.
45
5.2. Tipos.
Los segmentos se clasifican en función de su finalidad y/o de su forma, aspectos que
están íntimamente ligados (Tabla II.5.1):
De compresión o estanqueidad; Garantizan la hermeticidad de los gases de la
cámara de combustión. La forma de su sección tiene fines específicos como
reducir el consumo de aceite, disminuir el tiempo de rodaje, disminuir el paso de
gases al cárter (soplo del motor), etc. Formas habituales son: rectangular,
trapecial, de periferia cónica, rascador, abarrilado, torsional etc.
De engrase: Garantizan la hermeticidad del aceite del cárter. Su finalidad es
recoger el aceite depositado en las paredes del cilindro y, a través de unos
orificios que comunican con el cárter, conducirlo a él. A veces, para aumentar la
presión de contacto con el cilindro llevan en su interior un muelle helicoidal que
los empuja contra la pared del mismo. La forma de su sección difiere de los
segmentos de compresión por el distinto cometido que tienen encomendado.
5.3. Materiales.
Los materiales empleados para la fabricación de los segmentos deben tener las
siguientes características:
Buenas cualidades de deslizamiento, incluso con engrase precario.
Buen comportamiento elástico, incluso a alta temperatura.
46
Alta conductividad térmica.
Elevada resistencia al desgaste y a la rotura.
Estabilidad térmica. Fácil mecanizado.
Por todo ello se suele utilizar acero o fundiciones grises con grafito laminar y
esferoidal, con un posterior tratamiento térmico para reducir su coeficiente de
rozamiento. También se les suele dar un baño de Cromo o Molibdeno para aumentar su
resistencia al desgaste o abrasión.
6. EL BULÓN.
6.1 Definición y tipos.
El bulón es el elemento que sirve de unión y transmite los esfuerzos entre el
pistón y la biela. Este elemento se calcula a flexión y a fatiga y sus dimensiones están
muy relacionadas con el tipo de motor y con el diámetro del cilindro.
El tipo de fijación del bulón a la biela y al pistón (Ilustr. II.6.1) viene
condicionado por la presión de contacto entre el pistón y el bulón. Así, las
configuraciones más habituales son:
Bulón flotante en biela y pistón (a): Utilizado en motores muy cargados (MEC
y MEP-2T).
Bulón fijo a biela y flotante en pistón (b): Utilizado en motores menos cargados
(MEP-4T).
Bulón fijo a pistón y flotante en biela: Menos usado.
47
6.2 Materiales.
Los bulones son elementos que requieren gran dureza superficial pues deben
trabajar en condiciones de lubricación precaria y, en consecuencia, se ven sometidos a
una fricción importante. Por otro lado, el núcleo debe tener una elevada resistencia y
módulo elástico para soportar los importantes esfuerzos que debe transmitir. El acero, al
Cr-Ni cementado cumple muy bien con dichas especificaciones aunque también es
común el uso de acero con alto contenido de carbono con tratamiento de bonificado y
temple superficial.
7. LA BIELA.
7.1 Definición, partes y esfuerzos que soporta.
La biela es el elemento encargado de transmitir al cigüeñal los esfuerzos
generados por la combustión sobre el pistón, para que el cigüeñal termine convirtiendo
el movimiento alternativo del pistón en rotativo. La biela está compuesta por tres partes
básicas:
Cabeza de la biela: Extremo más ancho de la biela por dónde se realiza la unión
al cigüeñal.
Cuerpo de la biela o caña: Parte central que sirve para conectar la cabeza y el
pie de biela. Tiene forma de doble T para soportar adecuadamente el pandeo y
se fabrica con grandes radios de acuerdo para evitar la concentración de
tensiones.
Pié de biela: Extremo más estrecho de la biela por dónde se une al pistón a
través del bulón.
Los esfuerzos más importantes que la biela soporta se enuncian a continuación:
48
La combustión de los gases origina esfuerzos de compresión importantes. Por
tratarse de una pieza esbelta el cálculo a pandeo resulta vital.
La aceleración longitudinal del conjunto biela-pistón, especialmente en las
proximidades del PMS de escape, somete a la biela a esfuerzos de tracción
considerables como consecuencia de la inercia del conjunto.
La aceleración transversal de la biela, especialmente en la zona central de la
carrera, somete a la biela a esfuerzos de flexión considerables como
consecuencia de su inercia.
La combinación de estas fuerzas se traduce en que la biela trabaja a tracción-
compresión de forma alternativa, combinados con esfuerzos de flexión que pueden
aumentar el problema del pandeo. La sección de la caña se diseñará persiguiendo
obtenerla resistencia suficiente con la mínima masa, para así disminuir la inercia. Por la
forma de trabajo de la biela se puede adivinar que el estudio a fatiga resulta primordial.
7.2. Factores que influyen en el diseño de la biela.
La elección de un tipo de biela u otro vendrá dada, lógicamente, por el tipo de
motor. Su diseño debe ser acorde con las solicitaciones a las que se ve sometida
procurando, además, un coste de fabricación bajo. Tres aspectos importantes a tener en
cuenta a la hora del diseño son:
1.- Material
Los materiales utilizados en la fabricación de las bielas son fundamentalmente:
Aceros aleados y aceros al carbono: Es el material más resistente aunque
presenta como contrapartida su elevado peso. Se fabrican por forja.
49
Fundición nodular: Las bielas de fundición tienen la ventaja de ser las más
baratas aunque su resistencia menor y su peso igual o superior a las de acero.
Se fabrican por fundición en moldes de arena.
Aleaciones ligeras: Este material tiene menor resistencia y mayor coste que los
anteriores pero su menor densidad reduce inercias y las hace idóneas para
motores que giran a alta velocidad. Su fabricación también es por fundición.
2.- Forma de partición de la cabeza de biela.
La partición de la cabeza de la biela viene condicionada por criterios de montaje
y desmontaje. Así, cuando el ancho de la cabeza de biela es mayor que el
diámetro del cilindro, es necesario realizar una partición inclinada si se pretende
desmontar el pistón sin desmontar el cigüeñal. Por ello, la partición de la cabeza de la
biela puede realizarse de dos formas diferentes:
Partición recta: Se utiliza cuando el tamaño de la cabeza de la biela no impide
su desmontaje a través del cilindro (Ilustr. II. 7.1).
Partición oblicua: Se utiliza en el caso de que la cabeza de la biela no pueda
pasar a través del cilindro. Este tipo de partición obliga al mecanizado de
dentados en la superficie de asiento de ambas partes evitando así el
deslizamiento de las mismas (Ilustr. II.7.3).
3.- Forma de ejecución del pie de biela.
La forma del pie de biela resulta fundamental pues de ella depende la magnitud
de las tensiones de contacto entre los distintos elementos del conjunto pistón-bulón-
biela. En función de la carga mecánica del motor, el pie de biela puede adoptar dos
formas:
Pie de biela recto: El utilizado en aplicaciones no demasiado cargadas
mecánicamente.
50
Pie de biela trapecial: Se emplea en motores sobrealimentados sometidos a
elevadas presiones de combustión. Persigue reducir las tensiones mecánicas
originadas por la combustión, aumentando el área de transmisión del esfuerzo
tanto entre el pistón y el bulón como entre el bulón y la biela. También se
consigue disminuir la flexión del bulón al aplicar el pistón más centradas las
fuerzas.
4.- Disposición de los cilindros y tipo de motor.
La biela puede adoptar una geometría peculiar cuando se trata de motores en los
que una muñequilla del cigüeñal debe servir de soporte a varias cabezas de biela
(motores con cilindros en "V" o en "estrella") (Ilustr. II. 7.5):
Biela maestra y bieleta: Muy utilizada en los motores en V y en estrella. La
biela principal lleva en su parte lateral, junto a la cabeza, el alojamiento para
un bulón que permite su conexión con una bieleta de la que recibirá los
esfuerzos de otro cilindro. Tiene como peculiaridad que las carreras de los
pistones que conectan son distintas (Ilustr. II. 7.5).
Montaje en horquilla: En este caso, el punto de anclaje de ambas bielas se
desplaza al eje de la cabeza por lo que la carrera que determinan es idéntica.
La biela principal dispone en la zona de la cabeza de un casquillo cilíndrico
que sobresale y que sirve de bulón de conexión con la otra biela, que tiene
forma de horquilla para mantener el mismo plano de giro (Ilustr. II.7.5).
Bielas gemelas: Son bielas idénticas que se colocan una a continuación de la
otra sobre la misma muñequilla del cigüeñal. Este sistema hace que los planos
de rotación de ambas bielas se encuentren ligeramente desplazados,
aumentando así la longitud del bloque.
51
8. EL CIGÜEÑAL.
8.1 Definición, partes y esfuerzos que soporta.
El cigüeñal es el elemento que transforma, en última instancia, el movimiento
rectilíneo alternativo del pistón en rotativo. De igual forma, el esfuerzo lineal recibido
del pistón a través de la biela queda convertido en un par, conocido como "Par motor".
Se puede decir que el cigüeñal es una viga continua simplemente apoyada en "n" puntos
con una serie de codos decalados entre sí un cierto ángulo en el que pueden
diferenciarse las siguientes partes (Ilustr. II.8.1):
Muñequillas: Zonas cilíndricas por dónde se conectan las bielas.
Apoyos: Zonas cilíndricas que sirven de apoyo y de puntos de transmisión de
fuerzas a la bancada.
Palas: Placas que unen las muñequillas con los apoyos.
52
Contrapesos: Las masas que, a modo de prolongación de las palas, sirven para
equilibrar dinámicamente el conjunto pistón-bulón-biela-cigüeñal. Pueden ser
integrales o postizos (atornillados).
El cigüeñal soporta distintos esfuerzos:
Fuerzas transmitidas por las bielas: Las debidas a la combustión y las fuerzas
de inercia del conjunto pistón-bulón-biela.
Fuerzas debidas al propio cigüeñal: Las de inercia y las causadas por las
vibraciones torsionales.
Otros: Momentos aplicados por el accionamiento de elementos auxiliares
(distribución, bomba de aceite, bomba de inyección, etc.).
La composición de estos esfuerzos hace que el cigüeñal trabaje a flexión y torsión
combinadas. No obstante, debido al carácter alternante de los esfuerzos que intervienen,
su cálculo se hace a fatiga. El estudio dinámico conduce a la determinación de las
velocidades de rotación para las que el cigüeñal entra en resonancia. Dichas
"velocidades críticas " deben estar lejos de las de funcionamiento normal del motor.
8.2. Alternativas de ejecución.
Hoy en día también se pueden obtener por fundición y se deben tener en cuenta
los siguientes puntos:
Proceso de fabricación: La fabricación por forja en frío y/o en caliente es el
sistema de fabricación que permite obtener las mejores propiedades mecánicas
del cigüeñal aunque también el de mayor coste. La fabricación de cigüeñales
forjados en motores de 2 ó 4 cilindros es relativamente sencilla, pero cuando es
mayor el número de cilindros el proceso se complica al no estar todos los, codos
sobre el mismo plano. Para cigüeñales no demasiado cargados o de geometría
compleja, el uso de fundición resulta más económico y más versátil. Tanto para
los cigüeñales forjados como para los fundidos, las muñequillas y los apoyos son
finalmente mecanizados y tratados.
Materiales: Para cigüeñales forjados se suele utilizar aceros aleados con Cr-Mo,
con Cr-Mn o con Cr-Ni-Mo. Mientras que en los fundidos es la fundición con
grafito esferoidal la más adecuada.
Tratamientos: Tras mecanizar los apoyos, muñequillas y radios de acuerdo se
les debe de dar algún tipo de tratamiento para aumentar su resistencia mecánica
y dureza. El temple por inducción (Ilustr. II.8.2.c) o la nitruración son
soluciones habituales. No obstante, después del temple se debe realizar un
rectificado de la superficie y después de la nitruración, un pulido. Realización de
los radios de acuerdo (Ilustr. II.8.2.a-b): Los radios de acuerdo entre las
muñequillas o los apoyos y las palas tienen una importancia vital en la
resistencia mecánica a la fatiga del cigüeñal. Por ello, la dureza y el acabado
superficial de estos radios deberán ser adecuados. Estos acuerdos pueden
fabricarse mediante rectificado o bien mediante rulinado. El rulinado es un
proceso de conformación por deformación en frío (forja) en el que unos rodillos
con forma llamados "rulinas " consiguen un acabado superficial de calidad.
53
Número de apoyos: Los MEP de altas prestaciones y los MEC llevan n+1
apoyos, siendo n el número de muñequillas, esto es, llevan un apoyo intercalado
entre cada dos muñequillas (Ilustr. II.8.3). Habitualmente, los MEP llevan n/2
+1 apoyos, es decir, el apoyo va intercalado entre cada dos parejas de
muñequillas (Ilustr. II.8.1). La relación entre el número de apoyos y el número
de muñequillas viene condicionado por la carga mecánica transmitida por las
bielas al cigüeñal. Por ello, los motores diesel, cuya presión de combustión es
mayor, utilizan mayor número de apoyos.
9. LOS COJINETES.
9.1 Definición, propiedades y partes.
Los cojinetes son las piezas que se interponen entre los distintos elementos del
motor que tienen entre sí un movimiento relativo rotativo u oscilante, con el fin de
reducir el rozamiento. Para su correcto funcionamiento requieren lubricación
hidrodinámica (Ilustr. II.9.1.a). Deben poseer las siguientes propiedades:
Resistencia mecánica, fundamentalmente a fatiga.
Deformabilidad: Capacidad de deformarse para adaptarse a la forma del eje.
54
Embebilidad: Capacidad para embeber pequeñas partículas de polvo o virutas
que puedan dañar
al cigüeñal.
Compatibilidad: Dificultad para formar soldadura con sus ejes.
Resistencia a la corrosión: Capacidad de soportar los contaminantes químicos
del aceite.
Resistencia a la alta temperatura: Su temperatura de funcionamiento alcanza los
150°C.
Alta conductividad térmica: Permite evacuar el calor generado por la fricción
viscosa y evita su calentamiento.
En general, los cojinetes o semicojinetes tienen dos partes claramente diferenciadas
(Ilustr. II 9.1. b, c):
Soporte o tejuelo: Es la parte estructural de la pieza y sirve para soportar el
material antifricción.
Material antifricción: Se deposita sobre el tejuelo por fusión o sinterizado y, al
ser la parte que está en contacto con el eje, es la que confiere las propiedades
características al cojinete. Está formada por una o varias capas de materiales
(cojinetes bimetálicos o trimetálicos) para que el conjunto posea las propiedades
anteriormente mencionadas. La unión de las distintas capas se realiza mediante
una microcapa de níquel que aumenta la adherencia y evita la difusión del
estaño de la capa de rodadura.
Nota: La menor resistencia a la fatiga y la posibilidad de rotura repentina de los
rodamientos hace que su uso en los MCIA quede restringido a aquellas aplicaciones que
carecen de engrase a presión. Así, los pequeños motores de 2T cuyo engrase se realiza
por mezcla, no usan cojinetes.
9.2. Materiales.
El soporte o tejuelo está fabricado con acero suave. En lo que se refiere al
material antifricción existen varias posibilidades:
Metal blanco: Aleaciones a base de plomo, estaño y cobre, siendo alguno de los
primeros el componente principal. Actualmente están en desuso por su baja
capacidad de carga.
55
Cupro-plomo: No son aleaciones, son mezclas en las que el cobre forma una
matriz porosa que aloja al plomo en sus intersticios. Se pretende unir la
resistencia mecánica del cobre con las propiedades antifricción del plomo. El
inconveniente de esta mezcla es la tendencia al gripaje y la tendencia a la
corrosión del plomo, motivos por los cuales se suele recubrir con una capa de
metal blanco (capa de rodadura). Dentro de este grupo se encuentran también
los bronce-plomos con porcentajes considerables de estaño.
Aleación de aluminio: Aunque tienen menor resistencia mecánica que los cupro-
plomos no necesitan de la incorporación de la capa de metal blanco
(bimetálicos). Son típicas las aleaciones con Al-Sn o Al-Si aunque esta última
necesita recubrimiento con metal blanco.
9.3. Forma
Los cojinetes pueden clasificarse según los esfuerzos que deben soportar y según
su forma del siguiente modo (Ilustr. II.9.2):
Axiales: Cuando la componente principal del esfuerzo a soportar tiene la
dirección del eje. Tienen forma de corona circular si son enterizos o de
semicorona si son partidos (p.e. los cojinetes axiales del cigüeñal).
Radiales: Cuando la componente principal del esfuerzo a soportar tiene la
dirección perpendicular al eje. Tienen forma de cilindro si son enterizos (los del
árbol de levas) o de semicilindros si son partidos, caso más habitual (los de
bancada).
56
10. LA DISTRIBUCIÓN.
10.1 Definición y funciones.
El funcionamiento de los MCIA exige la introducción a la cámara de
combustión del aire, la compresión y combustión de la mezcla y por último, la
expulsión de los gases quemados. La distribución es, precisamente, el conjunto de
mecanismos o dispositivos que regulan la entrada de los gases a la cámara de
combustión y su posterior salida. Para ello las válvulas que controlan la entrada y salida
de la cámara deben abrir y cerrar en el momento oportuno de forma fiable y silenciosa y
con un desgaste y consumo de potencia reducidos.
El accionamiento de las válvulas se hace desde el cigüeñal a través de ciertos
elementos intermedios, por ello, su movimiento estará sincronizado con el del cigüeñal
y, en consecuencia, con el de los pistones. Este sincronismo permite:
La entrada de los gases frescos al cilindro cuando el pistón desciende en su
carrera de admisión.
La estanqueidad de la cámara de combustión cuando el pistón asciende a lo
largo de la carrera de compresión y cuando el pistón desciende durante la
carrera de expansión.
La salida de los gases quemados al ascender de nuevo el émbolo, durante la
carrera de escape.
10.2. Factores que influyen en el diseño de la distribución.
El diseño de la distribución condiciona aspectos del motor tan importantes como
la máxima velocidad de giro, el rendimiento volumétrico, el tamaño y peso, la
sonoridad, etc. y depende fundamentalmente de:
La disposición del árbol de levas (en bloque "OHV" o en culata "OHC").
El tipo de accionamiento (correa, cadena o engranajes).
El número y la disposición de las válvulas (longitudinales al eje del motor,
en ángulo, etc.).
En el diseño de la distribución tiene gran importancia la inercia de los distintos
componentes que la forman. Así, cada elemento se comporta dentro de la cadena
dinámica como un muelle cuya deformación puede originar desfases en el movimiento.
Además, las altas temperaturas alcanzadas en algunos puntos del sistema van a provocar
dilataciones que, con un mal diseño, pueden ocasionar un mal funcionamiento.
1- Disposición del árbol de levas.
Al diseñar la distribución se tiende a acercar en lo posible el árbol de levas a las
válvulas, lo que permite reducir las masas en movimiento alternativo y aumentar su
rigidez total. Las deformaciones elásticas que tienen lugar en cada ciclo en las distintas
piezas del accionamiento originan vibraciones que perturban el normal funcionamiento
del sistema, desplazan el diagrama de distribución e incluso pueden originar la
desconexión cinemática entre ellas. El aumento de la velocidad de giro acrecienta estos
problemas y obliga a aumentar la rigidez de los resortes y/o de todo el sistema en su
conjunto.
57
A partir de lo anterior se comprende que cuando los motores giran a altas
velocidades se haga necesario el empleo del árbol de levas en cabeza. Esta disposición
reduce el número de componentes intermedios y, en consecuencia, aumenta la rigidez
del sistema y disminuye la masa, responsable de los efectos dinámicos.
Las configuraciones más habituales de la distribución, atendiendo a la posición
del árbol de levas son las que figuran en la ilustración II. 10.1:
a) Árbol de levas en culata (OHC) que actúa sobre la válvula por medio de un
empujador.
b y c) Árbol de levas en culata (OHC) que actúa directamente sobre el balancín
que mueve la válvula.
d) Árbol de levas en culata (OHC) que actúa, a través de un empujador, sobre
el balancín que mueve la válvula.
e) Árbol de levas en bloque (OHV), idéntico al anterior, pero el empujador
actúa sobre el balancín a través de una varilla.
2.- Tipo del accionamiento.
El accionamiento es el conjunto de mecanismos que transmiten el movimiento
desde el cigüeñal al árbol de levas y a la bomba de inyección de los MEC o al
distribuidor del los MEP. La relación de transmisión de este accionamiento es 1/2,
58
debido a que el movimiento de las válvulas, la inyección de combustible en los motores
diesel o el salto de la chispa en los de gasolina tiene lugar una vez por ciclo o, lo que es
lo mismo, una vez cada dos vueltas de cigüeñal. El accionamiento puede realizarse
mediante:
Correa: (Ilustr. II. 10.2) Se trata de una correa dentada de neopreno. reforzada
con cables de poliéster interiormente y con un recubrimiento de nylon que
reduce la fricción e incrementa la resistencia al desgaste. Tiene una aplicación
similar a la cadena. No precisa lubricación y es un mecanismo más silencioso
aunque es capaz de transmitir menos potencia.
Cadena: (Ilustr. II.2.3) Cuando el árbol de levas está dispuesto en la zona alta
del bloque o en la culata, el empleo de la cadena es frecuente. El funcionamiento
es más silencioso que con engranajes. Con este montaje, la precisión en la
distancia entre los centros de los ejes no precisa ser tan alta como en el caso del
accionamiento por engranajes. Por otro lado, la cadena va provista de un tensor
que compensa el desgaste y la elongación que el conjunto adquiere con el
funcionamiento. Resulta común el uso de cadenas de rodillos y, con menos
frecuencia, cadenas dentadas. Éstas últimas son más silenciosas que las de
rodillos y se suelen emplear con pequeñas distancias entre centros.
Engranajes: (Ilustr. II.3.8) Se utilizan cuando la distancia entre el cigüeñal y el
árbol de levas es pequeña. A medida que aumenta esta distancia aumenta la
dificultad para conseguir la concentricidad de los engranajes y aumenta el ruido.
Este sistema requiere mecanizar el bloque de forma precisa en lo que se refiere a
la distancia entre ejes. El uso del dentado helicoidal reduce el ruido.
59
3.- Disposición de las válvulas.
Dependiendo de la forma de la cámara de combustión y del tipo de motor, las
válvulas se colocan paralelas al eje del motor pero con distintas configuraciones:
En una sola fila (Ilustrs. II.3.2, II.3.8), con o sin inclinación vertical.
En dos filas (Ilustr. II.3.1), con o sin inclinación vertical (configuración
típica de los motores multiválvula). Esta disposición suele ir combinada con
el uso de dos árboles de levas en cabeza
10.3. Componentes de la distribución.
1.- Árbol de levas:
Las levas son los elementos mecánicos que regulan la apertura y cierre de las
válvulas según una ley que depende de las características del motor. En la leva se
distinguen dos partes: una circular "círculo base " que se corresponde con el tramo
ADC de la leva en la ilustración II. 10.3 y otra lobulada "perfil activo "que se
corresponde con el tramo ABC de la leva en la ilustración II. 10.3. Cuando contacta con
el siguiente elemento de la cadena cinemática, el empujador, por la zona del círculo
base, no transmite movimiento y la válvula no se mueve. Cuando actúa el perfil activo
transmite movimiento hacia la válvula originando su apertura o cierre.
60
Para que la apertura y el cierre de las diferentes válvulas se realicen en el
momento oportuno es necesario sincronizar el movimiento de las levas y el cigüeñal. El
árbol de levas es el eje donde se sitúan las levas convenientemente decaladas para que
se produzca la sincronización. El árbol dispone de dos levas por cada cilindro del motor
ya que una controla la admisión y la otra el escape. Dependiendo de la disposición de
las válvulas puede hacerse necesario el uso de dos árboles de levas por fila de cilindros
(Ilustr. II. 10.2). El árbol de levas suele incorporar el accionamiento de la bomba de
aceite y del distribuidor de los MEP Ilustr. II.9.2). Intercalados entre las levas se
encuentran los apoyos que, convenientemente lubricados, permiten transmitir las
reacciones a la culata o al bloque. En el caso de árbol de bloque, el radio de los apoyos
debe ser mayor al de la cresta de la leva para que ésta pueda pasar por los alojamientos
en el proceso de montaje.
Las levas, en general, se forjan o se funden junto con el eje. Este debe poseer
gran rigidez y resistencia para absorber los esfuerzos flectores y de torsión, así como las
vibraciones de funcionamiento. El material utilizado en los árboles fundidos es
fundición gris por su bajo precio y resistencia al desgaste. La periferia de las levas y
apoyos deben recibir un tratamiento térmico o de cementado para aumentar la
resistencia al desgaste e incluso a veces se fabrican con una capa de fundición blanca.
2.- Empujadores o taques.
Los empujadores están en contacto con las levas y convierten su rotación en un
movimiento de traslación, transmitiéndolo al siguiente componente de la distribución,
varilla, balancín o válvula según el caso. Pueden tener distintas formas constructivas en
función de su ubicación y del espacio disponible siendo las más comunes la tipo "seta "
y la tipo "vaso". Aunque a simple vista parece plana, la superficie de contacto del taqué
con la leva es esférica para evitar desgastes locales por defectos de fabricación.
El eje longitudinal del empujador suele estar desplazado respecto del eje de
simetría de la leva. Por esta razón, durante el funcionamiento se produce una rotación
del empujador que asegura un desgaste uniforme de las superficies de contacto.
61
Existe un tipo especial de empujadores, los hidráulicos, que utilizando el aceite
del motor consiguen eliminar las holguras de funcionamiento de la distribución en cada
ciclo del motor. Su funcionamiento se basa en que durante el periodo de reposo del
taqué y, por el efecto de la presión del aceite del circuito de engrase, se separan dos
cilindros deslizantes hasta eliminar las holguras existentes entre las distintas piezas. La
existencia de una válvula antirretorno impide que el aceite se salga de la cámara de
presión tras una parada del motor o al comienzo del desplazamiento. Con los taques
hidráulicos se eliminan los choques de contacto entre piezas, los rebotes, el
mantenimiento periódico y, además, se reduce la emisión de ruido.
Los taques se suelen fabricar de acero con las zonas de contacto y deslizamiento
cementadas o de fundición gris, aleada o no, con zonas de contacto y deslizamiento
templadas o de fundición blanca. En casos especiales se puede recurrir al uso de
materiales especiales soldados para las zonas más cargadas o, incluso, a la
incorporación de un rodillo seguidor. En cualquier caso el material debe estar elegido en
función del material de las levas.
3.- Varillas.
Este componente se utiliza exclusivamente en los motores OHV. Su función es
transmitir el movimiento de los empujadores al balancín (ílutr. II.10.5). Su construcción
puede ser de acero macizo con extremos tratados térmicamente (c) o de aleación de
aluminio tubular con extremos postizos de acero endurecido (a-b).
62
La esbeltez de las varillas les hace ser uno de los elementos más flexibles de la
distribución, de hecho, son responsables aproximadamente del 55% de la deformación
total del sistema. Para minimizar el problema debe tratarse de reducir su longitud al
máximo y de reducir su masa. Las de tipo tubular son ventajosas pues, a pesar de ser
menos resistentes, su masa provoca defectos dinámicos menores.
4.- Balancines.
El balancín es una palanca que permite amplificar el levantamiento determinado
por la leva en función de la relación de sus brazos (Ilustr. II. 10.1). Valores del 150%
son habituales. Conseguir levantamientos en válvula importantes con levas de altura
reducida conlleva una serie de ventajas siendo las más importantes la reducción de los
efectos dinámicos y la de velocidades de deslizamiento. Así, los motores OHC que no
usan balancines necesitan aumentar la altura de la leva.
Los balancines de dos brazos (típicos de los motores OHV) van todos montados
sobre un eje común descentrado que les permite girar. Los de un brazo (típico de los
motores OHC) son independientes y pueden pivotar respecto un extremo. Tanto los de
un tipo como los de otro deben llevar algún dispositivo que permita regular la holgura
total del conjunto a no ser que el motor utilice empujadores hidráulicos. El sistema más
utilizado es el de tornillo y contratuerca aunque existen otros.
Los balancines se fabrican habitualmente por estampación. La zona que actúa
sobre la válvula (martillo) y, en su caso, la zona de contacto con el árbol de levas se ven
sometidas a deslizamiento combinado con altas presiones de contacto, por lo que
necesitan superficies perfectamente mecanizadas y endurecidas para disminuir la
posibilidad de gripajes y desgastes prematuros. Actualmente en estas zonas se tiende a
incorporar insertos de materiales sinterizados, mucho más resistentes al desgaste que los
aceros ordinarios.
5.- Válvulas.
Son los elementos encargados de la apertura y cierre de los conductos de
admisión y escape. Las válvulas utilizadas actualmente en la casi totalidad de los
motores son las llamadas válvulas de plato que presentan área de paso y coeficiente de
63
gasto elevados y un coste de fabricación reducido aunque su capacidad de refrigeración
es baja. En este tipo de válvulas pueden distinguirse dos partes (Ilustr. II. 10.6):
Pie o vástago: Es la parte recta responsable del guiado y de la sujeción de la
válvula. Su longitud depende en gran medida de la altura de la culata y de la
longitud del resorte.
Cabeza: Es la parte circular sobre la que se mecaniza la superficie cónica de
cierre y que, junto con el asiento mecanizado en la culata, forma una junta
estanca. Algunos de los aspectos importantes que se deben determinar en el
momento del diseño son:
El ángulo de asiento.
Área de paso de la válvula.
El material a utilizar.
La importancia del ángulo de asiento reside en que, a medida que aumenta,
mejora el cierre por aumentar el efecto de enclavamiento, mejora el coeficiente de gasto
por la menor deflexión del flujo pero empeora el área de paso que es casi proporcional
al coseno del ángulo. Son valores habituales 30° para la válvula de admisión y 45° para
la de escape.
El valor del área de paso tiene gran importancia por afectar directamente al
rendimiento volumétrico, parámetro que mide la efectividad de la renovación de la
carga. A mayor área de paso menor velocidad de paso y mejor coeficiente de gasto. Son
valores máximos para las velocidades de admisión y escape 60 y 100 m/s
respectivamente. El área de paso de una válvula depende de su levantamiento máximo y
de su diámetro estando el cociente de estos parámetros, L/D, comprendido entre valores
de 0.20 y 0.35. Valores mayores no hacen crecer sensiblemente el coeficiente de gasto y
aumentar los problemas de inercia del sistema.
Por último, el material que se debe utilizar en la fabricación de las válvulas debe
decidirse en función de las condiciones de trabajo tan particulares de estos
componentes. Las válvulas se encuentran sometidas, por un lado, a una carga mecánica
percusiva considerable y, por otro lado, a una importante carga térmica, particularmente
en la válvula de escape que trabaja en torno a los 700 °C. Además, la composición de
64
los gases de escape combinada con sus altas temperaturas le dota de una capacidad
corrosiva considerable. La evacuación del calor se hace parte por el asiento (-75%),
parte por la guía y una pequeña parte por los gases de alrededor. Por todo lo anterior, el
material utilizado en la construcción de válvulas debe cumplir, entre otros, los
siguientes requisitos:
Capacidad de soportar altas temperaturas.
Tenacidad en presencia de entallas.
Resistencia a la corrosión.
Resistencia a la formación de cascarilla.
Resistencia al desgaste.
Conductividad térmica elevada.
Se suelen emplear aceros aleados con Cr, Ni, Si, etc. con estructura martensítica
o austenítica. Los primeros presentan buena conductividad térmica pero menor
resistencia a altas temperaturas por lo que se utilizan en las válvulas de admisión o el
pie de las de escape. Los segundos tienen mejor resistencia a la corrosión, al impacto y
a las altas temperaturas aunque su peor conductividad hace que sólo se utilicen en la
cabeza de las válvulas de escape, utilizando en el vástago un acero martensítico y
soldando ambas partes por fricción. El extremo del vástago, donde actúa el balancín o el
empujador, está sometido a elevados esfuerzos de compresión y rozamiento, por lo que
se suele reforzar por temple. En ocasiones, en el asiento de la cabeza de válvula se
aporta un blindaje de metal duro (MEC: Stellite o MEP: Eatonite).
Para reducir el problema de refrigeración de la válvula se pueden utilizar
válvulas huecas semillenas de sodio que transmiten calor hacia el pie, mejorando la
65
refrigeración (Ilustr. II. 10.6). Las válvulas de escape de los grandes motores diesel
pueden ser refrigeradas mediante una corriente líquida forzada (Ilustr. II. 10.7).
6.- Tapa de muelles y semiconos.
La tapa de muelles es la pieza que, colocada en el extremo superior del vástago
de la válvula, le transmite los esfuerzos del muelle a través de una pieza cónica partida,
los semiconos. Además, tiene como misión mantener el o los resortes en posición
correcta.
Los semiconos tienen exteriormente forma cónica invertida para acoplar en
el orificio cónico de la tapa de muelles. La forma interior es cilíndrica con uno o
varios salientes en forma de collar y acopla perfectamente en el vástago de la válvula
que lleva mecanizadas unas acanaladuras para alojar los collares de los semiconos. A
mayor número de ranuras y collares, mejor reparto del esfuerzo. El cono sólo transmite
fuerza en la dirección en que la ejerce el resorte. Según estos semiconos comprendan un
arco igual o menor de 180 grados, el montaje válvula-tapa de muelles será fijo o flotante
respectivamente. En este último caso se produce el giro de la válvula durante el
funcionamiento del motor con las ventajas que ello conlleva en cuanto a desgastes y
estanqueidad. Los llamados "rotadores" (llustr. II 10.8) obligan a la válvula a girar un
ángulo determinado mediante un mecanismo de trinquete, cada vez que ésta abre y
cierra
7.- Asientos de válvula.
El asiento de válvula es el elemento de la culata donde apoya la válvula cuando
se produce el cierre. Puede estar mecanizado directamente sobre la culata o bien sobre
un anillo postizo de acero sinterizado que se monta por interferencia en un alojamiento
mecanizado en la culata. En este último caso hay que cuidar el centrado del postizo para
asegurar una buena alineación de su eje con el de la guía de la válvula. Para mejorar el
cierre, el asiento se mecaniza con un ángulo ligeramente menor al de la válvula.
El asiento de la culata está sometido a una carga percusiva importante, que
aumenta con la velocidad del motor, y a una elevada temperatura, fundamentalmente en
66
el escape. Estos parámetros influyen decisivamente en el desgaste del asiento y, por
supuesto, en la elección del material.
8.- Guías de válvula.
La guía de la válvula es el elemento por el que se desliza el vástago de la válvula
en su movimiento alternativo sirviéndole de guía. Por lo general son postizas y van
montadas en la culata por interferencia, aunque en algunas ocasiones se mecanizan
directamente sobre ella. Su diámetro interior ha de ser tal, que el juego resultante
vástago-guía admita la dilatación debida al calentamiento que origina el
funcionamiento del motor y permita, al mismo tiempo, la existencia de una delgada
película de aceite que evite el contacto metal-metal. Juegos excesivos provocan
películas de aceite de elevado espesor con el consiguiente consumo de aceite mientras
que juegos escasos provocan gripajes. Para evitar el consumo de aceite se colocan en la
parte superior de la guía retenes de aceite. En la guía de admisión la succión de aceite
que efectúa el colector es importante sobre todo en los MEP a baja carga.
La refrigeración de la válvula es otra misión, no menos importante, de la guía de
la válvula. El que las guías de admisión sean más cortas que las de escape se debe, por
un lado, a que las válvulas de admisión no necesitan tanta refrigeración como las de
escape y, por otro, a que el entorpecimiento del flujo de gases de admisión afecta más al
rendimiento del motor que el del escape.
9.- Muelles.
Tienen por objeto forzar a la válvula y demás componentes de la distribución a
seguir el perfil de la leva durante el proceso de cierre, venciendo las fuerzas de inercia
producidas durante el movimiento. Además, mantiene a la válvula presionada contra su
asiento garantizando la estanqueidad de la cámara de combustión.
En la actualidad se emplean resortes de torsión en forma de muelles helicoidales
cilíndricos. El uso de dos resortes por válvula se justifica para mantener las tensiones en
el resorte dentro de lo admisible. Sin embargo, el uso de materiales con mejores
características permite utilizar un único resorte por válvula con las ventajas que ello
conlleva (menor peso y menor número de componentes).
10.4. Motores multiválvula.
Para estudiar la conveniencia del uso de válvulas múltiples (varias válvulas de
admisión y/o escape en un mismo cilindro) es preciso definir previamente una serie de
parámetros:
Ap: Área de paso de la o las válvulas (relacionada con el rendimiento
volumétrico del motor).
Av: Área transversal de la o las válvulas (relacionada con la masa o inercia
de la distribución).
Ac: Área de contacto con el asiento de la o las válvulas (relacionada con la
transmisión de calor),
cd: Velocidad de la distribución (relacionada con problemas de inercia de la
distribución).
67
De la misma manera, se definen la dependencia de dichas magnitudes con los
parámetros de la válvula (el diámetro, D, el número de válvulas, N, el levantamiento
máximo, L, y la velocidad de giro, n):
Ahora, manteniendo constante alguno de los parámetros se estudia cómo
evoluciona el resto cuando se utilizan válvulas múltiples. Se denotarán con subíndice
"1" a los valores relativos a válvulas únicas y con subíndice "2" a los relativos a
válvulas múltiples:
1.- Suponiendo Ap = cte y L/D = cte.
De estas consideraciones, se obtiene que:
El área de contacto entre la o las válvulas y el o los asientos aumenta con el
número de válvulas del motor. Cuando se mantienen constantes el área de paso total y la
relación L/D, lo que mejora es su refrigeración.
Cuando se mantienen constantes el área de paso y la relación L/D, el área
transversal de la o las válvulas es independiente del número de válvulas del motor, por
lo que la masa del sistema no se modifica.
Cuando se mantienen constantes el área de paso, la relación L/D y la velocidad
de giro del motor, la velocidad característica de la distribución disminuye con el número
de válvulas del motor. Por ello, los problemas de inercia disminuyen y es posible
aumentar la velocidad de funcionamiento del motor.
68
En def initiva, se comprueba que los parámetros anteriormente definidos
siempre mejoran o, cuando menos, se mantienen. Se llega a conclusiones similares
cuando se realiza este estudio partiendo de
hipótesis diferentes.
2.- Suponiendo Ac = cte y L/D = cte (Ilustr. II. 10.9.a)
De todo lo visto se deduce que la utilización de válvulas múltiples conlleva una
serie de ventajas desde el punto de vista de funcionamiento del motor (refrigeración,
inercia y rendimiento volumétrico):
Aumenta el área de paso, Ap , con lo que mejora la renovación de la carga. En
el caso "b" no ocurre así pero se comprueba visualmente que es debido al
deficiente aprovechamiento de la superficie de la culata.
Disminuye la velocidad característica de la distribución, cd, y, en
consecuencia, los esfuerzos de inercia.
Aumenta el área de contacto de la válvula con el asiento, Ac con lo que mejora
su refrigeración.
Disminuye el área transversal de la válvula, Av y, en consecuencia, la inercia
de la distribución.
Por otro lado existen otra serie de beneficios:
La bujía o el inyector podrán estar centrados lo que implica una mayor simetría
en la cámara de combustión. En los MEC, la ventaja será mayor para los
motores de inyección directa ya que si tienen precámara de combustión, la
69
mayor simetría no es en realidad tan importante. En los MEP, se conseguirá que
la longitud a recorrer por el frente de llama sea menor.
Los distintos conductos de admisión pueden generar distinto grado de
turbulencia de modo que, controlando con una válvula de mariposa el flujo que
circula por alguno de ellos, es posible modificar la turbulencia en función de las
condiciones de funcionamiento. Este fenómeno es fundamental para los MEP-
DI y útil en los MEC-DI.
70
Tema III Ciclos termodinámicas de los
motores de combustión interna alternativos. Ciclos de aire.
El estudio termodinámica de los motores de combustión interna alternativo de
modo exhaustivo conlleva una serie de dificultades como consecuencia de la
complejidad de los procesos que en él tienen lugar. Este tema trata los ciclos
termodinámicas de una forma muy somera y únicamente pretende dar una perspectiva
general de su fundamento termodinámica. Los ciclos de aire suponen una serie de
hipótesis que, por lo general, son muy restrictivas y poco representativas de una
realidad mucho más compleja. No obstante permiten sacar ideas generales en lo que se
refiere a tendencias generales de las prestaciones: trabajo específico y rendimiento.
71
1. INTRODUCCIÓN.
En este tema se estudiarán los ciclos termodinámicos de los Motores de Combustión
Interna Alternativos (en lo sucesivo M.C.I.A.). Los ciclos reales de estos motores son
demasiado complicados para ser estudiados de forma práctica y sencilla, por lo que se
van a utilizar unos ciclos equivalentes a estos que, a pesar de las simplificaciones que
contienen, confirmarán los
resultados experimentales.
2. CICLOS REALES.
2.1. Generalidades.
El proceso de renovación de la carga de los MCIA, al igual que ocurría con las
turbinas de gas, hace que desde un punto de vista estricto no se pueda definir un ciclo
termodinámico. No obstante, es posible considerar su funcionamiento como una
sucesión de procesos que se repiten en el tiempo. El ciclo termodinámico será por lo
tanto la sucesión de los procesos que se repiten en el tiempo. En el diagrama p-V puede
verse la complejidad de los procesos que forman el ciclo real:
Uno de los aspectos más destacables de los ciclos reales es que las aperturas y
cierres de válvulas no se ejecutan justo en los puntos muertos. Existen unos adelantos y
retrasos que a continuación se justifican.
Avance de la apertura del escape (A.A.E):
Al final de la carrera de expansión, la presión. en la cámara de combustión es
baja y, en consecuencia, poco importante desde el punto de vista de la producción de
trabajo,. Si se abre la válvula de escape antes de que el pistón llegue al PMI de la carrera
de expansión, la pequeña presión existente resulta de gran ayuda para la evacuación de
los gases de escape. Además, cuando el pistón vuelva a subir la presión en la cámara de
combustión será menor con lo que el trabajo utilizado para
72
sacar los residuales de la cámara (trabajo de bombeo) disminuirá. La magnitud de este
avance depende del tipo de motor pero si se expresa como el ángulo que debe girar el
cigüeñal para llegar al PMI desde el momento de la apertura de la válvula su valor ronda
los 50°. Este dato indica que la carrera de expansión se reduce aproximadamente un
30% por este motivo.
Avance de la apertura de la admisión (A.A.A):
En la parte final de la carrera de escape el pistón va disminuyendo su velocidad
por estar llegando al PMS. Sin embargo, los gases de escape continúan saliendo a una
velocidad considerable y siguen dicha deceleración con retraso debido a la inercia de la
corriente de salida. Esto provoca un vacío en la cámara de combustión que debe ser
aprovechado para introducir la carga fresca^ Además, debido a la inercia de la carga
fresca, transcurrirá un pequeño periodo de tiempo hasta que la columna de gases de
admisión se ponga en movimiento. El avance de apertura de admisión expresado como
el ángulo que debe girar el cigüeñal hasta que el pistón llega al PMS desde el momento
de la apertura de la válvula depende del tipo de motor aunque su valor oscila entre 10o y
15o.
73
Retraso del cierre del escape (R.C.E.):
La válvula de escape se cierra después de haber pasado el pistón por el PMS ya
que los gases de escape, debido a su inercia, siguen saliendo durante parte de la carrera
descendente del pistón. Por ello, el cierre posterior de la válvula de escape mejora el
vaciado de los residuales de la cámara de combustión. En los MEP se debe tener
especial cuidado con este retraso pues un valor excesivo ocasiona el llamado
"cortocircuito de admisión y escape " al salir parte de la mezcla fresca directamente
por el escape, disminuyendo el rendimiento y aumentando las emisiones contaminantes.
Medido como el ángulo que gira el motor desde el PMS hasta que cierra la válvula, el
valor de este retraso oscila entre 10° y 15° según el tipo de motor. El ángulo girado por
el motor con las válvulas de admisión y escape abiertas simultáneamente se denomina
"de cruce".
Retraso del cierre de la admisión (R.C.A.):
La baja velocidad del pistón en las proximidades del PMI hace que la variación
de presión que éste provoca en la cámara de combustión sea pequeña. Si a este hecho se
le añade el efecto de la inercia del fluido del conducto de admisión, se comprende
fácilmente que la carga fresca siga entrando, a través de la admisión a pesar de que el
pistón se encuentre subiendo. Por lo tanto, conviene retrasar el cierre de la admisión
hasta que la subida del pistón provoque una aumento de presión tal que impida la
entrada de carga fresca. El valor de este retraso depende de las características del motor
y muy especialmente del régimen de giro. Si se expresa como el ángulo que gira el
motor desde el PMI hasta el cierre de la válvula su valor oscila entre 45° y 65°. Esto
significa que durante el primer tercio de la carrera de compresión, la válvula de
admisión se encuentra abierta aprovechando los efectos dinámicos de la corriente.
74
En el ciclo teórico se consideran las aperturas y los cierres de las válvulas en el PMI y
en el PMS, tal y como se muestra en el gráfico III.2.3:
2.2. Descripción de los procesos termodinámicos que tienen lugar en las distintas
fases.
En este apartado se analizan los aspectos termodinámicos más destacables de las
fases de funcionamiento de los motores de combustión interna alternativos.
Fase de compresión:
Transferencia de calor. La diferencia de temperatura entre el gas y las paredes del
cilindro durante esta fase no es muy grande. Al comienzo de la compresión la
temperatura del gas será menor que la de las paredes por lo que el proceso será
endotérmico mientras que al final ocurrirá lo contrario y el proceso será exotérmico.
En cualquier caso, el flujo térmico será relativamente pequeño.
Fricción: La velocidad relativa del fluido respecto a la pared de la cámara de
combustión y las turbulencias internas en la misma provocan pérdidas viscosas. Los
MEC necesitan una turbulencia elevada para conseguir preparar la mezcla en un
periodo de tiempo increíblemente corto:
75
En los MEC de inyección indirecta (IDI) (Ilustr. III.2.5), cuando el pistón sube,
el aire es obligado a entrar en la precámara alojada en la culata. La alta velocidad que el
fluido alcanza al pasar por la garganta ..origina pérdidas importantes y, además,
aumenta el coeficiente de película, lo que favorece la transmisión de calor en el proceso.
En los MEC de inyección directa (DI) de baja turbulencia, la fricción será
pequeña, mientras que en los de turbulencia media (Ilustr. III.2.6) será algo mayor
aunque siempre menor que en los IDI. En este caso, al subir el pistón, se provoca eí
efecto "squeeze" y el aire gira con gran velocidad en la cámara alojada en el pistón. Es
importante también el torbellino provocado por los conductos de admisión "swirl".
En los MEP el grado de turbulencia es menor pues se dispone de mayor tiempo
para la preparación de la mezcla y, además, el combustible es mucho más volátil. Por
ello, las pérdidas por fricción en este tipo de motores serán, en general, menores que en
los MEC.
Fugas: Entre las paredes del cilindro y el pistón se escapa parte del fluido
encerrado en la cámara de combustión aunque la gran efectividad de los
segmentos hace que estas fugas sean muy pequeñas al compararlas con la masa
que evoluciona por el motor.
Las condiciones del gas al comienzo de la fase de compresión no coinciden con
las atmosféricas debido a la absorción de calor por parte de la carga fresca y a
las pérdidas viscosas existentes durante el proceso de admisión.
Fase de combustión y expansión:
Transferencia de calor: Las pérdidas de calor en este proceso son importantes
ya que el salto térmico entre el gas y las paredes es muy alto. Las pérdidas
76
térmicas en los MEC-IDI son mayores que en los MEC-DI por ser mayor el área
de la superficie exterior de la cámara de combustión. Los MEP trabajan con
dosados casi estequiométricos y, en consecuencia, la temperatura de combustión
es alta por ello las pérdidas térmicas serán, en general, mayores.
Fricción: Las pérdidas por fricción son muy altas en los MEC-IDI y altas,
aunque mucho menos, en los MEC-DI y en los MEP. Al igual que las pérdidas
térmicas, las pérdidas viscosas serán mayores en la primera etapa de la fase
debido a la mayor temperatura del gas y debido a la mayor turbulencia.
Fugas: Las fugas son pequeñas aunque mayores que en la fase de compresión,
debido a la mayor presión a que se encuentra la cámara de combustión.
Duración de la combustión: La combustión no es instantánea, sino que
transcurre durante un indeterminado periodo de tiempo. Esta duración temporal
hace que el inicio de la combustión tenga lugar durante la carrera de
compresión, poco después del punto de encendido o de inyección.
Combustión: La combustión no es perfecta ocasionando la aparición de
inquemados y otros productos de combustión distintos del dióxido de carbono y
del vapor de agua.
El AAE origina las pérdidas de escape que serán estudiadas en el apartado 3.3.
Fase de escape:
A pesar del AAE la presión en el interior de la cámara de combustión es superior
a la atmosférica y por ello el pistón, en su carrera ascendente, debe aportar un
trabajo sobre el fluido para conseguir expulsarlo.
Fase de admisión:
A pesar del AAA la presión en el interior de la cámara de combustión es inferior
a la atmosférica como consecuencia de las pérdidas de carga en el conducto de
admisión, filtro, válvulas, etc. Al estar el pistón en su carrera descendente debe
aportar un trabajo sobre el fluido para conseguir introducirlo. Este trabajo
sumado con el de la fase de escape es lo que se conoce como trabajo de bombeo.
Transferencia de calor: Por estar las paredes del colector de admisión y,
especialmente, de la cámara de combustión más calientes que la carga fresca,
ésta sufrirá un aumento de temperatura y en consecuencia una disminución de
densidad respecto de las condiciones ambiente. Este aspecto junto con el anterior
llevan a definir el rendimiento volumétrico, parámetro que se estudiará más
adelante.
2. CICLOS TEÓRICOS.
Los ciclos teóricos son ciclos termodinámicos obtenidos a partir de la evolución real del
gas en el interior de la cámara de combustión del motor después de aplicar una serie de
77
hipótesis simplificativas. No se considerará en dichos ciclos la parte correspondiente a
la renovación de la carga que será incluida dentro de las pérdidas mecánicas del motor.
3.1 Hipótesis iniciales.
En los ciclos teóricos se eliminan todas las causas que complican el estudio de
los ciclos reales. Las hipótesis simplificativas más significativas son:
1.- No existe transferencia de calor a través de las paredes de la cámara de
combustión.
2.- No existen pérdidas por fricción.
3.- Cámara de combustión hermética. Fugas nulas.
4.- Las válvulas abren o cierran en los puntos muertos no existiendo, por lo
tanto, ni avances de apertura ni retrasos de cierre.
5.- La combustión es tratada como un aporte de calor al final de la fase de
compresión lo que supone que los avances de encendido ó de inyección y los
tiempos de retraso de ignición son nulos. La cantidad de calor aportada se
corresponde con el calor que desprendería el combustible en una combustión
perfecta.
6.- El proceso de renovación de la carga se tratará como una cesión de calor a
volumen constante en la que coinciden las condiciones finales de dicha
renovación con las que tendría el ciclo real.
7.- Las propiedades del fluido se supondrán independientes de la presión y de la
temperatura.
Estas hipótesis eliminan los efectos disipativos y no estacionarios responsables
de las irreversibilidades y, en consecuencia, de la disminución del rendimiento indicado.
Así, la utilización de estos ciclos conducirá a rendimientos superiores al del ciclo real,
no obstante, permitirá conocer la influencia de ciertos parámetros sobre el trabajo
específico y el rendimiento.
Evidentemente, no todas las hipótesis establecidas tienen el mismo grado de
aceptación. Algunas serán plenamente válidas mientras que otras conducirán a
determinados errores que se estudian en el apartado siguiente. Ahora se analizará su
aceptabilidad en las distintas fases de funcionamiento del motor:
Fase de compresión:
Aceptables:
a. Proceso adiabático con propiedades del gas constantes.
b. Proceso sin fugas.
c. Proceso sin fricción (sólo para los MEP y para los MEC-DI de baja
turbulencia).
No aceptables del todo:
a. Proceso sin fricción (sólo para los MEC-IDI y para los MEC-DI de
elevada turbulencia)
78
Fase de combustión:
Aceptables:
a. Proceso sin fugas.
b. Proceso sin fricción (sólo para los MEP y para los MEC-DI de baja
turbulencia).
No aceptables del todo:
a. Proceso adiabático → "Pérdidas de calor"
b. Comienzo de la combustión en el PMS y, por lo tanto, AE o AI nulos →
"Pérdidas de tiempo".
c. Final de la combustión en el PMS (MEP y MEC-IDI rápidos) →
"Pérdidas de tiempo".
d. Propiedades del gas constantes (especialmente MEP y MEC-IDI rápidos)
→ "Pérdidas por combustión progresiva"
e. Proceso sin fricción (sólo para los MEC-IDI y para los MEC-DI de
elevada turbulencia).
Fase de expansión:
Aceptables:
a. Proceso sin fugas.
b. Proceso sin fricción (exceptuando zona de combustión).
c. Propiedades del gas constantes (exceptuando zona de combustión).
No aceptables del todo:
a. Proceso adiabático → "Pérdidas de calor"
b. AAE nulo → "Pérdidas de escape"
Renovación de la carga:
No aceptables del todo:
a. Suponer el proceso a volumen constante implica que el trabajo de
bombeo es nulo lo que es falso especialmente para los MEP funcionando
a carga parcial.
3.2.- Errores principales del ciclo teórico (con aporte de calor a volumen
constante).
El ciclo teórico es un ciclo ideal, en el cual se han aplicado todas las hipótesis
enumeradas en el punto anterior. Por ello, se estarán cometiendo una serie de errores
que también se han comentado en el apartado anterior. En el diagrama p-V es
posible comprender la trascendencia de los mismos, siendo los errores más
importantes los que a continuación se comentan:
79
1.- Pérdidas de calor:
Son las pérdidas que se producen al no ser adiabáticas la compresión y,
fundamentalmente, la combustión y la expansión, que se habían considerado como
tales en el ciclo teórico.
2.- Pérdidas de tiempo:
Son las que se originan debido a que la combustión no es instantánea. La
combustión se inicia antes de que el pistón en la carrera de compresión llegue al PMS,
produciendo un aumento de presión sobre la considerada en el ciclo teórico,
originándose un aumento del trabajo de compresión. Igualmente se puede afirmar que la
combustión sigue cuando el pistón llega al PMS y comienza la carrera de expansión.
Esta bajada del pistón en la carrera de expansión provoca una disminución de la presión
máxima y, en consecuencia, una disminución del trabajo de expansión.
3.- Pérdidas debidas a la combustión progresiva:
Suponer que las propiedades del fluido (cp y cv) permanecen constantes y que el
calor se aporta de forma instantánea implica un error a la hora de determinar la
temperatura final de la combustión. La variación de temperatura en el motor, si el aporte
de calor tiene lugar a volumen constante, se puede calcular mediante la expresión:
El hecho de que cp y cv crezcan con la temperatura y el hecho de que el calor se
aplique de forma progresiva hace que el incremento real de temperatura sea inferior al
previamente calculado.
80
4.- Pérdidas de escape:
Son las pérdidas que se producen debido al AAE, ya que al dejar salir los gases
de escape antes del PMI se pierde la energía que podrían producir.
3. CICLO TEÓRICO DE AIRE.
Es el ciclo que se obtiene tras aplicar, como hipótesis adicional al ciclo antes
estudiado, que el fluido que evoluciona en el motor tiene las propiedades
termodinámicas del aire. Para estudiar el ciclo teórico (o ideal) de aire se considerará el
aire un gas ideal con los valores de y, cp y cv constantes.
4.1 Ciclo con aporte de calor a volumen constante.
Es el ciclo teórico que mejor se adapta al funcionamiento de los MEP. Se
descompone en las siguientes fases:
1.- Compresión (1-2): Proceso isoentrópico en el que la relación de compresión volumétrica "r" y las
condiciones termodinámicas del inicio de la compresión coinciden con las del ciclo real.
2.-Aporte de calor (2-3): Instantáneo, a volumen constante y de magnitud igual al liberado teóricamente
en la combustión.
3.- Expansión (3-4): Adiabática, reversible y, por lo tanto, isoentrópica ya que se considera sin
fricción.
4.- Renovación de la carga (4-1):
Cesión instantánea de calor a volumen constante.
81
El rendimiento termodinámico del ciclo es:
La variación de la energía interna del proceso completo es nula por ser cíclico y
en consecuencia el calor neto aportado coincide con el trabajo neto realizado. Haciendo
esta consideración la expresión anterior queda:
Por considerar al aire gas ideal:
Para obtener una expresión del rendimiento en función de parámetros conocidos
se ponen las temperaturas de los estados 2 y 3 en función de las de los estados 4 y 1
teniendo en cuenta que las fases 1-2 y 3-4 son adiabáticas:
Aplicando el mismo razonamiento al proceso 3-4 se obtiene:
Y finalmente:
Es decir:
Consecuencias:
El rendimiento termodinámico del ciclo de aire con aporte de calor a volumen
constante depende única y exclusivamente de la relación de compresión y del
exponente adiabático.
82
Al aumentar la relación de compresión se tendrá mejor rendimiento. A pesar de
que en los motores reales el rendimiento depende de más parámetros, es cierto
que la relación de compresión es el más
influyente.
Se comprueba que al reducir el dosado aumenta el exponente adiabático γ y, en
consecuencia, el rendimiento termodinámico. Por ello, la utilización de mezclas
pobres aumenta el rendimiento.
Comentarios:
No se puede aumentar la relación de compresión indefinidamente ya que la
resistencia mecánica del motor es limitada.
Al elevar demasiado la relación de compresión aparecen problemas de
autoinflamación.
La expresión obtenida arroja valores muy alejados de la realidad por el gran
número de hipótesis simplificativas, algunas de las cuales no son del todo
aceptables.
4.2. Ciclo con aporte de calor a presión constante.
Es el ciclo teórico que más se aproxima al funcionamiento de los MEC lentos.
Está compuesto por las siguientes fases:
1.- Compresión (1-2): Proceso isoentrópico en el que la relación de compresión volumétrica "r" y las
condiciones termodinámicas del inicio de la compresión coinciden con las del ciclo real.
2.- Aporte de calor (2-3): No instantáneo, a presión constante y de magnitud igual al liberado
teóricamente en la combustión.
3.- Expansión (3-4): Adiabática, reversible y, por lo tanto, isoentrópica ya que se considera sin
fricción.
4.- Renovación de la carga (4-1): Cesión instantánea de calor a volumen constante.
83
4.3. Ciclo con aporte de calor a presión cte. y a volumen cte. (Ciclo de presión
limitada).
El ciclo con aporte parcial de calor a volumen constante y aporte parcial de calor
a presión constante se aproxima bastante al funcionamiento de los MEC en general. La
proporción de calor aportado a volumen constante y a presión constante dependerá del
tipo de inyección y de la velocidad de giro del motor. Así, en el ciclo que representa el
funcionamiento de un MEC-DI lento la proporción de calor aportada a presión constante
será mayor que en el de un MEC-DI rápido y, a su vez, en éste será mayor que en el de
un MEC-IDI.
El ciclo mixto, reproduce de forma bastante adecuada el funcionamiento de los
MEC debido a que la combustión se produce en dos fases. La primera fase de la
combustiones muy rápida y por ello puede considerarse a volumen constante mientras
que la segunda es muy lenta por lo que puede considerarse a presión constante.
En la primera fase se produce la combustión brusca de gran parte del
combustible que se encuentra en la cámara de combustión. Esto hace que en el diagrama
de calor liberado por unidad de tiempo en la combustión se observe el pico entre b y c.
84
En la segunda fase de la combustión, el combustible continúa quemándose,
aunque con un cierto retraso, conforme va encontrando oxígeno en la cámara de
combustión (tramo c-e).
En el gráfico III.4.4 puede apreciarse que el retraso de la combustión hace que
cuando ya se ha dejado de inyectar combustible continúe la combustión (tramo d-e).
El rendimiento termodinámico del ciclo mixto será:
teniendo presente que el calor aportado en un proceso a presión constante es igual a cp
AT y que el calor aportado en un proceso a volumen constante es igual a c/AT, se tiene:
85
Esta expresión del rendimiento térmico no resulta demasiado útil ya que la temperatura
no es una variable que habitualmente se mida en los ensayos de los motores térmicos. A
continuación, utilizando las hipótesis inicialmente propuestas se tratará de expresar
dicho rendimiento en función de presiones y volúmenes totales, variables que sí se
miden habitualmente.
Como la primera fase de la combustión (fase 2-3) se realiza a volumen
constante, se cumple que:
Y como la segunda fase de la combustión (fase 3-3A) se lleva a cabo a presión
constante, se verifica que:
Además, las fases 1-2 y 3A-4 son adiabáticas, por lo cual:
de donde se deduce por un lado que:
y por otro, recopilando las expresiones anteriores y teniendo presente que v3 = v2 y v4 =
v, se puede escribir:
Finalmente, al sustituir las dos últimas expresiones en la inicial del rendimiento térmico
se llega a:
86
Es posible definir ciertos parámetros que reducen de forma importante esta
expresión: "r" es la relación de compresión, "α" es el grado de combustión a volumen
constante y “β" es el grado de combustión a presión constante:
Introduciendo estos parámetros en la última expresión del rendimiento térmico
se obtiene:
Expresión en la que se comprueba fácilmente que si β = 1 se obtiene la expresión
del rendimiento térmico para el caso límite de todo el calor aportado a volumen
constante:
y si α = 1 se obtiene la expresión del rendimiento térmico para el caso límite de todo el
calor aportado a presión constante:
5. ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO DE LOS CICLOS TEÓRICOS DE AIRE.
En este apartado se comparan los rendimientos de los ciclos termodinámicos
anteriores cuando se fijan los valores de ciertos parámetros importantes desde el punto
de vista del diseño:
Presión máxima (pmax): Influye en los esfuerzos soportados por los componentes fundamentales
del motor.
Relación de compresión (r): Influye en la presión máxima y en algunas
características del proceso de combustión.
Cantidad de calor aportado: Influye en el trabajo específico producido por el
motor.
87
Caso 1: Presión máxima variable, relación de compresión constante y calor
aportado constante:
Por considerar constante el calor aportado en el diagrama T-s del gráfico III. 5.1
debe verificarse que las áreas encerradas por las líneas representativas de la combustión
y el eje de abscisas en todos los ciclos deben ser iguales:
Área a-2-3-b-a = Área a-2-3'-3A-c-a = Área a-2-3"-d-a
En dicho diagrama T-s se aprecia claramente que la temperatura media de
aportación del calor más alta es la del ciclo con aporte de calor a volumen constante y la
más baja, la del ciclo con aporte de calor a presión constante. Por otro lado se observa
todo lo contrario para la temperatura media de cesión del calor y, en consecuencia, se
puede concluir que:
Se puede llegar a la misma conclusión a través del diagrama p-V, sabiendo que
el calor aportado es constante y que el calor cedido es máximo para el ciclo con aporte
de calor a presión constante y mínimo para el ciclo con aporte de calor a volumen
constante:
Caso 2: Presión máxima constante, relación de compresión variable y calor
aportado constante:
Por considerar constante el calor aportado, en el diagrama T-s del gráfico III.5.2
debe verificarse que las áreas encerradas por las líneas representativas de la combustión
y el eje de abscisas en todos los ciclos deben ser iguales:
Área a-2-3-d-a = Área a-2'-3'-3A-c-a = Área a-2"-3"-b-a
88
Para determinar cuál de los ciclos tiene mejor rendimiento se aplican los mismos
criterios utilizados en el caso anterior tanto a través del diagrama T-s como del p-V y se
concluye que:
Caso 3: Presión máxima constante, relación de compresión constante y calor
aportado variable:
El ciclo con aporte de calor a presión constante no cumple las condiciones
supuestas por no poderse fijar en él arbitrariamente la relación de compresión y la
presión máxima de forma simultánea. Así, únicamente podrán compararse el ciclo con
aporte de calor a volumen constante y el de presión limitada.
Como ahora ya no se supone la igualdad de calor aportado, no es necesario que
se cumpla la igualdad de áreas antes mencionadas.
Se puede demostrar que los ciclos elementales de Carnot que pueden dibujarse
entre dos isócoras tienen todos ellos el mismo rendimiento. Así, el rendimiento térmico
89
del ciclo con aporte de calor a volumen constante será el mismo que el de cualquiera de
los ciclos elementales que en él se pueden dibujar. Al aportar una determinada cantidad
de calor adicional a presión constante se añaden ciclos elementales de Carnot de menor
rendimiento a causa de la convergencia de la isocora inferior con la isóbara superior, tal
y como se aprecia en el gráfico III.5.4. Por ello, en estas condiciones, el ciclo de presión
limitada va a tener siempre menor el rendimiento que el de aporte de calor a volumen
constante.
90
TEMA IV
ENSAYO DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOs.
Dada la importancia que el ensayo de motores tiene para todas las fases de trabajo del
motor (diseño, fabricación, utilización etc.) se expone este tema que aglutina todo lo
relativo al ensayo de los motores térmicos. En el se estudian en detalle las instalaciones
y equipos necesarios para poder efectuar dichos ensayos pero, además, se explica su
tipología y el interés de los resultados que de ellos se obtienen.
1.- INTRODUCCIÓN.
2.- LA CELDA DE ENSAYOS.
2.1.- La instalación de acondicionamiento del aire comburente.
2.2.- La instalación de abastecimiento de combustible.
2.3.- La instalación de gases de escape.
2.4.- La instalación de refrigeración del motor.
2.5.- Otras instalaciones auxiliares.
2.6.- El pupitre de control.
3.- FRENOS DINAMOMÉTRICOS.
3.1.- Frenos hidráulicos
3.2.- Frenos de corrientes de Foucault.
3.3.- Frenos regenerativos
3.4.- Otros tipos.
3.5.- Curvas características de los frenos dinamométricos.
4.- LA INSTRUMENTACIÓN Y LOS EQUIPOS DE MEDIDA:
4.1.- La cadena de medida y su comportamiento estático.
4.2.- Aspectos fundamentales de los transductores.
4.2.- Los equipos de medida.
5.- CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES ALTERNATIVOS.
5.1.- Curvas a plena carga.
5.2.- Curvas de cargas parciales.
5.3.- Mapas isoparamétricos.
5.4.- Otros tipos de curvas.
5.5.- Influencia de las prestaciones del motor en el tipo de servicio.
91
1.- Introducción.
El diseño, la fabricación y la utilización de los motores térmicos precisan del
conocimiento de una serie de parámetros que sólo se pueden determinar mediante los
ensayos adecuados.
Durante la fase de diseño se fijan unos objetivos para las prestaciones del motor
que son ambiciosos y no pueden conseguirse en el primer intento. Por ello, se somete al
motor a una serie de ensayos en los que se comprueba el nivel de éxito y el modo en que
afectan al motor las variaciones del diseño. Una vez finalizada la fase de diseño,
comienza la fase de fabricación en la que se debe ratificar, también mediante ensayos,
que los motores fabricados tienen las prestaciones con las que fueron diseñados. Por
último y para la adecuada adaptación al uso al que se destinan, resulta necesario
conocer las prestaciones y características técnicas de los motores fabricados.
En resumen, cualquier actividad que gire en torno a los motores térmicos:
diseño, fabricación, utilización, etc., requiere de una serie de datos cuya obtención exige
la experimentación práctica. De ahí la importancia que este tema tiene en todo lo
relacionado con los motores térmicos.
En el ensayo de motores térmicos, al igual que en otros ensayos, resulta
fundamental conocer la, instrumentación electrónica y los equipos de medida. En este
capítulo se abordan además de los aspectos particulares, relativos a los ensayos de
motores térmicos, otros de carácter más general sobre los principios básicos de la
medida y sobre los transductores más usuales. Asimismo, se analizan no sólo los
sistemas de medida, sino también las instalaciones necesarias y los resultados
obtenidos.
2.- La celda de ensayos.
El desarrollo y puesta a punto de los motores alternativos requiere de una serie
de instalaciones que se agrupan en lo que se conoce con el nombre de celda o banco de
ensayos. El objetivo fundamental de la celda de ensayos es poder hacer trabajar al motor
en las condiciones de carga y velocidad precisas, según los intereses del ensayo. El
corazón de la celda de ensayos es el freno dinamométrico pues es el elemento encargado
de disipar la potencia generada por el motor durante su funcionamiento en carga. No
obstante, para poder realizar los ensayos, son necesarias, además, una serie de
instalaciones auxiliares que se van a comentar más adelante.
Las celdas de ensayos (Ilustr. VI.2.1) suelen estar dispuestas de forma que el
motor, el freno y las instalaciones auxiliares precisas se ubican en una sala
independiente y comunicada con el exterior a través de cámaras de TV de circuito
cerrado o de una ventana de cristal blindado. En el interior de la celda, el motor y el
freno se montan sobre bancadas y se conectan entre si mediante una transmisión.
Ambos se sirven de las instalaciones auxiliares que suministran refrigeración,
combustible, electricidad, y otros, según proceda. Por último, desde el pupitre de
92
control, colocado en el exterior de la celda, se realiza el control del motor, del freno y de
las instalaciones auxiliares. Dicho control puede efectuarlo un operario, de forma
manual, o un ordenador personal, de forma automática.
A continuación se estudian las instalaciones auxiliares requeridas en una celda
de ensayos. No obstante, los frenos dinamométricos se abordan en un apartado
específico dada su trascendencia y diversidad.
2.1.- La instalación de acondicionamiento del aire comburente. (Ilustr. VI.2.2)
El comportamiento de cualquier motor se ve afectado de forma importante por
las condiciones atmosféricas. Controlando la temperatura, la presión y la humedad y
ajustándolos al valor que mejor convenga, se evita que las condiciones climáticas del
momento perturben el resultado de los ensayos. Puede actuarse de dos formas: sobre la
celda completa o sólo sobre el aire respirado por el motor (admisión y escape). Este
último procedimiento es el más frecuente por ser más sencillo de acometer y no suponer
inconvenientes importantes respecto del primero.
La instalación de acondicionamiento del aire de admisión consta de:
93
• una soplante que eleva la presión del aire al nivel requerido.
• un grupo de enfriamiento y/o caldeo para establecer la temperatura deseada.
• una cámara de mezcla sobre la que se realiza el control de humedad y el aporte de
vapor de agua hasta las condiciones pretendidas.
• Un dispositivo para la medida del gasto másico de aire.
• Un conducto de conexión a ia admisión del motor.
2.2.- La instalación de abastecimiento de combustible. (Ilustr. VI.2.3)
La instalación de abastecimiento de combustible persigue que el motor disponga
en todo momento de combustible en condiciones de temperatura controlada. Para ello,
se dispone en el interior de la celda de ensayos de un depósito nodriza alimentado,
generalmente por gravedad, desde un depósito principal, exterior a la celda.
El combustible del depósito nodriza mantiene un nivel constante en todo
momento para que si se utiliza un medidor volumétrico del gasto de combustible, éste
pueda llenarse en su totalidad sin rebosar por la parte superior.
Procedente del depósito nodriza o del medidor, el combustible se dirige a un
filtro propio de la celda y, mediante un bombín eléctrico, se envía a la instalación propia
del motor. Resulta conveniente incorporar en el circuito de alimentación del motor un
sistema de refrigeración que permita controlar la temperatura del combustible
suministrado.
2.3.- La instalación de gases de escape. (Ilustr. VI.2.4)
Esta instalación es la que permite evacuar al ambiente los gases de escape del
motor. Para poder simular condiciones de presión distintas a las atmosféricas y acordes
con las de admisión mencionadas anteriormente, se dispone una válvula de mariposa
que estrangula el flujo de salida haciendo que la presión del recinto sobre el cual el
94
motor descarga los gases sea la misma que la existente en la admisión del motor. Por
otro lado, aunque cada vez resulta más habitual ensayar los motores con el sistema de
escape de la aplicación real, en el caso de no ser así, se debe colocar otra válvula de
mariposa que provoque una pérdida de carga similar a la que provocaría el sistema de
escape de la aplicación real.
La instalación de escape de la celda consta, en definitiva, de un conducto de
escape con una o dos válvulas de mariposa, una para ajustar la presión de escape
(contrapresión de escape) y otra, si procede, para ajustar la pérdida de carga en la
instalación; un silencioso que reduce el nivel sonoro en la celda y que, finalmente,
descarga sobre una chimenea en la que se fuerza el flujo con un extractor eléctrico.
Además, la instalación de escape debe disponer de una toma de muestras para
poder derivar la fracción necesaria de gases hacia el medidor de opacidad de humos, si
se trata de un motor diesel, o para analizar la composición de los gases de escape, en
cualquier tipo de motor.
2.4.- La instalación de agua de refrigeración, (llustr. VI.2.5)
En el interior de la celda, existen dos focos caloríficos que es necesario
refrigerar: el propio mote: y el freno dinamométrico. En el motor, no sólo se debe
evacuar el calor del refrigerante, también se debe enfriar: el aceite lubricante, el
combustible o, incluso, el aire de admisión, si se trata de un motor turbe con enfriador.
Para ello, se cuenta con una serie de intercambiadores de calor que sirven para robar
calor de los diferentes circuitos: uno para el circuito de refrigeración del motor, otro
para el de alimentación de combustible, y, si el motor no dispone de intercambiador
propio, otro para el circuito de lubricación. Todos estos intercambiadores ceden el calor,
en su circuito secundario, al circuito de refrigeración de la celda. Dicho circuito de
refrigeración elimina el calor al ambiente a través de una torre de refrigeración, un
intercambiador agua-aire, una piscina de enfriamiento u otro procedimiento, según sean
las circunstancias locales de la instalación: tamaño, disponibilidad de agua fría exterior,
etc.
95
En lo que respecta al freno dinamométrico, también requiere refrigeración pues
es al agua, en definitiva, donde finalmente se cede la energía producida por el motor.
Por ello, el agua de refrigeración entra fría al freno y sale de él caliente, para juntarse
con la del resto de circuitos de refrigeración.
Todos estos circuitos de refrigeración llevan instaladas tomas de presión que
controlan el adecuado funcionamiento. También cuentan con una serie de sondas de
temperatura que permiten controlar otras tantas válvulas termostáticas y, así, poder
fijar desde el pupitre de control la temperatura de ciertos puntos del circuito al valor
establecido para la prueba.
El condensador del equipo de enfriamiento, utilizado para el acondicionamiento
del aire comburente de la celda, también utiliza la instalación de refrigeración de la
celda para evacuar el calor (Ilustr. VI.2.2).
Por último y aunque no es habitual, podría refrigerarse el sistema de escape para
evitar la existencia de zonas excesivamente calientes en el interior de la celda que
pudieran provocar accidentes y/o averías. Esta operación debe efectuarse después de la
toma de muestras para que no afecte a la medida de las emisiones contaminantes.
2.5.- Otras instalaciones auxiliares.
Además de las instalaciones tratadas hasta ahora, características de una celda de
ensayos, existen otras más comunes pero igualmente necesarias. A continuación se
mencionan algunas de ellas:
Instalación eléctrica y de iluminación: El nivel luminoso debe ser el
adecuado para la correcta lectura de los instrumentos de medida y para efectuar
controles y revisiones. También se debe contar con los enchufes necesarios
para conectar los equipos eléctricos.
96
Instalación de aire comprimido: El aire comprimido puede ser preciso para el
accionamiento de herramientas, la refrigeración local de componentes, la
limpieza del banco, etc.
Instalación de agua corriente: Conveniente para operaciones de limpieza o
abastecimiento.
Instalación de ventilación y/o climatización: Imprescindible para mantener
en la celda una renovación de aire adecuada y eliminar el calor emitido por el
motor y el freno mediante radiación y/o convección.
Instalación contraincendios: Al trabajar con combustibles, resulta obligada
esta instalación por motivos de seguridad. Puede tratarse de una instalación fija
o, en el caso más corriente, de extintores convencionales.
Sustentación: La celda de ensayos debe disponer de las bancadas necesarias
para sustentar al motor y al freno, procurando que su montaje y desmontaje
sean sencillos y garantizando el funcionamiento suave y sin vibraciones. Para
ello, se suele montar una estructura de perfiles con correderas y ajustes de
altura para facilitar el montaje del motor y su acoplamiento al freno. El freno
va montado también sobre una estructura fija de perfiles. Las dos bancadas, se
arman sobre una plataforma de hierro lo más rígida posible apoyada sobre
soportes elásticos que reducen la transmisión de vibraciones al suelo. Otras
disposiciones de montaje, persiguen la misma finalidad.
Transmisión: La solución más habitual para la conexión del motor y el freno
es una transmisión tipo cardan o una transmisión rígida con acoplamientos
elásticos en los extremos que admitan una pequeña desalineación en el
montaje. Resulta fundamental el buen alineamiento del conjunto motor-freno y
el equilibrado dinámico de la transmisión. Para minimizar las consecuencias de
una rotura accidental, las transmisiones deben contar con una protección
metálica exterior.
Polipasto: Facilita el montaje del motor y el freno sobre las bancadas.
2.6.-El pupitre de control. (Ilustr. VI. 2.6)
97
El pupitre de control se encuentra ubicado en el exterior de la celda de ensayos.
Desde él se visualiza el motor bien directamente^ través de una luna blindada, bien a
través de un circuito cerrado de TV. El pupitre de control es el lugar donde se coloca el
operador del banco y desde él se debe tener acceso a la medida y control de todos los
parámetros de funcionamiento y operativos del motor (temperaturas, velocidad de giro,
par, caudales, etc.) así como al control de las instalaciones auxiliares de la celda
(iluminación, refrigeración, abastecimiento de combustible, etc.).
Hoy en día, la ayuda de los sistemas informáticos en la adquisición y proceso de
datos, control de parámetros, alarmas, etc. resulta fundamental para cualquier banco de
ensayos. Esta ayuda será tanto más necesaria cuanto más complejos sean los ensayos o
el propio motor. Existen aplicaciones informáticas que permiten realizar ensayos
completos sin requerir para nada al operador o, como mucho. sólo a nivel de
supervisión.
3. Frenos dinamométricos.
Para poder ensayar un motor térmico en condiciones estacionarias dentro de una
celda de ensayos y poder reproducir condiciones de trabajo semejantes a las reales, se
precisa de un dispositivo que consuma la potencia del motor y, en definitiva, permita
modificar su carga de trabajo. Dicho dispositivo es, precisamente, el freno
dinamométrico que, además, permite medir el par que el motor está desarrollando en
todo momento.
Los frenos dinamométricos se vienen utilizando desde hace muchos años, si bien,
el principio físico en el que basan su funcionamiento ha ido evolucionando a lo largo
del tiempo. Inicialmente, se utilizaban simples frenos de fricción mediante zapatas o
cintas refrigeradas, frenos que hoy en día carecen de aplicación en el mundo del motor.
Más tarde, se desarrollaron otros tipos de frenos que todavía están vigentes y que, a lo
largo de este apartado, se comentarán: frenos hidráulicos, de corrientes parásitas,
hidrostáticos, de polvo magnético, inerciales, regenerativos de corriente continua o
alterna. etc. La conveniencia de uno u otro tipo de freno depende del tipo de motor, del
tipo de ensayo a realizar y del presupuesto disponible.
3.1.- Frenos hidráulicos.
Un acoplador hidrodinámico (Ilustr. VI. 3.1) es un sistema de transmisión de
potencia mediana líquido a presión que consiste en:
1. Una bomba que presuriza el líquido motriz.
2. Una tubería que conduce el líquido presurizado hasta el lugar de consumo de la
potencia.
3. Un motor hidráulico o una turbina que transforma la potencia hidráulica de la
corriente de liquido en potencia mecánica.
4. Una tubería o depósito que retorna la corriente de líquido a la bomba.
Un freno hidráulico es un simple acoplador hidrodinámico en el que la potencia
transmitida por la corriente de líquido se disipa en la turbina por tener ésta su
movimiento impedido. Los frenos hidráulicos, además, agrupan las dos máquinas del
98
acoplamiento hidrodinámico en una sola y eliminan las tuberías intermedias. Así, la
bomba será el rotor del freno y, para su accionamiento, utilizará la potencia del motor
térmico. Por otro lado, la turbina será el estator del freno y, para evitar su giro, se sirve
de un tirante que transmite el esfuerzo a la bancada. Dicho esfuerzo se mide mediante la
instrumentación adecuada para la determinación del par motor. La potencia disipada por
fricción en el seno del propio líquido provoca su calentamiento por lo que, antes de
proceder a su recirculación, debe refrigerarse en el exterior o bien funcionar en circuito
abierto.
De forma básica, el funcionamiento interno del freno puede entenderse
analizando el acoplador hidráulico toroidal de Fóttinger (Ilustr. VI.3.2). A partir del
líquido contenido en el interior del freno, aparece en las cámaras del rotor una corriente
radial hacia el exterior, como consecuencia de la centrifugación que produce su giro por
estar conectado al motor térmico. Como consecuencia de la inercia de la corriente y por
encontrarse el estator frenado, la corriente procedente de la parte exterior del rotor
retorna radialmente a través de las cámaras del estator de nuevo a la parte interior del
mismo, donde pasa al rotor y se repite el proceso. Estas corrientes toroidales provocan
un esfuerzo de giro sobre el estator y una degradación de la potencia hidráulica de la
corriente, por encontrarse frenado.
Resulta lógico pensar que la potencia disipada, la capacidad de frenado o el par
resistente ofrecido al motor serán tanto mayores cuanto mayor sea la cantidad de agua
contenida en el interior de la máquina. Los diferentes tipos de frenos hidráulicos se
diferencian entre sí en el procedimiento que utilizan para regular dicha cantidad de
agua. Una característica de estos frenos es s_ elevada capacidad de frenado con tamaños
relativamente pequeños.
Los frenos hidráulicos han-sido durante muchos años casi los únicos utilizados
en la industria de^ motor gracias a su robustez y a su mejor precio. No obstante, la
necesidad de mejorar la calidad de los ensayos y conseguir puntos de funcionamiento
99
más estables dio paso, en muchos casos, a los frenos electromagnéticos. Hoy en día
siguen siendo utilizados en ciertos ensayos con relativa frecuencia: motores de gran
potencia, ensayos de duración, etc.
3.2.- Frenos de corrientes de Foucault.(Ilustr. VI.3.3)
Efecto Foucault: "Cuando un conductor eléctrico se mueve en el seno de un
campo magnetice aparecen en él unas corrientes eléctricas que se denominan
corrientes parásitas de Foucault que, por un lado se disipan en forma de calor y, por
otro, frenan su movimiento ". Otro enunciado podría ser "Cuando un imán se mueve en
las proximidades de un conductor eléctrico, aparecen en esté' unas corrientes eléctricas
que se denominan corrientes parásitas de Foucault que, por un lado se disipan er.
forma de calor y, por otro, frenan el movimiento del imán ".
El funcionamiento de un freno de Foucault se basa en el efecto antes
mencionado. El motor térmico mueve al rotor metálico del freno que tiene forma
cilíndrica con dentado exterior a modo de engranaje. Este rotor gira en el interior de un
estator que dispone de unas bobinas eléctricas por las que se hace circular una "corriente
continua de intensidad ajustable. Estas bobinas producen un campo magnético que se
cierra a través del rotor. La concentración del campo magnético que producen las
cabezas de los dientes junto con el movimiento del rotor ocasionan un campo magnético
rotatorio que:
1. Intenta arrastrar al estator en su movimiento. Este movimiento se
encuentra impedido mediante un tirante que transmite el esfuerzo a la bancada y sobre
el cual se mide el par motor, utilizando la instrumentación adecuada.
2. Produce en la periferia interna del estator unas corrientes parásitas de Foucault
que, por un lado disipan energía en forma de calor y, por otro, generan un flujo
magnético que se opone al movimiento del rotor.
El calor que se genera en la parte interior del estator debe evacuarse mediante el
agua de refrigeración. El diseño de las cámaras de refrigeración resulta crítico pues,
para conseguir una buena eficacia de frenado, se precisa que el entrehierro del circuito
100
magnético, holgura rotor-estator, sea pequeño y, por ello, la dilatación excesiva a causa
del calentamiento podría producir el roce entre ambos con consecuencias catastróficas.
Así, la eliminación de óxido e incrustaciones de cal de dichas cámaras de refrigeración
es una labor a tener en cuenta en el mantenimiento del freno.
La trascendencia de la refrigeración hace que estos frenos sean mas
delicados que los hidráulicos,
aifcmáasJ la necesidad de una holgura pequeña entre el rotor v el estator hace
que su construcción sea más cara y. por último, el peso del rotor hace que su inercia
sea muy superior a la de un freno hidráulico. No obstante, su regulación, mucho más
sencilla y efectiva, permite una mayor estabilidad de funcionamiento y una más
sencilla automatización. Son los frenos más convenientes para ensayos en régimen
permanente en aplicaciones de hasta 600 kW y que no requieran arrastre del jnotor. Para
potencias superiores su inercia puede resultar excesiva.
3.3.-Frenos eléctricos regenerativos.
Los frenos eléctricos regenerativos son aquellos frenos que, en lugar de disipar
la energía en forma de calor, generan una corriente eléctrica que puede ser entregada
a la red. Estos frenos tienen un carácter reversible y pueden actuar como freno o como
motor. Son, en definitiva, generadores eléctricos cuyo rotor se encuentra conectado al ej
e del motor térmico y cuyo estator, basculante sobre rodamientos, se acopla al medidor
de fuerza.
La gran ventaja de este tipo de frenos es que permiten el ensayo en condiciones
transitorias y se pueden reproducir, con ellos, todas las condiciones de trabajo de un
motor instalado en un vehículo en el caso de: aceleración, retención, variación de carga,
etc. Para ello, basta con programar la velocidad de giro y el par motor en función del
tiempo. Dicho par motor podría ser negativo si se trata de una retención , es decir, que el
motor térmico actúe como freno del vehículo. La rapidez con que pueden variar la carga
es elevadísima permitiéndoles pasar de plena carga a cero en milésimas de segundo.
Estos frenos pueden ser generadores de corriente alterna y de corriente continua.
Los de corriente continua, también denominados dinamofrenos, son simples
dinamos que pueden frenar o arrastrar al motor. En el caso de actuar como freno-
generador, la potencia eléctrica producida se envía a unas resistencias eléctricas o bien,
utilizando el sistema electrónico adecuado, se transforma en corriente alterna que se
entrega a la red. La regulación de la dinamo se efectúa actuando directamente sobre la
carga. En el caso de trabajar como motor de arrastre, se alimentará con corriente
continua a la tensión adecuada.
Los de corriente alterna son máquinas que pueden actuar como alternador
(freno regenerativo) o como motor de arrastre de corriente alterna. Actuando como
alternador, la máquina es un generador asíncrono que mediante una electrónica
bastante compleja, transforma la corriente alterna generada en corriente continua y, más
101
tarde, en alterna de 50 Hz que puede ser entregada a la red. Actuando como motor de
arrastre, la máquina es un motor asíncrono alimentado a partir de la red pero no de
forma directa sino a través de una electrónica que transforma la frecuencia de la red al
valor conveniente. Así, se puede arrastrar al motor térmico a la velocidad deseada. La
evolución que está teniendo la electrónica de potencia a lo largo de los últimos años ha
hecho que este tipo de frenos prolifere en la actualidad de forma importante.
El inconveniente de los frenos regenerativos es su elevado coste aunque, en
ensayos dinámicos, resultan imprescindibles. En la actualidad, se tiende a utilizar los
frenos regenerativos de corriente alterna que aventajan a las dinamos frenos en coste,
tamaño y, sobre todo, inercia del rotor. A pesar de ello, la dinamofreno sigue siendo la
de mejor control de respuesta.
3.4.- Otros tipos de frenos dinamométricos.
Aunque de forma menos habitual que los anteriores, pueden utilizarse en el
ensayo de motores térmicos otros tipos de frenos. Entre ellos cabe destacar: los frenos
inerciales, los frenos hidrostáticos y los frenos de polvo magnético.
Los frenos inerciales son adecuados cuando se desea una inversión pequeña y
una medida rápida aunque no muy precisa. También resultan interesantes en el caso de
motores que no pueden permanecer funcionando en condiciones estacionarias durante
mucho tiempo, por lo que no resultan apropiados los frenos hidráulicos o de corrientes
de Foucault convencionales. En estos frenos, el par motor se utiliza para acelerar una
masa rotativa de modo que, conociendo la inercia del freno (I) y midiendo la velocidad
angular instantánea (ω), se puede determinar de forma sencilla el par instantáneo y la
potencia del motor.
Los frenos hidrostáticos son frenos que tienen prestaciones similares, aunque
algo inferiores, a los frenos eléctricos regenerativos siendo menores su tamaño, inercia
y coste. En este caso, el motor térmico se encuentra conectado a un motor hidráulico
que puede actuar como bomba, movida por el motor térmico, o como motor, arrastrando
al motor térmico. Actuando como freno regenerativo, la bomba accionada por el motor
térmico, comprime un aceite hidráulico que se envía a otro motor hidráulico conectado a
un alternador de modo que, entre ambos, transforman la energía hidráulica del flujo de
aceite en energía eléctrica que se devuelve a la red. Actuando como motor de arrastre,
existe una bomba accionada eléctricamente que presuriza el circuito de modo que, la
potencia hidráulica del flujo de aceite se utiliza para mover el motor hidráulico
conectado al motor térmico.
Los frenos de polvo magnético (Ilustr. VI. 3.4) disponen de un estator
basculante formado por una bobina cuya excitación se controla exteriormente. El rotor
metálico del freno está unido al motor y cierra el circuito magnético creado por la
bobina del estator. Entre el rotor y el estator se colocan limaduras de hierro que, al ser
sometidas a un campo magnético, se comportan como un fluido. Este "fluido" tendrá un
comportamiento más viscoso cuanto más intenso sea el campo magnético y, en
102
consecuencia, la intensidad que circula por la bobina. Se genera por tanto una fricción
de tipo viscosa que elimina la potencia del motor. La refrigeración de la zona donde se
genera el calor se realiza mediante camisas de agua o mediante aletas. Este tipo de
frenos se utiliza para potencias no muy elevadas y tiene la posibilidad de construirse
para potencias muy pequeñas. Se caracterizan por tener una buena precisión y
linealidad, una regulación sencilla, bajo momento de inercia, bajo mantenimiento y
por su capacidad de frenado máxima desde velocidad nula.
3.5.- Curvas características de los frenos dinamométricos.
Las curvas características de los frenos dinamométricos vienen determinadas por su
rango de trabajo y por su característica natural de frenado. Así, todo freno
dinamométrico tendrá (Gráf. VI.3.1):
1. Un par de frenado máximo admisible por limitaciones mecánicas del rotor.
2. Una velocidad de giro máxima admisible por limitaciones mecánicas del rotor.
3. Una capacidad de frenado máxima condicionada por las características particulares
del freno.
4. Un par de frenado mínimo determinado por las pérdidas mecánicas y aerodinámicas
del rotor.
5. Una potencia máxima limitada por problemas térmicos de evacuación de calor.
103
Como consecuencia de estas limitaciones, las curvas características de un freno
tienen una zona de, trabajo limitada. Además, dentro de dicha zona, la forma de las
curvas características se obtiene manteniendo constante el parámetro de regulación del
freno:
• El nivel de agua en el interior del freno en los frenos hidráulicos.
• La intensidad de alimentación de las bobinas del estator en los frenos de
corrientes parásitas o de polvo magnético.
• El valor de la resistencia a la que se envía la potencia eléctrica, si es el caso, en
una dinamofreno.
Al operar el freno con sus curvas características naturales, podría darse el caso
de que éstas y la correspondiente al motor fueran similares, provocando un
funcionamiento inestable del conjunto. Para evitar este problema, los frenos modernos
disponen de diferentes modos de regulación electrónica que modifican las curvas
características del freno haciéndolas más útiles (Gráf. VI. 3.2): velocidad constante
(verticales), par constante (horizontales), etc. Se procura siempre que las características
del motor y del freno formen un ángulo próximo a 90°, lo que se traduce en una gran
estabilidad de funcionamiento.
En lo relativo a los frenos hidrostáticos y eléctricos regenerativos que, además
de los estacionarios, realizan también ensayos dinámicos, tienen otros parámetros que
evalúan el comportamiento dinámico: tiempo de respuesta del freno ante variaciones
bruscas de la carga, etc.
4.- La instrumentación y los equipos de medida.
Para poder conocer el nivel de prestaciones de un motor de una forma objetiva y
precisa, resulta necesario disponer de equipos que midan de forma fiel y repetitiva los
parámetros necesarios para cada caso particular. La aplicación más o menos reciente de
la electrónica y de los ordenadores a la medida ha supuesto un avance vital. No obstante
y a pesar de ello, medir bien sigue siendo muy complicado pe: cuanto que cada vez se
requieren precisiones más elevadas y se pretenden medir parámetros más complejos.
104
En el mundo de los motores, el empleo de sistemas de instrumentación en la
medida se utiliza con diversos objetivos:
Validación de modelos teóricos: Mediante la obtención de medidas
experimentales sobre prototipos y por comparación con los resultados de los
modelos teóricos, se podrán refínar o modificar dichos modelos.
Control de procesos: La variable medida se utiliza para controlar la
magnitud que ésta representa, de manera que, actuando sobre el sistema, su
valor iguale uno deseado.
Seguimiento de procesos (monitorizado permanente, alarmas): Predice el
comportamiento anómalo de un motor mediante la comparación del valor
medido en cada instante con un parámetro estándar, estimado representativo
de su correcto funcionamiento.
Conocimiento del nivel de prestaciones de un motor: Estas prestaciones
interesan bien porque sei necesario el cumplimento de normas que limiten
ciertos parámetros (emisiones contaminantes. acústicas, etc), bien porque las
prestaciones hagan referencia a aspectos cualitativos del motor (par efectivo,
potencia, consumo), o bien porque sirvan de ayuda en el análisis y/o diseño
del motor (rendimiento volumétrico, presiones, temperaturas, etc).
4.1.- La cadena de medida y su comportamiento estático.
Se denomina cadena de medida a las sucesivas etapas descritas entre la magnitud
física que se desea medir y el resultado final de la medida. El diseño de la cadena de
medida influye de forma directa sobre la fiabilidad de la medida. Las fases principales
que constituyen una cadena de medida son:
La captación: Es la primera fase de toda cadena de medida. En ella se realiza el
proceso de transducción, es decir, la conversión de la magnitud física que queremos
medir en otra que, por lo general, suele ser eléctrica.
El acondicionamiento: Es el proceso de amplificación y filtrado que se aplica a
la señal generada por el transductor y a la alimentación del mismo, si procede. La
amplificación se hace necesaria dado que, generalmente, la señal eléctrica que
proporciona un transductor, en tensión o corriente. es muy débil y necesita ser
amplificada. La relación existente entre la señal de salida y la de entrada de un
amplificador se denomina ganancia. El filtrado de la señal consiste en eliminar el ruido
que dicha señal pueda llevar por estar el transductor sometido a interferencias eléctricas
que proceden de diversas fuentes. El sistema de filtrado debe poseer una elevada
relación señal/ruido. La alimentación será precisa sólo en el caso de transductores
pasivos que requieren ser alimentados eléctricamente para su funcionamiento.
La visualización y/o el registro: Una vez que la señal eléctrica está amplificada
y filtrada puede precederse a su visualización a través de un osciloscopio a través de
voltímetros o amperímetros.
105
analógicos o digitales y, también, a través de la pantalla de un ordenador
mediante un sistema de adquisición de datos. Si resulta procedente, el registro o
almacenamiento de la señal se puede efectuar con un registrador magnético analógico
o digital, un registrador de papel y, también, un ordenador, que utilice el
correspondiente sistema de adquisición de datos. ■ El análisis: Esta es la última fase de
la cadena de medida. La forma en la que se aborde dependerá del tipo de señal así:
- Las estáticas se analizarán estudiando directamente el valor de la medida.
- Las dinámicas se analizarán en el dominio de la frecuencia.
- Los transitorios se analizarán estudiando la evolución de la medida entre dos
estados.
- Las aleatorias se analizarán mediante procedimientos estadísticos o con
valores eficaces (RMS).
A la hora de definir el comportamiento estático de un sistema o cadena de
medida se definen una serie de parámetros que caracterizan su bondad o adecuación
ante señales estáticas, esto es, señales que no varían en el tiempo o que su variación es
suficientemente lenta.
En primer lugar se define la curva de calibración que representa en el eje de
abscisas el parámetro físico de entrada y en el de ordenadas el valor de la medida
visualizada. La determinación de esta curva se debe realizar con equipos patrón que
tienen mayor precisión que el que se pretende calibrar.
Se denomina histéresis (Gráf. VI.4.1) a la máxima diferencia entre la curva de
calibración que se obtiene en sentido creciente del parámetro físico y la obtenida en
sentido decreciente.
La curva de calibración ideal es una recta. El error de Iinealidad (Gráf. VI. 4.1)
indica el grado de separación de ella y se define como la máxima desviación entre la
curva de calibración y la recta que une sus dos extremos.
La sensibilidad (Gráf. VI. 4.1) es la pendjente_en_cada punto de la curva de
calibración. En el caso de transductores que no necesitan alimentación eléctrica
(pasivos) la sensibilidad viene expresada por el cociente a fondo de escala entre la
tensión eléctrica de salida y la magnitud física de entrada que se pretende medir
(mV/bar, mV/°C, etc). En los sensores que sí necesitan alimentación eléctrica (activos),
la sensibilidad se obtiene dividiendo a la tensión eléctrica de salida, además, entre la
tensión eléctrica de alimentación (mV /(barV), mV/(°C∙V), etc).
La resolución es el incremento mínimo del valor de entrada necesario para que
se detecte un cambio en la salida del sistema de medida.
El rango (Gráf. VI.4.1) es la diferencia existente entre el máximo y el mínimo
valor que puede medir un instrumento o sistema de medida sin perder linealidad.
106
La repetibilidad es la capacidad de un instrumento para reproducir el mismo
valor de salida ame una misma entrada.
La precisión se define como el cociente porcentual entre el error total de la
medida y el rango dei instrumento. Si una cadena de medida resulta ser repetitiva, se
dice que es fiel. Por otra parte, si este valor se aproxima al valor real de la magnitud
física, se dice que es precisa.
Un sistema de medida es estable si mantiene invariable su curva de calibración a
lo largo detiempo. Si presenta variaciones en su señal de salida mientras que la entrada
permanece constante, se dice que presenta deriva. La temperatura ambiente puede
afectar a los equipos y ocasionar derivas.
Los errores que pueden aparecer cuando empleamos sistemas de
instrumentación son, en genera! de dos tipos:
• Sistemáticos: Son errores propios de la medida: calibración, montaje de la
cadena de medida : posicionamiento del transductor, alimentación, ruido, etc. Se
pueden reducir mejorando la cadena.
• Aleatorios: Son más difíciles de eliminar que los sistemáticos pudiendo llegar a
ser ineludibles. N: obstante, al repetir la medida en las mismas condiciones
varias veces y calcular su promedio, los errores aleatorios tienden a cero.
4.2.- Aspectos fundamentales de los transductores.
Según se ha visto en el apartado anterior, durante el proceso de transducción, los
transductores transforman la magnitud física que se desea medir en otra
correspondiente a aquella pero de forma física distinta y que, generalmente, suele ser de
tipo eléctrico. Estos deben modificar de forma inapreciable la energía del sistema que se
quiere medir y para ello se requiere una elevada impedancia de entrada.
Todo transductor posee un elemento sensor cuyos parámetros físicos, bien sean
mecánicos c eléctricos, varían proporcionalmente con la variación de la magnitud a
medir. Por ejemplo, una banda extensométrica hace las veces de sensor cuando se
emplea para medir esfuerzos en una célula de carga mientras que cuando se utilizan para
medir directamente la tensión mecánica existente en la superficie de una pieza, la banda
extensométrica se considera un transductor.
107
Atendiendo a si requieren o no alimentación eléctrica para su funcionamiento,
pueden existir dos tipos de transductores:
• Activos: La variable física a medir les proporciona la energía necesaria para
generar por sí mismos la señal eléctrica de salida, sin necesidad de una
alimentación externa.
• Pasivos: Necesitan energía de alimentación para que pueda verificarse el
proceso de transducción. En estos puede regularse la sensibilidad variando la
tensión de alimentación de entrada. En ambos tipos de transductores suele ser
necesario amplificar la señal de salida.
Atendiendo al tipo de señal de salida, pueden existir dos tipos de transductores:
• Analógicos: La señal de salida puede representarse como una función continua
en el tiempo.
• Digitales: La señal de salida se presenta en forma de variaciones discretas.
Dado que el proceso de transducción se basa en la variación de un parámetro
eléctrico con la correspondiente magnitud física que deseamos medir, atendiendo al tipo
de parámetro eléctrico empleado, los transductores pueden clasificarse en: Resistivos,
potenciométricos, capacitivos, inductivos, de efecto Hall, piezoeléctricos,
fotoconductores, foto voltaicos, termoeléctricos, etc.
4.2.1.- Transductores resistivos.
Transductores pasivos que basan su funcionamiento en la variación de resistencia
eléctrica que experimenta un conductor cuando se tracciona (aumenta su longitud y se
reduce su sección -Ilustr. VI. 4.1)-). En la actualidad, más del 50% de los transductores
se basan en este principio (células de carga, bandas extensométricas, termistores,
piezorresistencias, termorresistencias, etc.) y son empleados en medidas tanto estáticas
como dinámicas. Se puede demostrar que, siendo C una constante propia del material
del conductor, la variación unitaria de la resistencia eléctrica es proporcional a la
variación unitaria de longitud:
4.2.2. - Transductores potenciométricos.
Este tipo de transductores posee un cursor que desliza a lo largo de una resistencia
alimentada eléctricamente y denominada pista (Ilustr. VI.4.2). La pista está constituida
por un conductor eléctrico, adherido a un soporte aislante, que le confiere rigidez. El
108
deslizamiento del cursor sobre la [pista provoca su desgaste por rozamiento y su
degradación progresiva. Puede demostrarse fácilmente que la tensión de salida es
proporcional a la tensión de alimentación y al grado de avance del cursor.
La resolución depende de las dimensiones y de la
granulometría de la pista. En ocasiones, la pista conductora se sustituye por una de
hilo bobinado sobre una pieza aislante (Ilustr. VI. 4.3) aunque la resistencia mecánica y
la resolución, que depende del número de espiras, se reducen drásticamente.
Los transductores potenciométricos son pasivos al igual que los resistivos y se
emplean, normalmente, para medidas de magnitudes que varían lentamente
(desplazamientos, presiones, fuerzas, etc.).
Pueden clasificarse, atendiendo a la ley de variación de la resistencia de
la pista con el desplazamiento del cursor. Así existen transductores potenciométricos
lineales, logarítmicos y trigonométricos (Gráf. VI.4.2).
Otro tipo de clasificación atiende al modo de desplazamiento del cursor: lineales y
angulares, (Ilustr. VI.4.4).
4.2.3.- Transductores capacitivos.
Estos transductores basan su funcionamiento en la variación de la capacidad de un
condensador paralelamente a la magnitud física a medir.
109
Un condensador está formado por dos placas separadas por un dieléctrico
interpuesto entre ellas. Su capacidad resulta proporcional a )la constante del dieléctrico
(6) y a algún parámetro geométrico que dependerá del tipo de condensador. Así, la
variación de capacidad puede deberse al movimiento relativo entre las placas (Ilustr.
VI.4.5 -A y B-) ó, manteniendo fijas las placas, a la modificación del dieléctrico
interpuesto entre ellas (Ilustr. VI.4.5 -C-).
Este tipo de transductores presenta muy buena relación señal/ruido y están
encuadrados dentro de tipo de transductores pasivos. Se alimentan con corriente alterna
de una frecuencia que oscila entre decenas de KHz y 1 Mhz. Se emplean para la medida
de desplazamiento, posición, aceleración, fuerza-presión, nivel y ruido. Los
transductores capacitivos más frecuentes son:
a) De placas planas (Ilustr. VI.4.5. A):
b) Cilíndrico (Ilustr. VI.4.5.B):
c) Cilíndrico de dieléctrico variable (Ilustr. VI.4.5.C): Muy usados en la medida de
nivel de líquidos
4.2.4.- Transductores inductivos.
En una bobina en la que el devanado tiene N espiras, el núcleo una sección AF y una
longitud media l y el entrehierro una longitud d y una sección es A0 (Ilustr. VI.4.6), se
puede demostrar que su autoinducción tiene la siguiente expresión:
110
donde μF y μ0 son las permeabilidades magnéticas del núcleo y del entrehierro. El
denominador de esta expresión recibe el nombre de reluctancia del circuito magnético,
R.
En este caso la transducción se consigue modificando la autoinducción de una
bobina. Para ello, puede variarse la longitud del circuito magnético (l) o el entrehierro
(d), (Ilustr. VI.4. 7). Las aplicaciones de este tipo de transductores son muy extensas,
pudiéndose medir velocidad de giro, desplazamiento, aceleración, fuerza y presión. En
medidas dinámicas, este transductor es activo ya que la variación de flujo magnético,
producida por cualquiera de los dos procedimientos anteriores, genera una corriente
eléctrica. En medidas estáticas, el transductor es pasivo y deberá alimentarse mediante
una corriente alterna de modo que la tensión (v) y la intensidad (i) queden ligadas por la
autoinducción de la bobina.
4.2.5.- Transductores de efecto Hall.
El efecto Hall, descubierto en 1879 por Edward H. Hall, consiste en que cuando
una placa conductora por la que circula una corriente eléctrica se somete a un__cajnpjo,
magnético perpendicular a ella, aparece un desplazamiento de los electrones que
atraviesan la placa hacia sus extremos, apareciendo una diferencia de potencial entre los
mismos.
Dicho desplazamiento se debe a las fuerzas de Lorentz producidas por el campo
magnético (Ilustr. VI.4.8). Si e es el espesor de la placa, la relación entre la tensión de
salida y la intensidad de corriente que circula por ella será:
111
También puede producirse el efecto inverso: desplazando la placa se genera en
ella una corriente.
4.2.6.- Transductores piezoeléctricos.
El efecto piezoeléctrico consiste en que cuando ciertos materiales son sometidos
a un esfuerzo mecánico según ciertas direcciones, generan una carga electrostática
(Ilustr. VI.4.9). Así, el cristal piezoeléctrico se comporta como un condensador cuya
capacidad es proporcional a su área (S) e inversamente proporcional a su espesor (e).
Siendo (Xy € constantes del material, se puede demostrar que la tensión generada
entre los extremos del cristal es directamente proporcional a la fuerza a la que está
sometido:
Si la fuerzan aplicada se mantiene constante, aparecerá entre las superficies una
tensión eléctrica. Con todo, al pretender medir esta tensión y debido a la intensidad
eléctrica que aparece en el medidor para poder efectuar la medida, la carga del cristal va
desapareciendo y, consecuentemente, la tensión decreciendo (Gráf. VI. 4.5). Esto
justifica que este tipo de transductores no sean válidos para medidas estáticas ya que la
tensión cae rápidamente.
Estos transductores son del tipo activo, pues generan una tensión de salida sin
necesidad de ser alimentados externamente. Los materiales empleados son tanto
naturales (cuarzo, turmalina) come artificiales (sal de Rocchelle, titanato de bario o de
plomo). Los parámetros mecánicos que suelen medirse con este tipo de transductores
son: presiones, aceleraciones, fuerzas, ruido y vibraciones.
112
4.2.7.-Transductoresfotoconductores. (Ilustr. VI.4.10)
Se basan en la conversión del parámetro físico a medir en la variación de la
resistencia de un semiconductor producida por un cambio en la iluminación que incide
sobre éste. Estos transductores suelen utilizarse para la medida de la posición y, de
forma indirecta, de la velocidad de giro.
4.2.8.- Transductoresfotovolíaicos. (Ilustr. VI.4.11)
Este tipo de transductores detecta las variaciones de la magnitud física a medir mediante
las variaciones de tensión eléctrica producidas cuando cambia la iluminación incidente
sobre una unión semiconductora entre ciertos materiales. Se utiliza en el mismo tipo de
medidas que el anterior y, además, para la medida de la opacidad de humos.
4.2.9.- Transductores termoeléctricos (Ilustr. VI.4.12).
El efecto termoeléctrico consiste en que la unión de dos metales conductores diferentes
produce una diferencia de potencial que es función de la temperatura de la unión (efecto
Seebeck). Este tipo de transductores se utiliza para la medida de temperaturas.
4.3.- Los equipos de medida.
El ensayo de motores térmicos lleva asociado infinidad de medidas que, evidentemente,
no pueden ser tratadas en un curso como el que nos ocupa. No obstante, conviene
conocer algunas de ellas por su mayor frecuencia o por su mayor sencillez. Éstas se
realizan con una serie de medidores que basan su funcionamiento, en muchos de los
casos, en los sistemas de transducción vistos en el apartado anterior.
Los medidores que se van a tratar son los utilizados para la medida de la temperatura,
la presión, el gasto másico y volumétrico de gases y líquidos, la velocidad de giro y el
par motor.
4.3.1.- Medidores de temperatura.
Para medir la temperatura de un sistema se debe establecer un equilibrio termodinámico
entre el sistema y el dispositivo utilizado. Los sistemas de medida de temperaturas
pueden ser mecánicos (termómetros de líquido / gas y bimetales) ó eléctricos
(resistencias variables con la temperatura, termopares y pirómetros o termógrafos).
113
a) Termómetros de líquido y de gas: (Ilustr. VI.4.13) La temperatura del sistema
produce, por transmisión de calor, la dilatación de un líquido que se desplaza por un
tubo capilar o el aumento de presión de un gas.contenido en una ampolla o bulbo que se
visualiza en un medidor de presión. Pueden medir temperaturas entre los -200 °C y los
500°C según el líquido o gas utilizado. Estos medidores se caracterizan por su
simplicidad y bajo coste aunque adolecen de baja precisión y resolución si el rango es
amplio.
b) Bimetales: Se trata de dos metales de diferente coeficiente de dilatación soldados
entre sí que se deforman al variar la temperatura a la que se encuentran (Ilustr. VI 4.14).
Aunque pueden ser usados como termómetros, se utilizan más como termostatos y
termocontactos para sistemas de aiarma o control.
c) Resistencias variables con la temperatura: Basan su funcionamiento en la variación
de la resistencia eléctrica con la temperatura. Pueden ser de dos tipos: termorresistencias
y termistores.
Las termorresistencias son conductores formados por metales da alta pureza (cobre,
níquel o platino) que incrementan su resistencia al crecer la temperatura. Son precisas,
sensibles y estables. El campo de aplicación de las termorresistencias de platino es de -
200 a 850 °C y las de níquel de -60 a 180 °C.
Los termistores son semiconductores que reducen su resistencia eléctrica al
aumentar su temperatura.
Tanto las termorresistencias como los termistores son transductores pasivos.
Para medir la variación de su resistencia se utiliza un puente de Wheatstone en el que
uno de sus lados está constituido por la resistencia de variable con la temperatura. Las
termorresistencias y termistores pueden alojarse en una vaina protectora o bien pegarse
a una pieza para medir su temperatura superficial, según convenga.
d) Termopares (Ilustr. VI. 4.15): Medidores basados en el efecto termoeléctrico. Un
termopar está constituido por dos hilos de distintos metales o aleaciones soldados por
114
uno de sus extremos. La diferencia entre la tensión U1 generada en dicha unión (unión
caliente o de medida) y la que aparecería en otra unión similar U2 (unión fría o de
referencia) sometida a una temperatura fija, varía de forma casi lineal con la
temperatura existente en la unión de medida. Los tres tipos de termopares más
utilizados son:
Hierro (Polo +) y Constantan (55% Cu y 45% Ni: Polo -y. Mide temperaturas hasta
900 ºC.
Niquelcromo (90% Ni y 10% Cr: Polo +) y Níquel (95% Ni, 3% Mn y 2% Al: Polo -):
Mide temperaturas hasta 1 200 °C.
Platinorrodio (90% Pt y 10% Rh: Polo +) y Platino (Polo -): Mide temperaturas hasta
1600 °C. Es el más exacto de los termopares utilizados.
e) Pirómetros y termógrafos: Los pirómetros basan su funcionamiento en que la
longitud de onda de la radiación emitida por un cuerpo caliente depende directamente
de su temperatura. Comparándola con la de un cuerpo negro de temperatura conocida,
es posible determinar la temperatura a distancia. Los termógrafos transforman la
radiación infrarroja emitida por el cuerpo caliente en una señal eléctrica proporcional a
la temperatura del cuerpo.
4.3.2.- Medidores de presión.
Antes de comenzar a comentar los diferentes procedimientos de medida de
presión debe tenerse claro que la presión a medir puede ser absoluta y relativa. La
presión absoluta es aquella que toma como referencia el vacío, mientras que la presión
relativa es aquella que toma como referencia la presión ambiente. Para medir la presión
absoluta se utilizan los barómetros y para medir la presión relativa, los manómetros.
Estos últimos son los más utilizados en la industria, aunque su principio de
funcionamiento
115
no difiere sustancialmente de los barómetros. Al igual que en la medida de la
temperatura, existen procedimientos de medida mecánicos (manómetros de columna de
líquido y basados en la deformación de un elemento elástico) y eléctricos.
a) Manómetros de columna de líquido: Un manómetro de líquido consiste en un
tubo de cristal doblado en forma de U o similar con sus ramas calibradas y en el que se
deposita un líquido cuya densidad es mayor a la del fluido al que se va a medir la
presión (Ilustr. VI.4.16-izda-J, Los líquidos más empleados son el agua, el mercurio y el
aceite. Denominando γ al peso específico del fluido, por hidrostática, fácilmente se
puede demostrar que:
Una variante del tubo en U es el denominado manómetro inclinado (Ilustr.
VI.4.16-dcha-), cuya peculiaridad es tener una resolución es algo mayor que la del tubo
en U como consecuencia de la inclinación de una de sus ramas.
b) Manómetros tipo tubo Bourdon: Se fundamentan en la ley de Hooke:
"La deformación de un elemento mecánico es proporcional a la fuerza que sobre él
actúa" (Ilustr. VI.4.17):
F=k-x.
Este manómetro dispone de un tubo con forma de "C" aunque también puede
formar una espiral o una hélice. Al aumentar la presión en el interior del tubo, éste
tiende a enderezarse y, por medio de una transmisión, hace que una aguja se mueva por
una escala previamente en las unidades que más interese. El alargamiento y la
deformación del tubo de Bourdon, dependerá de la sección, del espesor, de la geometría
y del material utilizado en el tubo. El tubo espiral tiene mayor precisión y sensibilidad
que el estándar (tipo "C").Paní.la medida de presiones elevadas, hasta 500 MPa, es más
común el tipo hélice. Los medidores tipo Bourdon han sido utilizados en la industria de
forma extensiva aunque actualmente están siendo sustituidos por instrumentación
electrónica en aplicaciones que requieren mayor precisión, medida a distancia o
automatización de la medida. Estos medidores se caracterizan por su bajo coste,
precisión aceptable y amplios márgenes de medida pero también por la baja precisión
116
para presiones reducidas y de vacío y por su sensibilidad a los choques y a las
vibraciones.
c) La instrumentación electrónica: Para medir la presión pueden utilizarse
diferentes tipos de transductores. Los más comúnmente utilizados son los
piezorresistivos y los piezoeléctricos, aunque también es posible utilizar
transductores magnéticos, capacitivos y otros.
Los captadores, sensores o transductores resistivos (Ilustr. VI.4.18) son los más
utilizados en la medida de presiones estáticas o variables en el tiempo. Su
funcionamiento se basa en la variación de la resistencia eléctrica de un conductor
(extensométricos) o un semiconductor piezorresistivos al ser deformado por la acción
de la presión. Dicho elemento resistente va pegado a una membrana metálica que se
deforma por la acción de la diferencia de presiones existente entre sus dos caras.
Cuando en una de sus caras se hace el vacio, mide presión absoluta. Cuando en una de
sus caras actúa la presión ambiente, mide presión relativa. Por último, si actúan por cada
lado de dicha superficie presiones de puntos diferentes de un mismo sistema, presión
diferencial. Por ser tan pequeña la variación de la resistencia eléctrica, se hace necesario
la utilización de un puente de Wheatstone para, así, disponer de una mayor señal de
salida. Las características más importantes de este tipo de captador son:
• Poseen poca resistencia térmica y mecánica.
• Poseen derivas térmicas significativas por lo que el rango de trabajo es reducido.
• Son relativamente económicos.
• Pueden medir presiones constantes o variables con el tiempo.
Habitualmente, estos transductores vienen compensados térmicamente. Así, apenas
se ven influidos por las variaciones térmicas en un rango de temperaturas dado. En la
ilustración VI.4.18 se muestran tres curvas: la "A" sin compensar, la "B" compensada a
baja temperatura (-20°C + 50°C) y la "C" compensada a alta temperatura (0°C - 90°C).
Los captadores, sensores o transductores piezoeléctricos se utilizan única y
exclusivamente en aplicaciones muy específicas donde la variación de la señal con la
presión es extraordinariamente rápida y, además, las temperaturas de trabajo son muy
altas. Se basan en el efecto piezoeléctrico visto con anterioridad. Al deformarse
físicamente por acción de la presión, aparecen en su superficie cargas positivas y
negativas, es decir, se polariza. Este tipo de captadores son activos, no necesitan una
117
fuente de tensión exterior. Su sensibilidad es prácticamente independiente de la
temperatura hasta los 200 °C pero se debe tener cuidado con las tensiones generadas por
dilataciones diferenciales de la estructura del propio captador. Por esa razón, excepto en
casos excepcionales, suele ser necesario refrigerarlos intensamente con agua o aire
cuando se utilizan en zonas calientes.
La superficie del cristal de cuarzo se despolariza con el tiempo debido a la falta de
aislamiento en el cable de transmisión o a que la impedancia de entrada del propio
acondicionador carga/tensión no es infinita. Por ello, es imprescindible utilizar cables
especiales de baja capacidad y no se pueden medir presiones estáticas. Estos captadores
son apropiados para medir presiones dinámicas respecto a un origen de presiones no
fijo.
Como características más comunes de casi todos los manómetros eléctricos se
pueden destacar las siguientes:
Ventajas: • Capacidad para mediciones dinámicas.
• Alta resistencia a elevadas temperaturas y vibraciones.
• Linealidad, precisión, rango de medida y estabilidad elevadas.
• Vida útil elevada y escaso mantenimiento.
• Fáciles de instalar.
Inconvenientes: • Coste elevado.
• Necesitan equipo electrónico.
4.3.3.- Medidores de gasto músico o volumétrico.
La medida del gasto másico o volumétrico tiene gran interés en el ámbito de los
ensayos en motores térmicos debido a que se realiza frecuentemente. Los más
importantes son el gasto másico de combustible y el gasto másico de aire. Otros flujos,
como el caudal de refrigerante, el de fugas entre cilindro y pistón (soplo motor), o el de
aceite, también se miden aunque con menor frecuencia.
a) Medidores de consumo de combustible: Los medidores utilizados habitualmente
para medir el consumo de combustible son medidores directos discontinuos, esto es, que
determinan el consumo directamente a partir del tiempo empleado en consumir una
cantidad fija de combustible. Dependiendo de que dicha cantidad sea un volumen o una
masa se tendrán los medidores de consumo volumétricos o los medidores de consumo
gravimétricos.
El medidor de consumo volumétrico con probeta (Ilustr. VI 4.19) es el más
utilizado por su mayor sencillez. Consiste en una o más probetas calibradas alimentadas
por gravedad desde un depósito que mantiene el nivel constante. Mientras no se realiza
la medida, dicho depósito alimenta simultáneamente a las probetas y al motor (posición
de consumo). Cuando se procede a la medida, el motor se alimenta directamente desde
las probetas calibradas (posición de medida). Así, midiendo el tiempo que tarda en
consumirse el combustible contenido entre las marcas de calibración de las probetas, o
mejor aún, contando las vueltas que da el motor mientras tanto, se puede determinar el
flujo volumétrico de combustible.
118
Para automatizar el proceso de medida, se suelen colocar a la altura de las marcas
de calibración células fotoeléctricas que ponen en marcha o paran el contador de
tiempo o de vueltas, cuando la superficie libre del combustible pasa por ellas. Estas
células disponen de un emisor de luz y de un sensor fotoeléctrico que se activa cuando
recibe la señal luminosa reflejada en la superficie libre. Al ser este medidor
volumétrico, se necesita conocer la temperatura del combustible de la probeta para, a
partir de ella, determinar la densidad y, por lo tanto, el gasto másico de combustible que
es el que realmente interesa.
El medidor de consumo gravimétrico (Ilustr. VI.4.20) determina directamente el
gasto másico de combustible sin necesidad de conocer la densidad del combustible. Para
ello, mide el tiempo o número de vueltas empleado por el motor para consumir una
determinada masa de combustible. Este medidor es más preciso que el anterior al no
verse sometido a la influencia de la temperatura y permite realizar la medida con la
cantidad de combustible deseada. No obstante, estas ventajas no suele compensar su
precio más elevado.
El vaso de medición está colgado de una célula de carga que determina en todo
momento la masa de combustible que contiene. También dispone de sendos conductos
de alimentación y descarga que no están en contacto con él para no influir sobre la
medida. Mientras no se realiza la medida, el vaso se llena a través de la electroválvula 1
hasta un cierto nivel prefijado, momento en el cual se cierra y el combustible fluye
desde el depósito de nivel constante al motor a través de la electroválvula 2 (posición de
consumo). Cuando se procede a la medida, la electroválvula 1 se cierra y el combustible
es aspirado del vaso por el motor a través de la electroválvula 2 (Posición de medida).
Cuando el peso del vaso de combustible es el deseado para la medida, se pone en
marcha el contador de tiempo o de vueltas hasta que el peso del vaso llega a otro valor
prefijado. En dicho momento, se detiene el contador de tiempo o vueltas y se retorna a
la posición de consumo. Debe evitarse la aspiración de aire por el motor como
consecuencia del vaciado excesivo del vaso.
119
Los medidores volumétricos tipo contador (Ilustr. VI. 4.21) es el sistema utilizado
habitualmente cuando el combustible es gaseoso. Estos dispositivos contienen unas
cámaras de volumen conocido que primero se llenan de combustible y, posteriormente,
se vacían por ser la presión aguas abajo del medidor inferior a la de aguas arriba. La
diferencia de presiones aguas arriba y aguas abajo del medidor es la responsable del
flujo de combustible y del giro de las partes móviles del medidor. La medición del flujo
se efectúa contando el número de vueltas que, en definitiva, es el número de cámaras
que se han llenado y vaciado en la unidad de tiempo. Según la forma que adopten estas
cámaras, dan lugar a los distintos tipos de medidores volumétricos: de lóbulos, de
paletas, etc. Estos medidores tienen una gran precisión siempre que el mantenimiento
sea el adecuado. Entre sus inconvenientes, figuran el tamaño, el coste y la complejidad
de los órganos móviles y el buen ajuste que requieren. Este medidor no es específico
para medidas sobre motor.
b) Medidores del gasto músico de aire: Para la medida del gasto másico de aire
pueden utilizarse diferentes procedimientos. No obstante, los más utilizados son la
tobera, el medidor de hilo caliente, y, en casos muy concretos, el medidor de flujo
laminar. El medidor de tipo tobera ha sido durante mucho tiempo el medidor utilizado
casi en exclusiva para este cometido y, aún hoy en día, sigue siendo muy utilizado
aunque está perdiendo terreno en favor del medidor de hilo caliente. Un aspecto
importante en esta medida es que, al ser pulsatorio el flujo de entrada al motor, se
requiere de una cámara de estabilización remanso que elimine o reduzca al mínimo las
pulsaciones del flujo y permita, así, una medida estable. Por ello, el medidor, sea del
tipo que sea, se coloca intercalado entre el ambiente y la cámara de remanso que actuará
como ambiente para el motor (Ilustr. VIA. 22).
El medidor de tobera consiste en un conducto convergente en el que el flujo se
acelera como consecuencia del cambio de sección del conducto. Conociendo el área
mínima de la tobera y la caída de presión experimentada por el flujo, se puede conocer
el gasto volumétrico aspirado por el motor. Para ello basta con aplicar la ecuación de
Bernouilli y corregirla con un coeficiente de gasto obtenido experimentalmente para el
medidor. A la vista de la ilustración VI.4.22, el caudal de aire aspirado será:
120
donde ρ0 es la densidad ambiente, Cd ≈ 0.98 a 0.99 es el coeficiente de gasto que
considera pérdidas y errores del medidor, y Cc es el coeficiente de compresibilidad que
tiene en cuenta la compresibilidad del fluido, función de la caída de presión y de la
temperatura. No obstante, al ser reducidas las caídas de presión con las que se trabaja,
este último coeficiente es muy próximo a la unidad.
El medidor de flujo laminar consiste en un tubo en cuyo interior se garantiza que el
flujo es laminar mediante la colocación de unas láminas metálicas muy finas
entrecruzadas que forman una estructura tubular tipo nido de abeja con un tamaño de
celda extremadamente pequeño. De este modo los conductos por los que circula el aire
tienen un diámetro tan pequeño que queda garantizado un número de Reynolds inferior
a 2300. Por lo tanto, el régimen es laminar y la pérdida de carga en el tubo será
directamente proporcional al caudal que por él circule y viceversa. Esto es:
La constante que aparece en la ecuación anterior depende de la geometría del
medidor y de la.viscosidad cinemática del fluido. Así la ecuación real de estos
medidores será:
donde F(t) es un factor que recoge la dependencia de la viscosidad cinemática con la
temperatura (Grqf. VI. 4.8).
121
El inconveniente de este medidor es la elevada pérdida de carga que presenta y la
propensión al ensuciamiento de los microtubos por los que circula el flujo. La ventaja es
que la dependencia del caudal con la caída de presión es lineal lo que reduce errores :
medida en flujos pulsatorios.
El medidor de hilo caliente (Ilustr. VI.4.23) está invadiendo el terreno a los vistos
con anterioridad. Su ventaja frente a los anteriores es que, en lugar del caudal, mide
directamente el gasto másico de aire, dato realmente necesario para conocer el
comportamiento del motor. El principio de funcionamiento de este medidor se enuncia a
continuación.
El flujo de aire pasa alrededor de un hilo de platino muy fino (1) colocado
transversalmente a la corriente de aire y mantenido eléctricamente a una temperatura ΔT
superior a la del flujo. La temperatura del flujo se conoce por medio de la sonda de
temperatura del aire (2) montada en el propio cuerpo del medidor. Debido a la
diferencia de temperatura antes mencionada, la corriente de aire admitido enfría el hilo
de platino. La resistencia eléctrica del cae t es un parámetro que varía con su
temperatura por lo que la central electrónica detecta instantáneamente la variación de
temperatura y corrige la corriente eléctrica que por él circula, para mantener constante
su temperatura. Así, dicha corriente eléctrica será proporcional al gasto másico de aire
admitido. Existen otros medidores similares a éste que utilizan, en lugar del hilo
metálico, una pequeña superficie metálica.
El inconveniente de estos medidores frente a la tobera es que requieren un trato más
delicado y que para tener garantía de la medida se deben calibrar con mayor frecuencia.
c) Otras medidas de gasto másico o de velocidad local: Para la medida de otros
gastos másicos o volumétricos (agua o aceite) o velocidades locales se utilizan
diferentes procedimientos que no van a ser tratados en profundidad por ser menos
habituales en los ensayos.
Los medidores de constricción (Ilustr. VI. 4.24) provocan una caída de presión al
flujo mediante una restricción al mismo. Al ser dicha caída de presiones función directa
del caudal circulante, se puede determinar el caudal que fluye por el conducto de forma
122
continua. La caída de presiones que se produce en el medidor no tiene por que ser
definitiva, parte de dicha caída se puede recuperar aguas abajo de la restricción (Ilustr.
VI. 4.24). Así, cuanto menor sea la caída definitiva o pérdida de carga, menos influido
se verá el flujo por el medidor. Los medidores de este tipo más habituales son: el
orificio medidor o diafragma, el venturi y la tobera. Al aplicarles Bernouilli, se obtiene
la ecuación vista en el estudio de la tobera. El valor de los coeficientes de dicha
ecuación será función del montaje y del tipo de medidor.
Los, medidores cinéticos determinan el caudal a partir del producto de un área,
dato del medidor, y de la velocidad de la corriente, obtenida a partir de las presiones
dinámicas y estáticas en la sección. El tubo de Pitot (Ilustr. VI.4.25) consiste en dos
tubos abiertos: uno orientado hacia el movimiento del fluido y el otro normal. El
primero (2) detecta tanto la presión estática como la cinética, presión debida al
movimiento del fluido mientras que el segundo (1) sólo mide la presión estática.
Aplicando Bernouilli, se obtiene la velocidad en un punto y puede hallarse el perfil de
velocidades de la sección haciendo medidas en distintas posiciones radiales.
Si el régimen es turbulento, el caudal se podrá obtener de forma aproximada
multiplicando esa velocidad por el área de la sección y algún coeficiente corrector. Si el
régimen es laminar habrá que obtener el perfil de velocidades de la sección variando la
posición del tubo de impacto. El caudal se podrá obtener entonces por integración. El
123
tubo Annubar es una variante del tubo de Pitot que intenta mejorar sus prestaciones.
Para ello, el tubo de impacto presenta cuatro orificios comunicados por el interior y
colocados en posiciones radiales diferentes. Así, éste da la media de las presiones
dinámicas en dichos puntos y, en consecuencia, la velocidad calculada será próxima a la
media de la sección.
Los medidores por flotación (Rotámetros) mantienen constante la diferencia de
presión a ambos lados de una estrangulación, siendo variable el área de la misma (Ilustr
VI.4.26). Esto es, justo lo contrario de los medidores de constricción que provocan una
caída de presión variable debido a un estrangulamiento de área constante. La cantidad
de fluido que circula en la unidad de tiempo es, en este caso, proporcional a dicha
superficie. El dispositivo más utilizado que se basa en este principio es el rotámetro.
Consiste en un tubo colocado verticalmente que tiene forma tronco-cónica, ensanchado
en la parte superior. En su interior lleva el flotador. Al fluido se le hace ascender y al
pasar entre el flotador y el tubo, lo mantiene en una posición que dependerá del caudal.
Debido a que el tubo es troco-cónico, la sección mínima de paso del flujo es mayor
conforme aumenta el caudal y asciende el flotador. Las fuerzas que actúan sobre el
flotador son tres: el peso, el empuje y la fricción. Si el flotador no se mueve es porque la
suma de estas tres fuerzas es menor o igual a cero. Se puede demostrar que esta
condición implica que el caudal es proporcional a la sección mínima entre el conducto y
el flotador.
Los medidores tipo turbina (Ilustr. VI.4.27) disponen de una hélice (2) que gira por
la acción del fluido sobre sus paletas. La velocidad de giro es proporcional a la
velocidad media del fluido y, por lo tanto, al caudal. La velocidad de giro se calcula
normalmente por métodos ópticos o electromagnéticos donde un sensor (4) genera un
impulso cada vez que una paleta pasa por él. El tren de impulsos es enviado a una
unidad electrónica auxiliar que los procesa y determina el caudal instantáneo. Aunque el
principio de medida es sencillo, su precio es elevado, Sin embargo, su gran exactitud, el
pequeño tamaño y la facilidad de instalación los hacen recomendables en muchas
aplicaciones. El desgaste de los cojinetes v la necesidad de que el fluido es limpio y
exento de partículas son otros inconvenientes añadidos al alto precio.
124
4.3.4.- Medidores de velocidad de giro.
Para la medición del régimen de giro se utilizan los tacómetros. Se pueden
distinguir dos tipos: los tacómetros mecánicos y los tacómetros eléctricos o
electrónicos.
a) Tacómetros mecánicos: pueden ser de embrague deslizante, de fuerza centrífuga o
contadores ce revoluciones. El único que se emplea actualmente, como sistema de
calibración, es el último de ellos. Consiste en un sistema mecánico que acoplado al eje
va indicando número total de revolucione; giradas por el eje. Con un cronómetro de
precisión se inicia y finaliza el sistema de conteo en un tiempo dado, dividiendo el
número de vueltas por el tiempo se obtiene la velocidad.
b) Tacómetros eléctricos analógicos o tacogeneradores: Estos tacómetros son simples
generadores que se acoplan al eje del motor y dan una señal eléctrica proporcional a la
velocidad de giro del mismo. Pueden ser de corriente continua o alterna. Los de
corriente continua son pequeñas dinamos de imán permanente donde el voltaje de
salida es directamente proporcional a su régimen de giro. Pueden medir regímenes de
giro hasta 5000 min"1 con una precisión de hasta +/- 0,1 %. Los de corriente alterna
son pequeños alternadores sin escobillas que generan una tensión alterna cuyo valor
eficaz es directamente proporcional al régimen de giro. Se pueden utilizar para
regímenes de hasta 5000 min"1 pero su precisión es inferior, +/- 2%.
c) Tacómetros de impulsos o digitales: Estos medidores dan una señal de salida digital
que puede ser empleada para indicación directa del régimen de giro, para utilizarla en
un ordenador o para servir como base de tiempos de un sistema de registro. Son los más
empleados y pueden ser, fundamentalmente, de dos tipos: inductivos y ópticos.
Los tacómetros inductivos (Ilustr. VI.4.28): utilizan un captador inductivo
compuesto de un núcleo magnético permanente rodeado de una bobina de baja
resistencia. En el eje giratorio cuyo régimen se desea medir se instala una rueda con
dientes de hierro. Al pasar dichos dientes por delante del captador se produce una
variación del flujo magnético en el mismo lo que genera un pulso de tensión. Así, al
acercarse el diente al captador, aumenta el flujo magnético y, por lo tanto, la tensión
generada sube hasta un máximo. Al enfrentarse diente y captador se estabiliza el flujo
magnético y, en consecuencia, la tensión se anula. Al alejarse, la tensión generada se
hace negativa por la reducción del flujo magnético (Ilustr. VI.4.28). La señal generada,
125
compuesta por un tren de impulsos, es llevada a un contador de pulsos. El contador de
pulsos cuenta el número de pulsos recibidos en el tiempo que establece su base de
tiempos interna y lo manda a un indicador digital.
Los tacómetros ópticos (Ilustr. VI. 4.29) disponen de una célula fotoeléctrica
que es activada por la luz reflejada a pulsos desde el eje cuyo régimen se desea medir.
El eje dispone de una serie de marcas de pintura, unas no reflectantes (no siempre
necesarias si el eje no lo es) y otras reflectantes, dispuestas secuencialmente de manera
que la señal de salida de la célula es un tren de impulsos que puede ser tratada por
procedimientos semejantes a los anteriormente expuestos. Se pueden utilizar para
regímenes de hasta 300.000 min-1.
Los encoder son otro tipo de medidores ópticos. Disponen de un disco con una
serie de microranuras radiales a cuyos lados se colocan un emisor de luz y un
fotosensor. Al girar el disco, el haz de luz, procedente del emisor, pasa a través de las
ranuras hacia el fotosensor. Así, el fotosensor generará un pulso cada vez que una
ranura permita el paso del haz de luz. El tratamiento de la señal es similar al de los
dispositivos antes tratados. Los encoder pueden, además, determinar la posición angular
del motor pues envían también un pulso de referencia una vez por vuelta. Es, sin duda,
el procedimiento más adecuado para la determinación de la posición del cigüeñal y son
dispositivos de una gran precisión, pueden determinar la posición angular con precisión
superior a 0.5°.
e) Medidores estroboscópicos: Iluminan un determinado elemento rotativo
mediante el disparo de un flash cuya frecuencia de destello es ajustable. Cuando la
frecuencia del destello coincide con b rotación del elemento, la sensación óptica es que
dicho elemento no gira. Conociendo la frecuencia de destello del flash se podrá conocer
la frecuencia de giro.
4.3.5.- Medidores de par motor.
Para la medida del par motor se debe utilizar un freno dinamométrico que
consuma la poten: producida. Para que, arrastrado por el rotor, no gire el estator del
freno debe sujetarse a la bancada mediante un tirante a través del cual se transmitirá el
correspondiente esfuerzo. La medida del par motor se transforma, en definitiva, en la
medida de dicho esfuerzo y de la distancia radial al eje de giro del freno, que es fija. La
126
medida del esfuerzo se puede acometer mediante procedimientos mecánica totalmente
en desuso, (balanzas) o mediante procedimientos electrónicos (célula de carga).
a) Balanzas mecánicas: Son el sistema más antiguo utilizado para la medida de
fuerzas. Hoy en i están en desuso en la mayoría de las aplicaciones industriales debido a
los inconvenientes que presentan falta de precisión, necesidad de mantenimiento, etc. Se
basan en que la fuerza que recibe el brazo de la balanza se emplea para vencer un
resorte o para elevar unas, masas flotantes. En ambos casos, el movimiento del brazo
está ligado al de un indicador que se desplaza por una escala convenientemente
graduada.
b) Células de carga o transductores de fuerza (Ilustr. VI. 4.30): Basan su
funcionamiento en la deformación de un elemento elástico, generalmente metálico, de
forma que la deformación del mismo es proporcional a la fuerza que sobre él actúa.
Utilizando una banda extensométrica se puede obtener una señal eléctrica proporcional
a la deformación de la pieza y, en definitiva, al esfuerzo soportado.
5.- Curvas características de los motores alternativos.
Las prestaciones de un motor son las medidas objetivas de una serie de
parámetros que permiten establecer la bondad o no de un motor por comparación con
ciertos valores preestablecidos, con otros motores o, incluso, con el propio motor tras
aplicarle alguna modificación de diseño.
Las representaciones gráficas de dichas prestaciones en ciertas condiciones de
funcionamiento son conocidas como curvas características del motor. A partir de la
definición, se deduce que pueden existir cientos de curvas características. No obstante,
en cuanto a su formato, destacan algunas por su utilización más frecuente: las curvas de
plena carga, las de cargas parciales y los mapas isoparamétricos. Por otro lado, en
cuanto a la información, destacan aquellas que hacen referencia al par motor, a la
potencia, al consumo de combustible o rendimiento, a las temperaturas y presiones de
ciertos puntos del motor, al rendimiento volumétrico, a la emisión de ruido y a las
emisiones contaminantes.
5.1.- Curvas de plena carga.
Se entiende por curvas de plena carga a aquellas que se obtienen cuando el
motor opera a plena carga, esto es, con la mariposa completamente abierta si se trata de
127
un MEP, o con plena inyección en un MEC. Se entiende por tanto, que estas curvas
ofrecen, entre otras informaciones, la del máximo par y la máxima potencia que el
motor es capaz de desarrollar.
El formato más habitual de estas curvas consiste en representar la velocidad de
giro en el eje de abscisas y otra prestación en el eje de ordenadas, siendo las más
frecuentes (Gráf. VI.5.1): el par motor, la potencia, el consumo específico de
combustible o rendimiento, las emisiones contaminantes y/o el índice de negrura de
humo y el rendimiento volumétrico.
Analizando la curva de consumo específico de combustible, se observa que
presenta un mínimo en una velocidad intermedia dentro del rango de trabajo del motor.
Ello se debe a que, a velocidades muy bajas, las pérdidas de calor en la cámara de
combustión provocan una caída de rendimiento y, por otro lado, a velocidades altas,
aumentan las pérdidas mecánicas como consecuencia de la mayor velocidad lineal
media del pistón. La curva de rendimiento efectivo, lógicamente, será inversa a la
anterior.
El rendimiento volumétrico, tal y como se pudo analizar en el capítulo
correspondiente, presenta un máximo a una cierta velocidad de giro que será mayor o
menor según sea la geometría del sistema de admisión.
El par motor efectivo es directamente proporcional al rendimiento volumétrico,
al rendimiento efectivo y a una serie de parámetros que son, esencialmente, constantes:
Considerando que dichos rendimientos presentan un máximo en la zona media
de la velocidad de giro, se concluye que el máximo par presentará un máximo en las
proximidades de los máximos de los rendimientos antes mencionados.
En lo que respecta a la potencia efectiva, por tratarse de una prestación que
deriva del producto del par máximo y la velocidad de giro, tendrá un máximo por
encima de la velocidad de par máximo aunque, i dependiendo del motor, podrá quedar
fuera del rango de velocidades admisibles de funcionamiento. Es habitual en los MEP
128
que el máximo se alcance dentro del rango de funcionamiento del motor pero en los
MEC no ocurre lo mismo.
A pesar de lo anterior, podrán representarse otros parámetros en el eje de
ordenadas: temperaturas, presiones, caudales, etc. No obstante, resulta muy poco
frecuente utilizar en el eje de abscisas una variable que no sea la velocidad de giro o
algún otro parámetro proporcional a ella.
5.2.- Curvas de cargas parciales.
Las curvas de cargas parciales son las que se obtienen manteniendo constante
la velocidad de giro y variando la carga del motor. En los MEP la carga se modifica,
como norma general, variando la apertura de la mariposa de admisión y, en los MEC,
variando el caudal de combustible inyectado.
Se entiende por carga al par que se opone al giro del motor y, en consecuencia,
en un ensayo estacionario, el par motor efectivo producido por el motor. El grado de
carga es el cociente entre el par efectivo producido por el motor en cierta condición de
funcionamiento y el máximo par que puede producir a esa velocidad de giro.
El formato más habitual de estas curvas consiste en representar el par motor, el
grado de carga o la presión media efectiva en el eje de abscisas y otra prestación en
el eje de ordenadas (Gráf. VI. 5.2). Este tipo de curvas, se utiliza en estudios más
profundos del motor y, por ello, dependiendo de lo que interese analizar, se puede
presentar-en el eje de ordenadas casi cualquier parámetro de funcionamiento del motor:
consumo específico de combustible o rendimiento, emisiones contaminantes y/o índice
de negrura de humo, rendimiento volumétrico, temperaturas, presiones, caudales, etc.
Estas curvas aportan una información mucho más completa que las de plena
carga por cuanto que representan todas las condiciones de funcionamiento del motor y
no sólo las de plena carga que, salvo excepciones, son poco habituales.
5.3.- Mapas isoparamétricos.
Los mapas isoparamétricos recogen simultáneamente la información
correspondiente a las curvas de plena carga y a las de cargas parciales. Se utiliza, como
eje de abscisas, la velocidad de giro, como eje de ordenadas, algún parámetro
129
indicativo de la carga del motor y, sobre dicho plano se representan las curvas
topográficas del parámetro en estudio: el consumo de combustible (Gráf. VI.5.3), las
emisiones contaminantes, el índice de negrura de humos, presiones, temperaturas, etc.
Estos mapas presentan la información de forma muy clara, completa y directa,
por lo que son de gran utilidad a la hora del estudio detallado de un motor. Las
modificaciones que se acometen en la fase de diseño de un motor afectan, por lo general
positivamente en ciertas condiciones de trabajo y negativamente en otras. La utilización
de estos mapas isoparamétricos permite fácilmente comparar los resultados obtenidos
viendo si las zonas de mayor utilización del motor se ven afectadas positiva o
negativamente por la modificación de diseño.
5.4.- Otros tipos de curvas.
Si bien las curvas mencionadas anteriormente son las más usuales dentro del
mundo de los ensayos de un motor, existen otras que no responden a los formatos
anteriores y que sirven para estudiar aspectos muy concretos del motor: ensayos de
arrancabilidad, curvas características de la turbina y el compresor del grupo de
sobrealimentación, curvas características de bombas de combustible, agua y aceite, etc.
Estas curvas no serán tratadas en este capítulo por su gran diversidad y por su poca
representatividad a nivel del motor completo.
5.5.- Influencia de las prestaciones del motor en el tipo de servicio.
Atendiendo a las condiciones de trabajo de los motores alternativos, los tipos de
servicio más frecuentes son dos: funcionamiento a régimen esencialmente constante y
funcionamiento a régimen variable. Dependiendo de las condiciones de servicio que se
requieran para el motor, las curvas características deberán presentar unas tendencias u
otras según se verá a continuación.
a) Motores que trabajan a régimen esencialmente constante:
Este tipo de motores suelen ser motores utilizados en generación de energía
eléctrica, o bien, grandes motores utilizados a nivel industrial, tracción ferroviaria o en
propulsión naval. El consumo específico de combustible suele ser el parámetro más
importante en este tipo de servicio, por lo que el punto de funcionamiento de estos
motores estará próximo al de mínimo consumo, aún a costa de la potencia máxima.
Suelen ser motores diesel (MEC), de gas natural (MEP) o duales, en todo caso
sobrealimentados, por tener estos un consumo específico inferior a los MEP de
gasolina.
b) Motores que trabajan a régimen variable:
La aplicación más extendida de este tipo de motores se refiere a los motores de
automoción, tanto a nivel industrial como a nivel de turismos. También existen otras
aplicaciones como puedan ser las embarcaciones de recreo. En estos motores se busca,
además de un consumo específico reducido, una capacidad de tracción adecuada a las
necesidades, elevada potencia específica, etc. Dependiendo de cuál sea el factor que
más se prime, las curva de par, potencia y consumo específico deberán tener una forma
geométrica u otra.
130
Antes de pasar a comentar los casos más comunes, conviene decir que la zona de
utilización más adecuada de un motor se encuentra comprendida entre las velocidades
de par máximo y de potencia máxima (Gráf .5.4). La pendiente negativa que presenta la
curva de par en condiciones de plena carga, a partir del punto de par máximo, hace que
el motor responda con un incremento de par (ΔMe > 0) ante cualquier repecho o
aumento de la carga externa del vehículo, que necesariamente provoca una caída de la
velocidad de giro (Δn < 0). Si la pendiente fuese positiva, el motor respondería a esta
caída de velocidad con un menor par, este menor par provocaría de nuevo una menor
velocidad de giro y así sucesivamente, dando lugar a la parada del motor. Es por ello
que, para que la marcha sea estable, se
precisa que la pendiente de la curva de par motor a plena carga sea negativa. La
estabilidad será tan:: mayor cuanto más negativa sea la pendiente.
Si el motor funciona a carga parcial, lo anterior no es del todo cierto, pero no
cabe duda de que la reserva de par del motor, disponible con una mayor presión sobre el
acelerador, será tanto mayor cuanta más alta esté la curva de par a plena carga, por lo
que siguen siendo válidos los comentarios anteriores.
Cuando se persigue una conducción económica, caso de los vehículos
industriales, además de buscar un motor cuyo mapa-de consumo específico efectivo
tenga valores lo más bajos posibles, la zona de utilización del motor debe estar próxima
a la de mínimo consumo. Para ello se requiere un gran número de relaciones de
transmisión que adapten la velocidad del motor a la del vehículo. No es extraña ver
vehículos industriales con dieciséis o más relaciones de cambio. En este caso se acude,
casi sin excepción, a los motores diesel sobrealimentados.
Cuando se persigue una elevada potencia motriz, caso de los automóviles con
carácter deportivo, se pretende que la potencia del motor sea lo más elevada posible.
Para ello se requiere una elevada velocidad de giro y un par motor elevado a dicha
velocidad (Gráf. VI. 5.5). Esto último obliga a que el par máximo se alcance a
velocidades de giro elevadas y, en consecuencia, la zona de funcionamiento estable del
motor se reduzca drásticamente. La conducción de este tipo de vehículos exige con
relativa frecuencia el cambio de marcha para poder afrontar cambios de carga externos
del vehículo.
Este tipo de vehículos tiene un comportamiento muy deficiente a bajas
velocidades de giro del mote: En este caso se acude, casi sin excepción a los motores de
131
gasolina, que tienen un rango de velocidad de giro más amplio que los diesel. El
consumo específico de estos vehículos suele estar bastar penalizado.
Cuando se persigue una capacidad de tracción elevada en un rango amplio de
velocidades, lo que comúnmente se denomina elasticidad de conducción del vehículo,
se buscan motores cuya curva de par se caracterice por un máximo elevado a baja
velocidad v una pendiente pronunciada a partir del máximo (Gráf. VI. 5.6). De esta
forma, la zona de utilización del motor se amplia y la estabilidad de la marcha queda
garantizada por la pendiente negativa de la curva de par. La conducción por carretera
con este tipo de vehículos es muy cómoda pues apenas se debe actuar sobre la palanca
de cambios aunque, en el lado negativo, se puede decir que al presentar la curva de par
una pendiente más negativa, el valor de la potencia máxima del motor resulta modesto.
Este tipo de aplicaciones acuden generalmente a motores diesel de inyección directa
aunque en turismos también se puede conseguir con motores de gasolina. El consumo
específico de estos vehículos suele ser bastante bueno por reducir el uso de la palanca
de cambios y por trabajar a velocidades de giro más reducidas que en el caso anterior.
6.- Ensayos típicos de motores alternativos.
Es evidente que durante la primera fase del desarrollo de un motor, los ensayos
sobre motor completo no se abordan hasta la construcción de los primeros prototipos.
Una vez construidos, los ensayos más urgentes serán los de desarrollo mecánico. En
ellos, se persigue que los componentes centrales del motor (bloque, culata, cigüeñal,
pistón, etc) consigan soportar las tensiones térmicas y mecánicas a las que se verán
sometidos. Durante esta fase, se realizan las medidas correctoras necesarias de cara a
conseguir prototipos mecánicamente definitivos.
Una vez definidos mecánicamente los prototipos se acometen los ensayos de
desarrollo funcional. El objetivo de estos ensayos es optimizar las prestaciones del
motor que definirán sus características técnicas.
Antes de pasar a producción se debe garantizar la resistencia y fiabilidad del
motor mediante los ensayos de validación y vida. Además, para dar por definitivos los
resultados de prestaciones obtenidos y solicitar a las autoridades la puesta en
producción, se realizan los ensayos de homologación.
132
Por último, una vez pasados estos ensayos, sólo queda la puesta en producción.
En este nivel, los ensayos de calidad verifican el mantenimiento de las prestaciones y de
la fiabilidad del motor dentro de márgenes de tolerancia establecidos previamente por el
departamento de ingeniería.
6.1.- Ensayos de desarrollo mecánico.
Son los primeros ensayos que se realizan una vez que se ha definido el motor
desde el punto de vista geométrico. Las aplicaciones informáticas de cálculo permiten
optimizar y reducir esta fase. Los resultados de estos ensayos son fundamentales para la
realimentación de dichas aplicaciones de cálculo. Los más importantes se mencionan a
continuación:
a) Comportamiento dinámico de la distribución:
Comprueba, por un lado, la resistencia mecánica de los componentes del sistema
y, por otro, la ausencia de rebotes de válvulas, vibraciones o efectos indeseables.
b) Temperaturas de los elementos fijos o móviles: Al igual que los del punto anterior, estos ensayos pretenden adecuar los
materiales utilizados en cada componente (camisa, culata, colector de escape, pistón,
válvulas, apoyos de válvulas, muñequillas y apoyos del cigüeñal, etc) en función de la
carga térmica que van a soportar. En estos elementos es interesante medir la temperatura
máxima que soportan y/o la variación de esta temperatura a lo largo del tiempo.
Esta prueba debe de estar muy ligada a la visualización de flujos de agua en
bloque y culata para conocer las trayectorias del fluido refrigerante. Mediante la
colocación de unos hilos dentro de las galerías se observa la trayectoria y velocidad del
fluido.
c) Ensayos relativos al cigüeñal: Para decidir si es preciso o no un amortiguador torsional, resulta necesario un
ensayo en el que se mida el nivel de las vibraciones torsionales. Por otro lado, el
tratamiento térmico, el material y el proceso de fabricación se dispondrán en función de
las tensiones medidas en los radios de acuerdo de las muñequillas.
d) Soplo motor y arrastre de aceite: Se mide el flujo de aceite que pasa al motor y el flujo de gases que pasan al
cárter para comprobar que están dentro de lo permitido y, en caso contrario, actuar sobre
la segmentadura.
e) Otros ensayos: - Ensayos relativos a la bomba de refrigerante y a la bomba del aceite.
- Fatiga térmica con Tagua y Taceite oscilando fuertemente.
- Fatiga térmica y deformación de colectores de escape.
- Presión de película de aceite y movimiento relativo del eje del cigüeñal.
- Tensión en correas de distribución.
- Estanqueidad de junta de culata
- Arrastre de aceite por retenes de válvulas
- Estanqueidad y distribución de presiones en juntas.
133
6.2.- Ensayos de desarrollo funcional.
Este grupo de ensayos, junto con los de desarrollo mecánico, van a constituir el
conjunto más variado y numeroso de pruebas a realizar con el motor sobre el banco y
fuera de él. Los más importantes se mencionan a continuación:
a) Desarrollo de la renovación de la carga, alimentación de combustible y
combustión:
Los procesos de renovación de la carga, alimentación de combustible y
combustión no se podrán optimizar de forma independiente debido a la gran
interrelación existente entre ellos. Soluciona que afectan positivamente a uno de ellos,
pueden actuar de forma negativa sobre los otros. Los ensayos realizados deben estar
encaminados a estudiar aspectos como los que figuran a continuación:
- Prestaciones (par, potencia y rendimiento).
- Emisiones contaminantes.
- Estabilidad y suavidad de funcionamiento.
- Arranque en frío.
- Ruido.
- Rendimiento volumétrico.
- Combustión
b) Estudio acústico del motor: Se deben estudiar en cámara anecoica las fuentes de ruido más importantes
(combustión, contacto pistón-camisa, distribución, cárter, auxiliares, etc.) tomando
medidas correctoras para reducirlas.
c) Estudios relativos al aceite: Ensayos encaminados a analizar la evolución del aceite a lo largo de su vida. La
finalidad de estos ensayos es conseguir aumentar al máximo posible los períodos entre
revisiones y disminuir las emisiones que procedan de la combustión del aceite. El
análisis de los resultados permitirá actuar sobre equipo motor, retenes de válvulas,
aceite y filtro fundamentalmente.
d) Pérdidas por fricción: Mediante ensayos estándar (Willans, Morse, arrastre, deceleración libre, etc.) se
medirá la fricción del motor por si fuese necesario intervenir sobre el equipo motor o
sobre el aceite.
6.3.- Ensayos de validación y vida.
El objetivo de estos ensayos puede ser validar el motor completo (1) o una
algún componente específico del mismo (2). Tratan de garantizar la fiabilidad del
motor y pueden abordarse de diferentes formas:
• Ensayos de sobrecarga (A): condiciones extremadamente duras para el motor
(situación no realista), durante tiempos relativamente cortos.
• Ensayos de duración (B): condiciones equivalentes a las condiciones reales
de funcionamiento del motor instalado en la aplicación.
134
a) Potencia máxima (Al): El motor funciona a máxima potencia de forma continua durante un tiempo
previamente definido.
b) Par máximo (Al): El motor funciona a máximo par de forma continua durante un tiempo
previamente definido.
c) Potencia máxima - Par máximo. Escalón (Al): El motor realiza un n° determinado de ciclos pasando de par máximo a potencia
máxima alternativamente.
d) Ciclo de barrido (Al): Ensayo a plena carga con variación continua y alternativa del régimen entre dos
valores (dientes de sierra) durante un numero de ciclos dado.
e) Ciclo térmico (Al): Ciclo de barrido con temperatura del agua de refrigeración variando en escalón
entre dos valores.
f) Choque térmico (Al): Alternativamente, motor a potencia máxima con temperaturas del agua
excesivamente altas y motor parado con temperaturas del agua excesivamente bajas.
g) Sobrecalentamiento (Al): Ensayo a plena potencia con temperaturas de agua y aceite muy altas. Otro
ensayo similar puede ser rodar a potencia máxima con temperatura de agua
extremadamente alta.
h) Sobrevelocidad (Al): Ensayo en continuo a plena carga y un régimen 25% o 50% superior al de
máxima potencia.
i) Ensayo de vida (A2): En este ensayo se ejecuta un ciclo que pretende reproducir las condiciones de
trabajo habituales de un motor. A lo largo del ensayo se realizan verificaciones
periódicas y se controlan determinados parámetros dentro de rangos preestablecidos
(desgastes, consumos, averías, prestaciones, etc).
j) Otros: - Ciclo mixto barrido - escalón (Al).
- Ensayos para correas de distribución (Bl y B2).
- Ensayos para colectores de escape (Bl y B2).
6.4.- Ensayos de homologación.
Actualmente, y cada vez con mayor dureza, los motores deben de superar una
serie de pruebas de homologación fijadas por normas y obligatorias para su
comercialización. La finalidad de estas normas es proteger al usuario en aspectos de
135
seguridad y salud pública, así como garantizar que las prestador, c; del vehículo
declaradas por el fabricante son correctas.
La mayoría de estos ensayos consisten en ciclos normalizados de modo que los
resultados totalizados de estos ciclos determinan el resultado concreto del ensayo, dato a
partir del cual, se decide homologar o no. Los más importantes son:
a) Par y potencia:
En este ensayo se mide en condiciones estándar las prestaciones del motor. Las
condiciones dd ensayo están controladas en cuanto a accesorios acoplados al motor,
condiciones atmosfera ü (presión, temperatura, humedad), etc.
b) Evaporación de combustible (Sólo MEP): En una celda acondicionada según norma, se determinarán las perdidas por
respiración del depósito de combustible en frío y por parada en caliente, después de
realizar un ciclo normal.
c) Emisiones gaseosas y de partículas:
Se realiza un ciclo normalizado. A lo largo de todo el ciclo y según unas
condiciones de ensayo específicas, se deben recoger unas cantidades máximas de CO,
HC, NOx y Partículas (sólo diese. Otra prueba que se debe hacer para vehículos de
gasolina es la medición de CO al ralentí según norma.
d) Consumo de combustible: El consumo de combustible, sólo legislado para turismos, se obtendrá realizando
un ciclo estancar y operando según norma.
e) Otros ensayos:
Medición de emisiones de gases del cárter.
Duración de los sistemas de reducción de emisiones contaminantes.
6.5.- Ensayos de producción.
Estos ensayos tienen como único objetivo comprobar que los motores
producidos (según muestreo) cumplen las especificaciones básicas de par, potencia,
humo y consumo específico.
6.6.- Ensayos de calidad.
En estos ensayos se toma una muestra muy reducida de la producción haciendo
un análisis exhaustivo de todas las especificaciones dadas por el área de ingeniería al
área de producción. Además de esto, realiza periódicamente ensayos de duración,
similares a los ya explicados, para comprobar que la fiabilidad del motor no disminuye
por cualquier motivo.