motores de ciclo diésel de cuatro tiempos · 2020. 4. 19. · sistemas complementarios de los...
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Mecánica y Maquinaria Agrícola
Departamento de Agronomía. U.N.S
Motores de ciclo diésel de cuatro tiempos
Los motores de combustión interna son una máquina térmica que permite transformar la energía
química del combustible en energía mecánica.
Esta transformación se realiza mediante la combinación del combustible con el oxígeno, generando
una combustión, donde resulta una expansión de los gases y un aumento de la temperatura.
En los motores de cuatro tiempos, estas reacciones suceden en los siguientes pasos: admisión
donde entra el aire (oxigeno), la compresión donde el aire es comprimido para elevar la temperatura
y dejar las condiciones para que el combustible genere la combustión y se realiza la inyección una
vez que este ciclo está terminando, la expansión(o trabajo) donde una vez que se generó la
combustión ese aumento de la presión generado por la expansión de los gases genera un trabajo
(fuerza generada por la presión de los gases x el recorrido que realiza el pistón que es “la carrera”) y
el escape, se libera todos los gases combustionados para poder volver a realizar el ciclo
nuevamente.
Los cuatros tiempos correspondiente a un ciclo, es realizado en dos vueltas de motor (720º)
Partes constitutivas:
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Ciclo diesel de 4 tiempos:
1.- Admisión: La válvula de admisión se abre en
el PMS (Punto muerto superior) y mientras el
pistón desciende hacia el PMI (Punto muerto
inferior) aspira aire desde el exterior de manera
que durante la admisión se supone que el cilindro
se llena totalmente de aire. Se considera
entonces que la presión en un ciclo ideal se
mantiene constante e igual a la presión
atmosférica.
2.- Compresión: Una vez que el pistón llega al
PMI se cierra la válvula de admisión y comienza
nuevamente el ascenso del pistón. Durante esta
carrera el aire es comprimido hasta ocupar el
volumen correspondiente a la cámara de
combustión. La temperatura alcanzada al finalizar
la compresión supera los 600 ºC debido a que el
volumen del aire que entra se reduce
significativamente, alcanzándose la temperatura
necesaria para producir la autoinflamación del
combustible sin necesidad de chispa eléctrica. El
aire se comprime desde un volumen, que incluye
la cilindrada más la cámara de combustión, hasta
la cámara de combustión.
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3.- Trabajo o expansión: La inyección
de combustible se produce cuando el
pistón está por alcanzar el PMS. Éste
se inyecta pulverizado, facilitando su
cambio de estado para la ignición.
Durante la combustión, la presión
generada dentro del cilindro impulsa el
pistón hacia el PMI generando la
fuerza necesaria para producir trabajo.
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4.- Escape: En el PMI se abre instantáneamente la válvula
de escape y los gases son expulsados al exterior por el
pistón durante su recorrido hasta el PMS. Al llegar a él se
supone que de forma instantánea se cierra la válvula de
escape y se abre la de admisión para iniciar un nuevo ciclo.
Datos característicos del motor:
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Cilindrada:
Es el nombre que se le da al volumen desplazado por el pistón. Para obtener la cilindrada de un
motor de varios cilindros, se multiplica la cilindrada de un cilindro por el número de cilindros.
Entonces:
Relación de compresión:
Se define como la relación entre el volumen inicial, es decir, el volumen de compresión más la
cilindrada, y el volumen final o volumen de la cámara de compresión.
Por ejemplo: La cilindrada de un motor de 3 cilindros, con un diámetro de cilindro de 91,94
mm y 127 mm de carrera es:
Por ejemplo= Si tememos un motor de 4 pistones con una cilindrada de motor de 3 litros, y
una cámara de combustión de 50 cm3. ¿Cuál será la relación de compresión?
Cilindrada del motor=3000cm3
Cilindrada de cada pistón= 3000 cm3/4=750 cm3
Relación de compresión= (750cm3+50cm3)/50cm3=16/1
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Sistemas complementarios de los motores diésel:
Sistema de válvulas:
Sincronización de las válvulas: En la figura 6 se ilustra un diagrama de distribución, con la
apertura y cierre de las válvulas.
Hay que destacar los siguientes puntos:
- La válvula de admisión debe abrirse antes del P.M.S., es decir, antes de que el pistón empiece a
descender en el tiempo de admisión (AAA).
- La válvula de admisión permanece abierta después del P.M.I. (en plena fase de compresión), para
aprovechar la velocidad de los gases entrantes, lo cual ayuda a introducir una cantidad adicional de
la mezcla de aire y combustible en el cilindro (RCA).
- La válvula de escape debe abrirse antes de que termine el tiempo de explosión para liberar la
presión de los gases en expansión que están en el cilindro antes de que el pistón suba en el tiempo
de escape (AAE).
- La leva mantiene abierta la válvula de escape pasado el P.M.S. En regímenes elevados, la inercia
del gas que sale del cilindro crea un vacío tras de sí, absorbiendo aire de sistema de admisión
(incremento de la eficiencia volumétrica) y garantizando la eliminación total de los gases quemados,
lo que aumenta la potencia del motor (RCE).
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Figura__: Apertura y cierres de válvulas. AAA: Adelanto de la apertura de admisión. RCA: Retraso
de cierre de la válvula de admisión; AAE: Adelanto de la apertura de escape; RCE: Retraso del cierre
de la válvula de escape.
4_ Puesta a punto:
Consiste en ubicar el momento óptimo la inyección y la apertura y cierre de válvulas de
admisión y escape con el objetivo de aumentar la presión durante la combustión, de tal forma la
superficie útil verde se incrementa (trabajo útil) y disminuye la superficie roja, siendo ésta el gasto de
energía para sacar el gas de escape e introducir el gas de admisión.
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Figura 4. Diagrama presión/volumen del ciclo diesel de cuatro tiempos.
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Sistema de enfriamiento:
La transferencia de exceso de calor de los cilindros hacia el exterior se realiza directamente o por
medio de agua; el primer sistema se llama refrigeración por aire o convección, el último refrigeración
por agua. En forma general, la energía calórica que se genera por la combustión se distribuye de la
siguiente forma:
Aproximadamente un 33% se transforma en energía mecánica, que será utilizable.
30% debe ser extraída del motor por medio del sistema de enfriamiento.
30% sale a la atmósfera por medio del sistema de escape.
Un 7% irradia a la atmosfera a partir de las superficies del motor.
Refrigeración por aire: ésta se consigue exponiendo las partes más calientes del motor (cilindros) a
la corriente de aire que se produce mediante una turbina, al irse renovando el aire rápidamente, éste
absorbe el calor de las superficies y es expulsado al exterior.
El calor producido en el motor se evacúa directamente al aire, por este motivo el motor se construye
de una aleación con buen coeficiente de conductividad térmica, y se le aumenta la superficie de
contacto con el aire dotándole de una serie de aletas.
El intercambio de calor entre los cilindros y el aire será mayor cuanto más delgadas sean las
paredes de las aletas, debiéndose mantener el espacio entre las aletas perfectamente limpio, en
caso contrario el motor puede sufrir un exceso de calentamiento.
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Refrigeración por líquido: Es el sistema generalizado que utilizan los motores agrícolas actuales.
En este sistema los cilindros y el block están diseñados para que entre ellos circule el líquido
refrigerante en su interior.
Este líquido, que se calienta al contacto con las paredes durante su trayecto dentro del motor, es a
continuación dirigido hacia el radiador, donde es enfriado por medio de una corriente de aire para
después volver al motor.
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Sistema de lubricación:
La función del sistema de lubricación es evitar el desgaste de las piezas del motor, creando una
película de lubricante entre las piezas en movimiento.
Tipos de lubricación:
Lubricación por salpicadura: Se da cuando el eje cigüeñal y la biela giran, pasando por el carter
salpicando aceite, para lubricar la parte baja de los cilindros y otras partes cercanas.
Lubricación a presión: Dada por la bomba de aceite, que es la encargada de llevar lubricante a
presión a todas las partes móviles del motor, como puede ser el cigüeñal, árbol de leva,
balancines, etc.
Lubricación por gravedad: Luego de llegar el lubricante por presión y salpicadura a las partes
altas del motor, este regresa hacia el carter, lubricando las partes que encuentra en su recorrido,
como pueden ser los botadores, los engranajes de distribución, etc.
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Sistema de admisión de aire:
Filtrado del aire: Las condiciones extremas
de polvo y suciedad donde los tractores
trabajan, tornan los elementos responsables
del filtrado de aire en un factor decisivo para la
vida del motor. Las impurezas abrasivas
presentes en la atmósfera de trabajo pueden
ingresar al motor y acelerar su desgaste.
El sistema de filtrado puede incluir todos o
algunos de los siguientes elementos:
Prefiltro: Tiene la función de eliminar
partículas relativamente grandes de polvo y
residuos vegetales. Las impurezas son
separadas por fuerza centrífuga y decantan
por gravedad en un depósito evitando pasar al
filtro de aire, de esta forma se incrementa la
vida del filtro de aire y del motor.
Filtro de aire: La cantidad de aire que un
motor consume es elevada, debe de estar libre
de partículas duras o polvo para que no sufran
los cilindros un desgaste prematuro. Todo el
aire de entrada debe pasar a través de
elemento filtrante antes de llegar al motor. El
filtro de aire elimina las partículas muy finas
que hay en el aire del ambiente. El elemento
filtrante puede ser de tipo seco o húmedo,
siendo el de tipo seco el usado actualmente en
los motores agrícolas modernos, por su mayor
eficiencia de filtrado.
A Carcaza, B sensor de vacío, C pinzas, D
tapa. Fuente J. Deere.
A filtro primario. Fuente J. Deere
A filtro secundario. Fuente J. Deere
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Sistema de admisión de aire:
Múltiple de admisión: Es el encargado de distribuir el aire a cada uno de los cilindros del motor.
Están fabricados de acero fundido, aluminio o de plástico, tendiendo a este último en el caso de los
motores aspirados, por tener menos rozamiento del aire con la pared del mismo. Los múltiples no
deben tener curvas cerradas ni obstáculos para el libre fluido del aire, para no afectar la eficiencia
volumétrica.
Válvula de admisión: Es la encargada de suministrar la cantidad adecuada de aire, en el momento
adecuado a cada cilindro.
Turbo cargador: Es una bomba de aire, diseñada para empujar aire adicional en el motor.
Proporciona aire presurizado al sistema de admisión a fin de aumentar la eficiencia volumétrica. Un
motor turboalimentado puede incrementar la potencia y el par motor de un diesel de un 35 a 40%.
Turbo
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Intercooler: Es un dispositivo de refrigeración o enfriamiento del aire de admisión del motor. Se
utiliza para reducir la alta temperatura del aire cuando sale del turbo, incrementando así la densidad
del aire de admisión. Cuanto más denso es el aire, mayor es la cantidad de combustible que puede
ser quemada, y mayor será la producción de potencia y de par motor. Se utiliza en motores que
poseen turbo alimentador.
Circuito de combustible: Las principales partes de este sistema de alimentación de combustible
son:
tanque de combustible.
bomba de transferencia.
filtros de combustible.
bomba de inyección.
inyectores.
Intercooler
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Tanque de combustible: La forma y tamaño dependerán de los requerimientos de funcionamiento
del tractor. Entre los criterios más importantes se considera: almacenar la mayor cantidad de
combustible posible y el espacio disponible para alojarlo. Los materiales con que son construidos
pueden ser chapa galvanizada o plástico, siendo este último el utilizado en los tractores modernos,
por facilidad de construcción debido a la complejidad de las formas.
Bomba de transferencia: Normalmente es accionada por el árbol de levas del motor o por la bomba
de inyección, su función es aspirar el combustible del tanque y enviarlo a través de los filtros hasta la
bomba de inyección.
Filtros: En un sistema típico se instala un filtro a la salida del tanque antes de la bomba de
transferencia, donde suele intercalarse una trampa de agua, y dos filtros en serie, para realizar un
filtrado progresivo, entre la bomba de transferencia y la bomba inyectora. El filtro primario retiene las
partículas más gruesas, mientras que los secundarios se encargan de retener las más finas.
Bomba inyectora: La bomba inyectora es el elemento encargado de alimentar de combustible a un
motor diesel. La bomba utiliza inyectores a través de los cuales introduce combustible a alta presión
en el interior de la cámara de combustión, de este modo el combustible se pulveriza y alcanza la
temperatura ideal para la autoinflamación.
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Los sistemas de bombas de inyección diesel se dividen en tres grupos:
- Bombas de inyección en línea
- Bombas de inyección rotativas
- Sistema de inyección de acumulador (common rail)
Bombas de inyección lineal: Las bombas de inyección están formadas por un elemento de bombeo
con un cilindro y un émbolo por cada cilindro del motor. El émbolo se mueve en la dirección de
suministro por el árbol de levas accionado por el motor.
Los elementos que forman la bomba están dispuestos en línea. Para poder variar el caudal de
suministro, el émbolo dispone de aristas de mando inclinadas, de manera que al girar el émbolo
mediante una varilla de regulación resulte la carrera útil deseada.
Bombas de inyección rotativa: El funcionamiento de esta bomba consiste en una bomba de aletas
que aspira el combustible del depósito y lo introduce en el interior de la cámara de bomba. El émbolo
realiza tantas carreras como cilindros del motor ha de abastecer. La bomba rotativa convencional
dispone de una corredera de regulación que determina la carrera útil y dosifica el caudal de
inyección.
Sistema de inyección de acumulador (common rail): La generación de presión y la inyección se
generan por separado en el sistema de acumulación. El caudal y el momento de inyección se
calculan dentro de la ECU (unidad de control electrónica) y se realiza a través del inyector a cada
cilindro del motor.
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