motores diésel
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Descripción, funcionamiento, parámetros, ciclo 4 tiempos, ciclo 2 tiempos, curvas de P-V y T-S, diagrama de mando, utilización.TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS
EXTENSION LATACUNGA
CONSULTA No 2
Asignatura: Motores Diésel NRC: 2784
Período: Primero
Estudiante: Carlos Peñafiel Hernández
Nivel: 5 Automotriz
Carrera: Ingeniería Automotriz
Fecha de Realización: 11 de Mayo de 2015
Fecha de Entrega: 11 de Mayo 2015
TEMA: Motores Diésel
INTRODUCCION
El moderno motor diésel es el resultado directo del trabajo de perfeccionamiento que se
inició en 1974 cuando un invento llamado Street creó el motor de combustión interna.
Sus ideas básicas fueron desarrolladas en 1824 por un joven ingeniero francés llamado
Sadi Carnot. Aun cuando Carnot no llego a construir el motor, formuló ideas que fueron
muy útiles en la producción de los motores diésel. Afirmó que el aire altamente
comprimido, con una relación de 15:1, generaría el calor suficiente para encender la
madera seca. De igual manera sugirió que el aire utilizado en la combustión debería ser
comprimido antes de encenderlo. El doctor Rudolph Diésel, joven ingeniero alemán,
patentó en 1892 un motor de encendido por compresión, en las primeras pruebas se
obtuvo un relación de compresión de 18.4:1 y posteriormente se buscó un combustible
para este motor. La patente original mencionaba el polvo de carbón, pero las primeras
pruebas se llevaron a cabo con petróleo para lámparas (keroseno). En 1897 el motor
estaba listo para su producción y los derechos de la patente se vendieron a muchas
empresas que hoy en día siguen construyendo motores diésel.
CARACTERISTICAS GENERALES
Los motores diésel funcionan empleando aire, combustible y el encendido, exactamente
como los motores de gasolina. Las diferencias entre unos y otros son:
1. El tipo de combustible.- el combustible diésel es menos volátil que la gasolina
pero tiene un número mayor de BTU por galón. Por lo que se obtiene una mayor
potencia por galón de combustible diésel que por galón de gasolina.
2. Tipo de encendido.- el encendido de la mezcla aire y combustible en el cilindro
del motor de gasolina es por medio de una bujía. En el motor diésel se hace
mediante el calor generado por la compresión.
3. Mezcla aire combustible.- en los motores de gasolina el combustible y el aire se
mezclan en el carburador y en el múltiple de admisión. En un motor diésel el
combustible se mezcla con el aire al inyectarse al cilindro.
Algunas características muy relevantes de los motores diésel por las cuales son muy
utilizados se detallan a continuación:
1. Eficiencia.- los motores diésel queman menos combustible para generar una
cantidad determinada de caballos de fuerza. Como consecuencia, son
comparativamente del 20 al 30 por ciento más eficientes que los motores de
gasolina.
2. Duración del motor.- debido a que el motor diésel debe ser más pesado para
soportar la presión originada dentro de la máquina, es de esperarse que funcione
muchas horas más que el motor a gasolina.
3. Más potencia de arrastre.- el aumento del par de torsión bajo carga es una
característica inherente en los motores diésel. A medida de que dichos motores
operan bajo carga, el aumento resultante en el par de torsión trae consigo un
aumento en la eficiencia volumétrica y en la de los dispositivos extra de
alimentación, en la bomba de inyección. Esta característica hace al motor diésel
una fuente de poder muy atractiva.
4. Menos contaminación.- los escapes de un motor diésel, aun cuando son visibles,
en ocasiones contienen bajos niveles de elementos tóxicos perjudiciales para las
personas. El humo visible en el escape de un motor diésel moderno se ha reducido
a una leve neblina y se forma por partículas de carbón u hollín.
5. Confiabilidad.- los motores diésel no se ven afectados por un ambiente húmedo
o por el calor extremoso en la forma en que son afectados los motores de gasolina.
UTILIZACION
En nuestra vida diaria encontramos los modernos motores diésel en muchas aplicaciones,
en las que juegan un papel importante. Ejemplos de lo anterior son los siguientes:
1. Construcción.- casi todo el equipo de construcción es accionado por motores
diésel. Este equipo se utiliza para hacer carreteras, construir edificios y en plantas
industriales.
2. Generación de potencia.- son muchos los millones de kilowatts que anualmente
generan los motores diésel en las plantas de energía.
3. Transportación.- en el transcurso de los últimos 20 años casi todos los camiones
y autobuses se han equipado con motores diésel.
4. Producción de alimentos.- tractores agrícolas con motores a diésel, el tractor con
potencias que van de 15 a 400 hp, ha venido a ser para el granjero una herramienta
versátil con la cual trabaja la tierra.
5. Aero espacio y defensa nacional.- muchas defensas de primera línea han optado
por el motor diésel como fuente de energía para generar potencia eléctrica. Se
utiliza motores diésel para el despegue de cohetes.
6. Marina.- casi todas las embarcaciones pequeñas y de pesca utilizan motores diésel
ya que es una fuente confiable.
7. Bombas de agua e irrigación.- muchos miles de hectáreas producen anualmente
alimentos para el mundo, sus sistemas de irrigación los impulsar motores diésel.
CICLO DE 4 TIEMPOS
El ciclo de 4 tiempos constituye un ciclo de etapas realizadas por el motor. Este ciclo se
halla integrado por cuatro carreras del motor que se denominan:
1. Primer tiempo:
admisión
Pistón en el punto muerto superior,
válvula de admisión abierta, válvula
de escape cerrada, cámara de
compresión llena de restos de gas de
escape calientes que están a pequeña
sobrepresión.
El pistón se mueve hacia el punto
muerto inferior y con ello se
expanden primero los gases
residuales y luego se produce en la
cámara del cilindro una depresión
que aspira aire puro.
Llenado dependiente del número de
revoluciones, de la temperatura, de
la presión atmosférica, del tubo de
admisión, de la carga, de la
compresión y del estado del motor.
La válvula de admisión abre
5…25o antes del p.m.s. cierra
35…60o después del p.m.i.
Presión 0,2…0,6 bar
Temperatura 200…300oC
Aire necesario 16kg/kg
Relación de aire 1,5…10
Depresión en el tubo de
admisión 0,1…0,2 bar
Grado de llenado 0,8…0,9
Temperatura de admisión
70…100oC
2. Segundo tiempo:
compresión
Pistón en el punto muerto inferior,
válvulas de admisión y escape
cerradas, cámara del cilindro llena
de aire puro.
El pistón se mueve hacia el punto
muerto superior y con ellos
comprime el aire puro reduciéndolo
a la cámara de compresión. La
Relación de compresión
14…22:1
Presión de compresión
30…55bar
Temperatura de compresión
600…900o
Temperatura de
autoencendido del
presión y la temperatura en el
cilindro ascienden.
La compresión más alta mejora el
rendimiento térmico. El límite
superior de compresión está
determinado por las presiones
máximas admisibles de los cojinetes,
y el interior por la temperatura de
autoencendido del combustible.
combustible diésel
300…400o
Volumen de inyección a
1000 r.p.m. ralentí (9mm)
9…13 mm3/carrera
3. Tercer tiempo:
trabajo
Pistón en el punto muerto superior,
ambas válvulas cerradas, cámara de
compresión llena de aire,
comprimido, caliente.
El combustible diésel es inyectado,
finalmente pulverizado, en la cámara
de compresión, se evapora y se
inflama en el aire caliente. La llama
se propaga y el combustible arde
rápidamente. Debido a esto asciende
la temperatura y al presión de los
gases en la cámara de combustión.
Los gases se expanden e impulsan al
pistón hacia el punto muerto inferior.
Presión máxima 50…80 bar
Temperatura máxima
2000…2500oC
Presión de trabajo media
5…8 bar
Comienzo de inyección
22…32o antes del p.m.s
Presión de inyección
90…200bar
Tamaño de las gotitas
4…15um
Duración de inyección
10…40o del cigüeñal
Retardo de encendido 0,001
s
Duración de combustión
75…85o del cigüeñal
Trabajo útil 32%
4. Cuarto tiempo: escape Pistón en el punto muerto inferior,
válvula de admisión cerrada, válvula
de escape abierta, cámara del
cilindro llena de gases de escape
calientes que están a sobrepresión.
El pistón se mueve hacia el punto
muerto superior y debido a ello se
expulsan los gases hacia el orificio
de salida. Al comienzo de la
Temperatura de gases de
escape a plena carga
500…600o
A ralentí 200…300o
Presión de los gases de
escape comienzo 3…5 bar
Final 0,2…0,4 bar
expulsión los gases escapan a alta
velocidad a causa de la sobrepresión
reinante en la cámara del cilindro.
Las fluctuantes condiciones de
corriente provocan oscilaciones.
Válvula de escape abre
35..60o antes del p.m.i.
Cierra 5…30o después del
p.m.s.
Superposición de válvulas
10…55o del cigüeñal.
Perdida por refrigeración
32%
Radiación 7%
Gases de escape 29%
Carta típica de sincronización de válvulas de un motor diésel con ciclo de 4 tiempos.
Diagrama P-V y T-S de un motor diésel con ciclo de 4 tiempos.
CICLO DE 2 TIEMPOS
1. Primer tiempo
Posición 1: pistón en p.m.i.,
lumbreras de barrido y válvulas de
escape abiertas. Un soplante de roots
aspira aire puro y lo introduce a
presión en el cilindro por las
lumbreras de barrido. La disposición
tangencial de las lumbreras de
barrido hace que el aire se ponga en
un movimiento de remolino. El
cilindro se barre completamente en
flujo continuo y se llena de aire
fresco. Los gases de escape salen por
las válvulas de escape.
Posición 2: lumbreras de barrido y
válvulas de escape cerradas. El
pistón comprime el aire fresco en la
cámara de pre compresión. La
temperatura del aire se eleva
intensamente.
VE abre 92o antes del p.m.i.
Cierra 72o después del p.m.i.
LB abre 53o antes del p.m.i.
Cierra 53o después del p.m.i.
Relación de compresión
15…18:1
Presión de compresión con
número de revoluciones de
arranque 25…30 bar
Numero de revoluciones
1900…2500 1/min
2. Segundo tiempo Posición 1: pistón en p.m.s.,
lumbreras de barrido y válvulas de
escape cerradas. El combustible es
inyectado directamente en el
cilindro. Mediante el aire caliente se
Presión de inyección
175…2530 bar
Comienzo de la inyección
34o antes del p.m.s.
evapora el combustible formándose
una mezcla de combustible-aire
inflamable. Una vez alcanzada la
temperatura de encendido la mezcla
se enciende por sí misma y arde. El
calor eleva la presión en la cámara de
combustión. Los gases se expanden
y empujan el pistón hasta el punto
muerto inferior.
Posición 2: lumbrera de barrido y
válvulas de escape abiertas. Los
gases se expanden. El cilindro se
llena de nuevo para el siguiente
tiempo de trabajo.
Final de la inyección 13o
antes del p.m.s.
Par de giro 500…800 Nm
Consumo 235…255 g/kWh
Potencia unitaria 20…27kW
Carta típica de sincronización de válvulas de un motor diésel con ciclo de 2 tiempos.
CAMARAS DE COMBUSTION
Por cámara de combustión se entiende el volumen cerrado encima del pistón cuando se
comienza la inyección de combustible, esto es, cuando el pistón está llegando al punto
muerto superior en la carrera de compresión. En esta cámara ha sido confinado todo el
aire que entró al cilindro durante la admisión en forma comprimida y por lo tanto muy
caliente. Aquí es donde el inyector suministra el combustible.
En los motores Diésel juega un papel fundamental en el comportamiento y rendimiento
del motor la forma y posición de la cámara de combustión.
En la práctica las cámaras de combustión pueden separarse en dos grupos, cada una de
las cuales puede subdividirse en diferentes tipos:
Cámaras separadas, cámaras divididas o inyección indirecta.
Celda de energía.
Pre cámara.
Cámaras de inyección directa.
Inyección directa.
Cámara MAN o cámara M.
Inyección directa típica
En la figura se muestra un esquema de una cámara de inyección directa con el pistón en
la carrera de fuerza. En este caso el aerosol de combustible pulverizado se inyecta
directamente sobre la cabeza del pistón, donde se ha practicado una oquedad de forma
especial para producir turbulencia en el aire. En esta oquedad es donde se acumula casi
todo el aire del cilindro cuando el pistón está en el punto muerto superior, por tal razón
es común denominarla como cámara de combustión, aunque en realidad la verdadera
cámara de combustión es todo el volumen cerrado sobre el pistón.
En la figura se ha representado el motor cuando ya el pistón está en la carrera de fuerza;
en el punto muerto superior, el pistón está muy cerca de la superficie inferior de la culata
o tapa y prácticamente el aire está dentro del hueco del pistón.
En este caso el incremento de presión se produce sobre el pistón, por lo que este recibe
toda la fuerza generada por los gases, esto hace que sea un motor de funcionamiento
brusco y ruidoso.
Como la cámara de combustión solo tiene una pequeña superficie refrigerada por agua
(superficie de la culata) la pérdida de calor del aire comprimido es poca y estos motores
tienen una gran facilidad de arranque en frío y son muy eficientes.
Inyección indirecta
En el caso de la cámara de combustión separada como la que se muestra a la derecha, la
oquedad donde se acumula el aire en la carrera de compresión se ha practicado en la masa
metálica de la culata, y la comunicación entre el volumen sobre el pistón y esta cámara
es un pasaje relativamente estrecho. Este pasaje estrecho hace que el aire en la carrera de
compresión, circule a alta velocidad hacia la cámara en un flujo muy turbulento que
favorece la formación de la mezcla del aire y el combustible una vez comenzada la
inyección.
Los gases a elevada presión producto de la combustión también tienen que pasar por este
pasaje estrecho, por lo que van a parar a la cabeza del pistón con cierta gradualidad, que
hace que las presiones máximas que tiene que soportar el mecanismo pistón-biela-
manivela nos sean tal elevadas como en el caso de la inyección directa.
Estos motores son en general de un funcionamiento más silencioso y elástico que los de
inyección directa, pero el aumento del área de transferencia de calor (debido a la cámara)
al agua de enfriamiento produce pérdidas y la eficiencia es menor así como se dificulta el
arranque en frío.
Este problema del arranque en frío se resuelve con la utilización de unas resistencias
eléctricas especiales colocadas dentro de la cámara de combustión separada, conocidas
como bujías de precalentamiento.
Las fronteras entre los diferentes tipos de cámaras de inyección indirecta no están bien
definidos, hay motores donde prácticamente todo el aire termina en la cámara de la culata
y la comunicación con la cabeza del pistón es muy estrecha, estos motores son típicamente
muy elásticos y suaves en el funcionamiento y se les denomina sin duda motores de
recámara. Hay otros, que la cámara de combustión está parcialmente en la culata y
parcialmente en el pistón y el conducto de comunicación es relativamente grande, aunque
la inyección se realiza en la cámara de la culata, en este caso se les llama cámaras de celda
de energía.
BIBLIOGRAFÍA
Dagel, J. F. (1995). MOTORES DIESEL Y SISTEMA DE INYECCION (Vol. I). (G.
NORIEGA, Ed., & J. N. Ruiz, Trad.) D.F., Mexico: EDITORIAL LIMUSA.
Hamm, G., & Burk, G. (1986). Tablas de la tecnica del autmóvil. Madrid, España:
EDITORIAL REVERTE.