Universidad Autnoma de Baja California Escuela de Ciencias de la Ingeniera y Tecnologa ECITEC

Materia: Mquinas Trmicas

Tema 3 Sistemas auxiliares y pruebas de motores de combustin

Alumnos:

Aispuro Aguilera J. Abraham Arce Quiones M. Arnoldo

Cruz Alaniz J. Luis Gonzlez Santibez J. Ali

Iiguez Ramos E. Francisco Nava Gastelum Anabel Navia Virgen A. Patricia Prez lvarez S. Janeth Ramrez Alonso Roberto

Yez Martnez Sebastin

Profesor: Ing. Ivn Montoya Patio

Tijuana B.C 10 Noviembre 2015

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3. SISTEMAS AUXILIARES Y PRUEBAS DE MOTORES

DE COMBUSTIN

3.1 SISTEMA DE INYECCIN DE COMBUSTIN

La inyeccin de combustible es un sistema de alimentacin de motores de

combustin interna, alternativo al carburador, que es el que usan prcticamente todos

los automviles europeos desde 1993, debido a la obligacin de reducir las emisiones

contaminantes y para hacer duradero el uso del catalizador.

Este sistema es utilizado obligatoriamente en el ciclo del disel desde siempre, puesto

que el combustible tiene que ser inyectado dentro de la cmara en el momento de la

combustin y es imposible usar un carburador.

En los motores de gasolina o GLP actualmente est desterrado el carburador en favor

de la inyeccin, ya que permite una mejor dosificacin del combustible, sobre todo

desde la aplicacin del gobierno electrnico por medio de la sonda lambda.

3.1.1 Sistema de inyeccin mecnica

El sistema de inyeccin mecnico, apareci en 1932 para motores de la

aviacin, pero no llegaron a los vehculos hasta el ao 1945. Un sistema que carece de

electrnica al igual que el carburador. Los inyectores trabajan mediante la presin

sometida por parte de un dosificador, una especie de distribuidor que reparte la

gasolina por los inyectores que distribuyen la gasolina de forma simultnea,

determinado por el caudal metro.

Hoy en da no se suele utilizar, ya que no es tan eficiente como un sistema electrnico.

3.1.2 Inyector de combustible electrnico.

La inyeccin de gasolina se ha desarrollado con el objetivo de mejorar las

prestaciones globales del motor, no slo en trminos de potencia especfica, sino

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tambin de conduccin, elasticidad y reduccin tanto de los consumos como de las

emisiones en el escape. El desarrollo de investigacin en este tema a contribuido con

la mejora de los siguientes puntos:

Consumo reducido.

Mayor potencia.

Gases de escape menos contaminantes.

Rpida adaptacin a todos los estados de funcionamiento.

Estos son algunos de las ventajas que ofrecen los inyectores de gasolina, en el

transcurso del tiempo con las investigaciones se ha llegado a desarrollar otros tipos de

inyectores que hoy en da se aplican a los automviles de modelo reciente, estos son

los inyectores electrnicos.

En estos inyectores el funcionamiento general se presenta cuando el combustible es

introducido en el motor por medio de electro inyectores cuyos tiempos de apertura son

determinados por una unidad de mando electrnica(ECU), que adapta los tiempos de

inyeccin a las distintas fases de funcionamiento, en funcin de las informaciones

recibidas de unos sensores distribuidos estratgicamente por el motor.

En la imagen 1.1 se muestra el funcionamiento de los inyectores electronicos y otros

dispositivos que estn controlados por la unidad de mando de control (ECU).

Imagen 3.1.1 Inyeccin electrnica controlada por una unidad de mando electrnica (ECU).

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3.1.3 Sistema de inyeccin electromecnico.

El KE-Jetronic de Bosch es un sistema perfeccionado que combina el sistema

K-Jetronic con una unidad de control electrnica (ECU). Excepto algunos detalles

modificados, en el sistema KE-Jetronic encontramos los principios de base hidrulicos

y mecnicos del sistema K-Jetronic. La diferencia principal entre los dos sistemas es

que en el sistema KE se controlan elctricamente todas las correcciones de mezcla,

por lo tanto no necesita el circuito de control de presin con el regulador de la fase de

calentamiento que se usa en el sistema K-Jetronic. La presin del combustible sobre el

mbolo de control permanece constante y es igual a la presin del sistema. La

correccin de la mezcla la realiza un actuador de presin electromagntico que se pone

en marcha mediante una seal elctrica variable procedente de la unidad de control.

Los circuitos elctricos de esta unidad reciben y procesan las seales elctricas que

transmiten los sensores, como el sensor de la temperatura del refrigerante y el sensor

de posicin de mariposa. El medidor del caudal de aire del sistema KE difiere

ligeramente del que tiene el sistema K. El del sistema KE est equipado de un

potencimetro para detectar elctricamente la posicin del plato-sonda. La unidad de

control procesa la seal del potencimetro, principalmente para determinar el

enriquecimiento para la aceleracin. El dosificador-distribuidor de combustible instalado

en el sistema KE tiene un regulador de presin de carburante de membrana separado,

el cual reemplaza al regulador integrado del sistema K-jetronic.

3.1.4 Actuador electrohidrulico o regulador de presin

El funcionamiento de este actuador puede describirse teniendo en cuenta el

funcionamiento del sistema K-Jetronic, partiendo de que la alimentacin a los

inyectores se produce cuando las presiones en las cmaras de las vlvulas de presin

diferencial son diferentes.

El actuador puede, en efecto, reducir o aumentar la presin segn tapone, o no, el paso

de combustible. Consta el actuador de la citada placa de rebote que se mantiene en

equilibrio entre dos electroimanes y otro imn permanente.

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Las seales elctricas que activan el actuador y por lo tanto la placa de rebote vienen

proporcionadas por la centralita (ECU), de acuerdo con los datos que recoge por medio

de sus sensores, y se logra as una regulacin muy afinada en las presiones, y en la

dosificacin.

Si nos fijamos ms en el funcionamiento del actuador podemos ver la distribucin de

los flujos magnticos que determinan la modulacin de la presin

3.1.5 Regulador de presin del circuito de alimentacin de combustible

Otro elemento diferencial con respecto al sistema K-Jetronic es el uso de este

elemento. Su misin es mantener un valor de presin estable en el circuito aun cuando

el consumo sea elevado o se observen valores irregulares en la presin proporcionada

por la electrobomba. En cuanto la electrobomba se pone en marcha, el combustible

pasa a llenar la cmara de presin.

3.1.6 Actuador rotativo de ralent

Este dispositivo sustituye a la vlvula de aire adicional utilizada en el sistema K-

Jetronic. Est constituido por un conducto por donde pasa la corriente de aire adicional

que pone en by-pass a la mariposa de aceleracin. Este conducto est controlado por

una vlvula corredera giratoria que puede abrir ms o menos el paso de este conducto

Imagen 1.2. Muestra del

regulador de presin. Imagen 3.1.2. Regulador de presion

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segn la posicin que le imprima el inducido giratorio cuya posicin inicial viene

controlada por el muelle espiral que le sujeta por su extremo superioEl actuador rotativo

es controlado por la centralita ECU. Esta tiene en cuenta los datos que le proporcionan

los sensores de: temperatura motor, rgimen de giro y posicin de abertura de la

mariposa de gases. Estos tres valores son tratados por la ECU y son comparados con

los valores tipo que tiene memorizados, y de aqu se elabora una seal elctrica que es

enviada al bobinado del actuador rotativo el cual determina el ngulo de giro del

inducido y con ello la abertura de la vlvula corredera giratoria. De esta manera el

rgimen de ralent se ajusta automticamente no solo a la diferente temperatura del

motor sino a otros estados del mismo e incluso a su desgaste ocasionado por el

envejecimiento del motor.

3.1.7 Sensor de posicin de mariposa

Este sensor llamado interruptor de mariposa tiene como misin informar a la

unidad de control ECU de la posicin en que se encuentra la mariposa de gases. En su

interior incorpora dos contactos elctricos correspondientes a la posicin de ralent y de

plena carga cuando se encuentra el pedal del acelerador en reposo o pisado a fondo.

La posicin del interruptor de mariposa permite su graduacin por medio de dos

ranuras (pletinas de anclaje) donde unos tornillos la sujetan en la posicin correcta.

Imagen 3.1.3. Flujo y

componentes del actuador.

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3.1.8 Fase de deceleracin

Otra particularidad del sistema KE-Jetronic es la de interrumpir la inyeccin de

combustible durante la fase de deceleracin. Si el conductor levanta el pie del

acelerador, la mariposa va a la posicin cero. El sensor informa a la centralita de la

posicin de la mariposa, al mismo tiempo que el sistema de comando recibe

informacin relativa al rgimen de giro del motor. Si el rgimen real se sita dentro de

la zona de interrupcin de inyeccin en fase de deceleracin, el sistema invierte el

sentido de corriente del mando de presin electrohidrulico en la bobina del regulador.

3.1.9 Regulacin Lambda

La sonda lambda transmite a la unidad de control ECU una seal caracterstica

de la composicin instantnea de la mezcla (aire/gasolina). Esta sonda est montada

en un punto del colector de escape donde la temperatura necesaria para su

funcionamiento exista en todos los rgimen motores. Esta seal sirve a la ECU para

mantener una dosificacin de la mezcla correcta en todos modos de funcionamiento del

motor y para permitir el funcionamiento correcto del catalizador que es muy sensible e

ineficaz para mezclas inadecuadas al rgimen de funcionamiento del motor.

Imagen 1.4. Sensor de

mariposa. Imagen 3.1.4 Sensor de posicin de mariposa

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La sonda lambda est en contacto en su cara exterior a los gases de escape mientras

que en cara interna comunica con la atmsfera. Est constituida por dos electrodos de

platino micro poroso separados por material cermico (dixido de circonio) que acta

como electrolito en el proceso de funcionamiento. El electrodo exterior es el negativo y

est en contacto con los gases de escape recubierto por una capa protectora de

cermica porosa. Ambos electrodos son permeables a los gases.

INYECCION CONTINUA: Los inyectores introducen el combustible de forma

continua en los colectores de admisin, previamente dosificada y a presin, la

cual puede ser constante o variable.

INYECCION INTERMITENTE: Los inyectores introducen el combustible de

forma intermitente, es decir; el inyector abre y cierra segn recibe rdenes de la

centralita de mando. La inyeccin intermitente se divide a su vez en tres tipos:

SECUENCIAL: El combustible es inyectado en el cilindro con la vlvula de

admisin abierta, es decir; los inyectores funcionan de uno en uno de forma

sincronizada.

SEMISECUENCIAL: El combustible es inyectado en los cilindros de forma que

los inyectores abren y cierran de dos en dos.

Imagen 1.5. Ubicacin del sensor Lambda. Imagen 3.1.5 Sistema de alimentacin de combustin

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SIMULTANEA: El combustible es inyectado en los cilindros por todos los

inyectores a la vez, es decir; abren y cierran todos los inyectores al mismo

tiempo.

3.1.10 Inyeccin indirecta e inyeccin directa

Como todos sabemos, los motores funcionan gracias al combustible. Hace aos,

el combustible se introduca en el interior de los cilindros gracias al carburador. Sin

embargo, el carburador ha quedado obsoleto y desde hace ya unos aos existe otro

sistema ms sofisticado, la inyeccin.

Dentro de la inyeccin, tambin nos encontramos con distintos tipos, segn sea ms

avanzado o menos. En primer lugar tenemos la inyeccin indirecta, que tenan los

vehculos diesel antiguos y que todava conservan hoy en da bastantes modelos de

gasolina.

Otro tipo de inyeccin es la conocida inyeccin directa. Este sistema permite ahorrar

combustible y, desde hace aos, la llevan instalada todos los vehculos diesel. Adems,

hoy en da tambin existen muchos vehculos de gasolina con este tipo de inyeccin

como, por ejemplo, los TSI del grupo VAG.

La inyeccin indirecta es un tipo de inyeccin donde el combustible se introduce fuera

de la cmara de combustin. En los vehculos de gasolina, los inyectores estn

situados en el colector de admisin, que es la zona donde se inyecta el combustible.

Posteriormente entra la mezcla de aire y combustible en el interior del cilindro.

Imagen 1.6. Muestra de inyectores

Imagen 1.6. Inyeccin directa Imagen 3.1.6 Muestra inyeccin

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Por el contrario, en los vehculos diesel, el cilindro posee una precmara de

combustin que se encuentra en la culata. Una parte del combustible es quemado en

la precmara, por lo que se aumenta la presin enviando el combustible no quemado al

cilindro, donde se quema en su totalidad.

Esto, como hemos dicho, es el funcionamiento de la inyeccin indirecta. Ahora veremos

el funcionamiento bsico de la inyeccin directa, muy presente en la actualidad en

casi todos los vehculos.

En este caso, los inyectores se encuentran directamente en el cilindro, tanto en los

motores diesel como en los de gasolina. De esta forma, el combustible entra

directamente en la cmara de combustin del motor.

Se trata de un tipo de inyeccin mucho ms eficiente, ya que permite ahorrar

combustible y tambin mejora el rendimiento del motor.

3.1.11Sistemas de inyeccin monopunto

El sistema monopunto (imagen 1.2) o tambin denominado SPI (Single

PointInjection), utiliza un nico inyector, generalmente localizado en el lugar del

carburador, que inyecta el combustible en el colector de admisin antes de la mariposa

de gases.

Imagen 3.1.7 Cmara de combustin

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3.1.12 Sistemas de inyeccin multipunto

En los sistemas multipunto o MPI (MultiPointInjection), existen el mismo nmero

de inyectores que de cilindros. Cada uno de los inyectores pulveriza el combustible

necesario para cada uno de los cilindros, de forma independiente.

Estas son las dos principales clasificaciones de los inyectores, estos inyectores son

controlados por una unidad de control o un sistema de control que la empresa

automotriz ha desarrollado con la investigacin electrnica aplicada el rea automotriz.

3.1.13 Unidad de mando de control (ECU)

Las exigentes regulaciones por parte del Gobierno americano respecto a las

emisiones contaminantes durante los aos finales de los 70 y los 80, impulsaron ms

por necesidad que por otro motivo, a un cambio de mentalidad y un obligado paso de lo

mecnico a lo electrnico en cuanto ejecucin y regulacin de los diversos parmetros,

antes realizados por distintos mecanismos neumticos y mecnicos y posteriormente

controlados por este unidad de control, para as poder controlar de manera ms eficaz

la combustin del motor.

Imagen 3.1.8 Inyector

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Podramos definir una ECU como la unidad de control electrnico que regula al motor.

Esto se traduce de una manera sencilla definindolo como el corazn de un complejo

sistema electrnico compuesto por sensores y actuadores, en la que los sensores

informan a la unidad central y sta enva la orden necesaria a los actuadores para

transformar dicha informacin inicial.

La funcin de los sensores sera la de registrar diversos parmetros sobre el

funcionamiento del vehculo (tales por ejemplo, como las revoluciones del motor,

temperatura de los sistemas, seal de la posicin del acelerador, etc.) Estos sensores

actan como puente hasta el sistema central o ECU y transforman dichas magnitudes

fsicas en electrnicas

La unidad de mando recibe las magnitudes principales de rgimen motor y cantidad de

aire aspirado, y a partir de estas mediciones adapta la mezcla a las condiciones de

funcionamiento del motor, pudiendo tener en cuenta otras informaciones generadas por

distintos sensores.

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3.2 SISTEMA DE ADMISIN DE GASES DE COMBUSTIN

3.2.1 GASES Y COMPONENTES DEL AIRE

3.2.1.1 Gases de combustin

Los gases de escape generados en los procesos de combustin se denominan

gases de combustin. Su composicin depende del tipo de combustible y de las

condiciones de combustin, ej. El valor del coeficiente de exceso de aire. Muchos de

los componentes de los gases de combustin son contaminantes del aire y por tanto

deben eliminarse de los gases de combustin con procedimientos especiales de

limpieza extremadamente lentos y costosos, antes de liberar el gas a la atmsfera

conforme a la normativa legal. Los gases de combustin en su estado original se

conocen como gases brutos y como gas limpio una vez que han pasado por las fases

de limpieza. A continuacin se explican los principales componentes de los gases de

combustin.

Nitrgeno (N2):

Con el 79 % en volumen, el nitrgeno es el principal componente del aire. Este

gas incoloro, inodoro e inspido se aporta mediante el aire de combustin pero no tiene

un papel directo en la misma; pasa como medio inerte y medio para disipar el calor y se

devuelve a la atmsfera. Sin embargo, el nitrgeno contribuye en parte, junto con el

nitrgeno del combustible, a la formacin de xidos de nitrgeno peligrosos (ver a

continuacin).

Anhdrido carbnico (CO2):

El anhdrido carbnico es un gas incoloro e inspido, con un gusto ligeramente

cido, y se genera en todos los procesos de combustin y durante la respiracin.

Debido a su propiedad de filtrar el calor radiante, es una contribucin importante al

efecto invernadero. Su contenido en el aire ambiente es slo del 0,03% y la

concentracin mxima permitida de anhdrido carbnico (CO2) en el puesto de trabajo

es del 0,5%; concentraciones en el aire inhalado superiores al 15% producen la prdida

de conciencia en las personas.

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Vapor de agua (humedad):

El hidrgeno contenido en el combustible se une con el oxgeno para formar

agua (H2O). Dependiendo de la temperatura de los gases de combustin (FT), aparece

luego conjuntamente con el agua del combustible y el aire de la combustin o como

humedad de los gases de combustin (a FT alta) o como condensado (a FT baja).

Sustancias slidas (polvo, holln):

Las sustancias slidas en los gases de combustin se originan a partir de los

constituyentes incombustibles de los combustibles slidos y lquidos. Estas incluyen,

por ejemplo, xidos de silicio, aluminio, calcio, etc., en el carbn y los sulfatos de

diversas sustancias en el fueloil pesado. El efecto nocivo del polvo sobre las personas

est producido particularmente por la deposicin de sustancias txicas y cancergenas

en las partculas de polvo.

Oxgeno (O2):

El oxgeno no utilizado en el proceso de combustin, si hay exceso de aire,

aparece como gas en los gases de combustin y es una medida de la eficiencia de la

combustin. Se usa para determinar los parmetros de combustin y como variable de

referencia.

Monxido de carbono (CO):

El monxido de carbono es un gas txico incoloro e inodoro. Se genera en gran

medida como consecuencia de la combustin incompleta de combustibles fsiles

(instalaciones de combustin), combustibles de motor (vehculos) y otros materiales

que contienen carbono. El CO es, en general, inocuo para las personas porque

rpidamente se une con el oxgeno del aire para formar CO2. En recintos cerrados, sin

embargo, el CO es extremadamente peligroso, ya que las personas que respiran aire

con una concentracin de slo 700 ppm morirn en pocas horas. La concentracin

mxima en el puesto de trabajo es 50 ppm

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xidos de nitrgeno (NO y NO2, frmula total NOx):

En los procesos de combustin, el nitrgeno del combustible y, a temperaturas

elevadas, el del aire de combustin se une en cierta medida con el oxgeno del aire de

combustin para formar xido ntrico NO (NO combustible y NO trmico) en primera

instancia, que luego se oxida cuando entra en contacto con el oxgeno en el conducto

de los gases de combustin y posteriormente en la atmsfera, para formar el peligroso

dixido de nitrgeno (NO2). Ambos xidos son txicos; el NO2 en particular es un

peligroso veneno respiratorio y en combinacin con la luz solar contribuye a la

formacin de ozono. Se utilizan tecnologas caras tales como el proceso SCR para

limpiar los gases de combustin que contienen NOx. Medidas especiales relacionadas

con la combustin, tales como el suministro de aire por etapas, se utilizan para reducir

los xidos ntricos en la etapa de combustin.

Anhdrido sulfuroso (SO2):

El anhdrido sulfuroso es un gas incoloro, txico con un olor picante. Se produce

como resultado de la oxidacin del mayor o menor volumen de azufre contenido en el

combustible. La concentracin mxima en el puesto de trabajo es 5 ppm. En

combinacin con agua o condensado, se forman cido sulfuroso (H2SO3) y cido

sulfrico (H2SO4), ambos de los cuales estn relacionados con los diversos tipos

diferentes de deterioro medioambiental a la vegetacin y edificios. Las plantas de

desulfuracin de los gases de combustin (FGD) se usan para reducir los xidos de

azufre.

Sulfuro de hidrgeno (H2S):

El sulfuro de hidrgeno es un gas txico que huele mal incluso en

concentraciones mnimas (aprox. 2,5 m/m3). Es un componente que se encuentra

naturalmente en el gas natural y el petrleo y por consiguiente est presente en

refineras e instalaciones de procesado de gas natural, pero tambin en teneras,

actividades agrcolas y, no de forma menos importante, tras la combustin incompleta

en los convertidores catalticos de vehculos. Se usan diversos mtodos para eliminar

el H2S de los gases de combustin, incluida la combustin para formar SO2,

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determinados procesos de absorcin o, para niveles ms importantes, la conversin en

azufre elemental en una instalacin Claus.

Hidrocarburos (HC o CxHy):

Los hidrocarburos son un amplio grupo de compuestos qumicos formados

exclusivamente por carbono e hidrgeno. Los HC son las sustancias ms importantes

en qumica orgnica; en la naturaleza se encuentran en el petrleo, gas natural o el

carbn. Se pueden emitir HC cuando se fabrican productos hidrocarbonados (ej. en

refineras) as como durante su uso y eliminacin (disolventes, plsticos, pinturas,

combustibles, residuos, etc.). Las combustiones incompletas son una fuente particular

de emisiones de HC. Estas tambin incluyen los incendios forestales y los cigarrillos,

por ejemplo. Los HC tambin contribuyen al efecto invernadero. Ejemplos de HC

incluyen metano (CH4), butano (C4H10) y benceno (C6H6), pero tambin componentes

cancergenos como el benzopireno. El potencial total de compuestos orgnicos

voltiles en los gases de combustin normalmente se describe como HC total o CxHy

total. Esta suma se determina generalmente en los gases de combustin.

Cianuro de hidrgeno (HCN):

El cianuro de hidrgeno (tambin conocido como cido cianhdrico) es un lquido

extremadamente venenoso con un punto de ebullicin de 25,6C; donde est presente,

adopta la forma gaseosa en los gases de combustin. El HCN tambin puede

encontrarse en instalaciones de incineracin de residuos.

Amonaco (NH3):

En los gases de combustin, el amonaco juega un papel, conjuntamente con el

proceso SCR, en la reduccin de los xidos de nitrgeno. Se aade a los gases de

combustin en cantidades exactamente dosificadas en reactores de xidos de

nitrgeno y desencadena la conversin de los xidos de nitrgeno en nitrgeno y agua.

La parte no utilizada (prdida de NH3) se reduce fuertemente mediante etapas de

limpieza posteriores y est presente normalmente en los gases limpios a 2 mg/m3 o

menos.

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Haluros de hidrgeno:

Si se queman carbn y/o sustancias residuales, se producen los haluros de

hidrgeno HCl y HF que, en combinacin con la humedad, forman cidos agresivos.

Estas sustancias se lavan de los gases de combustin en gran medida, en las

instalaciones limpiadoras de gases de combustin (lavadores).

3.2.2. Las funciones principales de la admisin:

1. Filtrar el aire atmosfrico de forma que llegue limpio al motor.

2. Medir y regular la cantidad de aire que formar la mezcla explosiva.

3. Atenuar el ruido procedente del interior del motor.

4. Distribuir adecuadamente el aire entre los puertos de admisin del motor.

Filtros o Elementos filtrantes estn diseados para extraer contaminantes del aire que

entra al sistema de admisin. ste es el componente ms fiable del sistema de

filtracin de admisin. El elemento filtrante de aire interno o secundario generalmente

calza dentro del elemento externo ms grande. El elemento interno a veces se

denomina elemento de seguridad.

3.2.3. Filtros de aire

Las cajas de filtros de aire de tipo seco son recomendados para los motores

debido a su tamao, eficiencia y largos intervalos de mantenimiento. Filtran el aire a

travs de un elemento filtrante reemplazable construido con un material de alta calidad.

Las cajas de filtros son dimensionadas de acuerdo a los requerimientos de flujo de aire

y periodos de mantenimiento deseados. El flujo de aire a mxima potencia y velocidad

nominal para cada modelo de motor se verifica en las Curvas de Desempeo del motor.

Para que el motor tenga una vida til satisfactoria, el elemento filtrante debe tener una

efectividad del 99.9 % al remover las partculas de suciedad del aire.

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Filtros del tipo hmedo tienen una efectividad del 95%. Para motores que se

encuentran a la intemperie y/o en ambientes sucios, se recomienda utilizar cajas de

filtros de dos pasos con pre-limpiadores y elementos de seguridad. Cajas de filtros con

un solo elemento, sin elementos de seguridad o pre-limpiadores pueden usarse en

motores instalados en un cuarto o en ambientes relativamente libres de polvo, como los

motores marinos y algunas plantas de generacin.

3.2.3.1 Pre-limpiadores

Un pre-limpiador incrementa la capacidad de tolerancia a ambientes adversos de

un sistema de admisin mediante la remocin de un alto porcentaje del polvo antes de

que ste entre al elemento filtrante. Un diseo comn de pre-limpiador utiliza unas

aletas o algn otro sistema para separar el polvo por centrifugacin del aire de

admisin antes de llegar al filtro primario. El polvo y contaminacin recolectado por el

pre-limpiador generalmente es expulsado de manera manual.

Algunos diseos de pre-limpiadores, ms caros, expelen automticamente el

contaminante a travs de un tubo aspirador conectado al sistema de escape.

Imagen 3.2.1 Filtro de Aire

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3.2.3.2 Filtros de seguridad

Las cajas de filtros con dos elementos, que contienen un filtro de seguridad (filtro

secundario) dentro del filtro principal (filtro primario), son recomendadas para la

mayora de las aplicaciones. El filtro de seguridad se mantiene sin cambiar durante

varios cambios de filtros y asegura que el polvo no entre al mltiple de admisin.

3.2.4 SENSORES MAP Y MAF

Estos sensores son los encargados de medir la cantidad de aire que entra al

motor, hay otros sistemas aparte pero son muy poco comunes, en cuanto al sensor

MAP lo que mide es la presin negativa (o vaco) en el mltiple de admisin, y el

sensor MAF mide la cantidad de aire que fluye por los conductos de la admisin. Estos

sensores por lo general son acompaados en su trabajo por los sensores de

temperatura de aire de admisin (IAT), lo que pasa es que la cantidad de oxigeno vara

segn la temperatura del aire, y la inyeccin se basa segn la cantidad de oxigeno

admitida por el motor, entonces teniendo la cantidad y la densidad del aire se puede

inyectar una cantidad de gasolina justa, hay correcciones a estas cantidades a inyectar

llevadas a cabo por el sensor de temperatura del refrigerante, el sensor de oxigeno y el

sensor de posicin de la mariposa de aceleracin.

Las fallas de estos sensores en el momento en que dejan de funcionar son casi las

mismas, como por ejemplo: problemas para encender el motor, humo negro saliendo

por el tubo de escape, explosiones en el tubo de escape, un motor que vibra mucho,

etc. Cuando hay una manguera rota en la zona donde estn ubicados estos sensores

los sntomas son diferentes segn el sensor, en un sistema con MAP la rotura de una

manguera causara una elevacin de la presin en el mltiple de admisin, lo que

provocara una repentina aceleracin, en cambio en un sistema con MAF provocara

fallas como si estuviera desconectado o malo, sea vibracin del motor o el motor

simplemente se apagara a los segundos de partir.

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2.2.5 Carburacin

El combustible que ha de servir para mover el vehculo se encuentra

almacenado en un tanque o depsito, en algn lugar oculto del automvil y ha de ir

cerrado con un tapn provisto de un orificio para permitir el paso del aire y de los gases

que all se puedan formar, bien sea por el continuo movimiento del vehculo o por un

calor excesivo.

El sistema de alimentacin tiene por objeto extraer el combustible del depsito y

conducirlo a los cilindros en las mejores condiciones, para que la combustin se realice

correctamente.

Este sistema depende del tipo de motor, pero tanto los motores de gas-olina como los

de gas-oil deben ir provistos de una bomba que extrae el combustible del depsito y lo

empuja hacia el resto del sistema de alimentacin: "Bomba de alimentacin".

Sistema empleado:

Se emplean distintos sistemas de entrada de carburante en el cilindro.

Para diesel: Bomba inyectora.

Para gas-olina: Carburador o inyector.

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2.2.6 Bomba de alimentacin

El tipo ms empleado es el de membrana (figura 1), cuyo funcionamiento es el

siguiente:

Una excntrica del rbol de levas acciona la palanca nmero 1, que mueve la

membrana nmero 2, aspirando combustible por efecto de las vlvulas 3 y 4, que son

de efecto contrario.

Cuando la leva no acciona la palanca, sta vuelve a su sitio por el resorte nmero 5,

impulsando la membrana y con ella el carburante que sale hacia los cilindros por el

nmero 4.

La membrana est constituida por un tejido de caucho sinttico o de plstico. Si la

membrana se rompe o se estropea producir fallos en el sistema de alimentacin, lo

que impedir que el combustible llegue normalmente a los cilindros.

Imagen 3.2.2 Bomba de Alimentacin

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Dicha membrana es accionada por un sistema mecnico, pero existe igualmente un

sistema elctrico para hacerla mover y aspirar.

Suele haber colocados, entre estos sistemas, varios filtros que purifican el combustible

de las impurezas que le acompaan.

2.2.7 El carburador

Es el elemento que va a preparar la mezcla de gasolina y aire en una proporcin

adecuada (10.000 litros de aire por uno de gasolina) que entrar en los cilindros.

Una de las propiedades que ha de tener este elemento, es la de proporcionar una

cantidad de mezcla en cada momento, de acuerdo con las necesidades del motor. Esto

es, cuando el vehculo necesita ms potencia, el carburador debe aportar la cantidad

de mezcla suficiente para poder desarrollar esa potencia.

Cuando la proporcin de gasolina es mayor a la citada anteriormente, decimos que la

mezcla es "rica" y por el contrario, cuando baja la proporcin de gasolina, la mezcla es

"pobre".

2.2.8 Full inyeccin

Esto en trminos llanos significa que cuando las molculas de combustible

pasan a travs del campo magntico, son fracturadas y optimizadas para mejorar el

funcionamiento del motor. Este sistema, se encarga de llevar el combustible desde el

tanque hasta los cilindros donde es inyectada. El Fuel Injection realiza la misma funcin

que hace unos aos lo hacan la bomba de gasolina y el carburador.

El sistema de inyeccin electrnica utilizado actualmente en los motores de los

automviles es mucho mejor que el antiguo sistema que utilizaba carburadores.

Este sistema introduce combustible atomizado directamente al motor, eliminando

los problemas de encendido en fro que tenan los motores con carburador. La

inyeccin electrnica de combustible tambin se integra con mayor facilidad a los

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sistemas de control computarizado que un carburador mecnico.

La inyeccin de combustible multipunto (donde cada cilindro tiene su propio

inyector) entrega una mezcla de aire y gasolina mejor distribuida a cada uno de los

cilindros, lo cual mejorar la potencia y desempeo.

La inyeccin de combustible secuencial (donde la abertura de cada inyector es

controlada de manera independiente por la computadora y de acuerdo a la

secuencia de encendido del motor) mejora la potencia y reduce emisiones a la

atmsfera.

Por todo esto, podemos concluir que existen razones muy fuertes para utilizar

inyeccin de combustible.

2.2.8.1 Tipos de Inyeccin de Combustible.

Los primeros sistemas de inyeccin de combustible fueron sistemas mecnicos y ms

complejos que los carburadores. Por lo tanto, eran muy caros y se usaron muy poco.

Chevrolet lanz un sistema de inyeccin de combustible mecnico Rochester en

1957, el cual fue utilizado en Corvettes hasta 1967.

Los europeos fueron los verdaderos lderes en tecnologa de inyeccin de

combustible. Bosch ya contaba con un sistema de inyeccin electrnica en algunos

modelos Volkswagen a finales de los 60s y principios de los 70s. A principios de los

80s, casi todos los fabricantes de automviles europeos utilizaban algn tipo de

sistema de inyeccin multipunto Bosch.

A mediados de los 80s, los fabricantes de automviles americanos comenzaron la

transicin a sistemas de inyeccin utilizando inyeccin al cuerpo de aceleracin

(Throttle body injection, TBI).

2.2.8.2 Sistema de inyeccin al cuerpo de aceleracin (TBI)

La inyeccin al cuerpo de aceleracin (TBI) es muy similar a un carburador pero sin

tanta complejidad. TBI no depende de los vacos del motor o venturis para la cantidad

de combustible a entregar. El combustible es inyectado directamente al mltiple de

25

admisin en lugar de ser jalado por la generacin de vaco como en un carburador.

Un sistema de inyeccin TBI est compuesto por un cuerpo de aceleracin, uno o dos

inyectores y un regulador de presin. La presin de combustible es generada por una

bomba elctrica. Es un sistema relativamente sencillo y no causa muchos problemas,

pero no tiene las ventajas que tiene un sistema multipunto o secuencial.

2.2.8.3 Sistema de inyeccin multipunto (MPFI)

El siguiente paso despus de TBI fue el de inyeccin multipunto (MPFI). Los motores

con inyeccin multipunto cuentan con un inyector independiente para cada cilindro

montados en el mltiple de admisin o en la cabeza, encima de los puertos de

admisin. Por lo tanto un motor 4 cilindros tendr 4 inyectores, un V6 tendr 6

inyectores y un V8 ocho inyectores.

Los sistemas MPFI son ms caros debido a la cantidad de inyectores pero el tener

inyectores independientes para cada cilindro representa una diferencia considerable

en desempeo. El mismo motor con sistema MPFI producir de 10 a 40 caballos de

fuerza (HP) ms que con el sistema TBI debido a su mejor distribucin de

combustible entre cilindros.

26

3.3 SISTEMAS DE EXPULSIN DE GASES

Primeramente se recordara la teora de un ciclo Otto ideal, ya que lo utilizaremos

como base para explicar el sistema de expulsin en una cmara de combustin de un

motor de cuatro tiempos.

3.3.1 Motor Otto

El ciclo Otto es el ciclo termodinmico que se aplica en los motores de combustin

interna de encendido provocado. Se caracteriza porque en una primera aproximacin

terica, todo el calor se aporta a volumen constante. Transforma la energa qumica en

mecnica, utilizando la expansin de los gases que hacen mover al cilindro para mover

un mecanismo biela-cigeal y transmitirlo para lograr un movimiento.

3.3.1.1 Ciclos de trabajo

o Admisin

o Compresin

o Explosin

o Escape

Funcionamiento del motor de combustin interna de cuatro tiempos

Admisin:

Al inicio de este tiempo el pistn se encuentra en el PMS (Punto Muerto Superior). En

este momento la vlvula de admisin se encuentra abierta y el pistn, en su carrera o

movimiento hacia abajo va creando un vaco dentro de la cmara de combustin a

medida que alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior), ya sea ayudado por el motor de

arranque cuando ponemos en marcha el motor, o debido al propio movimiento que por

inercia le proporciona el volante una vez que ya se encuentra funcionando. El vaco

que crea el pistn en este tiempo, provoca que la mezcla aire-combustible que enva el

carburador al mltiple de admisin penetre en la cmara de combustin del cilindro a

travs de la vlvula de admisin abierta.

Compresin:

27

Una vez que el pistn alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior), el rbol de leva, que gira

sincrnicamente con el cigeal y que ha mantenido abierta hasta este momento la

vlvula de admisin para permitir que la mezcla aire-combustible penetre en el cilindro,

la cierra. En ese preciso momento el pistn comienza a subir comprimiendo la mezcla

de aire y gasolina que se encuentra dentro del cilindro.

Explosin:

Una vez que el cilindro alcanza el PMS (Punto Muerto Superior) y la mezcla aire-

combustible ha alcanzado el mximo de compresin, salta una chispa elctrica en el

electrodo de la buja, que inflama dicha mezcla y hace que explote. La fuerza de la

explosin obliga al pistn a bajar bruscamente y ese movimiento rectilneo se transmite

por medio de la biela al cigeal, donde se convierte en movimiento giratorio y trabajo

til.

Escape:

El proceso de escape de los gases se puede dividir en dos partes.

1. En el PMI del pistn, los gases se encuentran todava a una presin mayor que

la del ambiente. En este momento se abre la vlvula de escape y los gases, por

esta diferencia de presiones, salen rpidamente de la cmara de combustin al

exterior por el tubo de escape. (A. Velazquez Lopez, 2014).

Imagen 3.3.1 Se puede observar que la vlvula de escape est abierta y

el pistn est subiendo, de esta forma expulsara por la vlvula los gases

creados dentro de esa cmara de combustin

28

2. Una vez que la presin de los gases dentro de la cmara se ha igualado con la

del ambiente, el movimiento ascendente del pistn termina sacando los gases

residuales que estaban en el interior. (A. Velazquez Lopez, 2014)

Imagen 3.3.2 En esta imagen al igual que la anterior, la vlvula de escape se

encuentra abierta y se observa que el pistn ya est llegando al PMS por la

vlvula los gases creados dentro de esa cmara de combustin

29

Los procesos anteriores se muestran en la siguiente grafica:

Para el sistema de expulsin, se analizara en la siguiente grafica el punto DA y EA ya

que en esa parte del grafico ocurre el ltimo proceso que es el de escape.

Despus se describe la clasificacin del motor de combustible gasolina y de diesel y los

sistemas que los constituyen.

3.3.1.2 Clasificacin del Motor

o El tipo de mezcla: Aire-Combustible; 14.7 a 1.

o Por el encendido: Por chispa elctrica

o Por el modo de trabajo: 2 vueltas del cigeal y 4 carreras del

pistn= 1 Ciclo.

o Por el tipo de refrigeracin: Agua y Aire

Imagen 3.3.3 Se muestra un diagrama P-V, observar que el proceso de

escape se realiza de D-A y E-A pistn ya est llegando al PMS por la

vlvula los gases creados dentro de esa cmara de combustin

30

o Por la disposicin de los cilindros: lnea, V, Opuestos.

o Ciclos de trabajo: Admisin; Compresin; Explosin; Escape.

3.3.2 Sistemas que constituyen un motor

o Sistema de distribucin:

Es un conjunto de piezas que regulan la entrada y salida de los

gases en el cilindro.

o Sistema de lubricacin:

La funcin principal de este es la de reducir el rozamiento entre las

piezas del motor gracias a la aplicacin de un aceite lubricante.

o Sistema de alimentacin:

Es el encargado de suministrar la cantidad de combustible

requerida por el motor de acuerdo a las exigencias del mismo.

o Sistema de enfriamiento:

Es el encargado de evacuar el calor que se produce en el motor

evitando as que el motor se sobre

caliente.

o Sistema de Encendido:

Es el encargado de dar los primeros movimientos al motor con

ayuda de un motor elctrico.

3.3.3 Motor Diesel

Un motor diesel es un motor en el cual el encendido se produce por una alta

temperatura que posibilita la compresin del aire al interior del cilindro de este.

El tipo de mezcla: Aire pre calentado y diesel gasoil.

Por el encendido: Autoencendido

Por el modo de trabajo: 2 vueltas del cigeal y 4 carreras del pistn= 1

Ciclo.

Por el tipo de refrigeracin: Agua y Aire

31

Por la disposicin de los cilindros: lnea, V, pero estos motores son de 6

a 12 cilindros.

3.3.3.1 Procesos de trabajo Motor Diesel

1. Aspiracin: Aire puro entra en el cilindro por el movimiento descendente del

pistn.

2. Compresin: El pistn comprime el aire muy fuerte y ste alcanza una

temperatura muy elevada.

3. Carrera de trabajo: Se inyecta el gasoil, y ste se enciende inmediatamente por

causa de la alta temperatura

4. Carrera de escape: El pistn empuja los gases de combustin hacia el tubo de

escape

Los motores de dos tiempos, son motores de pistn, a diferencia del de cuatro tiempos;

las cuatro etapas del ciclo de trabajo se realizan en solo una vuelta del cigeal.

Estos motores pueden ser tanto Diesel como de gasolina, siendo este ltimo el ms

comn.

3.3.4 Sistema de Escape

El sistema de escape es una de las partes esenciales de un motor en la que se

debera prestar atencin. El mencionado sistema desempea dos funciones vitales:

1. elimina los peligrosos gases de la combustin producida dentro de la cmara de

combustin

2. reduce el ruido de los gases de escape

El sistema de gases de escape es eventualmente considerado un dispositivo de

seguridad porque transporta el monxido de carbono hacia extremo justo detrs del

compartimiento de pasajeros para liberarse al aire libre. Entre los peligros de los gases

de combustin est la posibilidad indeseable de su acumulacin en el interior del

habitculo, lo que produce dolores de cabeza, nuseas y tambin irritabilidad en los

ocupantes, cosa que puede producir el desmayo o incluso la muerte....

32

La restriccin en los conductos de escape o en el silenciador motivado posiblemente

por la carbonilla, pueden ser causantes directos de una prdida de potencia para el

motor y fallos del encendido. Para que el motor a explosin funcione ms

eficientemente es necesario alejar los gases residuales del proceso de combustin,

entre otras cosas por el calor que se produce en su expulsin as como su alto

contenido en agentes carbonizantes.

A la salida de los cilindros se conforma un recorrido diseado para conducir el producto

del quemado del material combustible en las cmaras del motor. Ese recorrido es

determinado por los colectores de escape. Parten de la cabeza de los cilindros y

cuentan con entradas para que pase el aire que sale de la cmara de combustin,

estn diseados con suaves curvas y tienen ngulos precisos que mejoran el flujo de

los gases.

3.3.4.1 Componentes del Sistema de Escape

Colector

El llamado "Header"(colector) es una tubera especial que est conformada por tubos

separados de dimetro igual y del mismo largo. La funcin del colector es facilitar el

paso de los gases de la combustin para que se encuentren al final, de tal modo que se

crea un impulso ms fuerte y presin muy elevada que expulsa con ms velocidad los

gases hacia el exterior. Esto es, que se crea una corriente de flujo de gases continua

por el movimiento generado por las curvas del escape y el movimiento de los gases en

su interior.

Imagen 3.3.4 Conector

33

Las prdidas de potencia debidas a la poca eficiencia de la mayora de los colectores y

sistemas de escape de origen son muy habituales. Por ello, un colector de escape

diseado correctamente, es fundamental a la hora de mejorar un motor. (Karasu-

motorsport, 2009)

Es un diseo que permite una optimizacin del funcionamiento del motor cuando

trabaja en altas revoluciones. Son muy importantes las juntas de colectores porque

permiten un rango de flexibilidad entre el colector de escape mismo y las cmaras,

evitando una ruptura en el momento de la aceleracin. Las ms comunes de encontrar

son las juntas planas, tambin hay cilndricas porque pueden tolerar otros niveles de

presin.

1. Todas las bocas de unin a los cilindros estn montadas en una pieza comn, lo

que le permite a travs de pernos acoplarse de manera segura y apretada al

motor.

2. Todos los codos de los tubos son de curvatura alargada para facilitar el flujo de

las ondas de presin sin rebote.

3. Los tubos convergen dos a dos en una "Y" hasta terminar en el tubo final de

salida.

4. Los dimetros de los tubos crecen a medida que se acoplan ms de ellos, la

segunda seccin despus de la primera "Y" es de dimetro ms grande que los

tubos que entran a la "Y", lo mismo sucede en la segunda convergencia. Esto se

debe a que ms de un cilindro puede estar aportando volumen de flujo al

conducto y por tanto se necesita ms dimetro para reducir las prdidas por

rozamiento.

5. Finalmente termina en un platillo con orificios para pernos a fin de acoplarse al

tubo de escape. (Sistema de escape del atumovil, n.d.)

34

Convertidor cataltico o catalizador

Para prevenir la contaminacin del ambiente se ha desarrollado el convertidor

cataltico. Es un dispositivo que se instala en la tubera, entre el colector y el

silenciador. Consiste de un espacio aislado que contiene grnulos aglutinantes, a

travs de los cuales pasan los gases para ser filtrados. Los hidrocarburos y el

monxido de carbono antes de ser expulsados por el escape, son convertidos en

dixido de carbono y vapor de agua por un proceso qumico.

Desde finales de los aos noventa, un nmero creciente de pases ha hecho obligatorio

el catalizador para los nuevos vehculos gasolina y disel.

Imagen 3.3.5 Catalizador

35

Silenciador

En el momento de la combustin del motor, los gases alcanzan una presin muy

elevada, los cuales al salir pueden generar un ruido de igual magnitud si no son

sometidos a una modificacin o reduccin de presin.

Es por ello que existe el silenciador, cuya misin principal es la de disminuir el ruido de

los gases al salir del motor, interactuando con las diferentes vlvulas de escape.

Cuando stas se abren, se realiza una descarga en alta presin de gases quemados

hacia la tubera intermedia del escape, donde stos se expanden y disminuye

progresivamente su presin.

Este aumento de volumen generar ondas de sonido con un menor tiempo de retencin

que los gases de escape, las cuales interactan directamente con el silenciador,

minimizando los ruidos que producen.

El silenciador entonces, convierte esta energa de la onda de sonido en calor,

hacindola pasar por diversas cmaras con reflectores y tubos en forma de laberintos

perforados con diferentes tamaos.

Imagen 3.3.6 Silenciador

36

A pesar de que el silenciador logra reducir el ruido, al disipar su energa, se demora la

salida rpida de los gases de escape hacia al exterior, lo cual como hemos visto

anteriormente, limita considerablemente las prestaciones del vehculo. (Taller Virtual,

2009)

Cola

Durante su trayectoria a lo largo de todo el laberinto anterior en el tubo de escape, los

gases se han enfriado, este enfriamiento, en ciertos casos de funcionamiento a poca

potencia, permite que los gases puedan llegar a una temperatura menor de 100C

dentro del tubo de escape.

Imagen 3.3.7 Silenciador

Imagen 3.3.8 Cola

37

El tubo de cola es el elemento visible del tubo de escape, por estas dos razones esta

parte final se construye de materiales vistosos y resistentes a la corrosin.

Habitualmente los motores tienen una salida de escape por cilindro. Si hay varios

cilindros, los tubos resultantes de los distintos cilindros pueden juntarse o no.

Generalmente, se tiene inters en agrupar los escapes de varios cilindros en nico por

distintas razones:

Menor sonoridad.

Mejor rendimiento del motor (este tem y el precedente estn vinculados al

hecho de que el tiempo de escape slo representa alrededor de un cuarto del

tiempo total para un cilindro, y que la evacuacin del gas de escape se intercala

de una manera armoniosa cuando se conectan varios escapes).

Coste.

Peso.

Estorbo.

A pesar de las ventajas de los escapes agrupados, los servicios de comercializacin a

menudo han impuesto escapes mltiples cuando son visibles, como en las motos. En

algunos casos, un motor puede tener varios escapes por cilindro, aunque la mayora de

las veces la justificacin es solamente esttica

Los motores con turbo tienen generalmente todos sus escapes agrupados en uno con

el fin de tener que utilizar nico turbo. Los modelos de gama alta con gran nmero de

cilindros pueden tener varios escapes independientes con tantos turbos como sea

necesario.

Adems, hay otra posibilidad que es la de eliminar todo desde los colectores y dejar

una lnea recta pero, contrariamente a lo que se piensa, en la casi absoluta mayora de

los casos, la perdida de potencia ser sustancial y notable precisamente por el

empeoramiento del flujo de gases del que antes hablbamos.

38

3.3.5 Componente de los gases de escape

El aire est compuesto bsicamente por dos gases: nitrgeno (N2) y oxgeno (02). En

un volumen determinado de aire se encuentra una proporcin de nitrgeno (N2) del 79

% mientras que el contenido de oxgeno es aproximadamente de un 21 %.

El nitrgeno durante la combustin, en principio, no se combina con nada y tal como

entra en el cilindro es expulsado al exterior sin modificacin alguna, excepto en

pequeas cantidades, para formar xidos de nitrgeno (NOx). El oxgeno es el

elemento indispensable para producir la combustin de la mezcla.

Cuando se habla de la composicin de los gases de escape de un vehculo se utilizan

siempre los mismos trminos: monxido de carbono, xido ntrico, partculas de holln

hidrocarburos. Decir que estas sustancias representan una fraccin muy pequea del

total de los gases de escape.

Imagen 3.3.9 Componentes de los gases de escape

39

3.4 SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO

Refrigerar suele ser sinnimo de enfriar, pero aqu se har una clara distincin

entre ambas ideas, reservando la de refrigeracin para cuando el enfriamiento ocurre a

temperaturas por debajo de la atmosfrica (en ambos casos se trata de extraer calor

del sistema, pero la refrigeracin as entendida requiere el aporte de exerga del

exterior, mientras que el enfriamiento podra conseguirse simplemente dejando el

sistema caliente en contacto con la atmsfera (aunque muchas veces tambin se

aporte exerga del exterior para acelerar este enfriamiento).

La refrigeracin por expansin de aire se desarroll tambin en el siglo XIX. Ya en

1828 Trevithick describi una mquina de expansin de aire comprimido, previamente

enfriado al ambiente, en un pistn, y Gorrie en 1844 en Florida construy mquinas

segun este principio, correspondiente al ciclo Brayton. En 1857, Siemens sugiri utilizar

una simple expansin isentlpica (sin realizacin de trabajo) que, aunque diese lugar a

una pequea disminucin de temperatura (=2,5 K por MPa) podra multiplicarse con

numerosos pasos en un cambiador de calor a contracorriente. Aunque en 1862 Kirk

produjo una mquina refrigerante basada en un ciclo Stirling, que es

termodinmicamente superior al ciclo Brayton (ver Fig. 17.1), slo en nuestros das se

ha vuelto a considerar este tipo de ciclos, sobre todo para la refrigeracin criognica.

En 1880 se consigui por primera vez transportar carne congelada desde Australia

hasta Inglaterra (en el barco Strathleven) usando una mquina de aire con mbolos

acoplados a la mquina de vapor del buque. (Jaramillo, 2007)

Durante las ltimas dcadas, la refrigeracin se ha extendido a casi toda la

industria alimentaria, al acondicionamiento de habitculos (aviones, barcos,

automviles, vehculos agrcolas) y otros materiales, y a muchas aplicaciones

criognicas (el nitrgeno lquido es uno de los consumibles corrientes en laboratorios

industriales, hospitales y centros de investigacin).

40

Los dispositivos que producen refrigeracin se llaman refrigeradores, y los ciclos en los

que operan se denominan ciclos de refrigeracin. El ciclo de refrigeracin que se utiliza

con ms frecuencia es por compresin de vapor, donde el refrigerante se evapora y se

condensa alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. (Jaramillo,

2007)

3.4.1 Funcionamiento en un motor

El sistema de enfriamiento es un sistema constituido de partes y refrigerante

que trabajan juntos para controlar la temperatura de operacin del motor y

obtener un ptimo desempeo.

El sistema tiene conductos dentro del monoblock y cabezas del motor, una

bomba de agua y la banda que la impulsa para que circule el refrigerante, un

termostato para controlar la temperatura del refrigerante, un radiador para enfriar

el refrigerante, un tapn de radiador para mantener la presin en el sistema y

mangueras para conducir el refrigerante del motor al radiador.

El refrigerante soporta temperaturas extremas de calor y fro, contiene

inhibidores de corrosin y lubricantes para mantener el sistema trabajando en

ptimas condiciones.

El refrigerante inicia su circulacin en la bomba de agua. El impulsor de la

bomba de agua utiliza la fuerza centrfuga para hacer circular refrigerante del

radiador e impulsarlo al monoblock del motor. Las bombas usualmente son

impulsadas por la banda de tiempo o cadena de tiempo.

Mientras que el refrigerante fluye por el sistema, absorbe el calor del motor antes

de llegar al termostato.

Mientras que la temperatura de refrigerante se incrementa, tambin se

incrementa la presin en el sistema de enfriamiento.

Por cada libra por pulgada cuadrada que se incrementa la presin en el sistema

refrigerante, el punto de ebullicin incrementa 3F. Si la presin incrementa por

arriba de un punto especfico, una vlvula con un resorte comprimido abrir y

liberar la presin. (meganeboy, 2014)

41

3.4.2 Enfriamiento en un motor

Por agua:

Este sistema consiste en un circuito de agua, en contacto directo con las

paredes de las camisas y cmaras de combustin del motor, que absorbe el

calor radiado y lo transporta a un depsito refrigerante donde el lquido se enfra

y vuelve al circuito para cumplir nuevamente su misin refrigerante donde el

lquido se enfra y vuelve al circuito para cumplir su misin refrigerante. El

circuito se establece por el interior del bloque y culata, para lo cual estas piezas

se fabrican huecas, de forma que el lquido refrigerante circunde las camisas y

cmaras de combustin circulando alrededor de ellas.

La circulacin del agua por el circuito de refrigeracin puede realizarse por

"termosifn" (apenas se ha utilizado) o con circulacin forzada por bomba

centrfuga.

Por aire:

Este sistema consiste en evacuar directamente el calor del motor a la atmsfera

a travs del aire que lo rodea. Para mejorar la conductibilidad trmica o la manera en

que el motor transmite el calor a la atmsfera, estos motores se fabrican de aleacin

ligera y disponen sobre la carcasa exterior de unas aletas que permiten aumentar la

superficie radiante de calor. La longitud de estas aletas es proporcional a la temperatura

alcanzada en las diferentes zonas del cilindro, siendo, por tanto, de mayor longitud las

que estn ms prximas a la cmara de combustin.

Por aire-aceite:

La refrigeracin por aire-aceite es un complemente de la refrigeracin por

aire que aprovecha el aceite lubricante como medio de refrigeracin para las

partes internas del motor. Funciona de la siguiente forma: el aceite recoge calor

interno del motor (tanto de la culata como del bloque inferior) y mediante una

bomba interna se le impulsa fuera del mismo a travs de unos manguitos para

que se refrigere en el radiador. La contra de este sistema es que su eficacia

42

depende del movimiento de la moto, impidiendo que se pueda regular la

temperatura interna del motor.

Por otra parte el sistema de refrigeracin lquida es el ms eficaz y fiable. Su

gran punto a favor es que permite regular a voluntad la temperatura del motor

otorgndole mayor longevidad, rendimiento y fiabilidad. Este tipo de refrigeracin

utiliza un lquido (agua con anticongelante) que, impulsado por una bomba, fluye

a travs de unos conductos internos que rodean al cilindro y culata, recogiendo

el calor generado para conducirlo por manguitos hasta el radiador donde se

enfra para volver a iniciar el ciclo. La regulacin de la temperatura en este caso

se realiza mediante un termostato y un electroventilador que fuerza el paso de

aire. (meganeboy, 2014)

3.4.3 Tipos de sistemas de enfriamiento

3.4.3.1 El ciclo invertido de carnot

Puesto que es un ciclo reversible, los cuatro procesos que comprende el ciclo de

Carnot pueden invertirse. Al hacerlo tambin se invertirn las direcciones de cualquier

interaccin de calor y de trabajo. El resultado es un ciclo que opera en direccin

contraria a las manecillas del reloj en el diagrama T-s, que se llama el ciclo invertido

de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que opera en el ciclo invertido de Carnot

es definido como un refrigerador de Carnot o una bomba de calor de Carnot.

(cengel & Boles, 2009)

43

3.4.4 Sistemas de refrigeracin

3.4.4.1 Por compresin de vapor

Al sustituir la turbina con un dispositivo de estrangulamiento, tal como una

vlvula de expansin o un tubo capilar. El ciclo que resulta se denomina ciclo ideal de

refrigeracin por compresin de vapor, y se muestra de manera esquemtica y en

un diagrama T-s. El ciclo de refrigeracin por compresin de vapor es el que ms se

utiliza en refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor. Se

compone de cuatro procesos:

1-2 Compresin isentrpica en un compresor

2-3 Rechazo de calor a presin constante en un condensador

3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansin

4-1 Absorcin de calor a presin constante en un evaporador.

Imagen 3.4.1 Ciclo invertido de Carnot

44

En el ciclo ideal, el refrigerante sale del evaporador y entra al compresor como

vapor saturado. Sin embargo, en la prctica, no es posible controlar el estado del

refrigerante con tanta precisin. En lugar de eso, es fcil disear el sistema de modo

que el refrigerante se sobrecaliente ligeramente en la entrada del compresor. Este

ligero sobrecalentamiento asegura que el refrigerante se evapore por completo cuando

entra al compresor.

El coste energtico mnimo para evacuar calor desde T2 a T1>T2 ser el

correspondiente a un proceso que no aumente la entropa del universo. Si el fluido de

trabajo evoluciona cclicamente, no vara su entropa en un ciclo, se tendr

(tngase en cuenta el criterio clsico de signos), y como por

el balance energtico ser W=Ql-Q2, se deduce que la mxima eficiencia energtica

ser: lo que interesa es la accin frigorfica y

lo que interesa es la accin como bomba.

La capacidad de refrigeracin de una mquina se mide en unidades de calor

evacuado (en vatios), aunque vulgarmente se sigue utilizando la frigora/hora y la

tonelada.

Los elementos que componen un frigorfico de compresin de vapor son cuatro: el

compresor, el Condensador, la vlvula de expansin (y dispositivo de control

asociados) y el evaporador.

Los compresores son mquinas que elevan la presin de un fluido. Aunque siempre se

pueden considerar como sistemas termodinmicos de volumen de control con una

entrada de fluido a baja presin y una salida de fluido a alta presin, internamente

pueden funcionar como sistemas termodinmicos de masa de control.

3.4.4.2 Sistemas de refrigeracin en cascada

Algunas aplicaciones industriales requieren temperaturas moderadamente bajas,

y el intervalo de temperatura que involucran es demasiado grande para que un ciclo

45

simple de refrigeracin por compresin de vapor resulte prctico. Un gran intervalo de

temperatura significa tambin un gran nivel de presin en el ciclo y un pobre

desempeo en un compresor reciprocarte. Una manera de enfrentar esas situaciones

consiste en efectuar el proceso de refrigeracin por etapas, es decir, tener dos o ms

ciclos de refrigeracin que operan en serie. Tales procesos se denominan ciclos de

refrigeracin en cascada.

Un ciclo de refrigeracin en cascada de dos etapas se muestra en la imagen 2.

Los dos ciclos se conectan por medio de un intercambiador de calor en medio, el

cual sirve como el evaporador para el ciclo superior (ciclo A) y como el condensador en

el ciclo inferior (ciclo B). Suponiendo que el intercambiador de calor est bien aislado y

que las energas cintica y potencial son despreciables, la transferencia de calor del

fluido en el ciclo inferior debe ser igual a la transferencia de calor del fluido en el ciclo

superior. De modo que la relacin de los flujos msicos en cada ciclo debe ser

Imagen 3.4.2 Ciclo refrigeracin en cascada

46

EC(3.4-1)

Adems,

EC(3.4-2)

3.4.4.3 Sistemas de refrigeracin por compresin de mltiples etapas

Cuando el fluido utilizado por todo el sistema de refrigeracin en cascada es el

mismo, el intercambiador de calor entre las etapas puede sustituirse por una cmara de

mezclado (llamada cmara de vaporizacin instantnea), puesto que tiene mejores

caractersticas de transferencia de calor. A dichos sistemas se les denomina sistemas

de refrigeracin por compresin de mltiples etapas. (cengel & Boles, 2009)

3.4.4.4 Sistemas de refrigeracin por absorcin

Otra forma de refrigeracin que tiene un atractivo econmico cuando se tiene

una fuente de energa trmica barata a una temperatura de 100 a 200C, es la

refrigeracin por absorcin. Algunos ejemplos de fuentes de energa trmica barata

incluyen la energa geotrmica, la solar, el calor residual de centrales de cogeneracin

o de vapor de proceso, e incluso el gas natural cuando est disponible a un precio

relativamente bajo.

Como su nombre lo indica, los sistemas de refrigeracin por absorcin implican la

absorcin de un refrigerante por un medio de transporte. El sistema de refrigeracin por

absorcin ms utilizado es el sistema de amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH3)

sirve como el refrigerante y el agua (H2O) es el medio de transporte. Otros sistemas de

refrigeracin por absorcin son los de agua-bromuro de litio y el de agua-cloruro de

litio, en los que el agua sirve como refrigerante.

Los ltimos dos sistemas estn limitados a aplicaciones como el acondicionamiento de

aire, en las que la temperatura mnima queda por arriba del punto de congelacin del

agua (cengel & Boles, 2009).

47

3.4.5 Ciclos de refrigeracin de gas

En esta seccin, se analiza el ciclo invertido Brayton, mejor conocido como el

ciclo de refrigeracin de gas.

Considere el ciclo de refrigeracin los alrededores estn a T0 y el espacio refrigerado

se va a mantener a TL. El gas se comprime durante el proceso 1-2. El gas a presin y

temperatura altas en el estado 2 se enfra despus a presin constante hasta T0 al

rechazar calor hacia los alrededores. Esto es seguido por un proceso de expansin en

una turbina, durante el cual la temperatura del gas disminuye hasta T4. Por ltimo, el

gas fro absorbe calor del espacio refrigerado hasta que su temperatura se eleva hasta

T1. (cengel & Boles, 2009)

48

Bibliografa

Karasu-motorsport. (2009, Junio 27). Karasu. Retrieved from

http://karasusport.blogspot.com/2009/06/sistemas-de-expulsion-de-gases.html

Sistema de escape del atumovil. (n.d.). Retrieved from Sabelotodo.org:

http://www.sabelotodo.org/automovil/sisescape.html

Taller Virtual. (2009, Enero 13). Funcionamiento de los silenciadores. Retrieved

from Actualudad Motor: http://www.actualidadmotor.com/funcionamiento-de-los-

silenciadores/

miguel antonio palencia perez. (2011). Que es full inyeccin. 7 de abril del 2011,

de Mecanica Full Sitio web: http://jackharleng.blogspot.com/2011/04/que-es-full-

inyeccion.html http://jackharleng.blogspot.com/2011/04/que-es-full-inyeccion.html

(2013, 03). Sistema De Admision Automotriz. ClubEnsayos.com. Recuperado

03, 2013, de https://www.clubensayos.com/Temas-Variados/Sistema-De-

Admision-Automotriz/628956.html

Ricardo Castro A.. (2012). Map v/s Maf, funcionamiento y diferencias. 08 de

agosto del 2012, de EnAuto Sitio web: HYPERLINK "http://www.enauto.cl/map-

vs-maf-funcionamiento-diferencias/" http://www.enauto.cl/map-vs-maf-

funcionamiento-diferencias/

Testo Argentina S.A.. (2010). Gases de combustin. Sitio web: HYPERLINK

"http://www.academiatesto.com.ar/cms/gases-de-combustion-1" \t "_blank"

http://www.academiatesto.com.ar/cms/gases-de-combustion-1

Gonzlez A.. (2008). La combustin y el oxigeno. De Prensa Cientfica, S.A. Sitio

web: HYPERLINK "http://www.investigacionyciencia.es/blogs/fisica-y-

quimica/10/posts/la-combustin-y-el-oxigeno-10170" \t "_blank"

http://www.investigacionyciencia.es/blogs/fisica-y-quimica/10/posts/la-combustin-

y-el-oxigeno-10170

Luis Torres . (2007). El sistema de inyeccin automotriz, alternativa al

carburador. 08/11/2015, de QuimiNet Sitio web: HYPERLINK

"http://www.quiminet.com/articulos/el-sistema-de-inyeccion-automotriz-

49

alternativa-al-carburador-18818.htm" http://www.quiminet.com/articulos/el-

sistema-de-inyeccion-automotriz-alternativa-al-carburador-18818.htm

Daniel Megan. (2014). Sistema de inyeccion Ke-Jetronic. 08/11/2015, de

Aficionados a la mecnica Sitio web: HYPERLINK

"http://www.aficionadosalamecanica.net/inyeccion-ke-jetronic.htm"

http://www.aficionadosalamecanica.net/inyeccion-ke-jetronic.htm

Manuel Libreros Romero. (2014). Sistemas auxiliares automotrices en los

motores de combustin interna. En Mecnica (93). Veracruz: Kogyo.

BIBLIOGRAPHY cengel, y. A., & Boles, M. A. (2009). Termodinamica. Mxico,

D.F.: McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES.

Jaramillo, O. A. (2007). REFRIGERACION DE CALOR. Centro de Investigacin

en Energa.

meganeboy, D. (2014). Aficionados a la Mecnica. Recuperado el 7 de 11 de

2015, de Refrigeracin del motor:

http://www.aficionadosalamecanica.com/refrigeracion-motor.htm

Velazquez Lopez, J. R. (2014). Motores Alternativos . Madrid : gaceta .