Page 1

CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA MECÁNICA

COMO FUNCIONA EL MOTOR DIESEL Como funciona el motor diesel Después de completar este tema, usted sabrá: 1. Los elementos básicos requeridos para la combustión. 2. Cómo se transmite la energía por medio de movimientos reciprocantes y de giro. 3. Los términos comunes usados para describir los motores. 4. Las diferencias entre motores diesel y motores de gasolina. 5. Cómo operan los motores de encendido por bujía de Caterpillar.

Conceptos Básicos Piense en un motor como un reloj. Todos los componentes del reloj trabajan en sincronización para dar la hora exacta. En un motor diesel, todos los componentes trabajan juntos para convertir la energía calorífica en energía mecánica.

Combustión

El calentamiento del aire y del combustible juntos producen la combustión, lo cual crea la fuerza requerida para poner en funcionamiento el motor. El aire, que contiene oxígeno, se requiere para quemar el combustible. El combustible produce la fuerza. Cuando el combustible se pulveriza, los combustibles diesel se encienden fácilmente y se queman en forma eficaz. La combustión ocurre cuando la mezcla de combustible y aire se calienta hasta un punto que se enciende la mezcla. Esta se debe quemar rápidamente de una manera controlada para producir la energía calorífica necesaria Aire + Combustible + Calor = Combustión

1


CENTRO DE INVESTIGACIร“N Y TECNOLOGรA MECรNICA

Factores que controlan la combustiรณn Tres factores controlan la combustiรณn:

1. El volumen de aire comprimido. 2. El tipo de combustible usado. 3. La cantidad de combustible mezclada con aire.

Cรกmara de combustiรณn La cรกmara de combustiรณn la conforman: 1. 2. 3. 4. 5.

La camisa de cilindro. El pistรณn. La vรกlvula de admisiรณn. La vรกlvula de escape. La culata.

Compresiรณn Cuando se comprime el aire, se calienta. Mientras mรกs se comprima el aire, mรกs calor se obtiene. Si se comprime lo suficiente, alcanzarรก temperaturas mayores que la de encendido del combustible.

Tipo de combustible El tipo de combustible usado en los motores afecta la combustiรณn, debido a que diferentes combustibles se encienden a diferentes temperaturas, y algunos se queman mรกs completamente.

2


CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA MECÁNICA

Cantidad de combustible La cantidad de combustible es también importante, debido a que a mayor cantidad de combustible, más fuerza se produce. Cuando el combustible se inyecta en un área cerrada que contenga suficiente aire, una pequeña cantidad de combustible produce gran cantidad de calor y fuerza. A mayor cantidad de combustible = mayor fuerza.

Proceso de combustión del motor diesel En un motor diesel, el aire se comprime dentro de la cámara de combustión hasta que tiene la temperatura para encender el combustible. Entonces, el combustible se inyecta en la cámara caliente y se produce la combustión.

Proceso de combustión del motor de gasolina En un motor de gasolina, el aire comprimido no proporciona el suficiente calor para que comience la combustión. Una chispa enciende la mezcla, lo que produce la combustión.

Transmisión de energía calorífica En ambos tipos de motor, la combustión produce energía calorífica, lo que hace que los gases atrapados en la cámara de combustión se expandan, empujando el pistón hacia abajo. A medida que el pistón se mueve hacia abajo, mueve otros componentes mecánicos que hacen el trabajo.

3


CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA MECÁNICA Movimientos reciprocante y de giro

Los componentes trabajan juntos para transformar el movimiento reciprocante en movimiento de giro. Cuando ocurre la combustión, el pistón y la biela se mueven hacia arriba y hacia abajo en un movimiento llamado reciprocante. La biela hace girar el cigüeñal, el cual convierte el movimiento reciprocante en circular, llamado movimiento de giro. Así es como el motor transforma el calor de la combustión en energía útil.

Tiempo de admisión

El ciclo comienza con el tiempo de admisión. Primero, se abre la válvula de admisión. A medida que el pistón se mueve al centro muerto inferior, que es el punto más bajo del pistón, o BDC (de sus siglas en inglés), el aire entra a la cámara de combustión. El cigüeñal gira 180º, o la mitad de un giro completo. La válvula de escape permanece cerrada.

Tiempo de compresión

Durante el tiempo de compresión o segundo tiempo, la válvula de admisión se cierra y sella la cámara de combustión. A medida que el pistón se mueve hacia arriba al punto más alto del cilindro, llamado centro muerto superior o TDC (de sus siglas en inglés), el aire atrapado se comprime y se calienta. La cantidad de aire comprimido se llama relación de compresión. La mayoría de los motores diesel tienen una relación de compresión = volumen del cilindro con el pistón en el Centro Muerto Inferior/volumen del cilindro con el pistón en le Centro Muerto Superior.

Tiempo de combustión El combustible diesel se inyecta casi al final del tiempo de compresión. Esto produce la combustión e inicia el tiempo de combustión. Las válvulas de admisión y de escape permanecen cerradas y sellan la cámara de combustión. La fuerza de la combustión empuja el pistón hacia abajo, lo que hace que la biela gire el cigüeñal otros 180º. El cigüeñal ha hecho, ahora, un giro y medio desde el inicio del ciclo.

4


CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA MECÁNICA

Tiempo de escape El tiempo de escape es el final del ciclo. Durante el tiempo de escape, la válvula de escape se abre a medida que el pistón se mueve hacia arriba, lo que obliga a que los gases de la combustión salgan del cilindro. Cuando el pistón está en el Centro Muerto Superior, la válvula de escape se cierra. Se abre la válvula de admisión y el ciclo comienza de nuevo. La biela ha girado el cigüeñal otros 180º. Ciclo de cuatro tiempos

Al final del tiempo de escape se completa el proceso. Durante este tiempo el cigüeñal ha completado dos giros de 360º. Tomados juntos, el tiempo de admisión, compresión, combustión y de escape se llama un ciclo. Por esto, el nombre de “ciclo de cuatro tiempos”. En los motores Cat se usa el ciclo de cuatro tiempos, y el ciclo ocurre todo el tiempo que el motor está funcionando. La secuencia en que cada cilindro alcanza el tiempo de combustión se llama orden de encendido del motor. Cuatro carreras del pistón = dos giros completos del cigüeñal.

Motores diesel y de gasolina En esta sección, aprenderá las diferencias entre los motores diesel y los motores de gasolina.

Comparación entre motores diesel y de gasolina Al igual que en los motores diesel, en los motores de gasolina se usa la combustión, producida en el ciclo de cuatro tiempos, para crear energía y realizar el trabajo, pero hay algunas diferencias en el proceso. Veamos cuáles son esas diferencias.

5


CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA MECÁNICA

Los motores diesel no requieren bujía

Diseño de la cámara de combustión

Probablemente, la diferencia más obvia entre los motores diesel y de gasolina es que los motores diesel no necesitan una chispa (producida por una bujía) para el encendido. En cambio, el aire se comprime a una relación tan alta que se calienta en la cámara de combustión a una temperatura suficiente para encender el combustible.

El diseño de la cámara de combustión es también diferente entre los motores diesel y de gasolina. En los motores diesel hay muy poco espacio entre la culata y el pistón en el centro muerto superior, lo cual produce una relación de compresión alta. La mayoría de los pistones diesel tienen la cámara de combustión directamente encima del pistón.

Diseño de la cámara de combustión del motor de gasolina En los motores de gasolina, la cámara de combustión se construye en la culata. El espacio entre el pistón y la culata es más grande que en el motor diesel, lo cual resulta en una relación de compresión menor.

Los motores diese pueden realizar más trabajo Otra gran diferencia es la cantidad de trabajo que el motor diesel puede realizar a rpm bajas. En general, los motores diesel operan entre 800 y 2200 rpm y proporcionan más par y más potencia para realizar el trabajo.

6


CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA MECÁNICA Ciclo de cuatro tiempos

Ambos motores convierten la energía calorífica en movimiento al usar el ciclo de cuatro tiempos.

Los motores diesel son más eficientes en combustible

Los motores diesel, generalmente, tienen más eficiencia de combustible en relación con la cantidad de salida de trabajo que los motores de gasolina. Esto requiere relativamente pequeñas cantidades de combustible para producir la salida de potencia nominal del motor diesel.

Los motores diesel son más pesados Los motores diesel, generalmente, son más pesados que los de gasolina, debido a que debe resistir presiones y temperaturas de combustión más altas.

Relaciones de compresión En los motores diesel, generalmente, se usan relaciones de compresión más altas para calentar el aire a temperaturas de combustión. La mayoría de los motores diesel tienen una relación de compresión desde 13:1 hasta 20:1. Los motores de gasolina, generalmente, tienen relaciones de compresión entre 8:1 a 11:1.

7


CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA MECÁNICA Motores de gas Cat

En esta sección, aprenderá cómo funciona un motor de encendido con chispa.

Motores de encendido con chispa (bujía) Los motores de encendido con chispa funcionan con combustibles gaseosos, como propano, metano y etanol. El uso de estos combustibles y los requerimientos para las tuberías de combustible de presión baja exigen modificaciones significativas en el diseño del motor.

Motores de gas Cat

Basados en el diseño del motor diesel Cat, muchas piezas del motor de gas son las mismas, pero se han realizado modificaciones significativas en el sistema de inyección de combustible. Los sistemas de admisión, de escape, de enfriamiento y de combustible han cambiado para acomodar mezclas menos ricas de aire-combustible y se ha añadido un sistema de encendido de bujía de alto voltaje.

Desde la segunda guerra mundial, Caterpillar ha fabricado un número limitado de motores de gas. Actualmente, Caterpillar produce motores de gas para los mercados de irrigación, industrial, cogeneración y grupos electrógenos. En los últimos años, los Estados Unidos y otros países han desarrollado normas estrictas sobre emisiones para proteger y preservar el medio ambiente. El gas natural ha emergido como un combustible abundante y ambientalmente limpio. Para adaptarse a este mercado cambiante, Caterpillar ha asumido el compromiso de suministrar motores de gas para toda su línea de productos. Estos motores funcionan con combustibles tales como propano y metano.

8


CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA MECÁNICA Motores de gas Cat

En algunos motores, el pistón también tiene un nuevo diseño de copa profunda, para facilitar la combustión. En otros, está disponible un pistón plano en la parte superior. En estos motores de emisiones bajas se han añadido dispositivos sensores y de sincronización para mejorar el rendimiento del motor. Los motores de gas están disponibles actualmente en las familias 3300, 3400, 3500 y 3600. Los motores de gas actuales se usan para comprimir y transportar gas en los campos de gas natural, en las bombas de irrigación y en las plantas de cogeneración de energía.

Terminología En esta sección, aprenderá la terminología común usada para describir cómo funciona un motor y qué tan bien opera.

Categorías Los motores se describen usando muchos términos y frases. Algunos describen cómo funciona el motor mientras otros describen qué tan bien opera. Hay tres categorías principales de terminología en este tema: las leyes de la mecánica, la salida de potencia y la eficiencia del motor.

Leyes de la mecánica Los términos relativos a las leyes de la mecánica describen el movimiento de los objetos y los efectos del movimiento.

9


CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA MECÁNICA

Fricción Fricción es la resistencia al movimiento entre dos superficies en contacto. Por ejemplo, existe fricción entre el pistón y la pared del cilindro a medida que el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo. La fricción produce calor, uno de los mayores contribuyentes al desgaste y a producir daños en los componentes. Inercia Inercia es la tendencia de un objeto en reposo a permanecer en reposo o de un objeto en movimiento a permanecer en movimiento. El motor usa la fuerza para contrarrestar la inercia.

Fuerza Fuerza es la acción de empujar o tirar que inicia, detiene o cambia el movimiento de un objeto. La fuerza se crea por la combustión en el tiempo de combustión. Mientras mayor sea la fuerza producida, mayor será la potencia.

Presión Presión es una medida de la fuerza ejercida por unidad de área. Durante el ciclo de cuatro tiempos se produce una gran cantidad de presión en la parte superior del pistón en los tiempos de compresión y de combustión.

10


CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA MECÁNICA

Cómo se crea la presión

Hay tres modos de crear presión. Aumentar la temperatura, disminuir el volumen o restringir el flujo. Muchos componentes de los sistemas de combustión interna operan bajo presión o producen presiones específicas. El conocimiento y la medida de las presiones específicas del motor pueden suministrar gran cantidad de información acerca del estado general del motor.

Términos de potencia de salida La potencia del motor se describe de acuerdo con la cantidad y calidad de ciertas características.

Par Par es una fuerza de giro o de torsión. Un cigüeñal ejerce par para forzar el giro de los volantes, de los convertidores de par y otros dispositivos mecánicos.

11


CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA MECÁNICA

El par como capacidad de transporte de El par también es una medida de la carga capacidad de transporte de carga del motor. La fórmula del par es: Par (libras-pie) = (5.252 x potencia)/rpm

Reserva de par

Potencia

Reserva de par es el incremento que sucede cuando un motor se recarga más allá de las rpm nominales. Esta reserva de par ocurre hasta que se alcanzan unas rpm definidas, luego de las cuales el par cae rápidamente. El nivel de par alcanzado se llama par máximo. Leyenda: TR = Reserva de par HP + T = Potencia y par TC = Curva de par HC = Curva de potencia PT = Par máximo RT = Par nominal Potencia es la clasificación dada al motor que describe la cantidad de trabajo de salida en un periodo de tiempo. La potencia al freno es la potencia útil disponible para trabajo en el volante. La potencia al freno es menor que la potencia verdadera, debido a que se usa parte de la energía para mover los componentes del motor. La fórmula de potencia es: Potencia = rpm x par/5.252

Calor Calor es una forma de energía producida por la combustión del combustible. La energía calorífica se convierte en energía mecánica en el pistón y en otros componentes del motor, con el fin de producir la potencia disponible para el trabajo.

12


CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA MECÁNICA

Temperatura

Temperatura es la medida de la cantidad de calor o de frío relativo de un objeto. Generalmente, se mide en escalas Fahrenheit o Celsius.

Unidad Térmica Inglesa La Unidad Térmica Inglesa, o BTU, se usa para medir el valor calorífico de una cantidad específica de combustible, o la cantidad de calor transferido de un objeto a otro. Un BTU es la cantidad de calor requerido para elevar un grado Fahrenheit una libra de agua.

BTU en el combustible El BTU se usa para describir el valor calorífico del combustible. Los combustibles con clasificaciones altas de BTU producen más calor y, por tanto, más potencia. En general, el combustible diesel tiene una cantidad de BTU más alta que la gasolina.

BTU en el sistema de enfriamiento El BTU también se usa para describir qué tan bien trabaja el sistema de enfriamiento. Mientras más BTU mueva el refrigerante, más eficiente será el sistema de enfriamiento.

13


CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA MECÁNICA

Eficiencia del motor

El diseño del motor afecta el rendimiento y la eficiencia del motor.

Calibre o Perforación del cilindro La perforación o calibre es el diámetro interior del cilindro medido en pulgadas o milímetros. La perforación del cilindro determina el volumen de aire disponible para la combustión. Mientras mayor sea la perforación del cilindro, más potencia tendrá el motor.

Carrera del pistón La carrera es la distancia que recorre el pistón desde el centro muerto superior al centro muerto inferior. La longitud de la carrera se determina por el diseño del cigüeñal. Una carrera más larga permite mayor entrada de aire al cilindro, lo cual hace que pueda quemarse mayor combustible, produciéndose más potencia. Cilindrada

Cilindrada = Área de perforación del cilindro x Carrera

14


CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA MECÁNICA

Área de perforación del cilindro

Para calcular el área de la perforación del cilindro, multiplique π o 3.1416 por el radio al cuadrado

Relación de compresión

Relación de compresión = Volumen total (BDC)/ volumen de compresión (TDC)

15

C2 como funciona el motor diesel  
Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you