FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE LAS
PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE MOTORES DE
COMBUSTIÓN INTERNA DE LA UNIVERSIDAD
NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICA
1
DEDICATORIA:
A nuestros padres y hermanos por su
Invalorable
apoyo
incondicional
y
Estimulo persistente para lograr nuestras
Metas y ser profesionales de éxito.
2
INTRODUCCIÓN
Incertidumbre en el suministro y precio, dificultad para establecer un modelo de
desarrollo económicamente sostenible así como para establecer un modelo de
desarrollo medioambientalmente sostenible, son debilidades asociadas a las
economías que dependen completamente del petróleo, es el caso de la inmensa
mayoría de los países industrializados. Por tal motivo, desde los años 90 del
pasado siglo se ha producido un creciente interés en la búsqueda de fuentes de
materias primas alternativas, o encontrar la máxima eficiencia del consumo de
combustibles tradicionales derivados del petróleo.
Dada la importancia y la amplia aplicación de los motores de combustión interna
en el sector industrial, es imperativo que los estudiantes de Ingeniería Mecánica
conozcan las bases de diseño, operación y mantenimiento en las condiciones de
máxima eficiencia. Además, corresponde al futuro Ingeniero Mecánico, seleccionar
diferentes tipos de motores para diferentes tipos de aplicaciones tales como
generación de energía eléctrica, locomoción, potencia, entre otros. Por tanto, es
necesario conocer los parámetros básicos de funcionamiento con el fin de
integrarlos convenientemente en aplicaciones industriales.
El motor de combustión interna es una máquina térmica en la que los productos de
combustión del aire y un combustible generados dentro de una cámara de
combustión, se constituyen como el fluido motriz de un elemento de trabajo
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(pistón) que se encuentra conectado a un eje principal, transmisor del movimiento
y de la potencia generada a una aplicación deseada.
El uso de equipos de laboratorio nos acerca a la idea de cómo es la vida de
trabajo en la industria, muchas veces con los equipo no se tiene la perfección o la
capacidad para realizar los trabajos, es así que en la LA UNIVERSIDAD
NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICA no se cuenta con un Laboratorio de
Motores de Combustión Interna, lo que nos impulso la idea del presente trabajo.
A través del estudio de modelos prácticos, el estudiante estará en posibilidad de
analizar y estudiar el comportamiento y características de operación de los
motores de combustión interna.
El objetivo principal de la presente tesis, es conocer en la práctica el proceso de
funcionamiento de los motores de combustión interna, de esta forma los
estudiantes tendrán una visión más clara del trabajo estos equipos que son muy
comunes en la industria.
Lo aprendido teóricamente, es distante de lo que se pone en práctica, razón por la
cual es de intuir, el ingenio puesto en el presente trabajo para comprender el
comportamiento termodinámico y de los materiales los cuales se encuentran
sometidos a condiciones que comprenden este proyecto y de esta manera poder
garantizar un nivel de seguridad mayor que no ponga en riesgo el equipo y a sus
operadores.
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El uso de los equipo de laboratorio nos acerca a la idea de cómo es la vida de
trabajo en la industria, muchas veces se deja de tener experiencias al no contar
con ellos en el laboratorio, por lo que fue necesario pedir el apoyo de personas
que realizan estos trabajos profesionalmente.
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INDICE
INTRODUCCIÓN
I
ANTECEDENTES
II.
DISEÑO CONCEPTUAL
2.1
CICLOS TÉRMICOS TEÓRICOS
2.1.1
Teorema de Carnot
2.1.2
Ciclo de Otto teórico
2.1.3
Ciclo de Otto real
2.1.4
Ciclo de Diesel teórico
2.2
TIPOS BÁSICOS DE COMBUSTIBLES
2.2.1
Combustibles de motores de encendido por chispa
2.2.2
Combustibles de motores de encendido por compresión
2.2.3
Desarrollo de la combustión
2.3
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Y SU FUNCIONAMIENTO
2.3.1
Motor de cuatro carreras encendido por chispa
2.3.2
Motor de cuatro carreras encendido por compresión
2.3.3
Control de velocidad y carga en motores encendidos por chispa
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2.3.4
Control de velocidad y carga en motores encendidos por compresión
2.3.5
Motor de dos tiempos
2.3.6
Motor Wankel
2.4
PRUEBAS EN MOTORES
2.4.1
Potencia y rendimiento mecánico
2.4.2
Par torsional (dinamómetro)
2.4.3
Presión media efectiva
2.4.4
Consumo de combustible, consumo específico de combustible y
rendimiento térmico
2.4.5
Consumo de aire
2.4.6
Relaciones aire-combustible y combustible-aire
2.4.7
Rendimiento volumétrico
2.4.8
Tipos de pruebas
2.4.9
Prueba de velocidad variable en motor encendido por chispa
2.4.10
Prueba de velocidad variable en motor encendido por compresión
2.4.11
Prueba de velocidad constante
2.5
GOLPETEO EN LOS MOTORES ENCENDIDO POR CHISPA Y POR
COMPRESIÓN
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2.5.1
Autoencendido en los motores encendido por chispa y por compresión
2.5.2
El golpeteo y el motor encendido por chispa
2.5.3
El golpeteo y el motor encendido por compresión
2.6
CARBURACIÓN
2.6.1
Principios de operación del carburador
2.6.2
Partes elementales de un carburador
2.6.3
Funcionamiento de un carburador
2.6.4
Relación Aire/Combustible
2.7
INYECCIÓN
2.7.1
Sistemas de inyección en motores encendido por chispa
2.7.2
Sistemas de inyección en motores encendido por compresión
2.8
SOBREALIMENTACIÓN
III.
ESTRATEGIAS METODOLOGICAS
3.1
MECANISMO DE ANÁLISIS
3.2
INSTRUMENTOS
3.3
PROCEDIMIENTO
IV.
RESULTADOS
4.1
EQUIPO DE PRÁCTICA PROPUESTO
8
4.2
ESPACIO FÍSICO REQUERIDO
4.3
SERVICIOS AUXILIARES REQUERIDOS
4.4
PRÁCTICAS DE LABORATORIO PROPUESTAS
4.4.1.
Práctica No. 1. Repaso General.
4.4.2.
Práctica No. 2. Banco de pruebas de motores de automóvil
4.4.3.
Práctica No. 3. Encendido de motores
4.4.4
Práctica No. 4. Medición de Torque, consumo de aire y combustible,
con el acelerador a fondo variando las r.p.m.
4.4.5
Práctica No. 5. Medición del Torque del motor manteniendo las r.p.m
constantes y variando las posiciones del acelerador.
4.4.6
Práctica No. 6. Medición de Torque y r.p.m con el acelerador abierto a
fondo
4.4.7.
Práctica No. 7. Análisis de gases de escape
V.
DISCUSIÓN
5.1.
DISCUSIÓN Y ANÁLISIS DE EQUIPO PROPUESTO
5.2.
CONCLUSIONES
5.3.
RECOMENDACIONES
VI.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
9
ANEXO 1.
PRECAUCIONES DE SEGURIDAD
ANEXO 2.
COMO
REDACTAR
UN
INFORME
DE
UN
ENSAYO
DE
LABORATORIO
ANEXO 3.
TABLAS DE EQUIPO PROPUESTO
ANEXO 4.
ILUSTRACIONES DE EQUIPO PROPUESTO
ANEXO 5.
GLOSARIO
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CAPITULO I
ANTECEDENTES
ANTECEDENTES
Desde el inicio del siglo XVIII hasta mediados del siglo XIX, el motor a vapor reinó
absoluto como la mejor invención del hombre para producir fuerza útil, en
substitución no sólo de los animales, usados, por miles de años, en la molienda,
transporte e industria, sino también de la fuerza del viento, utilizada en el
transporte marítimo. La innovación fue tan importante, que era exhibida, con
orgullo, como símbolo del progreso y del avance económico. Con la máquina a
vapor, la navegación comercial pasó a ser más rápidos y eficientes; el transporte
ferroviario, popular; y la industrialización, deseada por los más diversos gobiernos.
Hasta la fecha, al referirnos a la era industrial, surge la imagen del famoso “fog
londinense”, ícono del uso desenfrenado de motores a vapor y resultado de la
mezcla de humo de carbón con vapor emitido por miles de calderas. También
conocido como “máquina a vapor”, este motor de combustión externa, inventado,
11
en 1698, por el inglés Thomas Savery, usaba carbón o leña para calentar el agua
contenida en un recipiente cerrado. Fue producido en diversos modelos y
tamaños, pero siempre limitado al hecho de que la fuerza obtenida era
directamente proporcional al tamaño de la caldera que, cuanto mayor, más
calentamiento necesitaba. Por otro lado, para mantener la elevada temperatura,
era necesario un constante suministro de la caldera con carbón o leña.
Debido a estas limitaciones, la máquina a vapor nunca consiguió sustituir el uso de
animales en el transporte individual, en el transporte colectivo urbano o incluso en
el de carga de pequeña distancia. Su aplicación, a pesar de intensa, siempre se
limitó al uso como motor estacionario en la industria y en la agricultura o como
motor móvil en humeantes locomotoras, barcos a vapor o navíos. Experimentos en
tractores o incluso en vehículos terrestres llegaron a ser hechos, pero esas
aplicaciones fueron muy pocas y limitadas, cuando comparadas con las diversas
utilizaciones mencionadas.
El primero motor de combustión interna fue inventado y construido por Jean
Joseph Étiènne Lenoir. Ingeniero belga, nacido en 1822, en Luxemburgo, emigró
para Francia en 1838, trabajando como camarero en París. En 1852, comenzó a
trabajar como mecánico. Seis años después, intentó hacer funcionar su primer
motor fijo de explosión, movido por una mezcla de gas de carbón y aire. Dos años
después, en 1837, patentó la llamada “máquina de gas de Lenoir”, el primer motor
de aplicación práctica de combustión interna, alimentado por gas de iluminación y
con ignición promovida por una batería eléctrica. Fueron fabricados alrededor de
400 de esos motores, principalmente para equipar tornos mecánicos y máquinas
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de impresión. A continuación, Lenoir pensó en utilizar el motor en un vehículo,
transformando el movimiento rectilíneo en movimiento de rotación. En 1860,
consiguió ensamblar un triciclo motorizado, cuyo combustible era gas de hulla o
petróleo liviano (proveniente de pizarra o alquitrán) vaporizado en un primitivo
antepasado del carburador.
Máquina a vapor de Savery
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Sin embargo, su vehículo fue un fracaso, porque el motor no hacía la compresión
de la mezcla de aire con combustible, y la potencia llegó a apenas 1,5 HP.
Considerado el inventor del motor a explosión, murió en 1900, en Francia.
Motor de Lenoir
A pesar del fracaso de Étiènne Lenoir en usar el motor de combustión interna en
un vehículo, la idea en sí tuvo varios seguidores. Las ventajas de ese tipo de
motor frente a los de combustión externa son enormes y numerosas. El
aprovechamiento de la energía, al quemar el combustible en un ambiente cerrado,
es mucho mayor. El uso de líquido vaporizado o de gas permite que la dilución con
el aire sea rápida y efectiva, aumentando la eficiencia. Utilizar la energía
desprendida por la combustión del combustible directamente como energía
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mecánica, sin necesidad de utilizar la transformación del agua líquida para vapor y
después para energía mecánica, hace que el aprovechamiento térmico sea
muchas veces mayor y la relación del tamaño del motor con la potencia obtenida
sea mucho más favorable.
La combustión de combustible fluido en un ambiente cerrado facilita el control del
proceso, permitiendo controlar el número de combustiones y, consecuentemente,
el de ciclos del motor; permite, además, que el inicio y el final del funcionamiento
del motor puedan ser mejor controlados, y que la fuerza generada pueda ser
dosificada.
La combinación de todos estos factores hace que la aplicación de un motor de
combustión interna en un vehículo sea muy fácil, lo que no pasó desapercibido por
los mejores tecnólogos de fines del siglo XIX.
Una de esas personas entusiasmadas con la idea de emplear un motor de
combustión interna en un vehículo con ruedas fue Nikolaus August Otto. Nacido
en 1832, en Alemania, era un comerciante ambulante que recorría diversas
ciudades de su país y de países vecinos vendiendo azúcar, té y materiales de
cocina. En un viaje a París, conoció el motor de combustión interna de Étiènne
Lenoir y el esfuerzo del ingeniero francés para aplicarlo a un triciclo. A pesar del
poco éxito del pionero en la aplicación vehicular, Otto creía que podría mejorar
aquella invención y comenzó a hacer diversos experimentos. Por un feliz
accidente, ese alemán descubrió el valor de la compresión de la mezcla de
combustible y aire, antes de quemar en la cámara de combustión, lo que
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aumentaba significativamente la fuerza generada. A partir de ahí, la idea del ciclo
de cuatro tiempos de movimiento del émbolo (o pistón) – el Ciclo Otto – nació. Él
construyó su primer motor a gas en 1861 y formó una sociedad con el industrial
alemán Eugen Langen. Comenzó su primera fábrica en Deutz, suburbio de
Colonia, en Alemania, y allí, con capital aumentado y personal especializado,
gracias a premios conquistados en ferias de tecnología, contrató los servicios y la
capacidad técnica de un señor llamado Gottlieb Daimler, que se convertiría, poco
tiempo después, en una de las estrellas en el firmamento del automovilismo. Más
tarde, estableció otra fábrica en Filadelfia, EE.UU. Originariamente conocido como
N.A. Otto & Cia, la empresa todavía existe con el nombre de Deutz AG.
A partir de 1876, incorporando tecnología traída por Daimler y aplicando el
concepto de los cuatro tiempos, comenzó la construcción, a ritmo industrial, del
nuevo motor de Otto. Su patente, con el número DRP 532, pasó a ser la más
demandada del mundo y la patente-base del motor moderno.
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Motor Otto
Gottlieb Daimler nació en 1834, también en Alemania. Después de una temporada
en Francia, donde adquirió experiencia en la construcción de máquinas, estudió en
la Escuela Politécnica de Stuttgart. Hacia fines de 1863, comenzó a trabajar como
inspector en una fábrica de máquinas, donde conoció a Wilhelm Maybach. En
1872, comenzó a trabajar en la Otto & Langen, donde conoció el Motor Otto de
cuatro tiempos. Después de divergencias con la dirección de la empresa, salió de
la Deutz en 1882. Poco después, compró una villa en Cannstatt, donde había un
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invernadero en el jardín, que Daimler mandó ampliar para montar un taller de
pruebas, e invitó a Maybach para trabajar con él.
La propuesta de Daimler era utilizar gasolina como combustible de los motores,
montándolos en todos los vehículos posibles – en tierra, en agua y aire. Él
utilizaba el principio Otto de cuatro tiempos, que, debido al complicado mecanismo
de ignición, no permitía grandes rotaciones. Después de intensivos tests, Daimler
resolvió patentar un motor con sistema de ignición por calentamiento eléctrico,
controlado por una resistencia. Dicha patente fue una obra maestra del arte de la
formulación, porque contenía los principios de cuatro tiempos del Motor Otto y se
transformó en una gran disputa judicial de patentes con la Deutz. Sin embargo, la
Corte Federal aceptó la argumentación de Daimler de tecnología propia y, así,
hacia fines de 1883, funcionó el primer motor de pruebas, fundido por una fábrica
de campanas. Gracias a la ignición incandescente y a la válvula de descarga, el
motor llegó a 600 rotaciones por minuto, lo que superaba a cualquier motor
construido hasta aquel entonces. El siguiente motor recibió el nombre de
“Standuhr” (“reloj de pie”) y su rendimiento, en 1884, era de 1HP. Con esa
construcción, con gran economía de peso y altamente compacto, Daimler y
Maybach habían llegado a la condición básica para conseguir montarlo en un
vehículo.
El primer test fue hecho con una motocicleta con estructura de madera. El motor
de un cilindro fue montado debajo del asiento del conductor. Al comienzo de 1886,
Daimler encargó un carruaje, fabricado en Hamburgo y montado en Stuttgart.
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Secretamente, el vehículo fue entregado en la noche del 28 de agosto como un
regalo para la señora Daimler. El motor, que ellos montaron cerca de la dirección
giratoria, tenía 1,5 HP y fue montado de acuerdo con el modelo del “reloj de pie”.
La transmisión de potencia era ejecutada por correas. El extraño carruaje
motorizado, por lo tanto, fue el primer automóvil de cuatro ruedas del mundo.
La adecuación entre motores y combustibles fue uno de los factores de gran
importancia en la evolución y afirmación de mercado del motor de combustión
interna. En los proyectos pioneros, el combustible usado era el gas de iluminación.
La abundante disponibilidad, generada gracias a los sistemas de iluminación
pública de la época, hizo del gas un combustible muy adecuado para aplicaciones
en motores estacionarios. Sin embargo, las características del motor a explosión
de bajo peso eran muy atractivas para vehículos de pequeño porte que sirvieran
para el transporte individual. El uso del gas de iluminación como combustible se
volvió, así, inadecuado.
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1º automóvil de Daimler
No obstante, la visión de la oportunidad de colocar motores a explosión en
vehículos livianos hizo que varios inventores se pusieran a trabajar en el desarrollo
de sistemas para adecuar el motor de combustión interna a los combustibles
líquidos. La mayor densidad energética y la mayor facilidad de transporte ponían
en evidencia las ventajas del uso de ese tipo de combustible en pequeños
vehículos.
El descubrimiento de pozos de petróleo, alrededor de 1854, en los EE.UU. con
buenas reservas y relativa facilidad de explotación, era otro factor motivador para
este desarrollo.
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John D. Rockefeller, americano nacido en 1839, fue uno de los primeros
visionarios que se dio cuenta de la importancia comercial que los derivados del
petróleo tendrían como combustible líquido para los vehículos motorizados que
estaban surgiendo. Con 22 años y teniendo apenas una formación escolar básica,
adquirió una pequeña empresa con la cual pasó a formar parte del sector de la
refinación, transporte y venta de productos petrolíferos. En 1863, fundó su primera
refinería.
La segunda comenzó a funcionar en 1866. Rápidamente, aseguró el monopolio
del negocio, construyendo los propios oleoductos, comprando numerosas
empresas, creando redes de distribución y utilizando métodos rápidos de
negociación.
En 1879, su empresa, la Standard Oil Company controlaba el 95% del mercado
del petróleo. Sin embargo, sus esfuerzos para insertarse en el mundo de la política
fueron mal recibidos y, en 1892, con la Ley Antitruste, su empresa tuvo que ser
dividida en empresas menores, de las cuales Rockefeller detentaba solamente
una participación minoritaria. Ese industrial personificó el modelo del gran
capitalista, manteniendo un estilo de vida puritano e invirtiendo sus lucros en el
mecenazgo artístico y científico.
Siegfried Marcus, austríaco, es considerado el inventor del carburador, pieza
esencial para la utilización de combustibles líquidos en motores de combustión
interna. Debido a la dificultad de promover una buena mezcla del líquido con aire,
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dicha invención representó un enorme avance en la utilización de la gasolina como
combustible.
La consolidación final del motor a gasolina ocurrió tan solo en 1883, con el trabajo
de Gottlieb Daimler y Wilhelm Maybach, quienes construyeron un carburador de
funcionamiento convincente y lo asociaron con un sistema de ignición también
desarrollado por ellos. El resultado obtenido fue un gran salto en la evolución de
los motores de combustión interna.
El de Daimler llegaba a 900 RPM, mientras que los que utilizaban gas apenas
llegaban a las 200 rotaciones. De esa manera, se consiguió la unión del motor de
combustión con los derivados de petróleo, al mismo tiempo en que se creaban las
condiciones necesarias para el desarrollo del automóvil.
Automóvil de Marcus
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En la misma época, Rudolf Diesel, ingeniero de nacionalidad alemana, aunque
nacido en París, en 1858, buscó desarrollar un motor de combustión interna que
tuviese el mayor rendimiento posible. Utilizó, para eso, una configuración
mecánica similar a la de Otto: ciclo de cuatro tiempos y mecanismos de válvulas
de admisión y escape.
Sin embargo, en el motor de Diesel, la combustión era provocada por la inyección
de combustible en la cámara de combustión, al final de la fase de compresión. La
temperatura elevada del aire en el cilindro, a causa de la alta compresión a la que
era sometido, provocaba la auto combustión del combustible inyectado. La idea no
era original, pero Diesel fue el primero que concibió un motor práctico y de alto
rendimiento, que fue patentado en 1892.
23
Motor diesel
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El rendimiento térmico alcanzado por este motor llegaba al triple de la máquina a
vapor y más de una vez y media el de los motores a gasolina de aquella época.
Tal como fue concebido, el motor diesel tenía características que lo hacían
apropiado para aplicaciones pesadas y, desde luego, fue visto como un fuerte
sucesor del motor a vapor. En comparación con el motor a gasolina, conseguía
destacarse en las instalaciones de gran porte, pero era demasiado pesado para
competir en el transporte carretero y en aplicaciones livianas.
De cierta forma, los dos tipos de motor de combustión interna, el Diesel y el Otto,
se volvieron complementarias para una gran franja de aplicaciones, cada cual
dominando un segmento diferente. El binomio liviano-económico sería el
parámetro de mayor peso en la elección. Además de las ventajas singulares de
cada uno, un factor importante ayudaría a mantener el equilibrio en esta
dicotomía: los dos habían pasado a beber en la misma fuente, el petróleo.
Como el petróleo diesel y la gasolina son obtenidos por destilación fraccionada del
petróleo, la oferta de uno estaba vinculada al consumo del otro. Dicha “simbiosis”
hizo que los dos encontrasen el equilibrio en la disputa y continuasen
evolucionando en aplicaciones cada vez más diversas, al mismo tiempo en que,
en la práctica, terminaban con el dominio de la máquina a vapor. El nuevo reinado
de las máquinas térmicas estaba dividido entre los motores del ciclo Otto y los del
ciclo Diesel.
Sin embargo, dicho predominio sería accesible apenas para pocas personas
multimillonarias, si no fuera por el espíritu emprendedor del americano Henry Ford.
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Nacido en 1863, en el Norte de los Estados Unidos, este ingeniero entendió que el
automóvil podría ser interesante para todos, en el caso de que pudiese ser
adquirido a un precio razonable. Para tener un producto más barato, Ford inventó
la famosa “línea de montaje”, en la cual las diversas etapas de fabricación fueron
distribuidas a lo largo de una cinta rodante y cada empleado quedó encargado de
acoplar un componente estandarizado.
La idea era evitar que hubiera dudas y pérdida de tiempo de los funcionarios
durante la construcción de los vehículos.
Lanzado en 1908, costando 850 dólares por unidad, el Modelo Ford T fue un éxito.
Fueron vendidos 15 millones de unidades en alrededor de 20 años. Al contrario de
los ofrecidos por otros fabricantes, los vehículos producidos por Ford no eran
juguetes casi artesanales para ser exhibidos por los ricos. Era un bien producido
en serie, para ser usado todos los días por ciudadanos comunes. A pesar de ser
un empresario genial, Henry Ford era un pésimo administrador: le gustaba la
fábrica, y no la oficina. No tenía paciencia para balances, detestaba a los
banqueros y siempre mantenía dinero en efectivo en el cofre. Tampoco era muy
bueno en materia de marketing, porque, durante 19 años, produjo solamente el
Modelo T negro.
26
Ford T 1908
Justamente, uno de los slogans de la campaña de ventas era exactamente este;
usted puede tener el Ford que quiera, desde que sea de color negro. No fue sino
hasta 1927, que Ford lanzó el Modelo A con más colores, pero, a aquella altura de
los acontecimientos, ya estaba siendo superado por la General Motors.
Con el avance de Ford y de sus incontables competidores, proveedores de piezas,
revendedores, talleres de reparaciones, gasolineras y carreteras se multiplicaron.
Con el automóvil, las personas pudieron viajar más y vivir lejos de las áreas
centrales. La contaminación, los ruidos, los accidentes y los congestionamientos
substituyeron a otros problemas urbanos y se asociaron, a partir de ahí, a la
imagen de urbanización y desarrollo.
27
Así, al comienzo del siglo XX, mediante la introducción de los conceptos traídos
por Henry Ford de línea de montaje y de producción en serie, la industria
automovilística comenzó a crecer enormemente, no sólo en los Estados Unidos
sino también en Inglaterra, Alemania, Italia y Francia. En 1919, ya se contabilizaba
el increíble número de 186 fabricantes de vehículos automotores en el mundo, lo
que permitió la producción de 11 millones de unidades apenas en aquel año.
La eclosión de la Primera Guerra Mundial en Europa aportó dos aspectos
importantísimos para el sector. De un lado, vino a frenar la expansión que dicha
industria estaba teniendo en términos de crecimiento de volumen de producción,
principalmente en Europa. Por otro, gracias a los esfuerzos de guerra y a la
diseminación del uso del motor de combustión interna, alimentado por
combustibles derivados del petróleo, en automóviles y camiones de usos militares,
así como en motocicletas, aviones, barcos, navíos y cualquier cosa que se
moviese, posibilitó enormes avances tecnológicos que permitieron aumentar su
eficiencia y rendimiento, disminuir su tamaño y disminuir su costo.
Durante el periodo que transcurre entre la Primera y la Segunda Guerra Mundial,
el número de fabricantes de vehículos disminuyó, pero la cantidad de fusiones e
incorporaciones fortaleció a las empresas remanecientes, que, adoptando
tecnologías más avanzadas, volvieron a producir a gran escala, popularizando,
todavía más, el uso del automóvil y llevando dicho producto a todos rincones del
planeta. Intensamente divulgado por la industria cinematográfica, el uso individual
del automóvil se consolidó en todos los continentes y países, transformando a las
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ciudades, abriendo carreteras e incentivando la prospección de petróleo, la
construcción de refinerías y la distribución de derivados.
Cuando estalló la Segunda Guerra Mundial, el automóvil y sus congéneres ya se
encontraban presentes en el mundo entero, siendo también significativa la
demanda de combustible, componentes y piezas de mantenimiento. Debido a las
dificultades de transporte y al racionamiento, la interrupción del suministro de
estos productos en países que no los producían se convirtió en un serio problema,
llevando a la busca de combustibles alternativos y al surgimiento de un nuevo tipo
de industria, la de producción de piezas no originales, que, más tarde, fue el
embrión de nuevos parques de producción de vehículos en países de Asia,
Oceanía y América del Sur, los cuales, hasta entonces, no habían tenido
producción local.
Con el final de la guerra, los esfuerzos de restablecimiento económico de los
países afectados, la posición de Estados Unidos como nueva potencia mundial y
los planes de reconstrucción de los países derrotados, la industria automovilística
vivió su apogeo. El parque industrial automovilístico se internacionalizó. Fábricas
de automóviles, camiones y auto piezas fueron implantadas en decenas de
países, y la flota mundial de vehículos llegó a los 200 millones de unidades en
1960.
Consecuentemente, en la medida en que todos esos vehículos eran movidos a
gasolina o diesel, el consumo de petróleo llegó a los 8 millones de barriles al día
en aquel año, con un precio promedio, en valores de la época, de
29
aproximadamente 2 dólares por barril. Era muy barato lo que se pagaba por el
combustible usado en esos vehículos maravillosos, que representaban status,
libertad y progreso.
Sin embargo, todavía en la década de 1960, las primeras señales de que no todo
iba a las mil maravillas con los automóviles movidos a derivados de petróleo
comenzaron a surgir. Problemas crónicos de visibilidad en 1962, en la
aproximación para el aterrizaje de aviones en el aeropuerto de Los Angeles,
EE.UU., llevaron al descubrimiento de la enorme complejidad de la cuestión de la
contaminación causada por la emisión de los gases producidos por los vehículos
automotores en las regiones urbanas densamente pobladas.
Cuando se estudiaron las causas de ese fenómeno, se constató que el daño
ocasionado por la combustión de los combustibles vehiculares iba mucho más allá
de la simple emisión de monóxido de carbono (CO), hasta entonces considerado
como peligroso por las muertes de conductores incautos en garajes cerrados,
donde el motor del vehículo era calentado antes de salir. Se descubrió la compleja
serie de reacciones químicas entre los óxidos de nitrógeno (NOx) y los
hidrocarburos (HC) emitidos por los vehículos. En presencia de la energía
suministrada por la luz ultravioleta solar, se forman diversos compuestos químicos
capaces de afectar seriamente la salud de hombres, de animales e incluso de
plantas. Este fue el inicio de la enorme preocupación con la contaminación urbana
causada por los vehículos, lo que, a continuación, llevó a la adopción de
reglamentación de control de las emisiones de gases, iniciada en California,
extendida a todos los EE.UU. y, más tarde, adoptada por decenas de otros países.
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Incluso con algunas diferencias de procedimientos de medición, de límites
permitidos o de contaminantes reglamentados, todos los países desarrollados del
mundo adoptan, actualmente, restricciones a la contaminación vehicular,
incluyendo la contaminación sonora.
Los conflictos en Oriente Medio, iniciados con la Guerra de Suez (1956) y
profundamente agravados con la Guerra de los Seis Días (1967), fueron las
primeras señales de alarma que los países consumidores de petróleo sintieron con
relación a la grave posibilidad de escasez de petróleo y aumento de precio,
haciéndolos reflexionar sobre su dependencia con relación a esta fuente de
energía.
Por otro lado, los países productores de petróleo de la región en conflicto
rápidamente sintieron que tenían en sus manos una valiosísima moneda de
trueque, para imponer sus intereses políticos frente a la comunidad económica
internacional. En aquella época, detentaban más del 70% del comercio mundial
de petróleo, ya que: la producción americana era insuficiente para satisfacer a su
propia demanda; el petróleo del Atlántico Norte era carísimo, debido a la
extracción en aguas profundas;
Rusia, Estado jefe de la Unión Soviética, no comercializaba su petróleo con los
países del occidente en razón de la guerra fría; Méjico y Venezuela estaban
satisfechos con poder suplir parte de la carencia productiva americana; y otros
países productores eran muy poco relevantes en el comercio de petróleo
existente. Los países del Oriente Medio, en este contexto, percibieron que tenían
31
en sus manos el suministro de Europa Occidental, Asia, Oceanía y gran parte de
las Américas. Asumiendo posiciones de peso en la Organización de los Países
Exportadores de Petróleo (OPEP), una entidad internacional que hasta aquel
entonces había sido inexpresiva, dichos países consiguieron encuadrar a los
países productores en regímenes de cuotas de producción y de fijación conjunta
de precios. Los resultados de esta unión estratégica fueron rápidamente
perceptibles. En 1973, en respuesta al apoyo internacional dado a Israel en la
guerra del Yom Kippur, el mundo fue sometido a lo que fue conocido como “Primer
Choque del Petróleo”. En conjunto, los países exportadores cortaron el volumen
de producción y elevaron el precio del petróleo a valores absurdamente altos. En
tres meses, el barril, en valores de la época, pasó de US$ 2,90 a US$ 11,65. Estas
medidas desestabilizaron a la economía mundial y provocaron una severa
recesión en EE.UU. y en Europa, con gran repercusión internacional. Dueños de
dos tercios de las reservas de petróleo del mundo, países como Arabia Saudita,
Irán, Irak y Kuwait controlaron el volumen de producción y el precio del producto.
El Segundo Choque del Petróleo se produjo, en 1979, ocasionado por la
revolución iraní que derrocó a Reza Pahlevi e instaló una república islámica. La
producción de petróleo del país fue gravemente afectada, y la nación no consiguió
satisfacer ni siquiera sus necesidades internas. Irán, que era el segundo
exportador de la OPEP, atrás solamente de Arabia Saudita, quedó prácticamente
fuera del mercado. Con la disminución de la oferta, el precio del barril de petróleo
llegó a niveles récordes y agravó la recesión económica mundial al comienzo de la
década de los 80. Con excepción de los países de la Cortina de Hierro (Unión
32
Soviética y aliados), que disponían del abundante petróleo ruso, todas los demás,
tanto desarrollados como en vías de desarrollo, fueron gravemente afectados por
el impacto del choque.
El nivel de precio del petróleo alcanzado después de dos choques y por la acción
conjunta de los países productores agrupados en la OPEP provocó, sin embargo,
consecuencias no esperadas. Presionados por los altos precios, los países
productores salieron a la búsqueda de nuevos proveedores o retomaron la
extracción en cuencas petrolíferas conocidas, pero que, hasta aquel entonces,
eran consideradas inviables económicamente. La extracción en aguas profundas,
en el Mar del Norte, en el Golfo de México, en el Caribe y en la costa de Brasil, y
la extracción terrestre, en África, en Alaska y en América del Sur, fueron
retomadas y provocaron un considerable aumento de la oferta de petróleo. Por
otro lado, pasó a ser indiscutible, para la comunidad internacional, que el uso
exclusivo de petróleo como materia prima para la producción de combustibles
vehiculares precisaba ser repensado. Diversos experimentos comenzaron a ser
hechos en varios países. Metanol, etanol, óleos vegetales, gas natural, MTBE,
ETBE, FAME, FAEE, DME y otras sustancias comenzaron a ser mencionadasy
experimentadas.
Sin embargo, el aspecto más grave del uso intensivo de combustibles derivados
del petróleo - no solamente en el uso vehicular sino también en la extensa gama
de utilización que el petróleo y el carbón mineral tienen - fue la constatación de
que los gases generados por su combustión están directamente relacionados con
el surgimiento del grave problema del calentamiento global. Desde la década de
33
1970, este tema ya estaba siendo señalado por diversos científicos, pero, en la
década de 1990, se llegó a la convicción de la urgente necesidad de alteración de
la matriz energética mundial, para enfrentar el problema.
En pocas palabras, se constató que la combustión del petróleo y del carbón
mineral hace que la sustancia carbono, que forma dichos productos y está
depositada en las profundidades de la tierra, reaccione con el oxígeno de la
atmósfera y forme el gas anhídrido carbónico (CO2). Esta sustancia, que es inerte,
no tóxica, también es expelida por la respiración de los seres vivos.
En condiciones naturales, sería absorbido por la propia naturaleza. Pero, dada la
elevadísima cantidad emitida por la acción del hombre, está acumulándose en la
atmósfera a un ritmo mayor que la capacidad de absorción natural, creando una
capa que dificulta la reflexión de la luz solar incidente, aumentando la temperatura
de la superficie, provocando un fenómeno conocido como efecto invernadero.
Si no se actúa para impedir el calentamiento global, las consecuencias serán
trágicas, ya que la propia vida humana está en riesgo.
Además de los problemas ya señalados relacionados con la contaminación
urbana, aumento de costo, inseguridad de suministro y calentamiento global, el
uso intensivo del petróleo tiene un agravante más: en la medida en que es un
recurso finito, la cantidad disponible está disminuyendo. El consumo mundial
actual de petróleo es del orden de los 85 millones de barriles al día, habiendo
reservas estimadas de 1,4 trillones de barriles. Mantenida dicha situación,
34
tendremos petróleo disponible solamente 45 años más. Esta no es una cuestión
de fácil de resolver.
Actualmente, la flota mundial de vehículos se acerca a la fantástica cifra de mil
millones de unidades. Hay mil millones de automóviles, furgones, camionetas,
pick-ups, camiones y ómnibus circulando por todos los países del planeta. Hay mil
millones de vehículos dotados de motor de combustión interna, del tipo Otto o del
tipo Diesel, consumiendo gasolina, gas natural o diesel. A diario, más de 165 mil
vehículos son producidos y añadidos a dicha flota, lo que significa dos vehículos
más por segundo. Son 18 mil millones de pasajeros y 30 mil millones de toneladas
de carga transportados al día por vehículos automotores carreteros. ¿Cómo
cambiar esta situación? ¿Cómo sustituir esa flota? ¿Cómo sustituir al combustible
que mueve dicha flota? Y, ¿sustituirlo utilizando qué?
Diversos estudios en marcha señalan en dirección a un mismo camino, que es el
de la substitución del motor de combustión interna por el motor eléctrico, que es
eficiente, silencioso, potente, no emite contaminantes y es tecnológicamente
simple.
Sin embargo, existen dos cuestiones que todavía no han sido resueltas; cómo
generar la energía eléctrica para hacer funcionar el motor de modo seguro y no
contaminante y cómo llevar la energía a bordo en cantidad suficiente para que el
vehículo tenga una buena autonomía. Generar energía de modo seguro y no
contaminante pasa por el análisis de los riesgos que implican plantas nucleares o
térmicas, y llevar cantidad suficiente de energía a bordo significa cualquier cosa
35
que no sea la contaminante batería a base de plomo o de otros metales pesados.
Actualmente, se considera que el medio más adecuado de generar la energía
eléctrica sería mediante el intercambio iónico obtenida en el pasaje de hidrógeno
por un conjunto de membranas electrolíticas (la llamada celda de combustible o
fuel cell), con un reformador catalítico que pueda sacar el hidrógeno de una
sustancia rica en este gas - tal como el gas natural (rico en metano) - o,
preferentemente, de un líquido - tal como un alcohol (metanol o etanol) , más fácil
de abastecer y transportar. Debido a su explosividad y bajísima densidad, se
intenta evitar el trastorno de tener que transportar el propio gas hidrógeno en
cilindros en el vehículo.
Estas preguntas no tienen respuestas fáciles. Centenares de investigadores llevan
dos décadas trabajando en el concepto de “vehículo eléctrico + celda de
combustible” y los resultados obtenidos todavía son insignificantes. El conjunto,
cuando es comparado con los vehículos convencionales dotados de motor de
combustión interna, todavía tiene poca autonomía, el rendimiento es bajo, la
capacidad de carga es pequeña, la tecnología es compleja y el resultado es
demasiado caro para producción en serie. A pesar de que varios prototipos ya han
sido presentados, ningún fabricante de vehículos pasó a ofertar dicha tecnología
en algún modelo de producción en serie.
Todo lo que se vio, hasta ahora, en dirección a la utilización comercial de los
motores eléctricos, sin considerar a los vehículos para trabajo especiales (carritos
de golf y flotas privadas, por ejemplo) o para trabajo en recintos cerrados
(máquinas para empilar y tractores, por ejemplo).
36
Fue el surgimiento de los llamados vehículos híbridos dotados de dos motores,
uno de combustión interna y otro eléctrico, cuyo uso combinado permite el
accionamiento eléctrico mientras el motor convencional reabastece las baterías.
Las primeras motorizaciones híbridas fueron usadas en vehículos pesados
(ómnibus, camiones de recolección de basura, etc.) y eran formadas por dos
motores distintos. Más recientemente, han aparecido vehículos híbridos livianos,
en los cuales los dos conceptos son combinados en un único motor, lo que
permite que el conjunto sea mucho más compacto y eficiente. Sin embargo,
todavía se trata de una tecnología compleja y cara, lo que limita su
comercialización a pocas unidades y a países con alto poder adquisitivo.
Pero no restan dudas de que, en el futuro, todos los vehículos terrestres dejarán
de utilizar motores de combustión interna y serán eléctricos. Las únicas dudas
son; cuánto tiempo eso todavía llevará y qué hacer en ese ínterin.
Brasil adoptó un camino propio y, hoy, cosecha buenos frutos.
Anualmente, la industria automovilística brasileña produce para el mercado interno
alrededor de 1,5 millón de vehículos livianos que son dotados de motores de
combustión interna, como los de los otros países, pero que están adaptados para
quemar etanol puro o una gasolina mezclada con el 20 al 25% de etanol. Así, a
pesar de estar fabricando vehículos convencionales, en realidad, estamos creando
una flota más independiente de la necesidad de petróleo, lo que ha permitido al
país, además de hacer significante economía de divisas, prepararse mejor para el
futuro. Mientras la comunidad científica internacional trabaja para desarrollar y
37
producir el vehículo del futuro, Brasil está invirtiendo en el uso de combustibles
derivados de la biomasa. Esta posición favorable no fue lograda sin esfuerzo ni de
inmediato. Hace treinta años, frente a una situación internacional de fuerte
reducción de la oferta de petróleo, se opto por llevar a cabo una alteración
profunda de la matriz energética y, desde entonces, incluso con la alternancia de
momentos positivos y negativos, frente a escenarios prometedores y a otros ni
tanto, investigadores, productores de alcohol, industria automovilística, de
componentes etc. están trabajando para llegar a la posición actual.
La introducción del alcohol etílico (etanol) en la matriz energética, de modo
responsable, estandarizado, coherente y sistemático, comenzó durante los años
70, a través del Pro-alcohol I (Decreto Federal nº 76.593, 1975) y del Pro-alcohol II
(Decreto Federal nº 83.700, 1979). Pero, antes de esto, desde el inicio del siglo
XX, dado que el etanol es un subproducto de la producción de azúcar, la mezcla
con la gasolina ya se hacía, siendo que, durante la 2ª Guerra Mundial, a causa de
la dificultad de importación y al racionamiento, la mezcla de alcohol en la gasolina
se intensificó, produciendo buenos resultados.
La industria automovilística brasileña, con el advenimiento del Pro-alcohol,
comenzó a trabajar en el desarrollo de una tecnología apropiada para el nuevo
combustible. Como no había experiencia internacional de uso del etanol, las
montadoras decidieron hacer en Brasil el desarrollo, lo que fue, indiscutiblemente,
un gran incentivo para el crecimiento de una ingeniería automotriz nacional.
38
Con apoyo de sectores del gobierno federal y de los estados, de diversos institutos
y centros de estudio, de diversas facultades, de empresas proveedoras de piezas
y componentes y de los propios productores de combustibles, las montadoras
consiguieron, en poco tiempo, modificar los vehículos a gasolina para una gasolina
con alto tenor de etanol (20 a 25%) y proyectar motores y vehículos aptos para
utilizar el 100% de alcohol combustible, evitando las dificultades referentes a la
corrosión de materiales, al ataque a materiales plásticos y gomas, a la dificultad de
partida del motor en días fríos, a la pérdida de dirigibilidad y al consumo de
combustible exagerado.
Después de varios años de éxito, con más de cinco millones de vehículos a
alcohol producidos en el periodo de 1979 a 1993, siendo que, en 1986, las ventas
de 700 mil unidades significaron el 89% del total de vehículos livianos
comercializados, el interés de los consumidores por dicho combustible disminuyó.
En 1995, fueron vendidos menos de 50 mil unidades y, en 1997, fueron
responsables de apenas el 0,1% de las ventas totales de vehículos livianos.
No hubo una causa única. Varios factores provocaron el desinterés del
consumidor en el vehículo con etanol: el precio internacional del petróleo
disminuyó, permitiendo una reducción de los precios de los derivados; el precio
internacional del azúcar aumentó, llevando a los productores a preferir producir
azúcar para exportación; el gobierno brasileño pasó a incentivar la producción de
los vehículos populares, sin crear exenciones para que el motor fuera impulsado
por etanol, llevando a las montadoras a lanzar solamente vehículos a gasolina.
39
Sin embargo, el lanzamiento de los vehículos flexibles, en marzo del 2003, fue un
marco histórico y un punto de inflexión en el mercado de combustibles alternativos
de nuestro país.
Con el lanzamiento de los vehículos flex-fuel, popularmente llamados de
bicombustibles, la industria automovilística brasileña produjo, en cuatro años,
desde marzo del 2003 hasta marzo del 2007, 3 millones de vehículos flexibles.
Actualmente, nueve fabricantes están ofreciendo más de 60 modelos de vehículos
flex en el mercado brasileño, con precio equivalente a los de los vehículos
similares convencionales.
En realidad, los vehículos flex-fuel no fueron inventados en Brasil. Los primeros
vehículos con tecnología para ser abastecidos con combustibles diversos fueron
presentados en los Estados Unidos, en la década de 1980. Sin embargo, la
tecnología usada por los fabricantes americanos está basada en un censor de
identificación, que analiza cual es el combustible que está siendo usado e informa
a la computadora de bordo, que ajusta el sistema de inyección y el sistema de
ignición para las mejores condiciones de combustión de ese combustible. A pesar
de ser eficiente, esa tecnología es cara, complicada y totalmente dependiente de
la vida útil del censor de identificación. En los Estados Unidos, dicho concepto
tecnológico fue aceptado solamente debido al interés de los fabricantes en ofrecer
vehículos que funcionan con combustible alternativo, para poder aprovechar
exoneraciones tributarias.
40
Dado que el mercado brasileño de automóviles es dominado por vehículos
compactos y de bajo costo, es impensable adoptar la cara tecnología flex-fuel
americana en el país.
Por lo tanto, cuando las montadoras nacionales comenzaron a discutir la
posibilidad de lanzar localmente ese modelo de vehículo, la condición previa fue
que se desarrollase un nuevo concepto que evitara el uso del censor de
identificación de combustible.
En este punto, la creatividad brasileña y la enorme experiencia adquirida después
de 25 años produciendo vehículos que funcionan con alcohol se manifestaron.
Basándose en las diferencias existentes en dos de las características físicoquímicas del alcohol y de la gasolina (octanaje y relación estequiométrica) y
utilizando los mismos diversos sensores funcionales que todos los vehículos
modernos ya tienen (sensores de presión y temperatura del aire, de flujo del
combustible, de carga, rotación y de detonación del motor y de oxígeno del gas de
escape),
los
ingenieros
brasileños
desarrollaron
un
sistema
flex-fuel
completamente nuevo. Por el sistema brasileño, el combustible es primero
quemado en la cámara de combustión. Una fracción de segundo después,
evaluando las consecuencias de esa combustión a través de sensores y
comparándolas con un base de datos existente en la memoria de la computadora
de bordo, ya es posible identificarlo y ajustar el motor, sin necesidad del censor de
identificación de combustible. De ese modo, es posible llegar a un vehículo flexfuel
41
por el mismo precio de un vehículo cuyo motor funciona con alcohol, que nosotros
ya sabíamos hacer tan bien.
Motor Flex
42
Fue gracias a la aceptación de estos vehículos y al precio competitivo frente a la
gasolina que la producción brasileña de alcohol, que estaba disminuyendo un 11%
al año, tomó un violento impulso y pasó a crecer más del 10% al año.
1º vehículo flex brasileño
La expresión “combustibles renovables” es usada para definir los combustibles
fabricados a partir de productos agrícolas o de la fermentación de materia
orgánica. Al contrario del fósil (petróleo o gas natural) cuyas reservas son finitas,
el combustible renovable siempre podrá ser producido por el hombre, de acuerdo
con sus necesidades. Basta plantar o fermentar.
43
SUBTÍTULO:
1) Reservatorio de gasolina para arranques en
frío
2) Canister
3) Bomba eléctrica de combustible
4) Válvula solenoide
5) Válvula de purga del canister
6) Bujía de ignición
7) Relé
8) Cuerpo de mariposa
9) Bobina
10) Sonda lambda
11)
12)
13)
14)
15)
16)
17)
18)
Pre-catalizador
Módulo de control
Censor de presión/temperatura del aire
Módulo de bomba de combustible en
tanque
Galería
de
combustible/válvula
de
inyección
Censor de rotación
Censor de detonación
Censor de fase
Esquema del motor flex
44
También, hay otra particularidad que otorga un nuevo significado a la expresión
“renovable” y que indica que los combustibles renovables son una salvadora solución
para el calentamiento global. Es el hecho de que el gas CO 2, emitido por la
combustión de cualquier combustible y principal causa del calentamiento
atmosférico, es reabsorbido por fotosíntesis por las plantas usadas para producir los
combustibles renovables, permitiendo que su utilización sea considerada neutra. Así,
el CO2 emitido en la combustión se renueva, sin agredir al ambiente.
Por estas características de facilidad de uso en tecnologías vehiculares existentes,
para substitución del moribundo y caro petróleo y reducción del impacto ambiental,
es que los combustibles renovables producidos a partir de la biomasa han
conquistado espacio y han incentivado a otros países a interesarse en su aplicación.
Del mismo modo en que existen países interesados en utilizar los combustibles
renovables, también existen países interesados en su producción para exportación,
ya que, por razones climáticas y geográficas, tienen una vocación agrícola y encaran
dicha producción como una oportunidad económica.
Por lo tanto, es posible imaginar el surgimiento de un mercado internacional de
combustibles renovables brevemente, creando alternativas socioeconómicas para
muchos países y alternativas energéticas para otros, por lo menos hasta que se
desarrolle un nuevo concepto de vehículo más limpio, accesible, confiable, para ser
producido en gran escala y sustituir a los actuales automóviles con motor de
combustión interna.
45
CAPITULO II
DISEÑO CONCEPTUAL
2.1
CICLOS TÉRMICOS TEÓRICOS
2.1.1 Teorema de Carnot
En los párrafos que se plantea el estudio del segundo principio bajo la óptica clásica
(es decir centrada en la máquina). La formulación del segundo principio parte del
siguiente postulado básico, respetando la formulación histórica): "No es posible
construir una máquina cíclica y motriz que solo haga subir un peso y enfriar una
fuente única de calor". (Obert, 1998)
Este enunciado amerita algunas aclaraciones: En resumen dice que no es posible
construir una máquina motriz cíclica que funcione con una fuente única de calor.
Esto implica (y de hecho es así) que si se puede construir una máquina motriz no
cíclica que opere con una fuente única de calor.
46
Un buen ejemplo es el caso de una expansión isotérmica en un cilindro. En este caso
se usa la atmósfera como fuente de calor y sí sería posible hacerlo. El que no exista
la limitación del segundo principio para los procesos no cíclicos abre muchas
perspectivas en cuanto a forma muy eficiente de hacer cosas.
Si no es posible construir una máquina cíclica motriz que opere con una fuente única
de calor, entonces será posible si opera entre 2 fuentes de calor (de hecho así es),
una fuente caliente y una fuente fría. El sentido de los intercambios térmicos es el
siguiente:
Sea S1 una fuente de calor a T1 y S2 una segunda fuente a T2. Además T1 >T2. Sea
M una máquina térmica cíclica motriz que intercambia la cantidad de calor Q 1 con S1
y Q2 con S2. La máquina M genera la cantidad de trabajo W (W es >0, es decir la
máquina entrega trabajo al exterior). Los signos de Q1 y Q2 podrían ser:
Q1 y Q2 < 0
Q1 > 0 y Q2 > 0
Q1 < 0 y Q2 < 0
Q1 >0 y Q2 < 0
(Obert, 1998)
Por consiguiente se puede enunciar:
"La máquina térmica cíclica motriz más sencilla que se puede construir opera entre
dos fuentes de calor. Absorbe calor de la fuente caliente y entrega calor a la fuente
fría". Fuente: Motores de Combustión Interna (Obert, 1998)
47
Se define como rendimiento (η) de una máquina motriz el cociente entre el trabajo
obtenido y el calor absorbido de la fuente caliente, es decir:
(Obert, 1998)
El trabajo W es la energía transferida a través de los límites del sistema, debido a
una considerable diferencia de una propiedad distinta de la temperatura
(generalmente por cambios de presión), que existe entre el sistema y los
alrededores.
El calor Q es energía transferida a través de los límites de un sistema debido a la
diferencia de temperaturas entre él y los alrededores.
En principio, se podría pensar que el rendimiento máximo obtenible es función del
ciclo empleado, del fluido de trabajo u otras propiedades técnicas. Sin embargo esto
no es así, el rendimiento del ciclo es solo función de la Temperatura absoluta de las
fuentes.
Por lo tanto se puede enunciar: "Todas las máquinas cíclicas, motrices y reversibles
que operan entre las mismas dos fuentes de calor tienen el mismo rendimiento. Este
rendimiento es un máximo en el sentido de que si la máquina es cíclica, motriz y no
reversible, su rendimiento será inferior" (Obert, 1998).
La percepción de Carnot fue sumamente poderosa, pues implicó que el máximo
rendimiento posible de obtener de una máquina no es función de la máquina, ciclo
48
o fluido de trabajo empleado, solamente depende
de la temperatura
termodinámica de las fuentes de calor utilizadas (Cengel, 1996).
2.1.2
Ciclo de Otto teórico
El motor otto de cuatro tiempos cuyo ciclo mecánico se completa con 4 carreras del
émbolo y dos revoluciones del cigüeñal en teoría sigue el proceso siguiente:
Ilustración 1. Carrera de aspiración – proceso 0-1
(www.monografíás.com)
49
Proceso de Aspiración: Corresponde a la evolución 0-1 (ver ilustración 1) en que el
pistón va desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI) y la
válvula de admisión se abre permitiendo el llenado del cilindro con una mezcla de
aire y combustible todo esto manteniendo a su vez la válvula de escape cerrada.
Para que esto ocurra se necesita aportar trabajo al sistema.
Ilustración 2. Carrera de compresión – proceso 1-2
(www.monografíás.com)
50
Proceso de Compresión (1-2): Acá el pistón comienza a ascender desde el PMI al
PMS manteniendo las válvulas de admisión y de escape cerradas provocando una
compresión adiabática de la mezcla. Para que esto ocurra, al igual que en la
evolución anterior, se debe aportar trabajo al sistema.
Proceso de combustión (2-3): Este proceso ocurre por medio de las bujías que
aportan la energía (chispa eléctrica entre dos electrodos) para el encendido de la
mezcla aire combustible en la cámara de combustión manteniendo ambas válvulas
cerradas. Esto se realiza cuando el pistón se encuentra en su PMS y en teoría es
instantáneo. La combustión de la mezcla provoca un aumento en la presión.
La bujía consiste en un electrodo central y el terminal está unido dentro de un
aislador de cerámica especial (Al2O3) por medio de una junta de vidrio conductora, la
cual es al mismo tiempo una junta contra gas.
Ilustración 3. Combustión - carrera de potencia – proceso 2-3
(www.monografíás.com)
51
Proceso de Expansión (3-4): La combustión de la mezcla provoca que el pistón
baje desde el PMS al PMI generándose trabajo positivo. Esto ocurre manteniendo
ambas válvulas cerradas (VE – válvula de escape y VA – válvula de admisión) y se
supone proceso adiabático.
Apertura de Válvula de Escape (4-1): Cuando el pistón se encuentra en el PMI se
abre sólo la válvula de escape lo que genera una caída de presión que en teoría es
instantánea.
Proceso de expulsión (1-0): En esta carrera se liberan los gases a la atmósfera al
abrir la válvula de escape y el pistón sube desde PMI al PMS. Dado que las
presiones dentro del cilindro y en la atmósfera son las mismas, el trabajo requerido
en este proceso es nulo.
Ilustración 4. Carrera de escape – proceso 1-0
(www.monografíás.com)
52
2.1.3
Ciclo de Otto real
Dado que en la realidad los procesos no son ideales, el ciclo otto real experimenta
algunas variaciones con respecto al ciclo otto teórico que tienen su origen en las
siguientes aproximaciones:
La transferencia de calor en un motor otto real no es nula por lo que el supuesto de la
existencia de procesos adiabáticos (proceso sin transferencia de calor) es sólo
aproximadamente correcta durante la compresión, sin embargo el aumento de la
temperatura en el interior del cilindro durante la combustión hace que la transferencia
de calor durante todo el proceso de expansión no sea despreciable (y a su vez
necesaria para proteger los materiales del motor). De lo anterior se concluye que en
el proceso real se presentan pérdidas por calor que se disipa al ambiente a través de
los medios que circundan al pistón (carcasa de motor, fluido refrigerante) y los gases
de escape.
Otro aspecto a considerar es el hecho de que el proceso de combustión, pese a ser
muy rápido no es instantáneo, lo cual trae consigo que el proceso no ocurra a
volumen constante. En motores cuyo ajuste pretende obtener una máxima eficiencia,
la chispa salta entre 40 y 10 grados antes de alcanzar el PMS. Esto provoca una
combustión temprana que produce un aumento en la presión por sobre el valor
teórico, sin embargo, como la combustión no es instantánea, la presión máxima se
alcanza unos 15 grados después del PMS llegando a un valor mucho menor que el
teórico. Además, durante todo el proceso de expansión la presión real se mantiene
por debajo de la predicha por el modelo teórico.
53
Las reacciones no son ideales, por lo que en la realidad la combinación de varios
efectos provocan que la combustión no sea completa aún en presencia de mezclas
pobres (mezcla con poco combustible) lo que genera que los gases de escape
presenten un cierto porcentaje de monóxido de carbono, hidrógeno e hidrocarburos
no quemados, que a su vez conllevan disminución en la eficiencia del motor.
Todo esto trae como consecuencia una disminución en la eficiencia de conversión
del combustible en comparación con el modelo teórico.
Por otro lado el efecto de disociación del combustible que a altas temperaturas
provoca que cierta cantidad de moléculas de los productos de combustión se
fraccione, genera una disminución de la temperatura máxima de los productos (aún a
volumen constante) en comparación con la teórica.
Finalmente, también contribuye a reducir el rendimiento real, el momento en que se
abren las válvulas. La válvula de escape se abre antes del PMI con lo cual la
expansión de los gases de escape es incompleta y la presión, a partir de ese punto
cae rápidamente. Similarmente la válvula de admisión se cierra después del PMI,
provocando que la presión antes de la combustión sea menor que la teórica.
El resultado de combinar todas estas diferencias es que la eficiencia interna del
motor, es decir, el cociente entre la presión interna real y la potencia teórica esté
entre 0.8 y 0.9.
Características geométricas y Potencia de bombeo de un motor Otto Las
componentes geométricas básicas de un motor Otto son:
54
El diámetro del pistón:
D
Su carrera:
L
El largo de la biela:
b
El radio del cigüeñal:
a
Volumen de cada cilindro:
Vc
Número de cilindros:
nc
Esto a su vez nos permite definir:
Superficie de acción:
A = pi * D ^ 2/4
Volumen desplazado por cada pistón:
Vd = a * L
Volumen total desplazado:
Vdt = Vd * nc
Con estos antecedentes se define la admisión máxima teórica en motores con
aspiración natural dada por:
Vdt = Vdt * N/nr
Donde nr corresponde al número de revoluciones por cada ciclo:
nr:
1 en motores de 2 tiempos
2 en motores de 4 tiempos
N:
velocidad de giro del cigüeñal
55
En un ciclo de 4 tiempos existe una parte del ciclo donde la máquina efectúa trabajo.
Esta parte, llamada el trabajo bruto corresponde a la diferencia entre el trabajo
efectuado durante la expansión de los gases quemados y el trabajo recibido durante
la compresión. En los 2 tiempos restantes, el trabajo de succión es inferior al trabajo
requerido para expulsar los gases quemados. Esta área en el grafico P-V es negativa
y corresponde al trabajo de bombeo.
Luego se define la potencia de bombeo de la manera siguiente:
Pot. Bombeo = (variación de presión) * Vdt,
(Obert, 1998)
Donde la variación de presión es la diferencia entre la presión de escape y la presión
de admisión.
2.1.4
Ciclo de Diesel teórico
La diferencia fundamental entre los ciclos Otto y Diesel se encuentra en la fase de
introducción del calor. En el ciclo Otto, el calor se introduce a volumen constante,
mientras que en el ciclo Diesel se efectúa a presión constante. Otra diferencia entre
ambos ciclos estriba en los valores de la relación de compresión, la cual varía de 12
a 22 para los motores Diesel, mientras que oscila tan sólo entre 6 y 10 para los
motores Otto.
56
Ilustración 5. Diagramas P-v y T-s
(www.cec.uchile.cl)
57
Como se ve en la figura, el ciclo Diesel ideal está formado por cuatro líneas térmicas
que representa: la compresión adiabática (1-2) (proceso sin transferencia de calor);
la introducción del calor a presión constante (2-3); la expansión adiabática (3-4); la
expulsión del calor a volumen constante (4-1). Durante la transformación 2-3 de
introducción del calor Q1 a presión constante, el pistón entra en funcionamiento, y
por tanto, el fluido produce el trabajo:
(Obert, 1998)
Por consiguiente, la ecuación de la energía sin flujo se convierte en
(Obert, 1998)
y la entalpía h (cantidad de energía por unidad de masa) del fluido está dada por la
expresión
(Obert, 1998)
la ecuación se transforma en
(Obert, 1998)
Por ser el fluido un gas perfecto, podemos emplear, para su variación de entalpía a
presión constante, la expresión
(Obert, 1998)
58
Luego, el calor introducido tendrá el siguiente valor:
(Obert, 1998)
Hay que hacer resaltar que en una transformación con introducción de calor a
presión constante varía el valor de la entalpía del fluido activo, mientras que en caso
de la transformación a volumen constante varía el de la energía interna del fluido.
Como la sustracción del calor Q2 se realiza como en el ciclo Otto, se puede escribir:
(Obert, 1998)
y como el fluido es un gas perfecto y el ciclo es ideal:
(Obert, 1998)
Por tanto, el rendimiento térmico ideal del ciclo Diesel teórico es igual a:
he = (calor suministrado – calor sustraído)/ calor suministrado
(Obert, 1998)
expresión del todo análoga a la encontrada para el rendimiento ideal del ciclo teórico
Otto.
Para la transformación 2-3 de combustión a presión constante tenemos:
59
(Obert, 1998)
Para las transformaciones adiabáticas 1-2 de compresión y 3-4 de expansión se
tiene, respectivamente:
(Obert, 1998)
De donde:
(Obert, 1998)
Y como son V4=V1 y T3/T2=V3/V2, se puede escribir:
(Obert, 1998)
Sustituyendo esta expresión en la del rendimiento térmico ideal, resulta:
60
(Obert, 1998)
Indicando con t’ la relación entre los volúmenes V3 y V2 al final y al comienzo,
respectivamente, de la fase de combustión a presión constante, a la cual daremos el
nombre de “relación de combustión a presión constante”, y recordando que
(Obert, 1998)
Se obtiene, finalmente, la expresión del rendimiento térmico ideal del ciclo teórico
Diesel:
Obert, 1998)
En esta expresión el rendimiento térmico ideal es, para el ciclo Diesel, función de la
relación de compresión, de la relación de combustión a presión constante y la
relación k entre los calores específicos.
Las expresiones de los rendimientos térmicos de los ciclos Otto y Diesel difieren
solamente por el término entre paréntesis, que siempre es mayor que 1, y, por ello,
aparece claro que a igualdad de relación de compresión he es mayor para el ciclo
Otto que para el ciclo Diesel. Reduciendo t’, es decir, el calor introducido a presión
61
constante, el rendimiento he del ciclo Diesel se aproxima al del ciclo Otto, con el cual
coincide para t’=1.
Los motores diesel pueden tener uno o varios cilindros o cámaras de combustión y
según su posición pueden estar dispuestos en línea o en V (es decir cilindros
dispuestos en forma de V con un ángulo entre una línea y otra de cilindros, pero
todos con el mismo cigüeñal).
Salvo excepciones en estos artículos se habla de motores de cuatro tiempos y cuatro
cilindros en línea.
Cada uno de los cilindros, durante su funcionamiento, efectúa un ciclo completo de
trabajo durante el cual se producen cuatro carreras que son:
ADMISIÓN, COMPRESIÓN, COMBUSTIÓN Y ESCAPE.
Carrera de admisión
Puede ser considerada el primer movimiento del ciclo que se efectúa de la siguiente
forma:
1. Movimiento del pistón hacia abajo.
2. Válvula de admisión abierta.
3. El aire entra en el cilindro al mismo tiempo que el pistón se mueve hacia
abajo.
4. La presión atmosférica fuerza al aire a entrar en el cilindro para ocupar el
vacío que se produce en el mismo.
62
5. La válvula de admisión permanece abierta hasta pocos grados después del
punto muerto inferior para aprovechar la inercia del aire entrando en el
cilindro.
Ilustración 6. Carrera de admisión
(www.monografíás.com)
Carrera de compresión
63
1. Movimiento del pistón hacia arriba.
2. Ambas válvulas cerradas.
3. Disminuye el volumen del aire en el cilindro, aumenta la presión y se
incrementa la temperatura debido a la compresión.
Ilustración 7. Carrera de compresión
(www.monografíás.com)
64
Carrera de combustión
1. El combustible es inyectado en ese reducido volumen en el que se encuentra
el aire a alta presión y temperatura, justo un momento antes del punto muerto
superior.
2. El combustible comienza a quemarse debido al calor producido por la
compresión.
3. Los gases comprimidos se expansionan rápidamente debido a la explosión o
combustión instantánea.
4. El pistón es forzado hacia abajo por la expansión de los gases,
proporcionando potencia al cigüeñal.
65
Ilustración 8. Carrera de combustión
(www.monografíás.com)
Carrera de escape
1. El pistón se mueve hacia arriba.
2. La válvula de escape se abre un poco antes de que el pistón llegue al punto
muerto inferior de la carrera de combustión.
3. El movimiento del pistón hacia arriba fuerza a los gases quemados al exterior
de la válvula de escape.
66
4. Generalmente la válvula de escape estará cerrada ligeramente antes del punto
muerto superior.
Ilustración 9. Carrera de escape
(www.monografíás.com)
Algunos motores, tienen válvulas solapadas o en cruce. La válvula de admisión abre
antes del punto muerto superior y la válvula de escape cierra después del punto
muerto superior.
67
2.2
TIPOS BÁSICOS DE COMBUSTIBLES
2.2.1
Combustibles de motores de encendido por chispa
Gasolina es un nombre colectivo que designa los hidrocarburos con diferente
estructura química obtenidos por destilación, craqueo, reforming, isomerización,
polimerización o alcohilación del petróleo en un campo de ebullición que oscila entre
los 25 ºC y los 210 ºC.
La gasolina normal es gasolina con suficiente resistencia al golpeteo para muchos
motores encendidos por chispa. La gasolina súper es una mezcla de componentes
altamente resistentes al picado y con mayor resistencia al golpeteo que la gasolina
normal.
Propiedades del carburante
La volatilidad, formación de mezcla, poder calorífico, proceso de combustión
(resistencia al golpeteo o facilidad de encendido) son propiedades decisivas para la
utilización en los motores.
La gasolina debe ser muy volátil. Para la valoración sirven la ebullición y la presión
del vapor. La curva de ebullición indica la cantidad de carburante evaporada a
determinada temperatura en un recipiente de ebullición. Con respecto al
comportamiento en el motor son importantes tres zonas de la curva de ebullición, que
pueden caracterizarse por la parte evaporada a tres diferentes temperaturas. El
volumen evaporado hasta 70 ºC debe ser grande para el fácil arranque del motor frío,
y no demasiado grande para evitar la formación de burbujas de vapor en el motor
68
caliente. El volumen evaporado hasta 180 ºC no debe ser demasiado pequeño, para
evitar la disolución del aceite lubricante especialmente en el motor frío. La parte del
lubricante que se evapora a 100 ºC determina la disposición de servicio y el
comportamiento de aceleración del motor caliente.
La presión del vapor es también una medida de la capacidad de gasificación de un
carburante. Los carburantes con elevada presión de vapor pueden formar burbujas
de vapor en el sistema de conducción e interrumpir el suministro de combustible. El
calor de vaporización (cantidad necesaria de calor para transformar 1 Kg del líquido,
a presión exterior invariable, en vapor con la misma temperatura).
El número de octanos indica la resistencia al golpeteo de una gasolina. A mayor
número de octanos mayor es la resistencia al golpeteo del combustible. El valor
numérico del número de octanos hasta 100 indica el porcentaje en volumen de isooctano contenido en una mezcla con n-heptano que muestra en un motor de prueba
el mismo comportamiento al golpeteo que el combustible a analizar. Una suficiente
antidetonancia de la gasolina es la condición previa para una combustión normal de
un motor de explosión. Una antidetonancia insuficiente produce perturbaciones en la
combustión y, por consiguiente, averías en el motor.
2.2.2
Combustibles de motores de encendido por compresión
El carburante Diesel es una mezcla de hidrocarburos que hierven entre
aproximadamente 150 ºC y 360 ºC y se forman en la destilación del petróleo, así
como en el craqueo y la hidrogenación de aceites residuales.
69
El número de cetanos designa el poder de encendido de un combustible diesel.
Cuanto mayor es el número de cetanos mayor es el poder de encendido del
combustible. El valor numérico del número de cetanos indica el porcentaje en
volumen de n-cetanos contenido en una mezcla con a-metilnafataleno, con la cual se
determina en un motor de prueba el mismo retardo de encendido que con el
combustible diesel a analizar. Al cetano con muy elevado poder de encendido se le
asigna el número de cetanos 100, al metilnafataleno con bajo poder de encendido, el
número de cetanos 0.
El poder de encendido es la propiedad de un combustible de producir el
autoencendido en un motor diesel.
Para el autoencendido es necesario en cada combustible, además de la
pulverización, presión y temperatura, un periodo de preparación (retardo de
encendido) desde el inicio de la inyección hasta la combustión. Un suficiente poder
de encendido de un combustible diesel es la condición previa para una combustión
normal y antidetonante en el motor.
2.2.3
Desarrollo de la combustión
Para poder combinarse con el oxígeno del aire de combustión, el combustible líquido
deber formar una mezcla homogénea con el aire. De esta forma, las moléculas del
combustible y del oxígeno se encuentran estrechamente unidas y se aprovechan al
máximo en la combustión. La combustión se desarrolla del modo más favorable y el
rendimiento del motor es mayor cuando los gases de escape contienen la menor
cantidad posible de oxígeno y combustible no quemado.
70
Desarrollo de la combustión en un motor encendido por chispa
La mezcla de aire-combustible se comprime en la cámara de compresión de 8 a 15
bar. No obstante, la temperatura final de compresión de 400 a 600 ºC no es
suficientemente alta para que se produzca el autoencendido de la mezcla; sólo la
chispa de encendido de la bujía inicia la combustión. Para el desarrollo y la calidad
de la combustión en el cilindro es decisivo el avance del frente de la llama desde el
punto de encendido.
La llama se hace avanzar por arrastre, conducción y radiación caloríficas, pero
especialmente por la circulación turbulenta de gas. La velocidad de propagación de
la llama comienza lentamente en la bujía, alcanza con la presión máxima de
combustión (30 a 40 bar) y la temperatura máxima (2000 a 2500 ºC) un valor máximo
y disminuye nuevamente al final de la combustión por escasez de oxígeno y la
aproximación del frente de la llama a las paredes más frías del cilindro.
El valor medio de la velocidad durante la combustión es de aproximadamente 10 a
25 m/s. La velocidad alcanza su valor máximo con 10% de escasez de aire y elevado
número de revoluciones y disminuye con mezcla más rica o más pobre y con menor
número de revoluciones debido a una menor turbulencia (sin circulación torrencial o
turbulenta es solamente de 1 a 5 m/s).
Desarrollo de la combustión en el motor diesel
En la cámara de combustión se comprime aire puro (sin mezcla adicional de
combustible) hasta una presión que oscila entre 30 y 55 bar y se calienta hasta una
temperatura que oscila entre 700 y 900oC, de modo que al inyectar el combustible
71
éste se autoenciende. Las partículas del combustible no comienzan a quemarse
inmediatamente al entrar en la cámara de combustión, sino que deben mezclarse
primero con el aire y calentarse para formar una mezcla inflamable de airecombustible.
Esta preparación de la mezcla requiere tiempo, pero éste no puede reducirse a
voluntad, ya que deben aprovecharse en lo posible todas las moléculas de oxígeno y
combustible durante la combustión, y el combustible no debe quemarse directamente
en la boca de la tobera de inyección.
El retardo del encendido es el tiempo entre el comienzo de la inyección y el del
encendido. Es una característica principal de la combustión en los motores diesel. Un
cierto retardo de encendido de aproximadamente 0.001 s es siempre necesario para
la formación de la mezcla. El autoencendido se inicia después del comienzo de la
inyección tanto más rápidamente cuanto más fácilmente se desintegra el
combustible, más caliente está el aire, más se pulveriza el combustible durante la
inyección (tamaño de las gotitas de 4 a 15 μm; con gotitas más pequeñas, superficie
total más grande y gasificación más rápida) y más íntima es la mezcla entre
combustible y el aire. Si el retardo del encendido es inadmisiblemente elevado
superior a aproximadamente 0.002 s la marcha del motor es dura (golpeteo).
2.3
TIPOS BÁSICOS DE MOTORES Y SU FUNCIONAMIENTO
2.3.1
Motor de cuatro carreras encendido por chispa
La mayoría de los motores de combustión interna, utilizan el principio del émbolo
reciprocante, que consiste en un émbolo que se desliza dentro de un cilindro, con un
72
movimiento reciprocante, transmitiendo fuerza y movimiento a la flecha motriz, por lo
general, mediante un simple mecanismo de biela y manivela.
Los motores de émbolo reciprocante encendidos por chispa tienen la siguiente
secuencia de funcionamiento:
1. Una carrera de admisión para inducir una mezcla combustible hacia el interior
del cilindro del motor (válvula de admisión abierta).
2. Una carrera de compresión, para elevar la temperatura y presión de la mezcla
(ambas válvulas cerradas).
3. Al final de la carrera de compresión ocurre la chispa y el incendio consecuente
de la mezcla. Este hecho libera energía, se aumenta la temperatura y la
presión de los gases; que a su vez hacen descender el émbolo en la carrera
de expansión o potencia (ambas válvulas cerradas).
4. Una carrera de escape, producida por la inercia sobre el émbolo para barrer el
cilindro, expulsando los gases quemados (válvula de escape abierta).
Los términos más utilizados al referirse a motores de émbolo reciprocante son:
desplazamiento, volumen de compresión y relación de compresión o expansión.
El desplazamiento (D), es el volumen (en cm3 o plg3) barrido por el émbolo en una
carrera (n veces este valor para un motor de n cilindros); el volumen de compresión
(c), es el volumen de los gases comprimidos y es también el volumen de la cámara
de combustión; la relación de compresión o de expansión (rv) es igual a:
73
(Obert, 1998)
La mayoría de los motores encendidos por chispa tienen relaciones de compresión
muy próximas de 7 a 1; aunque también ya son comunes los motores con relaciones
de compresión de 8 a 1.
En todos los motores de émbolo reciprocante, se tienen dos posiciones en las cuales
éste llega a una completa inmovilidad, debidas a la inversión del movimiento del
cigüeñal. En el límite inferior de su carrera, la posición se llama punto muerto inferior
(PMI). Existe una posición muerta semejante en el instante en que el émbolo llega al
punto muerto superior (PMS).
Dado que la carrera de potencia sólo existe en una parte del tiempo total del ciclo, se
emplea un volante (disco pesado que se instala en el extremo terminal del cigüeñal,
diseñado para almacenar energía y absorber las variaciones de las energías a la
entrada y a la salida) para nivelar la carga y hacer uniformes los impulsos; con el
objetivo de tener una rotación uniforme del cigüeñal.
2.3.2
Motor de cuatro carreras encendido por compresión
La rápida compresión del aire hasta presiones elevadas, puede elevar su
temperatura hasta un valor tal que si se surte dentro de la cámara de combustión un
combustible, éste se incendia espontáneamente sin depender de una chispa para
iniciar la combustión o una mezcla homogénea para propagar la llama.
Para visualizar el motor Diesel o de encendido por compresión, reemplazando la
bujía por una válvula inyectora de combustible y aumentando la relación de
74
compresión hasta más o menos 15 a 1. Actualmente se tienen motores con
relaciones de compresión que oscilan entre 12 a 1 y 18 a 1. El ciclo Diesel está
compuesto por las siguientes fases:
1. Una carrera de admisión para inducir dentro del cilindro solamente aire
(válvula de admisión abierta)
2. Una carrera de compresión para llevar aire hasta una temperatura y presión
superior a la del punto de encendido del combustible (ambas válvulas
cerradas)
3. Inyección del combustible durante la primera parte de la carrera de expansión
con una rapidez tal, que la presión se mantenga constante, siguiendo la
expansión, hasta el volumen inicial del cilindro (ambas válvulas cerradas)
4. Una carrera de escape para expulsar del cilindro los gases quemados (válvula
de escape abierta)
2.3.3
Control de velocidad y carga en motores encendidos por chispa
Una chispa puede encender solamente a una mezcla de combustible, si se desea
que la llama se propague a través de ella, deberán estar presente en toda la cámara
de combustión, cantidades de aire y combustible en proporciones definidas y
homogéneas (aproximadamente 15 partes de aire por una de combustible, en peso).
Un carburador es el medio usual para obtener la relación aire-combustible requerida.
Este elemento está compuesto por las siguientes partes básicas: un venturi, una
tobera para combustible con orificio medidor, un recipiente para combustible en la
75
cámara del flotador, un acelerador y un ahogador. Cuando el émbolo desciende en la
carrera de admisión, aspira aire (a presión atmosférica) a través del venturi. Debido
al pequeño diámetro de la garganta del venturi se aumenta la velocidad del aire y se
disminuye su presión. Pero la presión en el extremo de la tobera, también es menor
que la presión (atmosférica) dentro de la cámara del flotador. Por esta diferencia de
presiones, el combustible es pulverizado dentro de la corriente de aire, en una
cantidad tal, que es determinada por el tamaño del orificio medidor.
Es importante notar que si se aumenta la velocidad del motor, aumenta la cantidad
de aire aspirado a través del venturi, y por lo mismo, se crea mayor caída de presión
y proporcionalmente se pulveriza mayor cantidad de combustible en el seno de la
corriente de aire.
El esfuerzo de giro aplicado al cigüeñal, depende de la masa de la mezcla quemada
en cada cilindro, por ciclo, y se controla, restringiendo la cantidad de mezcla (pero no
necesariamente la relación aire-combustible), que entra al cilindro en la carrera de
admisión. Esto se consigue mediante el empleo, en el carburador, de una válvula
llamada estrangulador o acelerador, para obstruir el paso hacia el múltiple de
admisión.
En la carrera de admisión, si el acelerador está casi cerrado, entrará al cilindro
solamente una pequeña cantidad de mezcla y la presión dentro de él estará muy por
debajo de la presión atmosférica, con las correspondientes presiones de compresión
y combustión, también bajas. La velocidad resultante del motor será lenta y si el
cigüeñal no está acoplado a una carga externa, se dice que el motor está en vacío.
76
Cuando el acelerador se abre gradualmente, la velocidad del motor irá aumentando,
hasta un valor determinado por la carga externa acoplada a la flecha motriz.
Por tanto, la velocidad del motor se controla mediante las posiciones del
estrangulador o acelerador, y también, por la magnitud de la carga bajo la que se
encuentra el motor.
El ahogador permite al motor recibir una cantidad adicional de combustible para el
arranque, cuando está frío. Al cerrar el ahogador, la succión del motor se ejerce
directamente en la tobera del combustible, mientras que se restringe la entrada de
aire.
2.3.4
Control de velocidad y carga en motores encendidos por compresión
El método moderno de inyección es el de comprimir y pulverizar solamente
combustible dentro del cilindro, dependiendo de la alta presión de inyección para la
atomización del mismo.
77
Ilustración 10. Sistema de inyección motor encendido por compresión (Obert, 1998)
78
Cuando el émbolo inyector está en la parte más baja de su carrera el combustible es
forzado hacia el interior de la cámara del émbolo por el conducto de entrada A.
En un instante conveniente del ciclo, se elevará el émbolo inyector, cerrando el
conducto de entrada con la consecuente compresión del combustible. Este abrirá la
válvula de retención, comunicando su presión al residuo de combustible detenido en
la tubería de descarga. La misma acción se repite en la válvula de retención próxima
a la salida de la tobera, siendo pulverizado el combustible desde el orificio de ella al
interior de la cámara de combustión. El final del periodo de inyección ocurrirá
después que el conducto de entrada es descubierto por la ranura helicoidal del
émbolo de la bomba, porque la alta presión arriba del émbolo se descarga por la
ranura B, en comunicación con el conducto A.
La duración del período de inyección se determina mediante el diseño de la leva, del
árbol de levas de la bomba de inyección, que es accionado por el motor mismo.
Si se presenta una carga menor, la cremallera C se mueve hacia la izquierda,
haciendo girar al émbolo inyector con su ranura helicoidal. A continuación, al
elevarse el émbolo, se inicia la inyección igual que antes, pero la descarga de
presión se anticipa debido a que la ranura helicoidal coincide más pronto con el
conducto a. Por lo tanto, la duración de la inyección se reduce para cargas parciales
junto con la cantidad de combustible inyectado.
Cuando la cremallera C se mueve hasta su posición límite, la ranura B quedará
alineada con el conducto A. En esta posición, que es la de parada, el combustible no
será ni comprimido ni inyectado.
79
Debido a que la cremallera C gobierna la velocidad y la habilidad del motor para
conducir cargas, se le llama el estrangulador o acelerador. En el motor encendido por
compresión no se estrangula el aire de entrada como un medio de control, a pesar
del nombre del dispositivo.
En el motor encendido por compresión no se requiere una relación fija de aire
combustible, porque éste se inyecta en el seno de un aire extremadamente caliente,
incendiándose en cualquier punto en el cual se forme la mezcla combustible. Con
objeto de que se produzca la combustión, tampoco es necesaria la propagación de la
flama.
Por tal motivo, a plena carga es deseable inyectar una cantidad de combustible tal
como para que se queme todo el aire que hay en el cilindro. Prácticamente no se
puede alcanzar este límite porque no es posible para el chorro localizado de
combustible, encontrar a todo el aire, ya que existen regiones ricas y pobres; razón
por la cual los gases de escape pueden tener coloración y olor picante.
2.3.5
Motor de dos tiempos
Este es un tipo de motor totalmente diferente al de cuatro tiempos, tanto en
funcionamiento como en apariencia física. Dentro de las diferencias se encuentran
que no posee eje de levas, engranajes de distribución, válvulas, etc. El cárter es de
pequeñas dimensiones y se encuentra cerrado herméticamente debido a que se usa
para la admisión y pre-comprensión de la mezcla.
La descripción del motor es la siguiente: A un lado del cilindro se encuentra una
lumbrera o conducto de carga, por el cual la mezcla pasa del cárter al cilindro.
80
Existen otros dos conductos, generalmente opuestos en posición al de carga por
donde se hace la admisión procedente del carburador y el escape hacia la atmósfera.
El funcionamiento es el siguiente:
1. El cárter aspira una nueva mezcla y al subir el pistón se comprime la mezcla.
2. En el cárter continúa la aspiración mientras que en la parte superior del
cilindro se presenta la chispa de la bujía y el pistón comienza su descenso.
3. En el cárter se pre-comprime la mezcla y el pistón deja escapar los gases por
el conducto de escape.
4. Por el conducto de carga entra la nueva mezcla que empuja los gases
quemados hacia fuera.
En este tipo de motores el pistón tiene una forma especial, como se muestra en la
figura, que permite dar dirección a los flujos, por medio del deflector, en el momento
que está entrando la mezcla nueva y salen los gases ya quemados.
81
Ilustración 11. Ciclo motor de dos tiempos (uamerica.edu.co)
Si se emplea el ciclo de dos carreras para un motor carburado con gasolina, parte de
la mezcla fresca será desalojada junto con los gases de escape. En los motores
encendidos por compresión no existe la desventaja de la pérdida de combustible,
porque se emplea solamente aire, y, por lo tanto, sólo se pierde aire en el barrido del
cilindro.
2.3.6
Motor Wankel
Es un tipo de motor totalmente diferente a los expuestos anteriormente y se utiliza
generalmente en aplicaciones industriales y marinas. Este motor no posee pistones,
en su lugar se encuentra un rotor triangular con lados curvos y órbita excéntrica
sobre un engranaje.
Ilustración 12. Motor Wankel (www.uamerica.edu.)
En este tipo de motor, el pistón triangular divide al espacio del estator en tres
cámaras rotatorias de volumen variable, en donde se desarrollan simultáneamente
82
tres ciclos de cuatro tiempos desfasados un tercio de vuelta de rotor. Los cuatro
tiempos del motor ocurren en una sola de revolución del cigüeñal.
Uno de los mayores inconvenientes de este tipo de motor, se encuentra en los
vértices del rotor, donde debido al empuje del engranaje central y la fuerza centrífuga
se presentan problemas de refrigeración, ya que entre las fases de combustión y
escape existen diferencias de temperaturas entre los 100 °C y los 150 °C, junto con
problemas de estanqueidad por rozamiento en los sellos.
Los motores Wankel pueden estar conformados por uno, dos, tres o cuatro rotores,
en la figura se muestra uno de dos rotores desfasados 180° entre sí.
Este tipo de motor es mucho más sencillo, en su construcción, que uno convencional
de pistones, debido a su menor cantidad de componentes. Sus partes principales
son:
Rotor: Es de perfil triangular y de lados curvados, se encuentra perforado en su
punto central. Dicho agujero cumple dos funciones, la primera es la zona principal
cilíndrica y lisa que constituye el elemento de soporte dentro del cual gira un gorrón
excéntrico solidario al eje del motor. La otra parte está constituida por una corona
dentada que engrana con un piñón solidario a la parte fija del motor.
Estator: Es el lugar dentro del cual gira el rotor, su forma es epitrocoidal de dos
lóbulos. La epitrocoide es una curva que se describe debido a un punto interior a una
circunferencia generatriz que rueda, exteriormente, sobre otra circunferencia base. El
número de lóbulos es igual a la relación entre los radios de ambas circunferencias,
como se ve en el siguiente dibujo, aquí mismo se muestra cómo la epitrocoide
83
coincide con la trayectoria de los vértices del rotor triangular, cuyo eje se desplaza
sobre una circunferencia de radio e.
El gorrón excéntrico, alrededor del cual gira el rotor y por donde el rotor le transmite
potencia al eje, representa el gorrón de manivela del cigüeñal.
El movimiento de revolución del motor está definido por la rotación de su propio eje
principal de simetría, que coincide con el eje del gorrón, en torno al eje del estator,
que coincide con el del cigüeñal. Por esto es que en este tipo de motores el
movimiento planetario del rotor puede asimilarse al de una manivela. La descripción
de este mecanismo de manivela se muestra en la siguiente figura:
Ilustración 13. Gorrón excéntrico (www.uamerica.edu.co)
84
Para la entrada de la mezcla y la salida de los gases existen dos tipos de lumbreras,
la posición más sencilla es en la periferia del estator y permite máxima duración en la
fase de admisión; la otra es cuando las lumbreras se encuentran colocadas
lateralmente, lo que permite una mayor turbulencia y mejora las prestaciones a
regímenes bajos.
Las demás partes de funcionamiento del motor Wankel son similares a las de un
motor convencional, como son la alimentación, refrigeración, etc, otro punto para
resaltar es que en el sistema de encendido de combustión utiliza únicamente una
bujía y en algunos casos dos.
2.4
PRUEBAS EN MOTORES
2.4.1
Potencia y rendimiento mecánico
La medición de la potencia o trabajo realizado por unidad de tiempo, es de
importancia básica al determinar la capacidad de producción de un motor.
Entre los principales dispositivos utilizados para este objeto es el freno de prony y el
freno de agua.
El freno de prony es económico, simple en su funcionamiento y fácil de construir. Es
muy utilizado en pruebas de baja velocidad. La desventaja principal de este tipo de
freno es su par de torsión constante aplicado y, por lo mismo, su inhabilidad para
compensarse bajo condiciones de carga variable.
El freno de agua se emplea cuando se tienen cargas muy pesadas y altas
velocidades ya que la capacidad es aproximadamente proporcional al cubo de la
85
velocidad de giro. A bajas velocidades la capacidad de absorción es relativamente
limitada. En contraste con el freno de prony con su par torsional constante, el freno
de agua no atasca o para al motor que está bajo estudio.
La potencia obtenida de un motor es llamada comúnmente la potencia de freno (bhp)
y algunas veces potencia de flecha o simplemente caballos producidos. La potencia
desarrollada al quemarse combustible y el aire que se emplea para vencer la fricción
en los cojinetes, émbolos y otras partes mecánicas del motor además en la inducción
de la carga de aire-combustible y en la expulsión de los gases de escape, se
denomina potencia de la fricción (fhp). Por consiguiente, la potencia total
desarrollada por el motor es la potencia indicada (ihp) y es igual a:
Ihp = bhp + fhp
(Obert, 1998)
La potencia perdida en las fricciones es difícil de determinar experimentalmente por
no haber un método directo para medirla.
La relación entre la potencia producida por el motor (bhp) y la potencia total
desarrollada dentro de él (ihp) se conoce como rendimiento mecánico (ηm).
2.4.2
Par torsional (dinamómetro)
El par de torsión (o torque) es un momento de torsión o de giro y es la medida de la
tendencia rotatoria de una fuerza. Es par de torsión es una medida de la habilidad de
una máquina para realizar trabajo, en tanto que la potencia es una medida de la
razón a la cual se puede efectuar ese trabajo.
2.4.3
Presión media efectiva
86
La presión media efectiva al freno (bmep) se define como la presión teórica
constante que imaginariamente se ejerce durante cada carrera de potencia del motor
para producir una potencia igual a la del freno.
La presión media efectiva indicada (imep) se define como la presión teórica
constante que supuestamente se ejerce durante cada carrera de potencia del motor,
para producir una potencia igual a la indicada.
2.4.4
Consumo de combustible, consumo específico de combustible y
rendimiento térmico
El método aceptado para medir la cantidad de combustible usado por un motor, es el
de pesarlo mediante un equipo de pruebas; que consiste básicamente en una
balanza para combustibles utilizada para la medición de combustible consumido (en
peso) en un tiempo determinado. La balanza se ajusta de tal forma que el depósito
de combustible sea ligeramente más pesado que las pesas. A medida que el
combustible es consumido y en el momento que se alcance el equilibrio se hace
trabajar el reloj y se anota el peso del combustible. Pasado un tiempo que depende
de la duración deseado de la prueba, se ajusta nuevamente la báscula quitándole
pesas hasta que el depósito de combustible resulte más pesado.
Cuando se alcance nuevamente el balance perfecto después del consumo de más
combustible, se detiene el reloj y se anota el peso del combustible. La diferencia
entre las dos pesadas en el momento del balance es el peso del combustible
consumido en el tiempo indicado por el reloj. Este procedimiento da el consumo
medio de combustible durante el periodo de la prueba.
87
Siguiendo el procedimiento anterior, se obtienen resultados que muestran un
consumo de m kg de combustible en t minutos. Entonces,
Consumo usado por hora (hr) =
60 m
t
Consumo usado por
hp-hr =
60 m
(Obert, 1998)
=F
(hp) t
(Obert, 1998)
La ecuación anterior se define como el consumo específico de combustible, pudiendo
ser el consumo de específico de combustible al freno o el indicado.
El rendimiento térmico se define como el rendimiento de la conversión del calor en
trabajo en un ciclo:
ηt = rendimiento térmico =
trabajo calor
Suministrado
(Obert, 1998)
El consumo específico de combustible es un parámetro comparativo que muestra
con cuanta eficiencia convierte un motor el combustible en trabajo. Este parámetro
es preferible al rendimiento térmico porque todas las cantidades son medidas en
unidades físicas normales y aceptadas, como son: el tiempo, los caballos de fuerza y
el peso.
88
2.4.5
Consumo de aire
El trabajo realizado por un motor de combustión interna depende de la cantidad de
energía liberada cuando se quema una mezcla de aire y combustible. Pero el aire
ocupa un volumen mucho mayor que el del combustible y la inducción de aire dentro
del cilindro presenta algunas dificultades.
Si el motor no induce la mayor cantidad posible de aire será limitado el trabajo
producido por él, sin importar que se añada mucho combustible. Después de que ha
sido diseñado y construido un motor es conveniente medir el consumo de aire (en
kilogramos por hora o libras por hora) para asegurarse que no haya restricción en los
sistemas de admisión y escape que eviten la libre respiración del motor.
2.4.6
Relaciones aire-combustible y combustible-aire
La relación aire-combustible es la relación de masas, que muestra las porciones de
aire y combustible en la cámara de combustión:
AF (relación aire-combustible) =
kg de aire en el tiempo t
kg de combustible en el tiempo t
(Obert, 1998)
En muchos casos se especifica la recíproca de la relación aire-combustible que es la
relación combutible-aire:
FA (relación combustible-aire) = kg de combustible en el tiempo t
kg de aire en el tiempo t
(Obert, 1998)
89
2.4.7
Rendimiento volumétrico
El rendimiento volumétrico se define como la relación del peso real de aire inducido
por el motor en la carrera de admisión entre el peso teórico de aire que debiera
inducirse llenando el volumen de desplazamiento del émbolo con aire a la
temperatura y presión atmosférica:
ηv = rendimiento volumétrico =
ma
mt
(Obert, 1998)
en donde ma = peso real de aire inducido por carrera de admisión (kg por hr /número
de carreras de admisión) y mt = peso teórico de aire para llenar el volumen de
desplazamiento bajo condiciones atmosféricas.
2.4.8
Tipos de pruebas
Las pruebas de los motores de combustión interna pueden dividirse en dos tipos:
1. Pruebas de velocidad variable (motores automotrices y marinos), y
2. Pruebas de velocidad constante (motores para accionar generadores y
bombas).
Las pruebas de velocidad variable pueden dividirse en pruebas plena carga en las
que los objetivos son determinar la máxima potencia y el consumo específico mínimo
de combustible, en las diferentes velocidades; y en pruebas con cargas parciales el
objetivo es determinar las variaciones del consumo específico de combustible. La
prueba de velocidad constante se hace principalmente para determinar el consumo
específico de combustible.
90
2.4.9
Prueba de velocidad variable en motor encendido por chispa
Para efectuar una prueba de potencia máxima en el motor encendido por chispa se
abre totalmente el acelerador manteniendo la velocidad mínima deseada mediante el
ajuste del freno o de la carga externa. Se ajusta la chispa (si es manual) para tener
máxima potencia a esa velocidad. Se corre el motor durante cierto tiempo hasta que
el agua y el aceite alcanzan su temperatura definida de trabajo.
Cuando el motor está trabajando a una temperatura aproximada de equilibrio se
inicia la prueba mediante el reloj que controla el consumo de combustible. La prueba
termina cuando se termina la de consumo de combustible. Durante este período de
tiempo se miden la velocidad media, la carga del freno, las temperaturas, el peso del
combustible, etc.
Después de completar esta fase, se ajustan el freno o la carga hasta que varíe la
velocidad en la proporción deseada, en tanto que se ajusta la chispa par un máximo
par torsional (exceptuando cuando se especifique control automático de la chispa).
Nuevamente se obtienen las condiciones de equilibrio de la temperatura repitiendo el
proceso descrito en el parágrafo anterior.
2.4.10
Prueba de velocidad variable en motor encendido por compresión
En una prueba de máxima potencia del motor encendido por compresión a diferentes
velocidades el problema es más difícil que para el motor encendido por chispa
porque no hay un límite preciso de producción a ninguna velocidad. Siguiendo el
proceso de la prueba del motor encendido por chispa, se ajusta el freno hasta
91
obtener la velocidad más baja de funcionamiento con la bomba de combustible
inyectando una cantidad suficiente para hacer que los gases de escape del motor
ligeramente coloreados. Esto indica que el motor está cercano a la carga máxima
porque parte del combustible se está perdiendo en el humo. Como el motor
encendido por compresión induce una cantidad constante de aire en la carrera de
admisión, una pequeña cantidad de combustible inyectada al motor no usará todo el
aire del cilindro. Esto sucede en las cargas parciales. A medida que se aumenta la
carga, se inyecta mayor cantidad de combustible y más del aire contenido en la
cámara del pistón es requerido para la combustión. En cierta etapa de la prueba, con
más inyección de combustible se tendrá que parte de este no es oxidado
completamente habiendo producción de humo. Incluso, en estas condiciones, parte
del aire en el motor no puede ser empleado por la falla del combustible inyectado
para encontrar el aire. En el motor encendido por chispa se tenía el acelerador
abierto hasta su límite; en el motor encendido por compresión no hay un límite
preciso siendo usado el color del humo de escape para indicar dicho límite.
Si el motor encendido por compresión está equipado con un tope para el acelerador
que restrinja la cantidad de combustible inyectado por carrera de la bomba, entonces
la prueba se conduce exactamente como en el caso del motor encendido por chispa.
Sin embargo, el resultado no será una prueba de la potencia máxima del motor sino
una prueba de potencia máxima para cierta posición de la bomba de inyección. En
otras palabras, si se observa el escape durante la prueba podrá cambiar el color del
humo con cada cambio de velocidad en lugar de permanecer constante.
92
Las pruebas de velocidad variable de un motor encendido por compresión con
cargas parciales se conducen en la misma forma que para el motor encendido por
chispa.
2.4.11
Prueba de velocidad constante
Se verifica variando el acelerador desde la posición sin carga hasta de la plena carga
en pasos convenientes de la carga para obtener curvas continuas. Comenzando con
carga cero, se abre el acelerador para obtener la velocidad deseada siguiendo el
procedimiento de la prueba ya descrita. Al terminar la primera fase, se aplica la carga
al motor abriendo un tanto el acelerador como para mantener la misma velocidad
constante que se tenía anteriormente, estando lista para iniciarse la segunda fase de
la prueba. La última fase se realiza con el acelerador completamente abierto. La
última prueba en el motor encendido por compresión exhibirá humo en los gases del
escape.
2.5
GOLPETEO EN LOS MOTORES ENCENDIDO POR CHISPA Y POR
COMPRESIÓN
2.5.1
Autoencendido en los motores encendido por chispa y por
compresión
Los factores básicos que controlan el autoencendido en un motor ya sea encendido
por chispa o por compresión son los siguientes:
1. Temperatura
2. Densidad
93
3. Tiempo (demora del encendido)
4. Relación combustible-oxígeno
5. Material suplementario (gases inertes, catalizadores, etc.)
6. Turbulencia (que afecta a la homogeneidad de la mezcla)
En un motor encendido por chispa la llama viaja a través de la cámara de combustión
manteniéndose una proporción ordenada y elevándose la presión uniformemente
dentro de ella.
Adelante del frente de la llama, la mezcla que no se quemó es comprimida por la
presión que va en aumento, con la consiguiente elevación en su temperatura y en su
densidad.
Si la demora del encendido de la mezcla no quemada, se consume antes de
conseguir la formación de la llama, ocurre el autoencendido de los extremos de la
masa gaseosa. Con este autoencendido, el proceso metódico de la combustión se
convierte en ingobernable, experimentando una violenta elevación de la presión. La
energía se libera a una velocidad mayor que la prevista por el diseño; entonces se
presenta el fenómeno del golpeteo. En los motores encendidos por chispa, el
golpeteo se caracteriza por el brusco autoencendido de la alimentación, cerca del
final del proceso de combustión.
En el motor encendido por compresión se inyecta combustible líquido en el seno de
aire caliente, apareciendo una demora física mientras es atomizado, vaporizado,
elevado en su temperatura y mezclado con el aire. Enseguida tiene lugar una demora
94
química, antes de que aparezca la llama. Durante la demora en el encendido es
inyectado más y más combustible dentro de la cámara de combustión. Debido a esta
acumulación de combustible, en el momento de iniciar la combustión, lo hace a gran
velocidad y el impacto de la presión ocasiona que el motor vibre mientras vayan
apareciendo en la cámara las diferencias de presión. El golpeteo en los motores
encendido por compresión se caracteriza por un súbito autoencendido de la mezcla
muy al principio del proceso de combustión.
Al comparar los procesos de combustión de motores encendidos por chispa y por
compresión, se muestra que el golpeteo es originado en ambos por el mismo
fenómeno (autoencendido del combustible). En el motor encendido por chispa tiene
lugar un incontrolado encendido por sí mismo, al final del período de elevación de la
presión; en el motor encendido por compresión, el encendido por sí mismo no
controlado, ocurre muy al principio de la elevación de la presión.
2.5.2
El golpeteo y el motor encendido por chispa
Las variables fundamentales de funcionamiento que inciden directamente en el
autoencendido en un motor son:
a) Factores de temperatura
b) Factores de densidad
c) Factores de tiempo
d) Composición
95
a. Factores de temperatura:
Aumentando la temperatura de la mezcla no quemada, mediante cualquiera de los
siguientes factores, se aumentan las posibilidades de golpeteo en el motor encendido
por chispa:
1. Elevando la relación de compresión (sobrealimentación)
2. Elevando la temperatura del aire de admisión
3. Elevando la temperatura del refrigerante
4. Elevando las temperaturas de las paredes del cilindro y de la cámara de
combustión (abriendo el estrangulador)
5. Avanzando el tiempo de la chispa.
6. Combustible de baja calidad (bajo número de octanos)
b. Factores de densidad:
Aumentando la densidad de la mezcla no quemada, por cualquiera de las razones
siguiente, aumentará la posibilidad de golpeteo en el motor encendido por chispa:
1. Apertura del estrangulador (aumentando la carga)
2. Sobrealimentación del motor (elevación de la relación de compresión)
3. Avance de la regulación de la chispa
96
c. Factores de tiempo:
Aumentando el tiempo de exposición de la mezcla no quemada a las condiciones de
autoencendido, mediante cualquiera de los factores siguiente, aumentará la
posibilidad de golpeteo en el motor encendido por chispa:
1. Aumentando la distancia a que debe viajar la llama con el objeto de atravesar
la cámara de combustión
2. Disminuyendo la turbulencia de la mezcla, y por tanto, disminuyendo la
velocidad de la llama
3. Disminuyendo la velocidad del motor, ya sea (a) disminuyendo la turbulencia
de la mezcla y (b) aumentando el tiempo disponible para las reacciones de
pre-flama
d. Composición:
Las propiedades del combustible y de la mezcla aire-combustible, ejercen una gran
influencia sobre el golpeteo. Las probabilidades de golpeteo en un motor encendido
por chispa aumentan por los siguientes factores:
1. Un período corto de demora en el encendido
2. Temperatura baja de autoencendido
3. Mezclas químicamente incorrectas
97
2.5.3
El golpeteo y el motor encendido por compresión
El problema del golpeteo en el motor encendido por compresión se complica además
por la complejidad del período de demora física. Este período es influenciado por:
a) la densidad y temperatura del aire en el cilindro
b) la atomización, penetración y características del chorro del sistema de
inyección
c) las propiedades del combustible, tales como la volatilidad y la viscosidad, que
afectan a las características del chorro
d) la turbulencia del aire, que favorece el mezclado
e) goteo o inyección fuera del ciclo o tiempo de inyección
El golpeteo en el motor encendido por compresión puede provenir de los mismos
factores que en el motor encendido por chispa, más la complicación de la
introducción de mezclas homogéneas, por la demora física y por el sistema de
inyección. El golpeteo audible se controla por lo que sucede muy al principio de la
combustión, cuando el autoencendido tiende a ser particularmente violento, debido a
la acumulación de combustible en la cámara durante el período de demora del
encendido.
Para reducir la posibilidad del golpeteo en el motor encendido por compresión, los
primero elementos de combustible y aire deberán tener:
a) una gran temperatura
98
b) una gran densidad
c) una demora corta
d) una mezcla reactiva
a. Temperatura:
Reduciendo la temperatura de la mezcla formada inicialmente, mediante alguna de
las siguientes acciones aumentará la posibilidad de golpeteo en el motor encendido
por compresión:
1. Reducción de la relación de compresión
2. Reducción de la temperatura del aire de admisión
3. Reducción de la temperatura del refrigerante
4. Reduciendo las temperaturas del cilindro y las paredes de la cámara de
combustión
5. Avance o retardo del comienzo de la inyección, desde la posición óptima
b. Factores de densidad:
Al disminuir la densidad de la mezcla formada inicialmente, mediante alguna de las
siguientes acciones aumentará la posibilidad e golpeteo en el motor encendido por
compresión:
1. Disminuyendo la presión del aire de admisión
2. Disminuyendo la relación de compresión
99
En consecuencia, elevando la relación de compresión y sobrealimentando al motor
encendido por compresión, se tiende a reducir el golpeteo, lo inverso del motor
encendido por chispa.
c. Factores de tiempo:
Aumentando la cantidad de combustible en la mezcla formada inicialmente o
aumentando el tiempo para formar una mezcla homogénea por cualesquiera de los
métodos siguientes aumentará la probabilidad de golpeteo en el motor encendido por
compresión:
1. Disminución de la turbulencia del aire comprimido
2. Aumento de la velocidad del motor
3. Disminución de la presión de inyección
4. Aumento de la velocidad de inyección
d. Composición:
Las probabilidades de golpeteo en el motor encendido por compresión aumentan por
los factores siguientes:
1. Gran demora del encendido
2. Temperaturas elevadas de auto-encendido
3. Baja volatilidad (en general)
4. Alta viscosidad
100
2.6
CARBURACIÓN
2.6.1
Principios de operación del carburador
El combustible suministrado a los cilindros del motor es una mezcla de aire y
gasolina.
La formación de la mezcla aire-gasolina consiste en la atomización de la gasolina y la
mezcla de las partículas de gasolina finamente divididas con el aire.
La carrera de admisión del motor reduce la presión en el cilindro y carburador, lo que
hace que el aire, a presión atmosférica, circule a través del sistema de admisión y
que la gasolina sea pulverizada en el difusor. Esta caída de presión se acentúa
mediante una sección reducida o de tipo venturi que aumenta la velocidad del aire y
reduce la presión (produce vacío que succiona el combustible) en este punto. El
grado de atomización depende de la velocidad relativa de las corrientes del aire y de
la gasolina, de la densidad de la gasolina y su tensión superficial.
Durante el proceso de carburación tienen lugar la vaporización superficial de las
gotas y partículas, lo que origina la desaparición de las más finas y la reducción de
tamaño de las otras. Lo ideal sería la vaporización total del combustible. En la
práctica apenas existe vaporización de combustible, algo de gasolina en forma
líquida entra a los cilindros, donde debe mezclarse y vaporizarse en las carreras de
admisión y compresión pues de otra forma resulta una combustión incompleta.
Para un funcionamiento normal con un motor calentado, la proporción adecuada de
la mezcla es aproximadamente 15 de aire por 1 de gasolina (en peso). Para
101
funcionamiento con motor frío, o acelerando se requiere una mezcla más rica, que
puede ser de 9 de aire por 1 de gasolina (en peso). La función del carburador es
regular esta mezcla según las condiciones de funcionamiento.
Un sistema de alimentación alternativo es la inyección de combustible a baja presión,
en forma atomizada en la corriente de aire que alimenta a los cilindros. Este método
permite tener un mejor control de la relación aire/gasolina.
2.6.2
Partes elementales de un carburador
La cubeta o cuba de nivel constante,
Que impide al orificio por donde fluye la gasolina sufrir las consecuencias del
diferente nivel constante entre el depósito y el carburador y que varía con la posición
del coche. La constancia del nivel se consigue con un flotador que abre y cierra el
orificio de entrada de la gasolina mediante una válvula de aguja.
Generalmente la posición del flotador se puede regular para evitar que un nivel
erróneo de gasolina conduzca a la inundación del carburador o a fallos del motor,
según esté demasiado alto o demasiado bajo.
El difusor,
Que está dotado de un estrangulamiento en tubo de Venturi. Dicho estrangulamiento
situado en correspondencia con el surtidor, sirve para generar la depresión (o vacío)
necesaria para aspirar por su interior el carburante que luego entra en los cilindros
mezclado con aire, La forma de la sección estrangulada del difusor debe estudiarse
con atención, para evitar que se formen en el seno de la columna de aire
102
movimientos turbulentos que dificultarían la entrada del combustible y no permitirían
el paso de la cantidad necesaria de aire, con la subsiguiente reducción del
rendimiento volumétrico del motor. También la velocidad máxima dentro de la
sección estrangulada debe estar comprendida dentro de unos límites muy concretos,
por lo general entre 100 y 300 m/s.
En la zona no estrangulada y hasta la válvula de admisión es donde se realiza la
nebulización completa y la atomización de la mezcla del aire y carburante.
El surtidor o pulverizador
Que desemboca a un nivel superior al de la gasolina y sirve para llevar el
combustible a la zona de depresión del difusor. El caudal del surtidor depende del
valor de la depresión y de su propio diámetro. Está constituido por un pequeño
tornillo hueco cuyo orificio ha sido concienzudamente calibrado, atornillado en un
lugar fácilmente accesible al conducto portador del carburante desde la cuba de nivel
constante. El diámetro del orificio, denominado diámetro del surtidor, es una de las
características del carburador y suele expresarse en centésimas de milímetro.
Variando el diámetro del surtidor se puede enriquecer o empobrecer la mezcla y
modificar, dentro de ciertos límites, las prestaciones y el consumo del motor. La
forma y la precisión con que se ha perforado el surtidor tiene mucha importancia, ya
que ambas cosas influyen sobre el caudal y la pulverización del combustible.
El valor de la presión (o depresión) depende de la velocidad y/o RPM del motor.
La válvula de mariposa,
103
Situada en la zona no estrangulada del difusor, es el órgano que permite al motor
adaptarse a la carga haciendo variar el peso de mezcla introducida. El mando de la
mariposa no es otra cosa que el pedal del acelerador que actúa sobre ella mediante
un sistema de varillas.
Ilustración 14. Carburador (Obert, 1998)
2.6.3
Funcionamiento de un carburador
Marcha Lenta
Un circuito especial, denominado de ralentí. Vierte la gasolina directamente más
abajo de la mariposa, única zona en la que existe una depresión suficiente (en
amarillo) para pulverizar la gasolina.
104
Ilustración 15. Carburador - marcha lenta (Enciclopedia Salvat del Automóvil, 2000)
Aceleración
El aumento de gasolina requerido en esta fase se consigue a través de una bomba
de aceleración, de membrana, accionada directamente por el acelerador mediante
varillas adecuadas.
105
Ilustración 16. Carburador – aceleración (Enciclopedia Salvat del Automóvil, 2000)
Cuando se tiene únicamente la válvula de mariposa (sin bomba de aceleración), al
abrirla para que el motor reaccione rápido, no se surte de combustible constante. La
bomba de aceleración se utiliza para acelerar rápidamente o tener reacción
“violenta”; ya que se enriquece el abastecimiento de combustible en el instante que
se demande mayor potencia.
Marcha Normal
106
La depresión (en amarillo) se ha desplazado en el difusor, lo cual provoca la
aspiración de la gasolina del surtidor principal, su mezcla con aire, así como su
pulverización y ulterior vaporización.
Ilustración 17. Carburador - marcha normal (Enciclopedia Salvat del Automóvil, 2000)
Arranque en Frío
El sistema de arranque en frío o estárter consiste en una mariposa la cual reduce la
cantidad de aire aspirado o actuando sobre los surtidores con el fin de aumentar la
cantidad de gasolina que proporcionan.
107
Ilustración 18. Carburador - arranque en frío (Enciclopedia Salvat del Automóvil, 2000)
2.6.4
Relación Aire/Combustible
Es el número que expresa la cantidad, en masa o en volumen, de aire aspirado por
un motor de combustión para una cantidad unitaria de combustible. Dicha relación es
función del combustible, del tipo de motor, de su regulación y de la carburación.
El valor ideal o teórico de tal relación es el correspondiente a la relación
estequiométrica. Cuando se trata de gasolina comercial, dicha relación esta
comprendida entre 14,7 y 15,1 (es decir, unos 15 kg de aire por cada kilogramo de
108
gasolina). Pero esto ocurre en condiciones teórica o ideales, que no considera la
mayor o menor rapidez con que se desarrolla efectivamente la combustión.
Con una relación aire/combustible más baja que la estequiometrica (inferior a 14,7
para la gasolina) no todo el combustible podrá quemarse y una parte quedará sin
quemar o parcialmente quemado, con formación de CO y HC. Hay que recordar que
la combustión nunca es completa, independiente de la relación aire combustible,
puesto que la reacción nunca se desarrolla en condiciones ideales.
Por lo general, en un motor automovilístico de encendido por chispa, la variación de
la relación aire/combustible se produce sólo entre las mezclas ricas.
Los valores de la relación estequiometrica aire/combustible depende de la
composición química del carburante y, esencialmente, de la proporción de las
cantidades, en peso, de carbono e hidrógeno contenidas en cada molécula de
combustible.
2.7
INYECCIÓN
En el caso del motor encendido por compresión, la inyección es necesario contar con
un dispositivo para inyectar combustible dentro del cilindro del motor, en el tiempo
correcto del ciclo. En el motor encendido por chispa se puede emplear un carburador
para mezclar el combustible y el aire mientras esté fluyendo al múltiple; o bien se
puede emplear la inyección de combustible ya sea en el múltiple o dentro del cilindro
en la carrera de admisión, no siendo necesario el sistema de inyección para iniciar y
regular el periodo de combustión.
109
2.7.1
Sistemas de inyección en motores encendido por chispa
Las instalaciones de inyección actualmente empleadas en los motores encendidos
por chispa inyectan el combustible no directamente al cilindro, sino que al tubo de
aspiración o al colector de admisión. Existen la inyección mecánica de gasolina
mediante una bomba accionada por el motor de combustión o la inyección mecánica
K-Jetronic no accionada y la inyección de gasolina dirigida electrónicamente (DJetronic y L-Jetronic) El sistema de inyección para el motor encendido por chispa
debe satisfacer las siguientes condiciones:
1. Inyectar la cantidad de combustible requerida por la carga aplicada al motor y
mantener esa cantidad:
a. constante, de ciclo a ciclo de funcionamiento
b. constante, de cilindro a cilindro
2. Atomizar el combustible hasta el grado deseado
3. Distribuir el combustible dentro de toda la cámara de combustión
La combustión es controlada independientemente. Por otra parte, el sistema de
inyección en el motor encendido por chispa debe mantener un control estricto sobre
la relación aire-combustible. Un motor encendido por chispa con inyección de
combustible en la carrera de admisión, ya sea directamente dentro del cilindro o
dentro de la lumbrera de admisión, al ser comparado con un motor con carburador,
mostrará:
110
1. Mayor potencia en la flecha, como consecuencia del aumento en el
rendimiento volumétrico, proveniente de:
a. múltiples de admisión más grande, con menores pérdidas de
presión
b. eliminación de las pérdidas de presión en el carburador
c. eliminación del calentamiento del múltiple
2. Aceleración más rápida, ya que el combustible se inyecta lo más cerca del
cilindro y no es necesario el flujo a lo largo del múltiple.
3. Eliminación del efecto de congelación en el múltiple.
4. Arranque más fácil, puesto que el combustible es atomizado y suministrado en
el cilindro.
5. Mejor refrigeración, ya que la vaporización del combustible tiene lugar (sin
adición de calor) en las carreras de admisión y compresión y en consecuencia,
se reducen las temperaturas de compresión.
6. Disminución del golpeteo al no necesitarse el suministro de calor para
promover la distribución del combustible.
7. Reducción de la tendencia al encendido posterior ya que la mezcla
combustible no está presente en el múltiple.
8. Diseño más compacto del motor, en vista de que la posición del sistema no
tiene mayor importancia relativa.
111
9. Menor variación en la distribución del combustible originada por cambios en la
posición del motor
10. Habilidad para utilizar combustibles menos volátiles.
2.7.2
Sistemas de inyección en motores encendido por compresión
El sistema de inyección en un motor encendido por compresión debe satisfacer las
siguientes condiciones:
1. Inyectar la cantidad de combustible requerida por la carga aplicada al motor y
mantener esta cantidad:
a. constante, de ciclo a ciclo de funcionamiento
b. constante, de cilindro a cilindro
2. Inyectar el combustible en el instante correcto del ciclo, para todo el margen
de velocidades del motor.
3. Inyectar el combustible en la proporción deseada para controlar la combustión
y la elevación resultante de la presión.
4. Atomizar el combustible hasta el grado deseado.
5. Distribuir el combustible dentro de toda la cámara de combustión.
6. Iniciar y terminar la inyección, instantáneamente.
Los sistemas de inyección para motores encendido por compresión utilizan la
inyección sólida o mecánica del combustible, con tres métodos de operación:
112
1. Sistema de bomba individual: un dosificador y una bomba de compresión por
separado, para cada cilindro del motor.
2. Sistema de distribuidor: una sola bomba para dosificar y comprimir el
combustible, más un mecanismo divisor, para distribuir el combustible hacia
los diferentes cilindros.
3. Sistema de conducto común: una sola bomba para comprimir el combustible,
más un elemento dosificador para cada cilindro.
2.8
SOBREALIMENTACIÓN
Para llevar a cabo la combustión completa de los hidrocarburos del combustible, es
necesario aportar la cantidad suficiente de oxígeno, el cual no está en cantidad
mayoritaria en el aire.
Cuanto más aire y combustible seamos capaces de introducir en los cilindros del
motor, mayor será la potencia que se podrá obtener, pero mayor será la masa de aire
necesaria para quemarlo; de esta necesidad surge la idea de los motores
sobrealimentados. La carga fresca entra al cilindro a una presión muchísimo mayor a
la presión de entrada del compresor, y por tanto la temperatura de entrada será
igualmente alta.
La sobrealimentación consiste en establecer a la entrada de los cilindros del motor
una atmósfera de aire con una densidad superior a la normal de forma que para un
mismo volumen de aire, la masa de ese aire es mayor; para ello se utilizan una serie
de accesorios que serán diferentes según el tipo de sobre-alimentador que se utilice.
113
Es decir, la sobrealimentación es cómo aumentar la cantidad de aire (O 2) que tiene
capacidad un cilindro de aspirar por cada ciclo.
El turbocompresor o turbo-alimentador es básicamente un compresor accionado por
los gases de escape, cuya misión fundamental es presionar (aumentar la presión) el
aire de admisión, para de este modo incrementar la cantidad que entra en los
cilindros del motor en la carrera de admisión, permitiendo que se queme eficazmente
más cantidad de combustible. De este modo, el par motor y la potencia final pueden
incrementarse hasta un 35%, gracias a la acción del turbocompresor.
Funcionamiento del turbocompresor
En términos generales existen dos tipos de turbocompresor: el de impulso y el de
presión constante. Cada uno tiene sus propias características de funcionamiento y,
sin embargo, ambos actúan de la misma forma básica.
El turbocompresor está montado en la brida de salida de escape del colector de
escape del motor. Una vez puesto en marcha el motor, los gases de escape de motor
que pasan a través del alojamiento de turbina hacen que giren la rueda de turbina y
el eje, los gases se descargan a la atmósfera después de pasar por el alojamiento de
turbina.
La rueda del compresor, que está montada en el extremo opuesto del eje de la rueda
de turbina, gira con la rueda de turbina. La rueda de compresor aspira el aire de
ambiente al alojamiento de compresor, comprime el aire y lo manda al soplador del
motor.
114
Ilustración 19. Turbo-compresor (www.cipres.cec.uchile.cl, 2003)
Durante el funcionamiento, el turbocompresor responde a las exigencias de carga del
motor reaccionando al flujo de los gases de escape del motor. Al ir aumentando cl
rendimiento del motor aumenta el flujo de los gases de escape y la velocidad y el
rendimiento del conjunto rotatorio aumentan proporcionalmente mandando más aire
al soplador del motor.
III.
ESTRATEGIAS METODOLOGICAS
3.1
MECANISMO DE ANÁLISIS
El Mecanismo de Análisis es el curso de Motores de Combustión Interna de la
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Nacional “San Luis
Gonzaga” de Ica, en donde se analizó el equipo de práctica requerida y las prácticas
115
de laboratorio que se consideraron pertinentes para reforzar los conocimientos
teóricos adquiridos en el curso.
3.2
INSTRUMENTOS
 Consultas a referencias bibliográficas sobre el tema.
 Programa del curso de Motores de Combustión Interna.
 Consultas a proveedores de motores de combustión interna y sus accesorios.
3.3
PROCEDIMIENTO
a. Se determinó las prácticas necesarias para complementar los conocimientos
adquiridos en el curso de Motores de Combustión Interna.
b. Se diseñaron las prácticas de laboratorio. Éstas comprenden el(los) equipo(s)
a utilizar, su descripción, los objetivos de la práctica y los procedimientos a
seguir.
c. Se definieron los equipos y herramientas necesarios para el desarrollo de las
prácticas de laboratorio.
d. Se determinó el espacio físico requerido dentro del Laboratorio de Ciencias de
Ingeniería para la instalación de equipo.
e. Basándose en los principios de la seguridad industrial y ocupacional, se
definieron las normas de comportamiento y los equipos de protección personal
necesarios.
116
IV.
RESULTADOS
4.1
EQUIPO DE PRÁCTICA PROPUESTO
Banco de pruebas de motores MP 80/6000 con computadora MP Weinlich
Steurengen Gama de potencia: desde 10 hasta 150 kW
Para probar

Motores de automóviles (también con cambio de marchas o automático, incluso
en 1ª. marcha)

Motores eléctricos

Motores hidrostáticos

Pequeños tractores en su toma de fuerza (equipo especial necesario)
Equipo básico:
Dinamómetro
Computador MP
Cardán de transmisión para 800 Nm máx.
Barra calibradora 250 Nm
A continuación se presenta una descripción de las características básicas del equipo
propuesto.
117
Precaución:
el diseño básico del banco de pruebas propuesto no
debe estar en operación sin ningún tipo de
supervisión u observación. Fallas internas del banco
de pruebas o fallas externas pueden conllevar a
situaciones peligrosas.
Sistema de carga:
freno de corrientes electromagnético con sentido de
rotación en sentido de las manecillas del reloj visto
desde el motor hacia el freno. Con refrigeración por
aire.
Velocidad máxima permisible:
6000 r.p.m.
Velocidad mínima sensible:
100 r.pm.
Capacidad de carga dependiendo del tiempo de carga:
ver tabla No. 1
Torque máximo a 1000 r.p.m.:
800 Nm al arranque
Inercia:
0.6 kg m2
El banco de pruebas consiste en la unidad de freno y medición (unidad de
evaluación, despliegue (display) y control con un computador MP).
El motor que será puesto a prueba se conecta al freno mediante un acople especial.
Los soportes móviles que soportan los motores se conectan a la unidad de freno y
medición mediante uno o dos tornillos.
118
El eje de transmisión se coloca dentro de una caja sólida de protección conectada y
ajustada a la unidad de freno y medición. El freno está protegido contra contactos
accidentales mediante una guarda (reja) de protección.
Únicamente se requiere una superficie plana; no se requiere ningún tipo de fundición
o cimentación especial.
Si la unidad de control se encuentra montada sobre la unidad de freno y medición:
Peso:
aprox. 350 kg
Especio requerido:
Durante la operación con un motor en un vehículo: aprox. 3 m x 4 m
En área de almacenaje sin vehículo: máx. 1.2 m x 0.8 m
El diseño del banco de pruebas es especial para una fácil movilización mediante un
pallet truck.
En caso de puesto de operación separado:
Peso:
unidad de freno y medición
aprox. 300 kg
Puesto del operador
aprox. 120 kg
Espacio requerido:
Durante la operación con un motor en un vehículo:
aprox. 4 m x 4 m
Suministro de energía eléctrica:
119
400 V trifásico AC, 50/60 Hz
Con conexión a tierra y neutro
Sistema de evacuación gases de combustión:
es requerido.
Control y medición
La unidad de control contiene:
Un computador MP
Un control de circuitos para el freno y
Los dispositivos de suministro requeridos
Velocidad de rotación (rpm) n, torque M, potencia P y trabajo (energía) W
La carga del motor mediante el freno es controlada limitando la velocidad del freno.
Esto se logra ingresando el valor de la velocidad deseada (entrada análoga) en un
potenciómetro manual. Este potenciómetro actúa rápidamente mediante un circuito
de control análogo con un amplificador (thyristor). El amplificador controla la corriente
magnetizando el freno.
El potenciómetro de entrada se instala en un panel independiente (control manual)
conectado a la unidad de control mediante un cable en espiral, de tal forma que
pueda ser operada desde cualquier punto cercano al motor.
Medición de velocidad:
medición digital
120
Medición de torque:
medición análoga del torque reactivo en el estator
del freno mediante un transductor.
El computador MP despliega las siguientes mediciones y valores calculados
simultáneamente mediante LED´s:
Velocidad
Torque
Potencia
Trabajo (energía)
rango de despliegue
9999 r.p.m.
Resolución de despliegue
1 r.p.m.
rango de despliegue
min.
900 Nm
Resolución de despliegue
0.5 Nm
Valor de calibración
250 Nm
rango de despliegue
999 kW
Resolución de despliegue
0.1 kW
rango de despliegue (cambio auto)
9.999 kWh
O
99.99 kWh
O
999.9 kWh
O
9999 kWh
Resolución de despliegue
0.001 kWh
o
0.01 kWh
o
0.1 kWh
121
o
1 kWh
Motores de demostración
Los motores de demostración propuestos presentan las siguientes características:

Motor de combustión interna encendido por chispa marca Volkswagen-Audi de
4 cilindros de 1.0 litros (1000 cc) con sistema de inyección multipunto Bosch –
Monotronik MP 9.0. Sistema de ignición TSZ, control anti-golpeteo, con control
de catalizador y montado sobre un “carro RWB”. Utiliza gasolina como
combustible.

Motor de combustión interna encendido por compresión marca VolkswagenAudi de 4 cilindros de 1.9 litros (1900 cc) de 47 kW a 4,800 r.p.m., 120 Nm de
1,800 a 3,000 r.p.m. con bomba de inyección; montado sobre un “carro RWB”.
Utiliza diesel como combustible.
Los motores deben estar:

Montados en un carro RWB resistente a las vibraciones

Preparados para el acoplamiento rápido al banco de pruebas y

Para la determinación gravimétrica del consumo específico de carburante
Se necesita un sistema de evacuación de gases de escape.
122
Carro RWB
Consiste en el sistema modular para soporte de motores. Éste permite el
funcionamiento de motores en el banco de pruebas con o sin carga estable. Es
resistente a las vibraciones, modular y reutilizable (ver anexo 1).
Está compuesto por:
1.
Bastidor base
2.
Travesaño deslizable
3.
Pieza de sujeción
4.
Soporte del motor
5.
Cabeza del soporte
6.
Soporte del radiador
7.
Travesaño del soporte del radiador
8.
Portador de la batería
4.2
ESPACIO FÍSICO REQUERIDO
Dadas las características físicas del equipo de práctica propuesto y, tomando en
cuenta los equipos auxiliares requeridos, se estima que el espacio físico requerido es
25 m2 (5m x 5m).
123
4.3
SERVICIOS AUXILIARES REQUERIDOS
Dadas las características del banco de pruebas propuesto se requiere únicamente de
la adecuación del sistema eléctrico; de tal forma que suministre energía eléctrica con
un voltaje de 110 V para el equipo de cómputo que forma parte del banco de
pruebas. Se requiere de:
Dos (2) toma corrientes con aterrizaje a tierra para conexión de computadora
principal.
Cinco (5) toma corrientes con aterrizaje a tierra para conexión de otros equipos que
puedan llegar a ser utilizados por los estudiantes durante el desarrollo de las
prácticas.
Además, también se debe contar con un regulador de voltaje y un UPS.
Como parte de los equipos auxiliares incluidos en el banco de pruebas se incluye un
sistema de evacuación de gases de combustión.
4.4
PRÁCTICAS DE LABORATORIO PROPUESTAS
4.4.1.
Práctica No. 1. Repaso General.
Práctica No. 1
REPASO GENERAL
Objetivos
1.
Estudiar y repasar conceptos generales de motores de combustión interna.
124
Informe
1.
El informe se desarrollará teniendo en cuenta la siguiente información
Bibliográfica del tema motores de combustión interna.
2.
El informe deberá contener respuestas breves que sinteticen los conceptos
que piden en las preguntas.
Preguntas
INTRODUCCIÓN:
1.
¿Quién construyó el primer motor de 4 tiempos?
2.
¿Qué transformación de energías realiza un motor térmico?
3.
¿Qué se entiende por motor de combustión interna?
4.
¿Cómo se pueden clasificar los motores de combustión interna?
5.
¿Qué es un motor de dos tiempos?
EL MOTOR OTTO DE CUATRO TIEMPOS:
1.
¿Qué es un motor de cuatro tiempos?
2.
¿Dónde se realiza la mezcla de aire y combustible en los motores Otto?
3.
¿Cómo se produce el encendido?
4.
¿Qué es la relación de compresión?
5.
¿Qué se entiende por intercambio de gases?
125
6.
¿Qué es el rendimiento térmico?
7.
¿Qué representa el diagrama de trabajo de un motor?
EL MOTOR DIESEL DE CUATRO TIEMPOS:
1.
¿Dónde se prepara la mezcla en un motor Diesel?
2.
¿Cómo se produce el encendido?
3.
¿Por qué se necesitan relaciones de compresión altas?
4.
¿Cómo se desarrolla la combustión?
5.
¿Qué ventajas tiene la sobrealimentación en los motores Diesel?
6.
¿Qué diferencias existen entre los motores Otto y Diesel?
CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES:
1.
¿Qué se entiende por rendimiento de un motor?
2.
¿Qué es el par motor?
3.
¿Cómo se define la potencia?
4.
¿Qué se entiende por consumo específico de combustible?
5.
¿Qué curvas representan las características de un motor?
6.
¿Cómo se obtienen las curvas características?
DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS EN EL MOTOR:
126
1.
¿Qué formas adopta el bloque motor en función de la disposición de
cilindros?
2.
¿Por qué es necesario el orden de encendido?
3.
¿Cómo se distribuyen los tiempos de trabajo en los diferentes motores?
LA CULATA:
1.
¿Qué ventajas tiene el aluminio respecto al hierro fundido?
2.
¿Cómo se consigue la estanqueidad entre la culata y el bloque de
cilindros?
3.
La forma de iniciar la combustión en un motor Diesel y en uno de
explosión son distintas. ¿Cuáles son las diferencias?
4.
El volumen de la cámara de combustión, ¿cómo influye en la relación de
compresión?
5.
¿Qué funciones cumplen los soportes del motor?
EL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN Y TRANSMISIÓN:
1.
¿Qué misión cumple el sistema de distribución de combustible en un
motor?
2.
¿Qué sistemas de transmisión existen entre el cigüeñal y el árbol de
levas?
3.
¿Por qué es necesario el juego de válvulas?
127
SISTEMAS PARA MEJORAR LA CARGA DEL CILINDRO:
1.
¿Cómo se define el rendimiento volumétrico de un motor?
2.
¿Qué sistemas se emplean para mejorar el llenado de los cilindros?
3.
¿Qué ventajas tiene la distribución multiválvulas?
4.
¿En qué consisten los sistemas de admisión variable?
5.
¿Qué sistemas de admisión variable conoces?
COMPROBACIÓN DE LA DISTRIBUCIÓN:
1.
¿Cómo afecta al motor la falta de hermeticidad de las válvulas?
2.
¿Qué diferencias hay entre rectificado y esmerilado de las válvulas?
3.
¿Qué consecuencias traería un desgaste excesivo de las levas?
4.
¿En qué casos se monta un retén de aceite en el extremo del árbol de
levas?
5.
¿Qué precauciones se deben de tener en el apriete de la culata?
VERIFICACIÓN Y PUESTA PUNTO DE LA DISTRIBUCIÓN:
1.
¿Qué se entiende por puesta a punto?
2.
¿Cada cuántos kilómetros se cambia una correa dentada?
3.
¿Por qué es necesario el reglaje de válvulas?
4.
¿Qué métodos existen para realizar el ajuste de válvulas?
128
BLOQUE MOTOR Y TREN ALTERNATIVO:
1.
¿Qué fuerzas actúan sobre el pistón y sobre el cigüeñal?
2.
¿Qué tipo de camisas se montan sobre el bloque?
3.
¿Qué características debe reunir un pistón?
4.
¿Cómo se controla la dilatación térmica de los pistones?
5.
¿Cómo están constituidos los cojinetes de biela y bancada?
6.
¿Qué función cumple el cigüeñal?
COMPROBACIÓN DE PISTÓN, BIELA, CIGÜEÑAL Y BLOQUE:
1.
¿Cómo se detectan las fugas de compresión?
2.
¿Cómo se comprueba el ovalamiento y la conicidad de los cilindros?
3.
¿Cómo se obtiene el juego de montaje entre el cigüeñal y sus cojinetes?
4.
¿Cómo se monta un bulón con interferencia en la biela?
5.
¿Cuál es la causa más frecuente de avería en los cojinetes de fricción?
6.
¿Cómo se determina la medida de rectificado de un cilindro?
7.
¿Qué comprobaciones son necesarias al montar camisas húmedas?
SISTEMAS DE LUBRICACIÓN Y REFRIGERACIÓN:
1.
¿Por qué es necesaria la lubricación?
129
2.
¿Cómo se clasifican los aceites?
3.
¿Cómo está constituido el circuito de engrase?
4.
¿Qué tipos de bomba se emplean en el engrase?
MANTENIMIENTO Y COMPROBACIÓN DEL SISTEMA DE LUBRICACIÓN:
1.
¿Qué
operaciones
comprende
el
mantenimiento
del
sistema
de
lubricación?
2.
¿Cómo se elige el aceite adecuado para el motor?
3.
¿Qué comprobación ha de hacerse para conocer el estado general del
circuito de engrase?
4.
¿Cómo se comprueba la bomba de aceite?
EL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN:
1.
¿Cuál es la función del sistema de refrigeración?
2.
¿Qué tipos de refrigeración se emplean actualmente en los motores?
3.
¿Qué elementos componen el sistema de refrigeración por agua?
4.
¿Cómo se regula la temperatura del líquido refrigerante?
5.
¿Por qué es necesario el anticongelante?
6.
¿Qué función cumple el termostato en el sistema de refrigeración?
130
COMPROBACIÓN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN:
1.
¿Cuáles son los síntomas de avería más comunes que afectan al sistema
de refrigeración?
2.
¿Qué causas pueden originar un excesivo calentamiento del motor?
3.
¿Cuál es el procedimiento para detectar fugas en el circuito?
4.
¿Cómo se comprueba el termocontacto?
5.
¿Cómo se realiza el llenado y purga del circuito?
EL MOTOR DE DOS TIEMPOS:
1.
¿Cuántas carreras utiliza el motor de dos tiempos para completar un ciclo?
2.
¿Cómo se realiza el intercambio de gases en un motor de dos tiempos?
3.
¿Qué función cumple el cárter?
4.
¿Qué vehículos y máquinas utilizan el motor de dos tiempos?
EL MOTOR ROTATIVO WANKEL:
1.
¿Por qué este motor se denomina rotativo?
2.
¿Qué ciclo de trabajo utiliza este motor para su funcionamiento?
3.
¿Cuántos ciclos se desarrollan en una vuelta del rotor?
4.
¿Qué sistema se utiliza para el intercambio de gases en el motor rotativo?
131
4.4.2.
Práctica No. 2. Banco de pruebas de motores de automóvil
Práctica No. 2
BANCO DE PRUEBAS DE MOTORES DE AUTOMÓVIL
Objetivos
1.
Familiarizarse con la forma de operación del motor.
2.
Obtener las curvas características de torque, potencia al freno, eficiencia,
consumo de combustible promedio, consumo específico de combustible,
ángulo de avance de encendido y la relación aire-combustible vrs las r.p.m de
la máquina.
3.
Estudiar el significado, aspecto, condición o forma de dichas curvas y la
importancia de puntos específicos.
Informe
1. El informe se desarrollará teniendo en cuenta la siguiente información:
 Bibliografía y procedimiento.
2. El informe deberá contener lo siguiente en su orden:

Tabla de adquisición de datos

Muestra de cálculos

Tabla de resultados
132

Desarrollo de preguntas problema

Análisis de resultados y conclusiones
Preguntas problema
1.
Realizar las siguientes gráficas con los datos obtenidos en la práctica:

Torque vs r.p.m.

Potencia al freno vs r.p.m.

Consumo de combustible promedio vs r.p.m.

Consumo específico de combustible vs r.p.m.

Ángulo de avance de encendido vs r.p.m.

Relación aire-combustible vs r.p.m.
2.
Analizar las curvas
3.
¿Para que valor de r.p.m. se obtuvo el máximo torque? ¿Por qué?
4.
¿Para que valor de r.p.m. se obtuvo la máxima potencia? ¿Por qué?
5.
¿Cuál es la relación aire-combustible recomendada para el motor
operando a máxima aceleración, para máxima potencia?
6.
¿Cuál es la relación aire-combustible para la mínima carga?
7.
¿Cuál es la relación aire-combustible para la máxima carga?
133
8.
¿Por qué existe diferencia entre las dos relaciones aire-combustible
anterior?
9.
¿Cuál es el máximo consumo específico de combustible?
10.
¿Cuál es el mínimo consumo específico de combustible?
11.
¿Explique el porqué de la variación del ángulo de avance de encendido?
Procedimiento
Antes de encender el motor se debe comprobar:
1.
Los niveles de refrigerante y lubricante.
2.
La correcta conexión de la batería y todas las conexiones eléctricas de la
instalación.
3.
La conexión y el funcionamiento de la bomba de combustible. Para esto,
compruebe que por la manguera de retorno circula combustible al
conectar la bomba y que se ha evacuado todo el aire de la línea.
4.
La ubicación de un extintor adecuado a mano.
5.
El correcto apriete de los tornillos que sujetan el motor a su estructura y
los que sujetan la junta cardánica ubicada entre el motor y el
dinamómetro.
134
Después de comprobar todo lo anterior:
El motor debe encender fácilmente, pero es posible que se intente apagar si esta
demasiado frío. Por lo tanto, se puede impedir que se apague operando sobre el
acelerador, o si se apaga, repetir el procedimiento, comprobando con anterioridad
todo lo referente a conexiones y suministro de combustible.
Para motores que cuenten con carburador, opere sobre el acelerador dos o tres
veces para activar el sistema de estrangulación. Luego active el motor. El motor debe
encender fácilmente, pero es posible que se intente apagar si esta demasiado frío.
Por lo tanto, se puede impedir que se apague operando sobre el acelerador, o si se
apaga, repetir el procedimiento, comprobando con anterioridad todo lo referente a
conexiones y suministro de combustible.
Después de encender el motor se debe dejar calentar por lo menos 5 minutos antes
de iniciar los ensayos.
Preparación de los instrumentos:
- Pistola (si se cuenta con una): conecte el caimán rojo al borne positivo de la
batería y el caimán negro al borne negativo de la batería. Conecte el
captador al cable de la bujía #1 verificando su correcta ubicación. La
pistola debe registrar la r.p.m. del motor al no operar su gatillo.
Compruebe el correcto funcionamiento de cada una de las bujías del
motor.
135
- Medidor de emisiones (si se cuenta con uno): encienda el analizador y deje
calentar por 15 minutos. Después conéctese la sonda de medición de
temperatura de aceite en el tubo donde se encuentra la varilla medidora
de aceite, y el sensor de r.p.m. del analizador de gases al cable de alta de
la bobina de encendido. Introduzca la sonda de análisis solamente hasta
que comience la prueba.
- Medición de consumo: encienda la balanza y espere unos segundos hasta que se
autocalibre. Seguidamente, coloque el depósito para medición de
consumos. Controle el nivel de gasolina en el vaso, abriendo o cerrando la
llave del tanque principal para evitar que se apague el motor.
Inicio de prueba
Llévese el motor a punto de máxima velocidad con apertura total del acelerador
(WOT; siglas en inglés que designan la condición de operación del motor con
apertura completa del acelerador; Wide Open Throttle). Para esto debe seguirse el
siguiente procedimiento:
1.
Introduzca carga al motor con el dinamómetro previniendo que el motor no
se apague.
2.
Abra el acelerador lentamente hasta su apertura total. Simultáneamente
puede ir reduciendo lentamente la carga.
3.
Retire la carga hasta ubicar el motor en la velocidad antes dicha.
136
Nota: este procedimiento debe seguirse para prevenir un sobre-revolucionado del
motor, situación que puede averiarlo o producir accidentes.
TOMA DE DATOS:
Procedimiento de toma de datos:
Se lleva el motor a cada velocidad requerida controlando la aplicación de carga en el
dinamómetro. Fijada la velocidad deseada, se debe asegurar que el motor se
mantenga estable durante un minuto antes de hacer lectura de los instrumentos de
medición. Sobre todo a altas velocidades es prudente realizar las pruebas
rápidamente para evitar tener el motor funcionando a altas velocidades durante
tiempos prolongados y minimizar así el riesgo de calentamiento. Las lecturas de
torque y consumo se hacen simultáneamente. Una vez hecha las lecturas de los dos
datos se incrementa la carga sobre el motor para fijar la siguiente velocidad
requerida.
Dinamómetro: Nivele el brazo de la balanza operando sobre el volante de ésta.
Después de esto, tome la lectura de su carátula.
Pistola (si se cuenta con una): Ubique la marca de tiempo de la polea del cigüeñal
en el punto cero del damper del motor con ayuda de la pistola. Anote el ángulo de
avance registrado en el display.
Medidor de emisiones (si se cuenta con uno): después de estabilizar el motor,
oprima el botón del analizador para fijar la lectura y anótela.
Medidor de consumos (si se cuenta con uno): Cierre la llave del tanque principal.
137
Después, tomo nota de una masa inicial y active el cronómetro. A continuación,
espera a que descienda la lectura de la balanza a una nueva masa, detenga el
cronómetro y tome nota de la nueva masa y del tiempo.
4.4.3.
Práctica No. 3. Encendido de motores
Práctica No. 3
ENCENDIDO DE LOS MOTORES
Objetivos
1.
Conocer el funcionamiento, calibración y principales componentes del
sistema de encendido por chispa.
2.
Determinar el avance al encendido en condiciones de marcha mínima o
ralentí y aceleración sin carga.
3.
Familiarizarse con los instrumentos utilizados en la determinación del
avance al encendido.
Informe
1.
El informe se desarrollará teniendo en cuenta la siguiente información:

Bibliografía y procedimiento
2. El informe deberá contener lo siguiente:

Tabla de adquisición de datos

Tabla de resultados
138

Desarrollo de preguntas problema.

Muestra de cálculos

Análisis de resultados y conclusiones
Preguntas problema
1.
¿Cuál es el objeto de sincronizar el encendido?
2.
¿Cuáles son las consecuencias de una sincronización deficiente?
3.
Describa brevemente los principales componentes de un sistema de
encendido por chispa. Indique su función.
4.
¿A qué elementos del sistema se les debe realizar mantenimiento y cómo
se debe realizar?
5.
Realice una gráfica de el avance al encendido (b) según los datos
tomados en la práctica (tabla 1) vs las r.p.m.
6.
¿Cuáles es el rango normal para el ángulo de avance?
7.
¿Varía el ángulo de avance al variar las r.p.m.? ¿Por qué?
8.
Describa brevemente dos sistemas diferentes de encendido por chispa.
9.
¿Cuáles son las principales fallas en el sistema de encendido por chispa?
10.
¿En qué consiste el encendido por magneto?
139
Procedimiento
SINCRONIZACIÓN AL ENCENDIDO
Aflojar y girar el distribuidor de su base, de modo que los contactos o platinos se
abran precisamente cuando las marcas coincidan.
Se retira la tapa, se limpian los terminales interiores así como también el terminal del
rotor.
Se inspeccionan los platinos, si están quemados se cambian o si no se limpian con
una lija plana.
Se comprueba la alineación de los contactos y se regula la holgura o luz a la medida
requerida utilizando las galgas calibradoras (de acuerdo a especificaciones del
motor).
Antes de instalar platinos y condensador, es importante inspeccionar los cojinetes del
árbol del distribuidor, pues cualquier desgaste da como resultado un juego lateral del
árbol y por consiguiente, la vibración en el intervalo de los platinos. El juego lateral
del árbol del distribuidor puede medirse con un calibrador de cuadrante.
Con el probador de distribuidores hacer girar el distribuidor para probar el
funcionamiento del avance centrífugo, además medir el ángulo de contacto de la leva
y revisar, con el mismo instrumento, el funcionamiento de los mecanismos de avance
por vacío.
140
Conectar el multímetro a la batería y a la bobina para medir el voltaje y consumo de
corriente del motor de arranque.
Conectar por uno de sus polos la pistola estroboscópica a la batería y por el otro
(Palpador con flecha) a la bujía.
Con el potenciómetro buscar la chispa. Leer en el multímetro los grados que nos
indique y compararlos con la lectura de la pistola estroboscópica.
Comprobar y ajustar el avance centrífugo desconectando el tubo de vacío. El avance
máximo es ±18º y depende de cada motor. El avance por vacío se prueba y ajusta
conectando el estroboscopio al vacío y graduado a 0 avance y 0 vacío a ±1000 r.p.m.
Tanto el rotor como la tapa del distribuidor deben comprobarse para tener la certeza
de que están libres de grietas y de corrosión.
REVISIÓN Y PRUEBA DEL CONDENSADOR
Se le hace la prueba de capacidad cuyo resultado debe estar entre 0.2 y 0.5
microfaradios. También se le hace prueba de pérdida de resistencia que debe ser
mayor de 5 megaohmios y la resistencia en serie debe ser menor de 1 ohmio. Cabe
anotar que debido al bajo costo del condensador, conviene cambiarlo cada vez que
se haga una sincronización.
REVISIÓN Y AJUSTE DE PLATINOS
Como la separación entre los platinos debe ser correcta para un buen
funcionamiento del encendido, su ajuste es de gran importancia. Se emplea una
141
galga (galga calibre 40 o 0.028 pulgadas) que se coloca entre los contactos estando
la leva del ruptor girada de modo que el punto más alto del lóbulo de la leva este en
contacto con el brazo móvil de los platinos; este procedimiento no se debe utilizar
para platinos desgastados. Para probar estos platinos se utiliza un indicador de
cuadrante o un medidor de ángulo de contacto. Este ángulo de contacto es el
número de grados de rotación de la leva en el instante en que los platinos se cierran
hasta que se abren nuevamente. Aumentando el ángulo de contacto de leva,
disminuye la separación entre los platino y viceversa. El ajuste se efectúa aflojando
el tornillo de inmovilización.
REVISIÓN Y AJUSTE DE BUJÍAS
Una vez quitadas las bujías, se debe inspeccionar el área de los electrodos donde
salta la chispa observando el tipo de dispositivo y el grado de erosión de los
electrodos. La vida de la bujía se calcula que es de 16000 a 19200 Km. Por ejemplo,
si el electrodo de la bujía presenta humedad y excesiva presencia de hollín, esto nos
indica que hay un consumo excesivo de gasolina y por tanto, combustión incompleta.
Si por el contrario, el electrodo presenta un color blanquecino y está seco, se deduce
que se está aprovechando todo el combustible. Si las bujías no han cumplido su ciclo
de vida, se procede entonces a controlar el estado de los electrodos, el aislamiento
de porcelana y finalmente se efectúa una limpieza mediante un aparato especial a
chorro de arena.
Después de la limpieza, se ajusta la separación entre los electrodos, para lo cual se
dobla el electrodo exterior, teniendo en cuenta las especificaciones.
142
REVISIÓN DEL CIRCUITO ELÉCTRICO
El voltaje de la bobina se prueba entre el positivo de la batería y el primario de la
bobina, el que va al interruptor. Si la lectura es menor de 6.9 voltios, el primario esta
bien. Si es mayor, hay deficiencias en el cable o en los contactos.
Para comprobar la resistencia del primario, se mide la caída de potencial en sus
extremos, el cual debe ser menor de 6.6 voltios. La verificación del circuito primario
se hace con un voltímetro.
En el alambrado secundario, los aislamientos deben limpiarse frotándolos con un
trapo mojado en un buen disolvente no inflamable. Se efectúa una prueba de
intensidad de chispa en cada cable de bujía. La resistencia de cada cable secundario
también debe medirse.
Verificar el estado de carga de la batería con el densímetro. Para obtener una
verificación del voltaje de la batería, ésta debe estar sometida a una carga
aproximada de 300 amperios. Se prueba con un amperímetro y un voltímetro,
combinados con un reóstato de trabajo pesado que proporciona la carga. La lectura
de cada vaso no debe ser menor de 1.3 voltios.
Se deben verificar los cables de la batería; si están sulfatados, se limpian y luego se
engrasan con vaselina.
Se comprueba el régimen del generador el cual produce corriente y voltaje estable
para el accionamiento del equipo eléctrico del automóvil. Además, se debe
143
comprobar el consumo de corriente en el motor de arranque. Utilizar un multímetro
(medir voltaje y corriente).
4.4.4
Práctica No. 4. Medición de Torque, consumo de aire y combustible,
con el acelerador a fondo variando las r.p.m.
Práctica No. 4
Práctica
Medición de Torque, consumo de aire y combustible, con el acelerador a fondo
variando las r.p.m.
Objetivos
1.
Familiarizarse con la forma de operación del motor de ignición por chispa y
por compresión.
2.
Obtener las curvas características de torque, potencia, eficiencia,
consumo de aire y combustible vs las r.p.m de la máquina.
3.
Estudiar el significado del aspecto, condición o forma de dichas curvas y la
importancia de puntos específicos.
Informe
1.
El informe se desarrollará teniendo en cuenta la siguiente información:
o Gráfica 1: Curva de calibración de consumo de aire
o Gráfica 2: Curvas para hallar el factor de corrección, al flujo de aire
144
o Gráfica 3: Curvas para el factor de corrección a la potencia
o Tabla 1. Vapor saturado: Temperaturas.
o Bibliografía y procedimiento
2.
El informe deberá contener lo siguiente en su orden:
 Tabla de adquisición de datos
 Muestra de cálculos
 Tabla de resultados
 Desarrollo de preguntas problema.
 Análisis de resultados y conclusiones
Preguntas problema
1.
Realizar las siguientes gráficas con los datos obtenidos en la práctica, ya
sea utilizando papel milimetrado tamaño carta, o imprimiendo las curvas
obtenidas en el programa existente para este laboratorio.
 Torque vs r.p.m.
 Potencia vs r.p.m.
 Consumo de aire vs r.p.m.
 Consumo de combustible vs r.p.m.
 Eficiencia volumétrica vs r.p.m.
145
 Eficiencia térmica vs r.p.m.
2.
¿Para qué valor de r.p.m. se obtuvo el máximo torque?
3.
¿Para qué valor de r.p.m. se obtuvo la máxima potencia?
4.
¿Por qué para la potencia del motor no se obtiene una representación
gráfica plana?
5.
Cuál es la relación aire-combustible recomendada para el motor operando
a máxima aceleración, para máxima potencia?
6.
¿Puede el carburador (si es que cuenta con uno) mantener esta relación
aire-combustible para diferentes r.p.m.?
7.
¿Por qué varía la eficiencia térmica con las r.p.m.?
4.4.5
Práctica No. 5. Medición del Torque del motor manteniendo las r.p.m
constantes y variando las posiciones del acelerador.
Práctica No. 5
Práctica
Medición del Torque del motor manteniendo las r.p.m constantes y variando las
posiciones del acelerador.
Objetivos
1.
Hallar el efecto de la carga sobre las r.p.m. del motor.
146
2.
Hallar el cambio en la potencia con variaciones de carga, para unas r.p.m.
constantes en el motor.
Informe
1.
El informe se desarrollará teniendo en cuenta la siguiente información:

2.
Bibliografía y procedimiento
El informe deberá contener lo siguiente en su orden:

Tabla de adquisición de datos

Muestra de cálculos

Tabla de resultados

Desarrollo de preguntas problema.

Análisis de resultados y conclusiones
Preguntas problema
1.
¿Para cuál posición del acelerador produjo el motor la máxima potencia?
2.
¿Para cuál posición del acelerador produjo el motor el máximo torque?
3.
Explique porque se alcanza la máxima potencia para el 100% de
posicionamiento del acelerador.
4.
Explique porque no se alcanza la máxima potencia para el 100% de
posicionamiento del acelerador.
147
5.
¿Cuál es la importancia del comportamiento del motor a r.p.m. constantes,
tal como se realizó en esta práctica?
Procedimiento
1.
Verificar la conexión del motor al dinamómetro.
2.
Ajustar la carga a cero.
3.
Encender el motor y esperar que tome su temperatura durante 30
segundos.
4.
Fije la aceleración a su porcentaje máximo.
5.
Luego, ajustar la carga en el dinamómetro hasta obtener 4000 r.p.m.
6.
Para 4000 r.p.m. constantes, a medida que se varían las posiciones del
acelerador según la tabla de toma de datos (en %), registrar el torque
obtenido (en libras).
4.4.6
Práctica No. 6. Medición de Torque y r.p.m con el acelerador abierto a
fondo
Práctica No. 6
Práctica
Medición de Torque y r.p.m con el acelerador abierto a fondo.
Objetivos
1.
Entender el modo de funcionamiento del dinamómetro.
148
2.
Obtener las gráficas de potencia y torque vs r.p.m. del motor de
combustión interna.
3.
Analizar las curvas de torque y potencia, entender su significado y poder
explicar su aplicación útil.
Informe
1.
El informe se desarrollará teniendo en cuenta la siguiente información:

Bibliografía y procedimiento
2. El informe deberá contener lo siguiente en su orden:

Tabla de adquisición de datos

Tabla de resultados

Desarrollo de preguntas problema.

Análisis de resultados y conclusiones
Preguntas problema
1.
Realizar las siguientes gráficas con los datos obtenidos en la práctica.

r.p.m. vs libras

r.p.m. vs potencia.
2.
¿A que valor de r.p.m. se obtiene el mayor torque?
3.
¿A que valor de r.p.m. se obtiene la mayor potencia?
149
4.
¿Por qué las curvas de torque y potencia no llegan a su máximo con las
mismas r.p.m.?
5.
¿Por qué el torque para este motor no es el mismo a las diferentes r.p.m.?
6.
Las especificaciones de diseño para la potencia de este motor las
encuentra en la presentación del mismo. Compare la curva de potencia
obtenida con la de diseño o también llamada de régimen. ¿Qué
diferencias encuentra? Si las hay, ¿a qué se deben?
4.4.7.
Práctica No. 7. Análisis de gases de escape
Práctica No. 7
ANÁLISIS DE GASES DE ESCAPE
Objetivos
1.
Determinación de las concentraciones de diferentes contaminantes en los
gases de escape de los vehículos accionados a gasolina o diesel, en
condiciones de marcha mínima o ralentí y aceleración sin carga.
2.
Determinar las características técnicas mínimas de los equipos necesarios
para realizar dichas mediciones.
3.
Obtener las curvas de % en volumen de: Bióxido de carbono, Monóxido de
carbono, Hidrógeno, Oxígeno y HC (ppm) vs Relación aire - combustible
(Kg de combustible por Kg de aire) para el motor en marcha mínima o
ralentí y aceleración sin carga.
150
4.
Obtener las curvas de % en volumen de los componentes vs relación aire combustible medida en base seca, para el motor en marcha mínima o
ralentí y aceleración sin carga.
Informe
1.
El informe se desarrollará teniendo en cuenta la siguiente información:

2.
Bibliografía y procedimiento.
El informe deberá contener lo siguiente en su orden:

Tabla de adquisición de datos

Muestra de cálculos

Tabla de resultados

Desarrollo de preguntas problema.

Análisis de resultados y conclusiones
Preguntas problema
1.
Realizar las siguientes gráficas con los datos obtenidos en la práctica.
Porcentaje en volumen de CO, % en volumen de CO2, % en volumen de
hidrógeno, % en volumen de oxígeno y HC (ppm) vs Relación aire combustible
(Kg de combustible por Kg de aire).
151
2.
Realizar las siguientes gráficas con los datos obtenidos en la práctica.
Porcentaje en volumen de CO, % en volumen de CO2, % en volumen de
hidrógeno, % en volumen de oxígeno y HC (ppm) vs Relación aire –
combustible medida en base seca.
3.
Calcule la relación teórica aire - combustible para combustión completa con el
hidrocarburo (gasolina) C8H18. ¿Cuál es la nueva relación aire - combustible
con unos coeficientes de exceso de aire (aire real/aire teórico) de 1.1 y 1.3?
4.
Calcular el análisis molar de combustión del C8H18 si se quema con un 200%
de aire teórico. Calcule el punto de rocío sabiendo que la presión es 75 KPa.
5.
Se quema metano con aire y se obtiene el siguiente análisis molar:
CO2 = 10%
O2 = 2.37
CO = 0.53
N2 = 87.1
Escribir la ecuación de combustión.
Calcule la relación aire – combustible.
Hallar la relación real aire – combustible.
¿Cuál es el exceso de aire?
6.
Para el análisis molar resultante en la práctica obtenga:
152
La ecuación de combustión.
La relación aire – combustible.
La relación real aire – combustible.
El exceso de aire.
Se quema propano con el 150% de aire. La presión es de 970 mb. Hallar:
a)
Análisis molar de productos de la combustión
b)
Punto de rocío de la mezcla gaseosa
c)
Porcentaje de agua condensada cuando la temperatura de los gases
es de 20 ºC.
7.
¿Cuáles son las principales deficiencias del laboratorio que se realiza
actualmente, comparado con el que exige la norma? ¿Qué parámetros no se
tienen en cuenta?
Procedimiento
1.
Puesta a punto del analizador de gases.
1.1.
Se debe encender e inicializar el analizador de gases asegurándose del
correcto estado de mantenimiento y calibración del mismo, de acuerdo con
las instrucciones contenidas en el manual de operación provisto por el
fabricante.
153
1.1.1.
Conecte la unidad a la red de alimentación. Observe que el voltaje sea
igual al de la placa de identificación.
1.1.2.
Conecte la sonda de prueba a la entrada de los filtros en la parte posterior
del equipo.
No inserte el otro extremo a la salida de los gases del vehículo.
1.1.3.
Prenda la unidad con el interruptor localizado en la parte posterior.
1.2.
Se debe eliminar de los filtros y de la sonda el material, el agua o la
humedad y toda sustancia extraña que pueda alterar las lecturas de la
muestra.
1.3.
Teniendo tapada la aguja de toma de gases se chequea que el aparato
emita un mensaje en todos los displays a fin de verificar la fiabilidad de la
lectura.
1.4.
Se realiza la prueba de fugas según el manual. En caso de existir una fuga
se mostrará el aviso en la pantalla.
1.5.
La activación del analizador, antes de realizar cada prueba, deberá estar
sujeta a la comprobación automática de residuos. Antes de efectuar una
nueva medición se deberá esperar a que las lecturas del analizador de
gases vuelvan al mínimo, con la sonda de gases en contacto con el
ambiente. La condición que debe cumplirse es de HC + - 20 p.p.m. Si los
residuos de HC no descienden por debajo de los 20 p.p.m. dentro de los
150
segundos
siguientes,
el
analizador
deberá
bloquearse
154
automáticamente y deberá aparecer el siguiente mensaje en pantalla:
"posible filtros sucios en la línea de muestra". De igual manera, antes de
realizar cada prueba, el sistema deberá incorporar una calibración
periódica automática de los rangos de tolerancia, conocida como autocero,
que incluya una indicación visual en la pantalla del equipo, la cual deberá
indicar al técnico que este proceso se esta realizando.
1.5.1.
Después de encender el analizador puede ocurrir:
1.5.1.1.
Autoprueba
1.5.1.2.
Calentamiento
Durante el tiempo de calentamiento se debe revisar el estado de los
displays para verificara el funcionamiento de los medidores.
La bomba de vacío deberá estar funcionando. Este tiempo no puede ser
evitado.
1.5.1.3.
Luego del tiempo de calentamiento, comienza la autocalibración durante
25 seg.
1.6.
Una vez el analizador de gases ha realizado la prueba de residuos y el
autocero, un mensaje en la pantalla del mismo indicará al operador que
puede introducir la sonda de prueba al tubo de escape del vehículo, a la
profundidad indicada por el fabricante. Si el diseño del tubo de escape del
vehículo no permite que sea insertada a esta profundidad, se requiere del
uso de una extensión del tubo de escape.
155
1.7.
Se acondiciona el analizador de acuerdo a las características del motor.
(Tipo de encendido, Nº de tiempos, Nº de cilindros).
1.8.
Selección del tipo de combustibles
1.9.
Selección de la relación Aire - Combustible (l).
1.10.
Se enciende el motor en marcha lenta
1.11.
Se conecta la aguja de toma de gases al tubo de escape sólo cuando esté
listo para tomar la muestra.
1.12.
Fijándose en el tablero, se lleva el motor a que tenga una mezcla lo más
rica posible; lo cual se logra graduando el tornillo de regulación de mezcla
en vacío, variando la relación AIRE - COMBUSTIBLE.
2.
Puesta a punto del motor.
2.1.
Una vez en marcha el motor del vehículo verificar que llegue a su
temperatura normal de operación, lo que se comprueba con las lecturas
de la sonda de temperatura del aceite del motor que posee el analizador
de gases.
2.2.
Se debe asegurar que el control manual de choque (ahogador), las luces y
accesorios como el aire acondicionado, entre otros, estén desconectados.
2.3
Se debe asegurar que la transmisión esté en neutro (transmisiones
manuales) o en parqueo o neutral (transmisiones automáticas).
156
2.4.
Verificar que no existan fugas en el tubo de escape y silenciador, tapa de
llenado del tanque de combustible, tapa de llenado del aceite del motor ni
en las uniones al múltiple de escape o en alguna salida adicional a las de
diseño, que provoquen una dilución de los gases de escape o una fuga de
los mismos. En caso de que alguna de estas circunstancias se presente,
deberá ser corregida para obtener una muestra correcta de los gases.
2.5.
Se debe conectar el tacómetro del analizador de gases u otro elemento de
registro y toma de r.p.m., al sistema de ignición del motor del vehículo y
efectuar una aceleración a 2500 r.p.m. ± 250 r.p.m. Se debe mantener
esta condición por treinta (30) segundos. Si se observa emisión de humo
negro o azul y este se presenta de manera constante por más de diez (10)
segundos, no se continuará con el procedimiento de prueba y el vehículo
deberá ser ajustado.
2.6.
Se acelera el vehículo hasta condiciones de velocidad de crucero, es decir
hasta 2500 r.p.m. ± 250 r.p.m., manteniendo esta condición por treinta (30)
segundos.
2.7.
El analizador de gases deberá registrar el promedio de los valores
medidos de las concentraciones de los gases de escape en los últimos
cinco (5) segundos.
2.8.
Se retorna a la condición de marcha mínima o ralentí especificada por el
fabricante o ensamblador, o en su defecto a un máximo de 1000 r.p.m. y
mantener esta condición por treinta (30) segundos.
157
2.9.
El analizador de gases deberá registrar el promedio de los valores
medidos de las concentraciones de los gases de escape en los últimos
cinco (5) segundos.
2.10.
Para realizar las determinaciones de los valores de las concentraciones de
los gases de escape en vehículos con doble tubo de escape, se deberá
utilizar una sonda de prueba doble.
2.11.
Toma de los datos del tablero variando la relación AIRE-COMBUSTIBLE
de máximo a mínimo (según indicaciones del Ingeniero encargado).
158
CAPITULO V
DISCUSIÓN
5.1.
DISCUSIÓN Y ANÁLISIS DE EQUIPO PROPUESTO
Se tomó la decisión de proponer un banco de pruebas de motores de combustión
interna especializado; ya que este equipo permite el desarrollo de las pruebas
descritas anteriormente y además, es posible diseñar, implementar y desarrollar más
ensayos de laboratorio. Este equipo debe constituirse como una herramienta para la
formación de profesionales en el campo de la Ingeniería Mecánica.
El equipo propuesto incluye la adquisición de un motor de combustión interna
encendido por chispa y un motor de combustión interna encendido por compresión;
sin embargo, dado el diseño y la capacidad del banco de pruebas, es posible realizar
ensayos a una diversidad de motores de combustión interna, que pueden contar con
cajas de transmisión manuales o automáticas, e inclusive se puede realizar ensayos
con motores eléctricos si el rango de torque y velocidad (RPM) lo permite.
159
Como parte de futuros planes de ampliación del laboratorio, se puede adquirir
equipos complementarios tales como sensores o transductores para determinar
información sobre balances térmicos, temperaturas de gases de escape, entre otras.
Otro aspecto importante de un banco de pruebas con las características descritas
anteriormente es que no requiere de ningún sistema auxiliar de suministro de
insumos, salvo el sistema eléctrico correspondiente. Además, no requiere de ningún
tipo de cimentación especial para la absorción y disipación de vibraciones.
Por último, el equipo propuesto puede llegar a representar un beneficio económico
para la Universidad, ya que por su versatilidad y amplio rango de utilización, es
posible ejecutar órdenes externas de prueba de motores de combustión interna.
5.2.
CONCLUSIONES
 Es de vital importancia, para los estudiantes de la carrera de Ingeniería
Mecánica, la implementación de prácticas de un laboratorio de motores de
combustión interna para reforzar los conocimientos teóricos adquiridos en el
área de Energía de la carrera (Termodinámica y Máquinas Térmicas).
 Mediante el desarrollo de las prácticas, los estudiantes estarán en capacidad
de determinar factores y elementos básicos que rigen y regulan el
comportamiento de un motor de combustión interna
 La implementación de prácticas de un laboratorio de motores de combustión
interna de las características y equipos propuestos permite desarrollar
pruebas a diferentes tipos de motores: gasolina, diesel e inclusive eléctricos.
160
5.3.
RECOMENDACIONES
 Como parte del desarrollo del laboratorio, se recomienda diseñar y desarrollar
otras prácticas que refuercen otros conceptos adquiridos en los cursos
teóricos.
 Dada la versatilidad del equipo, se recomienda utilizar el laboratorio para
desarrollar prácticas conjuntas para las carreras de Ingeniería Química e
Ingeniería Eléctrica.
 Se recomienda el desarrollo de visitas técnicas a empresas que utilicen
motores de combustión interna en diferentes aplicaciones; de tal forma que se
enriquezcan las prácticas propuestas.
 Establecer los créditos académicos correspondientes a las prácticas de
laboratorio, con el fin de planificar el horario en que se estarán impartiendo las
mismas.
161
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
•
Bosch, Robert (1976). Manual de la Técnica del Automóvil. (18ª. Edición).
Alemania. Editorial Urmo.
•
Cengel, Yunus (1996). Termodinámica.(2da. edición). México. Editorial
McGraw Hill.
•
Holman, J.P., (1972), “Transferencia de Calor”, (5ta edición), USA, McGrawHill.
•
Segeler, George. Gas engineer’s handbook; fuel gas engineering
practices. Editorinchief.
•
Holman, J.P., (1975), “Termodinámica”, (2da edición), USA, McGraw-Hill.
•
Obert, Edward (1998). Motores de Comcustión Interna. Análisis y
Aplicaciones. (24a. Edición). México. Compañía Editorial Continental.
OTRA INFORMACIÓN EXISTENTE EN INTERNET SOBRE EL TEMA
•
www.automotriz.net
•
www.briggsandstratton.com
•
www.bochoweb.com
•
www.cec.uchile.cl
•
www.gunt.de
•
www.uamerica.edu.co
162

www.weinlich.de

www.cleaver-brooks.com,
163
ANEXOS
164
ANEXO 1.
PRECAUCIONES DE SEGURIDAD
Estas reglas deben ser observadas en toda prueba:
1.
El monóxido de carbono (CO) es un gas incoloro, inodoro, pero letal; procure
que el local tenga buena ventilación.
2.
No fume cerca de gasolina o GLP gas líquido.
3.
Chequear el nivel de aceite del motor antes de la prueba.
4.
Chequear el nivel de refrigerante del radiador.
5.
No use ropa floja, corbata o pelo largo cerca al motor en movimiento.
6.
No use la lámpara de tiempo muy cerca del ventilador, su luz produce la
ilusión óptica de estar quieto y causar un accidente.
7.
Use anteojos de seguridad, evite la caída gasolina u objetos que salten.
8.
Nunca mire directamente al carburador (si es que el motor cuenta con uno).
9.
Evite el uso de joyas, relojes o anillos, pueden producir corto circuitos o bien
se enreden con el motor.
10.
No toque las superficies calientes como múltiple de salida, radiador,
mangueras, conversor catalítico etc.
11.
No coloque herramientas sobre la batería puede causar cortos o dañarla
internamente.
165
12.
EL ácido de batería produce quemaduras, si tiene contacto neutralícelo con:
Soda o bicarbonato de calcio y abundante agua.
13.
Mantenga un extintor de incendios que apague la gasolina, químicos y/o
elementos eléctricos.
14.
Altos voltajes existen en el sistema secundario, use pinzas aisladas para
cualquier desconexión que requiera.
15.
El hidrógeno producido por la batería es explosivo.
16.
Coloque topes en las llantas para evitar movimientos del vehículo durante la
prueba.
166
ANEXO 2.
COMO REDACTAR UN INFORME DE UN ENSAYO DE LABORATORIO
De vez en cuando, todo profesional se ve obligado a redactar informes escritos, cuya
naturaleza depende del tipo de trabajo con que el que se enfrenta. Para muchos
ingenieros, el escribir informes constituye la mayor parte de su labor, mientras que
para otros, un informe representa la culminación de esfuerzos prácticos.
La importancia para un profesional de presentar un satisfactorio informe del resultado
de sus actividades dentro de una esfera particular de la investigación técnica,
desarrollo o investigación, no debe ser subestimada. No es pues sorprendente que
se incluya en su formación una parte dedicada al desarrollo de informes con tan alto
grado de aprovechamiento como en trabajos de otra índole.
A continuación se tratará con el tema de la redacción de un informe sobre
determinado ensayo realizado en el laboratorio, y se espera que las observaciones
que se presentan a continuación ayudaran al estudiante en la redacción de un
informe de ensayo de laboratorio.
El informe ha de presentarse de tal manera que la persona que lo lea sea capaz de
comprender la razón que ha llevado a la realización del ensayo. La manera práctica
en que se ha realizado, las observaciones que se hacen, y las consecuencias que se
deducen de ellas. Un informe debe ser claro, exacto y conciso. En todo él se usará la
tercera persona y el tiempo pasado.
167
Partes constitutivas Se sugiere la siguiente estructura para la redacción de un
informe sobre un experimento de laboratorio bajo los siguientes apartados:
a)
Índice
b)
Resumen
c)
Introducción
d)
Descripción de la instalación (o apartado) y datos de referencia
e)
Descripción del procedimiento experimental o método operativo
f)
Observaciones
g)
Planteamiento de los cálculos
h)
Cálculos
i)
Resultados calculados
j)
Discusión y conclusiones
k)
Teoría incluida en el apéndice
No todos los informes precisarán de la totalidad de los apartados.
Descripción de apartados
a)
Índice.
Hará referencia paginada a todos los apartados, sub-apartados y apéndices del
documento.
168
b)
Resumen
Una persona que lea el informe debe ser capaz de hacerse una idea desde el primer
párrafo de lo que significa en conjunto. El lector podrá apreciar enseguida los temas
principales que se abarcan en el informe y decidir si es de su interés continuar la
lectura. El resumen debe constituir un breve relato.
c)
Introducción
Este apartado no es siempre esencial, ya que a veces es suficiente el resumen que
se redacta en primer lugar. Hay a menudo puntos sustanciales del ensayo que son
necesarios explicar y que requieren una mención especial.
d)
Descripción de la instalación y datos de referencia
Debe hacerse una completa y exacta descripción del aparato que realmente se
emplea en el ensayo. En los casos en que la instalación es complicada, es adecuado
acompañar una fotografía de la instalación junto con un diagrama de flujo. Cuando la
instalación es muy compleja basta solamente una descripción general del conjunto.
e)
Descripción del procedimiento experimental o método operativo
Es preciso una exacta y completa descripción debiendo ser correcta la exposición de
la secuencia del método, para que, como resultado de la lectura de este apartado, el
lector pueda llevarlo a cabo por sí mismo.
f)
Observaciones
169
En este apartado deben recogerse claramente todos los datos que hayan podido irse
coleccionando durante el ensayo, preferentemente en forma de tabla si el método es
conveniente. Deben establecerse las unidades empleadas.
g)
Planteamiento de los cálculos
A veces no hay razón para incluir teoría, pero en la mayoría de casos es útil y
conviene incluir una exposición de la forma en que se han deducido los resultados
calculados. Han de quedar perfectamente claras la nomenclatura, simbología y
unidades empleadas.
h)
Cálculos
Debe incluirse cualquier cálculo relacionado con la deducción de los resultados. En
los casos donde debe hacerse una serie de cálculos similares, sólo se incluirá en el
informe uno de ellos.
i)
Resultados calculados
Deben incluirse todos los resultados de los cálculos en forma tabular si resulta
conveniente. A veces. Las tablas son muy útiles para ver como varía un dato
particular de un ensayo a otro, aunque la tabla no presentará nunca las ventajas de
la representación gráfica de resultados. Es preciso llamar la atención sobre la
necesidad de tener en cuenta las unidades que se han empleado.
170
j)
Discusión y conclusiones
Esta es la parte más importante del informe o reporte. En este apartado, el redactor
del mismo debe hacer constar los hechos que se derivaron de las experiencias y,
además, hacer un comentario de ellos.
La naturaleza de la discusión varía con el tipo de trabajo de que se trate. Si, por
ejemplo, se ha llevado a cabo un experimento con vistas a ensayar algún hecho
teórico, deben plantearse la evidencia o falta de ella de este hecho a la vista de las
conclusiones obtenidas en el ensayo.
En un ensayo en el que se trate de determinar el valor numérico de alguna propiedad
física, debe comentarse la exactitud del resultado. Cuando se ha investigado la
conducta de una máquina, se explicarán en lo posible, las razones de los cambios
observados en sus características de funcionamiento.
La discusión debe contener siempre críticas constructivas acerca de la manera en
que el procedimiento o aparato ensayado podría mejorarse.
La importancia de la discusión, radica en el hecho de que el alumno al redactarla
debe tener presentes los hechos evidentes que ha presenciado a lo largo del ensayo.
De esta forma, el estudiante aprovechado puede aprender muchas cosas. El tiempo
que se emplee en redactar estas notas no serán nunca horas perdidas, ya que es un
buen camino para acostumbrarse a pensar.
171
Se puede hacer referencia a libros de texto para facilitar información en la extracción
de conclusiones. Naturalmente, se usarán con moderación y cuando se toman datos
de algún libro, éste debe citarse siempre.
Muchos experimentos conducen a resultados que es conveniente representarlos en
papel milimetrado o logarítmico para mostrar cómo varía alguna determinada
propiedad con respecto a otra u otras. En tales casos es necesario referirse a ellos
cuando se escriben las conclusiones. Se sugerirá la razón por la que se relacionan
las variables del gráfico entre ellas y se discutirá la exactitud de los valores
numéricos. De ser posible se mencionarán las causas de error.
En el informe de un ensayo se acostumbra a incluir los gráficos al final. El objetivo
del gráfico es presentar la manera en que se relacionan los factores variables en el
experimento. La claridad en la exposición deber ser un punto esencial.
NORMAS PARA LA REALIZACIÓN DE GRÁFICOS.
1.
Los ejes deben estar claramente definidos y rotulados y las divisiones bien
hechas. Los gráficos deben llevar un título.
2.
Deben incluirse las unidades en las que se han tomado las variables.
3.
Las escalas deben estar bien determinadas y citadas
4.
Hay que procurar que los gráficos sean agradables a la vista y fáciles de leer e
interpretar.
172
5.
Los puntos que se han hallado para determinar la curva deben figurar bien
definidos. Cuando en un mismo gráfico aparecen dos o más curvas, debe
hacerse una distinción entre los puntos pertenecientes a unas y otras.
6.
Debe rechazarse la inclusión de más de tres curvas en un mismo gráfico para
evitar confusiones al lector.
7.
En algunos casos en que una de las variables tenga un campo de variabilidad
muy pequeño, está permitido hacer que la escala de esta variable no empiece
a partir del origen. En estos casos es mejor hacer que uno de los ejes que
representa esta coordenada esté roto cerca del origen, y esta rotura
claramente definida.
173
ANEXO 3.
TABLAS DE EQUIPO PROPUESTO
Diagrama 1. Comportamiento de motor - equipo propuesto
(Weinlich GmbH&Co, 2003)
174
ANEXO 4.
ILUSTRACIONES DE EQUIPO PROPUESTO
Ilustración 20. Banco de pruebas
(Weinlich GmbH&Co, 2003)
Ilustración 21. Carro RWB- Sistema modular para soporte
(Weinlich GmbH&Co, 2003)
175
Ilustración 22. Carro RWB (Weinlich GmbH&Co, 2003)
Ilustración 23. Carro RWB (Weinlich GmbH&Co, 2003)
176
Ilustración 24. Carro RWB
(Weinlich GmbH&Co, 2003)
177
178
Ilustración 25. Detalle de equipo – banco de pruebas
(Weinlich GmbH&Co, 2003)
ANEXO 5.
179
GLOSARIO
Craqueo:
Desintegración de hidrocarburos por medio de calor. Con ello se fraccionan las
moléculas grandes y se hacen más pequeñas. Según las materias primas y el
procedimiento, los productos de craqueo son gasolina, gasoil, aceites pesados,
coque de petróleo y gases de craqueo (Bosch, 1976).
Destilación:
El petróleo se calienta sin entrada de aire y los componentes evaporados se
fraccionan mediante el enfriamiento (Bosch, 1976).
Hidrogenación (adicionamiento de hidrógeno):
Mediante el desdoblamiento de moléculas y la simultánea adición de hidrógeno
producido separadamente, a alta presión hasta 700 bar, alta temperatura de
aproximadamente 450 a 500 ºC y en presencia de catalizadores, se forman
hidrocarburos de diversos tipos (gasolina y diesel) (Bosch, 1976).
Isomerización, alcoholización:
Ambos procedimientos sirven para obtener isoparafinas resistentes al picado: en la
isomerización mediante la transformación catalítica de n-parafinas de cadenas
lineales en isoparafinas ramificadas; en la alcoholización, por adherencia catalítica de
moléculas gaseiformes de una olefina y una isoparafina para obtener una isoparafina
(líquida) más larga (Bosch, 1976).
180
Polimerización:
Los hidrocarburos gaseosos no saturados que se forman en las instalaciones de
craqueo y reforming se polimerizan en hidrocarburos tipo gasolina (Bosch, 1976).
Proceso adiabático:
Proceso en el cual la transferencia de calor entre la fronteras de los sistemas que se
analizan es nulo (Obert, 1998).
Reforming:
Mediante
la
transformación
de
la
estructura
molecular-deshidrogenización,
hidrocraqueo, ciclización, aromatización, se obtiene de la bencina pesada un
producto reformado altamente resistente al picado (Bosch, 1976).
181