TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA
REGION POZA RICA-TUXPAM
“TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO”
EN LA MODALIDAD DE:
TESINA
QUE PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA:
EXPERIENCIA RECEPCIONAL
PRESENTAN:
JULIO CESAR MONJARAS RAMOS
JOSE DE JESUS MORALES GONZALEZ
DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL:
ING. CESAR IGNACIO VALENCIA GUTIERREZ
POZA RICA, VER.
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Contenido
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 13
JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................................. 14
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO ......................................................... 15
ENUNCIACIÓN DEL TEMA .......................................................................................................... 16
EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO ............................................................. 17
DESARROLLO DEL TEMA ........................................................................................................... 19
MARCO CONTEXTUAL ................................................................................................................ 20
MARCO TEÓRICO .......................................................................................................................... 23
1.0 TERMODINÁMICA DEL MOTOR DIESEL............................................................................ 23
1.1 REPRESENTACION TERMODINAMICA DEL CICLO. ........................................................ 26
1.2 CICLO DIESEL. ......................................................................................................................... 29
1.3 CICLO DIESEL REAL ............................................................................................................... 40
1.4 CICLO MECANICO DEL MOTOR DIESEL ............................................................................ 43
2.0 SISTEMAS Y SUBSISTEMAS DEL MOTOR DIESEL .......................................................... 46
2.1 COMPONENTES DEL MOTOR DIESEL ................................................................................ 46
2.2 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL MOTOR DIESEL........................................................ 60
2.3 SISTEMA DE LUBRICACIÓN DEL MOTOR DIÉSEL .......................................................... 66
2.4 SISTEMA DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE EN MOTORES DIESEL .......................... 78
2.5 SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN .............................................................................................. 101
2.6 SISTEMA DE ADMISIÓN ...................................................................................................... 102
2.7 SISTEMA DE ESCAPE............................................................................................................ 106
2.8 SISTEMA DE ARRANQUE .................................................................................................... 109
3.0 LA TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO ..................................................... 119
3.1 TURBO ALIMENTACIÓN ...................................................................................................... 122
3.2 RENDIMIENTO DEL TURBOCOMPRESOR ........................................................................ 131
3.3 SISTEMA DE TURBO ALIMENTACIÓN. ............................................................................ 141
3.4 REFRIGERACIÓN DEL AIRE DE CARGA........................................................................... 172
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
3.5 JUEGO DELTURBOCOMPRESOR ........................................................................................ 179
3.6 CAMBIOS EN LAS CONDICIONES AMBIENTALES......................................................... 195
ANALISIS CRITICOS DE LOS DIFERENTES ENFOQUES ...................................................... 197
CONCLUSIONES .......................................................................................................................... 199
Bibliografía ..................................................................................................................................... 200
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
9
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
10
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
INTRODUCCIÓN
11
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
CAPITULO I
12
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, las mejoras en los motores diesel vienen dándose desde sus
mecanismos internos como externos, en este caso hablaremos del motor diesel
turbo cargado y sus componentes que con el paso del tiempo han ido mejorando
su eficiencia y ha sido de gran ayuda para los antes mencionados.
El uso de elementos que sirvan para sobrealimentar los motores viene dado por la
necesidad de aumentar la potencia sin tener que aumentar la cilindrada. Al
incrementar la potencia depende de la cantidad de combustible quemado en cada
ciclo de trabajo y del número de revoluciones.
Pero tanto en motores Diésel como en los de gasolina, por mucho que incremente
el combustible que se hace llegar al interior de la cámara de combustión, no se
consigue aumentar su potencia si este combustible no encuentra aire suficiente
para quemarse.
En el caso de los motores Diésel; la sobrealimentación no es una causa de
problemas sino todo lo contrario, es beneficioso para un rendimiento óptimo del
motor. El hecho de utilizar solamente aire en el proceso de compresión y no
introducir el combustible hasta el momento final de la carrera de compresión, no
puede crear problemas de "picado" en el motor. Al introducir un exceso de aire en
el cilindro aumenta la compresión, lo que facilita el encendido y el quemado
completo del combustible inyectado, lo que se traduce en un aumento de potencia
del motor. Por otro lado la mayor presión de entrada de aire favorece la expulsión
de los gases de escape y el llenado del cilindro con aire fresco, con lo que se
consigue un aumento de rendimiento volumétrico o lo que es lo mismo el motor
"respira mejor".
En el terreno de la sobrealimentación de motores, tanto en gasolina como en
Diésel, los mejores resultados obtenidos hasta ahora se han llevado a cabo con la
ayuda de los turbocompresores que si bien tienen algunos inconvenientes, tienen
la gran ventaja de que no consumen energía efectiva del motor además de que
están facultados para poder girar a un número elevadísimo de r.p.m.por encima de
100.000. Todo esto y su facilidad para ser aplicados al motor debido a su pequeño
tamaño (por lo menos en comparación a los compresores volumétricos), hacen
que se estudie a fondo la manera de utilizarlos y que se consiga con ellos
grandes éxitos tanto en competición como en realizaciones de motores de tipo
comercial.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
JUSTIFICACIÓN
El motor Diesel desempeña una función muy importante en los campos de la
construcción, agricultura y el transporte, pero para que estas máquinas realicen el
trabajo para lo cual fueron diseñadas se necesita que todos los sistemas auxiliares
del motor estén en plenas condiciones.
Hoy en día la implementación de turbocompresores en motores de combustión
interna es más común por las grandes ventajas que nos dan al implementarlos.
En estetrabajo empezaremos hablando sobre la definición de lo que es el ciclo
termodinámico del motor diésel, los diversos sistemas auxiliares del motor así
como las características del turbocompresor y su funcionamiento en general para
introducirnos más a fondo en las diferentes aplicaciones.
Los turbocompresores son de gran ayuda para los motores de combustión interna
ya que podemos tener un aumento de potencia de hasta un 40%, esto nos ayuda
de igual forma al ahorro de combustible y mayor eficiencia en el motor alargando
la vida útil de nuestra máquina. El uso del turbocompresor en los motores viene
dado por la necesidad de aumentar la potencia sin tener que aumentar la
cilindrada. Aumentar la potencia depende de la cantidad de combustible quemado
en cada ciclo de trabajo y del número de revoluciones.
Aunque el uso de turbocompresores parece una técnica muy reciente, no lo es, ya
que desde hace algunas décadas se empezó a soplar el combustible a base de
compresores accionados por medio de correas, cadenas etc. Utilizando para ello
el giro de la polea del cigüeñal. Estos fueron algunos de los pioneros de la
implementación del turbocompresor, pero, posteriormente aparecieron los
turbocompresores que se utilizaban para máquinas de régimen constante y
grandes potencias, regularmente para uso pesado como; barcos, locomotoras,
compresores, motores para la industria, etc.…
Por tal motivo, se realizara una investigación sobre los turbocompresores y de las
aplicaciones que se le puede dar.
14
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO
El sentido del presente trabajo es exponer toda la información necesaria acerca de
la turbo alimentación en los motores diésel, así como los componentes que la
complementan tanto en la industria automotriz, industrial, marítima, etc., a fin de
facilitar las actividades de los usuarios, ayudar a conocer el funcionamiento y
operación de los sistemas auxiliares para obtener los mejores resultados en el uso
de los motores diesel turbo cargados.
Para lograr el desarrollo de este tema se consultaron diversas fuentes, las cuales
fueron analizadas minuciosamente para extraer la información que proporcionara
más elementos significativos, para un mayor entendimiento del tema a tratar y que
sea fácil de comprender.
Se dará a conocer el funcionamiento detallado de cada parte del motor y su
desempeño así como equipos auxiliares que le permiten un mejor funcionamiento
y su trabajo sea mejorado dando un mayor desempeño.
Con estainvestigación se pretende llegar a que el lector tenga una mejor visión y
conocimiento sobre los motores de combustión interna diésel y entienda la
importancia de la implementación de la turbo alimentación en los motores antes
mencionados.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
ENUNCIACIÓN DEL TEMA
En el contenido de este trabajo se analizara el ciclo termodinámico y mecánico así
como se dará a conocer las principales partes y su funcionamiento en el motor
diesel; más adelante se mencionaran los sistemas auxiliares para un motor
convencional diesel.
Se adentrara más a fondo a la teoría del motor diesel turbo cargado, y se hará
mención de los diferentes sistemas que lo componen, mencionando el rendimiento
que puede tener un turbocompresor junto con sus diagramas, la optimización en el
enfriamiento del turbocompresor que debe tener, el diseño de las turbinas, y otros
temas a grandes rasgos.
Los objetivos de este tema es dar a conocer todo lo relacionado con los motores
diesel turbo cargados ya que la información es muy limitada sobre este tipo de
equipos, y aquí serán analizados a detalle, desde cómo nació, hasta las nuevas
innovaciones que han surgido a lo largo del tiempo para mejorar su
funcionamiento, rendimiento y que este tipo de maquinaria sea lo más practica
posible.
16
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO
En la investigación de este tema se desarrolla tres unidades y el contenido de
ellos los cuales a continuación exponemos:
1.0.- TERMODINAMICA DEL MOTOR DIESEL
En este apartado hablaremos del ciclo mecánico del motor diésel, así como
también el ciclo termodinámico diésel, los procesos que la componen
completamente explicados y los diagramas correspondientes.
2.0.- SISTEMAS Y SUBSISTEMAS DEL MOTOR DIESEL
En este apartado se explica la función de cada uno de los sistemas que componen
al motor diésel así como sus partes principales.
3.0.- TEORIA DEL MOTOR TURBOCARGADO
En este punto se menciona la importancia de los motores turbo cargados tanto en
la industria automotriz, ferroviaria, marítima e industrial. En esteapartado
analizaremos la eficiencia de los compresores y las turbinas que conducen a una
descripción de los mapas típicos de rendimiento del turbocompresor. Asimismo
analizaremos la optimización del enfriamiento del turbocompresor, intercoolers y
varios componentes que analizaremos.
Conoceremos los cambios en las condiciones ambientales que pudieran causar
estragos en los motores turbo cargados y sus cambios que se puedan presentar a
grandes rasgos.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
CAPITULO II
18
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
DESARROLLO DEL TEMA
PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE INVESTIGACION
En la presente tesina se muestra al motor Diésel, su historia, sus ciclos tanto
termodinámico como mecánico y sus sistemas auxiliares dándole un mayor
énfasis a la teoría del motor diésel turbo cargado y sus temas que la acompañan.
En la elaboración de este trabajo se requirió de una metodología, es decir, un
proceso durante el desarrollo del tema el cual es de vital importancia para alcanzar
un fin u objetivo.
El desarrollo de este trabajo se llevó a cabo mediante un proceso teórico. En el
aspecto teórico se obtuvo información referente al tema de investigación,
incluyéndose metodologías de investigación documentales y diversos.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
MARCO CONTEXTUAL
HISTORIA DEL MOTOR DIESEL
Rudolf Diesel desarrolló la idea del motor diesel y obtuvo la patente alemana en
1892. Su logro era crear un motor con alta eficiencia. Los motores a gasolina
fueron inventados en 1876 y, específicamente en esa época, no eran muy
eficientes.
Este tipo de motor de combustión interna (endotérmica) se encuentra en el grupo
de los motores alternativos, constituyendo su principal diferencia el sistema de
alimentacióny la forma en que se realiza la combustión. Los elementos
constitutivos del motor son muy similares a los de un motor de explosión aunque
existen algunas diferencias constructivas muy específicas con el fin de dotar de
mayor robustez todasaquellas partes del motor que soportan unas presiones de
trabajo mucho más elevadas.
Así pues, la principal característica de un motor Diesel es la que motivó su
creación y desarrollo: la obtención de un mayor rendimiento al del motor de
gasolina, empleando para ello un combustible más pesado y una relación
volumétrica de compresiónmucho más elevada (entre 8:1 y 10:1 para gasolina y
14:1 y 23:1 para losmodernos Diesel). En el motor Diesel, estas compresiones las
posibilita el hecho de aspirar y comprimir únicamente aire, en lugar de una mezcla,
que estallaría antes dellegar al final de la fase de compresión. (Fig. 1.)
Como ya se ha apuntado, en el interior del cilindro comprimimos pues solamente
aire. La relación volumétrica al final de la fase de compresión ha hecho que la
presión de este aire comprimido sea ahora de entre 30 a 50 kg/cm2 y la
temperatura haya rebasado los 600°C. En estas condiciones, debemos atender
otra de las características del motor, o mejor dicho, del combustible que emplea,
ya que el gas-oíl se inflama, se enciende espontáneamente, a una temperatura de
280°C.
Si sumamos a todo lo anterior el hecho de contar con un sistema que nos
introduzca a presión (inyección) el combustible a una elevada presión (de entre
100 y 250 kg/cm2) en el seno de este aire comprimido, el combustible líquido
penetrará en él en forma de chorro finamente pulverizado que se evaporará
rápidamente al absorber calor de las elevadas temperaturas existentes en la
cámara de combustión, se mezclará homogéneamente con el aire y
combinándose con el oxígeno combustionará espontáneamente a medida que
vaya entrando en el interior de la cámara de combustión.
Se adivina ya desde aquí la necesidad de contar con un sistema capaz de crear
Las elevadas presiones de inyección, de dosificar y pulverizar el combustible y que
20
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
este combustible esté exento de cualquier impureza que fuera susceptible de
entorpecer el ajustado funcionamiento del sistema de inyección donde
lastolerancias son de hasta 40 veces menores que el diámetro de un cabello
humano y donde para un motor de 4 cilindros la cadencia de inyección puede
llegar a ser de hasta 150 veces por segundo.
FIG. 1 COMPARACIÓN DE ALIMENTACIÓN DEL MOTOR GASOLINA DIESEL
21
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Hemos dicho ya que las diferencias constructivas son muy específicas, por lo
que analizará las diferencias más notables, estableciéndolas entre ventajas e
Inconvenientescomparados con el motor de gasolina.
DIFERENCIAS
Un motor a gasolina succiona una mezcla de gas y aire, los comprime y
enciende la mezcla con una chispa. Un motor diesel sólo succiona aire, lo
comprime y entonces le inyecta combustible al aire comprimido. EL calor del aire
comprimido enciende el combustible espontáneamente.
Un motor diesel utiliza mucha más compresión que un motor a gasolina.
Un motor a gasolina comprime a un porcentaje de 8:1 a 10:1, mientras un motor
diesel comprime a un porcentaje de 14:1 hasta 23:1. La alta compresión se
traduce en mejor eficiencia.
Los motores Diesel utilizan inyección de combustible directa, en la cual el
combustible Diesel es inyectado directamente al cilindro. Los motores a gasolina
generalmente utilizan carburación en la que el aire y el combustible son mezclados
un tiempo antes de que entre al cilindro, o inyección de combustible de puerto en
la que el combustible es inyectado a la válvula de succión (fuera del cilindro).
VENTAJAS
Menor consumo de combustible (aprox. un 30% menos).
Mayor rendimiento térmico, lo que se transforma en potencia útil (en tomo al
35%).
Al ser constructivamente más robusto y algo más lento, se alarga la vida útil
del motor.
Resulta más rentable para largos recorridos y muchos kilómetros.
INCONVENIENTES
Por su construcción y mayor peso, necesita bastidores y suspensiones más
resistentes.
El motor y la complejidad de la inyección le dan precio más elevado.
Algunas reparaciones resultan más costosas debido a la alta tecnología y a la
especialización que requieren.
Algunos motores presentan mayor rumorosidad y vibraciones
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
MARCO TEÓRICO
1.0 TERMODINÁMICA DEL MOTOR DIESEL.
TERMODINAMICA
La Termodinámica es una herramienta analítica teórica y práctica que interpreta
fenómenos naturales desde el punto de vista de las relaciones de materia y
energía.
La palabra “Termodinámica” fue usada por vez primera como combinación de los
vocablos griegos “termo” (calor) y “dinamos” (potencia o fuerza), aunque
actualmente se usa como opuesto a estático.
La Termodinámica estudia el intercambio de energía en sus diversas formas, su
interacción con los equipos, las propiedades de la materia y el uso racional de la
energía. Dado que no se puede concebir la industria sin uso de energía, esta
ciencia tiene una gran importancia práctica y se aplica en todas las ramas de la
Ingeniería.
A menudo se describen relaciones energéticas y másicas sin especificar la índole
de los procesos que las originan. Esto es así porque las leyes que se estudian
tienen aplicación y vigencia en todos los fenómenos naturales, y restringirlas de
algún modo sería destruir su significado. A la Termodinámica no le incumben los
detalles constructivos de un determinado proceso que produce una cierta
transformación, sino la transformación en sí, y la estudia desvinculada de todo
detalle que quite generalidad a su estudio.
En general, nos limitaremos a establecer nuestro análisis en base al balance de
masa, de energía y de entropía, haciendo abstracción del funcionamiento interno
del proceso.
La termodinámica se basa en 3 conceptos básicos que son:
PRESIÓN:
Se define la presión en un fluido en reposo como la fuerza compresiva normal por
unidad de área (esfuerzo normal de compresión) que actúa sobre una superficie
sumergida en el seno del fluido.
TEMPERATURA:
La Temperatura es una propiedad de la materia que está relacionada con la
sensación de calor o frío que se siente en contacto con ella.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
La temperatura de un cuerpo es una medida de su capacidad de transferir calor.
CALOR:
El calor es una forma de transferir energía. Esa transferencia ocurre cuando hay
desequilibrio térmico, es decir cuando una de las partes entre las que tiene lugar
esa transferencia “está más caliente” (tiene mayor temperatura) que otras.
Hay dos enfoques de la Termodinámica que proveen una comprensión integral de
las relaciones de masa yenergía.
Uno es el macroscópico que estudia la materia sin ocuparse demasiado de la
composición articulada.Esto se conoce generalmente como “Termodinámica
clásica”, porque sus contenidos son principalmentelos que se desarrollaron en las
primeras etapas de esta ciencia. La mayor parte de los textos básicosde
Termodinámica exponen la Termodinámica clásica.
El enfoque microscópico en cambio parte de la composición particulada de la
materia y, con la ayuda de lamecánica estadística y otras técnicas, elabora
modelos de los agentes termodinámicos que se usan principalmenteen la
estimación de las propiedades de sustancias puras.
A continuación se muestran los principios básicos de la termodinámica básica.
CICLO TERMODINÁMICO
Es un proceso o conjuntos de procesos por los que un sistema evoluciona
volviendo al mismo estado inicial. (Figura 2).
Para todo ciclo se cumple que:
U  0;
Q W
Dónde:
Q= calor
W= trabajo.
Esto nos indica que el calor es igual al trabajo en el sistema.
Ciclo reversible: (todos los estados son de equilibrio). Puede representarse en
diagramas PV, TS de acuerdo en el ciclo de Carnot.
PV: es la relación de presión y volumen.
TS: es la relación de temperatura y entropías.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
C.
Carn
A
ot Q1
TC
Tc>TF
B
TC
D
Q2
C
TF
TF
C.
Carn
ot
Fig.2 El área dentro del ciclo en un diagrama PV representa el trabajo y en un diagrama TS el
calor.
TIPOS DE PROCESOS TERMODINAMICOS.
Para aplicar la primera ley de la termodinámica a sistemas específicos es útil
definir primero algunos procesos termodinámicos comunes.
PROCESO ADIABATICO.
Un proceso adiabático se define como un proceso en el cual el sistema no
absorbe ni cede calor, es decir Q= 0 entonces, de la primera ley:
AW= X
Y
Este proceso se puede lograr ya sea aislado térmicamente el sistema de sus
alrededores o realizando el proceso rápidamente como el flujo de calor es algo
lento, cuando el proceso puede hacerse prácticamente adiabáticos si se efectúa
con suficiente rapidez.
Realizando un proceso adiabático en un gas, podemos observar que se expanden,
W es positivo y por lo tanto AU es negativo y el gas se enfría. De manera
recíproca, si se comprime adiabáticamente, el gas se calienta.
Los procesos adiabáticos son muy importantes en la ingeniería. Algunos ejemplos
de procesos adiabáticos comunes incluyen la expansión de gases calientes en
máquinas de combustión interna, la licuefacción de los gases en sistemas de
enfriamiento y la fase de compresión en un motor diesel.
25
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
PROCESO ISOBARICO.
El proceso isobárico es aquel que ocurre a presión constante. Cuando ocurre el
proceso de este tipo, tanto el calor transferido como el trabajo realizado no son
cero. El trabajo simplemente se define como la presión multiplicada por el cambio
de volumen.
W = P(Vf – Vi)
PROCESO ISOMETRICO.
Un proceso isométrico se lleva a cabo a volumen constante. En dicho proceso el
trabajo es cero. Entonces, la primera ley:
AU = Q
Esto significa que si se agrega calor a un sistema manteniendo el volumen
constante, todo el calor se utiliza para aumentar la energía interna del sistema.
PROCESO ISOCORICO.
Es aquel para el cual el trabajo total realizado por o sobre el sistema es igual a
cero, esto es AW = 0 en toda trayectoria.
1.1 REPRESENTACION TERMODINAMICA DEL CICLO.
AB: Compresión isoterma del gas a la temperatura inferior, Tf. Se cede calor Q1,
a la fuente fría por absorción de trabajo.
BC: Calentamiento isocórico. El gas absorbe del calor, Q2, aumentando su
temperatura hasta Tc y su presión.
CD: Expansión isoterma del gas a alta temperatura, Tc. El gas toma el calor Q3
de la fuente caliente.
DA : Enfriamiento isocórico hasta la temperatura del foco frio Tf por cesión del
calor Q4. (Figura 3).
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
C
Tc
Q1
Q3
B
Tf
D
Q1
A
Q4
A
FIG.3 REPRESENTACION TERMODINAMICA DEL CICLO.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
DESCRIPCION DEL FUNCIONAMIENTO.
Un sistema que realiza el ciclo Stirling está formado por un cilindro, un pistón de
trabajo y un pistón de desplazamiento con un regenerador de calor que divide al
sistema en dos zonas, una zona caliente a Tc y una zona fría a Tf. (figura 4).
1) Todo el gas
esta en la
parte fría del
cilindro a una
temperatura 1
y
ocupando
máximo
volumen
el
2) Se ha producido
la compresión hasta
el mínimo volumen
constante
cediendo calor a la
zona fría.
3) El fluido ha
atravesado
el
regenerador
absorbiendo
calor
hasta
llegar a
4) Expansión del
gas
hasta
el
volumen máximo,
absorbiendo de la
zona a
con
producción
del
trabajo
Se vuelve a la posición inicial atravesando otra vez el regenerador, pero esta vez
el gas cederá una cantidad de calor, al regenerador bajando su temperatura hasta
FIG.4 FUNCIONAMIENTO DEL CICLO
28
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
1.2 CICLO DIESEL.
Es el ciclo de un tipo de motor de combustión interna, en el cual el quemado del
combustible es accionado por el calor generado en la primera compresión de aire
en la cavidad del pistón, en la cual entonces se inyecta el combustible.
El motor de combustión interna diesel se diferencia del motor de ciclo Otto de
gasolina, por el uso de una mayor compresión del combustible para encenderlo,
en vez de usar bujías de encendido ("encendido por compresión" en lugar de
"encendido por chispa").
En el motor diésel, el aire se comprime adiabáticamente con una proporción de
compresión típica entre 15 y 20. Esta compresión, eleva la temperatura al valor de
encendido de la mezcla de combustible que se forma, inyectando diesel una vez
que el aire está comprimido.
El ciclo estándar de aire ideal, se organiza como un proceso adiabático reversible,
seguido de un proceso de combustión a presión constante, luego una expansión
adiabática para una descarga de potencia, y finalmente una expulsión de humos
isovolumétrica. Al final de la expulsión de humos, se toma una nueva carga de
aire.
Los motores alternativos se dividen en dos grandes grupos: motores de ciclo Otto
o de encendido por chispa y los motores de ciclo diesel o encendido por
compresión.
Aunque uno de los principios de funcionamiento esdiferente, su esquema y la
nomenclatura de sus partes esenciales son semejantes.
CICLO DIESEL DE CUATRO TIEMPOS.
A continuación se definirá que ocurre durante el ciclo diesel a cuatro tiempos.
(Figura 4)
ADMISION:
•
•
•
•
En este primer tiempo el pistón efectúa su primera carrera
o desplazamiento desde el PMS al PMI, aspirando sólo
aire de la atmósfera.
El aire pasa por el colector y la válvula de admisión, que se
ha abierto instantáneamente, permaneciendo abierta, a fin
de llenar todo el volumen del cilindro.
La muñequilla del cigüeñal gira 180º.
Al llegar al PMI se supone que la válvula de admisión se
cierra instantáneamente.(figura 4).
Admisión.
29
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
La admisión puede ser representada por una isóbara pues se supone que el aire
ingresa sin rozamiento por los conductos de admisión, por lo que se puede
considerar a la presión constante e igual a la presión atmosférica.(figura 5).
FIGURA 5.- RELACIÓN PRESIÓN- VOLUMEN
COMPRESION:
•
•
•
(Figura 6)
En este segundo tiempo todas las válvulas están
cerradas y el pistón se mueve hacia arriba en el
cilindro comprimiendo el aire.
A medida que se comprimen las moléculas de aire,
aumenta la temperatura considerablemente por
encima de los 600°C.
La muñequilla del cigüeñal gira otros 180º y completa
la primera vuelta del árbol motor.(figura 6).
Compresión
Durante esta carrera el aire es comprimido hasta ocupar el volumen
correspondiente a la cámara de combustión y alcanza presiones elevadas. Se
supone que por hacerse muy rápidamente no hay que considerar pérdidas de
calor, por lo que esta transformación puede considerarse adiabática.(figura7).
FIGURA 7.- RELACIÓN PRESIÓN- VOLUMEN
30
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
FIGURA 8
COMBUSTION:
•
Al final de la compresión con el pistón en el PMS se
inyecta el combustible en el interior del cilindro con la
bomba de inyección a una presión elevada.
•
El combustible, debido a la alta presión de inyección
sale pulverizado, se inflama en contacto con el aire
caliente, produciéndose la combustión del mismo.
Durante este tiempo el pistón efectúa su tercer
recorrido y la muñequilla del cigüeñal gira otros
•
180º.(figura 8)
COMBUSTION
Durante el tiempo que dura la inyección, el pistón inicia su descenso, pero la
presión del interior del cilindro se supone que se mantiene constante, debido a que
el combustible que entra se quema progresivamente a medida que entra en el
cilindro, compensando el aumento de volumen que genera el desplazamiento del
pistón. Esto se conoce como retraso de combustión. (figura 9).
FIGURA 9.- RELACION PRESION- VOLUMEN
EXPANSION:
Sólo en esta carrera se produce trabajo, debido a la fuerza de
la combustión que empuja el pistón y la biela hacia abajo, lo
que hace girar el cigüeñal, así la energía térmica se convierte
en energía mecánica. (figura 10).
Figura 10
31
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Al terminar la inyección se produce una expansión adiabática hasta el volumen
específico que tenía al inicio de la compresión, pues se supone que se realiza sin
intercambio de calor con el medio exterior. La presión interna desciende a medida
que el cilindro aumenta de volumen.(figura 11).
FIGURA 11.- RELACION PRESION- VOLUMEN
ESCAPE:
•
Durante este cuarto tiempo, el pistón que se encuentra
en el PMI es empujado por el cigüeñal hacia arriba
forzando la salida de los gases quemados a la
atmósfera por las válvulas de escape abiertas.
•
La muñequilla del cigüeñal efectúa otro giro de
180º,completando las dos vueltas del árbol motor que
corresponde al ciclo completo de trabajo. (figura 12).
FIGURA 12
En el punto 4 se abre la válvula de escape y los gases quemados salen tan
rápidamente al exterior, que el pistón no se mueve, por lo que se considera un
proceso a volumen constante. La presión en el cilindro baja hasta la presión
atmosférica y una cantidad de calor no transformado en trabajo es cedido a la
atmósfera.
El recorrido del pistón de 1 a 0 se realiza a presión constante, pues se desprecia
el rozamiento de los gases quemados al circular por los conductos de escape. Al
llegar a 0 se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión para iniciar un
nuevo ciclo.(figura 13).
32
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
FIGURA 13.- RELACIÓN PRESIÓN – VOLUMEN
FUNCIONAMIENTO DEL CICLO DIESEL.
1.- el cilindro dentro del cual se mueve el pistón con movimiento rectilíneo
alternativo, forma parte, en los motores pluricilindricos, del bloque de cilindros.
Este, que normalmente se fabrica unido a la bancada, se puede considerar como
la estructura soporte del motor. En algunos modelos de motores el bloque de
cilindros se fabrica separado de la bancada, a la cual se une mediante espárragos.
2.- la culata constituye la parte superior del cilindro, al cual cierra dejando un
volumen comprendido entre ella y el pistón que se denomina cámara de
combustión o de compresión en la cual se quema el fluido activo.
Antes, en el motor de encendido por bujía, esta mezcla se formaba en el
carburado y entraba en el cilindro a través del conductor de admisión y de la
válvula de aspiración.
La válvula de mariposa del carburador servía para regular la cantidad de mezcla
entrante. Hoy el combustible es inyectado a baja presión en el conducto de
admisión, y recientemente, algunas marcas inyectan a baja presión en el interior
del cilindro.
En los motores de encendido por compresión, el combustible se introduce en el
cilindro por medio de un inyector. La cantidad de combustible se regula por la
bomba de inyección, mientras que no hay ninguna regulación para la cantidad de
aire que entra en el cilindro. La combustión es consecuencia de la alta
temperatura del aire, intensamente comprimido en el cilindro, por lo que no
necesita la bujía.
3.- el pistón dotado de segmentos que impiden la fuga de gas entre el y el cilindro,
transmite el empuje de dicho gas, a través del perno o bulón, a la biela y de esta, a
la manivela del cigüeñal.
4.- la biela y la manivela constituyen un sistema mecánico que transforma el
33
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
movimiento lineal alternativo del pistón en movimiento de giro del cigüeñal, el cual
para reducir el rozamiento gira sobre los cojinetes de bancada.
5.- los colectores de admisión y el de escape son los conductores a través de los
cuales se carga y se descarga el fluido operante del interior del cilindro.
6.- las válvulas de aspiración y de escape, accionadas por un sistema mecánico
denominado distribución, que son mantenidas en su asiento por la acción de su
correspondiente muelle, abren y cierran el cilindro permitiendo que los gases
frescos y quemados entren y salgan de el en los momentos oportunos.
7.- punto muerto superior (P.M.S): posición del pistónmás próximo a la culata.
8.- punto muerto inferior (P.M.I): posición del pistónmás alejada de la culata.
9.- calibre: diámetro interior del cilindro. Expresado generalmente en mm.
10.- carrera: distancia entre el P.M.S y P.M.I es igual, salvo raras excepciones, al
doble del radio de la manivela del eje del cigüeñal. Se expresa en mm.
11.- volumen total del cilindro V1: es el espacio comprendido entre la culata y el
pistón cuando este se halla en el P.M.I viene expresado por lo general en cm 3.
12.- volumen de la cámara de compresión V2: es el volumen comprendido entre la
culata y el pistón cuando este se halla en el P.M.S suele expresarse en cm 3.
13.- relación de compresión: se comprende por tal la relación que hay entre el
volumen total del cilindro V1 y el volumen de la cámara de combustión V2.
CICLO DIESEL TEORICO.
El motor diesel de cuatro tiempos tiene una estructura semejante a los motores de
explosión, salvo ciertas características particulares.
El pistón desarrolla cuatro carreras alternativas mientras el cigüeñal gira 720 0.
Como el motor del ciclo Otto realiza el llenado y evacuación de gases a través de
dos válvulas situadas en la culata, cuyo movimiento de apertura y cierre esta
sincronizado con el cigüeñal a través del sistema de distribución por el árbol de
levas.
34
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
El funcionamiento de este motor durante su ciclo es el siguiente:
1.- PRIMER TIEMPO: ADMISIÓN.
En este primer tiempo el pistónefectúa su primera carrera o desplazamiento desde
el PMS al PMI aspirando solo aire de la atmosfera, debidamente purificado a
través del filtro. El aire pasa por el colector y la válvula de admisión, que se
supone se abre instantáneamente y que permanece abierta, con objeto de llenar
todo el volumen del cilindro. Durante este tiempo, la muñequilla del cigüeñal gira
180o.
Al llegar al PMI se supone que la válvula de admisión se cierra instantáneamente.
2.- SEGUNDO TIEMPO. COMPRESIÓN.
En este segundo tiempo y con las válvulas completamente cerradas el pistón
comprime el aire a gran presión, quedando solo el aire alojado en la cámara de
combustión. La muñequilla del cigüeñal gira 180o y completa la primera vuelta del
árbol motor.
La presión alcanzada en el interior de la cámara de combustión mantiene la
temperatura del airepor encima de los 600oC, superior al punto de inflamación del
combustible, para lo cual la relación de compresión tiene que ser del orden de 22.
3.- TERCER TIEMPO: TRABAJO.
Al final de la compresión con el pistón en el PMS se inyecta el combustible en el
interior del cilindro en una cantidad quees regulada por la bomba de inyección
debe realizarse a una presión muy superior entre 150 y 300 atmosferas.
El combustible, que debido a la alta presión de inyección sale finalmente
pulverizado, se inflama en contacto con el aire caliente, produciéndose la
combustión del mismo. Se eleva entonces la temperatura interna, la presión
mientras dura la inyección o aportación de calor se supone constante y, a
continuación, se realiza la expansión y desplazamiento del pistón hacia el PMI.
Durante este tiempo, o carrera de trabajo, el pistónefectúa su tercer recorrido y la
muñequilla del cigüeñal gira otros 180o.
4.- CUARTO TIEMPO: ESCAPE.
Durante este cuarto tiempo se supone que la válvula de escape se abre
instantáneamente permanece abierta. El pistón, durante su recorrido ascendente,
expulsa a la atmosfera los gases remanentes que no han salido, efectuando el
barrido de gases quemados lanzándolos al exterior.
35
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
La muñequilla del cigüeñal efectúa otro giro de 180o, completando las dos vueltas
del árbol motor que corresponde al ciclo completo de trabajo. El diagrama de
distribución correspondiente a esta carrera.
RENDIMIENTO DEL CICLO DIESEL EN FUNCION A LAS TEMPERATURAS.
Un ciclo diesel contiene dos proceso adiabáticos, A→B y C→D, en los que no se
intercambia calor. De los otros dos, en el calentamiento a presión constante B→C,
el gas recibe una cantidad de calor | Qc | del exterior igual a:
En el enfriamiento a volumen constante D→A el sistema cede una cantidad de
calor al ambiente:
El rendimiento del ciclo será entonces:
Conγ = cp. / cV la proporción entre las capacidades caloríficas.
RENDIMIENTO EN FUNCION DE SUS VOLUMENES.
La expresión anterior requiere conocer las cuatro temperaturas de los vértices del
ciclo. Puede simplificarse teniendo en cuenta las características de cada uno de
los procesos que lo componen.
Así tenemos, para la compresión adiabática A→B
que, teniendo en cuenta la relación de compresión, podemos reescribir como:
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Para la expansión a presión constante, aplicando la ecuación de estado de los
gases ideales
Introduciendo ahora la relación rc = VC / VB obtenemos
Por último, para la temperatura en D aplicamos de nuevo la ley de Poisson y el
que el enfriamiento es a volumen constante:
Multiplicando y dividiendo por VB y aplicando el valor de la temperatura en C:
Combinado estos resultados nos queda:
Sustituyendo esto en la expresión del rendimiento obtenemos finalmente
ENFRIAMIENTO A VOLUMEN CONSTANTE.
En un motor diésel real el aire quemado y caliente es expulsado por el tubo de
escape, liberando calor al ambiente y siendo sustituido por nuevo aire frío. En el
ciclo diesel ideal nos imaginamos que el aire recircula, volviendo al estado A,
intercambiando sólo el calor con el ambiente.
37
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
BALANCE ENERGETICO.
CALOR ABSORBIDO
El calor procedente del foco caliente es absorbido en la expansión a presión
constante y es igual a
donde hemos usado que:
Que para γ = 1.4 da el resultado conocido cp. = 3.5R.
Un resultado más exacto para un proceso a presión constante, sin hacer uso de la
hipótesis de gas ideal, consistiría en igualar el calor a la variación en la entalpía
y aplicar valores tabulados de la entalpía del aire para las presiones y
temperaturas de los estados B y C.
CALORCEDIDO
El calor que se intercambia con el foco frío se cede en el enfriamiento a volumen
constante
donde, como antes, hemos empleado la relación
Que para γ = 1.4 da cV = 2.5R.
38
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Si se quisiera hacer exactamente, habría que aplicar que para un proceso a
volumen constante el calor equivale a la variación en la energía interna
TRABAJO REALIZADO
El trabajo realizado por el sistema durante un ciclo es la diferencia entre el calor
absorbido y el cedido (en valores absolutos).
RENDIMIENTO
El rendimiento de este ciclo Diesel lo podemos hallar como el trabajo realizado
dividido por el calor absorbido.
Vemos que el rendimiento es mucho mayor que para un ciclo Otto que, para
valores típicos de motores de explosión, rondaba el 50%. La causa principal de la
diferencia es la mucha mayor relación de compresión en el motor diésel.
El rendimiento de este ciclo Diesel es, por supuesto, inferior al de un ciclo de
Carnot que operara entre las temperaturas TA y TC:
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
1.3 CICLO DIESEL REAL
Las diferencias que surgen entre el ciclo real y el teórico , tanto en los motores de
ciclo Otto, como en los de ciclo diesel están causadas por:
1.-PERDIDAS DE CALOR: las cuales son bastante importantes en el ciclo real, ya
que al estar el cilindro refrigerado, para asegurar el buen funcionamiento del
pistón, una cierta parte de calor del fluido se transmite a las paredes , y las líneas
de compresión y expansión no son adiabáticas sino poli trópicas, con exponente n,
diferente de y.
2.-TIEMPO DE APERTURA Y CIERRE DE LA VALVULA DE ADMISION Y DE
ESCAPE: aunque en el ciclo teórico se supone que la apertura y cierre de válvulas
ocurría instantáneamente, al ser físicamente imposible, esta acción tiene lugar en
un tiempo relativamente largo, por lo que, para mejorar el llenado y vaciado de
cilindro, las válvulas de admisión y de escape se abren con anticipación lo que
provoca una pérdida de trabajo útil.
3.-COMBUSTION NO INSTANTANEA: ya que aunque en el ciclo teórico se
supone que la combustión se realiza según una transformación isométrico
instantánea, en el ciclo real de la combustión dura cierto tiempo. Por ello, si el
encendido o la inyección tuviesen lugar justamente en el PMS, la combustión
ocurriría mientras el pistón se aleja de dicho punto, con la correspondiente pérdida
de trabajo.
4.-PERDIDA POR BOMBEO: las cuales aunque el ciclo teórico se supone que
tanto la admisión como el escape se realizan a presión constante considerando
que el flujo activo circula por los conductos de admisión y escape sin rozamiento,
en el ciclo aparece una pérdida de carga debida al rozamiento, que causa una
notable perdida energética.
RENDIMIENTO VOLUMETRICO.
De cuanto se ha expuesto se hace evidente que la cantidad de combustible y la
cantidad de aire que se introducen en el cilindro deben tener una relación estricta,
y que la energía ofrecida por el motor depende principalmente de la cantidad de
aire y combustibles utilizados.
Cuanto mayor sea el volumen de aire introducido en el cilindro, tanto mayor resulta
la cantidad de combustible que puede quemarse, en consecuencia, tanto mayor
en la energía que se produce en el motor.
El rendimiento volumétrico indica el mayor o menor grado de llenado del cilindro.
Se define como la relación entre el peso efectivo del aire introducido en el cilindro
durante la unidad de tiempo y el peso del volumen de aire que teóricamente
40
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
debería introducirse en el mismo tiempo, calculado a base de la cilindrada unitaria
y de las condiciones de temperatura y la presión en el cilindro.
VARIACIONES DE RENDIMIENTO VOLUMETRICO.
1.- la densidad de la carga y la dilución originada en la misma por los gases
residuales, en ello incide la temperatura de las paredes de los conductos de
aspiración y la temperatura del cilindro, pues seden calor a la carga fresca, elevan
su temperatura y la densidad del flujo operante disminuye, con lo que se tiene una
reducción del rendimiento volumétrico.
Los gases residuales presentes en el cilindro después del escape también
contribuyen a reducir la densidad del fluido operante pues, además cederle calor
disminuye el volumen que debería ser ocupado por la carga de los gases frescos.
2.- el diseño de los conductos de aspiración y de escape tiene mucha importancia,
ya que, además de oponer la mínima resistencia al paso de los gases, deben
evitar su calentamiento.
La experiencia demuestra que los mayores valores de rendimiento volumétrico se
alcanzan en los motores para una velocidad del aire de 40/60 m/seg, el régimen
normal de funcionamiento. El régimen de máxima potencia, la velocidad media del
fluido alcanza de 65-75 m/seg.
3.-los tiempos de apertura y cierre de las válvulas tienen una estrecha relación en
el llenado del cilindro de acuerdo con la velocidad de rotación del motor, pues
influyen en las ondas de presión que se originan en los conductos de aspiración y
de escape como consecuencia de las rápidas variaciones de velocidad que
experimenta la masa gaseosa en movimiento. Esto se consigue escogiendo
oportunamente la longitud de los ductos.
Los motores modernos para aumentar la cantidad de energía que se produce en el
interior del cilindro utilizan la denominada sobre alimentación. Consiste en el
llenado de los cilindros comprimiendo el fluido operante al reducirlo en ellos. Si
además la compresión se acompaña de un buen enfriamiento de los gases dentro
del compresor y el cilindro, a un es más eficaz el llenado.
Para ello es necesario acoplar un compresor que introduzca a presión aire en los
cilindros y un intercambiador de calor que enfrié el fluido entrante.
Hoy en la sobrealimentación se hace por un turbocompresor el cual consiste en
una turbina acoplada a la salida de los gases de escape, la cual mueve un
compresor que hace entrar el aire a presión en el interior del cilindro. Este sistema,
como la energía que necesita se obtiene de los gases de escape, aprovecha esta
en vez de dejarla perderse en la atmosfera.
41
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Una de las ventajas de la sobrealimentación de los motores diesel es que durante
el cruce de válvulas el aire fresco que entra a presión facilita el barrido de gases
residuales, refrigerando al mismo tiempo la válvula de escape y la cabeza del
pistón. Cuando se cierra la válvula de escape el cilindro se llena de aire a presión.
Es por lo que en los motores diesel se consiguen mayores ventajas, ya que
además de ofrecer una mayor energía en cada ciclo, lo que significa mayor
potencia para la misma cilindrada, consiguen un menor consumo especifico de
combustible como debido a que se realiza una combustión más perfecta y al no
existir gases residuales de la combustión anterior, y una mayor duración y vida útil
al motor debido a que se consigue una expansión más suave, una refrigeración
más eficaz en la cabeza del pistón en las válvulas y en sus guías y en sus
asientos.
Como al comprimir el fluido operante aumenta su temperatura, para reducirla y
conseguir una mayor cantidad que entre en el cilindro se coloca un intercambiador
de calor que enfría el fluido operante mediante la emisión de su energía a la
atmosfera gracias a un radiador de láminas.
RENDIMIENTO MECANICO
El rendimiento mecánico esta normalmente comprendido entre 0.80 y 0.90 y
depende del rozamiento entre los órganos móviles del acabado de la superficie, de
las características de lubricación, del grado de precisión en la fabricación, etc., y
tiene en cuenta el trabajo absorbido de los rozamientos de los órganos del motor
con movimiento relativo de los órganos auxiliares del motor necesarios para su
funcionamiento como la lubricación, la bomba de aceite para lubricación, la bomba
de agua para refrigeración, el alternador, etc.
42
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
1.4 CICLO MECANICO DEL MOTOR DIESEL
FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DIESEL.
Según se acaba de explicar, en el tiempo de admisión el cilindro aspira aire puro a
través de un colector en cuya boca está el filtro de aire. Cada cilindro lleva las
válvulas de admisión y escape, en general colocadas en cabeza y mandadas por
balancines.
El combustible es aspirado del depósito por la tubería A mediante la bomba con
filtro de entrada que lo envía al filtro general, de donde sale por la parte inferior a
la bomba de inyección que por medio de los cuerpos de bomba (uno por cilindro)
lo manda a presión por los tubos B a los inyectores, colocados en los cilindros,
como las bujías en los motores de explosión.
El gasoil que rebosa de los inyectores regresa por los tubos C y D al depósito
general; por este último también vuelve el que sobra en el filtro por no ser
consumido por la bomba de inyección.
La bomba recibe movimiento desde los engranajes de la distribución por el árbol
E, y el mando del acelerador actúa sobre la bomba por la palanca F, como se verá
más adelante.
El pistón comprime el aire aspirado en el primer tiempo hasta que la presión se
eleva a 35 ó 40 atmósferas (Kg./cm2). El combustible introducido por los
inyectores al final de la compresión, se inflama al entrar en contacto con el aire,
quemándose a medida que entra. Para que el combustible se pulverice al ser
inyectado se necesita que lo haga a una gran presión, que llega a 300 atmósferas
en algunos motores. Durante el tiempo de combustión, la presión máxima es como
el doble de la de explosión en los motores de gasolina.
En cada cilindro se obtiene, como en los motores de gasolina, una carrera motriz
en cada dos vueltas del cigüeñal.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
MOTOR DIESEL SUPERCARGADOR Y TURBOCOMPRESOR
DIESEL: SUPERCARGADOR VS TURBOCOMPRESOR
Como se ha explicado en otros artículos de nuestro sitio la forma de brindarle
mayor potencia a un motor es sobrealimentándolo, algo que se cumple tanto para
los motores diesel como para los motores a gasolina, es decir, sobrealimentar un
motor es brindarle mayor cantidad de aire a la combustión para que ésta tenga
más potencia.
Por ejemplo, en las carreras de autos los autos suelen estar sobrealimentados con
lo que se consigue un rendimiento superior al estándar de su cilindrada, un
vehículo sobrealimentado podría rendir un 20, 40 % o incluso mucho más que uno
convencional, así un motor de 2000 cc podría rendir con la potencia de un motor
de 2400 cc o más aún.
Aquí es donde encontramos la diferencia que intentaremos aclarar en nuestro
artículo, y es la forma en que se sobrealimenta al motor, pudiéndose utilizar un
supercargador o turbocompresor.
EL TURBOCOMPRESOR
Permite enviar al cilindro mayor cantidad de aire a medida que aumentan las
revoluciones del motor.
También su arquitectura provoca el denominado turbo lag, este consiste en la
demora en la respuesta a los cambios de revoluciones provocando así un
aumento de potencia no tan suave como sería deseado.
Aunque eso de deseado es muy relativo, ya que lo que puede ser deseado para
una seguridad mayor en el motor no necesariamente es lo deseado por el
conductor, de hecho esa aceleración no tan gradual cuando el aire entra al cilindro
más repentinamente es emocionante y agradable para muchos conductores.
La potencia del turbocompresor es mejor que la del supercargador ya que su
régimen variable permite aumentar las revoluciones a medida que son requeridas.
Sin embargo no todo es color de rosa con los turbocompresores, estos tienen
desventajas como cambio de aceite más frecuentes, su arquitectura los obliga a
poseer más componentes para el control de la presión, su vida útil puede verse
comprometida por el estado y calor del a
ceite que es el mismo que el motor usa, etc.
44
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
EL SUPERCARGADOR
Este es fijo en relación a su régimen de giro, siempre se encuentra girando a una
cantidad de revolución mayor que las del motor aunque no alcanza las rpm
máximas que puede alcanzar el turbocompresor.
Este giro continuo es más solidario con el motor ya que evita aumentos bruscos de
potencia, aunque debemos acusar que no proporcionan tanta potencia como los
turbos.
Este sistema no hace uso del aceite del motor y presenta un montaje más sencillo
que los turbos.
Sus desventajas. Como lo mencionamos antes menor potencia, consumiendo
potencia del motor.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
2.0 SISTEMAS Y SUBSISTEMAS DEL MOTOR DIESEL
Los motores de combustión interna Diesel son máquinas diseñadas con el fin
degenerar energía mecánica, a través de energía química, utilizando
mecanismosasociados para generar el trabajo que se requiera, ya sea en
vehículos, o para plantas generadoras de energía eléctrica, maquinaria pesada,
etc.
En este apartado se explica la función de cada uno de los sistemas que componen
al motor así como sus partes principales.
2.1 COMPONENTES DEL MOTOR DIESEL
ESTRUCTURA DEL MOTOR
Dentro de los componentes comunes del motor Diesel los podemos clasificar en
componentes fijos ó de soporte y componentes móviles ó dinámicos.
COMPONENTES FIJOS O DE SOPORTE
BLOQUE DEL MOTOR O MONOBLOCK
Es la estructura básica del motor, en el mismo van alojados los cilindros, cigüeñal,
árbol de levas, etc. Todas las demás partes del motor se montan en él.
Generalmente son de fundición de hierro o aluminio. Pueden llevar los cilindros en
línea o en forma de V. Lleva una serie de aberturas o alojamientos donde se
insertan los cilindros, varillas de empuje del mecanismo de válvulas, conductos del
refrigerante, los ejes de levas, apoyos de los cojinetes de bancada y en la parte su
perior lleva unos taladros donde se sujeta el conjunto de culata. (figura 14).
Fig. 14 Monoblock
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
CABEZA DE MOTOR O CULATA
Es el elemento del motor que cierra los cilindros por la parte superior, pueden ser
de fundición de hierro o aluminio. Sirve de soporte para otros elementos del motor
como son: Válvulas, balancines, inyectores, etc. Lleva los orificios de los tornillos
de apriete entre la culata y el bloque, además de los de entrada de aire por las
válvulas de admisión, salida de gases por las válvulas de escape, entrada de
combustible por los inyectores, paso de varillas de empujadores del árbol de
balancines, pasos de agua entre el bloque y la culata para refrigerar, etc.(figura
15).
Entre la culata y el bloque del motor se monta una junta que queda prensada entre
las dos a la que llamamos habitualmente junta de culata.
Fig.15 Culata del motor
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
MÚLTIPLE DE ADMISIÓN
Es el elemento encargado de hacer llegar lo mejor posible el aire para los motores
diesel de inyección directa, al interior de los cilindros. Suele estar construido de
aluminio ya que es un elemento que no está sometido a grandes temperaturas ya
que los gases que entran son gases frescos. El número de orificios del colector
dependerá del número de cilindros del motor, así pues si el motor tiene 4 cilindros,
el colector tendrá cuatro orificios. (FIG.16).
Fig.16 Múltiple de admisión
MÚLTIPLE DE ESCAPE
Sirve de camino de salida de los gases quemados en la combustión hacia el
exterior. Soportan grandes temperaturas por ello que se fabriquen de hierro
fundido con estructura perlática para darle una buena resistencia a las altas
temperaturas.(fig. 17)
Fig. 17 Múltiple de escape
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
CARTER
El cárter es una de las piezas fundamentales de una máquina, y más que nada de
un motor. Desde el punto de vista teórico, el cárter es una caja metálica que aloja
los mecanismos operativos del motor. La palabra cárter se usa para diferenciarlo
del bloque del motor, que es el elemento esencial del motor, que aloja al tren
alternativo constituido por cigüeñal, pistón, y biela. También sirve como depósito
de aceite.
El cárter inferior está construido de hierro de fundición o aleación de
aluminio.(fig.18).
FIG. 18 CARTER
TAPA DE BALANCINES
Es la tapa superior del motor. Evita la entrada de cuerpos extraños al interior del
motor y evita la perdida de lubricante del motor al exterior. Está construida en
lámina de acero estampada o duraluminio, en su base de apoyo contra la culata
posee un alojamiento para un empaque de caucho.(fig. 19).
Fig. 19 Tapa de balancines
COMPONENTES MÓVILES O DINÁMICOS
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
CIGÜEÑAL
Es el componente mecánico que cambia el movimiento alternativo en movimiento
rotativo. Esta montado en el bloque en los cojinetes principales los cuales están
lubricados. El cigüeñal se puede considerar como una serie de pequeñas
manivelas, una por cada pistón. El radio del cigüeñal determina la distancia que la
biela y el pistón puede moverse. (fig. 20).
Podemos distinguir las siguientes partes:
 Muñequillas de apoyo o de bancada.
 Muñequillas de bielas.
 Manivelas y contrapesos.
 Platos y engranajes de mando.
 Taladros de engrase.
Fig. 20. Cigüeñal
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
ÁRBOL DE LEVAS Y ELEMENTOS DE MANDO
El árbol de levas es el elemento encargado de vencer la fuerza que ejercen los
muelles sobre las válvulas a través de los mecanismos de mando para poder
abrirlas y cerrarlas en el momento adecuado. Al árbol de levas se le han
mecanizado una serie de elementos excéntricos denominados levas, que son los
encargados de mandar el empuje a través de los elementos de mando hacia las
válvulas. Al igual que el cigüeñal posee una serie de apoyos, los cuales pueden ir
alojados o bien en el bloque (árbol de levas en bloque), o bien en la culata (árbol
de levas en cabeza o en culata), dependiendo del tipo de distribución que tenga el
motor.(fig.21).
Fig. 21 Árbol de levas
La apertura y cierre de las válvulas debe de estar perfectamente sincronizada con
la posición de los pistones. Debido a esto el árbol de levas recibe el movimiento
del cigüeñal el cual debe estar perfectamente sincronizado en su movimiento con
el del árbol de levas.
Cuando el árbol de levas se encuentra en el bloque, el accionamiento sobre las
válvulas se realiza a través de unos elementos de mando constituidos por:
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
VARILLA EMPUJADORA
Tiene la misión de transmitir el empuje de la leva hasta el balancín, salvando la
distancia que hay entre ellos. (fig.22).
Fig. 22 Varilla empujadora
TAQUÉS O BUZOS
Dependiendo del tipo de distribución, los taqués irán situados o bien en el bloque o
en la culata. (fig.23).
Fig. 23 Taques o buzos hidráulicos
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Se dividen en:
Taqués en bloque: Van situados entre la leva y la varilla empujadora.
Taqués en culata: Se colocan cuando el árbol de levas va montado sobre la
culata y el accionamiento sobre las válvulas es directo (no necesita varilla
empujadora). Este tipo se coloca encima de la misma válvula. En la actualidad, en
este tipo de montaje, se emplean taqués hidráulicos los cuales poseen la ventaja
de mantener en todo momento las cotas de funcionamiento evitando de este modo
realizar el llamado reglaje de taqués.
BALANCINES
Es la palanca que transmite directa o indirectamente el movimiento de la leva a la
válvula. Existen dos tipos de balancines:(fig.24).
Fig. 24 Balancines
Balancines basculantes: Empleados en motores que usan varillas empujadoras.
Por un extremo recibe el empuje y por el otro lo transmite, basculando en la parte
central.
Balancines oscilantes: Este tipo de balancines se emplea en motores con árbol
de levas en cabeza. A diferencia del anterior, en este caso, el movimiento lo recibe
directamente el balancín en su zona central, basculando en un extremo y
transmitiendo el movimiento en el otro.
Los balancines poseen un mecanismo de regulación constituido por un espárrago
roscado y una tuerca blocante, el cual sirve para que exista una pequeña holgura
entre la válvula y el balancín. Esta cota es necesaria para que en condiciones de
funcionamiento normales, al dilatar los materiales por el efecto térmico, no queden
excesivamente juntas estas dos piezas y provoquen en estado de reposo de la
válvula (cerrada) una ligera apertura de la misma. A este fenómeno se le
denomina válvula pisada.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Los balancines oscilan sobre un eje denominado eje de balancines el cual se
encuentra situado en la culata. Posee una serie de orificios interiores que sirven
para engrasar la zona de basculación del balancín.
EJE DE BALANCINES
Está hecho de aleación de acero, se encuentra situado encima de la culata del
motor, suele ser hueco y cerrados en sus extremos. En él se encuentran situados
los balancines que abren las válvulas de admisión y de escape, llevan una serie
de orificios que coinciden con los rodamientos de los balancines. (fig.25).
Fig. 25 Eje de balancines
PISTONES Y SUS COMPONENTES
Es el elemento móvil que se desplaza en el interior del cilindro el cual recibe
directamente sobre él el impacto de la combustión de la mezcla. Se divide en dos
partes fundamentales; lo que se denomina cabeza del pistón y la otra llamada
falda del pistón. Son generalmente de aluminio.
Cabeza del pistón: Es la parte superior del pistón que se encuentra en contacto
directo con la cámara de combustión y que por lo tanto es la parte que se
encuentra sometida a un mayor castigo mecánico, térmico y químico. En esta
parte del pistón se encuentran mecanizadas unas ranuras las cuales sirven de
alojamiento a los anillos del pistón.
Falda del pistón: Es la parte baja del pistón y la cual posee la misión de servir de
guía en su movimiento alternativo. Es de dimensiones ligeramente mayores que
las de la cabeza del pistón lo cual evita su cabeceo y por lo tanto un desgaste
descompensado en el cilindro y en el pistón.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Perno del pistón: Sirve de unión entre el pistón y la biela.
Anillos del pistón: Son piezas circulares metálicas, auto tensados, que se
montan en las ranuras de los pistones para servir de cierre hermético móvil entre
la cámara de combustión y el cárter del cigüeñal. Dicho cierre lo hacen entre las
paredes de las camisas y los pistones, de forma que los conjuntos de pistón y
biela conviertan la expansión de los gases de combustión en trabajo útil para
hacer girar el cigüeñal. El pistón no toca las paredes de los cilindros. Este efecto
de cierre debe darse en condiciones variables de velocidad y aceleración. Los
anillos impiden que se produzca una pérdida excesiva de aceite al pasar a la
cámara de combustión, a la vez que dejan en las paredes de la camisa una fina
capa de aceite para lubricar.
Por tanto los segmentos realizan tres funciones:
 Cierran herméticamente la cámara de combustión.
 Sirven de control para la película de aceite existente en las paredes de la
camisa.
 Contribuye a la disipación de calor, para que pase del pistón a la camisa.
El número de segmentos por pistón varía según los motores pero oscilan entre 3 y
6:
Al primer grupo de segmentos se les denomina; segmentos de compresión y son
los encargados de realizar un cierre hermético con la parte superior del cilindro. Al
primero de estos segmentos se le denomina de fuego. Posteriormente tenemos
los denominados segmentos de engrase, los cuales, como su propio nombre
indica, sirven para engrasar las paredes del cilindro. Suelen tener unos orificios
por los cuales circula el aceite y que comunican con el interior del pistón.
Camisa del pistón: Son los cilindros por cuyo interior circulan los pistones. Suelen
ser de hierro fundido y tienen la superficie interior endurecida por inducción y
pulida. Normalmente suelen ser intercambiables para poder reconstruir el motor
colocando unas nuevas, aunque en algunos casos pueden venir mecanizadas
directamente en el bloque en cuyo caso su reparación es más complicada.
Dentro de la utilización de camisas podremos distinguir dos tipos:
Camisas secas: Este tipo de camisas se montan a presión en el interior del
cilindro mecanizado en el bloque. Se encuentran en perfecto contacto con la pared
del bloque, para que el calor interno pueda transmitirse al circuito de refrigeración.
Camisas húmedas: El bloque en este caso es totalmente hueco y es la camisa
postiza la que forma y cierra la cámara de agua del circuito de refrigeración, el
cual queda en contacto directo con la camisa.
Biela: Las bielas son las que conectan el pistón y el cigüeñal, transmitiendo la
fuerza de uno al otro. Tienen dos casquillos para poder girar libremente alrededor
del cigüeñal y del bulón que las conecta al pistón. La biela debe absorber las
55
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
fuerzas dinámicas necesarias para poner el pistón en movimiento y pararlo al
principio y final de cada carrera. Así mismo la biela transmite la fuerza generada
en la carrera de explosión al cigüeñal.(fig.26).
La biela se divide en; cabeza, cuerpo y pie:
a) La cabeza es la parte de la biela que va acoplada a la muñequilla del cigüeñal.
Esta unión se realiza a través de un elemento llamado sombrerete el cual va unido
a la cabeza de la biela por medio de dos fijaciones roscadas. Entre medias se
colocan unos casquillos antifricción los cuales sirven para evitar el desgaste
prematuro entre las superficies en contacto. Estos elementos se denominan semicasquillos de biela o semi-cojinetes de biela.
b) El cuerpo de la biela es la parte que une el pie con la cabeza y por lo tanto la
que transmite el esfuerzo. Sometida a esfuerzos de flexión y compresión posee
una sección transversal que varía de formas pero que suelen ser en forma de H la
cual proporciona a la biela la suficiente resistencia mecánica para soportar tales
esfuerzos.
c) El pie de biela es la parte que une el bulón y que a su vez lo hace con el
pistón.
Fig. 26 Partes de un pistón
56
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
CONJUNTO DE BANCADA Y LENGÜETAS DE BIELA
Las bancadas van lubricadas a presión y llevan un orificio en su mitad superior,
por el que se efectúa el suministro de aceite procedente de un conducto de
lubricación del bloque. Lleva una ranura que sirve para repartir el aceite mejor y
más rápidamente por la superficie de trabajo del cojinete. También llevan unas
lengüetas ó cojinetes que encajan en las ranuras correspondientes del bloque las
tapas de los cojinetes. Dichas lengüetas alinean las bancadas e impiden que se
corran hacia adelante o hacia atrás por efectos de las fuerzas de empuje creadas.
La mitad inferior correspondiente a la tapa es lisa. Además de los de bancada,
todos los motores llevan un cojinete de empuje que evita el juego axial en los
extremos del cigüeñal. (fig.27).
Fig.27 Bancada de Biela
CONJUNTO DE VÁLVULAS
Son un conjunto de elementos que abren y cierran la entrada y salida de gases a
la cámara de compresión.
Válvula
Son el elemento principal de este conjunto. Situadas en el interior de la cámara de
combustión son las encargadas de abrir y cerrar los orificios de entrada y salida de
gases. Constituidas por una cabeza de válvula la cual hace el cierre hermético con
el orificio de la culata. Suelen estar mecanizadas con un ángulo de inclinación
para evitar fugas y permitir un mejor cierre. Esta parte de la válvula apoya en la
culata sobre un elemento llamado asiento de válvula. Unida a la cabeza se
encuentra el vástago o cuerpo de válvula cuya misión es la de servir de guía a la
válvula en su desplazamiento. Al final del vástago posee unas hendiduras las
cuales sirven para fijar el resto de elementos que van acoplados a la válvula.
57
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
En una válvula hay que distinguir las siguientes partes:
 Pie de válvula.
 Vástago.
 Cabeza.
Fig. 28 Ejemplo de una válvula
Muelles de la válvula: Es el elemento encargado de mantener la válvula siempre
cerrada. Este tipo de muelles se suelen fabricar con carga elástica de tensión
gradual, es decir, que su constante de proporcionalidad varía a lo largo de su
longitud; el objetivo de este tipo de construcción es el de evitar el rebote del propio
muelle y por lo tanto de la válvula, debido al continuo movimiento alternativo. Otra
forma de evitar este efecto es colocando dos muelles con distinto sentido de
arrollamiento en la espira del muelle.
Elementos de fijación: Con objeto de mantener el muelle unido a la válvula se
emplean unos elementos de fijación como las cazoletas y los semi-conos. Estos
elementos quedan fijados a la válvula gracias a la propia presión que realiza el
muelle sobre ellos.
Guía de válvula: Es el elemento sobre el cual se desliza el cuerpo de la válvula y
el cual se encuentra fijo en la culata. Su misión, como su propio nombre indica, es
la de guiar y hacer más suave el movimiento de la válvula.
58
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
VOLANTE DE INERCIA
Esto es una placa redonda hecha de hierro fundido la cual es montada en la parte
posterior del cigüeñal. El cigüeñal recibe la fuerza rotacional desde la carrera de
combustión solamente, mientras que en las otras carreras, éste pierde fuerza
rotacional. Como resultado, des uniformidad en la fuerza rotacional es generada.
El volante del motor funciona para apaciguar ésta des uniformidad por energía
inercial. (fig.29).
Fig. 29 Volante de inercia de motor
ENGRANES DE DISTRIBUCIÓN
Conduce los accesorios y mantienen la rotación del cigüeñal, árbol de levas, eje
de leva de la bomba de inyección ejes compensadores en la relación correcta de
desmultiplicación. El engranaje del cigüeñal es el engranaje motriz para todos los
demás que componen el tren de distribución, por lo que deben de estar
sincronizados entre sí, de forma que coincidan las marcas que llevan cada uno de
ellos.(fig. 30).
Fig. 30 Engranes de distribución
59
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
2.2 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL MOTOR DIESEL
El propósito del sistema de enfriamiento es mantener el motor a una
temperatura apropiada durante la operación del motor.
Para lograr satisfactoriamente este propósito, el sistema está previsto
una bomba de refrigerante, un radiador, un termostato y un abanico.
bombea el agua refrigerante dentro del sistema de enfriamiento dentro
bloque de cilindros y la camisa de agua de la culata del cilindro, y
circula por el camino del desvío.
de
Se
del
se
Cuando la temperatura del agua excede una temperatura fija, el termostato
se abre y el agua corre al radiador, para su enfriamiento. Así, el motor siempre
se mantiene en la temperatura apropiada. (fig.31).
Fig.31 Ejemplo de sistema de refrigeración de un motor
60
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
BOMBA DE AGUA
ESTRUCTURA
La bomba de agua está compuesta de un cuerpo de bomba, el impulsor, el eje del
impulsor, los roles, y el sello. El eje de la bomba está soportado dentro del cuerpo
de la bomba por los rodamientos, y tiene un impulsor y un sello montados sobre el
mismo eje, para que todo gire en conjunto. (fig.32).
Los rodamientos son de bola y son del tipo de un solo anillo, y están ensamblados
alrededor del eje de la bomba, como dos juegos de rodamientos. El impulsor es de
tipo radial o centrífugo, según la forma de las aspas, y está montado en el eje por
presión. La unidad del sello del impulsor está montada en el eje de la bomba pare
evitar la fuga del agua. El asiento del sello de la bomba tiene una empaquetadura
de sello y una unidad de resortes para hacer presión contra el impulsor.
Fig. 32 Bomba de agua
FUNCIONES
El engranaje impulsor de la bomba está impulsado por el engranaje del
cigüeñal, cuando giran juntos para impulsar la bomba a velocidad alta. El
agua refrigerante en el tanque inferior del radiador entra desde el puerto de
entrada del cuerpo de la bomba al centro del impulsor. La fuerza centrífuga
del impulsor envía el agua bajo presión desde el puerto de salida a la camisa de
agua de los cilindros.
61
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
TERMOSTATO
El termostato está instalado dentro del paso del agua, para controlar el
caudal del agua refrigerante y para regular las temperaturas del agua refrigerante.
El rango de temperatura más apropiado para el agua refrigerante es desde
los 80°C a los 90°C (176 a 194°F). Para mantener esta temperatura, el
termostato cierra el paso del agua cuando la temperatura del agua está
demasiado baja y causa un incremento de la temperatura a un nivel
apropiado. Además, si la temperatura del agua está demasiado alta, el
termostato se abre para permitir la circulación del agua refrigerante por el
radiador para el enfriamiento. (fig. 33 y 34).
Fig. 33 Funcionamiento del termostato
Fig.34 termostato
El termostato sin bloqueo, es incapaz de abrir o cerrar el paso del desvío,
pero su estructura es sencilla.
De los otros termostatos, que sí pueden abrir o cerrar el paso del desvío, el de
bloqueo completo, puede cerrar por completo el paso del desvío.
62
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
El bloqueo parcial, puede tener un área de paso mucho más grande. Además,
cuando se cierra el paso principal, se permite la fuga de una pequeña parte del
agua al lado del desvío. Hay algunas otras características, pero uno de los
termostatos más usados es el de bloqueo completo.
Los motores pequeños tienen un termostato, pero los motores grandes
tienen tasas volumétricas altas del caudal del agua refrigerante, y para cerrar
el paso principal cuando un termostato falla, por lo general se instala de dos
a cuatro termostatos, cuando se utilizan termostatos múltiples. Se utiliza dos
tipos diferentes para temperaturas diferentes de apertura de la válvula y para la
sobrepresión del agua refrigerante, debido al cambio de la temperatura del agua.
De esta manera, se evita la oscilación del motor.
EMBRAGUE DEL MOTOR
La velocidad de rotación del embrague del ventilador está controlada
automáticamente por la temperatura del aire que ha pasado por el radiador.
Las siguientes son las ventajas del uso del embrague del ventilador:
 Se reduce la energía consumida por el ventilador.
 Se acorta el tiempo requerido para la operación del calentador del
motor, hasta que el motor llegue a una temperatura apropiada.
 Se reduce el ruido del ventilador.
En la imagen, (fig. 35). se muestra un embrague viscoso, constituido por la
muñonera, la caja del acoplamiento, el rotor del acoplamiento y el dispositivo
bimetálico. Un sensor mide la temperatura del aire que ha pasado por el radiador,
y el aceite viscoso (aceite de silicona) corre y se descarga para controlar
automáticamente la rotación del ventilador.
Fig. 35 Moto ventilador y su embrague.
63
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
RADIADOR
Se puede ver que el radiador tiene tanto un tanque superior como uno
inferior, para aumentar al máximo el efecto del enfriamiento por el aire, lo
cual hace que la superficie del núcleo de enfriamiento sea lo más gran
posible.
El núcleo está dividido en los tubos de agua y una aleta de aire. El tipo
de aleta puede ser de placa o corrugada pero en la mayoría de los motores
diesel, se utiliza aletas corrugadas. (fig. 36 y 37).
Fig. 36 Radiador
Fig. 37 Aletas corrugadas
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
TAPÓN DEL RADIADOR
La tapa del radiador es la tapa del suministro agua, y a la vez, un dispositivo de
control de la presión dentro del sistema de enfriamiento. Cuando la temperatura
es alta, el agua se expande y el aire por encima del líquido se comprime,
por lo que se aplica presión.
Aun cuando la temperatura del agua refrigerante esté por encima de los 100°C
(212°F), el agua no hierve, y la diferencia de temperatura, con relación a la
atmósfera ambiental es muy grande.
Por esta razón, el efecto del refrigerante es muy grande. Debido a esto, el efecto
refrigerante es muy grande y el núcleo del radiador puede ser de un tamaño
menor, más liviano y con una superficie menor.
Una tapa del radiador a presión, tiene una válvula de presión y una válvula de
vacío, para mantener la presión especificada dentro del sistema de enfriamiento.
Las dos válvulas tienen resortes para un sellado firme. Si la presión dentro
del sistema de enfriamiento exceda la presión especificada. la válvula de
presión empuja al resorte de la válvula, y se abre para liberar la presión
interna.
De la misma manera, si se enfría el agua refrigerante, el vapor dentro del
sistema de enfriamiento puede condensarse, y si se reduce el volumen del
agua refrigerante, la presión dentro del radiador se volverá negativa. En
estos momentos, se abre la válvula de vacío, para permitir la entrada de aire
desde el exterior, y para evitar la deformación del radiador. (fig.38).
Fig. 38 Función de un tapón de radiador
65
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
REFRIGERACIÓN POR AIRE
Se utiliza normalmente en motores pequeños para conseguir menor peso, tales
como motores de moto, moto sierras, equipos electrógenos y en automóviles
Componentes:




Aire.
Aletas de enfriamiento en el block, la culata y en el múltiple de escape.
Ventilador.
Ductos directores del flujo.
Aire: se utiliza como medio de enfriamiento
Aletas de enfriamiento: Son empleadas para disipar el calor. Tienen la propiedad
de aumentar la superficie de disipación del calor al estar en contacto con el aire.
Ventilador: cumple la función de crear un flujo de aire hacia los cilindros y la
culata.
2.3 SISTEMA DE LUBRICACIÓN DEL MOTOR DIÉSEL
El aceite circulante alrededor del motor diésel ayuda a remover algo del calor de la
combustión, pero su principal función es reducir la fricción entre las partes móviles.
El aceite lubricante es mantenido en un depósito o cárter, en la parte inferior del
motor.
Es bombeado desde el cárter, a través de filtros y conductos hacia Los cojinetes
principales (los que soportan el cigüeñal), los balancines en la cabeza del cilindro
(que operan las válvulas), las cabezas de biela (donde conectan la biela y el
cigüeñal) y el Tren de válvulas.
En la mayoría de los motores de tamaño pequeño a mediano, los anillos del pistón
y las paredes del cilindro son lubricados por salpique de aceite, por la rotación del
cigüeñal. Muchos motores grandes tienen lubricadores separados para cada
cilindro, los cuales proporcionan un suministro independiente de aceite para
lubricar el movimiento reciprocante de los pistones en los cilindros. Después de
este recorrido todo el aceite se devuelve al cárter de donde es recirculado.
66
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Cumple la función de mantener permanentemente lubricado los diferentes
componentes internos en movimiento del motor, tales como:
 Cigüeñal y sus descansos (bancada y bielas)
 Eje de levas (descansos y taques)
 Pistones, cilindros y anillos.
 Eje de balancines y balancines.
 Sistema de distribución.
Esta lubricación es necesaria para disminuir los roces que se producen entre las
piezas mecánicas que estén en contacto entre sí en movimiento.
La fricción o roce produce 3 efectos bien definidos en las piezas mecánicas que
están rozando al funcionar:
 Genera resistencia al deslizarse.
 Desgasta las piezas que están en contacto.
 Generan calor en las zonas de contacto.
FUNCIONES DEL LUBRICANTE
 Evitar el contacto directo entre piezas en movimientos y que están en
contacto.
 Ayudar a eliminar el calor del motor.
 Limpiar las piezas al momento de lubricarlas.
 Forma un sello entre anillo, pistón y cilindro.
SISTEMA DE LUBRICACIÓN A PRESIÓN
Basa su principio de funcionamiento en la alimentación a presión forzada del
lubricante a todos los componentes del motor y en forma continua. Para ello se
dispone de impulsores del flujo y de diversas canalizaciones y ductos dentro del
motor.
ELEMENTOS COMPONENTES DEL SISTEMA









Aceite lubricante.
Cárter de aceite.
Tubo de aspiración y filtro de malla.
Bomba de aceite.
Válvula reguladora de presión máxima.
Filtro de aceite.
Válvula By Pass del filtro.
Enfriador de aceite.
Perforaciones en Block, Culata, Cigüeñal, Eje de levas, Eje de balancines.
67
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
 Manómetro.
 Sonda de nivel.
SISTEMA DE LUBRICACIÓN
En todos los motores Diesel existe un sistema imprescindible para su
funcionamiento:
El sistema de lubricación.
Para la lubricación de un motor se deben tener en cuenta dos factores
importantes:
 Temperatura del motor.
 Distribución adecuada del aceite.
Temperatura.
La temperatura tan alta que se alcanza en ciertos órganos del motor, pese al
sistema de refrigeración, exige que el aceite no pierda sus propiedades lubricantes
hasta una temperatura aproximada de 200ºC y que el punto de inflamación sea
superior a 250ºC.
Distribución adecuada del aceite.
En los primitivos motores el engrase se hacía por el barboteo o salpicado. Esto
tenía el inconveniente de que al descender el nivel de aceite por el consumo del
mismo, el motor perdía poco a poco su lubricación, llegando a faltarle en algún
momento.
Estos inconvenientes dieron origen a la adopción del sistema de lubricación
forzada a presión, mediante el empleo de bombas instaladas en el cárter.
COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE LUBRICACIÓN.
Lo que hace fluir el aceite es la bomba, la cual es de engranajes. Se pueden
distinguir varias partes:
 Colador de succión. Es el lugar por donde la bomba aspira el aceite del
Carter. Lleva una rejilla metálica que impide que entren en la bomba restos
o impurezas que arrastre el aceite.
 Eje motriz. Va unido por un piñón al sistema de distribución del motor que
hace funcionar la bomba. Arrastra una bomba de piñones que aspira por el
colador de succión y envía el aceite por la tubería de presión.
 Tubería de presión. Es la que lleva la presión de aceite al motor.
 Válvula reguladora de presión. Su misión es limitar la presión máxima de
aceite en el motor. Cuando el aceite está muy frío y viscoso, se puede
68
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
producir una sobrepresión en las líneas de aceite que podría afectar algún
componente del motor. Solamente lleva un muelle tarado a la presión
nominal del sistema, que cuando es vencido por un exceso de presión,
envía parte del aceite de nuevo al cárter sin pasar por el sistema.(fig. 39 y
40).
 Válvula de derivación del enfriador. Cuando se arranca un motor en frío el
enfriador de aceite, debido a la cantidad de aceite que contiene, provoca un
aumento del tiempo necesario para que el circuito consiga su presión
nominal, con esta válvula conseguimos que el aceite no pase por el
enfriador mientras el aceite no alcanza una cierta temperatura.
 Filtro de aceite. Es el encargado de quitar las impurezas que el aceite
arrastra en su recorrido a través del motor.
 Válvula de derivación del filtro. Cuando el filtro está muy sucio provoca una
restricción de aceite en el circuito que podría dar lugar a una falta de
lubricación en el motor. Esta válvula evita el paso de aceite por el filtro en el
caso de que este se ensucie demasiado.

Válvula de lubricación del turbo. El turbo necesita con urgencia aceite en
cuanto el motor comienza a girar por lo que, para que no se deteriore, la
válvula de derivación que lleva en su circuito le da prioridad en el sistema
de lubricación.
 Engrase del cigüeñal. El cigüeñal recibe aceite por los cojinetes de bancada
que viene de las líneas de aceite de la bomba a través del bloque del motor,
parte de este aceite lubrica los cojinetes de bancada y luego se cae al
cárter y otra parte se va por el interior del cigüeñal al cojinete de biela para
lubricarlo. El cigüeñal por salpicadura engrasa también segmentos y
camisas.
 Engrase de pistones y camisas. En ciertos motores existen unos surtidores
de aceite que inyectas en la parte inferior de los pistones un chorro de
aceite para lubricarlos y refrigerarlos. En otros tipos de motores la propia
biela esta perforada y recoge aceite del cigüeñal y lo lleva hasta el bulón del
pistón para lubricarlo y a su salida hacer lo mismo con las camisas.
 Engrase del árbol de levas y eje balancines. Pueden ser lubricados por
salpicadura de aceite o bien tener un conducto interno que va repartiendo el
aceite en cada uno de los cojinetes de apoyo.
 Respiradero del Carter. Es un filtro que deja escapar al exterior una
pequeña cantidad de gases de combustión que se fuga a través de los
pistones.
69
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO

Varilla de nivel. Sirve para comprobar el nivel de aceite en el cárter del
motor.
Fig.39 componentes del sistema de lubricación
Fig. 40 Otro esquema de un sistema de lubricación
70
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
LAS FUNCIONES DE LOS LUBRICANTES PARA MOTORES DIESEL
Un lubricante para motores diesel está diseñado para prolongar la vida del motor y
reducir los costos operacionales. Este lleva a cabo varias funciones:
Lubricación:
Aún el motor más eficientemente lubricado gasta casi el 20% de su potencia de
salida en sobrellevar la fricción. La función más importante de un lubricante para
motores diesel es por lo tanto reducir la fricción entre las partes móviles a un
mínimo absoluto. El lubricante debe ser capaz de proveer una película efectiva
entre los anillos del pistón y las camisas del cilindro, entre las superficies móviles
en el tren de válvulas, en las conexiones de la biela y los cojinetes del cigüeñal y si
es turbo cargado también en sus cojinetes.
Refrigeración:
La mayoría del calor generado por un motor diesel se pierde en los gases de
escape y mucho del que queda es transferido al sistema de refrigeración. Sin
embargo, casi un 5 al10% de la energía generada por la combustión de
combustible es trasladada al lubricante del motor, el cual, debe ser por lo tanto un
refrigeran-te eficiente.
Sellado:
Presiones de hasta 50 bar, que es 50veces la presión atmosférica, son generadas
en los cilindros durante el tiempo de compresión de algunos motores diesel. Aún,
presiones más elevadas por encima de 70 bar, pueden ser alcanzadas durante las
etapas iníciales del tiempo de potencia. Con el fin de mantener la potencia, el
lubricante debe proveer un sello efectivo entre el pistón y las paredes del cilindro y
evitar que haya fuga de gases por este espacio.
Proteger contra la corrosión:
Los productos de la combustión de combustibles pueden ser corrosivos,
particularmente a las altas temperaturas generadas en el interior del motor diesel.
El lubricante debe ser capaz de prevenir la corrosión de los metales del motor.
Mantener la limpieza:
El hollín y otros materiales insolubles se pueden acumular en el aceite del motor
como resultado de una combustión incompleta de combustible. Contaminantes
sólidos se pueden formar como resultado del desgaste y la corrosión.
Estas partículas pueden causar desgaste, bloqueo de filtros de aceite y conductos
de lubricación y llegar a depositarse en las superficies de trabajo para impedir su
libre movimiento. Un aceite para motores diesel debe ayudar a mantener los
contaminantes lejos de las superficies lubricadas.
71
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Esto se puede hacer manteniendo los contaminantes sólidos en suspensión,
impidiendo que se agrupen y se depositen como lodos. Los lubricantes de motores
diesel modernos son sustancias complejas. Están basados en aceites minerales
altamente refinados y por razones que aclararemos más adelante contienen hasta
un20% en aditivos.
LAS PROPIEDADES REQUERIDAS PARA LUBRICANTES DE MOTORES
DIESEL
Las funciones de un lubricante para motores diesel se llevan a cabo en un
ambiente extremadamente hostil, frecuentemente por períodos prolongados. En
un motor trabajando, el aceite en el cárter puede alcanzar temperaturas de hasta
100 ºC y es constantemente agitado y mezclado con aire agua y otros
contaminantes. En los anillos del pistón, se espera que el aceite lubrique
eficientemente el movimiento deslizante a temperaturas cercanas a los 300 ºC.
Cualquier aceite que entra en la cámara de combustión está expuesto a
temperaturas, aún, más elevadas. El lubricante también debe soportar las cargas
pesadas transportadas por los cojinetes de cabeza de biela, y por las levas y
seguidores que regulan la apertura y cierre de las válvulas de entrada y salida. Si
un lubricante para motores diesel es apto para desempeñar apropiadamente sus
funciones, bajo estas condiciones tan severas, debe poseer las siguientes
propiedades.
Viscosidad:
La viscosidad de un aceite para motor, que es su resistencia a fluir, es su
propiedad más importante. El aceite debe ser lo suficientemente viscoso para
mantener una adecuada película de lubricación a las velocidades, cargas y
temperaturas alas que opera el motor. También debe proveer un sello efectivo
entre los anillos del pistón y las camisas de los cilindros. De otro lado, el aceite no
debe ser tan viscoso que cause arrastre excesivo, reduciendo la potencia de
salida e incrementando el consumo de combustible.
ÍNDICE DE VISCOSIDAD:
La viscosidad de un aceite disminuye a medida que la temperatura se incrementa.
La medida de este cambio puede ser expresada en términos del índice de
viscosidad del aceite. Los aceites que tienen un alto índice de viscosidad muestran
menor variación de la viscosidad con la temperatura que aquellos con bajo índice
de viscosidad.
La mayoría de los aceites para motores diesel multigrados contienen aditivos,
conocidos como mejoradores del índice de viscosidad, los cuales incrementan su
índice de viscosidad. Estos aceites son lo suficientemente delgados a bajas
temperaturas para minimizar el arrastre viscoso cuando se arranca en frío. Al
72
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
mismo tiempo, son los suficientemente viscosos a las temperaturas de operación
del motor para proporcionar una película de aceite que da una efectiva lubricación
y sellado.
Sin embargo, este tipo de aditivo puede deteriorarse debido al efecto de
cizallamiento o trituración, que sufre en las pequeñísimas holguras de los cojinetes
del motor y que puede romper las moléculas grandes del aditivo,
desmenuzándolo. Cuando estos aditivos se deterioran, la viscosidad del aceite
varía más con la temperatura.
Fig. 41 Viscosidades del aceite para motores diesel
GRADOS DE VISCOSIDAD
Las viscosidades de los aceites para motores diesel están normalmente
especificadas por los grados SAE de acuerdo con el sistema creado por la
Sociedad Americana de Ingenieros Automotrices. Algunos de estos grados están
basados en las medidas de viscosidad realizadas a 100 ºC mientras los otros, los
llamados grados W, están basados en las medidas de viscosidad efectuadas a
temperaturas que oscilan entre -5 y -30 ºC. Los métodos usados para medir las
viscosidades a bajas y altas temperaturas son diferentes y sus valores son por lo
tanto reportados en diferentes unidades. Los aceites minerales puros tienden a
satisfacerlos requerimientos de solo un grado, ya sea grado de alta o baja
temperatura. Estos son conocidos como aceites mono grados. Los aceites que
contienen mejoradores del índice de viscosidad, sin embargo pueden ser capaces
de cumplir con los requerimientos de dos grados simultáneamente, uno a alta
temperatura y otro a baja temperatura. Esta categoría de los llamados aceites
multigrados incluyen muchos aceites para motores diesel muy populares. Cuando
el mejorador del índice de viscosidad sufre cizallamiento y se deteriora, su
efectividad disminuye, de modo que un aceite 20W50 no tarda en verse reducido a
20W40, o incluso 20W30.
PROPIEDADES DE FLUJO A BAJA TEMPERATURA
73
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Los aceites para motores diesel que son usados en ambientes fríos deben
permanecer lo suficientemente fluidos a bajas temperaturas para circular alrededor
de un sistema de lubricación tan pronto como el motor es arrancado. La
viscosidad, la bombeabilidad y el punto de fluidez son factores importantes. El
punto de fluidez de un aceite es la temperatura más baja a la cual fluye. Los
aceites para motores diesel pueden contener depresores del punto de fluidez,
aditivos que bajan el punto de fluidez. En la práctica, un aceite no puede ser usado
cuando la temperatura ambiente es menor de10ºC por encima de su punto de
fluidez. Es importante anotar que el punto de fluidez de un aceite en uso puede
volverse mayor que el de un aceite sin usar debido al desgaste normal y la
presencia de residuos de combustible sin quemar. (fig.42)
Fig. 42 Grados de viscosidad del aceite en motores diésel
Estabilidad a la oxidación
Cuando un aceite mineral es calentado en presencia de oxígeno, se oscurece y se
espesa. Estos cambios son una consecuencia de la oxidación del aceite al formar
ácidos orgánicos, lacas adhesivas y lodos. Los cambios son acelerados por las
altas temperaturas y por la presencia de humedad, metales y productos de la
descomposición del combustible y de todo lo que se puede encontrar en un motor
diesel típico. Los efectos de la oxidación son altamente indeseables; los ácidos
pueden causar corrosión, las lacas incrementan la fricción y pueden causar que se
peguen los anillos del pistón, mientras el lodo reduce las propiedades lubricantes
del aceite y puede bloquear los filtros y los conductos de circulación del aceite. La
habilidad de un aceite para motores diesel de resistir la oxidación, su estabilidad a
la oxidación, está determinada en gran magnitud por la calidad de los aceites
crudos de donde es obtenido y por los procesos de refinación por los que pasa. La
estabilidad a la oxidación puede ser mejorada con la incorporación de los
antioxidantes, aditivos que bloquean las reacciones de oxidación. Claramente, los
74
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
aceites con un altogrado de estabilidad a la oxidación permanecerán más tiempo
en servicio.
Estabilidad Térmica
Todos los lubricantes se descomponen si son calentados a una temperatura
suficientemente alta, aún en la ausencia de oxígeno. Los aceites minerales
altamente refinados son relativamente estables al calor pero su estabilidad térmica
no puede ser mejorada con el uso de aditivos. Sin embargo, el uso de tipos o
cantidades inapropiadas de aditivos pueden reducir la estabilidad térmica de un
aceite y dar por resultado la formación de depósitos en los motores que operan a
altas temperaturas.
Resistencia a la corrosión
Cuando el combustible diesel es quemado, se producen grandes cantidades de
agua, cada litro de combustible produce más de un litro de agua. También se
producen ácidos fuertes especialmente, si el combustible tiene un alto contenido
de azufre. Los ácidos son igualmente formados si el aceite lubricante está
extremadamente oxidado. Estos subproductos pueden ser altamente corrosivos y
pueden atacar los componentes del motor. Los aceites para motores diesel son
formulados para proteger contra la corrosión, particularmente la causada por los
ácidos. Estos contienen inhibidores de corrosión, frecuentemente metales que
contienen detergentes alcalinos, que son capaces de reaccionar y neutralizar los
ácidos nocivos a medida que se forman. La reserva de materiales alcalinos en un
aceite puede ser expresada en términos del Número Base Total (TBN) del aceite.
Esta medida da una indicación de la habilidad del aceite para neutralizar los
ácidos fuertes y proteger contra la corrosión causada por ellos.
Propiedades Anti desgaste
Cuando los componentes de un motor diesel están sometidos a altas cargas, las
películas lubricantes entre las superficies adyacentes móviles pueden romperse y
el contacto directo metal-metal puede ocurrir. Esta situación, la cual genera un
incremento en la fricción y el desgaste, es muy probable que ocurra entre los
anillos del pistón y las camisas del cilindro de motores grandes de pistón rígido, de
alta potencia y en los trenes de válvulas de motores pequeños de alta velocidad.
Esto puede ser evitado usando aceites que contienen aditivos anti desgaste o de
extrema presión. Estos aditivos forman una película química sobre las superficies
en contacto la cual las protege y les ayudan a soportar altas cargas.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Detergencia y dispersancia
La mayoría de los aceites para motores diesel contienen detergentes y
dispersantes para mantener la limpieza y por lo tanto su desempeño, restringiendo
la formación de depósitos sólidos, lacas y barnices. Los detergentes ayudan a
controlar el crecimiento de depósitos dañinos durante el proceso de combustión.
Además, algunos detergentes son altamente alcalinos y son capaces de actuar
como inhibidores de corrosión neutralizando los ácidos fuertes formados durante
la combustión de combustibles que contienen azufre. Los dispersantes mantienen
el hollín y otros contaminantes en suspensión en el aceite y evitan que se
aglomeren. Esto ayuda aprevenir el crecimiento de depósitos durante las
operaciones a alta y baja temperatura en áreas del motor como el cárter, las
válvulas y las partes de refrigeración en los pistones.
Resistencia a la espuma
Cuando un aceite para motor diesel es agitado, como sucede en el cárter, tiende a
formar espuma especialmente si contiene ciertos contaminantes. La espuma en
exceso puede promover la oxidación y puede llevar al rebosamiento y a la pérdida
de aceite a través de los orificios de venteo. Algo más serio, puede ocasionar que
la bomba de aceite funcione inapropiadamente y puede causar quelas películas
lubricantes se rompan. La espuma puede ser reducida adicionando agentes
antiespumante sal aceite.
Estos aditivos son particularmente útiles en pequeños motores diesel de alta
velocidad donde la agitación puede ser severa.
ESPECIFICACIONES DE LOS ACEITES PARA MOTORES DIESEL
Hay dos sistemas de clasificación de uso general para describir las calidades de
desempeño de los aceites para motores diesel. Estos sistemas deben servir como
una guía de selección del lubricante apropiado para cumplir con las condiciones
del motor. Es importante tener en cuenta que estos sistemas solo especifican los
requerimientos mínimos que un aceite debe satisfacer para ajustarse a una
clasificación particular. Dos aceites en la misma categoría pueden diferir
ampliamente en calidad.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
CLASIFICACIONES API DE SERVICIO PARA MOTORES
El Instituto Americano del Petróleo ha diseñado un sistema que clasifica los
aceites de acuerdo a su desempeño en ciertas pruebas preestablecidas. Este
proporciona un medio de identificar los requerimientos de servicio con el
desempeño de los aceites.
Clasificación API para motores diesel HD (trabajo pesado)
CA- Para motores diesel de trabajo liviano (obsoleto). El aceite diseñado para este
servicio provee protección contra la corrosión de cojinetes y contra los depósitos
de alta temperatura en motores naturalmente aspirados cuando se utilizan
combustibles de alta calidad.
CB - Para motores diesel de trabajo moderado (obsoleto). Los aceites diseñados
para este servicio suministran la protección necesaria contra la corrosión de los
cojinetes y de los depósitos de alta temperatura en motores diesel naturalmente
aspirados con combustibles de alto contenido de azufre.
CC- Para motores diesel de trabajo moderado y motores a gasolina (es obsoleto
pero puede encontrarse en uso todavía en motores aspirados naturalmente). Los
aceites diseñados para este servicio protegen contra los depósitos de alta
temperatura en motores diesel ligeramente sobrecargados y también de la
herrumbre, la corrosión y los depósitos a baja temperatura en motores a gasolina.
CD- Para motores diesel de trabajo severo. Los aceites diseñados para este
servicio fueron introducidos para proteger contra la corrosión y los depósitos de
alta temperatura en motores diesel sobrecargados cuando utilizan combustibles de
una gran variedad de calidades.
CD II- Servicio severo para motores diesel dedos tiempos. Aceite que cumple los
requerimientos de Detroit Diesel para motores diesel de dos tiempos y de
Caterpillar para motores de cuatro tiempos.
CE- Para motores diesel turbo y sobrecargados que operan en condiciones de
baja velocidad, alta carga y alta velocidad, baja carga. El consumo de aceite, el
control de depósitos, el espesamiento de aceite y la corrosión de cojinetes son
evaluados.
CF- Especificación diseñada para motores con pre cámara de combustión,
utilizando combustibles de alto contenido de azufre.
CF-4 - Especificación diseñada para motores diesel de cuatro tiempos. Servicio
severo para motores diesel de inyección directa, utilizando combustibles de alto
contenido de azufre.
CF-2 - Especificación de servicio para motores diesel de dos tiempos sometidos a
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
trabajo pesado que requieren control altamente efectivo frente al barrido y la
formación de depósitos en cilindros y flanco de anillo. Cumple con los máximos
requerimientos de Detroit Diesel para motores diesel de dos tiempos con diseño
posterior al año1994.
CG-4 - Especificación de servicio para motores diesel de cuatro tiempos y de altas
velocidades que operan bajo condiciones de trabajo pesado tanto sobre carretera
como fuera de carretera y que adicionalmente al diesel tradicional pueden operar
con combustibles que tienen niveles de contenido de azufre menores al 0.05%.
Cumple con los máximos requerimientos de los motores diesel de cuatro tiempos
con diseño posterior e inclusive al año de 1994.
CH-4 - Especificación de servicio para motores diesel de cuatro tiempos y de altas
velocidades que operan bajo condiciones de trabajo extra-pesado tanto sobre
carretera como fuera de carretera y que adicional al diesel tradicional pueden
operar con combustibles que tienen niveles de contenido de azufre menores al
0.05% proporcionando un mayor control frente a la formación de depósitos de
pistón típicos a altas temperaturas, al desgaste, la corrosión, la espuma, la
estabilidad a la oxidación, acumulación de hollín y emisiones al medio ambiente.
Cumple con los máximos requerimientos de los motores diesel de cuatro tiempos
con diseño posterior e inclusive al año de 1999.
ESPECIFICACIONES DE DESEMPEÑO ACEA(ANTERIORMENTE CCMC)
La ACEA es un organismo que administra estándares para los requerimientos de
calidad de los aceites usados en motores de fabricantes Europeos (como se
estableció por el anterior CCMC Comité de Constructores del Mercado Común).
Este especifica los estándares mínimos de desempeño que deben ser alcanzados
en varias pruebas tales como la estabilidad al corte, la compatibilidad con sellos,
limpieza del pistón desgaste de los anillos y camisas y espesor del aceite. Las
más recientes de las especificaciones para motores diesel son las clasificaciones
D4 y D5 las cuales describen los aceites adecuados para motores
turboalimentados de altas relaciones de turbo alimentación.
2.4 SISTEMA DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE EN MOTORES DIESEL
Al final de la carrera de compresión el aire que ha entrado al cilindro durante la
carrera de admisión previa, ha sido confinado a un pequeño volumen llamado
cámara de combustión y sometido a una fuerte compresión y está muy caliente. Si
en ese momento se inyecta al interior del cilindro la cantidad adecuada de
combustible Diesel pulverizado, este se inflamará y producirá el debido incremento
de presión que actúa sobre el pistón para producir la carrera de fuerza del motor.
El mecanismo que se ocupa de dosificar, pulverizar e introducir al cilindro en el
instante y por el tiempo adecuados el combustible al cilindro se llama sistema de
78
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
inyección.
El proceso de inyectar combustible en el motor Diesel puede resumirse en pocas
palabras como se ha hecho, y aparentemente parece ser simple, pero en realidad
está rodeado de un gran número de particularidades que hacen de él, una de las
mayores conquistas tecnológicas realizadas por el hombre en la mecánica de
precisión del siglo XX. Baste decir que este sistema tiene que poder inyectar con
gran exactitud y a grandes presiones (entre 120 y 400 kg/cm²), volúmenes de
líquido que pueden ser comparables con el de la cabeza de un alfiler, con un
comienzo y tiempo de duración muy exactos, a frecuencias que pueden llegar a
más de 2000 ciclos por segundo, y por un período de millones de ciclos sin fallo.
Súmele a eso que la inyección se produce en una cámara donde hay combustión
simultánea a la inyección, en un ambiente caliente y agresivo y me dirá si no es un
verdadero milagro tecnológico haberlo conseguido y perfeccionado.
Para preparar el terreno y que usted pueda conocer las particularidades básicas
relacionadas que hacen complejo el funcionamiento del sistema de inyección,
hagamos un análisis de los factores involucrados en el proceso.
MECANISMO DE AVANCE
El combustible que entra al cilindro lo hace de forma líquida, para que este
combustible se inflame luego de entrar en contacto con el aire caliente capaz de
inflamarlo, tiene que calentarse, evaporarse y mezclarse con el aire para que se
produzca el encendido. Este proceso aunque breve, toma cierto tiempo, por lo que
el comienzo de la inyección debe hacerse un determinado tiempo antes de que el
pistón haya alcanzado el punto muerto superior, a fin de que el combustible se
evapore, mezcle e inflame antes de que el pistón llegue al punto adecuado
después del punto muerto superior, y aproveche al máximo el incremento de
presión producto de la combustión para producir trabajo útil.
Como este tiempo de preparación de la mezcla dentro del cilindro, antes de
producirse la inflamación es un tiempo fijo (en realidad cambia, pero muy poco)
mientras el motor puede girar a velocidades notablemente diferentes entre ralentí
y la velocidad máxima, el instante del comienzo de la inyección con respecto a la
posición del pistón, debe ser diferente para cada régimen de velocidad y así poder
lograr que en todo el rango de trabajo del motor, las presiones máximas del ciclo
se produzcan en el instante adecuado a la posición del pistón una vez comenzada
la inflamación.
Este tiempo de anticipación al punto muerto superior en que se comienza la
inyección se mide en grados de ángulo de giro del cigüeñal y se conoce cono
ángulo de avance a la inyección. En un motor Diesel rápido puede estar, para
altas velocidades, en el orden de los 30 a 40 grados. Tenemos entonces que el
sistema de inyección debe cumplir una primera condición.
Condición 1: El ángulo de avance a la inyección debe ser variable en función de
la velocidad de giro del motor.
79
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
PULVERIZADO DE COMBUSTIBLE
Para que el proceso de evaporación, mezclado e inflamación del combustible sea
lo más eficiente, estable y corto posible, este debe ser inyectado en la cámara de
combustión como uno o más aerosoles con partículas sumamente finas, a alta
velocidad y bien dirigidas para que lleguen a todas partes de la cámara de
combustión, con independencia de la velocidad de giro del motor. De esta forma
se produce un mejor mezclado y un contacto íntimo con todo el aire caliente para
aprovechar su calor en la evaporación y preparación de la mezcla del aire y el
combustible tanto antes del comienzo de la inflamación, como después, durante el
proceso de quemado en todo el rango de trabajo.
El comienzo y fin de la inyección (formación del aerosol) deben ser abruptos,
veamos:
Las primeras gotas que salen del aerosol ya deben estar sumamente
pulverizadas. Si esta condición no se cumple, y se producen al inicio, gotas
grandes de combustible, estas demoran en evaporarse, y como el combustible se
inyecta de manera continua, cuando se produzca el encendido se habrá
acumulado muchos combustibles dentro del cilindro lo que produce una
inflamación masiva de excesivo combustible con el consecuente incremento
violento de la presión. Este incremento violento de la presión además de afectar
las piezas del mecanismo pistón-biela-manivela reduce notablemente la eficiencia
del motor.
Si el sistema de inyección interrumpe el aerosol de manera gradual, las últimas
gotas producidas se han atomizado a baja presión y ya no son pequeñas, el
proceso de evaporación se hace lento y el quemado de este combustible puede
realizarse muy tarde en la carrera de fuerza e incluso no quemarse del todo con la
consecuente pérdida de potencia y rendimiento del motor.
De aquí surge una segunda condición que se debe cumplir:
Condición 2: El combustible debe ser inyectado al cilindro como un aerosol muy
fino, cuyo comienzo y fin debe ser abrupto.
DOSIFICACIÓN DEL COMBUSTIBLE
Los motores Diesel al igual que cualquier otro motor funcionan en el automóvil en
un rango amplio de entrega de potencia y velocidad de rotación, esta potencia se
obtiene a expensas del combustible por lo que a más potencia más combustible.
Esta potencia entregada por el motor se hace a voluntad del conductor oprimiendo
más o menos el pedal de acelerador de acuerdo a la necesidad del camino.
En el motor Diesel convencional, el conducto de entrada de aire al motor es
siempre el mismo, sin nada que interfiera el libre paso del aire a no ser las propias
pérdidas por rozamiento del conducto, de esta manera el cilindro del motor se
80
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
llena siempre completamente de aire por lo que la entrega de potencia dependerá
solo de la cantidad de combustible que se inyecte.
Durante el funcionamiento a las revoluciones de ralentí, solo hay que producir
potencia para vencer las pérdidas internas del motor y las de los agregados
acoplados (ventilador, generador etc.) durante este estado de trabajo la cantidad
de combustible que se inyecta es un volumen muy pequeño, mientras que durante
el trabajo a potencia máxima el volumen inyectado es muchas veces superior. La
tercera condición que debe cumplir:
Condición 3: La cantidad de combustible inyectado debe ser exacta de acuerdo a
la carga del motor.
CARACTERÍSTICA DE INYECCIÓN
El proceso de la inyección del volumen de combustible al cilindro comienza como
ya hemos visto, algunos grados antes del punto muerto superior, como este
proceso dura determinado tiempo y el cigüeñal está en constante giro, terminará
algunos grados pasado el punto muerto superior y antes de acercarse al punto
muerto inferior. La dinámica del mecanismo biela-cigüeñal determina la forma en
que debe crecer la presión dentro del cilindro para que el trabajo del motor tenga
la máxima eficiencia, al mismo tiempo que las piezas no estén sometidas a cargas
excesivas.
Para adaptarse a los requerimientos óptimos del mecanismo biela-cigüeñal, la
cantidad de combustible inyectado por unidad de tiempo durante el proceso de
inyección debe cumplir ciertos requisitos. El comportamiento de la entrega de
combustible al cilindro por unidad de tiempo se le llama característica de
inyección.
En el gráfico mostrado más abajo como fig.33 muestra la forma teórica óptima en
que debe producirse la inyección.
El eje vertical representa el volumen de combustible inyectado y el eje horizontal el
ángulo de giro del cigüeñal.
Pueden diferenciarse claramente dos zonas, nombradas como 1 y 2.
En la zona 1comienza abruptamente la inyección de una pequeña cantidad de
combustible por unidad de tiempo durante un breve lapso de giro del cigüeñal.
Este combustible en pequeña cantidad se inyecta durante el tiempo de demora de
la inflamación a fin de preparar e iniciar el encendido sin que se acumulen grandes
cantidades de combustible dentro del cilindro, luego, cuando ya se ha producido la
inflamación, y dentro de la cámara de combustión hay alta temperatura y gases
incandescentes que aceleran en mucho la velocidad de evaporación-inflamación
del combustible, se aumenta al ritmo adecuado para su combustión gradual en la
81
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
carrera de fuerza (zona 2). Finalmente y en el instante apropiado se interrumpe
drásticamente la inyección. (fig.43).
En los motores reales esta condición teórica no se alcanza, pero los fabricantes de
motores tratan de hacer sus sistemas que cumplan lo mejor posible esta
condición. De aquí la cuarta condición:
Condición 4: El ritmo de la inyección debe cumplir con cierto patrón.
Fig. 43 Forma teórica optima de inyección de combustible
VELOCIDAD MÁXIMA
En el motor de gasolina existe un estrechamiento del conducto de admisión, este
estrechamiento supone unas elevadas pérdidas por rozamiento durante el llenado
del cilindro, por esta condición la velocidad final de giro del motor se auto limita, ya
que a medida que crece la velocidad de giro, crece también la velocidad de
entrada del aire y por consiguiente las pérdidas por rozamiento. Finalmente y a
altas velocidades de giro, la cantidad de aire que entra al cilindro es muy pobre y
la potencia que se obtiene solo alcanza para vencer las pérdidas mecánicas del
propio motor. El motor no puede acelerar más.
En el motor Diesel, el conducto de admisión se construye para que sus pérdidas
por rozamiento sean lo menor posible y así lograr siempre un llenado máximo del
cilindro, de esta forma la velocidad máxima de giro del motor no se auto limita
como en el caso del motor de gasolina.
Como la velocidad de giro del motor Diesel no puede crecer indefinidamente
debido a que dentro del motor se producen fuerzas crecientes con la velocidad,
que ponen en peligro la integridad del motor, resulta imprescindible limitar la
máxima velocidad de giro a un valor seguro. Esta regulación de la velocidad se
consigue cortando la entrega de combustible.
82
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Condición 5: El sistema de inyección debe garantizar una velocidad de giro
máxima del motor aun sin carga.
VELOCIDAD MÍNIMA
A menos que se desee lo contrario, cuando se suelta el acelerador de un motor
Diesel este debe mantenerse funcionando a baja velocidad constante de rotación
(ralentí). Como la carga del motor a la velocidad de ralentí puede variar
considerablemente en diferentes momentos de uso, por ejemplo; puede que esté o
no esté accionando un compresor de aire acondicionado, o de refrigeración, o de
los frenos de vehículo, o un sistema de accionamiento hidráulico etc. no basta con
establecer una cantidad fija de combustible inyectado para que se mantenga
girando a velocidad estable en ralentí. Si se hiciera así el motor se aceleraría
cuando baja la carga o se detendría cuando sube, por esta razón el sistema debe
cumplir otra condición:
Condición 6: El sistema debe mantener fija la velocidad de rotación en ralentí con
independencia de la carga del motor.
ESQUEMA DEL SISTEMA
Durante el desarrollo del motor Diesel, los fabricantes han elaborado diferentes
sistemas mecánicos que cumplen con los requisitos de trabajo descritos
anteriormente, uno de los más utilizados y del que nos ocuparemos aquí es el
sistema Bosch.
En la figura de la derecha se representa de manera esquemática un sistema Bosh
de inyección.
En él, una bomba capaz de dosificar y elevar la presión a los valores necesarios
para la inyección y en el momento preciso del combustible, gira arrastrada por el
motor a través de un acoplamiento, esta bomba es la bomba de inyección. Unos
conductos de alta presión llevan el combustible hasta los inyectores, que son los
encargados de producir el aerosol dentro del cilindro.
Una pequeña bomba adosada a la bomba de inyección y accionada por esta,
trasiega el combustible desde el depósito y la alimenta haciéndolo pasar por un
juego de filtros. La capacidad de bombeo de esta bomba de trasi4ego es muy
superior a las necesidades del motor, lo que sirve para incluir un regulador de
presión que adecua y estabiliza la presión de alimentación a la bomba de
inyección, desviando por el retorno el combustible en exceso. Este combustible en
exceso sirve además para refrigerar la bomba de inyección.
Un mecanismo especial encargado de regular el avance a la inyección se
interpone entre el acoplamiento al motor y la bomba de inyección. Al final de la
bomba y acoplado a ella, se encuentra el regulador de velocidad, este regulador
83
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
incluye una palanca de accionamiento que se acopla al mecanismo del pedal del
acelerador, desde donde el conductor puede aumentar y disminuir la potencia o
velocidad de giro del motor.(fig.44).
Cada uno de los elementos integrantes del sistema se tratara a continuación:
Fig. 44 sistema de inyección de combustible Bosch
COMPONENTES DEL SISTEMA
BOMBA DE INYECCIÓN
La bomba de inyección Bosch o en línea como se conoce también, es un aparato
mecánico de elevada precisión que tiene la función principal en el sistema de
inyección Diesel, esto es:
 Elevar la presión del combustible a los valores de trabajo del inyector en el
momento y con el ritmo y tiempo de duración adecuados.
 Dosificar con exactitud la cantidad de combustible que será inyectado al
cilindro de acuerdo a la voluntad del conductor.
 Regular las velocidades máximas y mínimas del motor.
Esta bomba, representada en gris en el gráfico de la derecha de abajo como 6.3
recibe el movimiento desde el motor generalmente a través de un acoplamiento
flexible, de forma tal que gira sincronizada con él. Tiene la desventaja con
respecto a otros tipos de bombas que es más pesada, voluminosa y que no puede
girar a altas revoluciones, no obstante es la más utilizada en los motores Diesel de
equipos pesados y camiones de carga cuyos motores no son muy rápidos, por su
robustez, vida útil y estabilidad. En el gráfico pueden apreciarse también los tubos
que salen de la bomba hacia los inyectores, en este caso seis.
Es en esencia una bomba de pistones colocados en fila, cada uno de los cuales es
de caudal variable, con un émbolo por cada uno de los cilindros del motor, es decir
para alimentar cada inyector.
84
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Estos émbolos se mueven en la carrera de compresión del combustible
accionados por una leva de un árbol de levas común que tiene una leva
exactamente igual para cada uno, pero desplazada en ángulo de giro de acuerdo
a la diferencia de ángulo de cada pistón del motor para que cada inyección
corresponda en tiempo, al momento adecuado de cada pistón del motor.
La carrera de admisión de nuevo combustible de los pistones-bomba se realiza
por el empuje en sentido contrario a la carrera de bombeo por un resorte. Todos
los pistones de alimentan de un conducto común elaborado en el cuerpo de la
bomba presurizado con combustible por la bomba de trasiego.(figura 45).
Fig.45 Bomba de inyección Bosch, indicada en color gris.
Alimentación con combustible.
En la figura (fig.46) se muestra muy esquemáticamente como se produce la
alimentación de combustible a la bomba de inyección. Se ha representado el árbol
de levas así como los émbolos de bombeo de alta presión para dar mejor idea del
interior.
Fig. 46 Esquema del sistema de alimentación a la bomba de inyección.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Observe que hay un conducto elaborado en el cuerpo de la bomba (señalado de
color verde) que va de extremo a extremo. Por uno de los extremos del conducto
se conecta el tubo procedente de la bomba de trasiego, del otro lado hay una
válvula reguladora de presión, de manera que todo el conducto interno está lleno
con combustible a la presión regulada por la válvula. El combustible en exceso se
desvía de nuevo al depósito por el retorno.
El combustible que retorna al depósito, ha circulado por el interior de la bomba,
retirando calor del sistema para mantener la temperatura a los valores adecuados.
Esto es importante porque si el combustible que está dentro del conducto de
alimentación de la bomba se calienta en exceso, se dilata y disminuye su
densidad. Como la bomba de inyección dosifica el combustible por volumen,
entonces resultaría afectada la cantidad neta de combustible en masa inyectado, y
el motor pierde potencia.
Este conducto de combustible presurizado permite que la cámara de los émbolos
se llene de combustible en el descenso y luego lo compriman en el ascenso.
EMBOLO DE BOMBEO
Se muestra un esquema simplificado de una bomba seccionada de un solo
émbolo. Lo que se explique aquí para este émbolo simple, sirve para el resto de
los existentes en una bomba de múltiples émbolos, ya que en este caso, lo que se
hace es repetir en línea los émbolos necesarios de acuerdo al número de cilindros
del motor con el adecuado cambio en el ángulo de cada leva con respecto a las
otras.
Cuando la leva gira el resorte mantiene apretado el seguidor junto con el pistón
copiando su perfil, de esta manera el pistón sube y baja constantemente. Cuando
el pistón está en la posición mostrada se ha abierto el paso a la parte superior
desde la cámara de alimentación visto en el punto anterior.
En la carrera de ascenso el propio pistón cierra el paso al bloquear el conducto de
entrada lateral y el combustible atrapado sobre la su cabeza no tiene otra
posibilidad que levantar la válvula de descarga y salir por el tubo al inyector.
86
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Fig. 47 Embolo de bombeo
De esta forma se garantiza la presión adecuada para la formación del aerosol
dentro del cilindro. En la próxima carrera de descenso se cierra la válvula de
descarga, vuelve a descubrirse el agujero de entrada desde la cámara de
alimentación y el ciclo se repite.
Regulación de la entrega
Para regular la entrega de combustible entre entrega nula (para detener el motor)
y la entrega máxima, para máxima potencia se usan unos cortes especiales en la
superficie del pistón.
Fig. 48 esquema de un embolo real de la bomba de inyección de varias posiciones.
87
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
En la figura de arriba (figura 48) aparece un esquema de un émbolo real de la
bomba de inyección en varias posiciones. El pistón está representado en amarillo,
note como se han efectuado unos cortes a bajo relieve en su superficie cilíndrica.
Como ya habíamos visto, cuando el pistón está en la parte inferior de la carrera de
descenso, se abre el orificio de alimentación y entra combustible al volumen sobre
su cabeza (dibujo superior izquierdo), luego en la carrera de ascenso (segundo
dibujo) ese combustible se impulsa al inyector al quedar cerradas las lumbreras de
entada.
La impulsión de combustible podrá llevarse a cabo hasta que el borde del
acanalado tallado en el pistón alcance uno de los orificios de alimentación (tercer
dibujo), en este caso el combustible restante sobre la cabeza del pistón no será
inyectado al motor, si no que retrocederá a la linea de alimentación que tiene
mucha menor presión según indican las flechas. Ya no toda la carrera del pistón
sirve para inyectar, solo hay una carrera efectiva de impulsión marcada como "h"
en el dibujo siguiente (figura 49).
Fig. 49
Observe que el corte del pistón tiene un perfil helicoidal, de manera que si lo
hacemos girar, la carrera efectiva crece (en la dirección de la flecha de la figura
39) o disminuye en sentido contrario. De esta forma es que se consigue cambiar la
entrega de la bomba.
Los dibujos siguientes (figura 51) muestran cómo se realiza este giro en el motor
real.
Un engrane en forma de abrazadera se aprieta a la base del émbolo, este engrane
se acciona desde una cremallera dentada solidaria con el acelerador del vehículo,
por lo que el movimiento del acelerador se transforma en deslizamiento de la
cremallera y esta, a giro del pistón, lo que a su vez cambia la cantidad de
combustible entregado. En una de las posiciones extremas la ranura vertical
practicada en el pistón coincide toda la carrera de este con la lumbrera de
alimentación, por lo que la entrega es nula y el motor se detiene.
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TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Fig. 51 giro en motor real
Fig. 52Bomba real seccionada
89
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
CONDUCTOS DE ALTA PRESIÓN
Tubos de los inyectores diesel
Aunque parezca muy simple, el tubo de los inyectores también tiene sus
particularidades que lo hacen una pieza vital del sistema. Aunque se dice que los
líquidos son incompresibles, en el sistema de inyección Diesel estamos hablando
de cientos de atmósferas de presión, para estas presiones esta afirmación no es
válida, especialmente cuando los volúmenes a inyectar son tan pequeños y donde
cualquier efecto perturbador tiene una influencia notable. Cuando la bomba de
inyección comienza a incrementar la presión, el combustible no fluye por el tubo
debido a que el inyector está cerrado, primero se produce un incremento rápido
pero gradual que se transmite por el líquido a través del tubo como una onda de
presión.
Esta onda de presión demora un tiempo en llegar hasta el inyector de manera que
hay un cierto desfasaje entre los valores de la presión a la salida de la bomba y el
que actúa en el inyector. Este desfasaje dependerá directamente de la longitud del
tubo.
Además debemos considerar que aunque de acero, para estas presiones el tubo
sufre en pequeña escala una deformación, tanto la compresibilidad del
combustible como la expansión del tubo hacen que en el sistema exista cierta
cantidad de reserva de presión elástica antes de que el inyector se abra y que
además esta reserva se mantendrá en alguna medida durante la inyección.
Es complejo el análisis del comportamiento de la onda de presión mencionada,
pero podemos decir, simplificando el hecho, que esta onda viaja y regresa por el
tubo varias veces mientras dura el tiempo de inyección, lo que puede producir que
alguna onda de retorno haga una nueva e indeseable apertura del inyector unos
instantes después de terminada la inyección principal, esta nueva inyección breve
debido a una gran onda de presión de llegada tardía se conoce como inyección
residual. Aunque no exista la inyección residual, una onda de presión llegada al
inyector a la hora del cierre, puede hacer que este se cierre de forma gradual o
retrasada con el consiguiente y perjudicial efecto de goteo. Para minimizar y hacer
tolerable estos inconvenientes, en los sistemas de inyección se tiene en cuenta
dos cosas básicas:
 Los tubos se construyen con paredes muy gruesas para reducir su
expansión, se trata de reducir al máximo su longitud y se fabrican todos de
la misma longitud.
 Se construye la válvula de descarga que está inmediatamente encima del
émbolo con una forma especial.
90
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Fig.53Conductos de alta presión
TUBOS
En un motor real no todos los inyectores están a la misma distancia del émbolo
correspondiente de la bomba de inyección, pero si se elabora cada tubo con la
longitud mínima estos tendrían diferente longitud, entonces la onda de presión que
abre el inyector, llegaría a unos inyectores más rápido que a otros y el comienzo
de la inyección sería diferente entre los cilindros, esto evidentemente es
indeseable, por lo que en la práctica todos los tubos se construyen de mismo largo
que el tubo del cilindro más lejano. Observe en la figura de arriba como algunos
tubos tienen curvas "innecesarias" para compensar el exceso de longitud.
Estos tubos son de paredes muy gruesas relativas al diámetro exterior del tubo y
están hechos de acero resistente para evitar su expansión durante el trabajo. Es
común que el diámetro exterior sea a 6 mm mientras el interior sea de menos de
2.
La conexión tubo-bomba, tubo-inyector se hace con una sólida tuerca de tapacete
que aprieta el extremo ensanchado y redondeado en frío del propio tubo de acero
contra una oquedad del asiento sin que medie empaque elástico alguno.
VÁLVULA DE DESCARGA
La figura siguiente muestra cómo funciona la válvula de descarga, esta válvula
está colocada debajo del "racor" donde se conectan roscados los tubos a los
inyectores (rosca superior). Este racor está roscado en su parte inferior a la bomba
de inyección y la aprieta contra su asiento, justo encima del émbolo de bombeo,
de manera que el combustible que es bombeado a los inyectores pasa por el
interior de la válvula de descarga.
La válvula de descarga se compone de dos elementos; el cuerpo cilíndrico
perforado en el centro (gris oscuro) y el elemento de cierre (rojo) que se desliza
por el agujero central del cuerpo cilíndrico en dirección vertical. Un resorte
91
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
mantiene apretado el elemento de cierre contra un asiento cónico en el cuerpo
cilíndrico para cerrar el paso del combustible por la válvula.
Cuando el émbolo de la bomba de inyección comienza su carrera de bombeo la
presión dentro de la válvula de descarga crece y el elemento central se levanta
venciendo la fuerza del resorte por lo que se produce el paso del combustible a los
tubos y con ello a los inyectores. Luego, cuando termina la carrera efectiva de
bombeo del émbolo de la bomba de inyección la presión cae, y la válvula regresa
a su asiento impulsada por el resorte, para interrumpir de nuevo la comunicación y
evitar que el combustible que está en el tubo sea succionado por el émbolo. Este
cierre permite dejar presurizado el tubo para disminuir la demora del nuevo ciclo
de inyección cuando el émbolo comience más tarde a bombear de nuevo.(fig. 54)
Fig. 54partes de la válvula de descarga
Al principio del tema se hablaba de que la válvula de descarga jugaba un papel
importante en la eliminación de la inyección residual y en el cierre abrupto del
inyector, veamos como:
En el cuerpo del elemento de cierre se fabrica un pequeño cilindro que entra en el
orificio del cuerpo con extrema exactitud, este cilindro se muestra como volumen
de descarga en el dibujo de la izquierda, cuando la válvula de descarga comienza
su descenso para cerrar el paso, lo primero que alcanza el borde del cuerpo de la
válvula es este cilindro, en ese momento y debido a la gran exactitud se produce
el cierre, pero el movimiento continua hasta que el elemento de cierre llega hasta
el asiento cónico donde descansa.
Después que se ha bloqueado el paso por el volumen de descarga, el resto del
movimiento descendente del elemento de cierre produce una cierta succión en su
parte superior.
92
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Este efecto reduce drásticamente la presión dentro del tubo de manera controlada,
consiguiendo con ello la reducción de la magnitud de la onda de presión y el cierre
abrupto del inyector, en concordancia con las necesidades del sistema,
manteniendo cierta presión remanente en el tubo para no retrasar demasiado la
próxima inyección.
Resulta evidente entonces que cada sistema de inyección en dependencia de sus
componentes, presiones de trabajo etc., necesita un volumen de descarga que no
debe ser variado, estos volúmenes para cada sistema han sido establecido por los
fabricantes después de largos procesos de experimentación y no deben
cambiarse.
VÁLVULA DE REBOSE.
A través de la cual son devueltas al depósito las posibles burbujas de aire o de
vapores que pueda contener el combustible, consiguiéndose así un auto purgado
permanente del sistema.
DECANTADORES DE AGUA.
Son elementos que eliminan parte del agua contenida en el combustible y que
estropearía rápidamente los delicados y precisos elementos de inyección además
de alterar la combustión en caso de llegar a ser inyectada.
INYECTORES
La figura (44) muestra de manera esquemática como se monta el inyector en el
motor diésel. Este dispositivo encargado de producir el aerosol de combustible
dentro de la cámara de combustión, es un conjunto de piezas dentro de un cuerpo
de acero que atraviesa en cuerpo metálico de motor y penetra hasta el interior de
la cámara de combustión.
Por el extremo externo se acopla el conducto de alta presión procedente de la
bomba de inyección.
La figura (55) abajo muestra un montaje real del inyector para el caso de un motor
de inyección directa.
El cuerpo del inyector aparece seccionado. Observe como una pieza en forma de
cilindro terminado en punta entra a la cámara de combustión, esta pieza se
conoce como tobera y es la encargada de pulverizar el combustible para formar el
aerosol.
93
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Fig. 55 esquema del montaje de un inyector
Fig. 56Montaje real de un inyector en un motor
Para entender el funcionamiento, en la figura de abajo (figura 46) se presenta un
inyector de manera esquemática. El combustible procedente de la bomba de
inyección se alimenta a una entrada del inyector, este combustible, a través de
conductos perforados en el cuerpo del inyector (señalados en rojo) se conduce
hasta una aguja en la parte inferior que obstruye el orificio de salida al ser
empujada a través de una varilla por un resorte. De esta manera el paso del
combustible a la cámara de combustión está bloqueado.
Cuando la presión en el conducto de entrada crece lo suficiente por el empuje de
la bomba de inyección, la presión puede vencer la fuerza del resorte y levantar la
aguja, de esta forma se abre el pequeño conducto de acceso a la cámara, y el
combustible sale muy pulverizado por el extremo inferior.
94
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Observe que la presión del combustible actúa sobre un área pequeña de la parte
inferior de la aguja, una vez que la presión vence la fuerza del resorte entra a la
cámara donde está la parte cilíndrica de la aguja que tiene mayor área, la fuerza
de empuje crece y la aguja es apartada de su asiento de manera abrupta. Este
efecto garantiza que la apertura del inyector de haga muy rápidamente lo que es
deseable.
Un tornillo de regulación sobre el resorte permite comprimirlo en mayor o menor
grado y con ello establecer con exactitud la presión de apertura del inyector.
Estas presiones en el motor Diésel pueden estar en el orden de hasta más de 400
Kg/cm². (fig. 57).
Fig.57 Funcionamiento de un inyector
Cuando la aguja se abre, la elevada presión actúa en el interior de la tobera, para
evitar que el combustible pueda pasar por las holguras entre la aguja y el cuerpo
de la tobera.
Estas toberas se fabrican con una gran precisión, tanto, que para un mismo lote
de ellas las agujas de unas, pueden no entrar en el cuerpo de otras, o el polvo
depositado en la aguja puede impedir que se deslice dentro del cuerpo de la
tobera, esto hace que cuando se trabaja con toberas de inyección haya que tener
mucho cuidado en no intercambiar las piezas y mantener un ambiente muy limpio.
Aun con el gran grado de exactitud con que se fabrican las piezas de la tobera, el
combustible poco a poco durante los millones de ciclos de trabajo va pasando
lentamente a la cámara encima de la aguja, un conducto de retorno no
95
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
representado devuelve ese combustible a la entrada de la bomba de inyección.
REGULADOR DE VELOCIDAD DIESEL
En el sistema de inyección Bosch como en todos los otros, es necesario un
regulador de las velocidades máxima y mínima de giro del motor para evitar daños
por sobrecargas a altas velocidades de rotación, y para evitar además, que el
motor se acelere o detenga cuando funciona en ralentí y la carga cambia.
En el caso que nos ocupa, el sistema Bosch de bomba de inyección en línea, este
regulador está montado formando parte de ella en el extremo trasero, esto es, en
el lado contrario al montaje al motor. En ocasiones puede ser separable de la
bomba de inyección como un agregado aparte y en otras el cuerpo del regulador
es monolítico con el cuerpo de la bomba de inyección.
En la práctica hay dos tipos de reguladores de velocidad atendiendo al modo de
funcionamiento:
 Reguladores de máxima y mínima.
 Reguladores de todo régimen.
En adelante vamos a ver cómo funcionan.
Abajo (figura58) aparece un esquema de las partes funcionales del regulador de
revoluciones del tipo de máxima y mínima. Es en esencia un gobernador
centrífugo que a través de un juego de palancas puede accionar la cremallera de
cambio de la entrega de combustible de la bomba de inyección.
Un par de contrapesos colocados en una guía central giran montados en el árbol
de levas de la bomba de inyección, la posición de los contrapesos en el motor
detenido está determinada por la tensión de dos resortes con empuje contrario en
cada contrapeso. En el esquema que se muestra solo se ve el resorte que tiende a
cerrar los contrapesos, el otro está colocado en el interior del contrapeso en
sentido contrario, es decir tiende a separarlos.
Fig. 58partes funcionales del regulador de revoluciones tipo máxima y mínima.
96
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Regulación de la velocidad máxima
Cuando la velocidad de giro del motor crece también lo hace en proporción la del
árbol de levas de la bomba, este crecimiento de la velocidad hace que la fuerza
centrífuga tienda a separar los contrapesos, comprimiendo los resortes exteriores
y descargando los interiores. Hasta cierta magnitud de apertura de los
contrapesos el movimiento de las palancas no se transmite a la cremallera de la
bomba de inyección debido a una holgura preconcebida en el juego de palancas.
Cuando la velocidad de rotación se acerca a la máxima establecida para el motor
la holgura del juego de palancas se acaba y la cremallera comienza a moverse en
el sentido del corte del suministro de combustible a los inyectores, si la velocidad
de rotación sigue creciendo se seguirá disminuyendo la entrega hasta entrega
nula si fuera necesario, de esta forma la velocidad de rotación se ve limitada a un
valor calibrado en el mecanismo. La entrega nula se produce cuando el motor es
arrastrado por el vehículo por ejemplo descendiendo una colina.
Regulación de la velocidad mínima
Si la velocidad de funcionamiento del motor es baja (ralentí), los contrapesos
están en una posición de equilibrio resultante de la interacción de los resortes
opuestos y la fuerza centrífuga, en este caso la cremallera está en el lugar
apropiado para la entrega necesaria para mantener esa velocidad de ralentí. Si la
carga cambia; por ejemplo crece, la velocidad del motor tiende a disminuir, la
fuerza centrífuga disminuye y los contrapesos se cierran por el efecto de los
muelles exteriores alcanzando una nueva posición de equilibrio. Esto hace que la
cremallera se mueva en la dirección de aumento de la entrega para establecer
otra vez la posición de equilibrio anterior y la velocidad de rotación se restablece.
Reguladores de todo régimen
Los reguladores de velocidad de todo régimen tiene el mismo mecanismo
centrífugo de regulación, pero en este caso cuando se aprieta el acelerador se
comprime un muelle que a su vez tiende a mantener juntos los contrapesos, el
crecimiento de la velocidad de rotación hace que los contrapesos venzan el muelle
y recorten la entrega de combustible para establecer una cierta velocidad, que
será mayor o menor dependiendo de la tensión del resorte y por tanto de la
profundidad del acelerador.
Este tipo de regulador se utiliza mucho en máquinas estacionarias y maquinaria
agrícola, donde el mantenimiento de la velocidad de rotación con independencia
de la carga es necesario. (fig. 59).
97
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Fig.59esquema de una bomba real seccionada
La figura de arriba (figura 59) muestra un esquema de una bomba real
seccionada, en ella pueden verse las partes constituyentes, observe la posición y
componentes del regulador de velocidad, en este caso uno de todo régimen.
DEPÓSITO DE COMBUSTIBLE
Es un recipiente de chapa o de plástico. Tiene un tubo que se comunica con el
exterior para el llenado del mismo, lleva un tapón de cierre para evitar que el gasoíl se derrame. Este tapón tiene una salida al exterior para facilitar la salida del
aire y así no crear un vacío interno.
El depósito lleva un tubo pequeño cogido por un taladro por donde sale el
combustible y que se conecta en la bomba de combustible. En su interior lleva un
filtro de combustible para separar los pequeños residuos o impurezas que pueda
tener el líquido y también lleva un indicador de combustible que actúa dentro del
depósito como si fuera la bolla de una cisterna.
98
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
FILTRADO DE COMBUSTIBLE
Uno de los capítulos más exigentes para el perfecto funcionamiento del motor
Diesel lo representa el filtrado del combustible. Si tenemos en cuenta que las
tolerancias entre los elementos móviles en las bombas de inyección y los propios
inyectores llegan a ser del orden de 3 milésimas de milímetro y que sus superficies
lisas deben asegurar la estanqueidad, comprenderemos que las menores
partículas pueden provocar depósitos, erosiones y en definitiva deterioraciones
capaces de perjudicar sensiblemente al equipo de inyección y consecuentemente
al buen funcionamiento del motor.
Pero no solamente las partículas sólidas perturban al sistema. El agua, como ya
se ha apuntado anteriormente, además de provocar oxidación de los elementos de
inyección, en invierno puede congelarse y consecuentemente provocar la
obstrucción de los conductos de alimentación en paradas prolongadas del motor.
Y no solo eso, en cantidades suficientes, puede combinarse con el azufre
contenido en el combustible y producir así ácidos corrosivos posteriores a la
combustión. Otro elemento que hay que retirar del combustible, como ya hemos
tratado de hacer comprender anteriormente, es el aire y los vapores de
combustible. Aunque este elemento no sea propiamente sujeto del filtrado, sí que
es eliminado durante esta fase del proceso de alimentación porque como ya se
adivina al ser un elemento compresible, puede perturbar e incluso paralizar la fase
de inyección por la formación de bolsas de aire que al ser comprimidas y
expandidas alternativamente no llegarían a salir del sistema impidiendo asimismo
la salida de combustible.
Así pues, ya que el gas-oíl es un combustible pesado y viscoso, puede mantener
en suspensión gran cantidad de partículas sólidas en suspensión si no ha tenido
un largo periodo de sedimentación. Para eliminarlas con la mayor efectividad
posible cabe pues establecer todo un proceso de filtrado que empieza en el
depósito de combustible desde el momento del llenado.
Encontramos pues dos tipos de elementos filtrantes: los pre-filtros y los filtros.
(fig.60).
Fig. 60Pre filtros y filtros diversos.
99
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Los primeros pueden hallarse ya en el tubo de aspiración del combustible, y a la
entrada de la bomba de alimentación. Los segundos, los filtros, los encontramos
entre la bomba de alimentación y la bomba de inyección.
Las características principales que deben reunir los filtros son:
 Larga vida útil antes de ser repuestos o limpiados.
 Deben retener el agua y las partículas del orden de una micra.
 Han de ser capaces de realizar su cometido a una baja presión.
 Con el menor volumen posible, deben presentar una gran superficie de
filtrado.
Existen tres tipos principales de filtros. En la (fig.61) podemos ver los de cartucho
recambiable y el resto:
1. Filtros simples de papel o cartón.
2. Filtros de tamiz metálico.
3. Filtrado en tándem o por etapas.
Fig. 61tipos de filtros de combustible
100
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
2.5 SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN
El conjunto de piezas que forman la "distribución" se encargan de mover las
válvulas de forma sincronizada con el cigüeñal para que abran y cierren cuando
deben. En los motores sin distribución variable este sincronismo es fijo, o sea, que
las válvulas siempre abren y cierran en el mismo instante con respecto a la
posición del pistón, siempre que el pistón llega a una determinada posición la
válvula abre, siempre que pasa por otra la válvula cierra, da igual que r.p.m. lleve
el motor, siempre se produce en el mismo momento.(fig.62).
Fig. 62ejemplo de engranajes de sistema de distribución
ELEMENTOS DE DISTRIBUCIÓN
La transmisión del movimiento entre el cigüeñal y el árbol de levas puede
realizarse de tres formas distintas:
 POR RUEDA DENTADA: Consiste en comunicar el movimiento a través de
unos piñones o ruedas dentadas. En principio se acopla una rueda dentada
al cigüeñal y otra al árbol de levas las cuales engranan entre sí
transmitiendo el movimiento. En caso de existir una distancia considerable
entre ambas se intercala otra rueda dentada entre medias. Este sistema se
encuentra en desuso debido al elevado ruido que produce y al gran peso de
los piñones que disminuyen la eficacia del motor.
 POR CADENA: Consiste en realizar la transmisión del movimiento a través
de una cadena que engrana en dos piñones situados en el cigüeñal y en el
árbol de levas. Este sistema, más empleado que el anterior, también ha
quedado prácticamente en desuso, ya que es muy ruidoso. Aunque plantea
la ventaja de no necesitar mantenimiento.
101
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
 POR CORREA DENTADA: Es el sistema más empleado en la actualidad
ya que evita los inconvenientes de los otros sistemas, reduciendo
considerablemente el ruido y el excesivo peso. Consta de una correa
dentada la cual se encarga de transmitir el movimiento. Construida a base
de caucho y poliamida con un entramado metálico en su interior. Plantea el
inconveniente que hay que sustituirla a un determinado número de
kilómetros. Por lo tanto el riesgo de rotura es mayor que en los dos casos
anteriores.
2.6 SISTEMA DE ADMISIÓN
Todos los motores de combustión interna requieren para funcionar un sistema de
admisión de aire.
ADMISIÓN DE AIRE
 Múltiple de admisión
 Unidades de filtración.
El múltiple de admisión es el encargado de conducir la mezcla aire- combustible
hacia
los cilindros del motor en motores a bencina y aire puro en los motores Diesel.
El filtro de aire es el encargado de filtrar el aire ambiental de manera que llegue
limpio al motor, libre de contaminantes particulados (polvo) en suspensión.
Se utilizan dos tipos de filtro de aire:
1. Filtro en Paño de aceite.
2. Filtro seco.
SISTEMA DE ADMISIÓN
El sistema de admisión consiste de una caja de filtros (si se utiliza), elemento
filtrante, tubería y conexiones al múltiple de admisión o turbo cargador. Un sistema
de filtrado efectivo provee al motor aire limpio con una restricción mínima,
separando del aire los materiales finos como el polvo, arenas, etc. También debe
permitir la operación del motor por un período de tiempo razonable antes de
requerir servicio. Un sistema de filtrado ineficiente afectará de manera adversa el
desempeño, las emisiones y la vida útil del motor.(fig.63).
102
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Fig.63 Partes de un sistema de admisión
FILTRO DE AIRE
Las cajas de filtros de aire de tipo seco son recomendados para los motores
debido a su tamaño, eficiencia y largos intervalos de mantenimiento. Filtran el aire
a través de un elemento filtrante reemplazable construido con un material de alta
calidad.
Las cajas de filtros son dimensionadas de acuerdo a los requerimientos de flujo
de aire y periodos de mantenimiento deseados. El flujo de aire a máxima potencia
y velocidad nominal para cada modelo de motor se verifica en las Curvas de
Desempeño del motor. Para que el motor tenga una vida útil satisfactoria, el
elemento filtrante debe tener una efectividad del 99.9 % al remover las partículas
de suciedad del aire. Filtros del tipo húmedo tienen una efectividad del 95% y no
son recomendados. Para motores que se encuentran a la intemperie y/o en
ambientes sucios, se recomienda utilizar cajas de filtros de dos pasos con prelimpiadores y elementos de seguridad.
Cajas de filtros con un solo elemento, sin elementos de seguridad o prelimpiadores pueden usarse en motores instalados en un cuarto o en ambientes
relativamente libres de polvo, como los motores marinos y algunas plantas de
generación. Todas las cajas de filtros usadas fuera de un cuarto deben estar
equipadas con mallas de protección para prevenir la entrada de roedores o
insectos que pudieran dañar el papel de los filtros.
TUBERÍA Y ABRAZADERAS DE ADMISIÓN
La tubería de admisión debe ser tan corta como sea posible y tener la menor
cantidad de restricciones para el flujo de aire. Codos muy pronunciados, tuberías
de diámetro pequeño o tuberías muy largas deben ser evitadas.
La caída de presión en la tubería más la restricción del filtro de aire no debe
exceder el máximo permitido de restricción de aire. El diámetro de la tubería nunca
103
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
debe de ser menor al diámetro de la entrada en el múltiple de admisión.
Conexiones defectuosas pueden introducir humedad y aire sin filtrar al motor, lo
que reducirá la vida útil del motor.
La tubería utilizada desde el filtro hasta la entrada al turbo es de un material
anticorrosivo y resistente a altas temperaturas [120 °C (248 °F). Se deben utilizar
abrazaderas de uso pesado, y el grosor de las paredes de la tubería utilizada debe
ser suficientemente resistente para evitar que se deforme al apretar la abrazadera.
PRE-LIMPIADORES
Un pre-limpiador incrementa la capacidad de tolerancia a ambientes adversos de
un sistema de admisión mediante la remoción de un alto porcentaje del polvo
antes de que éste entre al elemento filtrante. Un diseño común de pre-limpiador
utiliza unas aletas o algún otro sistema para separar el polvo por centrifugación del
aire de admisión antes de llegar al filtro primario. El polvo y contaminación
recolectado por el pre-limpiador generalmente es expulsado de manera manual.
Algunos diseños de pre-limpiadores, más caros, expelen automáticamente el
contaminante a través de un tubo aspirador conectado al sistema de escape.
FILTROS DE SEGURIDAD
Las cajas de filtros con dos elementos, que contienen un filtro de seguridad (filtro
secundario) dentro del filtro principal (filtro primario), son recomendadas para la
mayoría de las aplicaciones. (fig.64).
Fig. 64 Cajas de filtros de seguridad
104
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Fig.65 Operación de limpieza del aire
La pre-limpieza del aire se logra dirigiendo el aire de admisión a través de un tubo
de entrada forzándolo a que tenga un movimiento centrífugo a alta velocidad
mediante unas aletas anguladas. Algunos filtros crean el movimiento centrífugo
poniendo el tubo de entrada descentrado. Conforme el aire circula alrededor del
filtro, el 80 ó 90% del polvo es acarreado a través de una ranura en el deflector
hasta la caja de polvos. En ese punto el polvo es removido a través de una
válvula.
LOCALIZACIÓN DE LA ENTRADA DE AIRE
La localización de la entrada de aire debe de prevenir la entrada de polvo, agua,
aire caliente o gases de escape.
Es extremadamente importante evitar la entrada de aire a temperaturas muy altas
para prevenir: a) que el motor no cumpla con las normas de emisiones, b) la
reducción de la potencia, respuesta y confiabilidad.
Entre las áreas a considerar como fuentes de calor podemos mencionar: la salida
del aire caliente del radiador, múltiples de escape, turbo cargadores y tubería de
escape. Cuando se utilizan ventiladores de succión o motores encerrados en un
cuarto o en una cabina, generalmente se requiere que el aire para admisión sea
obtenido de afuera del compartimiento.
Se recomienda utilizar tapas contra la lluvia o algún otro tipo de protección en el
suministro de aire para prevenir la entrada de agua. La recirculación de gases de
escape tapará muy rápido los filtros de aire.
Los gases de escape también desplazan el oxígeno del aire de admisión, dando
como resultado una combustión pobre y una reducción de potencia. Los gases
provenientes del tubo de ventilación del motor también tapan los filtros de aire por
lo que deben ser dirigidos lejos del aire de admisión.
105
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
TUBERÍA Y ABRAZADERAS DE ADMISIÓN
La tubería de admisión debe ser tan corta como sea posible y tener la menor
cantidad de restricciones para el flujo de aire. Codos muy pronunciados, tuberías
de diámetro pequeño o tuberías muy largas deben ser evitadas. La caída de
presión en la tubería más la restricción del filtro de aire no debe exceder el
máximo permitido de restricción de aire (Verificarlo en las Curvas de Desempeño
para cada modelo). El diámetro de la tubería nunca debe de ser menor al diámetro
de la entrada en el múltiple de admisión. Conexiones defectuosas pueden
introducir humedad y aire sin filtrar al motor, lo que reducirá la vida útil del motor.
La tubería utilizada desde el filtro hasta la entrada al turbo es de un material
anticorrosivo y resistente a altas temperaturas [120 °C (248 °F). Se deben utilizar
abrazaderas de uso pesado, y el grosor de las paredes de la tubería utilizada debe
ser suficientemente resistente para evitar que se deforme al apretar la abrazadera.
2.7 SISTEMA DE ESCAPE
En los motores de combustión interna es necesario eliminar los gases quemados
por la combustión por eso es necesario el sistema de escape.
EVACUACIÓN DE GASES QUEMADOS.
 Múltiple de escape.
 Tuberías.
 Silenciador.
La función del múltiple de escape es recoger los gases quemados de cada
cilindro. El material con el cual se le construye es fierro fundido.(fig.55).
El silenciador cumple la función de reducir y amortiguar el ruido de las explosiones
que se emiten a la salida de la válvula de escape. (fig.56).
Fig. 66 múltiple de escape
106
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Fig. 67 esquema de sistema de escape
TURBOCOMPRESOR
El turbo compresor es un dispositivo mecánico constituido básicamente por una
turbina y un compresor, funciona con los gases de escape y sirve para insuflar aire
a presión hacia los cilindros para aumentar así el rendimiento volumétrico de los
mismos.(fig.57).
Fig. 68turbocompresor
107
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
SISTEMA DE ESCAPE
Este sistema conduce gases del motor al exterior. Es importante porque ayuda a
la expulsión de los gases del motor, a mejorar la combustión y la potencia final
obtenida.
La función de los motores de combustión interna es la de ayudar a los gases
producidos en la combustión a escapar del motor hacia el exterior mejorar la
combustión y reducir en algunos casos las emisiones de gases nocivos.
Consta de un múltiple de escape, conductos, catalizador, silenciador y en algunas
instalaciones, de censores auxiliares.(fig.69).
El sistema de escape de emisiones en realidad comienza en la parte delantera del
carro, justo detrás del motor. Los tubos múltiples de escape se conectan a las
cabezas de los cilindros, donde recogen los gases de escape. A medida que los
gases se mueven a través del sistema de escape, primero los analizan los
sensores de oxígeno, luego los refina el convertidor catalítico y finalmente el mofle
amortigua el ruido. Así que, cuando los gases salen del vehículo, tu sistema de
emisiones ha hecho que el carro corra más suave, limpia y calladamente.
Fig. 69ejemplo de un sistema de escape de un motor TSI
108
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
2.8 SISTEMA DE ARRANQUE
PARTE ELÉCTRICA DE MOTORES DIESEL
Para completar el estudio del motor Diesel en su aplicación a los automóviles no
quedan por considerar todavía aquellas modificaciones en su circuito eléctrico que
lo diferencian de la ya hoy complicada instalación eléctrica de un automóvil de
gasolina.
Por lo pronto sabemos que el motor Diesel carece de sistema eléctrico de
encendido de modo que por aquí puede simplificarse la instalación. Pero, por otra
parte, el motor Diesel es más difícil de poner en funcionamiento, sobre todo
cuando está frío; además, la mayor relación de compresión a que somete al aire
aspirado requiere un esfuerzo mucho más grande por parte del motor de arranque.
Estos inconvenientes los han resuelto los ingenieros acudiendo a la energía
eléctrica y así han aplicado a la cámara de pre-combustión unas resistencias
eléctricas que proporcionan una gran cantidad de calor para calentar las cámaras
antes del primer intento de puesta en marcha. Todo ello hace que se precie de
una batería de acumuladores de mayor capacidad y de un motor de arranque más
potente y, para el buen equilibrio de la instalación, de un alternador también capaz
de una mayor producción de energía eléctrica.
Dadas estas condiciones, la parte eléctrica de los motores Diesel sufre algunas
modificaciones de cierta importancia en el circuito general, y resulta muy
conveniente para un mecánico electricista, acostumbrado a la instalación de los
motores de gasolina, conocer las diferencias entre estos circuitos. Este es el
objetivo de este breve capítulo.
De lo dicho se deduce que no vamos a entrar en detalles de todos aquellos
elementos que son comunes a los automóviles equipados con motores de
explosión y los equipados con motor Diesel, tales como los sistemas de
iluminación, señalización, control, limpiaparabrisas, etcétera, sino que vamos a
ceñirnos exclusivamente a aquellos lugares en los que hemos de encontrar
algunas diferencias.
109
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
ALTERNADOR
El alternador no funciona solamente para suministrar energía eléctrica a varios
dispositivos durante el manejo, sino también para mantener la batería cargada
para que éste pueda suministrar energía El alternador tiene una bobina rotora
(electro magneto rotor) que es conectado directamente a la polea, que es girada
vía una correa en V por el motor. (fig. 70).
El alternador tiene también una bobina rotora que genera energía de corriente
alterna. Esta corriente alterna es convertida a corriente DC por un rectificador.
Fig.70 Ejemplo de alternador
REGULADOR
El regulador funciona para ajustar el voltaje generado por el alternador a un voltaje
constante (aproximadamente 14-15V). El regulador puede tener cualquier tipo de
contacto regulador, el cual mantenga un voltaje constante por abertura y cierre de
puntos, o un regulador IC, que controla la corriente usando un circuito integrado.
(fig. 71).
Fig.71regulador de voltaje multifuncional
110
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
ARRANCADOR
Puesto que un motor es incapaz de arrancar sólo por el mismo, su cigüeñal debe
ser girado por una fuerza externa a fin de que la mezcla aire-combustible sea
tomada, para dar lugar a la compresión y para que el inicio de la combustión
ocurra. EI arrancador montado en el bloque de cilindros empuja contra un
engranaje motriz cuando el interruptor de encendido es girado, una cremallera
engancha con el volante y el cigüeñal es girado.(fig. 72).
Fig. 72arrancador
Fig. 73arrancador por partes
111
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
BATERÍA
La batería funciona para suministrar electricidad al equipo de arranque del motor,
al equipo de encendido y luces, así como también a otros dispositivos eléctricos
que son usados en el vehículo. Además, ésta es recargada con electricidad
generada por el alternador. La batería es un contenedor (depósito de batería) que
está dividido interiormente en varios segmentos. Este contenedor contiene fluido
electrolítico y placas. Estos segmentos divididos internamente son unidos por
conectores en serie, para que juntos ocurra la descarga y recarga a través de una
reacción química entre el fluido electrolítico y las placas.(fig.74)
Fig.74. Batería
DIFICULTADES EN EL ARRANQUE
Como ya se ha podido ver por todas las explicaciones que sobre el motor Diesel
hemos dado en páginas anteriores, la propia concepción del ciclo de este tipo de
motor lo hace difícil de arrancar, sobre todo cuando el motor esta frío y mucho
más si a ello se añade el hecho de que la temperatura del aire también sea muy
baja.
La razón es muy simple; Tratándose de un motor que produce el encendido de la
mezcla del gasóleo con el aire en virtud de la temperatura que se alcanza al final
de la compresión del mismo, es lógico pensar que se necesite una temperatura
mínima por debajo de la cual el autoencendido de la mezcla ya no pueda
112
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
realizarse.
Si bien el aire sometido a una determinada y alta compresión siempre alcanza la
misma temperatura de que se parte de modo que si el motor aspira el aire a 20 ºC
la temperatura final de compresión será mayor que si lo aspira a 20 ºC bajo cero.
Pero además ocurre que las paredes del cilindro están muy frías y el desnivel
térmico que se produce es tan considerable que el calor adquirido por el aire es
robado de inmediato por las partes frías que lo rodean de modo que, en estas
circunstancias, al final de la compresión el aire comprimido puede llenar la cámara
a una temperatura excesivamente baja e insuficiente para que el arranque se
pueda producir.
Pero a ello hay que añadir todavía más factores. Por ejemplo, el gasóleo está
también muy frío, resulta demasiado espeso y no se pulveriza tan fácilmente; el
aceite de engrase del motor también está espeso y dificulta el giro de las partes
móviles del motor; la batería, al tener frío el electrolito, no puede desarrollar toda
su potencia y se agota momentáneamente con gran facilidad, etcétera.
Todas estas condiciones adversas para el motor Diesel han sido solucionadas a
base de unas resistencias calefactores que al calentar la cámara de combustión, o
bien el aire de admisión, consiguen que las pérdidas de calor del aire comprimido
sean lo suficientemente pequeñas para que la temperatura de autoencendido del
gasóleo se mantenga y el arranque sea posible. Por supuesto, después que el
motor ya ha conseguido arrancar el calor que genera la combustión se va
acumulando y se consigue con ello que el conjunto se vaya calentando de modo
que la temperatura de autoencendido se va incrementando poco a poco hasta el
momento en que el motor ya está en condiciones conveniente para arrastrar al
vehículo al que propulsa.
En los motores de inyección indirecta la puesta en marcha es todavía más difícil
que en los motores de inyección directa, de ahí la absoluta necesidad del empleo
de las bujías de precalentamiento que hemos visto en todos los ejemplos que
hemos puesto a lo largo de este libro formando parte de las cámaras de
turbulencia, Veamos a continuación qué son y cómo funcionan estos elementos.
113
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
BUJÍAS DE PRECALENTAMIENTO
Fig. 75Tipo de bujías de incandescencia o precalentamiento
Las bujías de precalentamiento, también conocidas también con el nombre de
bujías de incandescencia, son en realidad unos calefactores que desarrollan gran
cantidad de calor al ponerse incandescentes sus filamentos por el paso de una
corriente eléctrica a través de ellos. En la (figura 64) tenemos tres tipos diferentes
de bujías de este tipo.
En la (figura 65) podemos ver la sencilla constitución interna de una bujía de
precalentamiento. Está constituida por una espiral de hilo de alta resistividad
eléctrica, de un diámetro que oscila entre 2 a 3 mm. Este cuerpo tubular se fija al
bloque del cilindro por medio de una tuerca hexagonal (A) que lleva el roscado
exteriormente.
El aislamiento entre el cuerpo tubular y el bloque del cilindro está asegurado por
medio de un aislante. Cuando la corriente eléctrica atraviesa el filamento lo pone
incandescente por el mismo principio utilizado en las estufas eléctricas de
incandescencia, de modo que se irradia una gran cantidad de calor que puede ser
del orden de los 800 ºC. Si en cada de las pre cámaras de combustión se dejan
conectas estas bujías durante 30 a 60 segundos antes de intentar la puesta en
marcha del motor se consigue que las pre cámaras se alienten a una buena
temperatura que luego se trasladará al aire comprimido haciendo que éste
proporcione una buena temperatura de autoencendido para el combustible. Esta
es la misión de estas bujías.(fig. 76).
114
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Fig.76Constitución interna de una bujía de precalentamiento de filamento incandescente. A,
tuerca hexagonal.
Una vez que el motor ya caliente las bujías se desconectan y el motor se pone en
marcha y funciona ya con su propia temperatura.
En la (figura 66) puede ver el lector la disposición que unas de estas bujías adopta
en una cámara de turbulencia de tipo Ricardo. (fig. 77).
Fig. 77 situaciones que ocupa, una bujía de precalentamiento en una cámara de turbulencia.
1, bujía, 2, inyector.
115
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
DIFERENTES CLASES DE BUJÍAS
Existen dos tipos de bujías de precalentamiento que son aplicadas según el
diseño del motor. Un tipo más antiguo es el denominado de filamento
incandescente que puede verse en la figura en una vista seccionada para mostrar
con detalle su constitución interna.
La característica fundamental de esta bujía está representada por el hecho de
que lleva su filamento al aire y por ello se mantiene permanentemente en
contacto con la combustión cuando la bujía ya está apagada, pero queda
perjudicada por los efectos corrosivos de la combustión durante todo el periodo de
funcionamiento del motor.
La corriente eléctrica entra a través de la conexión de la tuerca, atraviesa el
electrodo central, se pone incandescente en el filamento de alta resistividad y
retorna por el electrodo de retorno hasta el anillo de contacto donde una conexión
la lleva a la próxima bujía. En su interior se hallan la junta de estanquidad de
efecto aislante y el cuerpo de acero con su rosca para aplicarse a la culata del
mismo modo que lo hacen las bujías de encendido en los motores de gasolina
corrientes.(fig.78).
Fig. 78 Posibles averías de las bujías de precalentamiento por rotura de su filamento
El elemento fundamental de esta bujía de precalentamiento lo forma sin duda el
trozo de conductor que forma el filamento incandescente, Se fabrica de tungsteno
y ha de ser en la mayor manera posible resistente a los productos corrosivos de la
combustión como se ha dicho, pero también a las vibraciones y a las altas
temperaturas. Por ello su colocación en la cámara ha de estar estudiada de modo
que no llegue a alcanzar directamente el dardo o chorro de gasóleo procedente
del inyector, pues ello acelera su corrosión y acaba por deteriorar el filamento.
Aunque estas bujías de precalentamiento trabajan muy poco (solamente en el
momento de los arranques en frío) están sometidas a todas las acciones de las
altas presiones que se establecen en la cámara por lo que su desgaste se produce
también de una manera paulatina.
116
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Cuando una de estas bujías no funciona lo más probable es que se haya partido el
filamento produciendo una interrupción en el paso de la corriente.
Tal es el caso presentado en la (figura79) en la que se pueden apreciar dos casos
ocasionados por dos diferentes causas: En A tenemos una situación de rotura del
filamento con desaparición de parte del mismo debido a un sobre exceso de
temperatura que puede haber estado causado por una inyección excesivamente
atrasada o adelantada con el caudal excesivo por parte de la bomba o un mal
tarado de los inyectores.
En B, el filamento sencillamente se ha partido produciendo la discontinuidad,
situación típica de un exceso de tensión ocasionado por cortocircuitos de las otras
bujías que se hallan conectadas en serie con ella, o bien por una conexión
defectuosa.
Fig.79Posibles averías de las bujías de precalentamiento por mala colocación de las mismas
También la mala colocación de la bujía de precalentamiento puede ser causa de
problemas. En la (fig.80) tenemos en A una mala colocación que ha dejado a la
bujía en contacto con las paredes de la cámara con las que hace contacto y queda
en cortocircuito.
En B nos encontramos también con una situación de cortocircuito pero esta vez
ocasionada por un exceso de carbonilla en la zona de asiento y sus proximidades
que pueden establecer contacto entre las paredes de la cámara y el filamento de
tungsteno.
Las bujías de este tipo descrito liberan mucho calor en el momento de su
117
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
aplicación y el hecho de que su filamento esté al descubierto facilita esta
circunstancia pero, por otra parte, produce todos los efectos que hemos dicho y
hace que sea una pieza demasiado delicada, pese a su robustez. Por ello se ha
acudido a fabricar bujías de precalentamiento de las llamadas de tipo lápiz o
resistencia envainada que, siguiendo la misma teoría, lo que hacen es proteger al
filamento de todos los agentes nocivos que pueden atacarlo por medio de una
cubierta protectora. Una bujía de este tipo la tenemos en la (figura81).
Comparando esta figura con lo que hemos visto podremos ver que la diferencia
es, fundamentalmente, que lo que respecta a la cubierta protectora (69) y en la
disposición del filamento que se halla sumergido en material cerámico
perfectamente aislado de los efectos corrosivos de la combustión.
Las bujías de tipo lápiz son las más utilizadas actualmente para los motores Diesel
de pre-cámara de turbulencia que equipan a los automóviles, ya que resultan muy
seguros y de largo periodo de funcionamiento incluso aunque el gasóleo de la
inyección incida sobre ellas. Aunque su poder calorífico resulte algo menor, la gran
ventaja de la protección de su filamento permite colocarlas en situación muy
favorable para el calentamiento del aire cuando en su turbulencia, se enfrenta al
chorro del inyector por lo que mejoran el rendimiento del calentamiento del aire.
Fig. 81Bujía de precalentamiento de tipo lápiz, de la marca beru mostrando su constitución
interior 1. Tuerca de conexión, 2. Electrodo central, 3. Cuerpo, 4. Rosca, 5. Junta, 6.
Filamento, 7. Cubierta protectora
118
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
3.0 LA TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
El propósito de la sobrealimentación es aumentar la masa de aire atrapado en los
cilindros del motor, mediante el aumento de la densidad del aire. Esto permite más
combustible para ser quemado, el aumento de la potencia de salida del motor,
para un determinado volumen de desplazamiento de los cilindros.
Así el poder de relaciones de peso y volumen del aumento del motor. Dado que
más combustible se quema para lograr el aumento de potencia, la eficiencia del
ciclo del motor se mantiene sin cambios.
Un compresor se usa para lograr el aumento de la densidad del aire. Dos métodos
de sobrealimentación se pueden distinguir por el método utilizado para accionar el
compresor. Si el compresor es accionado desde el cigüeñal del motor, el sistema
se denomina 'accionamiento mecánico de sobrealimentación' o con frecuencia
“sobrealimentación”. Si el compresor es accionado por una turbina, que a su vez
es accionado por los gases de escape de los cilindros, el sistema se denomina
“turbo alimentación”.
la potencia desarrollada por la turbina dicta el punto de funcionamiento del
compresor, ya que debe ser igual que la absorbida por el compresor.
Los componentes esenciales del “turbo cargador” son la turbina, compresor, eje
de conexión, cojinetes y carcasas. La ventaja del turbo cargador, a través de un
compresor de accionamiento mecánico, es que la potencia requerida para
accionar el compresor se extrae de energía de los gases de escape en lugar de el
del cigüeñal.
el turbo es más eficiente que la sobrealimentación mecánica. Sin embargo, la
turbina impone una restricción de flujo en el sistema de escape, y por lo tanto la
presión en el colector de escape será mayor que la presión atmosférica.
Si la energía suficiente puede ser extraído de los gases de escape, y se convierte
en trabajo del compresor, entonces el sistema puede ser diseñado de tal manera
que la presión de descarga del compresor excede que en la entrada de la turbina y
los procesos de escape no se ven afectados adversamente.
El proceso de compresión eleva la temperatura así como la presión. Dado que el
objetivo es aumentar la densidad del aire de entrada, enfriadores de aire de carga
(intercambiadores de calor) se utilizan a menudo para enfriar el aire entre el
compresor y la entrega de los cilindros, de modo que el aumento de presión se
consigue con el aumento máximo en la densidad.
La (figura82) muestra el ciclo de combustión dual ideal de un motor diesel en
forma de aspiración natural y turboalimentados. Dado que la presiones de entrada
y de escape están encima de la ambiente, y más combustible se quema en el
motor, la presión del cilindro durante todo el ciclo, y particularmente durante la
119
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
combustión, es sustancialmente más alta para el ciclo de turbo cargados. La
relación de compresión del motor debe reducirse para evitar un exceso de presión
máxima del cilindro está alcanzado.
FIGURA 82 Comparación de los ciclos de combustión doble estándar con aire
sobrealimentados y de aspiración natural que tiene la misma relación de compresión.
La (Figura 83) compara los ciclos de combustión duales ideales aspirados y turbo
cargados naturalmente, cuando la relación de compresión se ajusta para tener la
misma presión máxima del cilindro. Dado que la reducción de la relación de
compresión disminuye la eficiencia del ciclo, y puede hacer que el motor difícil
arrancar, hay un límite a cuán bajo una relación de compresión se puede utilizar
en la práctica. Los Turbocompresores incrementa la potencia al aumentar el
trabajo realizado por ciclo del motor. Por lo tanto aumenta la presión del freno
significa eficaces (BMEP).
FIGURA 83 Comparación de ciclo de aire estándar de doble combustión que tiene misma
presión máxima, pero diferente relación de compresión sobrealimentado y de aspiración
natural.
120
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
La (Figura 84) muestra las tendencias en b.m.e.p. para motores de cuatro tiempos
y dos tiempos, y las relaciones de presión del compresor utilizado. El aumento en
b.m.e.p. en la década de 1960 se produjo debido a la adopción generalizada de
turbocompresores en los motores de tracción ferroviaria, industria y marina.
121
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
3.1 TURBO ALIMENTACIÓN
TURBO CARGADORES PARA MOTORES DIESEL DE AUTOMÓVIL
Turbo cargadores de esta clase se utilizan para los motores diesel de automóviles
de pasajeros nominal de 45 Kw al alza a camiones y la construcción de vehículos
pesados especiales más grandes nominal de hasta 600 Kw. Los factores de
diseño más importantes son el costo, la confiabilidad y el rendimiento.
Para mantener bajo costo, el diseño debe ser simple, por lo tanto, un compresor
de flujo radial de una sola etapa, y una turbina de flujo radial están montados
sobre un eje común con un sistema de cojinete interior (Figura 74). Esta
disposición simplifica el diseño de entrada como el cuerpo de escape y reduce el
peso total del turbo cargador.
COMPRESOR
El impulsor del compresor es una aleación de aluminio (LM-16-WP o C-355T61)
fundición de precisión, con un troquel de fundición de aluminio por gravedad (LM27-M). El diseño del impulsor es un compromiso entre los requisitos
aerodinámicos, resistencia mecánica y capacidades de fundición. Para lograr una
alta eficiencia, y el bloqueo de caudal mínimo, muy delgada y se requieren fuertes
aspas del impulsor, el engrosamiento de la raíz (cubo del impulsor) por razones de
fatiga. (fig. 87).
122
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Es una práctica común el uso de cuchillas divisoras (Figura 88) que comienza
parte del camino a través del inductor, con el fin de mantener una buena guía de
flujo cerca de la punta rodete sin obstrucción del flujo excesivo en el ojo. Hasta
hace poco los álabes del impulsor han sido puramente radiales de manera que
cuchillas no fueron sometidos a esfuerzo de flexión. sin embargo diseños más
recientes incorporan cuchillas backswept en la punta rodete ya que se ha
demostrado que proporciona un mejor control de flujo y reduce la distorsión de
flujo transmitido a través del rodete de difusor.
Relaciones de presión de punto de diseño típicos están en el rango de 2 a 2,5:1, lo
que requiere velocidades en el extremo rodete de 300 a 350 m / s, por lo tanto, las
pequeñas unidades de típicamente 0,08 m de diámetro de la punta giran a 72 000
a 83 000 Rev. / min. Con el fin de igualar las amplias diferencias en los requisitos
de flujo de aire de un motor a otro, una serie de impulsores de compresores está
disponible para ajustarse al mismo turbocompresor.
Estos se producen a partir de una o dos piezas de fundición del impulsor, pero con
diferentes anchuras y diámetros de punta de los ojos generados por mecanizado
como se muestra en la (Figura 2.6), y emparejado con alojamientos de compresor
apropiadas. Por lo general, están disponibles 'ajustes' hasta diez o más
alternativas pero ya que el diámetro de la punta rodete es sin cambios y el
diámetro del cubo en el ojo del impulsor está fijado por el diámetro del eje, las
variaciones de paso de flujo alteran la eficiencia, así como características de flujo
del rodete.
123
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
El compresor puede ser un ajuste por interferencia suelta o ligera en el eje,
sujetado por la tuerca del extremo del compresor. Los impulsores de la mayoría de
los turbocompresores son equilibrados antes de su montaje en el eje, por lo que
los componentes se pueden intercambiar sin reequilibrio.
TURBINA
Turbinas de flujo de entrada radiales se utilizan universalmente, por lo general
fricción o por haz de electrones soldada al eje. La rueda de la turbina debe
sostener la velocidad de rotación del compresor y operar a temperaturas de gas
de hasta 900 K. Las turbinas son inversión en aceros resistentes a la fluencia de
alta temperatura, tales como Inconel C 713. Sus propiedades exceden los
requisitos, pero es un material fácilmente disponible, a partir de la industria de
turbinas de gas.
La carcasa de la turbina debe reposar a la misma temperatura elevada del gas
como el impulsor, pero no está sujeto a la tensión de rotación. Sin embargo, debe
ser lo suficientemente fuerte para sostener una ráfaga del rotor. La arena o
carcasa fundido nodular (nodular de grafito esferoidal) se utiliza en la mayoría de
las aplicaciones, y está libre de escala a temperaturas de hasta 900 K. Ni-resist se
utiliza para temperaturas más altas, pero es más caro y propenso a agrietarse.
Estatores sin paletas se utilizan a excepción de muy pocas aplicaciones de alta
relación de presión. Estos son más baratos, y permiten que el ángulo de gases en
la salida del estator para variar en cierta medida con el flujo de masa, dando de
alta eficiencia sobre una gama muy amplia de flujo. En las raras ocasiones en las
boquillas del estator se incorporan en las turbinas de turbo cargador de este
tamaño, un anillo de boquilla se convierte en Ni-resist o las paletas de la tobera
están fabricadas a partir de aleaciones de níquel-cromo. Esto, y el área A controla
el ángulo de flujo en la entrada del rotor.
124
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
El flujo de gas a través de una turbina es predominantemente acelerando,
mientras que en un compresor se difunde el gas. Fluido de control de flujo
dinámico es mucho más fácil de lograr en un flujo acelerado, por lo tanto, el diseño
de la turbina es menos crítico que el diseño del compresor. La turbina es más
tolerante de la variación de flujo de masa, por lo tanto, un solo rotor puede ser
utilizado con un número de diferentes carcasas sin paletas de la zona. Sólo se
necesitan unas pocas variaciones de equipamiento de turbina de rotor para cubrir
las necesidades de una amplia gama de tamaños de motor.
Las entradas dobles se utilizan para separar los impulsos de gas de escape
procedentes de los cilindros cuyas válvulas de escape están abiertas al mismo
tiempo. Esto por ejemplo, el colector de escape de un motor de seis cilindros típica
tendrá dos tubos, cada uno conectar tres cilindros a una turbina de doble entrada.
Envolturas individuales de entrada se utilizan en los motores de automóviles de
pasajeros con el fin de que una válvula de descarga única se puede usar para
evitar algo de gas alrededor de la turbina a altas velocidades del motor.
COJINETES Y CENTRO DE LA CARCASA
Por bajo costo, simplicidad y facilidad de mantenimiento, el sistema de rodamiento
debe ser diseñado para utilizar el aceite de lubricación del motor.
Todos los turbocompresores automotrices utilizan cojinetes simples, ya que los
rodamientos de bolas son más caros, tienen una vida corta a muy altas
velocidades y son difíciles de reemplazar. La ubicación dentro del casco (entre el
compresor y turbina) del cojinete impone una corta distancia entre los rodamientos
que, combinadas con las cargas radiales muy ligeros, de un peso pesados
radiales en un extremo solamente (la turbina), conduce a un comportamiento del
cojinete complejo. Además la velocidad de rotación muy alta dicta que el rotor gira
a través de ambas la primera y la segunda frecuencias de vibración críticos del
conjunto giratorio. Por lo tanto el diseño del cojinete se refiere principalmente a la
estabilidad del sistema.
La película de aceite exterior imparte un grado adicional de amortiguación en el
sistema de cojinete, pero tanto el eje de la manga a los espacios libres de cubierta
son grandes para una mejor estabilidad. Espacios libres típicos son 0,02 a 0,05
mm entre el eje y el manguito y 0,07 a 0,1 mm entre el manguito y la carcasa.
Estas grandes distancias hacen que la filtración de aceite a alrededor sólo se
necesita 20 micrómetros fáciles de cumplir por los filtros de aceite del motor de
flujo total de papel. Se requiere un caudal de aceite grande, debido a las grandes
distancias y la necesidad de enfriar el cojinete del extremo de la turbina. Material
del cojinete es típicamente bronce al plomo con estaño intermitente añadido.
Los manguitos de cojinete se ejecutan directamente en un taladro en el grado de
fundición de hierro gris de alto centro del turbocompresor. Esta fundición también
actúa como un drenaje de aceite y mantiene las carcasas de compresor y de la
turbina. Para obtener un buen drenaje de aceite del cárter debe instalarse con la
125
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
entrada y desagüe en la parte superior e inferior de aceite, en la posición vertical,
con la horizontal del eje del rotor.
Los sellos de anillo de pistón que se muestran en la (Figura 77) son típicos, los
anillos siendo un ajuste a presión en la carcasa. Ellos actúan como una junta de
laberinto debido al pequeño espacio libre entre el anillo estacionario y los lados y
la base de la ranura en el eje del rotor.
En la práctica, se filtran a menos que se tenga cuidado de mantener la mayor
cantidad posible de aceite lejos de ellos. Deflectores rotativos están diseñados en
el eje por esta razón y un escudo de aceite está equipado con frecuencia en el
compresor desde una depresión puede ser generada en el compresor cuando el
motor está al ralentí.
Los alojamientos de compresor y de la turbina pueden ser por lo general gira de
manera que la entrega del compresor y entrada de la turbina pueden estar
situados en posiciones convenientes. Los tornillos de fijación o de acero inoxidable
V-abrazaderas se utilizan para mantener los componentes juntos. (fig. 90)
126
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
TURBOCOMPRESORES
PEQUEÑOS
DE
MOTORES
MARINOS
E
INDUSTRIALES
Los turbocompresores son diseñados para pequeños motores industriales y
marinos, aunque mayores que los de motores de camiones grandes, son similares
en concepto a los turbo cargadores de la industria automotriz descrito
anteriormente. Compresor de flujo radial y las turbinas se utilizan, con una
disposición de cojinete interior. Aparte del tamaño más grande, que están
obligados a tener una mayor durabilidad y una mayor eficiencia. Por lo tanto los
diseños son por lo general más complejos y costosos.
Motores diseñados para estas aplicaciones funcionan en un rango menor
velocidad que los motores de camiones, y en mayor BMEP, por lo tanto, mayor
relación de compresión. De ello se desprende que el rango de flujo requerido por
el compresor es menor, por lo tanto, se utilizan difusores de paletas. También se
utilizan boquillas de estator de turbina con álabes. Esto se traduce en un mayor
punto de diseño del compresor y rendimiento de la turbina. Una gama de ángulos
de tobera y difusor de turbina de ángulos de pala del estator están disponibles
para hacer coincidir un turbocompresor de base a un motor en particular.
Cubiertas de la turbina son volutas simples diseñadas para entregar el flujo de
manera uniforme alrededor de la circunferencia del anillo de tobera de estator,
este último generando el ángulo de diseño de flujo de gas en la entrada del rotor.
Las carcasas de turbina se suministran en forma refrigerada o no refrigerado por
agua. Aunque el enfriamiento es termodinámicamente no deseable, a veces se
127
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
requiere por razones de seguridad debido al peligro potencial de las superficies
calientes expuestas en las salas de máquinas pequeñas.
Los cojinetes son de diseño similar a los de las unidades de automóviles, excepto
que los espacios libres, con relación al tamaño de turbocompresor, son más
pequeños. A veces se purga aire de refrigeración desde el compresor hasta la
parte trasera del cubo de la turbina y la superficie de apoyo. Esto también ayuda a
prevenir fugas de gas de escape en la parte posterior de la rotor de la turbina y a
los rodamientos.
Estas técnicas ayudan a mantener el cojinete del extremo caliente fresco, evitando
graves depósitos de oxidación del aceite. Al igual que las unidades más pequeñas
descritas anteriormente, el sistema de aceite lubricante del motor también se
utiliza para el turbocompresor. Desde separaciones de los rodamientos son más
pequeños, los movimientos del rotor son pequeños y los sellos de laberinto de
aceite convencionales se pueden usar en el compresor y la turbina extremos del
eje del rotor. Los turbocompresores de este tipo se hacen en cantidades
relativamente pequeñas, por la producción por lotes, por lo tanto, su costo es alto
en relación a las unidades de automóviles.
MOTORES TURBO CARGADOS DE INDUSTRIAS GRANDES Y MARINAS
Estos turbocompresores se caracterizan por tener flujo axial, de una sola etapa,
turbinas y están instalados en la mayoría de los grandes motores industriales y
marinos, tanto de cuatro y dos tiempos. Los ciclos de trabajo de estos motores son
más arduos que los motores de automóviles y tienden a gastar mucho más de su
tiempo de funcionamiento con carga elevada.
Además, las consecuencias del fracaso son más graves, sobre todo en un motor
marino. Como resultado, aunque se hace todo lo posible para mantener a los
diseños simples, los objetivos principales son un alto nivel de fiabilidad, alto
rendimiento y versatilidad para cubrir una gran variedad de tipos y tamaños de
motores a un costo razonable. Sin embargo, las variaciones de diseño de un
fabricante a otro son mayores que es el caso con turbocompresores más
pequeños.
El inductor normalmente se mecaniza a partir de una pieza de fundición de acero o
de una aleación de aluminio forjado, y está estriado al eje. El impulsor está
mecanizado a partir de aluminio forjado a excepción de requisitos de relación de
presión muy alta cuando el titanio se utiliza debido a sus propiedades superiores
de alta temperatura.
El disco de la turbina se mecaniza ya sea como una parte integral del eje o se
contrae en el eje. Las palas del rotor pueden colarse, forjado como mecanizados a
partir de un acero resistentes a la fluencia de alta temperatura, tales como
amoniaco 8OA o 90. Raíces de Uniones soldadas o "abeto" se utilizan para fijarlos
en el disco, este último diseño es más común en las unidades de alta presión, ya
128
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
que proporcionan un grado de amortiguación de las vibraciones y permitir una
selección más amplia de materiales de la hoja y de disco para ser considerado.
Amortiguación de vibración adicionales pueden ser proporcionados por las
cuchillas de alambre entrelazado. El fabricante del turbocompresor ofrecerá una
serie de "ajustes" o la capacidad de flujo con cada diseño básico del
turbocompresor variando la hoja (estator y rotor) de altura y el ángulo de la cuchilla
del estator.( fig.92).
Una desventaja de la turbina de flujo axial es que complica el diseño de la entrada
y la salida de gas. La sección de entrada de gas es particularmente importante por
lo tanto, esta se encuentra normalmente en el extremo, lo que permite generosa
curvatura en los conductos de entrada a los álabes del estator para la distorsión y
la pérdida de flujo mínima. El conducto de salida de la turbina actúa meramente
como un colector, por lo tanto, un diseño compacto se puede utilizar, minimizando
la longitud turbocompresor.
. La mayoría de los turbocompresores más grandes de esta clase tienen
rodamientos exteriores laminados de elementos (es decir, fuera del compresor y
de la turbina, la (Figura 79), con su propio suministro de aceite y sus armazones
resistentes para prevenir la formación de estrías. Las ventajas de esto son el eje
de montaje estable y cargas dinámicas a baja debido a la separación amplia de
cojinete, cojinete de diámetro pequeño, baja resistencia al rodamiento y un buen
acceso para mantenimiento de rodamientos.
El uso de suministros independientes para el turbo cargador y el motor permite un
aceite de viscosidad más baja para ser utilizado, reduciendo aún más la fricción
del cojinete. A baja relación de presión en los turbocompresores usar discos de
129
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
acero giratorios simples, parcialmente sumergido en el aceite, para recoger y
entregar el aceite a los cojinetes, pero con cargas y velocidades más altas de
rodamientos, bombas de engranajes se utilizan para rociar aceite en los
rodamientos. Cojinetes de deslizamiento o manguito a veces están disponibles
como opción y se prefieren para la durabilidad, aunque sus pérdidas por fricción
son mayores.
Se necesitan menos componentes y el turbocompresor es más corto, más ligero y
más barato, como consecuencia (Figura93).
La desventaja es un sistema de rodamiento menos estable y cargas de apoyo más
altos. La manga y de lóbulos múltiples de cojinetes deslizantes totalmente
flotantes se utilizan, con soportes y amortiguados para la estabilidad, los rotores
todavía deben ser balanceados cuidadosamente.
En relación con los rodamientos, mayor presión de aceite y mayores caudales de
aceite son necesarios y la combinación de gran diámetro y el ancho significa que
las pérdidas por fricción son mayores.
Con cualquiera de los sistemas de cojinete, la carcasa de salida de la turbina es la
estructura principal a la que se atornillan los demás componentes, e incorpora
montajes para el motor. La carcasa es por lo general refrigerada por agua.
Atornillado a ella se enfría el agua cubierta de entrada de la turbina, que incorpora
la caja de rodamientos (para rodamientos externos) y su depósito de aceite.
Individual, dos, tres y cuatro entradas de turbina de entrada están disponibles,
fabricados a partir de arrabio del alto grado. Entre cubiertas de salida y entrada de
la turbina, está previsto para el montaje del anillo de tobera de estator de la
130
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
turbina. las carcasas de entrada y salida del compresor son piezas moldeadas de
aleación de aluminio.
La caja de entrada del compresor incorpora redes de apoyo a la carcasa del
cojinete si se utilizan rodamientos exteriores. Estas redes deben ser
cuidadosamente diseñadas para ser lo suficientemente lejos de la turbina para
evitar el impulsor de álabes de excitación. La caja también contiene un filtro de
aire y el silenciador combinado en la mayoría de los turbocompresores más
grandes. Las ondas sonoras que se originan en la entrada del compresor se
reflejan y se reducen en intensidad mediante deflectores forrados con material
fonoabsorbente.
3.2 RENDIMIENTO DEL TURBOCOMPRESOR
El rendimiento de turbocompresores se puede definir por la relación, la tasa de
presión de flujo de masa y las características de eficiencia del compresor y de la
turbina, más la eficiencia mecánica de la unidad de cojinete. En esta sección
vamos a ver en la eficiencia de los compresores y turbinas que conducen a una
descripción de los mapas típicos de rendimiento del turbocompresor.
COMPRESOR Y EFICIENCIA DE LA TURBINA
El resultado del trabajo de (o entrada) una turbo máquina se puede encontrar a
partir de la primera ley de la termodinámica. A partir de esta ley, la ecuación de la
energía de flujo constante se puede derivar. Una turbo máquina que tiene una
entrada y una abertura de salida. La ecuación de energía de flujo estable se
convierte en:
Q – W=m [(h2 +KE2 + PE2) - (h} + KE { +PE1)]
Dónde:
Q: tasa de transferencia de calor (+ ve para el sistema);
W: tasa de transferencia de trabajo (+ ve por el sistema);
m : tasa de flujo másico
h: entalpia especifica
KE: energía cinética especifica
PE: energía potencial especifica
Sufijos 1,2 = puertos de entrada y salida, respectivamente.
Designando la entalpía de estancamiento ( ) como:
h₀ =h + KE
(2.2)
131
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
y dejar de lado los cambios en energía potencial y la transferencia de calor, ya que
estos términos son pequeños, esto se convierte:
-W = m [(h₀₂-h₀₁)
(2.3)
Tanto el aire y el gas de escape se consideran como gases perfectos. Por lo tanto
obedecen a la ecuación de estado.
Pu = RT
(2.4)
Donde P, V, R y T denotan presión (absoluta), volumen específico, constante de
los gases y la temperatura, respectivamente. La capacidad de calor específico a
presión constante (Cp.) para un gas perfecto está dada por:
Cp. = dh/dT
(2.5)
Por lo tanto la ecuación (2.3) se convierte
-W=mCp[(T₀₂ -T₀₂)
(2.6)
Dónde
denota estancamiento (o "total") la temperatura, la temperatura de un
gas llevado al descanso. Relativa a la temperatura de la corriente libre (T) de un
gas que se mueve a una velocidad V,
To = T+ V2 / 2 Cp
(2.7)
La segunda ley de la termodinámica nos dice que la entropía específica está
relacionada con la transferencia de calor específica
ds > dQ/T
(2.8)
La segunda ley también se puede usar para mostrar que la compresión adiabática
ideal o la expansión tiene lugar a entropía constante. Una definición de la
eficiencia de un compresor es la potencia necesaria para la compresión ideales,
adiabática dividida por la potencia real necesaria en un compresor no ideal, no
adiabático, trabajando con la misma presión de entrada y la temperatura y la
presión de salida.
Por lo tanto
se denomina el rendimiento isentrópico del compresor. A partir de
las ecuaciones (2.3), (2.6) y (2.8),
(2.9)
132
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Y:
(2.10)
Donde el sufijo “is” y TT 'denotan' isentrópico "y" total al total”, es decir, un
rendimiento sobre la base de los valores totales de temperatura. Tenga en cuenta
que el trabajo requerido por un compresor no ideal excede el de un compresor de
isentrópico, por lo tanto, la temperatura del aire de salida
es mayor que
Para la compresión isentrópica, la presión y la temperatura están relacionadas por
la expresión
Donde y = Cp/Cv
(2.11)
Por lo tanto la ecuación (2.10) puede reordenarse como:
(2.12)
Una evaluación de la eficiencia del compresor sobre la base de aumento total dea-total de la temperatura, se supone implícitamente que la energía cinética que
sale del compresor se puede hacer uso de en los siguientes componentes de la
máquina.
Esto es cierto en una turbina de gas ya que la velocidad del gas se mantiene a
través de la cámara de combustión a la turbina, donde hace un trabajo útil.Sin
embargo, aire suministrado desde el compresor del turbocompresor y el colector
de admisión de un motor es llevado casi al resto, sin hacer el trabajo útil.
Esta pérdida de energía cinética debe ser considerada como una pérdida de la
eficiencia del compresor con respecto al ideal de una velocidad del gas de salida
insignificante. En la entrada al compresor, el aire se acelera desde el reposo, en el
ojo del compresor sin producir ineficiencias, por lo tanto, la temperatura ambiente
de entrada se puede utilizar (temperaturas totales y estáticas son iguales). Por lo
tanto una definición más adecuada de la eficiencia del compresor es:
(2.13)
133
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Este es el total del rendimiento isentrópico estático y por lo general unos pocos
puntos porcentuales más bajo que el rendimiento total y el total isentrópico.
Desafortunadamente algunos fabricantes de turbocompresor citan valores totales
a totales, algunas sin declarar la base de su medida.
La manipulación de las ecuaciones (2.6), (2.8) y (2.11) da las siguientes relaciones
de potencia del compresor (W)
(2.14)
Los signos negativos resultados puramente de la convención termodinámica señal
del trabajo realizado por el sistema que se considera positivo, y el trabajo
realizado sobre el sistema como algo negativo.Por lo tanto la potencia requerida
para accionar el compresor es una función de la tasa de flujo de masa (m), la
temperatura del aire de entrada, (
del compresor
), relación de presión
, la eficiencia
y el calor específico a presión constante.
Las ecuaciones (2.13) y (2.14) muestran que la baja eficiencia del compresor no
sólo aumenta los requerimientos de potencia para una relación de presión dada,
sino que también aumenta la temperatura de suministro
y por lo tanto reduce
la densidad del aire que sale del compresor. Es importante para lograr una alta
eficiencia del compresor por ambas razones.
(2.15)
Esta expresión puede ser desarrollada de una manera similar a la del compresor
para dar:
(2.16)
Y
(2.17)
134
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
La energía cinética que abandona la turbina se desperdicia a través del tubo de
escape, por lo tanto, el rendimiento total a estático es de nuevo más apropiado,
aunque no siempre citado por el fabricante del turbocompresor. La salida de
potencia de la turbina viene dado por:
(2.18)
Por lo tanto la potencia desarrollada por la turbina es una función de su
temperatura de entrada
tasa de flujo de masa(m), relación de expansión
(
), la eficiencia (
) y la capacidad de calor específico de los gases de
escape (Cp.).
REPRESENTACIÓN
ADIMENSIONAL
COMPRESOR Y DE LA TURBINA
DE
CARACTERÍSTICAS
DEL
La tasa de flujo de masa, la eficiencia y aumento de la
temperatura
de un compresor o turbina se pueden expresar como
una función de todos los parámetros que influyen en posibles, de la siguiente
manera:
(2.19)
Donde N, D y
son la velocidad de rotación, el diámetro y la viscosidad
cinemática del gas, respectivamente,
, Estos pueden reducirse, usando
análisis dimensional, a los siguientes grupos adimensionales:
(2.20)
Para el compresor, el valor de 7 permanece constante, a excepción de una muy
pequeña variación con la temperatura, por lo tanto, el último término puede ser
ignorado. no varía con la relación aire-combustible, pero su influencia en el
rendimiento de la turbina es pequeño y por lo tanto también se ignora.
Afortunadamente, el número de Reynolds
también tiene sólo un pequeño
efecto en el rendimiento y puede ser ignorada.
Una relación entre
y
ya se ha dado (ecuaciones 2.12 y
2.16), por lo tanto, la ecuación (2.20) puede ser reducido a:
135
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
(2.21)
(Para una turbina, sufijos 3 y 4 reemplazan 1 y 2). Para un turbocompresor en
particular, el diámetro se mantiene constante y, para aplicaciones de
turbocompresores del gas permanece constante fija, por lo tanto, la variación en el
rendimiento con las condiciones de funcionamiento está dada por
(2.22)
que muestran líneas de constante
y eficiencia
.
La ventaja de esta presentación es que únicamente describe el rendimiento de la
turbo máquina, independientemente de las condiciones de entrada (presión y
temperatura). Sin embargo, los términos en la ecuación (2.22) ya no son
verdaderamente a dimensional.
RENDIMIENTO DEL COMPRESOR
Un mapa de rendimiento típico, a partir de un compresor del turbocompresor
diseñado para un motor de velocidad media, se muestra en la (Figura 2.12). La
zona central es la zona de funcionamiento estable, delimitada por la línea de
sobrecarga en el lado izquierdo (las bajas tasas de flujo de masa), y un régimen
de alta velocidad de rotación y la baja eficiencia de la derecha (alta tasa de flujo de
masa).
136
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Una explicación detallada de las causas de aumento aún tiene que ser
plenamente aceptado, pero está claro que cuando la tasa de flujo de masa a
través del compresor se reduce, mientras que el mantenimiento de una relación de
presión constante, surge un punto en el que la inversión de flujo local se produce
en las capas límite. La inversión del flujo completo se puede desarrollar en una
"celda de parada 'en el compresor en alguna parte, con el flujo normal en otros
lugares.
Una vez que varias células de parada han desarrollado el modelo de flujo
completo puede romper el flujo de masas y por lo tanto, la caída de presión. Un
patrón de flujo estable se vuelve restablecerse en una relación de presión más
baja, permitiendo que el flujo de masa para construir de nuevo al valor inicial. Los
flujos de inestabilidad se repiten en un ciclo de aumento. El compresor no se debe
pedir a trabajar en esta región de operación, pero debe tenerse en cuenta que
surgen se ve influenciada por la ingesta total, el compresor y el sistema colector
de admisión.
Así, la línea de aumento establecido por el fabricante del turbocompresor es sólo
una guía, y en la práctica varía de una instalación del motor a otro.
La zona de alta velocidad de rotación y la baja eficiencia es un resultado de la
obstrucción del área de flujo limitante en el compresor. Flujo de masa adicional
sólo puede lograrse mediante el aumento de velocidad de rotación, que debe ser
limitada por restricciones en tensión. Si las bobinas de difusor, en lugar de la del
rotor, a continuación, la velocidad del compresor con el tiempo se eleva
sustancialmente con un pequeño aumento en el flujo de aire. Esto es probable que
sea el caso con un difusor con álabes, como montado en el compresor.
RENDIMIENTO DE LA TURBINA
Una característica de la turbina de flujo axial sobre la base de la misma relación de
presión en función del parámetro de flujo de masa se muestra en la Figura 82. La
característica más evidente es la forma en que las líneas de parámetro de
velocidad constante
converger a una sola línea de parámetro de flujo de
masa casi constante. Este límite de flujo es causado por el gas de alcanzar la
velocidad sónica y ahogo la carcasa de entrada o cuchillas de boquilla del estator.
Este flujo estrangulado se mantendrá constante (para las condiciones de entrada
constante), independientemente de la velocidad del rotor. En relaciones de presión
por debajo de la condición ahogo, el área de flujo efectiva de la turbina, y la tasa
de flujo de masa por lo tanto, se verá influida por el rotor. Por lo tanto la velocidad
de rotación influye en el caudal de masa menos que las reactancias del estator.
137
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
En una turbina de flujo radial, la velocidad de rotación del rotor influye en la
presión en la salida del estator, debido a los efectos centrífugos. Por lo tanto la
relación de presiones global (de entrada a la salida del estator del rotor) a la que
las bobinas de estator depende de la velocidad del rotor. Figura 83 relación de
presión muestra frente a las curvas velocidad de flujo masivo para una turbina de
flujo radial, con las boquillas del estator, lo que ilustra la variación de la relación de
presión de estrangulado y el caudal de masa con la velocidad del rotor.
Turbinas radiales Nozzleless exhiben la mayor variación de flujo de masa con la
velocidad del rotor. Sin embargo, es raro que los datos obtenidos por el fabricante
del turbocompresor para cubrir la relación de presión completo con respecto a
rango de flujo de masa a lo largo de cada línea de velocidad constante, incluso
para estas turbinas. Reduce el tiempo de prueba, y rara vez se requiere.
138
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
por el usuario, por la siguiente razón. Para un turbocompresor dado, es posible
vincular el compresor y las características de la turbina y trazar la línea que va de
equilibrio en los mapas de compresor y de la turbina. Esto viene de equilibrar el
compresor y las ecuaciones de potencia de la turbina (2.14 y 2.18), y la imposición
de una velocidad de giro común, los factores que están implícitos en cualquier
prueba de turbocompresor experimental. y se ejecuta a través de una línea de
baja velocidad a la relación de baja presión a una línea de alta velocidad a alta
relación de presión.
La línea de equilibrio se basa en las pruebas de estado estacionario y la teoría, y
no es necesariamente el régimen de funcionamiento si las condiciones de entrada
de la turbina están pulsando.
Todas las marcas turbocompresor presentan datos de compresores en la forma
descrita en el apartado, pero hay menos uniformidad de los datos de la turbina.
Por ejemplo, algunos fabricantes siguen la práctica de turbina de gas y la
transposición de la ordenada y la abscisa de las figuras 94 y 95 a los de la figura
96.
Otras variaciones se producen en la presentación de los datos de rendimiento de
la turbina.
El problema surge del hecho de que el área operativa de la turbina se encuentra
en un área tan restringida de la relación de presión en función del parámetro de
flujo de masa del mapa. Es posible, pero un inconveniente, para superponer las
líneas de eficiencia constante con una turbina radial (Figura 83}, pero bastante
139
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
imposible para una turbina de flujo axial. Es más simple de presentar la eficiencia
en un diagrama separado, pero diferentes fabricantes tienden a utilizar diferentes
diagramas.
Más común es un gráfico de rendimiento de la turbina contra la relación de
velocidad de la hoja (u / c). u es la velocidad de la punta de un rotor de turbina
radial o la velocidad de la cuchilla a la altura de la hoja media de un rotor axial. La
velocidad de la pala del rotor (u) es a dimensional dividiendo por una velocidad
teórica (c) que el que se lograría por el gas si se expandió isentrópicamente a
partir de la condición de entrada de la turbina a la presión de salida de la turbina.
Líneas de relación de presión constante o parámetro de velocidad
se
superponen en el mapa (Figura 96). Esta presentación pasa a ser útil para el
fabricante del turbocompresor cuando emparejan del compresor y turbina de
diámetros de rotor, pero es un inconveniente para un fabricante de motores. Él
desea una gráfica cuyos ejes representan los parámetros relevantes para su
motor. Así, algunos fabricantes turbocompresor trama eficiencia de la turbina
contra el índice de presión, que muestra las líneas de velocidad turbo constante
(Fig. 97).
140
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
En los diagramas de prácticas tales como las figuras 84 y 85 muestran el producto
de la turbina y el rendimiento mecánico (rodamiento predominan las pérdidas), ya
que es difícil separarlas. De hecho, es sorprendentemente difícil obtener
mediciones precisas de la turbina de eficiencia, debido a la transferencia de calor,
efectos de flujo no uniforme e inestable, etc. Como resultado de ello la mayoría de
los fabricantes del turbocompresor han desarrollado sus propias técnicas estándar
de prueba, cuyos resultados se pueden comparar con fiabilidad a través de su
gama de turbocompresores. Sin embargo, estos resultados no pueden
compararse directamente con las de otro fabricante que, por ejemplo, las pruebas
con una temperatura diferente estándar de entrada de la turbina y por lo tanto
mide un rendimiento isentrópico diferente debido a la transferencia de calor
diferente. Como resultado de varios fabricantes del turbocompresor no revelan sus
datos de eficiencia de la turbina desde comparaciones representativas con las de
otros fabricantes podrían fácilmente ser realizadas por un usuario.
3.3 SISTEMA DE TURBO ALIMENTACIÓN.
El éxito del diseño de un motor diesel turboalimentado es altamente dependiente
de la elección del sistema para la entrega de energía de los gases de escape de
las válvulas o de los puertos de escape, a la turbina, y su utilización en la turbina.
Virtualmente toda la energía del gas que sale de los cilindros llega a la turbina.
Algunos se pierden en el camino, debido a la transferencia de calor al entorno,
pero esto es poco probable que supere el 5% menos que el agua enfriada se usan
colectores de escape, y por lo general será mucho menor. Sin embargo, el diseño
de los colectores de escape entre la válvula de escape y la turbina influye la
proporción de energía de los gases de escape que está disponible para realizar
trabajo útil en la turbina.
141
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Un parámetro importante es la presión en el sistema de escape. La ecuación
(2.18) muestra que la potencia de la turbina aumenta con la relación de presión
(
), por lo tanto, la presión del colector de escape debe ser alta. Sin
embargo, esto implica que la pistón tiene que empujar los productos de la
combustión fuera del cilindro contra un alto 'contrapresión', la reducción de la
potencia de salida potencial del motor.
LA ENERGÍA EN EL SISTEMA DE ESCAPE
(Figura 99) muestra la energía potencialmente disponible en el sistema de escape,
con un ciclo ideal. La válvula de escape se abre en el PMI, el punto 5, en donde la
presión del cilindro es mucho mayor que la presión ambiente en el extremo del
tubo de escape. Si el contenido del cilindro en el EVO se permite alguna manera
para expandir isentrópica y reversiblemente a la presión ambiente (con el punto 6),
entonces el trabajo que se podía hacer, está representado por el área rayada 5-61.
Este trabajo podría ser recuperado al permitir que el pistón se mueva más de lo
normal como se muestra en la (Figura 99). Sin embargo, esto requiere un motor
con una carrera excepcionalmente larga y en la práctica se encuentra que los
desplazamientos adicionales de fricción del pistón del trabajo obtenidas por una
carrera de expansión Ultra largo.
Por consiguiente, el trabajo representado por el área de 5-6-1 es potencialmente
disponible para una turbina de turbocompresor colocado en el colector de escape.
Se llama energía 'de despresurización', ya que se trata de los productos de
combustión de ser "quemado hacia abajo" de la presión del cilindro en el punto 5
de la presión atmosférica en el punto 6, cuando se abre la válvula de escape.
La Turbo compresión eleva la presión en el colector de admisión, por lo tanto, el
proceso de entrada (12-1) está a presión
, donde
, está por encima de la
presión ambiente Pa. La energía 'de despresurización' está representada por el
área de 5-8-9. La presión en el colector de escape ( ) es también por encima de
la presión ambiente Pa.
El proceso de escape desde el cilindro está representada por la línea 5, 13, 11,
donde 5, 13 es el período "golpe hacia abajo" cuando la válvula de escape se abre
y alta la presión del gas se expande hacia fuera en el colector de escape.
El Proceso 13, 11 representa el resto del proceso de escape, cuando el pistón se
mueve de BDC al TDC desplazar la mayor parte del gas desde el cilindro al
colector de escape. Este gas está por encima de la presión ambiente y por lo tanto
también tiene el potencial para expandir hacia abajo a la presión ambiente,
mientras que hace el trabajo útil.
142
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
El potencial de trabajo que se podría hacer es representado por el área rayada
13-9-10-11. Este trabajo se realiza por el pistón, pero podría ser recuperado por
una turbina en el escape. Se va a llamar el pistón de bombeo componente de la
energía de escape.
La máxima energía posible disponible para accionar una turbina será la suma de
las áreas 5-8-9 y 13-9-10-11, pero es imposible concebir un sistema práctico que
aprovechara toda esta energía. Para lograr esto, la presión de entrada de la
turbina debe elevarse a
instantáneamente cuando se abre la válvula de
escape, seguido de una expansión isentrópica del gas de escape a través de
a
la presión ambiente ( = Pa). Durante la parte de desplazamiento del proceso de
escape, la presión de entrada de la turbina tendría que tendrá lugar en . Tal una
serie de procesos es impracticable.
Considere la posibilidad de un proceso más simple que se produciría si una
cámara más grande se instala entre el motor y la entrada de la turbina con el fin de
amortiguar las pulsaciones hacia abajo en el flujo de gas de escape. La turbina
actúa como un limitador de flujo creando una presión constante ( ).En la cámara
de colector de escape. La energía disponible en la turbina está dada por el área de
7-8-10-11. Se trata de "sistema de turbo alimentación a presión constante de los
ideales.
PRINCIPIOS DE LA PRESIÓN CONSTANTE TURBOCOMPRESOR
Con una presión constante del turbocompresor, los orificios de escape de todos
los cilindros están conectados a un único colector de escape cuyo volumen es lo
143
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
suficientemente grande como para asegurar que su presión es prácticamente
constante. Los procesos de flujo de escape inestables en los cilindros se
amortiguan en un flujo constante de la turbina.
Sólo un turbocompresor se necesita utilizar, con una sola entrada del colector de
escape, pero con frecuencia varias unidades más pequeñas están equipados de
manera que una presión de sobrealimentación razonable se puede obtener en el
caso de una falla del turbocompresor.
Una ventaja importante del sistema de presión constante es que las condiciones
de entrada de la turbina son constantes y conocidas, por lo tanto, la turbina se
puede adaptar para funcionar con una eficiencia óptima en las condiciones del
motor especificados.
La principal desventaja es que la energía disponible entra en la turbina es baja, ya
que todas las ventajas no se ha tomado de la energía de pulso.
Esta energía no se pierde, ya que la pérdida de energía sólo se produce por
transferencia de calor, pero ya que no se realiza trabajo durante el proceso de
reducción de la presión 5-7 que representa una pérdida de potencial de trabajo de
la turbina.
Típicamente, un colector de escape de presión constante consistirá en una tubería
de gran diámetro a lo largo del lado de escape de un motor, con cada puerto de
escape conectado a él a través de un trozo de tubo corto. En un motor de «V», el
gran colector de taladro por lo general se encuentra entre los bancos con las
válvulas de admisión y colectores dispuestos para estar en el exterior.
El efecto de la velocidad del motor será menos importante ya que la duración del
proceso de escape de cada cilindro será relativamente constante en términos de
ángulo del cigüeñal, en lugar de tiempo, y la zona de la turbina será elegida como
un partido en la velocidad de funcionamiento y la carga. Por lo tanto no es
apropiado para dar una regla exacta que el volumen del colector debe ser x veces
el volumen total barrido del motor.
Claramente x será mayor en un motor con unos cilindros que en un motor con
muchos cilindros, y su valor será un compromiso entre un volumen total aceptable
para la instalación y el volumen necesario para amortiguar las pulsaciones. Para
una orientación sin embargo, se puede afirmar que el volumen sería normalmente
en el intervalo de 1,4 a 6 veces el volumen total de barrido del motor.
Desde un punto de vista puramente práctico, el colector de escape es simple de
construir, aunque puede ser un poco voluminoso, especialmente en relación con
los motores pequeños con pocos cilindros. Sin embargo, para grandes motores
con muchos cilindros, la conveniencia de ser capaz de unirse a todos los cilindros
a un colector de escape común con un único turbocompresor en la parte superior,
o en cualquiera de los extremos es útil.
144
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Una desventaja importante del sistema de presión constante surge de la utilización
de un colector de escape que tiene un gran volumen. Cuando la carga del motor
se aumenta de repente o se requiere un aumento rápido de la velocidad del motor,
la presión en el volumen grande es lenta a subir. Por lo tanto la energía disponible
en la turbina aumenta sólo de forma gradual. Turbocompresor, y por lo tanto la
respuesta del motor, serán los pobres. La escasa respuesta del sistema de
turbocompresor presión constante restringe de consideración para aplicaciones
donde se requieren cambios de carga con frecuencia (o velocidad).
El sistema de turbocompresor afectará el motor a través de tres únicos
parámetros, la presión de sobrealimentación, la temperatura en el colector de
admisión y la presión en el colector de escape. Por lo tanto, son estos factores que
deben examinarse cuando se considera un sistema de turbocompresor. El efecto
de los dos primeros es evidente. La importancia de la presión en el colector de
escape depende de si el motor turbo es una de cuatro tiempos o de dos tiempos.
Al tener en cuenta el balance de energía para el turbocompresor cuando se
ejecuta con una presión de escape constante que es simple para derivar una
relación entre la presión del colector de escape ( y la presión de
sobrealimentación ( ) - Potencia del compresor debe ser igual al producto de la
potencia de la turbina del turbocompresor y la eficiencia mecánica, por lo tanto:
(2.23)
La tasa de flujo de masa a través de la turbina (
debe ser igual a la tasa de
flujo de masa a través del compresor (
más caudal de combustible (
, Si
escape de combustión de pistón se desprecia, por lo tanto,
(2.24)
Ó
Donde AFR= Relación Aire-Combustible
Combinando ecuaciones (2.14), (2.18), (2.23) y (2.24) obtenemos:
145
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
(2.25)
Donde n = eficiencia global del turbocompresor
Por lo tanto la relación entre la presión del colector de entrada (
) y la presión
del colector de escape (
) es una función de la eficiencia global del
turbocompresor
, la temperatura de entrada de la turbina (
medida, la relación aire-combustible (AFR).
) y, en menor
La relación aire-combustible a plena carga, se regirá por la carga térmica o la
aparición de humo negro en el escape. La temperatura de entrada de la turbina
también será dependiente de relación aire-combustible, la cantidad de barrido de
aire fresco que pasa a través de los cilindros y la pérdida de calor desde el
colector de escape.
Mediante el ajuste de turbinas más pequeñas y menores a un motor de cuatro
tiempos es teóricamente posible desarrollar muy altas presiones de escape y
correspondientemente altos niveles de energía disponible en la turbina. Esto
debería permitir que la presión muy alta impulso que se obtiene (sujeto a la
relación descrita más arriba). Sin embargo, los efectos prácticos de la velocidad de
la turbina y las limitaciones de temperatura de entrada combinada con la
disminución de la eficiencia del turbocompresor a relaciones de alta presión y
pobres de barrido, previenen relación muy alta presión que se está desarrollado en
la práctica.
146
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
La elección de la presión de sobrealimentación de un motor específico, aunque
desarrollado por el turbocompresor, estará limitada por las restricciones
específicas impuestas por el diseño del motor.
PRESIÓN CONSTANTE
CUATRO TIEMPOS
DE SOBREALIMENTACIÓN DE MOTORES DE
Motores de cuatro tiempos son auto-aspirados, Tienen un consumo discreto y
carrera de escape. Prácticamente, independientemente de la presión en el
colector de escape, el movimiento del pistón durante la carrera de escape se
desplazará mayor parte del gas, por lo tanto un motor de cuatro tiempos se
ejecutará con una alta “contrapresión”.
Sin embargo, la situación no es deseable por tres razones. En primer lugar, el
trabajo se realiza por el pistón en la expulsión de gases de escape en menos
potencia útil de la potencia del motor y menor eficiencia.
En segundo lugar, si la presión de escape supera la presión de entrada, una
cantidad considerable de gas residual se queda en el cilindro, reduciendo el
volumen de aire fresco aspirado durante la siguiente carrera de admisión.
En tercer lugar, algunos de soplado posterior de los productos de combustión
(gas residual) en el colector de admisión se puede producir durante la
superposición de válvulas, lo que resulta en una indeseable acumulación de
depósitos de carbono. Está claro que es deseable evitar el desarrollo de una
presión en el colector de escape mayor que en el colector de admisión (compresor
de entrega).
Cuando la turbo alimentación, se puede aprovechar de la diferencia de potencial
en presiones múltiples para generar un caudal de aire barrido para limpiar el
cilindro de productos residuales de la combustión.
Por lo tanto es deseable una caída de presión entre la admisión y escape,
especialmente durante el periodo de coincidencia de válvulas. La magnitud de la
caída de presión necesaria para lograr una buena compactación y sin un excesivo
y desperdicio de paso de aire, será dependiente de la cantidad de solapamiento
de la válvula utilizado en el motor.
Este beneficio de trabajo sólo se obtiene a expensas de trabajo del compresor, a
pesar de que es deseable, ya que a su vez se deriva de energía de los gases de
escape que normalmente se pierde. Esta es una de las razones por las que un
motor turbo puede ser más eficiente que un motor de aspiración natural.
El motor se controla a través de su sistema de inyección de combustible, por lo
tanto bajo condiciones de carga parcial el volumen de aire fresco dibujado en que
el cilindro no va a cambiar de manera significativa, pero la cantidad de combustible
inyectado sí. Por lo tanto el cambio de principio será a la relación aire-combustible
147
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
y por lo tanto, en la medida que se refiere el turbocompresor, la temperatura de
escape.
La temperatura de escape inferior es equivalente a la reducción de energía que
llega a la turbina, por lo tanto, la turbina y por lo tanto caídas de trabajo del
compresor. Por consiguiente, la presión de sobrealimentación es más baja
resultante en una masa reducida de la carga fresca está dibujado en el cilindro.
Es evidente que en el funcionamiento del motor a carga parcial, la caída de
presión entre la entrada y la salida se deteriora y, finalmente, llegar a ser negativo.
Barrido se verá perjudicado, el trabajo de intercambio de gases se convertirá en
una pérdida y por lo tanto, la potencia y la eficiencia se reducirán. Por lo tanto el
sistema de presión constante no es ideal para la operación a carga parcial.
LA PRESIÓN CONSTANTE DE SOBREALIMENTACIÓN DE LOS MOTORES DE
DOS TIEMPOS
Se basa en una caída de presión positiva entre la entrada y el colector de escape
con el fin de ejecutar en absoluto. El proceso de recolección de residuos, en el que
carga fresca es forzado dentro y fuera de gas residual, es la clave de un motor de
dos tiempos de éxito. De ello se desprende que el motor de dos tiempos es mucho
más dependiente de una caída de presión razonable de ser desarrollada a través
del cilindro que es el caso con el motor de cuatro tiempos. El motor de cuatro
tiempos puede trabajar con un gradiente de presión negativa, la de dos tiempos
no.
La cantidad de 'exceso de aire' requerido dependerá de la eficiencia de barrido del
sistema utilizado y muchos otros factores. Por lo tanto, no es posible citar las
normas generales, pero la cantidad puede variar de 10% a aproximadamente 40%
(a partir de de flujo unidireccional para cruzar compactación).(fig. 101).
148
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
La consecuencia para el turbocompresor es doble. En primer lugar, el gas en el
colector de escape se diluirá con de barrido de aire fresco bajando la temperatura
de entrada de la turbina. En segundo lugar, una penalización debe prestar para
comprimir el exceso de aire, ya que, a pesar de que se gasta a través de la turbina
en su debido momento, sólo una parte de la energía ampliado se recupera, debido
a las ineficacias del compresor y de la turbina.
Por lo tanto no sólo el turbocompresor tiene un trabajo más difícil que en un motor
de cuatro tiempos, ya que debe proporcionar una caída de presión positiva a
través del cilindro, sino que se requiere para trabajar en las condiciones adversas
mencionadas anteriormente. Fue por estas razones que los motores diesel de dos
tiempos turboalimentados aparecieron por primera vez con algún tipo de
asistencia del compresor, y muchos que ahora operan en el sistema de presión
constante, que aún conservan.
Los valores típicos de la temperatura media de entrada de la turbina de alta
calificación de dos tiempos y de cuatro tiempos con carga completa podrían ser
400C y 500C, respectivamente. Se muestra que para una relación de presión de
2,5:1, un motor de cuatro tiempos funciona de forma adecuada si la eficiencia del
turbocompresor es 50% o más, mientras que el motor de dos tiempos requerirá un
turbocompresor eficiencia de más del 55%.
Un turbocompresor grande y bien diseñado puede desarrollar 60 a 65% de
eficiencia en general, pero algún margen de alrededor del 5% debe ser realizado
por una reducción de la eficiencia en el servicio (debido a la contaminación
acumulación de suciedad y carbón). En la práctica esto significa que un motor bien
diseñado tiene un buen sistema de compactación, con la pérdida de presión, se
ejecutará satisfactoriamente a plena carga siempre que tenga un buena
compatibilidad, turbocompresor eficiente.
149
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
A carga parcial, la temperatura de entrada de la turbina caerá debido a la relación
aire-combustible baja. La eficiencia del turbocompresor probablemente caerá
también desde el turbocompresor generalmente se corresponde a las condiciones
óptimas de trabajo cerca de plena carga (aunque esto depende en servicio del
motor).
si la temperatura de entrada de la turbina caiga por debajo de 300C y la eficiencia
de la turbina por debajo de 55%, entonces el motor se detendrá. Por lo tanto todos
los de dos tiempos que utilizan el sistema de turbo alimentación presión constante
requieren alguna ayuda adicional para la compactación para el arranque y
funcionamiento a carga parcial.
Como motor y diseño turbocompresor han mejorado la contribución de la bomba
de recuperación a la compresión global se ha reducido, de modo que simples
ventiladores accionados eléctricamente se utilizan hoy en día. Estos se
desconectan una vez que la carga y la velocidad del motor son tales que el
turbocompresor puede proporcionar la diferencia de presión positiva necesaria en
todos los cilindros.
El uso del sistema de turbo alimentación presión constante en los motores de dos
tiempos se restringe generalmente a motores grandes, ya que la mayoría de los
otros motores son necesarios para operar en un amplio rango de carga y
velocidad, y también a causa de la exigencia de una alta eficiencia del
turbocompresor (que es más fácil para reunirse con grandes turbocompresores).
PRINCIPIOS DE PULSO DE TURBO ALIMENTACIÓN
el sistema de impulsos que se ha desarrollado no es el sistema de impulso puro se
describe en la sección, que es poco práctico, sino un sistema que trata de hacer
un cierto uso de la energía disponible de sistemas de presión constante y puro
pulso. El objetivo es hacer el uso máximo de la alta presión y la temperatura que
existe en el cilindro cuando se abre la válvula de escape, incluso a expensas de la
creación de flujo altamente inestable a través de la turbina.
La clave para el sistema de impulsos es tratar de utilizar la energía adicional (con
respecto a un sistema de presión constante) representada por el área de 5 - 7 - 13
en la Figura. Esto requiere la presión de entrada de la turbina aumentará
repentinamente a
cuando la válvula de escape se inicia primero para abrir, a
continuación, caer a lo largo de la línea 5, 6, 7.
150
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Inicialmente, antes de que abra la válvula de escape, el colector puede estar a la
presión atmosférica. A medida que la válvula de escape empieza a abrir,
agotamiento de los flujos de gas desde el cilindro al colector bajo la influencia de
la gran caída de presión. Tasa de flujo de masa aumenta rápidamente a medida
que se abre la válvula. Desde la turbina actúa como una restricción de flujo, la
presión en el colector se acumula, gobernada por la diferencia en el flujo en el
colector y hacia fuera a través de la turbina. Por lo tanto colector de escape
(entrada de la turbina) la presión tiende a subir hacia la presión del cilindro.
Una vez que la velocidad de flujo máximo de masa en el colector ha pasado, el
gas de escape puede estar fluyendo a través de la turbina más rápido que la
velocidad de flujo desde el cilindro al colector, por lo tanto, la presión del colector
cae gradualmente, alcanzando el valor atmosférico poco después del cierre de la
válvula de escape.
Este proceso de flujo no estacionario se muestra, para un motor mono cilíndrico,
de cuatro tiempos. La presión en el colector de escape se eleva desde la presión
atmosférica hasta un pico justo después de BDC, similar al movimiento de
a
en el diagrama de ciclo ideal, y luego cae de nuevo a la presión atmosférica
después de EVC, similar al movimiento de
a . Tenga en cuenta que durante la
carrera de escape del pistón, de BDC al TDC, el gas de escape es empujado fuera
desde el cilindro al colector. Pasa a través de la turbina haciendo un trabajo útil.
El pulso del sistema turbo alimentación requiere el colector de escape para ser tan
pequeño como sea razonablemente posible con el fin de que la presión de entrada
de la turbina debe elevarse rápidamente a la presión del cilindro casi igual cuando
se abre la válvula de escape.
También es deseable para abrir la válvula de escape rápidamente por la misma
razón. En la práctica, la válvula de tren inercia y de leva destaca la aceleración de
la válvula de límite y el lugar turbocompresor influye en el volumen del colector de
escape. El turbocompresor debe ser montado lo más cerca de los cilindros como
sea posible para reducir la longitud del colector de escape.
Prácticamente todos los motores turbo son de varios cilindros, por lo tanto, varios
puertos de escape deben estar conectados a la turbina del turbocompresor. Para
mantener el volumen del colector de escape pequeño, los puertos de escape
están conectados a la turbina por tuberías de diámetro cortas y estrechos. Reglas
para unir tubos de varios cilindros juntos se darán más adelante.
151
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Un ejemplo típico que ilustra el aumento de la energía disponible en los gases de
escape cuando se emplean tubos estrechos se muestra en la Figura 102. Estos
datos de prueba se obtuvieron en un solo cilindro, ciclo de barrido, de alta
velocidad del motor de dos tiempos, con tres tipos de colectores de escape, un
volumen compacto (diámetro de la tubería = longitud de la tubería) y dos tubos
estrechos (área del tubo / sección de relación de áreas entre puertos de 1,78 y
1,03). Todos los ensayos se refieren a la misma velocidad del motor, BMEP, la
presión de sobrealimentación, la tasa de flujo de aire y el área de la turbina.
El conjunto superior de diagramas muestra la presión pulsante del colector de
escape, para los tres tipos de colector, con cinco gradualmente crecientes
múltiples volúmenes de escape totales. En los dos primeros casos (volumen del
colector de escape = 0,5 o 0,8 veces el volumen del cilindro), el tipo de colector,
ya sea un tubo largo y estrecho o una cámara de sobrepresión, tiene poco efecto.
Si el tubo de escape es estrecho, entonces el área de la sección transversal de la
tubería en sí es suficiente para que la presión se acumule en el extremo de la
válvula salida se abre la válvula de escape. Un pulso de presión se acumula (de
ahí el término de impulsos turbocompresor). Este pulso de presión u onda, viaja a
una velocidad sónica a lo largo del tubo para llegar a la turbina.
En la turbina la onda de presión se refleja con amplitud reducida ya que la turbina
es una restricción de flujo parcial.
La reflexión se produce después de la válvula de escape se ha cerrado causando
ningún problema, pero este es un caso raro ya que sólo puede ocurrir con un
múltiple excepcionalmente largo. Más común es el caso 4, en el que el tiempo de
reflexión es muy corto en relación con el período de apertura de la válvula.
152
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
El caso 2 es el serio, que puede ocurrir con tuberías largas, del impulso reflejado
aumento de la presión de escape en la válvula o puerto, durante el período de
barrido. La posición del turbocompresor y longitud de la tubería de escape se
deben elegir para evitar esta situación, o el barrido se verá seriamente
perjudicado.
En la (figura 103) se muestran las ondas de presión en función del tiempo, pero
las cifras pueden ser consideradas en una base de ángulo del cigüeñal.
Será entonces evidente que a medida que los cambios de velocidad del motor
(escala horizontal aumenta o reduce), el tiempo eficaz de la llegada a un pulso
reflejado, en términos de ángulo del cigüeñal, variará. Por lo tanto la longitud del
tubo de escape es crítica y debe ser optimizada para adaptarse a la gama de
velocidades del motor.
Un diesel de uso automotriz funcionando a 2000 Rev. / Min con una temperatura
de escape 450C y una longitud de tubo de 0,8 m sería experimentar un desfase de
35 grados. Sin embargo, a baja velocidad el retraso sería menos (18 grados a
1000 Rev. / min). Sólo si se utiliza un múltiple de escape muy largo sería dirigir la
reflexión siendo tan malo como el caso 2. La (figura 89), en tal motor. Las
reflexiones también pueden ocurrir por las válvulas de escape cerradas en los
otros cilindros.
Hasta el momento, se han considerado los factores que influyen en la energía
disponible en la turbina. Pulsos turbocompresor aumenta la energía disponible,
pero crea un flujo altamente inestable a través de la turbina.
153
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
En la (figura 105) (abajo) se muestra una curva típica de la eficiencia de la turbina.
Si se supone que el flujo cuasi-estacionario, entonces la eficiencia de la turbina
instantánea será la correspondiente al valor instantáneo apropiada de la relación
de velocidad de las palas (£ / / Cs). Se ilustran los valores de eficiencia
coincidiendo con el pico y el punto más bajo del diagrama de presión.
154
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Durante gran parte del resto del ciclo de motor de la turbina será por viento y
desaceleración. Cuando llega el siguiente impulso de escape, parte de su energía
se utiliza para acelerar el turbocompresor de nuevo. Así, la energía se malgasta
debido a la eficiencia de la turbina de baja medio resultante del flujo muy inestable
y condiciones de viento sin caudal.
En un motor de varios cilindros, tubos estrechos de varios cilindros se pueden
conectar a través de un único colector de rama en una turbina. Considere el motor
de cuatro tiempos, automotriz y tres cilindros mostrado en la (Figura 104). Debido
al ángulo de fase entre los cilindros de los períodos de apertura de las válvulas de
escape siguen sucesivamente cada ° 240 con muy poco traslapo entre ellas. Por
lo tanto un 'tren' constante de impulsos de presión llega a la turbina, eliminando
virtualmente los largos periodos expuesta al viento puro (Figura 105), aunque la
eficiencia media de la turbina seguirá siendo menor que la obtenida con un
sistema de presión constante correctamente emparejado (operando cerca de la
cima de la curva de eficiencia).
Los diagramas de la (Figura 106 y 107) se han elaborado deliberadamente para
un motor de tres cilindros de cuatro tiempos, con tubos de escape cortos y
estrechos y sincronización de válvulas tipo automotriz. Tal un motor rara vez se
hace, pero es una unidad conveniente en el que presentar algunos objetivos
importantes de pulso de turbo alimentación, a saber, la manera de aumentar la
eficiencia de la turbina por medio de la reducción de resistencia aerodinámica
períodos, evitando al mismo tiempo la interferencia con la compactación de un
cilindro debido al efecto del pulso de golpe hacia abajo de otro.
El impulso de presión de un cilindro agotando viaja a lo largo del colector hasta
que llega a una unión. En el cruce se divide en dos pulsos (cada uno de magnitud
menor debido a la aumento de la superficie efectiva) uno que viaja abajo de cada
tubo adyacente.
Los tramos de tubería en la (figura 106) se han mantenido deliberadamente breve
para que los pulsos reflejados son casi superpuestos en el pulso inicial (condición
4 en la Figura 89). Esto no siempre será el caso por lo debe considerarse el efecto
de ambos tipos de posible interferencia de pulso. Se debe mencionar que si el
pulso directa cumple una válvula de escape cerrada en el cilindro 1 (como lo ha
hecho en la figura) que será reflejada y, finalmente, llegar a la turbina de algún
tiempo después de la primera componente del pulso del cilindro 3.
El sistema de la onda de presión que se produce en general un colector, tales
como el de la (figura 106) podría ser muy complejo, con impulsos se propagan a
partir de cada cilindro, la división del pulso en cada unión, la reflexión total o
parcial en una válvula de escape (en función de si está cerrado o no) y la reflexión
de la turbina. Puesto que la turbina es una restricción, no un bloqueo completo, el
reflejo de ella es sólo parcial. Afortunadamente, la división del pulso en los cruces
debilita los impulsos (debido al aumento de la superficie) y por lo tanto el sistema
de ondas de presión se debilita en cada punto, y sucesivamente con cada
155
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
reflexión. Esto es por lo general los impulsos directos y los de las primeras
reflexiones que son importantes.
(Figura 108) muestra la sincronización de válvulas de un motor diesel de seis
cilindros del automóvil típico y su orden de encendido. Es obvio que si todos los
seis cilindros estaban conectados a una sola turbina de entrada a través de
tuberías estrechas, las ondas de presión de cada cilindro interfieran
significativamente con los procesos de escape de uno al otro durante el cruce de
válvulas y la carrera de escape, aumentando así el trabajo del pistón de bombeo.
156
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Un motor de dos tiempos no podría operar en estas condiciones. La dificultad se
puede evitar simplemente conectando los cilindros en dos grupos de tres, ya sea a
dos turbinas diferentes, o entradas separadas de una sola turbina.
Si los cilindros correctos se agrupan, a continuación, el sistema de impulso de
presión en cada grupo será el mismo que el mostrado en la (Figura 93). De la
(figura 94) es evidente que los cilindros 1, 2 y 3 pueden formar un grupo y los
cilindros 4, 5 y 6 la otra, pero la disposición sería diferente si la orden de
encendido se cambió. Se puede concluir que el motor de seis cilindros es similar a
la de tres cilindros, desde el punto de vista de la turbo alimentación, pero el
rendimiento de la turbina puede ser ligeramente peor debido a las pérdidas
asociadas con la unión de dos sectores de una turbina de entrada dividida.
Es una desventaja conectar más de tres cilindros a una única entrada de la
turbina. Por lo tanto, para el motor de cuatro cilindros se muestra en la (Figura
108) pares de cilindros (1-2 y 3-4) estarían conectados a una turbina de doble
entrada.
En los motores con otros números de cilindros, la regla general será conectar
cilindros cuyas secuencias de conexión están separados por 240 ° de ángulo del
cigüeñal (en el caso de cuatro tiempos) y 120 ° (de dos tiempos) a una entrada de
la turbina, y seleccionar los cilindros cuyos procesos de escape están espaciados
uniformemente. Sin embargo, esto no siempre es posible. Por ejemplo, en un
motor en V-forma, el ángulo de en V introducirá una diferencia de fase adicional a
los intervalos de disparo entre cilindros. En tales casos, debe respetarse la regla
más básica de evitar la interferencia de ondas de presión directa.
157
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Antes de discutir la aplicación del sistema de impulsos de cuatro tiempos y
motores de dos tiempos en detalle, algunos puntos generales relacionados con el
sistema de impulsos son apropiados. La principal ventaja del pulso sobre el
sistema de presión constante es que la energía disponible para la conversión a un
trabajo útil en la turbina es mayor.
La operación de las turbinas de flujo radial y axial bajo ingreso parcial (es decir,
múltiples entradas), las condiciones de flujo inestable es compleja. El único
impulso desarrollado en la (Figura 91) claramente dará lugar a una baja eficiencia
media de la turbina debido a un período de tiempo expuesta al viento, y el flujo de
masa bastante significativa cuando el rendimiento de la turbina de estado
estacionario equivalente se sabe que es baja. Por lo tanto los beneficios de la
energía del pulso se perderán por la baja eficiencia de la turbina. Por supuesto, es
difícil utilizar el sistema de la alternativa 'presión constante' con un motor de
cilindro único, el ejemplo meramente se ha dado para ilustrar la pena cuando uno
de los cilindros de un motor de varios cilindros está conectado a una sola entrada
de la turbina (por desgracia este es necesario en algunos motores, por ejemplo, el
motor de cinco cilindros en la (Figura 109).
Si dos cilindros están conectados a una entrada de turbina de la turbina de la
eficiencia promedio será menor de lo que sería el caso con tres cilindros, ya que
(corto) existirían períodos del huelgo (véase la Figura 110). Así, el sistema de
turbocompresor de pulso es más adecuado para los motores cuyos colectores de
escape puede conectar grupos de tres cilindros a una entrada de la turbina. Sin
embargo, incluso si esto no es posible, la pérdida en la eficiencia de la turbina
debido a la admisión parcial y de flujo inestable, por lo general es más que
compensado por la energía adicional disponible en la turbina, por lo tanto, el
sistema de impulsos es, con mucho, el más ampliamente utilizado.
158
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
El sistema de impulsos tiene varias otras características atractivas más el sistema
de presión constante. Si el sistema está diseñado correctamente, por lo general
será posible hacer que la presión justo aguas abajo de la válvula de escape a caer
sustancialmente por debajo de la presión del colector de cilindro y de entrada
durante el período superpuesto de la válvula (Figura 110).
Desde el punto de vista práctico, el sistema de impulsos es atractivo en los
motores con un pequeño número de cilindros, ya que el sistema de escape es
simple y compacto. El motor más grande, con muchos cilindros, los colectores se
vuelven muy complejas y juntas de dilatación se convierten en un problema, por lo
tanto, el sistema de presión constante se convierte en más conveniente.
Para muchas aplicaciones una ventaja adicional del sistema de impulsos es una
aceleración superior. El pequeño volumen del colector de escape resultados en la
transferencia rápida de energía por ondas de presión a la turbina.
Una de las desventajas importantes del sistema de impulsos ya ha sido tocado, es
decir, un rendimiento deficiente al uno o dos cilindros sólo están conectados a una
entrada de la turbina, en particular si la relación de presión es alta.
la eficiencia de la turbina será pobre debido a la admisión parcial y el flujo
altamente inestable. Otra desventaja importante del sistema de impulsos también
se ha mencionado, a saber, un problema de la mala recolección de residuos si las
ondas de presión llegan a una válvula de escape en el momento equivocado.
Algunos motores, que tienen tubos largos, pueden ser incluso velocidad máxima
limitada para evitar que esto ocurra. Interferencia de pulso indeseable puede
ocurrir en un solo cilindro, en cuyo caso que el cilindro puede tener un flujo de aire
de baja y se ejecutará en una proporción aire-combustible muy rico a menos que
la bomba de combustible se ajusta para compensar. En este último caso, la
producción total de energía se reduce naturalmente.
Con el sistema de impulsos, el flujo de masa a través de la turbina es intermitente,
que tienen lugar en intervalos de tiempo más cortos, por lo tanto, la turbina debe
ser dimensionada para aceptar una alta tasa de flujo instantáneo, especialmente
para los dos cilindros / de canalización y uno grupos de cilindros / tubo. Por lo
tanto la proporción de tamaño ideal entre la turbina y el compresor es diferente en
operación de la presión del pulso y constante y, a menudo un tamaño
turbocompresor marco más grande tendrá que ser utilizado con el sistema de
impulsos. Esto puede provocar un funcionamiento menos eficiente del compresor
en el rango bajo de flujo de masa.
En la práctica, estos criterios significan que el sistema de presión constante se
utiliza exclusivamente en muy grandes, de alta calificación motores de dos
tiempos y algunos motores de velocidad media industriales. En estos motores, las
especificaciones son de tal manera que los impulsos de presión muy grandes se
pueden generar con el sistema de impulsos. Dado que la mayoría de la energía de
159
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
pulso de escape coincide con el pico del pulso, a juego este punto con alta
eficiencia de la turbina instantánea es importante.
PULSO DE TURBO ALIMENTACIÓN DE LOS MOTORES DE CUATRO
TIEMPOS.
El sistema de impulsos tiene otras características atractivas sobre el sistema de
presión constante. Si el sistema está diseñado correctamente, Por lo general será
posible hacer quela presión justo aguas debajo de la válvula de escapea caer
sustancialmente por debajo del cilindro y la presión del colector de admisión
durante el período de solapamiento de la válvula (Figura 111).Por lo tanto barrido
razonable se puede obtener incluso abaja carga del motor cuando la temperatura
del gas de escape, rendimiento de la turbina y por lo tantoaumentar la presiónes
baja. Para el misma razón, si la eficiencia global turbocompresor cae ligeramente
(debido a la contaminación en el servicio), barrido no se altera en serio.
Desde el punto de vista práctico, el sistema de impulsos es atractivo En los
motores con un pequeño número de cilindros, ya que los gases de escape del
sistema son simples y compactos.
160
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
El motor más grande, con muchos cilindros, los colectores se vuelven muy
complejas y expansión, juntas se convierten en un problema, por lo tanto, el
sistema de presión constante es mucho más cómodo. Para muchas aplicaciones
un ventaja más del sistema de impulsos es una aceleración superior. La pequeña
del volumen colector de escape resultados en la transferencia rápida de energía
por ondas de presiónala turbina.
Una de las desventajas importantes del sistema de impulsos tiene ya se abordó,
es decir, un rendimiento deficiente aluno o dos cilindros sólo están conectados a
una entrada de la turbina, en particular si la relación de presión es alta. En estas
disposiciones, la presión aguas debajo de las válvulas de escape pueden estar
cerca de atmosférica antes de que abra la válvula. Por lo tanto, poco de la primera
parte del impulso de presión se puede utilizar con eficacia en la turbina
Otra desventaja importante del sistema de impulsos también se ha mencionado, a
saber, un problema de pobres limpiar si las ondas de presión llegan a una válvula
de escape en el momento equivocado .Algunos motores, que tienen tubos largos,
pueden ser incluso Velocidad limitada para evitar que esto suceda.
La elección entre el pulso la presión constante dela turbo alimentación del sistema
se rige por el deber del motor, el rendimiento más económico y consideraciones
de mantenimiento .En la práctica, estos criterios significan que el sistema de
presión constante se utiliza exclusivamente en muy grandes, de alta calificación de
motores de dos tiempos y algunos motores medianos industriales de velocidad. En
estos motores de las votaciones son tales que muy pulsos de presión de mayor
tamaño se pueden generar con el sistema de impulsos.
Dado que la mayoría de la energía de pulso de escape coincide con el pico del
pulso, a juego con este punto de la turbina de alta instantánea la eficiencia es
importante. En la práctica, es difícil de mantener alta eficiencia de la turbina
cuando la relación de presión excede 03:01, por lo tanto, la eficiencia de la turbina
será baja si el pulso de presión de escape amplitud excede sustancialmente de
este valor.
Se han utilizado varios diseños de múltiples turbinas de entrada. Hoy en día casi
todos los fabricantes turbocompresor utilizan diseños similares, depende de si la
turbina tiene de flujo axial o radial Con turbinas de flujo axial de la zona de entrada
senoidal para el estatores igualmente dividido en 2,3 o 4 sectores separados, cada
uno conectado para separar tuberías de grupos de cilindros del motor. Turbinas
radiales con paletas del estator están disponibles con entradas individuales o
161
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
dobles, en este último caso(Figura 111} con la periferia del rotor dividido en dos
sectores de180°.
PULSOTURBODE LOS MOTORESDE CUATRO TIEMPOS
Los factores importantes que deben tenerse en cuenta cuando se utiliza el pulso
del sistema turbo en un motor de cuatro tiempos han sido mencionado en la
sección anterior. Lo más significativo de estos son los efectos delas ondas de
presión en el tubo de escape y la compactación del proceso y el impulso
desarrollado por el turbocompresor en virtud pulsante flujo de entrada de la
turbina.
RESUMEN DE LOS SISTEMAS DE TURBOALIMENTACIÓN
PULSO DE TURBOALIMENTACIÓN.

Ventajas
1.- Alta energía disponible en la turbina
2.- Buen comportamiento a baja velocidad y carga
3.- Buena aceleración del turbocompresor.
 Desventajas
1.- Mala eficiencia de la turbina con uno o dos cilindros por la entrada de la
turbina.
2.- Pobre rendimiento de la turbina de calificaciones muy altas.
3.-Complejo colector de escape con un gran número de cilindros.
4.-Problemas de reflexión de ondas de presión posibles (en algunos
motores).
 Aplicaciones
1.- Automóviles, camiones, motores marino se industriales, de dos y cuatro
tiempos;
2.-media y baja calificación(por ejemplo, hasta 17 a 18 bar BMEP en
motores de cuatro tiempos).
162
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
LA PRESIÓN CONSTANTETURBOALIMENTACIÓN
 Ventajas
1.- Alta eficacia de la turbina, debido aflujo constante
2.- Buen rendimiento con una gran carga Colector de escape simple
 Desventajas
1.- Bajo consumo de energía disponible en la turbina
2.- Bajo rendimiento a baja velocidad y carga
3.- Aceleración turbocompresor Malo.
 Aplicaciones
Motores industriales y marinos grandes que operan a velocidad constante y
carga, alta calificación, de dos y cuatro tiempos.
CONVERTIDOR DE IMPULSOS TURBOCOMPRESOR (TIPOS SIMPLES Y
MULTI-ENTRADA).
 Ventajas
1.- El buen desempeño en los motores con turbopulso normalmente dos (o
uno) cilindros por la entrada de la turbina.
 Desventajas
Bajo rendimiento a muy baja velocidad y carga Sólo apto para motores con
cierto número de cilindros(por ejemplo,cuatro,ocho,dieciséis).
163
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
CONVERTIDOR DE IMPULSOS TURBOCOMPRESOR (SISTEMA SEMTMODULAR)
 Ventajas
1.- Colector de escape simple.
 desventajas
2.- Aceleración turbocompresor Malo (entre el pulso y la presión constante
sistemas).
La caída de presión entre el cilindro y la válvula es baja para el proceso de
escape, minimizando el efecto de la energía cinética siendo generado y luego
desperdiciado. La presión en el tubo de escape colector(que se midió cerca de la
válvula de escape) tiene caído por debajo dela presión de colector de admisión
antes de la entrada válvula comienza a abrirse, y sigue bajando.
La favorable caída de presión entre la entrada y escape se mantiene para el
período de superposición de válvulas, la creación de flujo de aire de barrido, con la
caída de presión máxima coincidiendo con el período en que se combina (de
entrada y de escape) ,área de la válvula es un máximo. a la entrada de la turbina,
el flujo será inestable pero expuesta al viento, ha sido eliminado ya que la presión
es superior a la ambiente en todo momento.
El único peligro evidente a partir de la (figura109) es el hecho de que el pulso de
presión 3 es directamente desde el cilindro 3 que llega justo cuando la de escape
se cierra Esto no hace daño en este caso, pero lo haría si hubiese llegado antes.
Así,el período de apertura de la válvula de escape Se han hecho, la interferencia
de impulso sin deseables significativamente más largo podría ocurrir.
Los problemas son más probables que surjan a partir del impulso reflejado (de la
turbina), afectando una de las botellas de un gran motor con mucho cruce de
válvulas, corriendo a gran velocidad. Por ejemplo, cilindro N º8 del motor de ocho
cilindros se muestra en la (Figura111) puede recibir un pulso reflejado después de
un tiempo de retraso considerable debido a la larga longitud de la tubería
(ecuación 2.26). En la (figura110)el pulso purga desde el cilindro 8,se refleja desde
el primer extremo del cilindro 1, y se refuerza por una reflexión que llegó
procedente de la turbina. A continuación, llega a la válvula durante el período
crítico de la válvula de superposición.
164
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Este sólo se pueden evitar al mantenerlos tubos de escape lo más corto
posible(por ejemplo, mediante el uso de un turbocompresor montado en el centro
en el motor de la (Figura112).
Si no es posible para acortar las tuberías, los malos resultados del cilindro en
particular deben ser aceptado o un cambio realizado a un convertidor de impulsos
(ver sección siguiente) o sistema de presión constante. Obviamente, la misma
reflexión de impulsos problema también puede ocurrir en los motores con tres o un
cilindro conectado a una entrada de la turbina.
Con dos cilindros conectados a una entrada de turbina de la presión, el diagrama
de la turbina será menos favorable que el que sería el caso si se les unieran tres
cilindros igualmente por etapas. los gases de escape, las caídas de presión a la
temperatura ambiente (durante un corto período de tiempo, entre los pulsos)
introducir pérdidas efecto del viento, etc., por lo tanto ,la turbina demedia eficiencia
será menor que la obtenida con los grupos de tres.
Sin embargo, a menos que se produzca un problema de reflexión de impulsos, los
gases de escape (diagrama de presión) ,fomentará un buen barrido y favorables
tipos de bombeo de intercambio de gases, por lo tanto,la disposiciónes
ampliamente utilizada.
El aumento de la energía disponible en la turbina sobre el sistema de presión
constante por lo general será más que compensada la pérdida en la eficiencia de
la turbina menos que el motor está funcionan de bajas presiones muy altas.
El rendimiento de los motores que utilizan grupos de uno y dos cilindros a una
entrada dela turbina siempre habrá pobres, pero esto puede ser aceptada si otras
razones impiden la adopción de presión constante al turbo alimentación. La única
alternativa es el sistema de convertidor de impulsos (sección 2.4.4).
Figura.112 Dos tipos de turbinas de flujo radial de doble entrada
165
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Figura113 Arreglo de la turbo alimentación de pulso en un motor de ocho
cilindros
El consumo de combustible mejora debido a un mejor barrido y un pistón más
favorables de bombeo.
(La figura113) muestra el cambio relativo en SFC con la eficiencia del
turbocompresor (medido en condiciones estables en un banco de pruebas de
turbocompresor) para una velocidad media de cuatro tiempos motor, con grupos
de dos o tres cilindros conectado a cada una entrada de la turbina.
PULSOTURBOCOMPRESORDEMOTORES DE DOS TIEMPOS.
La eficacia de la recolección de residuos es la clave para el éxito y funcionamiento
eficaz del motor de dos tiempos. También ha sido demostrado que, con el sistema
de presión constante, el turbocompresor no es auto suficiente en la baja carga del
motor.
Durante el barrido periódico del pistón del motor de dos tiempos se mueve sólo
ligeramente y por lo tanto no se realiza trabajo por el pistón que podría ser
utilizado para suministrarla energía que falta en el sistema de escape.
la Turbo alimentación con el sistema de impulsos proporción a una gran cantidad
de energía de presión durante el período de soplado hacia abajo para la turbina y
recolección muy eficaz de residuos en funcionamiento a carga parcial.
Esto se logra manteniendo el volumen del colector de escape pequeña como sea
posible y evitando largas tuberías que podrían causar reflexiones de impulso se
interfieren con la recolección de residuos. Así, en los motores de dos tiempos que
166
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
funcionan con el sistema de impulsos tienen turbocompresores montados muy
cerca de los cilindros, un turbocompresor sólo sirve a dos o tres cilindros.
El diagrama (Figura115) tiende a consistir en distintos tipos de 'purga' y 'limpiar
periódicamente ".
Si un motor de dos tiempos tiene un buen sistema de recolección de residuos y el
sistema de escape está diseñado para permitir la caída de presión entre
colectores de admisión y de escape a ser grandes durante el barrido periódico, el
sistema de impulsos permite que el motor funcione con una cierta sustancia de
buenas condiciones sin la ayuda de barrido auxiliar.
La combinación de un buen barrido, de alta energía disponible y eficiente
operación de la turbina del turbocompresor permite el motor de 2 tiempos donde el
motor para funcionar auto-sostenido, sobre todo el operativo rango.
En algunas ocasiones que es posible utilizar el reflejado pulso de presión para
ayudar al proceso de intercambio de gases. Si la combinación de la velocidad del
motor de escape de longitud en la tubería y la válvula de sincronizaciónes tal que
el retraso del impulso reflejado es un poco menos que la plena y la apertura
periódica de la válvula de escape, entonces el pulso reflejado puede elevarla
presión de escape, así como la válvula se está cerrando.
Sin embargo, si es reflejada la onda de presión llega un poco antes, cuando la
válvula de escape y el área es grande y el borrado no se ha completado, entonces
la masa atrapado en el cilindro tendrá un alto contenido de gas residual.
Además, los productos de combustión pueden ser soplados a la derecha a través
de en el colector de admisión donde los depósitos de carbono pueden acumularse.
Esta situación no debe ser aceptada.
167
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Figura114 Efecto de la eficiencia del turbocompresor en el consumo de
combustible, el sistema de impulso específico. 3:1 presión de sobrealimentación
(Ryti y Meier)
Figura115 Diagrama de presión de escape de un motor dedos tiempos con tres
cilindros por la entrada de la turbina.
168
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
La principal desventaja del esquema descrito anteriormente puede ser evitar asi se
hace uso del pulso de presión directa de un cilindro adyacente, en lugar de un
pulso reflejado procedente del cilindro en cuestión.
Por ejemplo, con un grupo de tres cilindros (Figura 115),el intervalo defaseentre
los cilindros(120 °) está cerca el período de apertura de la válvula de escape.
Si los gases de escape período es más largo, y el tiempo de recorrido de onda de
presión directa es muy corto, a continuación ,la presión del pulso3 podría llegar
ligeramente atrasado, al final del período de escape, el aumento de la masa de
aire fresco atrapado en el cilindro como se ha descrito anteriormente.
El desfase entre la apertura de la válvula de escape (CYL. 1) y el pulso3 tiene dos
componentes, el ángulo de fase entre los cilindros y el tiempo de viaje de ondas
de presión.
El primero de ellos se elimina y es constante en términos de ángulo del cigüeñal,
por lo tanto, el efecto de la velocidad de motores pequeño.
PRINCIPIOS
DELCONVERTIDOR
DETURBOALIMENTACIÓN.
DEIMPULSOSY
OTROSSISTEMAS
El Sistemas de turbo alimentación y el pulso convertidor se han desarrollado para
mejorar el rendimiento de los motores que sufren de bajo rendimiento de la turbina
con turbocompresor y el pulso debido a los largos períodos y admisión parcial
(múltiples entradas de turbina) y las pérdidas Intentan preservarlas ventajas del
sistema de impulsos, con sus inherente alta energía disponible y el flujo no
permanente en el lumbrera de escape, con el flujo más estable y mas eficiente en
la turbina.
Un sistema de convertidor de pulso, en su forma más simple, se muestra en
(Figura116), aplicado a un motor de cuatro cilindros. Un convención al colector de
pulso se utiliza, pero un cruce cuidadosamente diseñado para conectarlas dos
ramas de la multiforma una sola turbina de entrada.
169
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Los Diagramasde presión2.35son grabados desde laautomocióndel motor de dos
tiemposcon el convertidorde impulsosde la (figura116) yunsistema de
impulsosconvencional.
Mediante
la
conexión
detodos
loscuatrocilindrosaunaentrada de la turbinaindividuales,períodoshuelgoentre los
pulsosde escapeestán totalmenteevitado.
Las condiciones de entradade turbinanoson constantes, comoporel sistema de
presiónconstante, perola muy bajaeficienciase evitan lospuntosde funcionamiento
delsistema de impulsos.
La uniónestá diseñadopara minimizar la transmisiónde unpulso de presiónde la
ramadel colector de escapea la otra, evitando de este modounpulso degolpehacia
abajode un cilindro y destruir elotro de proceso barrido. Esto se logramediante la
aceleración delgascomoque entra enla unión, lo que reduce su presiónen la unión,
yreducir al mínimosu efecto sobrela otra rama. En la (figura117), unpulso de
presiónde escapedel cilindro3llega alcilindro1enal final de superíodo debarrido,
perola uniónhareducido suamplitudVariandolas áreasde las tuberíasde sección
transversalen las entradasa launiónpuedecontrolarla influenciadepulsos de
presiónenunaramade
presiónen
la
otra,
pero
las
reduccionesde
áreasustancialesDebe evitarse unamezcla turbulentaen la uniónreducida de la
energíadisponible enla turbina.
los Convertidoresde impulsosdeeste tipoestán equipadospara velocidad mediade
motores diesel, particularmente aquellos con 4,8,16y otrosincómoda(porpulsoturbo
alimentación) el número de cilindros. Invariablemente, elcolectornormalse
utilizacon el convertidorde impulsosunirse alas ramasa una turbina
Enel caso deun ocho cilindrosmotor, se utilizandosconvertidoresde impulsos, cada
unoconectado auno de loslasdosentradasdela turbina.
Un
motorde
dieciséis
cilindrosdebeutilizarcuatroconvertidoresde
impulsoscondosturbocompresoresde
entradao
unaunidad
de
cuatroentradas.Consulte
la
(Tabla2.1)para
un
resumen
delas
ventajasydesventajas relativasapulso ypresiónconstante de turbo alimentación.
El concepto de convertidor de impulsos modular desarrollado por SEMT de aún
más cerca en concepto a un sistema de presión constante, pero evita el uso de un
colector de gran volumen.
El orificio de escape de cada cilindro está conectado a un único colector de
escape relativamente de pequeño diámetro que llega hasta todos los cilindros del
sistema (Figura 118).
170
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Cada puerto de escape está conectado a la tubería principal por un impulsos del
convertidor (Figura 116, arriba).
Lapresión es la principal tubería se mantiene baja mediante el mantenimiento de
una alta velocidad del gas en la tubería en los EE.UU. durante muchos años , pero
estos uso de mayor diámetro principal tuberías con una reducción significativa en
el área de las uniones de cada puerto de escape . En teoría, están más cerca de
sistemas convencionales de presión constante.
La ventaja del sistema de SEMT no es específicamente un mejor rendimiento,
aunque esto puede ser logrado, pero la relativa simplicidad a un sistema de
impulsos, y mayor que un sistema de presión constante normal.
MOTORES DE CUATRO TIEMPOS CON PULSO CONVERTIDORES
La ventaja de una mayor eficiencia promedio de la turbina debido a uniones en un
convertidor con algunos arreglos de cilindros mejora el rendimiento de los motores
de cuatro tiempos. Sin embargo, la unión de
áreas tienen que ser
cuidadosamente seleccionados, si el motor tiene una válvula de largo periodo,
debe superponerse para evitar dañar el proceso de barrido. Se muestra los
diagramas de presión medida en un tubo de escape y el puerto de una velocidad
media alta y la calificación del motor de cuatro tiempos. Los tres diagramas se
obtuvieron con convertidores de impulsos que tiene diferentes áreas de sección
transversal de tubería en la entrada a la unión.
Sin embargo, la reducción de la tuberíaadicional escontraproducenteporqueesto
constituyeuna restricción de flujosignificativapara el cilindro1, aumento de la
presióndel colector de escapeenla rama delos gases de escapemúltiples.
Esto reduce lacaída de presión enel cilindrodurante lamayor parte del periodode
barrido. Así pues, hayun grado óptimo, en este caso conlazona deunión de
un70%.
LosMotores Automotrices de cuatro tiempostienenpoca superposiciónde
válvulasyflujo debarridoinsignificante, ypor lo tanto sonmenos susceptibles
ainterferencia depulso de presión. La zonaóptimaen la unión, relativaa latubería
dediámetro normal, será mayor.
171
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
MOTORES DE DOS TIEMPOSCONPULSOCONVERTIDORES
Motores de dos tiemposson muchomás sensibles a lacontrapresión de
escapedurante el periodode barrido, pero enciertoscasos, los convertidoresde
impulsospueden ser beneficiosos.
Enel caso dela industria del automóvilde motorde cuatro cilindros(camión) de la
figurael diagrama depresión de escapemidecerca de lasválvulas, muestrala
presióncrecienteparacasi igualarla presión de sobrealimentaciónen elfinal del
periodo debarrido.
Enel casodelmotor de dos tiemposesto puede ser beneficioso, ya queeleva la
presióndel cilindro yla masade aire frescoatrapadoen elcierre de la lumbrera, a
condición de quelacaída de presión enel cilindroes satisfactorioal principio del
períodode barrido. Esta situación sepuede lograr concuatro, ochoydieciséis
cilindrosdebido asucombinaciónconvenientede dispararel puertode entraday
elintervalo deApertura. Nota, elconvertidor deimpulsoshaimpedidoel pulsoque
llega alcierre de la válvula queexcedala presión de sobrealimentaciónen su
apogeo.
3.4 REFRIGERACIÓN DEL AIRE DE CARGA
Principios de refrigeración de carga
La razón principalpara elturbocompresores aumentarel poderde salidade un
motorsin aumentarsu tamaño. Esto se logramediante el aumento dela presión del
colectorde admisión, por lo tanto,el aumento de la masade aire frescointroduce
enlos cilindrosdurante la ingestaaccidente cerebro vascular yque permitemás
combustible paraser quemado. Sin embargo, desde las leyes básicasde la
termodinámicasabemos quees imposiblecomprimir el airesin aumentarsu
temperatura(a menos que el compresoresenfriado).
Dado queestamos tratando deaumentarla densidad delaire, esteaumento de la
temperaturacompensa parcialmenteel beneficiode aumentar lapresión. Por tanto,
elobjetivo debeser el de obteneruna presiónconun aumentomínimo de la
temperatura. Esto implicaisentrópicode compresión.
172
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Desafortunadamente, debido aineficiencias en laprácticacompresores, el
aumentode temperatura realserá mayor quela deuna máquina deisentrópico.
Cuanto más eficiente seael compresor, cuanto más cerca delaumento de la
temperaturase aproxima ala temperaturaisentrópicosubir.
Designandolos estados1y2comolaentrada y la salidaparael compresor, la relación
dela densidad del aire(salida del compresor sobre la entrada) está dada por
(2.27)
La ecuación (2.27) se representa gráficamenteen la (Figura105)para un rango
depresiónproporcionesy
eficienciasdel
compresor.
Variospuntosinteresantesemergenen primer lugar, el beneficio obtenidomediante
el aumento delcolector de la entradade presión casiseredujo a la mitaddebido a la
temperaturaque acompañaaumentando enel compresor(depende de la eficiencia
del compresor).
En segundo lugar, laventaja de la altaeficiencia del compresores ayudarpara
mantener la temperaturahacia abajoes relativamentepequeña.
En tercer lugar, en términos absolutos,el beneficio quepodríaserobtenidopor
enfriamiento delaire comprimidode nuevo acerca de lascondicionesambientales es
considerable, y aumenta con larelación de presión. Claramentees atractivopara
tratar deenfriar el aireentre la entregadel compresoryla ingestadelos cilindros.
Figura116. Convertidor modular de impulsos (SEMT Pielstick) y tuberías acuerdos con varios sistemas
de turbo alimentación en un motor de nueve cilindros
173
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
La eficaciase denomina a vecescomo la relacióntérmica. Dela ecuación (2.28) es
evidenteque la eficacia yla temperaturacaerentre la entrada de aire"caliente" yel
medio de enfriamiento"frío"determinarían la formade refrigeraralcanzable.
Es evidente que larefrigeraciónmedia debe serlo más frío posible, por lo tanto,un
suministroderefrigeraciónagua a temperatura ambienteserámás útil queel
motordelpropio sistema deagua de refrigeración. En segundo lugar, cuanto mayor
sea elgas de entrada,latemperaturaserá más útildel enfriadorpor lo tanto,una
cargarefrigerantese
hará
másatractivaa
mayorpresión
de
sobrealimentación(Figura 117).
A partir dela ecuación (2.28) temperatura de entradaa los cilindrosse dapor:
En la (figura 117) se muestra el efecto de la relación de la densidad. Comparado
para el caso no refrigerado en el que el aumento de temperatura en el compresor
compensa mediante la prestación debida al aumento de la presión, el enfriador
permite la relación de densidad para ser aumentado hasta el 80 % de la relación
de presión.
El Pos-enfriamiento tiene algunas desventajas. A partir del punto de vista de la
termodinámica, el único problema es que el flujo de aire a través del enfriador de
resultados en una pérdida de presión, ya que los pasajes de flujo estrechos es
necesario para la refrigeración eficaz
Una fuente de aire frío o preferiblemente agua (debido a su transferencia de calor
más alto coeficiente) debe estar disponible. Esto puede ser fácil de conseguir, por
ejemplo, en aplicaciones marinas, pero no siempre es posible. si la presión de
sobrealimentación es baja y el refrigerante disponible relativamente tibia ( tal como
174
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
el propio sistema de agua de refrigeración del motor en una unidad automotriz ) ,
refrigeración de carga producirá sólo beneficiara en los plenos poderes solamente.
Una tercera desventaja será el costo, pero los beneficios de refrigeración de
carga serán mayores que la tasa adicional.
Un sistema de refrigeración del aire- aire alternativa interesante para el motor del
vehículo utiliza de purga el aire del sistema de turbo alimentación para accionar el
ventilador de suministro de aire de enfriamiento. Alrededor del 5 - 10 % del flujo
de aire a través del compresor se utiliza para conducir un impulso de la turbina de
aire construida alrededor de la circunferencia de un ventilador.
Un Sistemas de refrigeración aire- agua pueden utilizar el enfriamiento normal de
agua del motor o un cerrado de agua separada del sistema de enfriamiento con
su propio radiador de agua –aire.
La ventaja del sistema anterior es la simplicidad de instalación, pero enfriamiento
está limitada por la alta temperatura del agua (típicamente alrededor 900C). De
hecho es probable que se produzcan a bajo calentamiento del aire de admisión y
baja carga de velocidad.
Una comparación del rendimiento del motor con los dos sistemas
compactos(sistema b, ventilador de aire- aire y un sistema de punta c, refrigerante
del motor de agua) .
El aire –aire sistemas muestra un claro beneficio en la consecución de un cilindro
inferior temperatura del aire de admisión, debido a la baja temperatura del
refrigerante, y el consiguiente beneficio en el rendimiento del motor.
175
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
REFRIGERACIÓNDEL AIRE DE ADMISIÓNY ELRENDIMIENTO DEL MOTOR
Para una salida depotencia fija, intercoolerreducirálatemperaturay por lo tantola
carga térmica. La eficiencia tambiénsemejorarligeramentepara lograrla misma
masadeaire atrapadoen el cilindro, la presión de sobrealimentaciónno tiene que
sertan altoylarelaciónpuede aumentar.
Naturalmente, sise reducelacarga térmica, lapérdida de caloralrefrigerantetambién
ayudará ala eficiencia térmica, aunquelimitadamente. Sin embargo, el costo
adicional de losequiposintercoolerdebe ser compensadopor unamayor potencia de
salida.
Dado quela densidad de cargaaumentaconintercooler, más combustible(todos los
demás factores que se asumeniguales).Por lo tanto, en la (figura117), el uso deun
refrigerador intermediodeeficacia de 0,7permite un aumentodepotencia de
salida1,5 a 1,8veces laaspiración naturalpotencia de salida enrelación de presión
de2:1.En unarelación de presión dela2,5:1aumentoes1,75 a 2,20veces la
potenciade aspiración naturalde salida.
Sin embargo, en la carga térmicau otros factorespodría limitarel
crecimiento.Consideremos en primer lugarel funcionamiento del motorcon y
sincarga de aire, sin cambio en lamáximaalimentación de combustible.
Los resultados del motor en funcionamientodurante unamplio rango de
velocidadsemuestra en la (figura 115)obviamente reducela temperatura de
entradadel colectorsustancialmentey este efectosesiguióla derecha a travésdel
ciclo, la reducción decalortransferidoa los cilindros ylaentrada de la turbina.
Fig.115lntercoolereficaciay la relación dedensidad, como una funciónde larelación de
presióndel compresor.
176
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Fig.- 116
Consideremos ahorala situaciónmás realistaen el quelas ventajasderefrigeración
de cargapara aumentar elabastecimiento de combustible, aunque nola medida en
quelos retornos mínimosde aire-combustibleasu valor anterior(Figura 119).
Una vez mássincambioen el turbocompresor, b.m.e.p.aumenta16 a 19,5bar(22%)
y el combustibleespecíficael consumose reduce en un 6%. Estos resultados se
obtienen conabastecimiento de combustibleajustada para alcanzaralgun
aumentoen la cargatérmica de losla cámara de combustión.
Sin embargo, el cilindromáximode la presiónha aumentado de105 bara 118bar
(12,5%). En esteprueba en particular, el movimiento a un mayorflujo de airea
través de lacompresorhamovido elpunto característicoa toda potenciaparaun área
177
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
debajaeficiencia del compresor. Por lo tantorelación aire-combustibleenmáxima
potenciaesla mismacon osin elenfriador de carga.
Figura117. Comparación de rendimiento del motor con el aire ambiente y el agua del sistema
de refrigeración del motor como refrigerantes del aire de carga. (Adaptado de McLean y
lhnen)
El análisis de estosresultadosmuestraque el enfriamientode carga que permite
elaumento de las potencias sustancialesque deben alcanzarsesin aumentarcarga
térmica.
ElConsumo específicode combustible tambiénpuede beneficiardebido alfreno
depresión efectiva media indicadasinun aumento correspondiente enlas pérdidas
por friccióndel motor, y paralarelación aire-combustiblemás débil.
178
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
3.5 JUEGO DELTURBOCOMPRESOR
Los Motores diésel de aspiración natural son capaces de operar sobre amplias
gamas de velocidad, del orden de3:1en el motor decamión y5:1en los motoresde
automóviles de pasajeros. La velocidadmáxima será deutilidadgeneraly está
limitado
por
labaja
eficienciavolumétrica,
la
inercia
demovimiento
alternativopartesoen el caso dealgunos motorespequeños, de alta velocidad,
altaspérdidas por friccióny, a vecesuna mala combustión.
Un
motorque
está
diseñadopara
un
funcionamientode
velocidad
variablesesueleexhibirun
deterioroen
el
rendimientotanto
enbaja
y
altavelocidad.Esto es debido alas pérdidas por fricciónde la gasolinaenla
entradade las válvulas, el uso dela sincronización de válvulasoptimizadoenla
gamade velocidad mediayuna falta de coincidenciagradual entrelas
característicasdel inyectorde combustible.Elrendimientodeturbo máquinasesmuy
dependiente de lasde gas deentradaalrotorimpulsor,difusor yturbina.
Estas pérdidasse incrementarán conel aumento del ángulode incidencia, por lo
tanto,las turbo máquinasnoestán bien adaptadospara la operacióndurante
unamplia gama de flujo. Su uso comosobrealimentadoresesdebido a su
altoeficiencia depunto de diseñoy su capacidadde permitir el flujode masade
altatarifas a través demáquinas pequeñas.
Esclaro queuna turbomáquina no es ideal para operar en conjunción con una
máquina de movimiento alternativo, por lo tanto,la combinación de motor diesel y
turbo deben planificarse con cuidado.Las maquinas del turbocompresor correcta
para un motor diéseles de gran importancia y es vital para el buen funcionamiento
179
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Figura 119 Efecto de la refrigeración intermedia en el rendimiento del motor
con el suministro de combustible incrementado
Por ejemplo, si se requiereun motorpara ejecutarpara la mayor partede su vidaa
una velocidadconstante y cargacompleta,el turbocompresorseráelegidode tal
manera quesuárea de operaciónde altaeficienciacoincideconla relación de
presióny los requisitosde flujo de masadel motorenesa condición.
Eltamaño básicodelturbocompresorserá determinado porelcantidad deaire
requeridopor el motor. Estaserá una funcióndecilindrada, la velocidad,(opresión de
sobrealimentación), la densidad deaire en elcolector de admisión, la eficiencia
volumétrica ycompactarflujo. Siestos parámetrosse conocenuna estimacióninicial
del airetasa deflujo de masapuede hacerse:
Para unos motores de cuatro tiempos
(2.30)
180
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
El rendimiento isentrópico del compresor se puede tomar a partir de mapas de
compresor. Si se cita la eficiencia del compresor sobre la base total de al total de
la corrección de algunos puntos porcentuales abajo en el total a valor estático se
requiere. Para un enfriamiento posterior empleando motor de la temperatura
impulso tiene que ser reducida de acuerdo con la ecuación (2.29).
Desde los valores de temperatura y presión ambiente, se requiere relación de
presión del compresor, la tasa de flujo de masa a la máxima potencia puede ser
estimada. Al observar los lineamientos básicos que se presentan en el
turbocompresor la literatura del fabricante, o la característica completa del
compresor curvas ( Figura 120 ) , una base ' del turbocompresor pueden ser
seleccionados .
Se realizará la selección final de compresor teniendo en cuenta las líneas
completas de funcionamiento del motor a lo largo toda su velocidad y rango de
carga, superpuesta sobre el compresor característico. El compresor 'trim ' o difusor
se elegirá para permitir un margen suficiente de aumento al tiempo que garantiza
que el líneas que operan pasan por la zona de alta eficiencia.
LaCoincidencia del turbocompresor, especialmente en un nuevo motor, puede ser
un proceso largo, ya que muchos parámetros dependientes están involucrados.
Aunque la base es para que coincida con la del turbocompresor y el motor, bien
puede ser necesario para mejorar el rendimiento de la combinación de cambios en
el diseño del motor al mismo tiempo. Algunos ajustes del sistema de inyección de
combustible, por ejemplo, son obviamente esenciales. Otros, que pueden ser
deseables, incluyen alteracióna lazona de la válvulay el momento.
181
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Figura120característicadel compresor, con los requisitosde flujo de airede unmotor de
camiónde cuatro tiempossuperpuestoscon compresorconstantelíneas de alta velocidady
eficiencia demostradatambién.
La mayoría degrandesmotoresindustriales altamentecalificadossondiseñadoscomo
taldesde el principioy esmenos comúnpara un diseñode aspiración naturalque
seutilicenporturbocompresoren esta clasedemotor.
Los fabricantes demotores más pequeños, Sin embargo, a veces motoresque
fueron originalmentediseñados para el usode aspiración natural. Afortunadamente,
si la potenciamodestaSe buscaganancias(hasta el 50%), rediseñorara vez es
necesarioya que la presiónmáxima del cilindrose puede mantenerporunmotor de
compresión dereducción deratio,ylas tensiones térmicassonno suele ser
unproblema
importante.
Sin
embargo,
siuna
mayor
gananciade
potenciaserequiereque el motorprobablemente requerirárediseño.
LAS
CARACTERÍSTICAS
TURBOCOMPRESOR
DEL
FLUJO
DE
AIREDELMOTOR
Y
El caudal de airea través de unturbo(noenfriado) motor dieselserá una funcióndela
velocidad del motor, la entregadel compresorla densidad del aireyla diferencia de
presiónentre la ingestaycolectores de escapedurante elperiodode solapamientode
válvulas. Si elmotor funcionaa velocidad constante, pero el aumento dela cargade
182
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
manera
constante,
a
continuación,la
tasa
deflujo
masaaumentaráaproximadamente con elaumento de la densidadde carga.
de
El flujo de airea través del motorpuedesersuperpuesto sobreuna característicadel
turbocompresor, como se muestraen la (Figura110), la pendienteque serige porla
densidadrelación.
Siun refrigerador posteriorestá equipadoentonces,como la cargaaumentael
enfriamiento,efecto seráaumentar ladensidad de cargamás rápidamentepara
uncorrespondienteaumentode la presión, por lo tanto,la pendiente de laconstante
del motorde la línea de flujo deaire de velocidaden la característicadel
compresorserá menospronunciada quelas que se muestranen la (Figura110).
Consideremos ahoraun motora cargaconstante, peroel aumento develocidad. A
medida que lavelocidad del motoraumenta,también lo hará elvolumétrica y
velocidad de flujo deaire. Elárea de flujo efectivadelturbocompresorse mantiene
casiconstantepor lo tanto,la presión de entradade la turbinase elevará.
El efecto combinado de la tres factores que afectan el margen de bombeo varían
de un motor para una aplicación, a otro. En general, sin embargo, un margen de al
menos 10% (de la tasa de flujo de masa) entre el aumento y la más cercana líneas
de funcionamiento del motor.
Este es de hecho suerte ya que si la turbina está funcionando bajo el sistema de
impulsos con un flujo altamente inestable, entonces no es realista para trazar un
Valor en el mapa de la turbina. El resultado puede ser bastante engañoso.
Para evaluar con precisión el área de operación en un mapa de la turbina se
requerirá una parcela de flujo de gas instantáneo y relación de presión sobre una
amplia gama de condiciones de funcionamiento del motor.
Así, el área efectiva en la turbina será ajustado (mediante el cambio de los
componentes mencionados anteriormente) a alcanzar el nivel de refuerzo deseado
en el compresor.
Si el área de la turbina se reduce, la presión de sobrealimentación del compresor y
el tasa de flujo de masa va a subir, la primera por una cantidad mayor que este
último ya que la temperatura de carga también aumentará. El efecto, en términos
de las líneas de funcionamiento del motor superpuesto sobre el compresor
característico, se muestra en la.
183
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
MOTORES DE DOS TIEMPOS
Las características de flujo de aire de un motor de dos tiempos dependerán sobre
si el motor está equipado con un turbocompresor solo o tiene una bomba de
recuperación auxiliar o un soplador. Consideremos en primer lugar la situación
cuando se utiliza un turbocompresor por su cuenta.
Durante el período cuando los puertos de entrada están abiertos, los puertos de
escape o de las válvulas también serán abrir y la tasa de flujo de aire dependerá
de la caída de presión entre los colectores de admisión y escape. La disposición
física es análoga a fluir a través de dos orificios colocados en serie.
El flujo de masa frente a la relación característica de presión de flujo constante a
través de dos orificios en serie es una curva única y se sigue que el motor de dos
tiempos exhibirá una característica similar.
Por lo tanto la línea de funcionamiento del motor, cuando se superpone a la
característica del compresor será una curva única, casi independientemente de la
carga o la velocidad
Si las bombas o compresores de barrido se colocan en serie con el
turbocompresor en un motor de dos tiempos, a continuación, la característica de
flujo de aire estará dominada por la recolección de residuos dispositivo.
Por ejemplo, una bomba de recuperación alternativa exhibirá muchas de las
mismas características de flujo como un motor de cuatro tiempos, por lo
tanto,cuandose trazanlíneasconstantesla operación de cargay la velocidadenla
característica decompresor, el resultadoespoco diferente
184
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Figura 121. El efecto de coincidencia de la turbina en juego del compresor
Figura122.Característicadel compresorcon los requisitosde flujo de airedeunmotor de dos
tiempossuperpuesta(sin compresor adicional)
185
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
En general, sin embargo, el problema de la concordancia de no ser
significativamente diferente a la de un motor de cuatro tiempos y de las
observaciones hechas anteriormente aplicables.
En general se espera que el turbocompresor deba hacer la mayor cantidad del
trabajo de compresión como sea posible. Dependiendo de la calidad de los el
sistema de recolección de residuos, la eficiencia del turbocompresor, el uso de
pulso o presión constante turbo alimentación, etc., el turbocompresor puede muy
bien ser capaz de proporcionar suficiente presión de sobrealimentación a plena
potencia, pero no con poca carga.
El balance final variará de motor, ya que muchos factores están involucrados.
COINCIDENCIA DE FUNCIONAMIENTO A VELOCIDAD CONSTANTE
La aplicación más común que requiere un motor diésel de velocidad constante y
fuente de energía es la generación de electricidad.
Las características del compresor básicos resultan de esta variable carga en
aplicaciones de velocidad constante que se muestran por una velocidad constante
(figura 120).
Los pequeños ajustes en el área de la turbina afectarán tanto el impulso y las
presiones de escape, por lo tanto, el trabajo de bombeo y el consumo de
combustible resultante en el motor.
Dentro de los límites de carga mecánica y térmica aceptable del motor, y la
coincidencia de la turbina se utiliza para lograr un rendimiento óptimo y el
consumo de combustible. (Figura 123) muestra el efecto de turbina.
Será un compromiso entre rendimiento y baja y alta carga. Si el generador diésel
es necesario para la operación de carga base, el turbocompresor de ser igualado
a la carga nominal (línea continua en la Figura 123).
De otra manera un anillo de boquilla más grande o absoluta se instalarán para
mejorar la carga parcial eficiencia.
La boquilla pequeña aumenta pistón de bombeo trabajo y por lo tanto aumenta el
consumo de combustible, excepto con carga elevada, cuando los beneficios del
motor del aire adicional que resulta de la turbina y el trabajo del compresor.
186
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Se dan las características de flujo de los tres acabados de turbinas usadas en la
(Figura 125). En este caso, la turbina más pequeña, aunque se benefician de
aumento de la energía disponible, tiene una eficiencia menor que los adornos más
grandes (de ser cortado de un diseño más grande). Además el alto nivel de
presión de escape desarrollado por la pequeña área efectiva de flujo de la turbina,
tiene un efecto adverso en el barrido.
Figura 123. óptima adaptación de la turbina de carga fija, velocidad constante
187
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Figura 124. El efecto de la pequeña variación de la superficie de la turbina en el rendimiento
del motor a una velocidad constante
Figura 125. Curvas de caudal de turbina de Trims de la Figura
188
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
En la (figura126)lastasas de flujode aire del motorse superponenelmapa de
compresor, concada uno de lostresajustesde la turbina. Claramentela elección
delcompresorescorrectaconla turbina demedioperosería necesarioun ajuste
delcompresor más pequeñopara evitarsobretensionesconla turbinamás pequeña,
yuna
varianteun
poco
más
grandepara
lograróptimaeficiencia
del
compresorconlaturbinamás grande.
ADAPTACIÓN DELMOTOR MARINO
Lapotencia requeridacontracaracterísticas de velocidaddelmotor está reguladapor
elrendimientode la hélice, ypor lo tanto,dependerá de siuna hélice es de pasofijo o
variable.
Las características delahélice de paso fijoson tales queel requisito de
potenciaaumentaconelcubo de la velocidad(la 'demanda de la hélice' conocida).
(2.31)
Asíb.m.e.p.aumenta con lavelocidad al cuadrado. Sucede que lacaracterísticas de
salida delmotor turboson idealespara losesta aplicación, por lo tanto,a juegoesun
casode
la optimizaciónen
lugardecompromiso,ya
que
larelación de
compresiónaumenta convelocidad del motor, así como la carga.
EL MOTORDE CUATRO TIEMPOS CONHÉLICE DE PASO FIJO
la (Figura 127)(line 1-2-3)ilustra unalínea de operacióntípicadela característicadel
compresorpara el funcionamientohélice de paso fijode unmotor de cuatro tiempos.
Si elturbocompresorse emparejacorrectamente, el compresorestá trabajandoen su
área razonablemente de altaeficienciaen todas las velocidadesy cargas del motor,
peroel aumento del margen puedesergobernado porel rendimientode velocidad
media, debido a la'cintura' que se muestra enla líneade picos.
Si setratarondiferentesáreasde turbinas,diversaspresiones de sobrealimentaciónse
desarrollaráy la líneade trabajode la'demanda de la hélice y la voluntad
paradesplazarse por el mapadel compresor.
Elcompresor dedifusor(o el conjunto completo) será cambiadopara asegurar que
lalínea de operacióncae a través dela zonaóptima de la eficiencia con
unasuficientecon margen de bombeo,la potencia de salida, el consumoespecífico
de combustible, temperatura de escape, etc.
serámonitoreados,
pero
importanteentrevariables.
en
general
no
habrá
ningúnconflicto
189
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Figura 127.Característica de flujo de masas en el motor superpuesta en el mapa del
compresor cuando uno de los dos motores, está impulsando la hélice
Con frecuencia, se utilizan dos motores de velocidad media orientada junto a una
hélice. La exigencia puede surgir, si uno motor falla, de la conducción de la hélice
con un solo motor.
Si el motor de combinación del turbocompresor se ha visto acompañado de un
óptimo rendimiento para producir la potencia máxima requerida por la hélice, a
continuación, el partido no será adecuado para la operación con un solo motor.
Naturalmente, este motor no puede accionar la hélice a plena velocidad (no tendrá
el poder), pero es teóricamente capaz de convertirlo en casi tres cuartas partes de
su valor máximo velocidad debido a la necesidad de potencia es proporcional a la
cubo de la velocidad (demanda de la hélice).
EL MOTOR DE CUATRO TIEMPOS CON HÉLICE DE PASO VARIABLE
Se obtiene una potencia mucho más amplio en comparación con requisitos de
velocidad de una hélice de paso variable. En cada ajuste de tono, la ley se aplica y
por lo tanto la característica será sobre una de las curvas de demanda de la
hélice. Al trazar este régimen de la característica de compresor ( Figura 128} que
puede ser visto que es la curva extrema terreno de juego que determina el
margen de bombeo, no el punto de velocidad máxima (4 ). El motor puede
coincidir para un rendimiento óptimo a toda velocidad, pero el compresor tendrá
que ser elegido para permitir 2-3 líneas para estar bien. Esto puede dar lugar a
una pequeña penalización en el rendimiento en el punto 4.
190
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
EL MOTOR DE DOS TIEMPOS CON HÉLICE DE PASO FIJO
Los diferentes tipos de sistemas de barrido utilizadas por los motores de dos
tiempos se han descrito anteriormente.
En general, sólo los motores depurados pueden operar sin un ventilador o bomba
de recuperación además del turbocompresor sobre el rango de operación
completo requerido.
En esta clase se incluye la válvula en la cabeza de grandes pistones opuestos y
marinos de dos tiempos motores.
La potencia requerida por la hélice será, naturalmente, por la demanda de la hélice
y se deduce que, el motor corresponda a su velocidad nominal, la línea que vaen
el mapa de equilibrio del compresor de una manera similar a la de un motor de
cuatro tiempos.
Figura128Motorcaracterística de flujode masade conducirun paso variablehélice.
Si se utilizan bombas de barrido, por ejemplo, en motores, la división del trabajo
entre ellos y el turbocompresor influirá en el proceso de adaptación. Generalmente
la capacidad de las bombas de barrido habrá sido estimada y el turbocompresor
se corresponde para una óptima rendimiento en conjunción con esas bombas. Un
cambio en capacidad de la bomba podría seguir, dependiendo del éxito del
ejercicio correspondiente, en cuyo caso todo el procedimiento debe ser repetido.
Para asegurarse de que el motor no se parará a bajas velocidades, las bombas de
barrido deben proporcionar suficiente aire para aumentar la entrada de por encima
de la presión del colector que, en los gases de escape.
191
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Por lo tanto un rango de curvas de flujo de aire podría ser representado en el
mapa de compresor A bajas velocidades del aire y el flujo dependerá
principalmente de la velocidad de la bomba, pero a mayor velocidad, la influencia
del turbocompresor se afectara significativamente en el flujo de aire por el
aumento de la densidad de carga en entrada a las bombas de barrido.
COINCIDENCIA DE TRACCIÓN DIESEL – ELÉCTRICA
Los generadores diesel se utilizan con frecuencia para tracción ferroviaria desde
las características del motor diesel básico no son ideales para accionamiento
directo. En particular, Tensión que pueda generarse será suficiente (por un
generador diésel)para producir la excitación necesario en los motores de
accionamiento eléctrico, la potencia necesaria es menor que la capacidad del
motor a velocidades por debajo de la máxima.
Si el turbocompresor está adaptado al motor a su velocidad y carga nominales, el
equilibrio se ejecuta líneas por lo general se muy bien posicionado en el mapa
compresor otras velocidades y cargas.
JUEGO PARA OTRAS TAREAS INDUSTRIALES
El compresor puede ser operado a más de una velocidad razonablemente amplia
de cero a plena carga como las válvulas de control de apertura o cierre.
El área de operación resultante en los mapas del motor y el compresor es similar a
los requisitos de un motor de automóvil
El margen de bombeo se regirá por la operación a plena carga a bajas
velocidades y esto obligará a la máxima velocidad y el punto de carga lejos de
sobretensiones y posiblemente en un área de baja eficiencia del funcionamiento
del compresor.
192
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
ADAPTACIÓN DEL MOTOR DEL VEHÍCULO DE CUATRO TIEMPOS
CURVA DE PAR
ElTurbocompresor juega para muchas tareas industriales y marinos es
relativamente sencilla debido a la velocidad y carga limitada rangos requieren
Adaptación del turbocompresor a un automóvil del motor es considerablemente
más difícil debido a la velocidad de ancho y variaciones de carga encontradas.
Aunque la potencia necesaria para propulsar un vehículo rápidamente aumenta
con la velocidad, una curva de par que eleva la velocidad cae reduce el número de
relaciones de la caja y los cambios de marcha necesarios.
Es evidente que el motor diesel turboalimentado debe ser igualada a plena
potencia y un acuerdo debe ser alcanzado entre el poder y una curva de par de
forma adecuada. (Figura 129) muestra una curva de par típico de un automóvil de
motor turbo diesel. Par de respaldo se puede definir como: par máximo - el par a
velocidad máxima par a velocidad máxima.
El par máximo de este motor se produce en el 58 % de su máximo velocidad y el
par de copia de seguridad es 29 %. Puesto que el motor normalmente se requiere
para trabajar por debajo de 40 % del máximo velocidad, el par aumenta con la
reducción de velocidad de más de la mitad de la utilidad acelerar rango. Esta
característica es, afortunadamente es muy razonable para el compromiso entre
potencia y par del motor a baja velocidad lo que permite a los camiones utilizar
cajas de cambios de cinco velocidades o seis velocidades.
La Potencia del motor normalmente se limita (por fiabilidad) por un valor máximo
de la presión del cilindro y, posiblemente, agotar temperatura ( ya que este último
es una guía aproximada a la carga térmica de los motores de cuatro tiempos , por
ejemplo, en los gases de escape la válvula ) .
193
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Figura 129.Con turbocompresor de par motor del camión los límites curva
que muestra a BMEP establecido por el humo permisible, la presión del
cilindro, la temperatura de escape y la velocidad del turbocompresor
(Goodlet)
Está claro a partir de la (figura 129) que el factor que es más restrictivo cuando se
trata de lograr una característica de par es deseable el límite de humo a baja
velocidad.
Teniendo en cuenta la variación de la eficiencia de la turbina sobre el pulsante y
rango de flujo, la energía específica recuperada por la turbina también aumenta
sustancialmente con la velocidad del motor. Esta característica es una
consecuencia de la área de flujo efectiva casi constante de una turbina de
geometría fija.
Por lo tanto la característica natural del motor del camión turbo será trabajo del
compresor, y por lo tanto aumentar la presión, el aumento de la velocidad. El límite
de
humo
es
causado
por
presión de refuerzo insuficiente, y por lo tanto el flujo de aire a baja motor
velocidadesCon el fin de lograr una curva de par aceptable, el suministro de
combustible (por ciclo) se mantiene relativamente constante en el rango de
velocidad y se hacen esfuerzos para aumentar la presión de sobrealimentación a
baja velocidad.
194
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
3.6 CAMBIOS EN LAS CONDICIONES AMBIENTALES
Los cambios en la densidad del aire de admisión pueden ser causados por los
cambios de temperatura y presión ambiente a nivel del mar, o el funcionamiento
del motor en la altura. El cambio de flujo de aire puede fácilmente ser predicho si
el motor es aspirado naturalmente, pero esto es más difícil si el motor es
turboalimentado.
En aplicaciones móviles, como un camión, el motor puede ser necesario para
operar a nivel del mar en un clima frío del invierno y tal vez en la altitud durante un
verano caliente. Así, los compresores y turbinas compatibles seleccionadas serán
una especie de compromiso, sobre todo si la relación de presión es alta. La
compatibilidad seleccionada será adaptada al entorno operativo normal del motor,
pero con márgenes suficientes en aumento, la temperatura de entrada de la
turbina y la velocidad del turbocompresor para cubrir otras condiciones
Aunque la operación en condiciones ambientales cambiantes introduce
complicaciones adicionales para el fabricante de un motor turboalimentado (tales
como la reducción de la margen de bombeo), el sistema de turbocompresor hace
ofrecer una compensación parcial para reducir la densidad de entrada de aire en
la altura. Como la densidad del aire y por lo tanto la tasa de flujo de masa de aire
reducen, por lo que la temperatura de entrada de la turbina se elevará debido a la
relación aire-combustible más rica. Esto significa que la relación del compresor a
relaciones de presión de la turbina será alterada en favor del compresor. Su
relación de presión aumentará, compensando parcialmente la reducción de la
densidad de entrada de aire, también la presión ambiente que cae, por lo que la
relación de expansión de la turbina se incrementa, la relación de presión del
compresor aumenta, a condición de que la presión de entrada de la turbina no
caiga a la misma velocidad como la presión del ambiente.
Operación bajo cambiantes condiciones ambientales
Amplias variaciones en las condiciones ambientales pueden conducir a problemas
debido a descargas del compresor, la presión excesiva del cilindro, temperatura de
entrada de la turbina, la velocidad del turbocompresor o emisión de humo. El
rendimiento real de un motor bajo condiciones ambientales variables dependerá
de varios factores que, por conveniencia de la explicación, se supone que es
constante en el análisis simplificado dado anteriormente. Por ejemplo, si la tasa de
flujo de masa de aire y el cambio de la relación de compresión del compresor, el
movimiento a través del mapa de funcionamiento del compresor serán
acompañados por un cambio en la eficiencia. De ello se desprende que los
motores de un rendimiento similar al nivel del mar no necesariamente realice en
comparación en la altura.
195
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Se han desarrollado técnicas para predecir con precisión el efecto de las
condiciones ambientales variables, pero éstas requieren mapas detallados de la
turbina y el compresor. Un enfoque más sencillo, pero menos riguroso, es
correlacionar el rendimiento de los motores existentes obtenidos cuando se opera
a la altitud en climas muy calientes o muy fríos.
La Operación en la altitud es por lo general, pero no siempre, acompañada de una
reducción de la temperatura. El sistema de sobrealimentación ofrece una
compensación parcial de la reducción de la densidad del aire de entrada en la
altitud, por tanto, un motor puede tener que ser reducida, pero no por tanto como
un motor de aspiración natural.
La velocidad del turbocompresor aumenta debido al aumento de la temperatura de
entrada de la turbina y la relación de expansión. Se puede observar que los límites
térmicos y la velocidad máxima permisible turbocompresor serán los factores
limitantes, particularmente el último. Movimiento hacia el incremento en el mapa
del compresor será mayor para un motor sin intercooler.
COMPATIBILIDAD PARA ADAPTARSE A LAS CONDICIONES AMBIENTALES
LOCALES.
Si se selecciona el turbocompresor para adaptarse a las condiciones ambientales
locales, una compensación adicional de densidad se puede proporcionar en
algunos casos.
Al reducir el ajuste de la turbina, más trabajo se puede extraer de la presión de
sobrealimentación de la turbina que permite ser levantado, la compensación de la
pérdida en la densidad ambiente.
Esto, por ejemplo, retrasar el límite de humo o límite de temperatura de entrada de
la turbina a altitudes más altas o temperaturas ambiente. Por lo tanto reducción de
potencia puede ser evitado por completo o se reduce. Sin embargo, la influencia
de una turbina más restrictivo de niveles de presión del colector de escape debe
ser considerado. Puede darse cierto déficit de rendimiento del motor.
CIERRE
Secciones anteriores de este capítulo se han descrito los principios de la turbo
alimentación, que se aplican a varios tipos y aplicaciones de los motores diesel.
196
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
ANALISIS CRITICOS DE LOS DIFERENTES ENFOQUES
Después de haber definido el marco teórico y el marco contextual del presente
trabajo, se compararon los distintos enfoques de los diferentes autores que se
consultaron en libros y otras diversas fuentes de información.
Se consultaron diferentes
trabajos cuyos autores manejan información
generalizada llegando a ser complejos en los diferentes temas que en uno u otro
sentido los hacen difícil de estudiar, otros sin embargo, manejan información
práctica y objetiva con bases técnicas. Después de analizar cada uno de estos, se
seleccionaron los que proporcionaban más elementos significativos y que
permitieran explicar el tema de estudio, así como tratar de explicar
adecuadamente el tema aquí expuesto en este caso la teoría del motor diésel
turbo cargado.
Hay autores que exponen el tema con ideas o conceptos que se ordenan
lógicamente, al mismo tiempo realizan un estudio muy claro, eficiente y profundo,
con aportaciones muy practicas; por ello, en sus trabajos muestran habilidad para
transmitir su mensaje al lector; otros emplean frases incidentales, explicativas,
dentro de una idea y esta se alarga, se vuelve más confusa; además muchas
veces esos autores son muy teóricos y pocos prácticos.
Por lo anterior expuesto, se recomienda que durante el desarrollo de cualquier
investigación la bibliografía consultada sea analizada exhaustivamente, dado que
en ocasiones la información que brinda puede tener una versión fragmentada de la
realidad, por ello es imprescindible contraponer los puntos de vista en base en la
experiencia de otros autores para una mejor fundamentación teórica del tema en
cuestión.
197
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
CAPITULO III
198
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
CONCLUSIONES
En motores turbo, nos encontramos con que es mucho más fácil y razonable la
sobrealimentación de motores Diesel, ya que la auto ignición del combustible se
ve favorecida por la mayor presión y temperatura de gases. Un motor Otto
sobrealimentado, si quiere mantener un consumo aceptable, tiene un amplio
despliegue tecnológico para luchar contra la detonación, aunque la unión del turbo
y un régimen de giro alto, sigue haciendo que el Otto pueda alcanzar potencias
específicas mayores que el motor Diesel, aunque se puede comprobar que el par
motor del turbodiésel normalmente será superior al del Otto.
Finalmente, queda hablar del consumo de combustible, o del rendimiento del
motor. La manera de quemar el combustible marca también la diferencia en el
rendimiento de estos dos motores.
Las dos razones principales por las cuales el motor Diesel consume menos que el
Otto son la mayor relación de compresión del Diesel y la capacidad para quemar
mezclas pobres (se podría hablar también de la mayor densidad del gasoil frente a
la gasolina, y a que el combustible se vende por volumen, no por peso, pero aun
así, el gasto másico del Diesel sigue siendo inferior al del Otto). El motor Diesel es
capaz de quemar una cantidad de combustible ínfima en un cilindro lleno de aire.
Sobre la relación de compresión, en el Otto está limitada por los problemas
derivados de la detonación, mientras que el Diesel, precisamente porque necesita
una primera detonación del combustible, utiliza relaciones de compresión muy
elevadas. Es decir, el auto ignición del combustible, que es perjudicial para el
motor Otto, es la base del funcionamiento del motor Diesel, razón por la cual éste
presenta un rendimiento superior al primero.
Se puede concluir del presente trabajo que el turbocompresor da a los motores de
combustión interna mejores características que permiten mejorar en forma
sustancial, al incrementar en formar determinante el aumento de la masa de
mezcla combustible requerida para el proceso de combustión en la cámara.
El trabajo ha dejado suficientemente claro la relación PV y TS en la cual al
incrementar los valores de presión y temperatura, el valor del rendimiento aumenta
como consecuencia del equilibrio termodinámico.
Se han visualizado los diferentes tipos de compresores que formar parte del turbo
alimentador destacando de ello sus ventajas, desventajas y principales
características.
199
TEORIA DEL MOTOR DIESEL TURBOCARGADO
Bibliografía
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5. http://www.sabelotodo.org/automovil/regulador.html
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7. http://mecanicadiesellive.blogspot.mx/p/textos.html
8. http://es.scribd.com/doc/18198774/5/SISTEMAS-DE-LUBRICACION-DEMOTORES-DIESEL
9. http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Termodinamica/node48.html
10. http://es.slideshare.net/charliebm7512/termodinamica-principio-yciclos
11. Diesel Engine Reference Book Second Edition
Bernard Challen
Rodica Baranescu
714 pag.
Adobe Acrobat
12. Motores Detroit Diesel Manual de Servicio
Editorial Independence
Detroit DIesel Allison
Adobe Acrobat
200