Sistemas de Refrigeración, Lubricación y Potencia en Motores Marinos

Balance Térmico en Motores

La ecuación general de balance térmico es: Qn + Qe + Qg + QCi + Qac + Qrad. Donde:

• Qn: Calor equivalente a la potencia efectiva del motor.
• Qr: Calor transmitido por el refrigerante.
• Gases de escape: Calor perdido en combustiones incompletas.
• Calor transmitido al aceite.
• Calor transmitido por radiación.
• Cantidad de calor desarrollado por el combustible.

En un motor de combustión interna, aproximadamente el 50.5% de la energía se convierte en potencia en el eje, 25% se pierde en los gases de escape, 14.6% en el enfriador de aire, 5.8% en el enfriador de agua, 3.3% en el enfriador de aceite y 0.8% se pierde por radiación.

Circuitos de Refrigeración en Motores Marinos de 4T

Existen dos circuitos de refrigeración:

• Baja temperatura: Enfría el aceite y el aire de la segunda etapa.
• Alta temperatura: Refrigera los cilindros, culatas y el aire de la primera etapa.

El agua de ambos circuitos se separa en el motor pero va al mismo enfriador mediante una tobera común. El agua salada se encarga del enfriador central. Un termostato regula el circuito en cargas parciales, regímenes de giro reducidos o bajas temperaturas ambientales, distribuyendo el agua sin reducir el caudal total.

Refrigeración en Motores de 2T y 4T

Los sistemas de refrigeración varían según el tipo de motor y su uso. Los sistemas comunes son por agua, aceite o aire. Motores de baja potencia usan refrigeración por aire. Los motores que usan agua pueden tener sistemas abiertos (circulación del agua del medio) o cerrados (circulación forzada o termosifón). Las funciones de refrigeración incluyen:

• Refrigeración del cilindro.
• Refrigeración de los pistones.
• Refrigeración de los inyectores.
• Refrigeración del aire de sobrealimentación.
• Refrigeración del aceite de engrase.
• Refrigeración de sistemas auxiliares.

En grandes motores marinos, algunas partes pueden requerir sistemas de refrigeración específicos. Los motores de 4T se refrigeran por aceite, mientras que los de 2T pueden usar aceite y agua. La refrigeración por aceite se realiza lanzando aceite al pistón desde un punto fijo o desde la biela. La refrigeración por agua usa el efecto de batido y taladros dirigidos hacia la cadera del pistón, aunque puede contaminar el aceite de engrase.

Sistemas de Refrigeración Convencionales y Centralizados

Sistema Convencional

Formado por dos circuitos básicos:

• Agua salada: Circula por todos los enfriadores.
• Agua dulce: Se divide en baja y alta temperatura para las camisas.

El flujo sigue este orden: entrada de agua salada → enfriador de aire de barrido, enfriador de aceite principal y enfriador de agua de camisas, enfriador de aceite de levas → salida de agua salada.

Sistema Centralizado

Formado por tres circuitos básicos:

• Agua salada: Circula por un enfriador central.
• Agua dulce: Circula por todos los intercambiadores de calor.
• Fluidos: Circulan por intercambiadores de aceite, aire y agua. El circuito de agua se subdivide en alta y baja temperatura.

Lubricación de Camisas en Motores Marinos

El aceite de engrase llega a las toberas en la superficie de la camisa, impulsado por bombas de alta presión. Cada tobera tiene una válvula de retención para proteger contra altas temperaturas y presiones. Las bombas regulan el caudal de aceite individualmente. El aceite de engrase para cilindros es diferente al usado en otras partes del motor, por lo que este sistema es independiente.

Misiones de la Lubricación

1. Reducir la potencia perdida por fricción.
2. Disminuir el desgaste entre superficies móviles.
3. Actuar como refrigerante y dispersante de contaminantes.
4. Prevenir la corrosión.
5. Absorber choques.
6. Contribuir a la estanqueidad de la cámara de combustión.

Un aditivo es un compuesto químico que mejora las características del aceite lubricante. Un aceite lubricante está formado por una base (90%) y aditivos (hasta 30% en aceites para cilindros). Las características incluyen alcalinidad, carácter oxidante y dispersividad.

Formas de Aumentar la Potencia de un Motor

La potencia media efectiva depende del número de revoluciones y la presión media efectiva.

1. Aumento del régimen de giro: Eleva el número de revoluciones por minuto, aumentando la potencia efectiva. Limitaciones: rendimiento del receptor, vida del motor, periodo de combustión, rendimiento volumétrico y fuerzas de inercia alternas.
2. Aumento de la presión media:
   1. Aumentando el combustible por ciclo: Depende de la presión máxima. Limitaciones: relación máxima de mezcla, fatigas térmicas y mecánicas.
   2. Aumentando el grado de compresión: Limitaciones: pérdidas por rozamiento y fatigas en órganos internos.
   3. Aumentando el coeficiente volumétrico: Sobre alimentación. Aumenta la cantidad de aire por cilindro, elevando la presión media y la potencia.

La Sobre alimentación

Consiste en introducir más aire del que correspondería por aspiración natural. Se usa para alargar la vida útil del motor, disminuir la relación peso/potencia, aumentar la potencia, mejorar la combustión, disminuir el retraso del encendido y realizar una mayor fracción de la combustión a volumen constante. Los sistemas empleados son:

1. Motosoplantes: Compresores volumétricos acoplados mecánicamente al motor.
2. Turbosoplantes: Turbina de gases unida a un compresor rotativo, accionada por los gases de escape.

El Par Motor

Es el resultado de los momentos que actúan sobre el cigüeñal. Las fuerzas que lo originan son las fuerzas de inercia de las masas con movimiento alternativo y la presión de los gases. Se puede regular mediante:

1. Subdividir el motor en varios cilindros para compensar.
2. Colocar un volante de inercia en el cigüeñal para acumular energía.

El grado de regularidad del volante de inercia es la diferencia entre las velocidades de rotación máxima y mínima respecto a la velocidad media.

Reguladores de Velocidad

Deben detectar y corregir variaciones imprevistas en la intensidad y tiempo del par resistente, produciendo variaciones simultáneas del par motor para restablecer el equilibrio. G = (n1 – n2) / nm × 100

El grado de insensibilidad es cuando la variación es tan pequeña que los reguladores no actúan. Hey = (NA – NB) / Nm

La Turbosoplante

Componentes:

1. Turbina axial de acción elemental.
2. Compresor centrífugo montado en el eje de la turbina.
3. Difusor que transforma la energía cinética del aire en energía de presión.
4. Rotor que gira sobre cojinetes lisos.
5. Estator de la turbosoplante.

Los gases de escape mueven la turbina, que a su vez mueve el compresor, obteniendo energía sin quitarla del cigüeñal.

Sistemas de Arranque en un Motor Diésel

1. Manual o pedal.
2. Motor eléctrico: Un motor eléctrico engrana mediante un piñón con una corona dentada en el volante del motor térmico. Existen tres formas de engranar:
   • Acoplamiento sistema bendix.
   • Acoplamiento de mando mecánico.
   • Acoplamiento de mando electromagnético.
3. Arranque neumático: Acciona un piñón que engrana la corona del volante, alimentado por aire a alta presión.

Arranque por Aire Comprimido a los Cilindros

El motor se arranca con aire comprimido a 15-30 bar. La válvula de arranque principal tiene una válvula de estrangulamiento para el giro lento previo al arranque. La válvula principal se acciona neumáticamente por válvulas solenoides. El aire entra en la válvula de giro y pasa a la válvula de arranque de las culatas, controlando el momento de apertura y la secuencia de las válvulas de arranque.

Reguladores de Velocidad

Regulador Mecánico

Los muelles antagonistas en las masas modifican la tensión al variar la velocidad, accionando el sistema de varillaje que actúa sobre las cremalleras de las bombas de combustible. Cada posición de la palanca de mando corresponde a una velocidad determinada.

Regulador Neumático

La depresión en el colector de aspiración actúa sobre una membrana acoplada a la varilla de regulación de la bomba de combustible. La posición de la membrana depende de la carga instantánea aplicada al motor.

Regulador Hidráulico

La fuerza centrífuga de las masas actúa sobre un distribuidor de aceite que permite el paso a un actuador hidráulico que acciona la varilla de regulación. El regulador de masas detecta la velocidad y controla el envío de aceite a presión al émbolo de maniobra, ajustando el suministro de combustible. El sistema hidráulico incluye una bomba de aceite y válvulas. Problemas: es síncrono pero no estable, disminuye la velocidad al aumentar la carga y no mantiene constantes las revoluciones.

El Sistema de Reducción de Masas

Se usa para sistemas planos unidos por barras rígidas sin masa, facilitando el estudio dinámico del motor alternativo. Incluye:

1. Masas con movimiento alternativo (pistón, vástago, patín, cruceta).
2. Masas con movimiento circular (cigüeñal).
3. Masa de la biela (movimientos distintos según el punto).

Condiciones de equivalencia estática: la suma de las masas puntuales debe ser igual a la masa total del elemento real y el centro de gravedad debe coincidir. Condiciones de equivalencia dinámica: la suma de los momentos de inercia debe ser igual al de la pieza real.

Reducción de la Masa de la Biela

Se reparte la masa total en dos masas puntuales: una en el centro del pie de biela (pto. B) y otra en el centro de la cabeza de biela (pto. A). El punto B tiene movimiento alternativo y el punto A tiene movimiento circular. Aplicando las condiciones de equivalencia estática: Ma + Mb = Mt y Ma × La – Mb (L – La) = 0. Mb × 0 + Ma × L2 = IbB. T = 2pi × (IbB / Mt × g × Lb)^1/2 – IbB =

Sistemas de Inversión Internos al Motor

Desplazamiento Axial del Eje de Levas

El motor tiene dos juegos de camones para cada sentido de marcha. Para el desplazamiento axial, se retiran los rodillos y se vuelven a colocar. Un sistema de seguridad genera una secuencia de inversión, levantando los rodillos antes de desplazar el eje para evitar choques laterales.

Desplazamiento Angular del Sistema de Accionamiento

Las bombas de combustible tienen camones con dos crestas para cada sentido de giro. El desplazamiento angular se efectúa sobre el rodillo que porta el empujador de la bomba. Un cilindro neumático cambia la posición angular, variando el avance a la inyección. Un mecanismo de autobloqueo fija la posición deseada. Las dos posiciones del camón son simétricas.

Desplazamiento Angular del Eje de Levas

Se construye un diagrama circular simétrico para ambas posiciones de marcha. El franco de salida de la marcha hacia adelante sirve de franco de entrada de la marcha hacia atrás y viceversa. Se gira el eje de camones un cierto ángulo para obtener la marcha deseada.