1º) La inyección en los motores diesel

Con el sistema de inyección lo que obtenemos es suministrar a cada cilindro la cantidad de combustible necesaria según las condiciones de marcha del motor.

Iniciar la inyección en el momento preciso.

Pulverizar el combustible, para facilitar la inflamación.

Comunicar la suficiente velocidad al combustible.

Repartir uniformemente las partículas de combustible en el aire de la cámara de combustión.

2º) Bombas de inyección

Las bombas de inyección se encargan de regular la cantidad de combustible a introducir en el cilindro y de elevar la presión del mismo.

Para inyectar el combustible al cilindro se precisa de un sistema que venza la elevada presión que existe dentro de la cámara en la etapa final de la compresión, y además pulverice el gasoil finamente, esto hace que la presión de inyección tenga que alcanzar valores muy altos, para ello se recurre a una bomba de desplazamiento positivo, por su característica de proporcionar presiones muy elevadas.

Este tipo de bomba se presenta como un pistón que se desplaza dentro de un cilindro empujando al fluido al exterior.

El funcionamiento de la bomba de inyección ideada por Bosch consiste en 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.

Unos conductos de alta presión llevan el combustible hasta los inyectores, que son los encargados de producir el aerosol dentro del cilindro.

La capacidad de bombeo de esta bomba de trasiego 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 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.

3º) Bombas de bloque

Una pequeña bomba adosada a la bomba de inyección y accionada por esta, trasiega el combustible desde el tanque y la alimenta haciéndolo pasar por un juego de filtros.

La capacidad de bombeo de esta bomba de trasiego 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 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.

4º) Inyectores

Para lograr una buena combustión, es necesario que el combustible sea inyectado en el interior del cilindro muy finamente pulverizado, con el objetivo de lograr una mejor y más rápida combustión. El inyector es el elemento que cumple los requisitos necesarios para conseguir la pulverización del combustible en la medida idónea y distribuirlo uniformemente por la cámara de combustión. Es por eso que sus características dependen del tipo de cámara en que esté montado.
El inyector, cualquiera que sea su tipo, se fija a la cámara de combustión por medio del portainyector, que está formado por un cuerpo al que se acopla el inyector en sí, o como también se le llama, tobera. Éste último lo compone el cuerpo y la aguja. La inyección del diesel, sea a la precámara (indirecta) o directamente a la cámara de combustión, se realiza por medio de inyectores, necesariamente uno por cada cilindro del motor. Estas piezas vaporizan el diesel al forzar el paso a alta presión por sus toberas. La presión de inyección varia entre 200 y 2.000 bar según el tipo. Hay que tener en cuenta que a esa presión el diesel se vuelve compresible. Al recibir desde la bomba de inyección el combustible a presión, los inyectores se abren y dejan pasar el diesel. En ese momento la aguja de estanqueidad se abre porque la presión del combustible supera la presión de resorte de cierre.La mayoría de los inyectores diesel poseen el mismo diseño básico, realizados con una aleación de acero con su tratamiento térmico y su forma varia en función de su uso.El inyector está formado principalmente por el porta tobera y la tobera.
La tobera esta compuesta por un cuerpo y una aguja, un resorte de presión y un eje que mantiene sujeta la aguja en el cuerpo de la tobera.
El porta tobera es denominado cuerpo del inyector, este nos permite montar la tobera en el motor y contiene un mecanismo de ajuste de la tensión del resorte sobre la válvula de aguja.

Parte del combustible se filtra entre la aguja de la tobera y el cuerpo, para enfriar y lubricar el inyector. Este combustible es recogido por las canalizaciones de retorno de combustible para su posterior uso.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 los 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.
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.

5º) Toberas de orificios

Las toberas de orificios se utilizan generalmente en los motores de inyección directa. Pueden ser de un solo orificio o ser de orificios múltiples, estas toberas proporcionan una pulverización fuerte y una alta velocidad.La función de estanqueidad en estos inyectores es crítica, pues con la presión de la combustión, los gases pueden entrar al inyector y dañarlo. La precisión en su diseño, la exactitud del diámetro de la aguja y la fuerza constante del resorte, cumplen la función de estanqueidad.

6º) Inyeccion directa

En un motor de «inyección directa» el combustible es inyectado directamente en la cámara de combustión del cilindro, lo cual proporciona un quemado mas eficaz y un bajo consumo de carburante, a la vez que tiene un mejor arranque en frio. Los inconvenientes de estos motores son: sus vibraciones y unas características constructivas mas difíciles (caras de fabricar) ya que tienen que soportar mayores presiones de combustión.Para minimizar estos inconvenientes sobre todo el del ruido y las vibraciones del motor, se ha diseñado el motor de forma que se mejore la combustión, facilitando la entrada de aire a la cámara de combustión de forma que el aire aspirado por el motor tenga una fuerte rotación. Esto junto a la forma de la cámara de combustión, crea una fuerte turbulencia durante el tiempo de compresión. Los difusores de los inyectores llevan 5 orificios que junto con la alta presión de inyección ejecutada en dos pasos, distribuye el combustible finamente de manera eficaz.
El conjunto de todo ello es que el combustible y el aire se mezcla al máximo, lo cual proporciona una combustión completa y por tanto una alta potencia y una reducción de los gases de escape.

Para motores de inyección directa se utiliza el «inyector de orificios».El inyector inyecta combustible directamente en la cámara de combustión en dos etapas a través de los cinco orificios que hay en el difusor. El diseño de la cámara de combustión junto con el inyector del tipo multiorificio, proporciona una combustión eficaz pero suave y silenciosa.El inyector lleva dos muelles con diferentes intensidades que actúan sobre la aguja dosificadora. Cuando la presión del combustible alcanza aproximadamente 180 bar, la aguja se eleva y vence la fuerza del muelle mas débil (muelle de pre-inyección). Una parte del combustible entonces es inyectado a través de los cinco orificios en el difusor.A medida que el pistón de la bomba sigue desplazándose, la presión aumenta. A unos 300 bar, vence la fuerza la muelle mas fuerte (muelle de inyección principal). La aguja del difusor se eleva entonces un poco mas, y el combustible restante es inyectado a la cámara de combustión a alta presión quemando el caudal de combustible inyectado. Esto producirá una ignición y combustión mas suaves.A medida que la bomba de inyección envía mas combustible que el que puede pasar a través de los orificios de los difusores, a una presión de apertura, la presión asciende hasta 900 bar durante el proceso de inyección. Esto implica una distribución fina máxima del combustible y por lo tanto una eficaz combustión

7º) Toberas coaxiales o de teton

En las toberas coaxiales o de tetón, existe una aguja o tetón que sobresale del orificio de pulverización.
La forma del tetón determina la forma de la pulverización y atomización de la parte pulverizada.
Las toberas de tetón se abren a menor presión que las de orificios. Se utilizan en los motores de inyección indirecta, donde el combustible debe de recorrer una distancia comparativamente corta y el aire no esta tan comprimido como en la cámara principal.
Este tipo de toberas se utiliza en la inyección indirecta

8º) Inyeccion indirecta

En un motor de «inyección indirecta» (cámara de turbulencia) el combustible se inyecta dentro de la cámara de turbulencia quemándose una parte de el.

La presión aumenta de modo que los gases de combustión y el carburante restante se apresura a salir por la tobera de la cámara de turbulencia y se mezcla con el aire de la cámara de combustión donde se produce la quema de combustible definitiva.

En estos motores se produce, por tanto, un aumento lento de la presión en el interior de la cámara de combustión, lo cual da al motor una marcha relativamente silenciosa que es una de sus principales ventajas, así como unas características constructivas del motor mas sencillas que los hace mas baratos de fabricar.
Las desventajas de estos motores son: menor potencia, un mayor consumo de combustible y un peor de arranque en frio.

9º) Parámetros característicos del chorro de combustible

Ángulo cónico. Función de la forma del orificio u orificios del inyector, radios de acuerdo, presión de inyección, etc.

Penetración en la cámara

Tamaño de las gotas. (Diámetros medios)

10º) Sistemas de inyección (sistema mecanico)

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 trasiego 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 es el encargado de variar la cantidad de combustible a inyectar para aumentar y disminuir la potencia o velocidad de giro del motor.

11º) sistema de inyección de acumulación (common rail cr)

La generación de presión y la inyección se generan por separado en el sistema de acumulación. El caudal y el momento de inyección se calculan dentro de la ECU y se realiza a través del inyector a cada cilindro del motor.El sistema Common rail, es un sistema de inyección directa multipunto para motores diesel.Su objetivo es proporcionar el combustible a los inyectores a una presión aproximada de 1500 atmósferas gracias a la acción de una bomba mecánica por medio de una rampa denominada Common Rail, de la cual el sistema hereda su nombre, lo que posibilita un aumento en el rendimiento y un menor consumo de combustible.
Los inyectores en este sistema se accionan con electro válvulas y es controlada por la unidad central de comando, la que gracias a la corriente que envía permite la apertura de la válvulas accionando un electroimán en éstas.
La unidad central de comando controla además otras funciones de la inyección como el orden de inyección y volumen de combustible a través de la corriente enviada a cada inyector, basándose para su decisión en la información recibida de diferentes sensores.
Cabe notar que la presión del combustible siempre se mantiene igual a cualquier régimen del motor.

El sistema de inyección de conducto común (common rail) proporciona una cantidad de atomización de combustible mas controlada, lo que conlleva un mayor ahorro de combustible y una disminución significativa del ruido en el motor.
En el sistema de conducto común se utiliza un acumulador o rampa de inyección, separado de los puntos de inyección de combustible con una presión constante controlada.
Una bomba de alta presión aumenta la presión del combustible en el acumulador (1600-2000 bares), esta es determinada por la unidad de control del motor.
La unidad de regulación electrónica diesel es la que controla todos los parámetros de inyección del motor, presión, momento y duración de la inyección

11.1 Elementos de que se compone

Regulador de presión que controla la presión en el colector.

Sensor de presión en el colector de inyectores de tipo piezoeléctrico, que informa de la presión a la centralita de inyección.

Unidad de control que actúa sobre el tiempo de apertura de los inyectores, y sobre el regulador de presión tomando en consideración todos los datos.

Sensor de temperatura en la rampa de inyección para informar a la centralita.

Bomba de transferencia de combustible (eléctrica) desde el tanque hasta la bomba de alta presión.

Caudalímetro de aire de entrada.

Temperatura del aire de entrada

Captador de presión del aire de admisión en el colector.

Sensor de revoluciones y posición del cigüeñal informa del régimen y del P.M.S.

Temperatura del motor.

Petición de carga al motor.

Filtro que limpia de impurezas muy importante por lo delicado de las piezas.

En el filtro se dota de una válvula que regula la presión de la bomba de transferencia a 2.5 kg/cm2 y de una válvula termostática que en caso de baja temperatura (15º) desvía el gasoil para su calentamiento a la bomba de agua del motor, de esta forma se evita la congelación del gasoil a bajas temperaturas y se favorece la vaporización del mismo al entrar en la cámara.

LA INYECCIÓN EN LOS GRANDES MOTORES ACTUALES

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.

Diagramas de Inyección

De la misma forma que los diagramas de indicador, los diagramas de inyección son característicos de cada motor.

La comparación de diagramas actuales con los obtenidos cuando el motor estaba en perfectas condiciones puede reflejar anormalidades en el funcionamiento.

A–
Cierra la galería de la bomba (aprox. -8º)
B–
El inyector abre (aprox. -4º)
C–
Abre la galería de la bomba (aprox. 12º)
D–
El inyector cierra (aprox. 16º)
E–
Onda de presión reflejada
F–
Periodo de equilibrio parcial, es decir, el suministro a través del inyector equivale al ascenso del émbolo de la bomba y por lo tanto no hay aumento de la presión. La inestabilidad de la onda de presión puede indicar una viscosidad inadecuada del combustible.
G–
Periodo de inyección (aprox. 20º)

Concepto de “rendimiento” o coeficiente volumétrico

Conceptualmente este indicador nos dice cuanto es capaz de aspirar un motor respecto al valor máximo teórico.

Cuanto mas cantidad de aire es introducido en los cilindros, mas cantidad de combustible puede quemarse, por consiguiente cuanta mas energía se transforme en el motor mas trabajo útil puede obtenerse. 

Se define como la relación entre la masa de mezcla fresca que entra en el motor, por ciclo, y la que llenaría la cilindrada en unas condiciones de referencia.

¿Existe alguna relación entre rendimiento volumétrico e índice de exceso de aire?

Si se toma como condición de referencia una condición estándar, en ese caso, además de las pérdidas de carga en los distintos elementos se tienen en cuenta la influencia de las condiciones externas.

P, v y T actuales ≠ P_s, V_s y T_s, lo que hace que la densidad del aire sea distinta.

Las condiciones de la masa de referencia, es decir, de la masa admitida en un proceso ideal, son:

La velocidad del pistón es lo suficientemente lenta como para que los fenómenos de inercia sean despreciables.

No existe transferencia del calor al fluido durante el proceso de admisión.

No existen pérdidas de carga durante el proceso desde las condiciones iniciales exteriores hasta el final del proceso en el cilindro.

Las válvulas se abren y se cierran instantáneamente en los puntos muertos(Hay que recordar que en los motores de explosión la regulación está basada en la variación del rendimiento volumétrico) Así, el rendimiento volumétrico estándar es:

Factores  de funcionamiento que afectan al rendimiento volumétrico

Condiciones operativas esenciales

Régimen de giro

Grado de admisión (en motores de explosión)

Condiciones operativas ambientales

Presión exterior (despreciable)

Temperatura exterior

Humedad (despreciable)

Reglajes

Relación aire/combustible

Temperatura del agua de refrigeración

Otros

Características de vaporización del combustible

Factores  de diseño geométrico que afectan al rendimiento volumétrico

Sección de paso de las válvulas y sus formas

Colector de admisión y número de cilindros

Relación carrera/diámetro

Diagrama de distribución

Barrido en los Motores de 2T

El barrido en los motores de dos tiempos se define como el proceso mediante el cual se introduce la carga fresca en el cilindro para desalojar los gases de la combustión anterior.

El barrido del cilindro debe satisfacer tres condiciones fundamentales:

Máxima carga de aire fresco.

Máxima eliminación de gases de la combustión.

Mínima perdida de gas fresco por el escape.

El barrido puede ser de los siguientes tipos:

Barrido transversal.

Barrido de lazo.

Barrido uniflujo.

Respecto al rendimiento cualitativo del barrido en función del coeficiente teórico del mismo, podemos decir que por orden de efectividad dependiendo del tipo:

1º Barrido uniflujo

2º Barrido de lazo

3º Barrido transversal

Valvulas

Condiciones que se le exigen:

Apertura y cierre en el momento más oportuno.

Apertura y cierre rápidos.

Cierre “suave” sobre los asientos. Sin golpes.

Mínima resistencia al paso del fluido.

Mínimas fuerzas de inercia generadas.

Capacidad para evacuar el calor transmitido.

Inexistencia de fugas en los asientos

Duración máxima y gastos de mantenimiento mínimos

Precios aceptables

Concepto importante:

La palabra flujo expresa el movimiento de un fluido, pero también significa para nosotros la cantidad total de fluido que ha pasado por una sección determinada de un conducto.

Caudal es el flujo por unidad de tiempo
; es decir, la cantidad de fluido que circula por una sección determinada del conducto en la unidad de tiempo.

El accionamiento por balancines tiene los siguientes problemas

Debe dejarse una cierta holgura entre la válvula y el balancín para permitir la dilatación de la  caña de la válvula.

Se genera un empuje lateral en la caña de la válvula cuando la válvula abre, lo que causa desgastes y posteriores pérdidas

Se produce desgaste entre el empujador y la zona de contacto con la válvula.

LAS VALVULAS EN LOS GRANDES MOTORES

Las grandes válvulas suelen ser de asientos postizos fabricados de acero al molibdeno, estelita o nimónic. Los elementos principales de la caja de la válvula se suelen fabricar de hierro fundido y suelen ir refrigerados por agua, por lo que no suele soportar grandes esfuerzos ni ser necesarios cuidados especiales en estas partes. El asiento suele ser postizo para permitir su extracción y rectificado.

VALVULAS DE ACCIONAMIENTO HIDRAULICO

Para evitar los problemas del accionamiento mecánico de las válvulas actualmente se emplea el sistema de actuación hidráulica, con lo que no hay problemas de holgura. La dilatación se permite dejando que el aceite escape a través de una válvula de seguridad en la unidad de la bomba. La apertura además se hace siempre axialmente.

Recirculación de gases de escape (EGR)

 Es un sistema que introduce parte de los gases de escape en el colector de admisión. El propósito de este sistema es reducir la generación de óxidos de nitrógeno en los gases de escape, que se forman en mayor proporción cuanto más alta es la temperatura en la combustión. Con la recirculación de gas de escape se reduce esa temperatura.

El gas de escape es inerte; es decir, no reacciona con el combustible. Al añadir una cierta cantidad de gas de escape, la atmósfera, menos rica en oxígeno, produce una combustión “menos caliente”. La cantidad de gas de escape recirculado depende del régimen y la carga.

Dentro de los contaminantes más importantes que se generan en los motores por la combustión están los Óxidos de nitrógeno.

Cuando la temperatura reinante en el interior de la cámara de combustión es muy elevada y para una cantidad de combustible inyectado, la riqueza de la mezcla en aire y el entorno a temperatura elevada facilita la oxidación del nitrógeno del aire en mayor medida. 

La forma propuesta para corregir y reducir al máximo este efecto indeseable es la reintroducción (recirculación) de parte de los gases de escape (de un 5 a un 15%) nuevamente a la cámara de admisión. Así, empeorando la mezcla conseguiremos una reducción de las emisiones de óxido de nitrógeno en proporciones de un 60% más o menos. 

Con esto se consigue que la temperatura de combustión disminuya y que los gases emitidos a la atmósfera sean menos nocivos ya que el aire que entra ahora en los cilindros tiene un porcentaje de oxígeno inferior al que procede del exterior, reduciendo la emisión de óxidos de nitrógeno (NOX). En los motores Diesel, los catalizadores no son efectivos en la eliminación de NOX, de ahí que sea necesario los sistemas EGR. En los propulsores de gasolina, se han de utilizar en combinación con las nuevas tecnologías de inyección directa.

Sobrealimentación

Las posibilidades de aumentar la potencia se limitan a:

Aumentar la velocidad de giro del motor, con lo que aumentan las fuerzas de inercia, hay mayores desgastes y puede disminuir el rendimiento volumétrico.

Aumentar la cilindrada total del motor. Aumentaría el coste y el peso y el volumen del motor.

Aumentar la densidad del aire en la admisión.

Para mejorar el llenado del interior del cilindro, hoy día, en la mayor parte de los motores se recurre a la SOBREALIMENTACIÓN

La razón fundamental para el empleo de la sobrealimentación es aumentar la potencia del motor.

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. Aumentar la potencia depende de la cantidad de combustible quemado en cada ciclo de trabajo y del número de revoluciones.

Por mucho que aumentemos el combustible que hacemos llegar al interior de la cámara de combustión, no conseguimos aumentar su potencia si este combustible no encuentra aire suficiente para quemarse.

Solo conseguiremos aumentar la potencia, sin variar la cilindrada ni el régimen del motor, si conseguimos colocar en el interior del cilindro un volumen de aire (motores Diesel) o de mezcla (aire y gasolina para los motores de gasolina) mayor que la que hacemos entrar en una «aspiración normal».

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.

CUANDO SOBREALIEMENTAMOS UN MOTOR CONSEGUIMOS LO SIGUIENTE

El coste por unidad de potencia disminuye, ya que el motor varía poco y sin embargo la potencia aumenta bastante.

La potencia específica aumenta y esto es importante ya que la potencia específica disminuye con el tamaño del motor.

El rendimiento mejora.

En los motores, salvo muy raras y antiguas excepciones, el sistema de sobrelimentación es mediante turbosoplantes, es decir, aprovechando la energía de los gases de escape.

EN LOS GRANDES MOTORES

Hay dos formas principales de realizar la sobrealimentación:

Por impulsos

A presión constante

Características que deben poseer las cámaras de combustión en los motores de explosión

Favorecer el desarrollo correcto de la combustión, con la presión máxima al sobrepasarse ligeramente el PMA y disminución gradual en la expansión, con gradientes de presión adecuados. Para ello es necesario que se genere una suficiente turbulencia, que dé lugar a altas velocidades de la llama.

Que no se provoquen las condiciones favorables a la detonación. Condiciones de la cámara que dificultan la detonación:

Mantener a baja temperatura la parte de la carga que se quema al final, refrigerando esta zona o aumentando la relación superficie/volumen.

Reducir el recorrido del frente de llama. (Bujía central o dos bujías)

Alta resistencia al “envejecimiento”

Permitir tamaños y disposición de las válvulas que permitan conseguir altos rendimientos volumétricos, sin complicar excesivamente la distribución.

Facilidad de construcción y bajo precio.

Tipos de cámaras de combustión en los motores de explosión:

Cámara de combustión hemisférica, posee suficiente espacio para que los orificios de admisión y escape sean de gran tamaño, que sirve para que el motor tenga un máximo de entrada y salida de gases en cada cilindro, lo cual produce gran potencia cuando el motor esta muy revolucionado. La situación de la bujía en el centro inflama toda la mezcla en el menor tiempo posible.

Cámara de combustión discoidal, tiene la forma de una tina invertida con las válvula en la parte inferior de la misma. Ya que las válvulas se pueden colocar una al lado de la otra, el mecanismo que las hace funcionar es muy sencillo. La forma ovalada y alargada de la tina controla la turbulencia excesiva, y las paredes lisas por las que sube el pistón hasta su PMS, hacen que se produzcan los chorros necesarios para que la mezcla forme turbulencias o remolinos.

Cámara de combustión en cuña, es mas bien reducida. El corto recorrido de la llama (que va desde la bujía al punto mas distante) reduce el riesgo de autoencendido. La explosión produce remolinos turbulentos cuando el pistón expulsa la mezcla de la zona mas estrecha. La turbulencia mantiene bien mezclado el aire y combustible de principio a fin, para que exista combustión uniforme.

Características que deben tener las cámaras de combustión en los motores diesel

Por cámara de combustión se entiende el volumen cerrado encima del pistón cuando se comienza la inyección de combustible, esto es, cuando el pistón está llegando al punto muerto superior en la carrera de compresión. En esta cámara ha sido confinado todo el aire que entró al cilindro durante la admisión en forma comprimida y por lo tanto muy caliente. Aquí es donde el inyector suministra el combustible.

En los motores diesel juega un papel fundamental en el comportamiento y rendimiento del motor la forma y posición de la cámara de combustión.

La mezcla de combustible y aire debe de quemarse de forma uniforme y progresiva, puesto que una detonación violenta de la mezcla produciría un estado de marcha desigual. Para lograr la combustión correcta, el combustible y el aire deben de mezclarse adecuadamente, esto se consigue creando una turbulencia en el aire del interior del cilindro a la vez que se comprime.

Favorecer o inducir la turbulencia que garantice la correcta mezcla del combustible con el aire, sin que se aumente innecesariamente la transmisión de calor.

Relación superficie/volumen baja.

Permitir la disposición de válvulas y tamaños que permitan altos rendimientos volumétricos sin complicar excesivamente la distribución.

Facilitar un fácil arranque en frío.

Precio bajo de la culata.

Tipos de cámaras de combustión en los motores diesel:

Cámaras de inyección directa.

Cámaras de precombustión o antecámaras.

Cámaras de acumulación de aire.

Las cámaras de precombustión y las de acumulación tuvieron sentido cuando los sistemas de inyección no permitían obtener las pulverizaciones que se consiguen actualmente. Hoy día, casi exclusivamente se diseñan y fabrican motores con cámaras de inyección directa, por sus importantes ventajas respecto a las anteriores.

Inyección indirecta

            En el caso de la cámara de combustión separada, la oquedad donde se acumula el aire en la carrera de compresión se ha practicado en la masa metálica de la culata, y la comunicación entre el volumen sobre el pistón y esta cámara es un pasaje relativamente estrecho.

            Este pasaje estrecho hace que el aire en la carrera de compresión, circule a alta velocidad hacia la cámara en un flujo muy turbulento que favorece la formación de la mezcla del aire y el combustible una vez comenzada la inyección.
Los gases a elevada presión producto de la combustión también tienen que pasar por este pasaje estrecho, por lo que van a parar a la cabeza del pistón con cierta gradualidad, que hace que las presiones máximas que tiene que soportar el mecanismo pistón-biela-manivela no sean tal elevadas como en el caso de la inyección directa.

Estos motores son en general de un funcionamiento mas silencioso y elástico que los de inyección directa, pero el aumento del área de transferencia de calor (debido a la cámara) al agua de enfriamiento produce pérdidas y la eficiencia es menor así como se dificulta el arranque en frío.

Este problema del arranque en frío se resuelve con la utilización de unas resistencias eléctricas especiales colocadas dentro de la cámara de combustión separada, conocidas como calentadores.

Las fronteras entre los diferentes tipos de cámaras de inyección indirecta no están bien definidos, puede asumirse entonces que hay diseños de motores que se acercan mas a un tipo que al otro y la denominación es por lo tanto algo ambigua.

Inyección directa

En este caso la inyección de combustible pulverizado se realiza directamente sobre la cabeza del pistón, donde se ha practicado una oquedad de forma especial para producir turbulencia en el aire. En esta oquedad es donde se acumula casi todo el aire del cilindro cuando el pistón está en el punto muerto superior, por tal razón es común denominarla como cámara de combustión, aunque en realidad la verdadera cámara de combustión es todo el volumen cerrado sobre el pistón.

En este caso el incremento de presión se produce sobre el pistón, por lo que este recibe toda la fuerza generada por los gases.

Masas Giratorias

Las masas giratorias, que supondremos concentradas a un radio R, generan fuerzas centífugas, que podemos descomponer en sus componentes verticales y horizontales.

Elementos dotados de movimiento alternativo (Σm_a):

Pistón, con todos sus accesorios, incluido el refrigerante.

Vástago, cruceta, patín, con todos los accesorios.

Parte de la biela considerada como dotada de movimiento alternativo.

Descomposición de masas en la biela

El cojinete de pié de biela tiene movimiento puramente alternativo.

El cojinete de cabeza de biela describe circunferencias con radio R.

Cualquier punto intermedio de la biela describe seudoelipses.

Para facilitar el cálculo de las fuerzas de inercia generadas, se descompone la biela.

Descomposición de masas en el cigüeñal

De la misma forma que en el caso de la biela, el cigüeñal puede descomponerse en una masa equivalente, concentrada en el centro de la muñequilla, y girando a un radio R, y otra masa, concentrada en el centro de giro del cigüeñal.

En el caso del cigüeñal, al girar a velocidad angular constante, solamente se tiene que cumplir la condición de equivalencia estática.

Fuerzas que actúan en el motor

Fuerzas motrices

Fuerzas de los gases (Positivas y negativas)

Fuerzas de inercia (Positivas y negativas)

Fuerza de la gravedad (Positiva y negativa)

Fuerzas resistentes

Resistencia útil (Siempre negativa)

Resistencias pasivas (Siempre negativas)

Fuerzas resultantes

Se calculan para cada régimen de carga, régimen de velocidad. Sumadas algebraicamente, junto con la fuerza de la gravedad, nos darán la fuerza resultante

Conceptos de velocidad angular máxima y mínima

Cuando hay exceso de par motor, el motor se acelera. La velocidad máxima se producirá cuando vuelva a igualarse el par motor instantáneo con el par motor medio.

La velocidad angular decrecerá mientras que el par motor instantáneo sea menor al par motor medio. Será mínima cuando vuelva a igualarse con el par motor medio.

El par motor varía continuamente. Ello da lugar a aceleraciones y deceleraciones angulares del cigüeñal.

Si el par motor medio aumenta, el motor se acelera. Si el par resistente aumenta, el motor se decelera. En un régimen permanente, el par motor medio y el par resistente son iguales (acción y reacción).

Volantes de inercia

La variación del momento motor a lo largo del ciclo implica la aparición de aceleraciones y desaceleraciones de la velocidad instantánea de rotación. Un primer método para corregir o atenuar la irregularidad en la velocidad de giro es subdividir el motor en varios cilindros, con lo cual las variaciones del par motor de cada cilindro se compensan en parte por los demás.
El segundo método consiste en colocar una pieza de inercia elevada, llamada volante de inercia, en el extremo del cigüeñal, que actúe como acumulador de energía.

Elementos que soportan esfuerzos térmicos más importantes

Paredes interiores de los cilindros.

Cámara de combustión.

Pistón.Es la parte móvil de la cámara de combustión formada además por el cilindro y la culata. Tiene tres importantes misiones: comprime la mezcla, transmite la fuerza de las combustiones que provocan su movimiento de vaivén al cigüeñal a través de la biela, e impide que los gases quemados tras la combustión puedan filtrarse hacia el cárter.

Una mayor potencia específica implica que los pistones soportan un mayor esfuerzo térmico y mecánico. Válvulas de escape. Las válvulas de admisión no tienen que soportar tan elevados esfuerzos térmicos y se enfrían con la carga fresca.

En las válvulas de escape, el enfriamiento se efectúa sobre todo a través del inserto del asiento y de la culata del cilindro. Una parte menor del calor acumulado se disipa a través de la guía de la válvula en el trayecto hacia la culata.

Los esfuerzos térmicos en las válvulas sobre todo las de escape son enormes, las válvulas de la figura son huecas y rellenadas con sodio para que soporten mayores fatigas.

Problemas que se presentan sin una buena refrigeración en las partes anteriormente mencionadas

En las paredes interiores de los cilindros:

Se producen cambios fisicoquímicos en el lubricante.

Se forman depósitos de carbón.

Se provoca un desgaste excesivo de las paredes.

Cámara de combustión:

Disminuye la duración de las válvulas, bujías y culata en los puntos de menor resistencia entre los orificios de las bujías o inyectores y los asientos de las válvulas.

La refrigeración no uniforme de la culata de los motores de explosión puede producir encendido anormal (detonaciones o encendido superficial).

Pistón:

Disminuye su resistencia mecánica, especialmente en los casos de aleaciones ligeras.

Se producen deformaciones de zonas clave tales como cajeras de aros y la unión del bulón y pistón.

Válvulas de escape:

Corrosión rápida sobre la superficie de contacto.

Reducción de la resistencia mecánica si falta el intercambio de calor a través de los asientos en el periodo de cierre.

Transmisión de calor aplicada a los Motores de Combustión Interna

El estudio de la transmisión de calor en los motores es evidentemente mucho más complejo que en el caso de un intercambiador. Las diferencias más notables que existen son:

Una parte del calor transmitido a las paredes del cilindro y al sistema de escape se realiza más por radiación que por convección.

La cantidad de fluido que existe en la zona de gases es evidentemente inconstante.

La geometría del sistema es irregular y cambia constantemente con el giro del cigüeñal de forma periódica.

La conductibilidad de las paredes varía en cada punto y con la cantidad de aceite, carbón y otros depósitos en la cara externa e interna de la pared.

La temperatura del gas varía ampliamente en cada fase del ciclo, es decir, cambia periódicamente con la posición del cigüeñal.

Las temperaturas de las superficies en los lados de agua y gas varían de un punto a otro de forma irregular y hay una pequeña pero apreciable diferencia de estas temperaturas con el tiempo (o con el ángulo girado)

Parte del calor transferido al vástago y a la camisa  es debido a la fricción del pistón.

Existe un flujo de calor en las paredes del cilindro debido a la existencia de zonas más frías y más calientes.

Sistemas de Refrigeración

La reacción química que se produce al quemarse el combustible en el interior del motor genera una gran cantidad de calor que recogen las piezas que forman la cámara de combustión (culata, camisa y pistón). Si estas piezas no evacuan el calor recibido se deterioran rápidamente originando graves averías en el motor.

El sistema de refrigeración tiene la función de absorber parte del calor que recoge de la culata, camisa y del bloque de cilindros para cederlo a la atmósfera.

Todo el sistema está formado por un circuito cerrado lleno de líquido de refrigeración.

El bloque de cilindros y culata tienen una serie de cavidades interiores por donde circula el líquido y recoge el calor. El líquido entra primero al bloque y va ascendiendo hasta la culata por donde sale.

Por aire.

Por agua.

Por líquidos especiales.

Refrigeración de la Culata

La culata contiene la cámara de combustión o forma parte de ella, alcanza temperaturas muy altas y necesita refrigeración, como también la necesita el bloque del motor.

Refrigeración del Cilindro

Hay que recordar que los aros rozan sobre una película de lubricante adherida a la camisa. Una temperatura excesiva degrada el aceite y dificulta el proceso de la lubricación.

Refrigeración de Pistones

Elementos del Sistema de Refrigeración

Calentador de agua de refrigeración

Cuando el motor está parado el sistema de calefacción mantiene la temperatura del motor y de esta forma se mantienen las condiciones para el arranque, disminuyéndose el tiempo necesario para hacerlo. Intentar arrancar el motor sin estar caliente puede provocar mala combustión, lubricación insuficiente y choques térmicos.

El agua entra y sale del motor a través de una serie de válvulas de retención. De esta manera cada cilindro puede ser drenado individualmente para evitar la pérdida excesiva de agua y reactivos químicos.

Enfriador de agua de refrigeración

El agua caliente que sale del motor pasa a través de una válvula termostática que desvía una parte del agua hacia el enfriador. La temperatura se controla mediante una señal de retroalimentación (temperatura medida a la salida del enfriador) y una señal de medida de la temperatura a la salida del motor.

Evaporador

Aumenta el rendimiento de la instalación por la utilización del calor de la refrigeración del motor para producir agua destilada.

Tanque de expansión o de dilatación. (También llamado tanque de compensación)

Mantiene una altura constante sobre las bombas de circulación reduciendo la posibilidad de cavitación a elevadas temperaturas en las bombas.

Incrustraciones en el Sistema de Refrigeración

En las áreas de formación de depósitos, cuando las temperaturas aumentan, pueden precipitar los sólidos disueltos, específicamente los constituyentes de la dureza de Calcio y Magnesio del agua de la refrigeración. Los depósitos pueden acumularse en las superficies de transmisión de calor formándose sulfatos y carbonatos, cuya magnitud depende de la dureza del agua, el contenido en sólidos disueltos, las temperaturas locales y las características del flujo local.

Los depósitos pueden reducir los niveles de transferencia de calor y reducen la resistencia mecánica de los elementos componentes, lo que puede exacerbarse por la presencia de aceites y óxidos metálicos.

El grado y tipo de la incrustación en un sistema de refrigeración depende de:

Las temperaturas del sistema

Cantidades de pérdidas y rellenos

Calidad del relleno

Calidad del tratamiento

CARBONATO DE CALCIO: Aparece como un depósito amarillo crema pálido, formado por la descomposición térmica del bicarbonato de calcio.

SILICATO DE MAGNESIO: Los depósitos de silicato son un problema particular en los sistemas que utilizan aditivos en forma de silicatos para la prevención de la corrosión. El silicato forma una barrera protectora en la superficie del metal.

COBRE: La presencia de cobre en el sistema de refrigeración es muy preocupante ya que puede provocar corrosiones agresivas por acción galvánica. Se suelen incluir en los sistemas de refrigeración los inhibidores de corrosión específicos para estos casos.

Corrosión en los Sistemas de Refrigeración

En el interior del sistema de refrigeración de cilindros existen un buen número de causas de corrosión, pero las dos más comunes y más dañinas son las debidas a metales diferentes y a la aireación diferencial.

En ambos tipos existe un ánodo y un cátodo, los metales que forman el sistema de refrigeración, y un electrolito que es el agua de refrigeración. La velocidad a la que se produce la corrosión depende de las áreas relativas del ánodo y el cátodo y la concentración del electrolito.

Es el ánodo el que se desgasta. La corrosión debida a las diferencias de temperatura es evitable solamente con el empleo de tratamientos apropiados.

Corrosión electrolítica

Una celda galvánica metálica se forma cuando hay dos metales diferentes y un líquido conectándolos de alguna forma. Todos los metales pueden clasificarse en una serie electroquímica con los más nobles en la parte superior de esta clasificación. Estos metales en la parte alta de la serie son catódicos con respecto al resto clasificados más abajo. La posición relativa entre dos metales en la tabla determina la dirección y la intensidad de la corriente eléctrica que fluye entre ellos y por lo tanto el nivel al que se corroe el metal menos noble.

Corrosión por aireación diferencial

A pesar de que tengamos un sistema construido de un solo metal puede existir corrosión en el sistema si el contenido de oxígeno del electrolito no es homogéneo. Esta situación puede producirse rápidamente en las zonas donde queda agua estacionaria quedará un nivel de oxígeno reducido por la oxidación local del metal.

El metal adyacente al agua con niveles reducidos de oxígeno se convertirá en anódico con respecto a los metales en contacto con agua con más alto contenido de oxígeno.

Generalmente, el metal anódico es pequeño en comparación con el cátodo, es decir, el área de flujo reducido es pequeña en comparación con las zonas donde el flujo de electrolito es normal y ello puede provocar corrosiones importantes.

Un caso claro de este tipo de corrosión es la generación de fuertes picaduras debajo de las escamas de óxido.

Resumen corrosión

Para evitar el riesgo de la corrosión es necesario aislar la superficie metálica del electrolito. Un método puede ser mediante pinturas, pero este sistema es impracticable en los complicados conductos de refrigeración.

Una solución mejor sería proteger el metal con un recubrimiento de barrera, que además sea capaz de recuperar cualquier daño a esta barrera.

Para que exista corrosión galvánica debe haber al menos cuatro condiciones:

Debe haber un ánodo.

Debe haber un cátodo.

Debe estar presente un electrolito.

Debe existir un camino para la circulación electrónica.