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1. El bloque motor
Es el elemento que constituye el soporte
estructural de todo el motor. En él van alojados gran parte del resto
de los elementos que componen el motor.
Cuando el motor tiene pocos cilindros, éstos normalmente se colocan en
línea. Pero cuando el número crece, los cilindros suelen colocarse en
dos grupos o bancadas en forma de V, en un ángulo de 120º. Esto se hace
con dos objetivos:
- Que el tamaño del bloque sea menor, ahorrando espacio y coste
- Acortar la longitud del cigüeñal. Un cigüeñal largo sería poco resistente y muy propenso a roturas y deformaciones
Sección de un motor alternativo en V
El bloque, por su parte baja, se cierra en el cárter. En él va alojado
también el cigüeñal, que está unido y sujeto al bloque motor a través
de unos cojinetes, llamados cojinetes de bancada. Sobre estos cojinetes
desliza el cigüeñal, con la lubricación necesaria. Estos cojinetes son
elementos de desgaste que es necesario sustituir cada cierto
tiempo.
En el bloque se alojan los cilindros, que son unos huecos de forma
cilíndrica por donde se mueve el pistón. Para facilitar la reparación
de los daños que pudieran producirse en el movimiento del pistón
(desgaste, abrasión, calentamiento, agarrotamiento, etc), el cilindro
va recubierto por un forro o camisa que puede sustituirse en caso de
resultar dañada por un fallo imprevisto. Suele sustituirse no obstante
cada cierto número de horas por desgaste normal.
La refrigeración del bloque se realiza haciendo circular agua por unos
huecos y conductos diseñados al efecto. El agua circula por ellos y
evacua el calor, para que la temperatura no aumente demasiado y la
dilatación provoque tensiones inadmisibles Hay que asegurar circulación
adecuada y presencia de agua en contacto con todas las partes a
refrigerar, porque en otro caso (presencia de burbujas de aire o vapor
por fallo de circulación) provocaría el gripado o agarrotamiento de las
partes en movimiento. De este circuito se hablará con detalle más
adelante.
Por el bloque también circula el aceite lubricante, cuya misión es
refrigerar las partes en movimiento y proveer de una película
lubricante entre las superficies con movimiento relativo. De este
circuito también se hablará detalladamente más adelante.
Por último, en la parte superior del bloque se sitúan las culatas,
normalmente una por cilindro, que confieren estanqueidad al bloque
motor.
Sección longitudinal de un motor
Un motor de combustión ciclo Otto funciona, como hemos visto, mediante
la admisión de gases (aire y combustible) que posteriormente se
comprimen y se queman. La energía que disipa la combustión de los
mismos se aprovecha en la obtención de trabajo en la etapa final del
ciclo (expansión). Si se alimenta el motor con una presión superior a
la atmosférica, su potencia aumenta al disponer de mayor cantidad de
mezcla en el mismo volumen de cilindrada. A este efecto se le denomina
sobrealimentación del motor o turboalimentación. Esta mayor potencia
manteniendo las pérdidas mecánicas aumenta adicionalmente el
rendimiento.
La ventaja de la sobrealimentación es que, aparte de mantener los
valores de potencia iguales a cualquier altura de uso sobre el nivel
del mar se puede aumentar la potencia máxima obtenida de un motor, sin
tener que diseñar otro de mayor cilindrada, por lo que reduce el coste
del motor. Además, se obtienen mayores valores de par motor, con
valores de rozamientos internos (función de la cilindrada y número de
cilindros), similares a motores de menores prestaciones. Las mayores
prestaciones con menores inercias alternativas suponen una mejora en el
rendimiento del motor. Otras ventajas son las siguientes:
- No consume energía en su accionamiento
- Fácil localización, sin accionamiento directo del eje del motor
- Reducido volumen, en relación al caudal proporcionado
- Gran capacidad de comprimir a altos regímenes y altos caudales.
El mayor inconveniente que presenta la sobrealimentación del motor es
que, al estar la mezcla a mayor presión y temperatura, determinadas
partes del motor, especialmente la cámara de combustión, deberán estar
preparadas convenientemente. Pero el problema mayor es que al aumentar
la compresión de los gases, la presión y la temperatura son tan
elevadas que pueden provocar el encendido por autoignición, de modo que
no se puede sobrepasar una relación de compresión límite. En la
figura posterior se puede ver que los motores de mezcla pobre trabajan
en la zona de alto exceso de aire, lo que permite trabajar con alta
relación de compresión (por tanto alto rendimiento) a la par que con
bajas emisiones, pero en todo caso hay un límite en el que hay riesgo
de fallo de la chispa. Este límite se aleja en algunos diseños
produciendo ignición de una mezcla rica en una precámara, que a su vez
inicia con seguridad la ignición de toda la mezcla en los cilindros.
Zonas de funcionamiento de los motores estequiométricos y los de
mezcla pobre
Aunque existen diversas formas de comprimir el
aire o la mezcla aire-gas, el elemento normalmente usado para este fin
en motores alternativos de combustión es el turbocompresor.
Un turbocompresor es un sistema formado
por una turbina y un compresor acoplados por un eje común. El compresor
está situado en la entrada del colector de admisión y la turbina está
colocada a la salida del colector de escape. Los gases de escape del
motor salen con gran fuerza empujando los álabes de la turbina que, al
girar, hace que gire el compresor gracias el eje central que los une.
El compresor, en determinados modelos de motor, toma el aire a presión
atmosférica y lo comprime, introduciéndolo en el cilindro a una presión
mayor, mejorando el llenado. En otros modelos lo que comprime es la
mezcla aire-gas.
Esquema de funcionamiento de los turbocompresores
Para evitar sobrepresión en la cámara de combustión, los
turbocompresores van equipados con una válvula de descarga o
waste-gate. La válvula de descarga tiene la misión de controlar la
velocidad de giro del compresor limitando los gases de escape que
llegan a la turbina. La velocidad de giro de la turbina está limitada
por la fuerza de los gases de escape, pero una velocidad de giro
excesiva aumentaría mucho la presión a la salida del compresor y podría
dañar el motor o crear detonaciones por autoignición.
Una parte de los gases que van al cilindro para comenzar el ciclo
termodinámico esta comunicando con la membrana que posee dicha válvula.
Si la presión a la que se encuentra el aire de entrada al cilindro
supera un límite determinado, empujaran la membrana de la válvula.
Funcionamiento de la válvula de control del turbocompresor
Esta válvula está en el colector de escape en
contacto con los gases, de tal forma que si es empujada por la membrana
que posee, la válvula se levanta y parte de los gases de escape irán
directamente al exterior, sin pasar por la cámara de combustión,
reduciendo así la presión en la entrada del cilindro.
Los
gases de admisión empujan la membrana de la válvula y una parte de los
gases de escape salen al exterior sin pasar por el cilindro
El turbocompresor trabaja a altas revoluciones por lo que la
lubricación será un factor a tener en cuenta a la hora de mantener
correctamente este sistema. Habrá que vigilar la calidad del aceite
lubricante, su presión y, sobre todo, el mantenimiento de los
filtros de aspiración de aire. Esto último es de vital importancia
puesto que una de las causas más frecuentes de avería del
turbocompresor es la entrada de partículas extrañas.
Con el tiempo, las pequeñas partículas y gases adherentes van
ensuciando el compresor y la turbina, e igual que en el caso de las
turbinas de gas es necesario hacer un lavado periódico del
turbocompresor, normalmente con agua y un detergente, que se introduce
por unas boquillas apropiadas, mientras el motor funciona a baja
velocidad.
2. Sistema de admisión
Está formado por los refrigeradores del aire de admisión o intercoolers, el colector de admisión y las válvulas de admisión.
El aire al ser comprimido en el turbocompresor se calienta por efecto
Joule-Tompson a unos 200º C. Para aumentar su densidad más aún y
consecuentemente la potencia específica del motor es preciso
refrigerarlo, lo que se hace en el intercooler, que no es más que
un refrigerador de tubos aleteados. En él, el aire se refrigera con
agua.
Este intercambiador se puede ensuciar tanto en su circuito de agua como
de aire. Para evitar el ensuciamiento del circuito de agua es muy
recomendable trabajar en circuito cerrado con agua tratada. El calor
puede ser finalmente evacuado a la atmósfera mediante un
aerorefrigerante, o mediante un intercambiador de placas puede ser
transferido a un circuito exterior de aprovechamiento o a una torre de
refrigeración.
Para minimizar las necesidades de limpieza del circuito de aire es
necesario hacer un filtrado efectivo a la entrada del motor. Ello se
hace tomando aire del interior de la sala de motores, y se
introduce en el motor, haciéndolo pasar por un filtrado previo, justo a
la entrada el compresor todavía se hace un filtrado más fino. Otras
veces se toma el aire directamente del exterior por unos conductos,
donde se intercalan filtros especiales.
Para asegurar la máxima potencia del motor es preciso que el aire entre
al turbocompresor a una temperatura suficientemente baja. Esto se
consigue con agua de refrigeración convenientemente fría (40 o 50 ºC),
lo que sólo es posible utilizando torres de refrigeración. En caso de
escasez de agua se instalan aerorefrigerantes, lo que limita la
potencia máxima del motor en condiciones de alta temperatura ambiente.
Del colector de admisión, el aire o la mezcla se introducen en el cilindro a través de las válvulas de admisión.
3. Sistemas de alimentación de gas natural
La alimentación de gas natural puede realizarse en los motores actuales de dos maneras diferentes:
a) Por carburación.
El gas se introduce de forma natural por válvulas hacia el conducto de
aspiración de aire al turbo, a presión atmosférica y es la mezcla
aire-gas la que se comprime en el mismo. De esta forma la mezcla que se
introduce al cilindro es muy uniforme, pero por el contrario el aire de
entrada y el gas deben estar en condiciones muy constantes, por lo que
las condiciones (presión y temperatura) de los mismos se convierten en
algo crítico que hay que mantener muy estable. Una pequeña perturbación
en las condiciones del aire o el gas producen un desajuste de la
relación aire-combustible, y el riesgo de detonación.
b) Inyección
separada del aire comprimido por el turbocompresor una vez refrigerado
y el combustible a presión a la cámara de combustión. En este
caso se consigue peor uniformidad de la mezcla dentro del cilindro.
Como el mejor rendimiento y menores emisiones se consiguen trabajando
con mezclas pobres, es preciso provocar la ignición primero en una
precámara con la bujía en una mezcla rica; la deflagración en la misma
se transmite a la cámara de combustión del cilindro, asegurando la
explosión completa. Esta forma de alimentación es menos sensible a las
condiciones ambientales, pero requiere disponer de gas natural a
presión (unos 3 o 4 barg normalmente).
4. Culatas
La culata es el elemento de cierre del
cilindro en la parte superior del mismo, y que aloja las válvulas de
admisión y escape, bujías y precámara, cuando existe. Está sometida a
las mayores tensiones térmicas de todo el motor y por la gran cantidad
de mecanismos que incorpora es la parte crucial en el desarrollo de un
motor. Una cuestión de la máxima relevancia es asegurar una
refrigeración efectiva y una lubricación de todos sus mecanismos para
asegurar un funcionamiento fiable del motor
5. Sistema de encendido
El encendido en los motores Otto se hace
mediante las bujías, en las que se produce una chispa cuando aparece
una alta tensión entre los terminales. Para provocar la ignición es
necesario que la bujía este en contacto con la mezcla. Los
contaminantes de la mezcla como el polvo y aceite junto con la propia
ignición que origina la bujía hacen que los terminales de la misma
estén sujetos a condiciones muy rigurosas, se recubran de carbonilla y
se deterioren, lo que conduce al fallo de la bujías. La vida media
actual de las bujías es de 1000 a 2000 horas; son el punto más débil
del motor y condicionan en gran medida la disponibilidad de estas
máquinas.
Hay investigación continua en el proceso de alargamiento de vida y
aumento de fiabilidad de las bujías. En paralelo se mejoran los
sistemas de lubricación y retención de aceites y filtrado de polvo para
minimizar los contaminantes presentes.
En esta línea, algunos fabricantes están investigando novedosos
sistemas de ignición sin bujías, que consisten en la producción de un
punto caliente, que al menos en teoría aumentarán de forma sensible la
disponibilidad y disminuirán el coste de mantenimiento de los motores
Otto.
6. La cámara de combustión
Entre la parte superior del cilindro y la
culata se forma la cámara de combustión. En ella se produce la ignición
y en consecuencia las condiciones más duras en la máquina en lo
referente a temperatura y presión. Como hemos dicho, unas veces la
ignición se provoca directamente en esta cámara y otras se produce en
una precámara que luego se propaga al resto de la cámara. En cualquier
caso, al trabajar con mezclas pobres hay riesgo de fallo de encendido,
por lo que la propagación de la llama es muy importante y hace que el
diseño de válvulas y cámara esté especialmente pensado para garantizar
la uniformidad de la mezcla y la buena propagación de la llama.
7. El sistema de arranque
Para el arranque de un motor es preciso
acelerarlo hasta una cierta velocidad por medios externos. A esta
velocidad mínima, el trabajo cedido en el cilindro en que se realiza la
expansión, impulsa a los demás y esto se realiza con una cadencia que
garantiza suficiente regularidad en los esfuerzos y momentos.
Esto se puede realizar con un motor eléctrico,
aunque en la mayoría de los motores industriales actuales se realiza
con un motor neumático. En este caso el sistema consiste en un
compresor de alta presión, que trabaja hasta presiones cercanas a 30
bar y que comprime aire para almacenarlo en un depósito. Este
depósito constituye una reserva de energía en forma de aire comprimido.
Durante el periodo de arranque se hace pasar este aire a un motor
neumático (una pequeña turbina), que transmite un par a un engranaje
que a su vez acciona directamente el eje motor. Este sistema permite la
flexibilidad de aumentar la velocidad del motor a ritmo controlado
hasta que el sistema se automantiene. Normalmente el depósito se
dimensiona de manera que en el mismo y desde la presión de origen (30
bar), hasta el mínimo admisible (10 a 15 bar) haya capacidad para
realizar entre 3 y 5 arranques consecutivos.
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