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PRINCIPIOS DE MANTENIMIENTO
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DE MOTORES DE GAS
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1. El ciclo Otto desde el punto de vista funcional
A pesar de que el motor de explosión de
4 tiempos es extraordinariamente conocido, demos un pequeño repaso al
esquema de funcionamiento.
El ciclo Otto se basa en el movimiento alternativo (de subida y bajada)
del pistón en el interior del cilindro. El ciclo es abierto, pues la
mezcla combustible gas-aire se renueva en cada tiempo o fase de
admisión. El ciclo completo consta de 4 tiempos, dos de subida del
pistón y dos de bajada, como se vio anteriormente
Fases en un motor alternativo de cuatro tiempos
- Tiempo 1: Admisión.
El pistón se encuentra en el PMS (punto muerto superior). La válvula de
admisión se abre y entra una mezcla de gas y aire en el cilindro. Esta
mezcla puede estar a presión atmosférica y ser aspirada por la
depresión creada en el movimiento de bajada, o como en los actuales
motores industriales, puede haber sido comprimida en un turbocompresor
y ser inyectada en el cilindro a presión. Cuando el pistón llega al PMI
(punto muerto inferior) la válvula de admisión se cierra. El cigüeñal
ha dado media vuelta.
- Tiempo 2: Compresión.
El pistón, en su subida desde el punto muerto inferior hasta el punto
muerto superior comprime la mezcla. Las válvulas de admisión y escape
están cerradas. Un poco antes de llegar a la parte más alta se produce
el encendido de la bujía, y la mezcla deflagra. El cigüeñal ha dado ya
una vuelta completa. Estas dos etapas o tiempos son consumidoras de
energía, pues hasta ahora no se ha generado ningún trabajo.
- Tiempo 3: Expansión: Los gases producidos en la explosión se
expansionan, lanzando el pistón hacia abajo y produciendo el movimiento
del cigüeñal. Las válvulas de admisión y escape siguen cerradas. De los
cuatro tiempos, este es el único en el que se desarrolla trabajo. Los
otros tres son consumidores de energía mecánica. El cigüeñal ha dado
una tercera media vuelta. El pistón llega finalmente al PMI.
- Tiempo 4: Al alcanzar el PMI, la válvula de escape se abre y
libera los gases quemados producidos en la combustión. Al llegar al PMS
esta válvula se cierra y se abre nuevamente la de admisión, comenzando
un nuevo ciclo. El cigüeñal ha dado dos vueltas completas.
De los cuatro tiempos, sólo en uno se genera energía mecánica. La
inercia y los otros cilindros, cuyos tiempos están decalados, aseguran
que el movimiento sea continuo, aunque hay naturalmente esfuerzos
variables.
2. El ciclo Otto desde el punto de vista termodinámico
Este ciclo representado en la figura siguiente, es el característico de
los motores de gasolina o de gas y se llama también de explosión. En él
tiene lugar la aportación de calor mediante la combustión del gas a
volumen constante.
Ciclo Otto. Diagramas P-V y T-S
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El
ciclo se compone de la compresión isentrópica 1 – 2, en la que se
consume trabajo, la explosión isocora 2-3 en la que se verifica la
aportación de calor  ,
la expansión isentrópica 3-4, durante la cual se produce el trabajo
útil, y por último, la isocora de escape 4-1, durante la cual se
produce la cesión de calor  . El rendimiento del ciclo, siguiendo un razonamiento parecido al del ciclo Bryton, será:
Siendo  ,
la relación de compresión. Puede verse claramente como el rendimiento
depende fundamentalmente de la relación de compresión. Esta relación no
puede aumentarse a voluntad del diseñador pues aparece un problema: al
aumentar la relación de compresión aumenta el riesgo de detonación.
3. Recuperación de energía térmica en el motor alternativo
Existen cuatro fuentes de energía térmica que puede ser recuperada en el motor alternativo de gas:
- Gases de escape
- Agua de refrigeración de camisas
- Agua de refrigeración del aceite de lubricación
- Agua de refrigeración del aire comprimido por el turbocompresor
Los gases de escape contienen aproximadamente
un tercio de la energía del combustible, que puede ser usado para
producir vapor (normalmente por debajo de 25 barg), agua sobrecalentada
y/o agua caliente. Algunas aplicaciones industriales usan directamente
los gases de escape para procesos de secado, sin pasar esa energía a un
fluido caloportador como es el vapor o el agua sobrecalentada. En otras
el fluido que se utiliza como vehículo para transportar el calor es
aceite térmico. Se emplean cuando se requieren altas temperaturas
(200-250ºC) para el proceso.
Para el mejor aprovechamiento térmico del agua
del motor, las fuentes de calor del mismo (refrigeración de camisas y
culatas, refrigeración del aceite y refrigeración del aire a la salida
del turbocompresor) se separan en dos corrientes. Una es el circuito de
alta temperatura, integrado por la refrigeración de camisas y culatas y
la primera etapa de refrigeración del aire. Esta agua típicamente sale
del motor a 90 ºC. La segunda corriente es el agua de baja temperatura,
que integra la segunda etapa de refrigeración del aire de admisión y la
refrigeración del aceite. La temperatura de salida de esta agua es del
orden de 40 a 50ºC
El agua de refrigeración de camisas puede
producir agua caliente para diversos usos. También puede producir aire
caliente, si se hace pasar el agua de refrigeración a través de un
intercambiador aire-agua. En este caso, el agua se hace circular por el
circuito con la ayuda de una bomba, se calienta a su paso por el bloque
motor y el calor absorbido lo cede en el intercambiador, que no es más
que un serpentín por donde circula el agua y un gran ventilador que
fuerza al aire a pasar a través del serpentín, calentándose.
El agua de refrigeración del aceite y de
refrigeración del aire de admisión después de atravesar el
turbocompresor suelen estar unidos y raramente se aprovechan, por su
baja temperatura (30-40ºC). En ocasiones, este calor se utiliza como
precalentamiento del agua del circuito anterior. Normalmente se desecha
y se vierte a la atmósfera con la ayuda de una torre de refrigeración o
de un aerorefrigerador.
Las disponibilidades de energía de un motor de gas son las siguientes:
- Gases de escape a unos 400-500ºC que
suelen contener aproximadamente un 22% de energía recuperable y un 7%
de energía no recuperable que se pierde por chimenea.
- Agua caliente a alta temperatura, del orden del 15% de energía recuperable
- Agua caliente de baja temperatura, del orden del 10% de la energía que no suele ser recuperable
- Pérdidas del alternador y las del propio motor por conducción convección (fig. 2.31).
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