Carrera “Técnico Superior en Electromecánica”
“Mecánica Básica”
Copyright © 2021 Todos los derechos resevados. Prohibida su reproducción total o parcial. Manual preparado por el el Instituto Técnico Superior de Electricidad ITC, centro de formación y capacitación profesional de nivel terciario, reconocido por el Ministerio de Educación yCiencias (MEC)
Mecánica Básica
Motor Diésel
El motor diésel es un motor térmico que tiene combustión interna alternativa que se produce por la auto-ignición del combustible debido a altas temperaturas derivadas de la alta relación de compresión que posee, según el principio del ciclo diésel. Puede utilizar como combustible el gasóleo/gasoíl o aceites pesados derivados del petróleo, como también aceites naturales como el aceite de girasol (de hecho el primer combustible utilizado en este motor fue el aceite de cacahuete). Además es muy eficiente en términos termodinámicos; los mejores y más desarrollados llegan a alcanzar un valor de entre 45% y 55% de eficacia térmica, un valor muy elevado en relación a la casi totalidad de los motores de explosión; es uno de los motores más usados desde su creación en diversas aplicaciones. Los 6 tipos de Motores Diesel Existen diferentes tipos de motores diésel que se dividen de acuerdo a los tiempos de funcionamiento y combustión, la disposición de los cilindros y el efecto de los pistones. 1. Motores de 4 tiempos Como su nombre lo refleja, tienen un ciclo de combustión que consta de 4 tiempos. Estos son:admisión;compresión;explosión o expansión;escape. Este sistema crea una mezcla entre el combustible y el aire que se convierte en el movimiento del auto. A los motores 4 tiempos también se les conoce como Otto, debido a que su creador fue el ingeniero alemán Nikolaus Otto en 1867. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1er Tiempo (Admisión) 2
2º Tiempo (Compresión)
3er Tiempo (Expansión)
4º Tiempo (Escape)
Leyenda 1 - Válvula de admisión 2- Bujía 3- Válvula de escape 4 - Cámara de combustión 5 - Pistón 6 - Segmentos 7 - Cilindro 8 - Biela 9 - Cigüeñal
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2. Motores de 2 tiempos Se trata de motores más sencillos con menos cantidad de piezas mecánicas. Aunque también trabaja con un sistema de combustión interna, tal como el motor 4 tiempos, realiza todo el ciclo en una solo vuelta del cigüeñal o en dos carreras del pistón. Otra gran diferencia de este motor con respecto al anterior es que dirige el intercambio gaseoso por el pistón y no por las válvulas, como lo hace el de 4 ciclos. Corriente
Chispa Salida de gases Lumbrera de escape
Entrada de mezcla de gasolina Lumbreras Lumbrera de carga de admisión Cigüeñal
3. Cilindros en línea Este tipo de motores tienen una disposición paralela en línea de los cilindros, la cual es considerada la más simple. Esta clase de distribución es habitual en motores que tienen 8 o menos cilindros. 4. Motores con cilindros en V Cuando los motores tienen más de 8 cilindros, una armadura en línea no resulta lo suficientemente rígida, en algunas ocasiones. Por eso, se aplica la disposición en V, con un par de bielas conectadas en el mismo muñón para reducir la longitud e incrementar la resistencia del cigüeñal. Además de clasificarse por la disposición de los cilindros, también pueden segmentarse por sus posiciones, distribución y formas, como motor horizontal, motor de unidad múltiple y motor con cigüeñal vertical.
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5. Motores de efecto simple Cuando hablamos de tipos de motores diésel, este no puede quedar fuera, ya que es uno de los más comunes. Los motores de efecto simple son aquellos que utilizan una sola cara del pistón para producir la potencia necesaria para el desplazamiento.
Entrada y salida de aire Vástago
Émbolo
Muelle
6. Motores de doble efecto Son aquellos que usan ambas caras del pistón y, también, los dos extremos del cilindro para producir y desarrollar la potencia. Este tipo de motores son construidos únicamente para unidades grandes, generalmente de carga, que no necesitan alcanzar velocidades muy elevadas. También, en las últimas décadas, se han desarrollado motores con pistones opuestos dentro de un mismo cilindro, tomando como referencia los de doble efecto.
Principio de funcionamiento del Motor Diesel
Un motor diésel funciona mediante la ignición (encendido) del combustible al ser inyectado muy pulverizado y con alta presión en una cámara (o precámara, en el caso de inyección indirecta) de combustión que contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de autocombustión, sin necesidad de chispa como en los motores de gasolina. Este proceso es lo que se llama la autoinflamación. La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la temperatura que se produce en el segundo tiempo del motor, la compresión. El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de combustión a gran presión desde unos orificios muy pequeños que tiene el inyector, de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura (entre 700 y 900 °C) y alta presión. Como resultado, la mezcla se inflama muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia fuera. Esta expansión, a diferencia del motor de gasolina, es adiabática, generando un movimiento rectilíneo a través de la carrera del pistón. La biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento rectilíneo alternativo (de va y viene, ida y vuelta) del pistón en un movimiento de rotación. Para que se produzca la autoinflamación es necesario alcanzar la temperatura de inflamación espontánea del diésel. En frío es necesario precalentar el diésel 4
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o emplear combustibles más pesados que los empleados en el motor de gasolina, empleándose la fracción de destilación del petróleo fluctuando entre los 220 °C y 350 °C, y que recibe la denominación de gasóleo.
Partes del Motor Diesel
El motor diésel de cuatro tiempos está formado básicamente por las siguientes mismas piezas que un motor de gasolina, algunas de las cuales son: Árbol de levas Válvula de admisión Cubierta de las válvulas Conducto de admisión Culata Refrigerante
Válvula de escape Bujía Conducto de escape Pistón Biela Rodamientos de la biela
Bloque motor
Cárter
Cigüeñal
Aceite
Bloque motor El bloque motor es una de las piezas principales y la más importante del motor completo. Está compuesto en su interior por varias piezas que en su conjunto hace la función del bloque motor. El bloque motor puede a ver de dos materiales, bloque motor hierro o bloque motor aluminio. En su interior se encuentra las siguientes piezas: Pistones Son estructuras que se mueven de arriba hacia abajo, siendo elementos fundamentales del motor. Poseen de 2 a 4 seg5
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mentos. El segmento superior es de compresión y el inferior de engrase. Cigüeñal Son un conjunto de manivelas pequeñas, una por cada pistón. Su trabajo es convertir el movimiento lineal en un movimiento giratorio. Está ubicado sobre los cojinetes principales del bloque del motor. Biela Se puede denominar biela a un elemento mecánico que, sometido a esfuerzos de tracción o compresión, transmite el movimiento articulando a otras partes de la máquina. Actualmente las bielas son un elemento básico en los motores de combustión interna y en los compresores alternativos. Cárter Conocido también como sumidero, es el componente que cierra el bloque del motor y donde está alojado la gran parte del aceite. Rodea al cigüeñal principalmente. Bomba Aceite La bomba de aceite en un motor de combustión interna conduce aceite de motor en un circuito presurizado, lubricando pistones y camisas de los cilindros del motor. La función del aceite además de lubricar, es de reducir los ruidos y refrigerar. Junta Culata La junta de la culata es una de esas partes del motor que son esenciales para que este funcione correctamente. Está situada entre la culata y el bloque del motor, y tiene como objetivo evitar que el líquido refrigerante se ponga en contacto con el aceite del motor, mientras se lleva a cabo el proceso de combustión. Culata La culata, tapa de cilindros, cabeza del motor o tapa del bloque de cilindros es la parte superior de un motor de combustión interna que permite el cierre de las cámaras de combustión. 6
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La culata se construye en hierro fundido, aluminio o en aleación ligera y se une al bloque motor mediante tornillos y una junta, la junta culata. Se construye con estos elementos porque el sistema de enfriamiento debe ser rápido, y estos elementos se enfrían rápidamente. Cuando la culata está dañada emite un sonido parecido a un golpeteo ligero y un poco fuerte en la cabeza. Cuando el motor está con los niveles correctos de aceite, los busos y punterías emiten un sonido parecido a un golpeteo continuo pero muy ligero y silencioso. Árbol de levas Un árbol de levas es un mecanismo formado por un eje en el que se colocan distintas levas, que pueden tener variadas formas y tamaños, y están orientadas de diferente manera para activar diferentes mecanismos a intervalos repetitivos, como por ejemplo unas válvulas. Válvulas Las válvulas son elementos del motor de un vehículo que tienen la función de abrir y cerrar los conductos de admisión y escape de gases. Cumplen un trabajo fundamental en la combustión de la mezcla aire-combustible. Se ubican en la tapa de los cilindros y funcionan gracias a los resortes que empuja el árbol de levas. Tapa Balancines La tapa de balancines es una pieza metálica que cierra la parte alta de la culata o tapa de cilindros. Su misión es proteger y facilitar el engrase del conjunto de distribución. De alguna manera es el techo del motor, la parte más alta y, generalmente, lleva incorporada la boca del depósito de aceite o cárter. Inyector Un inyector es un elemento del sistema de inyección de combustible cuya función es introducir una determinada cantidad de combustible en la cámara de combustión en forma pulverizada, distribuyéndolo lo más homogéneamente posible dentro del aire contenido en la cámara.
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Bomba inyectora La bomba inyectora o bomba de inyección es un dispositivo capaz de elevar la presión de un fluido, generalmente presente en los sistemas de inyección de combustible como el gasoil (motores Diesel) o más raramente gasolina (motores Otto), hasta un nivel lo bastante elevado como para que al ser inyectado en el motor esté lo suficientemente pulverizado, condición imprescindible para su inflamación espontánea (fundamento del ciclo del motor diesel), gracias a la elevada Temperatura de auto combustión. Además distribuyen el combustible a los diferentes cilindros en función del orden de funcionamiento de los mismos. Bujía de precalentamiento Una bujía de precalentamiento es un dispositivo usado para ayudar a los motores diésel a arrancar. En condiciones de frío, algunos motores diésel pueden tener dificultades en arrancar porque la masa del bloque del cilindro y el propio cilindro absorben el calor de la compresión, impidiendo la ignición. En estos motores se usan bujías de precalentamiento, las cuales dirigen su calor hacia el bloque del motor alrededor de los cilindros. Esto ayuda a reducir la difusión térmica que ocurre cuando el motor trata de arrancar. Las bujías de precalentamiento son una pieza de metal con forma de lápiz con un elemento calefactor en la punta. Cuando una corriente eléctrica fluye a través de este elemento, se produce una gran cantidad de calor debido a su resistencia eléctrica. Estas bujías de precalentamiento o calentadores solo entran en funcionamiento para arrancar un motor diésel y no durante su funcionamiento normal. No deben confundirse con la bujía de los motores de gasolina.
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Sistema de lubricación de Motores Diesel
El sistema de lubricación permite la creación de una película de aceite en cada una de las piezas del motor para evitar el desgaste excesivo. La función principal del sistema de lubricación de un motor es filtrar, enfriar y ajustar la presión del aceite para que el motor pueda funcionar en perfectas condiciones. Objetivos de la lubricación La lubricación en el motor tiene como objetivo primordial impedir el agarrotamiento (es cuando dos cuerpos metálicos, cuyas moléculas tienen tendencia a soldarse, son frotados por lo que se calientan y se sueldan) y disminuir el trabajo perdido en rozamiento. Interponiendo entre los dos metales una película de lubricante, se reemplaza el rozamiento de los metales por el interno entre partículas de la película, cuyo valor es considerablemente menor. Las finalidades de la lubricación en los motores de combustión interna son: 1. Impedir el contacto directo entre partes acopladas en movimiento relativo. 2. Refrigerar las partes lubricadas. Por ejemplo en algunos sistemas se pueden encontrar boquillas de aceite que rocían aceite en las partes inferiores de los pistones lo que elimina calor de la cabeza de los mismos, operando así más fríos. 3. Ayudar al estancamiento del pistón. El aceite ayuda a formar un sello a prueba de gas entre los anillos de pistón y las paredes del cilindro. El aceite reduce los escapes de gases al cárter en adición con lubricar el pistón y los aros Los factores más importantes que influyen en la lubricación, además de las características propias de los lubricantes, son: 1. El grado de pulido que poseen las superficies en contacto. 2. La naturaleza y dureza de los materiales que componen las partes acopladas. 3. El huelgo existente en el acoplamiento. El aceite además actúa como un agente de limpieza. Al circular, lava y limpia los cojinetes y otras partes del motor. El aceite recoge partículas de suciedad y de arenilla, llevándolas de regreso al cárter. Las partículas mas grandes se depositan en la parte inferior del cárter, las más pequeñas se quedan en el filtro de aceite cuando este es enviado nuevamente al motor.
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El exceso de lubricación puede causar excesiva suciedad en las bujías, para el caso de los motores de encendido por chispa, y generación de gran cantidad de humo por quemar aceite en todos los motores. Por el contrario una deficiencia de lubricante puede producir deformaciones, con estas el aumento de huelgos, y así el mal funcionamiento de motor. Clasificación de los aceites para motor En el momento de seleccionar un lubricante para motor hay tres clasificaciones fundamentales a tener en cuenta: por viscosidad - SAE -, y por servicio - API y ACEA -. Clasificación SAE: Los aceites para motor están agrupados en grados de viscosidad de acuerdo con la clasificación establecida por la SAE (Society of AutomotiveEngineers). Esta clasificación permite establecer con claridad y sencillez la viscosidad de los aceites, representando cada número SAE un rango de viscosidad expresada en cSt (centi-Stokes) y medida a 100 oC, y también a bajas temperaturas (por debajo de 0oC) para los grados W (winter). En esta clasificación no interviene ninguna consideración de calidad, composición química o aditivación, sino que se basa exclusivamente en la viscosidad.
Sistema de refrigeración del Motor Diesel
El líquido de enfriamiento recircula desde el radiador hasta el motor. El líquido de enfriamiento a baja temperatura llega a la bomba, donde es absorbido y bombeado al block motor, que se encuentra con elevada temperatura. El líquido de enfriamiento fluye hasta la tapa de cilindros, donde absorbe más calor. El líquido caliente es devuelto al radiador por su entrada superior. El aire que pasa a través del radiador, enfría el líquido para permitir que regrese al motor a baja temperatura. Bomba del líquido de enfriamiento La bomba del líquido de enfriamiento es centrífuga, y es accionada por banda o correa desde la polea del cigüeñal. El líquido es jalado en el centro del impulsor y arrojado hacia fuera desde las puntas del impulsor. La bomba se diseña de manera que no use más potencia que la necesaria para circular el líquido. Al aumentar las rpm del motor, éste produce más calor y se necesita más líquido de enfriamiento. El líquido de enfriamiento que sale desde las puntas del impulsor, pasa a través de un caracol, el cual le da dirección y sentido de giro al líquido de enfriamiento.
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Flujo del líquido de enfriamiento El líquido de enfriamiento circula a través del motor de dos formas distintas, en paralelo o en serie. En el sistema de flujo en paralelo, el líquido de enfriamiento fluye dentro del block motor con presión, luego cruza la junta de la tapa de cilindros, alrededor de cada uno de los cilindros. En el sistema de flujo en serie, el líquido circula a través de todos los cilindros, luego llega a la parte posterior del block motor, donde se encuentra con grandes aberturas para facilitar la circulación del líquido de block - tapa y de tapa - block. En las tapas de cilindros, la salida del líquido de enfriamiento se ubica en el lado más alto de ésta, para no permitir la formación de colchones (cámaras) de aire. En los motores longitudinales, la salida del líquido se encuentra en la parte delantera de la tapa de cilindros. En los motores transversales, la salida se ubica sobre la parte posterior de la tapa de cilindros. La formación de aire debe ser eliminada del sistema, para esto se utiliza en muchos modelo, un depósito auxiliar. Desviación Se coloca un termostato en la salida del líquido para restringir el flujo de líquido hasta que el motor llega a la temperatura de funcionamiento del termostato. Una desviación que se ubica alrededor del termostato, permite que algo del líquido de enfriamiento circule dentro del motor durante el calentamiento. La desviación del líquido de enfriamiento es un conducto pequeño que va desde la tapa a la admisión de la bomba de líquido de enfriamiento. Esto sucede incluso cuando está abierto el termostato. Esta desviación puede ser interna o externa. Termostato El termostato es una válvula controlada por la temperatura, que se sitúa en el orificio de salida del líquido de enfriamiento del motor. En algunos modelos de hoy en día, por razones de seguridad, se utiliza el termostato en la entrada del líquido de enfriamiento. Un censor de cápsula debe ser ubicado del lado del líquido con temperatura, de manera que se hinche y abra la válvula. Al estar la válvula termostática en posición de mezcla, permite que circule líquido al radiador y el resto continúe fluyendo a través de la desviación. 11
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La restricción del termostato hace que se suba la presión del líquido de enfriamiento y la velocidad del mismo aumenta, logrando disminuir la temperatura y presión. El termostato se abre en su totalidad bajo condiciones de temperaturas extremas.
Sistema de enfriamiento externo
El radiador limita la cantidad máxima de enfriamiento del motor y es diseñado para obtener la máxima transferencia de calor. El aire de enfriamiento fluye a través del radiador y lo ayuda un ventilador o electro ventilador. Radiador Los radiadores se fabricaban en cobre y latón para darle mayor resistencia a la corrosión. Hoy en día se fabrican de aluminio y plástico. El calor se transfiere desde el líquido de enfriamiento a las aletas del radiador, en una relación de siete veces más alta que el calor del aire. La capacidad de transferencia del radiador depende del ancho, el largo y el alto del mismo, teniendo en cuenta la cantidad de aletas por centímetro cuadrado. Los tubos del líquido de enfriamiento son rectos de flujo libre (huecos). A las aletas se les da pequeñas inclinaciones para permitir que el aire roce sobre toda la superficie de la aleta. Los colectores de los radiadores o tanques que cierran los extremos, son fabricados en latón o plástico. Los radiadores pueden ser de flujo vertical u horizontal. Tapa a presión En los tubos o bocas de llenado, el radiador tiene una tapa a presión con una válvula de resorte, que cierra el respiradero del sistema. Esto hace que se acumule presión en el interior de la tapa hasta llegar a este punto máximo de presión, de manera que la válvula libere la presión, evitando que se dañe el sistema. Los sistemas de enfriamiento se presurizan con el fin de elevar el punto de ebullición del líquido de enfriamiento. La temperatura o punto de ebullición, aumentará aproximadamente 1.5°C por cada libra que se aumente de presión. A presión atmosférica normal, el líquido hervirá a aproximadamente 100°C. Con una tapa que aumente aproximadamente 15psi, el líquido hervirá a 125°C, por lo tanto será mayor el punto de ebullición y la tolerancia 12
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de este punto, y por tanto, el punto de funcionamiento. Si existe demasiada presión dentro del sistema, se forzará normalmente al líquido a pasar a través de un tubo de derrame. Este tubo lleva el exceso de presión a la parte baja del radiador, y en otros casos, a un depósito auxiliar. Dicho depósito mantendrá en su interior el líquido derramado con el motor en temperatura. Cuando se enfría el sistema, baja la presión formándose un vacío parcial; esto jala líquido desde el depósito, de manera que el sistema se mantenga cargado. Se los llaman a estos, sistemas de recuperación del líquido de enfriamiento. Ventilador La mayoría de los motores transversales, accionan al ventilador por medio de motores eléctricos. Algunos vehículos con motores longitudinales de último modelo, utilizan también electro ventiladores. En los vehículos más antiguos con motores longitudinales, los ventiladores se accionaban por bandas o correas desde el cigüeñal. El ventilador se diseña de manera que mueva el suficiente aire en su velocidad más baja y también a velocidades altas. Existen ventiladores de plástico flexible o con hojas de acero flexible, de manera que el volumen de aire que absorbe a velocidades bajas, aumente cuando acelere éste.
Sistema eléctrico del motor diesel
El sistema eléctrico automotriz se encarga del encendido del motor, de su control y monitoreo para un funcionamiento óptimo, carga de la batería durante el funcionamiento del motor, generación de alto voltaje para producir chispas en las bujías, control de inyección del combustible al motor. El sistema eléctrico del motor diesel, está compuesta por bujias, bobina, arranque, bateria, alternador, distribuidor, regulador de voltaje, amperímetro, interruptor de arranque, cable de masa y de potencia. Tiene tres funciones principales: suministrar energía al sistema de chispa, arrancar el motor del auto y brindar energía eléctrica al claxon, luces, sensores, equipo de sonido, y otros accesorios. Las partes importantes del sistema eléctrico son el alternador, las cajas de fusibles y el motor de arranque.
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Generador o alternador
Cuando el motor se enciende parte de la energía mecánica del motor se transfiere al generador o alternador mediante una correa trapezoidal para generar electricidad. La electricidad generada en el generador es usada para cargar la batería y para el funcionamiento del sistema eléctrico del motor. El voltaje generado es alterno trifásico, luego se rectifica y se entrega a un regulador de voltaje que estabiliza el voltaje en unos 13.8 V para cargar la batería. Cuando la correa se rompe entonces la batería proporciona por un par de horas máximo toda la energía eléctrica que hace funcionar el automóvil, luego de eso la carga se agota y el motor termina deteniéndose. Un generador eléctrico típico entrega 13.8V con una corriente máxima de unos 70A hasta 100A dependiendo de los requerimientos del automóvil.
Batería
La batería proporciona la energía eléctrica inicial para po- TAPON ner en marcha todo el sistema eléctrico, computadora, motor de arranque y motor de combustión. Una vez que el motor se ha encendido entonces el generador ó alternador genera voltaje y corriente para cargar la batería y mantenerla cargada. La corriente de arranque de una batería también es muy importante a la hora de encender el motor, pues un motor de arranque requiere picos de corriente de corta duración de cientos de amperios, por lo que una batería típica debe tener los siguientes parámetros: Voltaje:12V Capacidad de corriente: 80Ah Corriente de arranque: 600 A. Un último parámetro muy importante es si la batería es de libre mantenimiento o no, esto significa si debe completarse periódicamente el agua destilada del electrolito que se evapora. Cuando la batería es libre de mantenimiento NO DEBE COMPENSARSE la pérdida de agua, pues el diseño de la batería hace que no se pierda agua ni electrolito, evidentemente debe hacerse un mantenimiento mínimo como la limpieza de los terminales del sulfato que se pueda formar en los terminales y además aplicar vaselina protectora. 14
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Una batería tiene un terminal positivo marcado con un signo “+” y un terminal negativo marcado con un signo “-”, generalmente el terminal positivo es de mayor diámetro que el terminal negativo. El terminal negativo se conecta directamente al chasis del automóvil en una parte metálica, de manera que cualquier parte metálica del automóvil se usa como el terminal negativo del sistema eléctrico automotriz.
Regulador de tensión
La función del regulador de tensión es mantener constante la tensión del alternador. La electricidad que utilizan se genera en el alternador a través de principios electromagnéticos basados en variaciones del campo magnético en una bobina. La variación del campo magnético se consigue moviendo un rotor en un bobinado. El movimiento se toma directamente del movimiento del motor a través de las correas y poleas. La velocidad de giro del motor varía, lo mismo ocurre con el alternador que recibe su movimiento. Es decir que la generación del campo magnético varía con las revoluciones del rotor al igual que la fuerza electromotriz y la corriente eléctrica, aquí es donde se incorpora el papel del regulador de voltaje del alternador. Ahora veamos su funcionamiento y tipos. Funcionamiento El funcionamiento del regulador del alternador consiste en mantener constante el voltaje que se genera en el alternador, evitando que el valor aumente. Una vez el regulador detecta el valor adecuado, se encarga de cortar la excitación del rotor anulando el campo magnético. De esta forma el alternador deja de generar corriente. Una vez el voltaje desciende el regulador permite nuevamente el flujo de corriente para volver a energizar el rotor creando campo magnético. Así se repite el proceso de forma continua. La función del regulador de tensión es mantener constante la tensión del alternador, y con ella la del sistema eléctrico del vehículo, en todo el margen de revoluciones del motor de este e independientemente de la carga y de la velocidad de giro. Tipos de reguladores De acuerdo a su funcionamiento existen dos tipos de reguladores electromagnéticos y electrónicos.
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Regulador electromagnético El regulador se conecta a las escobillas + y - del rotor, bien sea directamente o por medio de cables, para poder decidir sobre la corriente que circulará por el inductor. Según lo descrito en el funcionamiento el regular se encarga que el voltaje se mantenga constante. Regulador electrónico Los reguladores electrónicos tienen más ventajas respecto a los anteriores. Como su nombre lo dice tienen diferentes componentes electrónicos como resistencias, condensadores y transistores que sirven para controlar las corrientes interiores y proteger los distintos elementos principales. No tienen movimiento por lo tanto no tienen desgaste y su peso es menor al igual que su tamaño lo que permite que puedan ser instalados directamente en las escobillas. La tensión del alternador depende en gran medida de la velocidad de giro y de la carga a que esté sometido. A pesar de estas condiciones de servicio que varían continuamente, es necesario asegurar que la tensión se regule al valor predeterminado. Esta limitación protege a los consumidores contra sobretensiones e impide que se sobrecargue la batería. La función del regulador de tensión es mantener constante la tensión del alternador, y con ella la del sistema eléctrico, en todo el margen de revoluciones del motor de este e independientemente de la carga y de la velocidad de giro.
Aplicaciones de los motores Diesel
La mayoría de vehículos industriales y plantas funcionan con tecnología diesel. Entre ellos están los tractores, grandes petrolíferas, excavadoras, taladradoras, equipo utilizado en la minería, grúas, máquinas excavadoras, generadores, taladros de petrolíferas y los vehículos de transporte público. Maquinaria pesada o agrícola de cuatro tiempos, camiones de carga, colectivos de corta y larga distancia y algunas furgonetas y furgones Automóviles de turismo y de competición. Propulsión ferroviaria. Propulsión marina de cuatro tiempos hasta una cierta potencia. Vehículos de propulsión a oruga. Grupos generadores de energía eléctrica (centrales eléctricas y de emergencia). Accionamiento industrial (motobombas, compresores, motores estacionarios, etc., especialmente de emergencia) Propulsión aérea (en desuso paulatino).
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Motor de explosión (Gasolina)
Un motor de explosión es un tipo de motor de combustión interna que utiliza la explosión de un combustible, encendido de manera provocada mediante una chispa, para expandir un gas que empuja un pistón, el cual esta sujeto al cigüeñal por una biela, esta hace las veces de manivela y transforma el movimiento lineal del pistón en rotativo en el cigüeñal. El ciclo termodinámico utilizado es conocido como ciclo Otto. Existen motores de explosión de dos tiempos y de cuatro tiempos. Este motor, también llamado motor de gasolina o motor Otto, es junto al motor diésel, el más utilizado hoy en día para mover vehículos autónomos de transporte de mercancías y personas. El combustible que se usa tradicionalmente en un motor de explosión es la gasolina. Actualmente, algunos motores de explosión pueden funcionar también con etanol, gas natural comprimido, gas licuado del petróleo o hidrógeno, además de gasolina. En los países como Argentina (ejemplo) se utiliza más motores a gasolina para el uso de GNC (Gas Natural Comprimido), que además de ser económico daña menos al ecosistema. Funcionamiento convencional (cuatro tiempos) El combustible se inyecta pulverizado y mezclado con el gas (habitualmente aire u oxígeno) dentro de un cilindro. La combustión total de 1 gramo de gasolina se realizaría teóricamente con 14,7 gramos de aire, pero como es imposible realizar una mezcla perfectamente homogénea de ambos elementos se suele introducir un 10% más de aire del necesario (relación en peso 1/16), a veces se suele inyectar más o menos combustible, esto lo determina la sonda lambda (o sonda de oxígeno) la cual envía una señal a la ECU. Una vez dentro del cilindro la mezcla es comprimida. Al llegar al punto de máxima compresión (punto muerto superior o PMS) se hace saltar una chispa, producida por una bujía, que genera la explosión del combustible. Los gases encerrados en el cilindro se expanden empujando un pistón que se desliza dentro del cilindro (expansión teóricamente adiabática de los gases). La energía liberada en esta explosión es transformada en movimiento lineal del pistón, el cual, a través de una biela y el cigüeñal, es convertido en movimiento giratorio. La inercia de este movimiento giratorio hace que el motor no se detenga y que el pistón vuelva a empujar el gas, expulsándolo por la válvula correspondiente, ahora abierta. Por último el pistón retrocede de nuevo permitiendo la entrada de una nueva mezcla de combustible.
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FASES DE UN MOTOR DE 4 TIEMPOS Válvula de admisión abierta Mezcla de gasolina y aire Sujeción al émbolo Émbolo
Bujía
Válvula de escape cerrada
Válvulas cerradas
Válvulas cerradas
Válvula de admisión cerrada
Válvula de escape abierta Gases de escape
Cilindro
Biela Cárter del cigüeñal
Sujeción a la biela
Cigüeñal
Admisión
Compresión
Explosión
Escape
La mezcla del combustible Pistón baja y entra com- Pistón sube y el combustible y de aire explota. Como las Pistón sube y expulsa los gabustible por la válvula de y el aire se comprimen. Lás válvulas están cerradas el ses quemados por la válvula admisión. El cigüeñal da valvulas están cerradas. El pistón baja. El cigüeñal da de escape. El cigüeñal da 1/2 revolución cigüeñal da 1/2 revolución 1/2 revolución 1/2 revolución
En un motor de 4 tiempo se produce una explosión (fase potente) cada 2 revoluciones
Ciclo Otto El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado por una chispa eléctrica (motores de gasolina, etanol, gases derivados del petróleo u otras sustancias altamente volátiles e inflamables). Inventado por Nicolaus Otto en 1876, se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante. Ciclo de 4 tiempos (2 vueltas de cigüeñal) Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto creados por IO, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos. Eficiencia La eficiencia o rendimiento térmico de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 hasta 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octanos para evitar la detonación. Una relación de compresión baja no requiere combustible con alto número de octanos para evitar este fenómeno; de la misma manera, una compresión alta requiere 18
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un combustible de alto número de octanos, para evitar los efectos de la detonación, es decir, que se produzca una auto ignición del combustible antes de producirse la chispa en la bujía. El rendimiento medio de un buen motor Otto de 4 tiempos es de un 25 a un 30%, inferior al rendimiento alcanzado con motores diésel, que llegan a rendimientos del 30 al 45%, debido precisamente a su mayor relación de compresión. Casi todos los motores de este tipo se fabrican para el transporte y deben trabajar variando la entrega de potencia constantemente. Debido a esto el rendimiento de los mismos cae bruscamente al trabajar con carga parcial (cuanto menos carga porcentualmente, peor rendimiento), ya que, cuando esto sucede la cámara de compresión mantiene su volumen dando una compresión real baja y transformando gran parte de la energía en calor. Gas licuado del petróleo El gas licuado del petróleo (GLP) es la mezcla de gases licuados presentes en el gas natural o disueltos en el petróleo. Lleva consigo procesos físicos y químicos por ejemplo el uso de metano. Los componentes del GLP, aunque a temperatura y presión ambientales son gases, son fáciles de licuar, de ahí su nombre. En la práctica, se puede decir que el GLP es una mezcla de propano y butano. El propano y butano están presentes en el petróleo crudo y el gas natural, aunque una parte se obtiene durante el refinado de petróleo, sobre todo como subproducto de la destilación fraccionada catalítica (FCC, por sus siglas en inglés Fluid Catalytic Cracking). GLP en refinerías Se inicia cuando el petróleo crudo procedente de los pozos petroleros llega a una refinación primaria, donde se obtienen diferentes destilados, entre los cuales se tienen gas húmedo, naftas o gasolinas, queroseno, gasóleos atmosféricos o diésel y gasóleos de vacío. Estos últimos (gasóleos) de vacío son la materia prima para la producción de gasolinas en los procesos de craqueo catalítico. El proceso se inicia cuando estos se llevan a una planta FCC y, mediante un reactor primario a base de un catalizador a alta temperatura, se obtiene el GLP, gasolinas y otros productos más pesados. Esa mezcla luego se separa en trenes de destilación. GLP de gas natural El gas natural de propano y butano que pueden ser extraídos por procesos consistentes en la reducción de la temperatura del gas hasta que estos componentes y otros 19
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más pesados se condensen. Los procesos usan refrigeración o turboexpansores para lograr temperaturas menores de -40 ºC necesarias para recuperar el propano. Subsecuentemente estos líquidos son sometidos a un proceso de purificación usando trenes de destilación para producir propano y butano líquido o directamente GLP. Usos Los usos principales del GLP son los siguientes: - Obtención de olefinas, utilizadas para la producción de numerosos productos, entre ellos, la mayoría de los plásticos. - Combustible para automóviles, una de cuyas variantes es el autogás. - Combustible de refinería. - Combustible doméstico (mediante garrafas o bombonas, depósitos estacionarios o redes de distribución al cual se le agrega mercaptán para detectar por medio del olor las posibles fugas). - Procesos industriales, calentar y secar productos agrícolas. - Combustible para generación eléctrica. - Combustible de nuevos barcos militares y de transporte. Biodiésel El biodiésel (biocombustible) es un líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo,1 mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del petrodiésel o gasóleo obtenido del petróleo. El biodiésel puede mezclarse con gasóleo procedente de la refinación del petróleo en diferentes cantidades. El aceite vegetal, cuyas propiedades para la impulsión de motores se conocen desde la invención del motor diésel gracias a los trabajos de Rudolf Diesel, ya se destinaba a la combustión en motores de ciclo diésel convencionales o adaptados. A principios del siglo XXI, en el contexto de búsqueda de nuevas fuentes de energía renovables, se impulsó su desarrollo para su utilización en automóviles como combustible alternativo a los derivados del petróleo. El biodiésel descompone el caucho natural, por lo que es necesario sustituir este por elastómeros sintéticos en caso de utilizar mezclas de combustible con alto contenido de biodiésel. El impacto ambiental y las consecuencias sociales de su previsible producción y comercialización masiva, especialmente en los países en vías de desarrollo o del Tercer y Cuarto mundo generan un aumento de la deforestación de bosques nativos, la expansión indiscriminada de la frontera agrícola, el desplazamiento de cultivos alimentarios y para la ganadería, la destrucción del ecosistema y la biodiversidad, y el desplazamiento de los trabajadores rurales. 20
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En qué se diferencia exactamente un motor de gasolina de uno de diésel Hasta hace poco la pregunta recurrente cuando alguien se iba a comprar un vehículo era, ¿diesel o gasolina? Quizás esa época ya quedó atrás, pero ni mucho menos se trata de motores extintos, todo lo contrario. A continuación vamos repasar qué significa cada concepto y las diferencias que existen entre ambos. Motor de gasolina Cuando hablamos de un motor de gasolina (también llamado motor de explosión), nos encontramos ante un tipo de combustión interna que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible. La explosión del combustible mediante una chispa produce la expansión del gas, lo que provoca finalmente el movimiento del pistón. Los hay de dos y de cuatro tiempos y el ciclo termodinámico utilizado es el conocido como Ciclo Otto. Este ciclo se aplica en los motores de combustión interna de encendido a través de la chispa eléctrica comentada. Como decíamos un poco más arriba, hay motores de dos tiempos (1 vuelta de cigüeñal) y de cuatro tiempos (2 vueltas de cigüeñal). En el primer caso, también denominado motor de ciclos, el cambio de gases se dirige mediante el pistón, no como en el de 4 tiempos que es por válvulas (ver imagen a continuación). En el segundo caso, con el motor de cuatro tiempos, se precisa cuatro carreras del pistón (admisión, compresión, combustión o explosión y escape) para completar el ciclo de combustión. Motor diésel En este caso, estamos ante un motor térmico, es decir, que transforma calor en trabajo mecánico a través del gradiente de temperatura entre una fuente de calor (foco caliente) y un sumidero de calor (foco frío). Los motores diésel disponen de combustión interna, un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de la cámara de combustión. Diferencias en la combustión Posiblemente estemos ante la clave que más diferencia a ambos conceptos: el proceso de combustión. Mientras que en los motores de gasolina el proceso surge de una chispa en el interior del cilindro (y por medio de la bujía), en los motores diésel el proceso de combustión surge a partir de la alta temperatura que alcanza el aire en la fase de compresión (tan alta que es suficiente para encender el combustible cuando entra en contacto con el aire caliente). Por tanto, la relación de compresión es muy diferente en ambos motores, ya que los 21
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diésel necesitan que el aire comprimido alcance mayor temperatura para poder encender el combustible. Además, el sistema de alimentación de combustible trabaja a presiones mucho mas altas en comparación con los motores de gasolina. Diferencias en el peso y la aceleración Los diésel en este caso son mucho más pesados que los motores de gasolina. La razón principal es que, como vimos en los procesos de combustión, las presiones utilizadas son muy diferentes, como consecuencia, sus diseñados varían mucho. Las presiones a las que deben estar sometidos los motores diésel exigen que estos sean mucho más robustos que los de gasolina. Además, hay que pensar que estos últimos no requieren de piezas tan resistentes porque no tienen que alcanzar la temperatura de autoignición del diésel. Por esta razón, en los motores diésel el limite de revoluciones es inferior a los de gasolina, debido a la constitución más pesada de sus elementos internos. Cuando aceleramos ambos motores también se muestran grandes diferencias. En los motores de gasolina entra en juego el denominado como cuerpo de aceleración. Se trata de una válvula que abre y cierra el flujo de aire que entra en los motores. Cuando pisamos el pedal de aceleración estamos actuando sobre esa válvula e incrementando la cantidad de aire que entrará a la cámara de combustión. En cambio, en los motores diésel su potencia varía según la proporción aire-combustible que entra en la cámara de combustión. Cuando pisamos el pedal lo que hacemos es aumentar la cantidad de gasóleo que entra a través de los inyectores. Diferencias en el consumo A diferencia de los motores de gasolina, los motores diésel utilizan gasóleo o gasoil como combustible. Además, como en la compresión sólo interviene el aire, la eficiencia es mayor y se puede conseguir una buena relación de compresión sin riesgo de autoignición. En cambio, en gasolina la relación de compresión es tan alta que no es posible sin riesgo de detonación prematura. Esta es la clave de la “economía” del diésel frente a los de gasolina, la mayor relación de compresión (el grado en que los gases se pueden comprimir en el cilindro del motor), y por tanto, de eficiencia del ciclo. Por cierto, el diésel como combustible es más pesado que la gasolina. La razón se debe a que las cadenas de hidrógeno y carbono que componen el combustible son más largos y pesados (tiene hasta un 17% más que la gasolina). ¿Y si nos confundimos y echamos diésel en un motor de gasolina? En el caso de haber introducido diésel el vehículo se parará cuando termine la última gota de gasolina (recuerda, los motores de gasolina no pueden proporcionar al 22
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diésel la temperatura que necesita para quemar), aunque posiblemente lo peor no sea eso. Debido a la incapacidad del vehículo para procesar el combustible, el diésel tiene que expulsarse manualmente en un proceso que no suele ser barato. Motores Diesel y Gasolina. Ventajas y desventajas Comparados con los motores a gasolina, la principal ventaja de los motores diésel es su bajo costo de operación, debido al precio del combustible que necesita para funcionar. Actualmente en los vehículos pequeños se está utilizando el sistema common-rail. Este sistema brinda una gran ventaja, ya que se consigue un menor consumo de combustible, mejorando las prestaciones del mismo; menor ruido (característico de estos motores) y una menor emisión de gases contaminantes. Las desventajas iniciales de estos motores (principalmente valor de adquisición, costos de mantenimiento, ruido y menos prestaciones) se están reduciendo debido a mejoras tecnológicas que se han hecho con el tiempo en su diseño original, sobre todo en materia de alimentación de combustible mediante inyección directa electrónica y de aire forzado con accesorios como el turbocompresor o compresores eléctricos y en la disminución de vibraciones mediante la introducción de los volantes motores bimasa. Con el uso de una precámara para los motores de automóviles se consiguen prestaciones semejantes a las de los motores de gasolina, pero se presenta el inconveniente del incremento del consumo de combustible, con lo que la principal ventaja de estos motores prácticamente desaparece. Durante los últimos años el precio del combustible ha superado al de la gasolina común por al aumento de la demanda. Este hecho ha generado quejas de los consumidores de gasóleo, como es el caso de transportistas, agricultores o pescadores. En la década de los 2010 han surgido muchas voces críticas contra el motor diésel. Se le considera culpable del incremento de partículas y contaminantes por óxidos de nitrógeno en las ciudades. A esto se le suma que la ventaja de combustible más barato ya no es tal, al igualarse los precios de la gasolina y el gasoil (aunque los motores diésel consumen menos combustible a igual cilindrada por trabajar con exceso de aire respecto a un motor de gasolina). Los últimos avances en torno a los motores diésel es la utilización de última tecnología de Bosch, en la que se asegura que los motores diésel, sin necesidad de instaurar componentes adicionales, podrían reducir las emisiones. 23
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