Principales Elementos en Motores de Gas
1.1.1
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.
Sección de un
turbocompresor
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.
1.1.2
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.
1.1.3
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).
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
1.1.5
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.
1.1.6
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.
1.1.7
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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