Chapter 2: The Dual-Process Model of Deviant Sexual Thinking (DPM-ST)
2.5 Conclusion
En el epígrafe 3.2 se enumeraron los distintos tipos de pérdidas mecá- nicas. En el capítulo 4, dedicado al estudio de la renovación de la carga, se analizará de qué factores dependen las pérdidas mecánicas por bombeo y cómo se pueden minimizar en el caso de motores de 4 tiempos. Las pérdi- das mecánicas por accionamiento de auxiliares no se van a tratar específi- camente, de forma que en este apartado sólo se van a analizar las pérdidas mecánicas por fricción.
3 Se supone que el dato de 282,15 kW corresponde a un sistema de refrigeración sin regulación de pérdida de carga y régimen de giro constante.
Como ya se ha mencionado en el apartado 3.1, las pérdidas mecánicas por fricción son las originadas por el rozamiento entre las piezas móviles del motor. Es importante destacar que estas pérdidas se reducen conside- rablemente al emplear lubricación, es decir, si se consigue que una película continua de líquido separe las superficies. También es muy conveniente la uti- lización de cojinetes de materiales específicos, es decir, elementos que se inter- ponen entre estas piezas. En relación con los cojinetes, cabe distinguir entre: — Cojinetes de fricción: las superficies deslizan con o sin lubricante. En
el caso de utilizar lubricante, puede hablarse de cojinetes hidrodiná- micos o bien hidrostáticos. En el caso de cojinetes sin lubricación, el material de las superficies se elige para que tenga bajos coeficientes de fricción y de desgaste.
— Cojinetes de rodamiento o simplemente rodamientos: la carga se transmite a través de elementos que están en contacto rodante y no deslizante (rodamientos de bolas o de rodillos).
En el caso de los MCIA, lo deseable y lo más habitual es la lubricación sea hidrodinámica, que implica que existe película de aceite que se forma no sólo por la presión del aceite, sino también por el propio movimiento relativo entre las piezas y la formación de una cuña de aceite que contribu- ye a la elevación de la presión. No obstante, en determinadas situaciones se produce una lubricación límite cuando hay zonas en las que puede existir contacto puntual metal-metal con restos de lubricante.
Las partes del motor donde la fricción es mayor son las siguientes: — Pistón-segmentos-cilindro: Hay que tener en cuenta que todos los
pistones de los MCIA incorporan unas piezas denominadas segmen-
tos que permiten que el juego con el cilindro sea más reducido y la
posible superficie de contacto menor. Estos elementos, por tanto, contribuyen a incrementar la estanqueidad de la cámara de combus- tión y a la evacuación de calor hacia los cilindros.
El pistón se inclina ligeramente en su movimiento ascendente o descendente, accionado por la biela, formando una cuña de aceite, tanto en la superficie del pistón como en la superficie lateral de los segmentos, por lo que se considera fricción hidrodinámica, salvo en las proximidades de los puntos muertos; precisamente en esas localizaciones, debido a la baja velocidad del pistón, la lubricación hidrodinámica es inviable y tiene lugar lubricación límite.
SOLUCIÓN:
La energía térmica extraída por el sistema de refrigeración de cilindros por uni- dad de tiempo era igual a 366,56 kW al 100 % de carga (tabla 3.3). Teniendo en cuenta la expresión [3.15]: D
(
kW)
=m c ⋅ t=m ⋅ kJ kg C 366,56 agua· p agua 4,18 · 8ºDespejando el gasto másico:
= ≡ m kg s litros hora 10,96 39,45 agua
En el caso del 50% de carga, procediendo de la misma forma, se obtienen las nece- sidades de caudal, resultando ser de 30,37 litros/hora en lugar de 39,45 litros/hora, dado que el calor a evacuar baja a 282,15 kW. Sin embargo, al mantenerse el régimen de giro de la bomba, el caudal no se verá prácticamente afectado3, luego lo que ocurri- rá es que variará el salto térmico del líquido refrigerante en el cambiador. Se comprue- ba que si se mantiene el caudal, el salto térmico disminuirá y el agua sólo reducirá su temperatura 6,15ºC, suponiendo que se mantiene la temperatura de entrada:
D =
⋅ =
t 282,15 C
4,18 10,96 6,15º
50%
3.5. LOCALIZACIÓN Y FACTORES DE LOS QUE DEPENDEN LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS POR FRICCIÓN
En el epígrafe 3.2 se enumeraron los distintos tipos de pérdidas mecá- nicas. En el capítulo 4, dedicado al estudio de la renovación de la carga, se analizará de qué factores dependen las pérdidas mecánicas por bombeo y cómo se pueden minimizar en el caso de motores de 4 tiempos. Las pérdi- das mecánicas por accionamiento de auxiliares no se van a tratar específi- camente, de forma que en este apartado sólo se van a analizar las pérdidas mecánicas por fricción.
3 Se supone que el dato de 282,15 kW corresponde a un sistema de refrigeración sin regulación de pérdida de carga y régimen de giro constante.
Figura 3.12. Algunos elementos y localizaciones de las pérdidas mecánicas por fricción. Se puede distinguir entre dos tipos básicos de segmentos: de com- presión y rascadores. Las condiciones más críticas ocurren en los segmentos de compresión, cuya misión es evitar el paso de gases de combustión hacia el cárter, garantizando, no obstante una correcta lubricación; dentro de éstos, se denomina segmento de fuego al que está en contacto directo con los productos de la combustión, que estará sometido a mayores temperaturas. Los segmentos rascadores arrastran el aceite para evitar, a la vez, que pase una cantidad apre- ciables de aceite a la cámara de combustión. Los segmentos ejercen una fuerza radial sobre el cilindro debido a su tensión radial de diseño y a la fuerza de los gases sobre la fuerza interior del segmento (ver detalle en figura 3.12). La película de aceite es de espesor variable a lo largo del ciclo y, como se ha mencionado anteriormente, puede haber situaciones de lubricación límite en el entorno de los puntos muertos superior e inferior. Por otra parte, hay que destacar que los segmentos contribuyen a la transmisión de calor desde el pistón hacia las pare- des del cilindro y finalmente hacia el refrigerante, necesaria desde el punto de vista mecánico para reducir la temperatura del pistón. Hoy
en día se tiende a reducir el número de segmentos para disminuir las pérdidas mecánicas por rozamiento, ya que el 50 % de las pérdidas por fricción corresponden al conjunto pistón-segmentos-cilindro.
— Cojinetes de gorrón del sistema biela-manivela: La fricción suele ser hidrodinámica, con fuerza variable a lo largo del ciclo en magnitud y dirección. Son los cojinetes de apoyo del cigüeñal (o cojinetes de bancada) y los cojinetes de cabeza de biela (o de biela-manivela). — Sistema de distribución: destaca la fricción en los cojinetes de los
apoyos del árbol de levas, la fricción entre el empujador y la leva (hay un movimiento relativo de deslizamiento), la fricción entre los balancines y el eje de balancines y la fricción de las válvulas con sus guías. Es especialmente crítica la lubricación de la válvula de escape por su elevada temperatura, siendo habitual que la lubricación sea límite en este caso.
A continuación se va a analizar de qué factores dependen fundamental- mente las pérdidas mecánicas de fricción:
Es importante recordar que la fuerza de fricción depende del coeficien- te de fricción (f) y de la fuerza o carga en la dirección perpendicular a las superficies que deslizan:
= ⋅
FR f FN [3.16]
A su vez el coeficiente de fricción depende de los siguientes factores: geometría del cojinete (L), viscosidad del lubricante (m), velocidad relativa de las superficies rotantes (c) y carga normal por unidad de superficie (pN). Se supone que no hay contacto metal-metal, de forma que siempre la fric- ción es hidrodinámica. f f c pN L = ⋅ ⋅ 1 m [3.17] donde: p F A N = N [3.18]
Siendo A el área de contacto.
La carga que actúa depende del peso de las piezas, las fuerzas de inercia y la fuerza de gases, con las correspondientes constantes de proporcionalidad:
FN =C Fp p+C Fi i+C Fg g [3.19] A continuación, de forma resumida se han expresado cada una de estas componentes, para identificar qué factores tienen una especial influencia sobre potencia disipada por fricción. Cabe destacar, que se considera L una dimensión característica del motor, que puede ser indistintamente el diámetro, la carrera o el tamaño característico de una pieza del motor, que será proporcional al diámetro del mismo. Bajo esas consideraciones, se obtienen las expresiones siguientes:
— Peso de las piezas: Fp=mg= ⋅ ⋅ ∝V r g L3 [3.20]
— Fuerzas de inercia centrífuga4: F ∝mRw ∝V c Lr⋅ − ∝L c⋅
i 2 m2 1 2 m2 [3.21]
— Fuerzas debidas a los gases: Fg= pmi A⋅ p∝pmi L⋅ 2 [3.22]
La potencia absorbida se obtendrá multiplicando la fuerza de fricción, que es paralela a las superficies rozantes, por la velocidad, de forma que se considerará en este análisis la velocidad lineal media del pistón como repre- sentativa. Suponiendo que se obtuviera una fuerza de fricción resultante sobre el pistón FR, la potencia absorbida por pérdidas de fricción sería:
= ⋅
NR F cR m [3.23]
Se comprueba que se obtiene la siguiente expresión para la presión media de pérdidas de fricción:
pm N n i V f F S n n i V f L L n n L L c R = R N m ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ∝ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ 2 3 3 2 2 ⋅⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ L n n L pmi L L n n L 3 2 3 [3.24] pmR ∝ ⋅f C L C c
(
p + i m2 +C pmig)
[3.25] 4 Aceleración centrífuga: v R R R R n L c S n L n v R c L m m q2=(w⋅ )2=w2⋅ ∝ 2⋅ ; = ⋅ ⋅ ∝ ⋅2 → q2∝ 2 Masa: m = r · V r · L3Analizando las fórmulas anteriores, se llega a cuatro conclusiones importantes en cuanto a los factores que afectan a la presión media de pér- didas mecánicas de fricción:
— El régimen de giro tiene una importancia decisiva sobre las pérdidas
por fricción5; al aumentar c
m, aumentan las fuerzas de inercia y, por
tanto, las pérdidas de fricción (al aumentar cm disminuye el rendi- miento mecánico y, en consecuencia, aumenta el consumo específico de combustible).
— La viscosidad del lubricante es otro factor fundamental; al aumentar la viscosidad, aumenta f y, por tanto, las pérdidas por fricción. Esta viscosidad vendrá determinada por:
• Las características del lubricante elegido y su dependencia de la temperatura.
• El efecto de la temperatura del refrigerante sobre la temperatura interna del motor (Tp). Es muy importante que el lubricante tenga una temperatura adecuada, no muy elevada para evitar su degra- dación, ni muy baja, para que no aumente su viscosidad. En ese sentido, si el motor trabaja a baja carga y durante cortos espacios de tiempo, se pueden presentar problemas por ser más difícil la correcta regulación. Este puede ser el caso, por ejemplo, de los motores híbridos en tráfico urbano.
• Al aumentar el grado de carga aumenta pmR, pero en conjunto se reducen las pérdidas mecánicas. La fórmula anterior indica que
al aumentar la carga, el incremento de la presión media indicada tiende a incrementar la presión media de pérdidas por fricción. No obstante, a la hora de comparar motores, es más adecuado basar dicha comparación en la presión media de pérdidas mecánicas6, y no solamente en la potencia perdida por fricción. Se comprue- ba que al aumentar el grado de carga las pérdidas mecánicas en conjunto se incrementan en valor absoluto, pero disminuyen en relación a la potencia indicada, de forma que al aumentar el grado de carga se observa una mejora del rendimiento mecánico, tanto
5 Siempre se refiere a pérdidas / cilindrada del motor.
en MEP como en MEC7. En el caso de los MEP, como se verá, contribuye el peso de las pérdidas mecánicas por bombeo, que se reducen al incrementarse el grado de carga.
• pmR es prácticamente independiente del tamaño del motor, al tener
más importancia las fuerzas de inercia y la fuerza debida a la presión de los gases que el peso de las piezas (el único término afectado por L).
Como consecuencia de lo anterior, las vías para reducir las pérdidas de fricción, podrían ser:
— Reducir las cargas sobre los elementos a base de: aligerar las piezas móviles, fabricación de pistones de falda corta, reducir el número de segmentos y la tensión radial, juegos elevados entre pistón-cilindro y entre gorrones-cojinetes. Hay que tener en cuenta que algunas de estas opciones no son siempre oportunas por diversas razones: mayor ruido, mayor consumo de aceite y menor resistencia mecá- nica, por lo que habrá que valorarlo en cada caso cuidadosamente. — Optimización del factor de fricción f mediante una correcta lubrica-
ción y eligiendo adecuadamente las propiedades del lubricante. En el siguiente apartado se describen los sistemas de lubricación actuales, haciendo una breve referencia a las propiedades de los aceites.