En el anterior apartado se han analizado las zonas que requieren mayor lubricación y los factores que influyen en las pérdidas por fricción. Por otra parte, anteriormente se resaltó la misión de la lubricación como parte de la refrigeración del motor. Todo ello permite concluir la importancia de un buen diseño del sistema de lubricación que garantice que ésta llegue a todas las partes del motor para contribuir a la refrigeración, para evitar el contacto metal-metal y para reducir las pérdidas mecánicas, por su reper- cusión final sobre el rendimiento efectivo.
En el sistema de refrigeración a presión se utiliza una bomba en gene- ral de engranajes, que está situada en el cárter del motor por debajo del nivel de líquido para asegurar su cebado. El motor (bloque, culata) tiene practicados circuitos de engrase por los que el aceite circula a presión y es finalmente proyectado con el fin de bañar las superficies rodantes y desli- zantes. En algunas zonas se generan chorros que inciden sobre las zonas a refrigerar (pistón) y otras se lubrican al descender el aceite por gravedad de nuevo hacia el cárter. Por ejemplo, en el caso de los cojinetes del cigüeñal, el aceite penetra en el interior de éste y sale por orificios practicados en puntos que deben estar correctamente situados en las zonas en las que la presión ejercida por el eje sobre el cojinete es menor.
La bomba está accionada por el cigüeñal, al igual que la bomba de agua, de forma que el caudal crece al aumentar el régimen de giro, lo que resulta conveniente también en este caso. Dicha bomba suministra la presión nece- saria para vencer las pérdidas de carga del circuito y no, como podría pare- cer, para garantizar la formación de la película de aceite. Dicha película se formará debido a la cuña de aceite que se genera al desplazarse una superfi- cie en relación a la otra como consecuencia de la viscosidad del aceite.
Figura 3.13. Sistema más habitual de lubricación a presión con Cárter húmedo.
Bomba de engranajes, de lóbulos o de paletas.
Hay que tener en cuenta que siempre se produce con el paso del tiem- po una cierta contaminación del aceite lubricante. No existe una total estanqueidad y una pequeña proporción de los gases de la combustión pasa hacia el cárter y de ahí se recircula a la admisión, evitando que salga al exterior. Debido a ello, el aceite va progresivamente incrementando su nivel de impurezas, de lo que se deriva la necesidad de un cambio de aceite frecuente.
En cuanto a las impurezas en el lubricante, cabe destacar:
— Contaminación por agua procedente de los productos de combus- tión. El agua reduce su temperatura debido a la mezcla con el lubri- cante y pasa a estado líquido. Este tipo de contaminación produce corrosiones internas y favorece la formación de lodos.
— Formación de compuestos ácidos que pueden producir desgaste corrosivo (se minimiza con aditivos alcalinos en el aceite).
— En el caso de motores Diesel también se produce contaminación por partículas carbonosas, que se reduce con el empleo de aditivos dis- persantes, pero que se ha acentuado últimamente por el empleo de sistemas EGR (capítulo 2).
— Partículas metálicas que aparecen como consecuencia del desgaste de las piezas.
— Posible contaminación por combustible.
El sistema de lubricación deberá tener ciertos elementos de control: — Filtro: para retener partículas metálicas y carbonosas, con by-pass
para garantizar la lubricación en el caso de que una elevada pérdida de carga, por colmatación del filtro, tendiese a reducir el caudal de aceite a través del sistema. En motores grandes se emplean sistemas más sofisticados de filtrado con varios circuitos y depuración del aceite, por ejemplo, para la eliminación del agua.
— Válvula termostática: Pues como se indicó en el apartado sobre pér- didas de calor, el sistema de lubricación también tiene la misión de refrigerar y hay que garantizar que no se supere una temperatura de aproximadamente 90 ºC para evitar la degradación del aceite. Conviene precisar que la degradación del aceite implica la formación de compuestos que modifican las características del mismo (forma- ción de compuestos como lacas o barnices), que pueden originar el engomado de los segmentos.
— Como se ha mencionado anteriormente, en motores estacionarios el sistema debe incorporar un cambiador de calor para evacuar la ener- gía térmica absorbida por el lubricante. Se emplea un refrigerante que evoluciona por un circuito independiente del de refrigeración de los cilindros. Los motores deportivos, en los que la refrigeración se enco- mienda en gran medida al lubricante, incorporan también este equipo. — Válvula de retención, para evitar que se vacíe el sistema durante la
parada del motor.
— Válvula de descarga, controlada por la presión en el sistema, que evita presiones excesivas a regímenes elevados, ya que al igual que ocurre con la bomba del agua, a mayor régimen de giro se obtiene mayor caudal y un mayor incremento de la presión del circuito.
En cuanto a las características del aceite lubricante, hay que tener en cuenta, que éstas han mejorado mucho mediante la incorporación de aditivos específicos. Cabe resaltar que se espera conseguir las siguientes características:
— La variación de la viscosidad del lubricante con la temperatura debe ser lo menor posible.
— Gran capacidad para neutralizar los ácidos procedentes de la com- bustión.
— Deben tener capacidad detergente, que se consigue mediante aditi- vos que permiten que la materia carbonosa se mantenga dispersa y no se agregue.
— Capacidad dispersante, con la ayuda de aditivos que permiten man- tener disperso un cierto contenido de agua.
— Los lubricantes actuales incorporan asimismo aditivos antidesgaste. El análisis del aceite proporciona gran cantidad de información sobre el estado del motor y permite realizar un mantenimiento predictivo.
EJEMPLO 3.7
Partiendo de los datos de catálogo presentados en la tabla 3.4 correspondientes a tres motores muy diferentes en cuanto a las dimensiones de los cilindros (diámetro y carrera) se va a analizar cómo afectan estas dimensiones a sus pérdidas mecánicas por fricción, calculando, en cada caso, la velocidad lineal media del pistón, la pre- sión media efectiva y la cilindrada total del motor.
Tabla 3.4. Características de los motores del ejemplo 3.7
D(mm) S(mm) n(rpm) Ne(kW) Z Gasolina 4T 70 72 5000 40 4L
Diesel 4T 320 400 750 3844 8L
SOLUCIÓN:
Se comprueba que a medida que aumentan las dimensiones del cilindro, funda- mentalmente la carrera del pistón, el régimen de giro del cigüeñal se debe ir reducien- do para garantizar que la velocidad lineal media del pistón se mantiene en el entorno de los 6-20 m/s. en los motores deportivos se puede superar ligeramente ese rango, asumiendo que el motor tendrá peor rendimiento mecánico, y por lo tanto, mayor consumo de combustible y mayores desgastes, lo que implica mayor mantenimiento y menor durabilidad. En este caso se observa que los valores están comprendidos entre 8 y 12 m/s.
Tabla 3.5. Resultados de ejemplo 3.7
Cm (m/s) VT (dm3) Peso piezas pme(bar) Gasolina 4T 12 1,108 L1 8,89
Diesel 4T 10 257,36 L2 23,3
Diesel 2T 8,27 2895,29 L3>L2>L1 18,2
Recordando la expresión [3.25]:
pmR ∝ ⋅f C L C c
(
p + i m2 +C pmig)
[3.25]Se va suponer que el diseño de los tres motores se ha realizado adecuadamente para contener las pérdidas mecánicas y lograr rendimientos mecánicos relativamente semejantes, por lo que aunque en la fórmula pmR sea función de pmi, se tengan en cuenta los valores calculados de pme de cara al análisis.
Comparando el motor de gasolina con el diesel de 4T, se observa que este último tiene mayor presión media efectiva y mayor peso de las piezas, pero menor velocidad lineal media del pistón para compensar y reducir la presión media por pérdidas de fricción.
En el caso del motor diesel de 2T, se observa que las dimensiones de los cilindros son mucho mayores (S y D) y, por tanto, será muy superior el peso de las piezas, que a pesar de que se consideraba un factor de importancia secundaria, llegados a estos extremos también tiene relevancia. Se ha optado por un valor de la velocidad media del pistón más reducida (8,26 m/s) frente a 12 m/s del motor de 1,108 litros, para contrarrestar el efecto de las cargas por peso y la mayor presión media indicada sobre las pérdidas por rozamiento.
CONCLUSIONES:
No es posible convertir en potencia efectiva toda la energía aportada mediante el combustible, en relación con su poder calorífico inferior. Ello es debido, en primer lugar, a la limitación por el rendimiento máximo del ciclo de Carnot equivalente, como consecuencia del Segundo Principio y, por otra parte, debido a que los procesos son irreversibles y existen pérdidas de calor. Desde el punto de vista termodinámico, interesaría eliminar las pérdidas de calor, pero, sin embargo, todos los motores de combustión interna alternativos se refrigeran, forzando y favoreciendo esa transmisión de calor hacia el exterior. Hay que tener en cuenta que si el motor fuese adiabático las temperaturas internas de las paredes del motor tenderían a igualarse a la temperatura media del fluido a lo largo del ciclo, aproximadamente algo por debajo de los 1000 ºC, considerando una temperatura máxima de combustión en el entorno de los 2000 ºC, teniendo en cuenta que el fluido varía su temperatura a lo largo del ciclo de trabajo. Esas temperaturas son inadmisibles para los materiales actua- les y supondría elevadas dilataciones y un importante choque térmico, incluso en un funcionamiento estacionario. Por razones mecánicas, por lo tanto, es necesario refrigerar adecuadamente las diferentes zonas del interior del motor.
Tampoco interesa perder de vista que si se analiza en qué momento del ciclo se localizan estas pérdidas (más del 50 % al final de la expansión y durante la fase de escape) se llega a la conclusión de que eliminarlas total- mente sólo permitiría incrementar el rendimiento efectivo en aproximada- mente un 8 %,
El sistema de refrigeración más extendido es el de refrigeración por líquido (mezcla de agua y etilengligol en una proporción en torno al 50 %-50 % para obtener una temperatura de congelación muy por debajo de 0 ºC). Este sis- tema esta presurizado mediante una bomba, en general rotativa, accionada por el cigüeñal, para elevar la temperatura de evaporación del refrigerante. El sistema de refrigeración por aire es también muy utilizado en ciertas aplicaciones, fundamentalmente de bajas potencias, por su simplicidad y algunas otras ventajas en algunos aspectos.
Una de las zonas que requieren una refrigeración más exhaustiva es el blo- que, para evitar que los cilindros alcancen temperaturas superiores a los
200 ºC que darían lugar a la degradación del aceite y el engomado de los segmentos. Otras zonas, como las válvulas de escape, pueden alcanzar sin problemas mayores temperaturas de trabajo, aunque también deben estar refrigeradas.
Es importante que el sistema de refrigeración sea capaz de mantener la temperatura de las paredes dentro de ciertos límites a diferentes condicio- nes operativas (régimen de giro y grado de carga del motor) y conseguir un rápido calentamiento. Para mantener la temperatura del refrigerante inter- no y de las paredes en valores adecuados, se puede actuar sobre el caudal de la bomba de líquido, sobre el ventilador del radiador o sobre el caudal de refrigeración del fluido externo, si en lugar de un radiador se cuenta con un cambiador de calor líquido-líquido en el caso de motores estacionarios o marinos.
Los sistemas más sencillos sólo cuentan con la variación del caudal de líqui- do al variar el régimen de giro del cigüeñal, un termostato y un termo-inte- rruptor para el accionar el ventilador, pero otros utilizan bombas eléctricas o válvulas para modificar la pérdida de carga del circuito.
A mayor régimen y a mayor carga del motor, se tendrá que aumentar el caudal de refrigerante para mantener la temperatura de la pared.
El sistema de refrigerante por líquido es muy sensible a la variación de la temperatura ambiente. Si esa temperatura se incrementa el calor evacuado tendrá tendencia a disminuir, lo que implicaría un incremento de la tempe- ratura del refrigerante, por lo que habrá que arrancar con más frecuencia el ventilador para garantizar la cesión de calor al exterior.
La energía térmica pasa a través de las paredes internas desde los gases al refrigerante y posteriormente del refrigerante del motor (circuito cerrado) a otro segundo fluido refrigerante externo (aire en el radiador de los vehí- culos de transporte) o agua en el caso de que se utilice un cambiador líqui- do-líquido en otras aplicaciones industriales o de cogeneración.
Ante variaciones de la temperatura del gas o bien de la temperatura ambiente, para intentar mantener la temperatura de las paredes internas dentro de ciertos márgenes a lo largo del rango de operación del motor, se podrá actuar sobre: el caudal del refrigerante interno y el caudal del refri- gerante secundario bien aire o bien líquido.
La temperatura de refrigerante óptima depende de los materiales y del lubricante; el que sea más elevada puede tener ciertas ventajas, como unas pérdidas de calor globales menores.
En cuanto a las pérdidas mecánicas, éstas incluyen: — Pérdidas por fricción de superficies sólidas
— Pérdidas por trabajo de bombeo o renovación de la carga en motores de cuatro tiempos.
— Pérdidas por accionamiento de auxiliares.
En este capítulo sólo se ha abordado en análisis de los factores que afectan a las pérdidas mecánicas por fricción, que se reducen con un buen sistema de lubricación hidrodinámica con un aceite de viscosidad adecuada para reducir el coeficiente de fricción. Se ha llegado a la conclusión de que dependen fundamentalmente de la velocidad lineal media del pistón, de la presión media efectiva y del peso de las piezas. Todos los motores tienen el valor de la velocidad lineal media del pistón dentro de un determinado rango de valores, independientemente de su tamaño.
Se utiliza de forma prácticamente generalizada la lubricación a presión, salvo en motores de muy pequeña cilindrada, en los que se utiliza la lubri- cación por mezcla por su simplicidad. En determinadas zonas sometidas a movimiento giratorio se utilizan cojinetes lubricados para reducir las pérdidas y soportar mejor el posible desgaste; es el caso de los cojinetes de los apoyos del cigüeñal, del árbol de levas, cabeza y pie de biela. Conviene destacar la misión de los segmentos rascadores, que evitan el paso de aceite lubricante hacia la cámara de combustión y los de compresión que dificul- tan el paso de los gases productos de la combustión hacia el cárter. Aún así, siempre existen estos flujos indeseables y el aceite termina por contaminar- se con agua, carbonilla, materiales de desgaste, combustible y productos de la combustión que pueden llegar a formar sustancias ácidas. Es por tanto necesario el incluir en el aceite distintos aditivos que minimicen los efectos de estos contaminantes, además de realizar un cambio frecuente cada cier- to número de horas de funcionamiento.
objetivos fundamentales del capítulo 4.1. introducción
4.2. Renovación de la carga en motores de cuatro tiempos 4.2.1. trabajo de bombeo
4.2.2. Rendimiento volumétrico
4.2.3. Factores que influyen en la renovación de la carga 4.2.3.1. transmisión de calor
4.2.3.2. Pérdidas de presión
4.2.3.3. efectos de compresibilidad del fluido
4.2.3.4. diagrama de distribución e inercia del fluido 4.2.3.5. dinámica del gas en los conductos y colectores 4.2.3.6. evaporación del combustible en MeP
4.2.3.7. Presión parcial de la masa fresca
4.2.4. influencia del rendimiento volumétrico sobre las curvas características del motor
4.2.5. válvulas
4.2.6. sistemas de distribución variable
4.3. Renovación de la carga en motores de dos tiempos 4.3.1. introducción y diagrama de distribución 4.3.2. tipos de barrido
4.3.2.1. tipos de barrido atendiendo a la bomba de barrido 4.3.2.2. tipos de barrido atendiendo a la forma de la corriente 4.3.3. coeficientes de renovación de la carga en motores de dos tiempos 4.3.4. Barrido ideal y renovación teórica de la carga en motores
de dos tiempos
4.3.5. dosado real y dosado aparente en motores de dos tiempos