Introducción a los Motores de Combustión Interna PDF

Unidad 1. INTRODUCCIÓN a los motores de combustión interna Módulo: SISTEMAS AUXILIARES DEL MOTOR diésel “GESTIÓN DEL MOTOR DE ENCENDIDO PROVOCADO M.E.P.” Un motor alternativo de combustión interna y encendido provocado produce trabajo mecánico haciendo uso del ciclo...

Unidad 1. INTRODUCCIÓN a los motores de combustión interna Módulo: SISTEMAS AUXILIARES DEL MOTOR diésel “GESTIÓN DEL MOTOR DE ENCENDIDO PROVOCADO M.E.P.” Un motor alternativo de combustión interna y encendido provocado produce trabajo mecánico haciendo uso del ciclo termodinámico denominado Otto. Nota: motores gasolina de cuatro tiempos se denominan genéricamente Otto en honor a su inventor, el alemán Nikalous August Otto. Los 4 tiempos del motor Otto El término “encendido provocado” proviene de que la combustión se inicia mediante el salto de una chispa controlada en los electrodos de una bujía, y se propaga al resto de la mezcla en la cámara de combustión La combustión es una reacción exotérmica (reacción química que desprende energía) en la que parte del calor se transforma en trabajo mecánico. Para ello es necesario lograr una mezcla de un combustible y un comburente (oxígeno) de tal calidad que proporcione una combustión correcta. Independientemente de la tecnología utilizada, esta mezcla ha de cumplir una serie de requisitos: Que sea combustible, por lo cual la mezcla debe contener todos los reactivos.  Que sea gaseosa en el momento del encendido, por lo que el combustible deberá estar perfectamente vaporizado dentro de la cámara de combustión. Que sea homogénea. Esto implica que la mezcla que llega a la cámara de combustión debe tener iguales características en todos los puntos del espacio que ocupa. Que esté correctamente dosificada. Está mezcla se puede preparar en el exterior de la cámara de combustión en los motores dotados de sistema de inyección indirecta, o bien en la propia cámara de combustión, como en los motores dotados de inyección directa. La gestión de motor tiene como objetivo preparar y adaptar (según las condiciones de marcha) la mezcla aire-combustible en la proporción adecuada (estequiométrica) y provocar su combustión completa (chispa eléctrica) en el momento oportuno para obtener el máximo rendimiento del motor. Si esto se realiza adecuadamente, los residuos contaminantes de la combustión emitidos por el tubo de escape serán mínimos. Los Motores de Encendido Provocado (MEP) pueden consumir diversos tipos de combustible como: Gasolina Bioetanol Gas natural (GNV) Gas licuado del petróleo (GLP) Hidrógeno. LA GASOLINA Es una mezcla de HIDROCARBUROS derivada del petróleo. La especificación más característica es el INDICE DE OCTANO (95/98) que indica la resistencia que presenta el carburante a producir el fenómeno de la detonación. El índice de octano de una gasolina se obtiene por comparación del poder detonante de la misma con respeto al de una mezcla de isooctano y heptano. Al isooctano se le asigna un poder antidetonante de 100 y al heptano de 0. Una gasolina de 97 octanos se comporta igual que la de una mezcla del 97% de isooctano y un 3% de heptano EL BIOETANOL Denominado también etanol de biomasa, es un alcohol que se obtiene por fermentación de productos azucarados como remolacha, caña de azúcar o sorgo, o también de trigo, cebada y maíz. Puede mezclarse con gasolina en diferentes cantidades. Las mezclas más comunes se denominan E10 y E85, con contenidos de etanol del 10% y 85%, respectivamente. El bioetanol presenta un valor más alto en el número de octano (120 a 135), lo que evidencia una capacidad antidetonante mayor que la de la gasolina. La volatilidad del bioetanol es superior a la de la gasolina. Esto hace que la mezcla con el aire sea más rápida y homogénea. La presencia de oxígeno (CH3-CH2OH 34,8% de oxígeno en peso) en el etanol rebaja la relación estequiométrica aire-combustible, lo que le permite la introducción de una mayor cantidad de combustible por ciclo en el cilindro (mejora del rendimiento volumétrico), lo cual mejora el rendimiento del motor. - GAS NATURAL VEHICULAR El gas natural vehicular o GNV tiene como componente principal el "Metano" (CH4) una combinación química del carbono con el hidrógeno. Es muy contaminante, ya que ataca la capa de ozono y, además, cada molécula de metano produce el mismo efecto invernadero que 3 moléculas de CO2. El metano (CH4) puede utilizarse directamente, sin modificaciones químicas, como combustible para motores de combustión interna. Al igual que el petróleo y el carbón, el gas natural pertenece a los recursos naturales orgánicos combustibles. En la naturaleza se produce como producto final de la putrefacción anaeróbica de las plantas. Este proceso natural se puede aprovechar para producir BIOGAS. Curiosidades: Planta Valdemingómez (Madrid). El gas natural, sensiblemente inoloro, se adiciona con un agente odorante (THT tetrahidrotiofeno) al que se debe el olor característico de azufre (huevos podridos) para hacerlo reconocible si se dispersa en la atmosfera. El gas natural posee un índice de octano en torno a 130. El aire aspirado se mezcla en el colector de admisión con el gas natural por efecto venturi o por inyección. La relación estequiométrica para este gas está establecida en 17,5:1. Se almacena licuado en depósitos presurizados a unos 200 bares (GNC) o a temperaturas de -161°C (GNL). - GLP, LPG o AUTOGAS Son las siglas de Gas Licuado de Petróleo. Se trata de una mezcla de gas butano C4H10 (40%) y propano C3H8 (60%) que se obtiene de forma natural en los pozos petrolíferos o bien como subproducto en el refinado del petróleo. Posee un índice de Octano de 105 a 115 según las proporciones propanobutano. Es más pesado que el aire, por lo que en caso de fuga este se acumula peligrosamente sobre la superficie, disipándose solamente con la circulación de aire. Reduce en un 95% las emisiones de NOx (óxidos de nitrógeno) respecto a un diésel, las emisiones de CO2 (dióxido de carbono) respecto a un gasolina, apenas emite partículas, menos hidrocarburos sin quemar (HC)... Sólo aumentan respecto a sus rivales el monóxido de carbono (CO) y amoníacos (NH3). - HIDRÓGENO El hidrógeno se puede utilizar tanto para motores térmicos como para generar electricidad para un motor eléctrico (Célula de combustible). Produce poca o ninguna contaminación, ya que sólo libera vapor de agua en su combustión. Posee un límite de autoinflamación muy elevado (soporta altas presiones de compresión) pero se inflama si se aportan energías relativamente bajas (NO encendido de chispa perdida) Es el combustible del futuro, pero presenta 3 grandes inconvenientes: NO es una fuente de energía. Para disociar el hidrógeno del oxígeno en el agua se consume más energía que la que produce el hidrógeno al quemarse. Para conservarlo licuado se necesitan presiones de 700 bar o temperaturas criogénicas de 20°K (-253°C). Es un gas muy inflamable y precisa de sistemas de costosos sistemas de seguridad. Los combustibles fósiles utilizados en los motores térmicos se obtienen por “Destilación Fraccionada del Petróleo”. El petróleo natural no se usa tal y como se extrae de la naturaleza si no que se separa en mezclas más simples de hidrocarburos que tienen usos específicos. El esquema mostrado ilustra cómo se realiza en la industria. El petróleo natural hirviente (unos 400 grados centígrados) se introduce a la parte baja de la torre, todas las sustancias que se evaporan a esa temperatura pasan como vapores a la cámara superior algo más fría y en ella se condensan las fracciones más pesadas que corresponden a los aceites lubricantes. Continúan a la próxima cámara aquellas que aun a esa temperatura son gases para condensar parcialmente en la fracción de combustibles Diésel. Este proceso de condensación en fracciones de acuerdo al punto de ebullición se continúa ascendentemente hasta que al final por la parte superior salen los gases que no condensan a temperatura ambiente. En el fondo de la torre de destilación va quedando un residuo que constituye los asfaltos y alquitranes. Las características principales de los combustibles son: Poder calorífico. A un mayor poder calorífico de un combustible le corresponde un menor consumo de carburante. Masa volumétrica (densidad). Para tener una combustión regular, es necesario asegurar una correcta relación entre las masas de aire y de combustible; por tanto es oportuno que la masa volumétrica sea lo más constante posible para cada tipo de combustible. Los órganos que regulan la alimentación del motor están concebidos de acuerdo con el volumen y no la masa del combustible. Dosificación (relación estequiométrica). La dosificación se define estequiométrica cuando el aire y el combustible se encuentran en los porcentajes exactos para provocar una reacción de combustión completa.  GESTIÓN DEL MOTOR DE GASOLINA Como ya hemos dicho, la gestión de motor tiene como objetivo preparar y adaptar (según las condiciones de marcha) la mezcla aire-combustible en la proporción adecuada y provocar su combustión completa (chispa eléctrica) en el momento oportuno para obtener el máximo rendimiento del motor. Si esto se realiza adecuadamente, los residuos contaminantes de la combustión emitidos por el tubo de escape serán mínimos. La unidad de Control Electrónico (UCE) asume todas estas funciones además de la reducir los niveles de emisiones que no pueden ser controladas desde el punto de vista de la formación y combustión de la mezcla. Una combustión eficiente reduce gran parte de los gases nocivos emitidos por el motor, no obstante el Dióxido de Carbono (CO2) y los Óxidos de Nitrógeno (NOX) aumentan su nivel cuanto mayor sea esta eficiencia. La reducción de emisiones contaminantes será tratada de forma pormenorizada en otro Bloque Temático. En este Bloque Temático vamos a tratar los aspectos específicos para conseguir combustiones completas con la máxima eficiencia. Los parámetros fundamentales para que la UCE pueda determinar las acciones necesarias son: Régimen instantáneo del motor (revoluciones) Posición de los pistones (PMS) Carga del Motor (llenado de los cilindros) A partir de estos parámetros la UCE puede determinar la cantidad de combustible que tiene que ser aportada para conseguir la proporción de mezcla idónea (inyección) y el momento en que tiene que ser inflamada (Encendido). Para realizar la formación de mezcla, la UCE modulará el momento de activación de los electroinyectores y su duración (tiempo de inyección). En los motores actuales estas acciones se determinan específicamente para cada cilindro, por lo que recibe la denominación de “Inyección Selectiva”. Del mismo modo se calcula el momento de encendido idóneo para cada cilindro, es decir, puede ser diferente para cada uno de ellos con el objetivo de que el aporte de par individual sea el mismo “Encendido Selectivo” Si el sistema consigue realizar la formación de la mezcla convenientemente y ejecuta su inflamación en el momento oportuno, se producirá una combustión que denominaremos “NORMAL”. Durante una combustión normal el frente de llama barre progresivamente la cámara de combustión, lo que produce que la presión sobre la cabeza del pistón aumente moderadamente. Si este proceso no se realiza de la forma indicada, estaríamos ante una combustión “ANORMAL”. Se pueden distinguir dos tipos: AUTOENCENDIDO y DETONACIÓN. El Autoencendido es una combustión iniciada por la inflamación espontánea de una porción de mezcla, debido al calor emitido por algún punto caliente dentro de la cámara de combustión, antes de que se produzca el salto de chispa en la bujía. Los puntos calientes suelen ser zonas a alta temperatura localizadas en válvulas de escape, bujías o depósitos de carbón. El autoencendido suele ser causado por un mantenimiento del motor deficiente, como la instalación de bujías demasiado calientes, empleo de combustible inadecuado o aceite incorrecto que generan depósitos carbonosos en la cámara de combustión. La Detonación se produce cuando el inicio de la combustión, que ha tenido lugar en la zona más cercana a la bujía, lleva a un aumento tal de presión que, en las zonas más alejadas y en presencia de un punto caliente, la mezcla se enciende por sí misma, dando lugar a un frente de llama que se propaga en sentido contrario. Una relación de compresión elevada, mala refrigeración del motor, octanaje de la gasolina inadecuado, avance excesivo del encendido, etc., son factores que contribuyen a que haya detonación. Las combustiones anormales pueden causar serios daños en el motor. El rapidísimo incremento de la presión y la temperatura provoca un fuerte impacto sobre el pistón que somete a los cojinetes y otras partes del motor a una enorme carga. Los pistones pueden erosionarse y romperse. Las detonaciones severas pueden provocar sobrecalentamientos y perforaciones en la cabeza del pistón.  EL SISTEMA DE ENCENDIDO Para conseguir inflamar la mezcla de aire-combustible introducida en el cilindro es necesario aplicarle una energía calorífica lo suficientemente elevada para ejecutarla sin dilaciones. El método ideal para conseguirlo consiste en provocar un arco eléctrico localizado, de duración suficiente en el seno de la masa gaseosa. El salto de chispa debe cumplir los siguientes requisitos: Aportar la energía necesaria para inflamar la mezcla. Que se lleve a cabo en el cilindro adecuado, según el orden de encendido.  Efectuarse en el momento apropiado. El momento debe Ajustarse en función de las condiciones de funcionamiento del motor (corrección dinámica del avance). Las condiciones de presión y de densidad de la mezcla (carga) dentro del cilindro, condicionan el valor de tensión que se debe aplicar al elemento disruptor (bujía), ya que: A mayor presión es necesaria mayor tensión. El arco debe atravesar mayores capas de mezcla. A mayor carga es necesaria mayor tensión, ya que la gasolina es dieléctrica. Estas condiciones hacen necesaria que la tensión aplicada alcance valores de entre 10.000 y 45.000 voltios. Esquema básico de un encendido electromecánico convencional: Función de cada elemento: Batería: Suministra corriente al circuito de encendido. Llave de contacto: Alimenta de positivo a la bobina de encendido. Bobina de encendido: Transforma la baja tensión de batería en alta tensión (30000 V. aprox). Condensador: Almacena la extratensión del circuito primario. Leva: Abre los platinos. Cables alta tensión: Llevan la alta tensión de la bobina a la tapa del distribuidor y de la tapa del distribuidor a las bujías. Tapa de distribuidor y pipa: Distribuyen la alta tensión a cada una de las bujías. Bujías: Provocan la chispa en el cilindro.