Motores Diesel Marinos LIBRO

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PARA USO DIDACTICO

PROHIBIDA SU VENTA

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CONTENIDO

CAPÍTULO l.

HISTORIA DEL MOTOR DIESEL. - SUS APLICACIONES EN LOS BUQUES: Breve biografía de Rodolphe Diesel - Sus teorías e ideas. - Los primeros motores Diesel. Dificultades para adaptarlos a los buques y cómo fueron superadas. - Propulsión moderna.

CAPÍTULO 2.

COMBUSTIBLES: Combustión; elementos combustibles y comburentes. - Molécula y átomo. - Mezcla y combinación. - Hidrocarburos. - Diversas clases de hidrocarburos. - Petróleos: clasificación de los mismos. - Destilación del petróleo y obtención de sus derivados. - Su aplicación en el funcionamiento de los motores. - Pro- piedades de los combustibles. - Peso específico. - Poder calorífico. Viscosidad. - Punto de inflamación. - Punto de combustión. - Punto de encendido.. - Aceites de engrase.

CAPÍTULO 3.

MOTORES DE DOS Y DE CUATRO TIEMPOS: Ciclo de funcionamiento. - Fases que componen estos ciclos. - Ciclos teóricos y ciclos prácticos. - Diagramas. - Indicador de diagramas. - Rendimiento de los diagramas. - Presión media. - Presión máxima. - Presión de compresión. - Planímetro. - Potencias. - Rendimiento.

CAPÍTULO 4.

FORMAS CONSTRUCTIVAS: Aplicaciones de los motores de dos y cuatro tiempos. - Ventajas e inconvenientes. - Motores lentos y rápidos. - Velocidad de giro. - Carrera y diámetro. - Valor de la presión media. - Motores de simple y doble efecto. - Motores en V. - Motores de émbolos opuestos.

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CAPÍTULO 5.

EMBOLOS: MOTORES DE EMBOLO BUZO. - MOTORES DE CRUCETA: Condiciones que debe reunir un émbolo. - Aros de estanqueidad. - Material de los aros. - Sus huelgos. – Construcción de los émbolos. - Sus diversos tipos. - Motores de émbolo buzo. - Motores de cruceta. - Refrigeración de los émbolos. - Líquidos refrigerantes. - Tubos telescópicos. - Reconocimiento y conservación de los émbolos. - Precauciones a observar en sus reconocimientos.

CAPÍTULO 6.

BIELAS CRUCETAS. - CONJUNTOS: Tren alternativo. – Biela Cabeza y pie de biela. - Construcción de la biela. - Cojinetes de biela. - Sus huelgos. - Patines. -Correderas. - Engrase.

CAPÍTULO 7.

BOMBAS DE BARRIDO Y SOPLADORES: Necesidad de aire de barrido. - Dificultades para efectuar un barrido perfecto. - Distintos sistemas. - Barrido lateral por lumbreras. - Barrido uniflujo por válvulas en la culata. - Diversos tipos de bombas. - Bomba alternativa. - Rotativa o soplador. - Centrífuga o turbosoplante.

CAPÍTULO 8.

SOBREALIMENTACION: Principio de la sobrealimentación. - Motores sobrealimentados. - Ventajas e inconvenientes de la sobrealimentación. - Diversas formas de sobrealimentar. - Turbina de gases de escape. - Su funcionamiento.

CAPÍTULO 9.

ARRANQUE: Diversas maneras de arrancar los motores. - Arranque a mano. - Arranque por embrague automático: eléctrico y neumático. - Arranque por aire comprimido. - Válvula de arranque. - Número mínimo de cilindros que ha de llevar esta válvula. - Arranque del motor. - Motores de un solo sentido de giro. - Motores reversibles. - Cambios de marchas: Formas de conseguir lo. - Cambios de marcha por engranajes. - Id. por aire comprimido. - Id. por hélice de palas reversibles. - Telégrafos; mandos.

CAPÍTULO 10.

BANCADA. - BASTIDOR. - Importancia de la bancada. - Su constitución. - Bandeja. - Cojinetes de bancada. - Cárter. - Bastidores o columnas. - Tapas de cárter. - Precauciones en el cárter. - Correderas.

CAPÍTULO 11.

EL EJE DE CIGÜEÑALES. - Objeto del cigüeñal. - Condiciones que ha de reunir. - Orden de trabajo. - Tipos de cigüeñal. - Su construcción. - Huelgos. - Engrase. - Volante. - Grado de irregularidad. - Virador.

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CAPÍTULO 12.

CILINDRO. CAMISA. CULATA. - Conjunto del cilindro. - Cilindro. - Su refrigeración. - Construcción. - Camisa. .- Su colocación. - Engrase de la misma. - Engrasadores. - Conservación de la camisa. - Desgaste. - Electrógenos. - Culata. - Válvulas de aspiración y escape. - Su entretenimiento y conservación. - Accionamiento de las válvulas. - Eje de levas. - Válvulas de seguridad y de indicador

CAPÍTULO 13.

INYECCION DEL COMBUSTIBLE. - Sistemas de inyección. - Por aire o insuflación y sólida o directa. - Bombas de inyección. - Diversos tipos de bombas: Bosch, Burmeister, Sulzer. - Entretenimiento de las bombas de combustible.

CAPÍTULO 14.

DISTRlBUCION: Significado de la distribución. - Distribución por transmisión de engranajes o de cadenas.

CAPÍTULO 15.

ENGRASE Y REFRIGERACION: Necesidad de engrase. - Sistemas de refrigeración. - Bombas de circulación de agua. - Refrigeradores de agua y aceite.

CAPÍTULO 16.

COMPRESORES DE AIRE. BOTELLAS: Necesidad de aire para el arranque. - Compresión del aire. - Razones para subdividir la compresión. - Compresores de varias fases. - Su construcción. – Manejo y entretenimiento. - Botellas.

CAPÍTULO 17.

LINEA DE EJES: Transmisión del movimiento del motor a la hélice. - Constitución de la línea de ejes. - Construcción de los ejes. - Chumaceras. - Eje de empuje. - Chumacera de empuje: diversos tipos. - Chumacera Mitchell: su principio y funcionamiento. - Cuidados que requiere la chumacera de empuje. - Ejes de cola. - Bocina.

CAPÍTULO 18.

HELICE: Propulsores. - Ruedas de paletas: Ventajas e inconvenientes - Hélices. - Paso y circunferencia de la hélice. – Helicoide.- Su desarrollo. - Construcción de la hélice. - Electrógenos. - galvánica. - Cavitación. - Resbalamiento. - Formas de obtener el paso de la hélice.

CAPÍTULO 19.

INSTALACION. ALINEACION: Instalación de los motores a bordo. - Trazado de la línea de ejes. - Su instalación. - Monta motor. - Nivelación de la bancada. – Flexímetro su empleo

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Fatigas. - Gráfico de las flexiones. - Estado del cigüeñal según el valor de las flexiones. - Suplementos asiento bancada.

CAPÍTULO 20.

LA CONDUCCION y EL MANEJO DEL MOTOR: Puesta en cha.- Sus preparativos. - Circulación del aceite. – Circuitos de agua. - Circuito del aire. - Circuito del combustible. – Cuidados durante la marcha. - Preparativos en la llegada. – Estancia en puerto. - Averías más corrientes y forma de corregirlas. - Sociedades Clasificadoras.

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PROLOGO

Antes de la Primera Guerra mundial, en 1912, la fábrica danesa BURMEISTER & W AIN construía un motor Diesel de ocho cilindros que alcanzaba los 1250 CV. destinado a propulsar un buque de gran tonelaje.

Hasta este momento el motor Diesel se había aplicado sólo a pequeñas embarcaciones y se tenía dudas de que dichn motor pudiera dar buen resultado. Sin embargo las dudas se aclararon cuando se pudieron comprobar los re- sultados. Desde entonces el motor Diesel fue ganando puestos contra todo tipo de motores destinadns a la pro- pulsión de barcos hasta el extremo de que hoyes, prácticamente, el dueño y señor de la tracción marina. Las potencias alcanzadas con este tipo de motores han llegado a lns 25000 CV. lo que puede dar una idea de sus grandes posibilidades.

Por lo tanto decir motores marinos o motores Diesel marinos viene a ser la misma cosa por el gran campo de aplicación que la tracción Diesel tiene en marina, en la actualidad.

Ahora bien: los motores Diesel aplicados para la navegación tienen que resolver sus propios problemas. Ni que decir tiene que las grandes potencias a que llegan sólo pueden alcanzarse con motores de dimensiones extraordinarias, de gran capacidad de embolada y escaso número de revoluciones por minuto. La propulsión, que se ha de realizar por medio de una hélice, debe ser tal que permita la marcha hacia atrás para hacer las maniobras. Por otra parte el motor ha de tener una seguridad absoluta de funcionamiento de modo que hay que controlar todos los circuitos de refrigeración, aceite, etc.

Todas estas cuestiones y otras muchas más, por supuesto, han sido desarrolladas por el autor de este libro cuyo título viene a enriquecer nuestra colección de monografías con un tema de gran interés para los interesados por el mundo del motor.

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CAPITULO 1

Historia del motor Diesel.

Sus aplicaciones en los buques

EN septiembre del año 1853, nace en París, hijo de padres alemanes, Rodolphe Diesel, el que con los años habría de ser el inventor del motor que lleva su nombre. Comienza y sigue los estudios de ingeniero hasta obtener su título en 1879 en la Escuela Politécnica de Munich, pasando poco después a trabajar en los talleres de la casa Sulzer en Winthertur. Ya desde sus primeros estudios y experiencias tiene Diesel la idea de llegar a construir un motor que funcione según el llamado Ciclo de Carnot (o sea, un ciclo que estuviese formado por dos isotérmicas y dos adiabáticas; dándose el nombre de transformación <isotérmica> a aquella que se realiza manteniendo constante su temperatura, es decir, añadiendo o quitando calor para que la temperatura no varíe, y el de transformación <adiabática>, a aquella en la cual no hay cambio alguno de calor con el exterior, con lo que su temperatura aumenta o disminuye).

En el año 1892, solicita Diesel la patente para poder <producir fuerza motriz haciendo quemar cualquier combustible>, y al año siguiente publica en Berlín un folleto de 96 páginas sobre la construcción y funcionamiento de un nuevo tipo de máquina, documento técnico famoso, que habría de revolucionar la industria, titulado <Teoría y construcción de un motor térmico racional destinado a reemplazar la máquina de vapor y demás motores conocidos>, pensando emplear como combustible para el funcionamiento de este motor, el carbón finamente pulverizado.

Por aquel entonces, todos los estudios y experiencias estaban destinados a perfeccionar los distintos tipos de máquinas existentes, tales como maquinas de vapor o motores de gas y nada podía hacer presumir que el lanzamiento de las ideas de Diesel, podrían alcanzar, en tan poco tiempo, tan gran importancia

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Figura 1 Ciclo Diesel original

Y es que Diesel, en sus estudios, concibe un nuevo tipo de maquina por completo distinta de las demás, ya que al introducir en un cilindro una cantidad de combustible, el calor desarrollado en su combustión con el aire allí encerrado a alta presión, se transformaba directamente en trabajo al actuar sobre el embolo y este, por la conexión biela-manivela, en movimiento del eje cigüeñales.

Comienzan inmediatamente los trabajos para llevar a la práctica estas ideas y en mismo año de 1893, la casa M,A,N. de Nuremberg, en Alemania construye el primer motor experimental bajo la dirección de Diesel. Este motor estaba constituido por un, cilindro de hierro forjado limitado por dos bridas a él remachadas, La brida inferior o fondo, a través de un agujero en su parte central permitía el paso del vástago del émbolo el cual, mediante una cruceta, se unía a la barra de conexión que a su vez conectaba con el eje cigüeñal.

Durante las pruebas de este primer motor ocurrió un accidente que hizo explotar en pedazos el aparato indicador y estuvo a punto de costar la vida al inventor.

Transcurren varios años de intensos estudios hasta que en 1897, se construye ya el primer motor en el que pueden medirse su potencia y consumo.

Las experiencias de estos estudios son dados a conocer seguidamente, y si bien los resultados obtenidos no son señalados por Diesel, ya que son inferiores a lo por el calculados, pues llevado por un error en sus cálculos y formulas y formulas para la combustión, obtenía para su máquina un rendimiento superior al de la llamada <máquina perfecta>, este rendimiento era no obstante mayor que el de cualquiera de las máquinas conocidas hasta entonces.

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Figura 2

Ciclo Diesel modificado

Pensaba Diesel emplear para el funcionamiento de su motor, cualquier clase de combustible, especialmente el carbón finamente pulverizado ya citado, realizando la combustión por procedimientos distintos de los empleados en aquella época.

Comprimiría el aire puro hasta alcanzar una presión de 2'88 atmósferas (hecho que ocurriría hacia la mitad del camino recorrido por el émbolo), por vía isoterma, o sea, manteniendo constante la temperatura; esto se conseguiría a base de inyectar agua, en el interior del cilindro. A partir de este punto, la compresión del aire sería adiabática, es decir sin robar el calor al aire, y de esta forma al llegar el émbolo al punto superior habría alcanzado una presión de 250 atmósferas calculándole una temperatura de 800°. En este momento, el combustible (carbón pulverizado), se introducía en el cilindro pero regulando su entrada lentamente de tal forma que la combustión fuese isotérmica. Cuando el émbolo, en movimiento descendente, hubiese recorrido una fracción de su carrera y la presión de los gases hubiese disminuido hasta 90 atm. se interrumpiría la introducción de combustible, y entonces el movimiento del émbolo continuaría por la expresión de los gases, hasta llegar a alcanzar éstos su presión final.

Como vemos, un motor funcionando así habría descrito el ciclo de Carnot, más pronto pudo comprobar Diesel las dificultades Que representaba el llevar sus ideas a la práctica, por lo Que tuvo que modificar el ciclo de trabajo de su motor, presentando un nuevo ciclo con la ven- taja de una mayor sencillez, pero con la consiguiente pérdida de rendimiento.

La modificación del ciclo consistía en que la compresión del aire se efectuaría toda ella por vía adiabática, eliminando su parte isotérmica, con lo cual, al alcanzar la presión de 90 atm., la temperatura es ya de 800º C.

El primer motor experimental y sobre el que hemos dicho se efectuaron las medidas de potencia y consumo, fue un motor monocilindrico trabajando por el sistema de cuatro tiempos, con una potencia de 18 CV. Era vertical y con cruceta; empleaba el petróleo como combustible y hacia llegar la compresión tan sólo a 40-45 atm.

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Con sus múltiples ensayos y experiencias el motor se fue desarrollando e imponiendo en la industria terrestre a las demás máquinas existentes. Pero en la Construcción Naval, siendo siempre algo reacios a las innovaciones debido a los enormes gastos que la instalación de un buque representa, al poco espacio de que se dispone, a la facilidad y rapidez de maniobra que se requiere y sobre todo a la seguridad de la vida del buque en la mar, hicieron que la aplicación del motor Diesel para la propulsión de buques fuese algo retrasada con relación a sus aplicaciones terrestres.

No obstante todos estos obstáculos fueron vencidos. En un principio el motor solo fue empleado para mover pequeñas embarcaciones, más cuando el tamaño de éstas se hizo mayor, al estar el motor concebido para trabajar en un solo sentido, hubo que estudiar la forma de poder invertir el sentido de la marcha de la embarcación, para ello se pensó que la marcha avante la facilitaría el motor, y la marcha Atrás, se obtendría empleando motores eléctricos o maquinas de vapor. Se emplearon también hélices de pasos reversibles, es decir, hélices que cambiaban la posición de sus palas, invirtiendo así el impulso efectuado sobre el buque, mientras que el motor seguiría girando en el mismo sentido. Pero todos estos sistemas serian definitivamente abandonados, cuando en el año 1905, la casa Sulzer lograría construir el primer motor, con cambio del sentido de marcha o sea reversible, obteniendo con ello la seguridad y rapidez tan necesaria para la maniobra de un buque. En la actualidad todos los motores instalados para la propulsión de buques son reversibles, y tan sólo en breves casos suele emplearse la hélice de paso reversible o bien, los embragues generalmente hidráulicos.

El tener que emplear como combustible el petróleo representó en los buques una enorme ventaja sobre el carbón. El carbón hay que almacenarlo en grandes depósitos o carboneras, que habían de ser de fácil acceso para su almacenado y extracción. Los espacios así empleados eran robados así a otros usos y necesidades; hay que tener en cuenta que el espacio siempre fue un problema primordial en los buques. En cambio, para almacenar combustibles líquidos, debido a su facilidad de manejo y transvase con bombas y tuberías, se pueden emplear depósitos o compartimientos que de otra forma no tienen utilidad, tales como son los tanques de doble fondo.

En cuanto a la seguridad del buque, a medida que el motor se iba perfeccionando, se comprobó que todos los temores eran infundados, y al ser estos desechados, el motor entró en franca competencia con las demás clases de maquinas a las que con el tiempo se fue imponiendo.

Hasta el año 1910, todos los buques propulsados por motores eran pequeñas embarcaciones, pero a partir de entonces, los grandes buques van adoptando este sistema, y así, en 1912 entra en servicio el primer gran buque de motores para carga y pasaje, el dinamarqués SEELANDIA, equipado con dos motores de cuatro tiempos BURMEISTER WAIN, de ocho cilindros y 1.250 CV. cada motor.

A medida que crecen las necesidades de la navegación, cada vez van siendo mayores los buques, y necesitándose con ello mayores potencias. Aunque parecía que el uso del motor estaría reservado al empleo exclusivo de buques de mediano tonelaje, ya que su más firme competidor, la turbina de vapor ocupaba las altas potencias, he aquí que, en los últimos años, con los materiales empleados en la construcción, con la consiguiente reducción de

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peso, los sistemas de aire de sobrealimentación aumentando su potencia, el poder emplear petróleos residuales con su bajo valor de coste, hacen que los mayores buques del mundo, los enormes <super-tankers>, de cien mil toneladas de carga, vayan equipados con motores Diesel (el japonés YAMUZY MARU, propulsado por un motor BURMEISTER WAIN, con 12 cilindros, sobrealimentado, trabajando con el ciclo de dos tiempos, de 25.000 CV. de potencia).

Con ello vemos lo muy generalizado que está el empleo del motor, utilizándose ya no sólo para la propulsión de cualquier tipo de buques, sino como máquina auxiliar a bordo, tales como son los grupos electrógenos.

Hemos visto como fue el nacimiento del motor Diesel, como se desarrolló e impuso hasta llegar a conseguir la gran preponderancia de que hoy disfruta, haciendo concebir para él, las más halagüeñas esperanzas. Más no obstante es indiscutible, de que con el tiempo, el hombre, en su afán creador, construirá nuevas máquinas que a su vez se impondrán al motor, y así ya hoy, una nueva fuente de energía comienza a emplearse en la propulsión de buques, la energía atómica.

En esta ocasión la Construcción Naval, trabaja rápidamente y en el año 1955 efectuaba ya sus pruebas el primer buque dotado de este nuevo sistema de propulsión, el submarino norteamericano Nautilus; en 1962, entraba en servicio el primer buque atómico de superficie, el rompehielos soviético Lenin, y recientemente el primer buque mercante, el norteamericano

Savanah, llamado así en honor del primer buque que con el mismo nombre y equipado con

máquina de vapor, atravesó el Atlántico.

Como final de este capítulo podríamos decir que, probablemente, Rodolphe Diesel no llegase a sospechar la magnitud de sus teorías e inventos, y lo que ello habría de representar en la vida industrial. En un viaje relacionado con sus trabajos y estudios, Diesel embarcó en el puerto de Amberes (Bélgica) el 29 de septiembre de 1913, en el buque Dresden con des- tino a Harwich en Inglaterra, desapareciendo misteriosamente en la noche de aquel mismo día, sin llegar al término de su viaje.

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CAPITULO 2

Combustibles

SABEMOS por la Física que el calor puede transformarse en trabajo y viceversa; estas dos formas de energía van íntimamente ligadas. Pues bien, para conseguir el calor necesario para el funcionamiento de los motores, hemos de introducir en el interior' de sus cilindros una cantidad de aire comprimido, y en el momento convenido hacer Ilegal; hasta él, el agente capaz de producir el foco calorífico que nos produzca el movimiento. Al agente lo llamaremos combustible, y al foco calorífico le daremos el nombre de combustión.

Se llama combustible a todo cuerpo capaz de combinarse con el oxígeno con desprendimiento de luz y calor, y al fenómeno químico que se desarrolla al efectuarse esta combinación, la más conocida de las reacciones, se la conoce con el nombre de combustión. Al oxígeno se le designa con el nombre de comburente. O sea que para que se produzca una combustión hacen falta siempre dos elementos, uno de ellos habrá de ser el oxígeno, y el otro, el cuerpo que con él se combine para producir el calor. Otros elementos entran también en la combustión, los llamados inertes que son aquellos que aún interviniendo en ella no toman parte activa pasando a formar las cenizas, hollines y escorias.

Se designa con: el nombre de molécula, a la menor cantidad de materia que podemos tener de un cuerpo, conservando sus propiedades. Las moléculas son de tamaño sumamente pequeño, pero a su vez aún pueden subdividirse en otras partes infinitamente más pequeñas llamadas átomos. Según el número de átomos que se precisen para la formación de una molécula, que puede ser de uno, dos, tres, etc., el cuerpo así formado se llamará monoatómico, biatómico, triatómico, etc.

Cuando tenemos dos o más cuerpos y los juntamos todos ellos formando uno nuevo, si en este, cada componente sigue teniendo sus propiedades, características, decimos entonces que tenemos una mezcla. En cambio, si al unir los cuerpos, aparece uno nuevo, de propiedades distintas a los que se han unido, decimos que hemos obtenido una combinación. También podríamos definir estas dos palabras diciendo, que mezcla es la unión de dos o

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más cuerpos por procedimientos físicos, y combinaci6n, cuando esta unión se lleva a cabo por procedimientos químicos.

Se conocen con el nombre de hidrocarburos, a las substancias obtenidas con la combinación del carbono con el hidrogeno. Teniendo en cuenta cuanto hemos dicho acerca de mezcla y combinación, el hidrocarburo se nos presenta ahora, como un cuerpo de propiedades distintas completamente de las de los cuerpos que han entrado en su formación.

El número de combinaciones que se pueden formar con un número de átomos de carbono con otros de hidrogeno, es ilimitado, por tanto también será ilimitado el número de hidrocarburos que pueden existir, más para nuestros estudios solo tres de ellos nos merecen el especial interés.

1. Hidrocarburos de la serie acíclica sobresaturada, llamados también de la "serie grasa o alifática". Químicamente vienen representados por la formula Cn H2n + 2, en la que

C, es el átomo de carbono; H, el de hidrogeno; n el número de átomos de carbono que son necesarios para la formación de la molécula de hidrogeno junto con el 2n + 2, número de átomos de hidrogeno, siendo el metano, de formula CH4, llamado también

grisú y gas de los pantanos, el hidrocarburo tipo de esta serie.

2. Hidrocarburos de la serie acíclica, semisaturados llamados también "etilénicos". Su formula Cn H2n., siendo el "etileno" C2 H2N, el tipo de esta serie.

3. Hidrocarburos "serie cíclica o aromática", llamados así por su característico olor, representados por la formula Cn H2n, siendo el benzol. el primero de esta serie C6 H6.

Tras estas breves nociones físicas, pasemos a estudiar los combustibles. Para su aplicaci6n al funcionamiento de los motores, solo nos interesan los llamados combustibles líquidos, y de ellos el petróleo con todos sus derivados.

El petróleo natural Q "petróleo bruto" es un líquido inflamable, de menor densidad que el agua, de un característico y desagradable olor con un color que puede ser desde el amarillo al negro, que se encuentra en bolsas en el interior de la tierra, estando formado por una mezcla, bastante compleja de hidrocarburos con otros cuerpos, en mucha menor proporción y que generalmente constituyen sus impurezas.

Según los componentes que entren en su formación, los petróleos se " clasifican de la siguiente forma:

1. De base parafínica, estando constituidos por hidrocarburos de la serie acíclica Cn H2N

+ 2, siendo ricos en combustibles para motores, aceites lubrificantes, cera parafínica y una pequeña proporción de azufres y asfaltos.

2. De base asfáltica, que están constituidos por los hidrocarburos saturados cíclicos Cn

H2N, son muy viscosos y de color oscuro por su gran cantidad de asfalto; dan buenas

gasolinas si bien sus lubrificantes son de peor calidad y dejan, en su destilación, breas y asfaltos.

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En cuanto a las diversas teorías que existen para explicamos la formación del petróleo, podemos reducirlas a dos, que se consideran fundamentales: la teoría que le atribuye un origen mineral y la otra, que le supone una formación orgánica, siendo ésta última, la generalmente aceptada en nuestros días.

La teoría orgánica atribuye la formación del petróleo, a la descomposición de diversas materias grasas, que por largo tiempo han estado sometidas a grandes presiones y temperaturas. Estas grandes cantidades de grasa provienen al parecer, de restos de peces y animales marinos.

En épocas remotas y cuando por la constitución de la tierra eran muy frecuentes las convulsiones geológicas, originando levantamientos y hundimientos de la corteza terrestre, debieron quedar incomunicados trozos de mares que se transformaron en grandes lagos salados. En estos lagos la vida de las especies marinas siguió desarrollándose con la proliferación rápida de aquellos tiempos, a la par que, con la evaporación, el agua iba siendo más densa cada vez, con lo que al transcurso de los siglos, toda la fauna dejó de existir y sus restos siguieron un proceso de putrefacción, quedando tan sólo sus materias grasas de difícil descomposición.

Esta sustancia orgánica se fue acumulando en el fondo de estas aguas y, bajo la acción de determinados elementos se fue transformando en una especie de fango, el cual, con la intervención de las sales del agua y al ser cubiertas con los sedimentos del terreno, estuvieron durante largo tiempo sometidas al alto calor y presión de la tierra, dando lugar a la formación de la masa viscosa que son los hidrocarburos, base de los petróleos.

Por lo que se refiere a la teoría mineral, ésta atribuye la formación del petróleo, a la acción del agua de los mares sobre grandes cantidades de carburas metálicos existentes en el interior de la tierra, estando también sometidos a las altas presiones Y temperaturas existentes en las capas inferiores de la superficie de la tierra.

En cuanto al conocimiento del petróleo se remonta a tiempos lejanos, pues incluso en hechos bíblicos tales como el Arca de Noé o la Torre de Babel, ya se nos habla de él; los antiguos egipcios lo emplearon en medicina; griegos Y romanos en sus guerras, yendo evolucionando sucesivamente sus empleos pero siempre a base de pequeñas cantidades.

En el año 1859, en Pensilvania (Estados Unidos), se conseguía abrir el primer pozo importante, haciendo surgir de él unas 3 toneladas diarias.

Normalmente, el petróleo se encuentra cerrado en grandes bolsas de la superficie terrestre Y a distintas profundidades, siendo la mayor registrada hasta la fecha de 6.000 metros. Para llegar a estas bolsas se emplean distintos tipos de máquinas, las cuales son como enormes taladros que abriendo agujeros llegan hasta estas cavidades donde está el petróleo, y según se acierte el punto de la bolsa, el petróleo fluirá a la superficie impulsado por las presiones a que está sometido debido a los gases allí existentes, o bien habrá que utilizar un sistema de bombas para su extracción.

La distribución geográfica de estas bolsas, o mejor dicho, los países productores de petróleo son: Estados Unidos, Rusia, Arabia Saudí, Irán, Irak y Venezuela, y según cálculos basados en los estudios geológicos, las reservas existentes de petróleo, dan cifras fabulosas de miles

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de millones de toneladas, siendo la reserva más importante la del Oriente Medio, conocida con el nombre de «Polo del petróleo».

Tal y como encontramos el petróleo en la naturaleza es de difícil aplicación para fines industriales, ya que viene acompañado de otras substancias tales como, oxígeno, azufre, nitrógeno, sales minerales, agua, arena..., por lo que hay que refinarlo para poderlo utilizar.

Esta operación se lleva a cabo mediante su destilación fraccionada, obteniendo así una serie de productos, cada uno de los cuales presenta unas propiedades características dependientes de la temperatura a que se efectúa dicha destilación.

Pueden agruparse estos productos en tres grupos: 1.º, los obtenidos entre la temperatura normal y los 150º; 2.º, los obtenidos entre los 150 y 250º, y 3.º, los que se obtienen entre los 250 y 400º.

Si a su vez los productos así obtenidos volvemos a destilarlos haciéndolos pasar por temperaturas intermedias, obtendremos una nueva serie de ellos, más para nosotros bastará agruparles de la siguiente manera:

1. Volátiles (pertenecen al primer grupo anterior), los que fraccionando la temperatura entre normal y 150°, se consiguen el éter, obtenido entre los 30 y 50º; la gasolina,' entre los 50 y los 80°; bencina, entre los 80 y 150 °.

2. Medios (corresponden al segundo grupo anterior). - El petróleo lampante entre los 150 y 250°; gas-oil, entre los 200 y 350º.

3. Pesados (son el tercer grupo anterior). - El Diesel oil, los aceites lubrificantes y las parafinas.

De todos estos productos el que mejores ventajas presenta para su aplicación en los motores Diesel es el gas-oil que, como vemos, es un producto intermedio cuya destilación está entre los 200 y los 350º.

Pero generalmente para el funcionamiento de los motores se emplea el Diesel-oil, combustible de calidad inferior al anterior de precio más económico.

Debido al alto grado de perfeccionamiento que se ha conseguido en la construcción de los sistemas de inyección de combustible en el cilindro, en nuestros días se está empleando con magnífico resultado el llamado fuel-oil. Se designa con este nombre a la sustancia que queda del petróleo bruto tras extraerle los productos más ligeros, comprendiendo fácilmente que si este combustible es de más baja categoría que los gas-oil y Diesel-oil, en cuanto a su refinado se refiere, también será menor su precio de coste, razón por la cual se impone su empleo.

Pasemos ahora a 'estudiar las diversas propiedades de los combustibles.

Por definición se llama peso específico de un cuerpo, al peso en kilos de un litro de esta sustancia.

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En el caso de los combustibles este dato se obtiene fácilmente, ya que tomando una cantidad de agua (cuyo peso específico se toma por unidad), se pesa; seguidamente se toma un volumen igual del combustible que estamos tratando, y se pesa también. El cociente entre el peso del combustible y el del agua, es su peso específico, que en el caso de los petróleos es siempre menor que la unidad, oscilando normalmente entre 0'820 y 0'900.

Poder calorífico es el número de calorías que es capaz de desprender un kilo de combustible, siendo la caloría el calor que hace falta para aumentar la temperatura de un litro de agua en un grado. Se comprende que cuanto mayor poder calorífico tenga un combustible, mejor será su rendimiento. La determinación del poder calorífico se lleva a cabo en los laboratorios debiendo añadir que en el caso del gas-oil, Diesel-oil y fuel-oil éste oscila alrededor de las 10.000 calorías. La viscosidad es la resistencia que todo líquido opone cuando se le hace pasar por un orificio; Este dato merece especial interés por cuanto a los combustibles pesados se refiere, tales como el fuel-oil, ya que para que los sistemas de inyección trabajen satisfactoriamente, al combustible hay que darle la suficiente fluidez para que pueda atravesar todos los conductos de tuberías, bombas e inyectores.

Figura 3 Viscosímetro Engler

Figura 4

Aparato para la medición del punto de inflamación

Como vemos, viscosidad y temperatura van ligadas entre sí, observando que, al aumentar la temperatura, disminuye la viscosidad (aumenta la fluidez), y viceversa, siendo norma general expresar la viscosidad a la temperatura de 20°.

Diversos aparatos se emplean para hallar la viscosidad de un combustible, siendo el llamado viscosímetro de Engler, el más conocido. Consiste en un recipiente A (figura 3), que va colocado en el interior de otro mayor B, en el que se coloca agua a fin de poder calentar el primero de forma muy lenta. El recipiente A, tiene en su fondo un orificio con un grifo a través del cual habrá de pasar el combustible, estando además dotado de un termómetro t para

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saber la temperatura a que se lleve a cabo la prueba. En el recipiente A, se coloca una cantidad del combustible cuya viscosidad estamos tratando de averiguar; entonces mediante la aplicación de un mechero m, se va calentando muy poco a poco el agua del recipiente B, que a su vez irá calentando muy lentamente el combustible colocado en A. Cuando este combustible alcance la temperatura deseada (generalmente los 20°), se retira el mechero y abriendo el grifo g, mediante el reloj, se mide el tiempo que el combustible tarda en pasar por el orificio, recogiéndole en la vasija V. Seguidamente se repite la operación pero llenando ahora el depósito A con agua, igual cantidad de la de combustible. Dividiendo el tiempo que tardó en pasar el combustible por el que ha tardado el agua, nos dará la viscosidad del primero expresada en “grados Engler”.

Punto de inflamación es la temperatura a que ha de estar un combustible para que desprenda vapores inflamables que arderán al contacto de una llama, pero sin que la masa líquida entre en combustión; Este dato es importante conocerle con el fin de evitar el peligro que pueda ocasionar el manejo del combustible.

Para averiguar el punto de inflamación podemos valemos del aparato representado en la figura 4. Consiste en un recipiente A,' dotado de un termómetro t, y provisto de un orificio o en su parte alta; este recipiente va colocado en el interior de otro mayor B, que se llena de agua para que rodee al primero, de manera que al aplicar un mechero y a medida que vaya calentándose el agua, se calienta A, lentamente. En el citado recipiente A colocaremos el combustible a ensayar que no deberá llenarlo del todo sino dejar, como mínimo, una altura de un centímetro, para los gases. A medida que aumentemos la temperatura del agua irá aumentando la del combustible desprendiendo gases. Sobre el orificio o dirigiremos la llama de un mechero. En el momento en que los gases desprendidos ardan (cual una pequeña explosi6n), habremos alcanzado su "punto de inflamación», cuya temperatura nos la dará el termómetro t.

Punto de combustión, es la temperatura que debe alcanzar un combustible para que al

acercarle una llama, éste arda de forma continua hasta su consumo total. En el mismo aparato que hemos empleado para averiguar el punto de inflamación podemos hallar el ”punto de combustión”. Acerca del punto de combustión podemos decir también, lo dicho para el punto de inflamación, o sea que es un dato cuyo único valor nos sirve para evitar los peligros que entraña el manejo o almacenamiento del combustible.

Se llama punto de encendido, a la temperatura que debe alcanzar un combustible para que pueda arder de forma espontánea. Según la constitución de los combustibles este dato varía notablemente, influyendo también, en gran manera, la presión del aire con el que el combustible ha de efectuar su combusti6n, pudiendo decir que, en el gas-oil, por regla general, alcanza los 200° C cuando el aire está baj o la presión de 30 kilos.

Además de todas las propiedades enunciadas anteriormente, todo combustible ha de presentarse exento de impurezas, tales como el azufre, asfaltos, arenas, etc., ya que todas ellas influyen grandemente en la buena marcha del motor, con pérdida de su rendimiento.

Con la destilación fraccionada del petróleo y cuando ya se han obtenido todos sus productos ligeros hasta llegar al gas-oil, nos queda entonces una sustancia viscosa, que sometida a un nuevo proceso de destilado entre los 250 Y 400° de temperatura, nos proporciona los aceites minerales tan necesarios para la lubricaci6n de toda máquina. Según que estos aceites se

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obtengan de menor a mayor temperatura, su fluidez irá de mayor a menor, y así los tendremos en sus distintos grados de viscosidad.

El aceite lubrificante es indispensable para el funcionamiento de cualquier clase de máquina, debido a que todas las superficies que están en contacto y sometidas a las presiones y roces del movimiento, por muy bien trabajadas que estén, aun con rectificado y pulido final, siempre presentan , unas rugosidades, imperceptibles al tacto, debidas a la constitución del material. En estas condiciones, al deslizar una pieza sobre la otra rápidamente, éstas se agarran produciendo gran cantidad de calor, consiguiendo que en pocos minutos se produzca un agarrotamiento o fundan los materiales. Manera de evitar el que esto pueda ocurrir es introduciendo entre las dos superficies de contacto una capa de aceite lubrificante, el cual, al rellenar las rugosidades existentes en sus materiales, hace que las piezas se deslicen ahora sobre una superficie suave y además de facilitar su deslizamiento evita la formación del calor. Comprendida la importancia de los aceites diremos una serie de cualidades que deben reunir para poder ser aceptados.

1. Deben ser de constitución homogénea y de difícil descomposición, no debiendo tener cuerpo duro alguno, ya que esto traería consigo la destrucción del material de las superficies de contacto.

2. Estar exentos de cualquier sustancia alcalina o ácida, pues en este caso, deterioran el material corroyéndolo.

3. El aceite no debe emulsionarse (saponificarse), aunque se mezcle y agite con agua.

4. Debe tener un punto de inflamación alto a fin de evitar que por el calor que se desarrolla en los roces de las piezas en movimiento, llegue a inflamarse causando las consiguientes averías. Generalmente la temperatura de inflamabilidad debe ser superior a los 200°.

5. La viscosidad ha de ser lo suficientemente alta para que pueda adherirse a las superficies que lubrique, sin empastarlas ni poder ser despedido.

6. Hay que tener en cuenta su peso específico, ya que el aceite habrá de circular por un sistema de tuberías que forman el circuito del motor. Normalmente oscilará entre 0'87 y 0'90.

Además de los aceites minerales aquí tratados, existen también, otros de origen vegetal y animal que prácticamente carecen de Importancia, en cuanto a su aplicación a los motores se refiere.

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CAPITULO 3

Motores de dos y de cuatro tiempos.

EN un motor Diesel el ciclo teórico de su trabajo está caracterizado porque la combustión de la mezcla combustible se efectúa a «presión constante» y mediante el calor facilitado por la compresión del aire en el interior del cilindro.

Según se lleve a cabo la realización de este ciclo en una, vuelta del eje motor, o bien, en dos de ellas, nos sirve a nosotros para hacer una clasificación general de los motores reuniéndoles en dos grupos fundamentales: motores de dos tiempos, los que efectúan un ciclo completo de trabajo en una vuelta del eje, y motores de cuatro tiempos, los que efectúan el ciclo en dos vueltas.

Considerando que en una máquina cualquiera, el ciclo de funcionamiento es la serie de operaciones que, repitiéndose de forma continua, nos dan el trabajo total que la máquina, nos facilita, pasemos a estudiar las distintas fases que constituyen estos ciclos.

En un motor Diesel, las fases que componen su ciclo de trabajo se resumen de la siguiente manera:

1. Llenar el cilindro con aire atmosférico.

2. Efectuar la compresión de este aire hasta que alcance una temperatura que sea superior ala de combustión del combustible.

3. Inyección del combustible con su proceso de combustión. 4. Expansión de los' gases producidos en la combustión. 5. Evacuación de estos gases a la atmósfera.

Todas estas fases se realizan en una vuelta del motor si es de dos tiempos y en dos vueltas cuando es de cuatro tiempos de la manera siguiente:

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Figura 5

Esquema del Motor de dos tiempos

1a. fase. - Supongamos que tenemos el embolo en su punto muerto bajo (extremo inferior de

su carrera). En este momento, el aire, impulsado por un sistema cualquiera de ventilador o bomba adecuado a una baja presión, generalmente de hasta 0.5 kilos, se precipita a través de las lumbreras o galerías, al interior del cilindro para llenarlo totalmente al tiempo que con su empuje limpia “barriendo” los residuos de gases que allí pudieran quedar de ciclo anterior. Es necesario que el aire entre en el cilindro con esta pequeña presión para aprovechar el breve espacio de tiempo disponible durante el que las lumbreras están abiertas. A este aire así impulsado se le llama aire de barrido.

2a. fase - El émbolo comienza su movimiento ascendente (figura 6, primer tiempo), con lo

cual, cierra por las que hemos introducido el aire Entonces este aire va siendo comprimido al tiempo que su temperatura va aumentando. Cuando el embolo llega muerto alto (extremo superior de su carrera) el aire comprimido ha alcanzado una presión de 40 a 45 kilos, con una temperatura de 700 a 800º.

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Figura 6

Ciclo Diesel de dos tiempos

3a. fase. - Estando el émbolo en este punto, y con el aire a la presión y temperatura indicadas, se efectúa entonces la introducción del combustible finamente pulverizado o inyección (figura 6, segundo tiempo). Al encontrar el combustible esta masa gaseosa caliente, de forma espontánea se produce su combustión con lo que se origina un aumento del volumen de dicha masa; esta expansión de los gases actúa sobre el émbolo al que transmite su impulso con lo que comienza su movimiento descendente.

4a. fase. - Los gases quemados se van expansionando, y el émbolo desciende como hemos dicho, debido a su impulso. A esta fase es la que podríamos llamar "útil", ya que es la única en la cual se realiza el trabajo de mover el motor, mientras que las restantes tan sólo nos sirven para hacemos realizable ésta.

5a. fase. - En su descenso, el émbolo llega a descubrir las lumbreras del cilindro; entonces, los gases expansionados ya, se precipitan al exterior por un número de ellas al tiempo que por las restantes comienza la entrada de aire fresco que nuevamente llenará todo el cilindro y barrerá hacia el escape cuantos gases quemados pudieran quedar. El émbolo llegará a su punto muerto bajo y comenzará la repetición del ciclo explicado.

Así, pues, vemos que para completa un ciclo de trabajo el motor ha tenido que dar una vuelta completa, habiendo efectuado el embolo dos carreras, ascenso y descenso.

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Figura 7

Esquema de un motor de cuatro tiempos

Motor de cuatro tiempos (figura 7)

1a. fase. - En este caso supondremos que el embolo lo tenemos situado en el punto muerto superior, observan que la parte alta del cilindro está dotada de las válvulas A, para la admisión o entrada del aire, y E, para la evacuación o escape de los gases quemados. Al descender el émbolo está abierta la válvula A (figura 8) con lo que la succión originada por el vacío del émbolo, precipite hacia el interior del cilindro llenándolo totalmente, hasta que dicho émbolo llega al extremo inferior de su carrera (punto muerto bajo).

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Figura 8

Ciclo Diesel de cuatro tiempos

2a. fase; - En el punto muerto bajo invierte el émbolo su sentido de mar- cha. Se cierra la válvula A. En el movimiento de ascenso va comprimiendo el aire encerrado en el cilindro, aumentando su presión al tiempo que su temperatura, y cuando el émbolo ha llegado a su punto muerto alto, el aire alcanza los 40 kilos de presión, con unos .700° de temperatura.

3a. fase. - Alcanzada esta presión y temperatura, y estando el émbolo en su punto muerto superior, inyectamos el combustible en el cilindro, y en estas condiciones, espontáneamente, entra en combustión formando los gases que han de actuar impulsando al émbolo.

4a. fase. - Estos gases, en su expansión, empujan al émbolo en movimiento descendente. Al igual que en los motores de dos tiempos, esta fase es la que llamamos útil por ser la única que nos produce trabajo. Desciende el émbolo hasta llegar al punto muerto bajo, donde invertirá su movimiento.

5a. fase. - Al comenzar el movimiento ascendente tenemos abierta la válvula E, por la que los gases quemados de la combustión, impulsados por el émbolo son lanzados al exterior. Al alcanzarse el punto muerto alto la válvula E se cerrará, abriéndose la A y comenzando un nuevo ciclo.

En esta ocasión, para que el ciclo de trabajo se complete, el motor ha tenido que dar dos vueltas o sea, que el émbolo ha efectuado cuatro carreras, ascenso, descenso, ascenso y descenso.

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Quede con ello comprendido el por qué de la clasificación de los motores en dos y cuatro tiempos.

Tal y como hemos expuesto e] funcionamiento de los motores, diremos que los ciclos de trabajo realizados se pueden considerar como «ciclos teóricos», es decir, aquellos que sólo en la teoría pueden existir, ya que para poderles realizar en la práctica, o sea obteniendo «ciclos prácticos», hay que tener en cuenta una serie de circunstancias todas ellas importantes que vamos a detallar.

Así tenemos que en el motor de dos tiempos, en el movimiento ascendente del émbolo, comprimimos el aire. Como hemos dicho, habría que inyectar e] combustible, al estar el émbolo en su punto muerto alto, y la combustión se desarrollaba a presión constante de manera uniforme. Pero hay que tener presente que el combustible inyectado, precisa de un tiempo para trasladarse desde el inyector a la cámara de combustión; también ha de calentarse y mezclarse con el aire comprimido, por lo que precisa de otro tiempo. Bien es verdad que la suma de estos tiempos es muy pequeña, pero dada la velocidad con que se mueve el émbolo, resultaría que de inyectarse el combustible cuando aquél se encontrase en su punto muerto, el tiempo que tardaría en entrar en combustión el combustible, sería suficiente para que el émbolo hubiese comenzado su movimiento descendente, con lo cual variaría la presión del aire junto con su temperatura, dando motivo a una combustión irregular y de escaso rendimiento.

Manera de evitar este inconveniente es efectuando la inyección del combustible, el tiempo que necesitará para entrar en combustión, antes de que el émbolo llegue a su punto muerto alto, con lo que, al encontrarse en esta posición, se originará una combustión rica, aunque no realizada a presión constante, y aprovecharemos al máximo la expansión de sus gases. Se comprende que este adelanto de la inyección, dependerá en gran manera de lo rápido que sea el motor, ya que cuanto más revolucionado sea, a mayor distancia el émbolo de su punto muerto habrá que comenzar a inyectar, pues a igualdad de tiempo será mayor el ángulo girado por el cigüeñal para que la combustión tenga lugar en el momento oportuno.

Tras el proceso de combustión se expansionan los gases hasta llegar a descubrir las lumbreras de escape, pero estos gases no se precipitan al exterior de forma instantánea tal como supusimos en teoría, sino que precisan de un cierto tiempo para ir saliendo. Además, el aire de barrido al entrar en el cilindro, tropieza con los gases quemados que dificultan su entrada necesitando de otro tiempo para entrar, lo que difiere también de lo supuesto teóricamente.

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Figura 9 Ciclo teórico

Figura 10 Ciclo practico

En los motores que efectúan su admisión y escape mediante lumbreras eliminamos este inconveniente haciendo que las lumbreras por las que salen los gases, sean de forma o tamaño distinto de las destinadas a la entrada del aire de barrido, con lo que al tiempo que se adelanta la salida del escape consiguiendo su caída de presión, se logra que el nuevo aire entre en el cilindro con mayor facilidad.

Por otra parte, las fases de compresión del aire y de la expansión de los gases de la combustión, que en teoría los hemos efectuado por vía adiabática (sin cambio alguno de calor con el exterior), no nos es posible obtenerlas en la práctica, ya que debido al calentamiento de los cilindros del motor nos vemos obligados a refrigerarlos para evitar el agarrotamiento. Este robo de calor modifica el comportamiento del aire y de los gases, no siguiendo las leyes físicas debidas, causa ésta que influye en la variación del ciclo teórico.

En las figuras 9 y 10 se comprende cuanto acabamos de explicar, acerca de los ciclos teórico y práctico. En estas figuras, las circunferencias O y O' representan, cada una de ellas,' una vuelta completa del eje cigüeñal, siendo sus diámetros AF y A'E el recorrido del émbolo. Sobre el sistema de ejes de Presión y Volumen vamos a llevar a los distintos valores por los que pasa el aire en el interior del cilindro, y así tenemos en el «Ciclo Teórico» (figura 9), que al estar el émbolo en su punto muerto ,bajo, F, la presión y el volumen del aire corresponden al punto f. Gira el cigüeñal el arco FE, ascendiendo el émbolo, recorrido F4, cerrando las lumbreras del escape y admisión al llegar a E, punto e de presión y volumen cerradas las lumbreras, el giro del arco EA por el cigüeñal hasta llega al punto muerto alto lo emplea el embolo en su recorrido 4-2-A. comprimiendo el aire, línea e En este momento es cuando se inyecta el combustible y efectúa su combustión, giro del cigüeñal A-B, recorrido del émbolo

A-2, presión-volumen a-b. Comienza aquí la expansión de los gases describiendo el cigüeñal

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émbolo en 4, descubre las lumbreras del escape y admisión cayendo la presión de c a e al escapar los gases quemados al exterior continuando el cigüeñal hasta llegar a F, punto muerto inferior con el recorrido 4-F del émbolo, y e f el valor de la presión y el volumen, por lo

que se ha completado el ciclo teórico. A partir de este punto comienza la repetición de las

fases sucesivamente.

En el ciclo práctico (figura 10), tal como hemos dicho anteriormente, ha habido necesidad de adelantar el momento de introducir el combustible en el cilindro y modificar la apertura y cierre de las lumbreras de admisión y escape. Tenemos pues, el cigüeñal y émbolo en punto muerto bajo E'; lumbreras de admisión y escape abiertas, siendo e' la presión y el volumen.

Gira el cigüeñal el arco E'-F', recorrido del émbolo E'-5', presión-volumen f'; se cierran las lumbreras de admisión con lo que comienza a aumentar suavemente la compresión f -g' durante el recorrido 5'-4' del émbolo, con el giro F'.G' del cigüeñal. Al llegar a G', se cierran las lumbreras del escape, el aire queda ya encerrado y aumenta su compresión g' -h'; el cigüeñal pasa a H' y el émbolo recorre 4'-3'-2'. En este momento, cuando aún no se ha alcanzado el punto muerto superior, se inyecta el combustible efectuándose su combustión, observándose que la representación gráfica de los valores de presión y volumen h'-h'-a'; es diferente de la obtenida en el ciclo teórico (a-h); durante la combustión el cigüeñal ha girado

H'-A'-B', y el émbolo ha recorrido 2'-A'-2'-3', llegando al punto muerto e invirtiendo el

movimiento. Sigue ahora la expansión de los gases hasta alcanzar el cigüeñal el punto C'; el émbolo pasa de 3' a 4' la línea de presión-volumen es' b'-c'. En C', punto 4' del émbolo, se abren las lumbreras del escape y los gases salen al exterior (c' –a’), y cuando el émbolo llega a 5' se abren las lumbreras de admisión, punto D' del cigüeñal, con lo que comienza la entrada del nuevo aire. Por cuanto hemos dicho en el calentamiento y refrigeración de los cilindros, también la representación gráfica de la compresión y de la expansión es distinta de la del ciclo teórico, siendo prácticamente de inferior valor. Se llega al punto muerto inferior E', cigüeñal y émbolo, dándonos los gases la línea d’-e’, con lo que de nuevo comienza la repetición del ciclo.

En cuanto al motor de cuatro tiempos también nos presenta idénticos inconvenientes, por lo que lo dicho acerca de la inyección del combustible y su combustión para un motor de dos tiempos, es aplicable a aquellos, así como la forma de evitar dichos inconvenientes. El comportamiento del gas en el interior del cilindro es distinto del de un motor de dos tiempos, ya que distintas son sus fases de funcionamiento, pero sus dificultades son las mismas.

Así tenemos que al estar el émbolo en su punto muerto superior y comenzar el movimiento descendente, tenemos abierta la válvula de admisión, hasta alcanzar el punto muerto inferior en que se cierra. Los movimientos de la válvula no son instantáneos y además, el aire atmosférico, al entrar en el cilindro, sufre una estrangulación a su paso por la válvula, con lo que al final del período de admisión, en el interior del cilindro, no existe la cantidad de aire necesaria, y, si el aire admitido es poco, la compresión no alcanza tampoco los límites debidos motivando que la combustión se origine en muy malas condiciones. Lo mismo ocurre en el período de escape, pues su válvula precisa de un tiempo para moverse; los gases al evacuar encuentran resistencia para atravesar la válvula, de manera que al terminar esta fase, en el interior del cilindro quedan gran cantidad de gases quemados que dificultan la entrada del nuevo aire, y además, al mezclarse con él, son causa de que la siguiente combustión se efectúe en condiciones poco propicias.

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A fin de evitar estos estrangulamientos en la admisión y el escape, a sus válvulas respectivas se les dan las máximas dimensiones posibles.

El momento de apertura de la válvula de admisión, lo adelantaremos de forma que, al llegar el émbolo a su punto muerto superior, aquélla se encuentre completamente abierta y haya comenzado ya a entrar el aire. El cierre lo retrasaremos para después de que el émbolo haya rebasado el punto muerto inferior; de esta manera, aun cuando el émbolo haya comenzado el movimiento ascendente, el aire, por la fuerza de inercia adquirida, seguirá entrando en el cilindro hasta que esta fuerza de entrada se anule ron la presión interior del cilindro, que será el momento en que cerrará la válvula.

La válvula de escape, la abriremos antes de que el émbolo llegue al punto muerto inferior, para que al comenzar el movimiento ascendente los gases estén ya saliendo y no presenten resistencia a este movimiento de ascenso. Con objeto de dar más tiempo para la salida de los gases, efectuaremos el cierre cuando el émbolo rebase el punto muerto superior.

Observamos con lo dicho, que existe un momento del ciclo en que las válvulas de admisión y escape están las dos abiertas, intentándose con ello, que parte del nuevo aire que ingresa en el cilindro pueda pasar al escape efectuando así una limpieza arrastrando los gases quemados y dejando para la siguiente combustión un aire más puro.

Representando mediante gráficos (figuras 11 y 12), al igual que en el motor de dos tiempos, los movimientos del cigüeñal, carrera del émbolo, y los valores presión-volumen en el interior del cilindro tendremos lo siguiente.

Figura 11

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Ciclo teórico (figura 11). - Cigüeñal y émbolo en A, punto muerto superior; presión-volumen

en 1; abierta la válvula de admisión. - Al describir el cigüeñal el arco A-C-B, el émbolo recorre su camino descendente A-O-B (fase de admisión), el aire entra a través de la válvula, en la que teóricamente no sufre estrangulación, y nos da la línea 1-2, que se confunde con la línea atmosférica. A partir de B (punto muerto inferior), el cigüeñal gira el arco B-A; habiéndose cerrado la válvula en B, de ad- misión, el émbolo, en su carrera ascendente B-O-A, comprime el aire en el interior del cilindro, fase de compresión, representada por: la línea 2-3. De nuevo cigüeñal y émbolo en A (punto muerto superior), se inyecta el combustible y origina su combustión, describiendo el cigüeñal el arco A-C; el émbolo desciende A-c, siendo la línea 3-4, el valor de la presión durante esta fase. Desde C hasta B, el giro se efectúa por la expansión de los gases, recorriendo el émbolo c-O-B, en movimiento descendente y estando representada por la línea 4-5 el valor de la presión durante esta fase. Otra vez en el punto muerto inferior; se abre la válvula de escape y cae la presión de los gases, 5-2; el cigüeñal gira el arco B-A, recorriendo el émbolo B-O-A y expulsando los gases quemados, que como en su salida no encuentran resistencia alguna describen la línea 2-1, que vuelve a confundirse con la línea atmosférica. Al llegar al punto muerto superior se inicia la repetición del ciclo.

Figura 12

Ciclo practico de cuatro tiempos

Ciclo práctico (figura 12). - Antes de llegar al punto muerto superior (cigüeñal en G y émbolo

en g) se abre la válvula de admisión (punto 1) para comenzar la entrada del aire al cilindro. En el punto muerto superior A, empieza el movimiento descenderte del émbolo, y la succión

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que produce el descenso, admite el aire cuya presión, debido a las inevitables estrangulaciones que sufre, en válvula y conductos, caerá algo por debajo de la línea atmosférica, describiéndonos la 2-3; cigüeñal y émbolo, tras un giro de 180°, llegan al punto muerto inferior A' y lo rebasan pasando al movimiento ascendente comenzando entonces la compresión del aire que nos describe la línea 3-4. Como vemos, el punto 3, momento que comienza la compresión del aire, está situado debajo de la línea atmosférica. Ya en ascenso, estando el cigüeñal en B y el émbolo en b se cierra la válvula de admisión (punto 4). En su giro, el cigüeñal llega a C antes del punto muerto superior recorriendo el émbolo desde b hasta c, comprimiendo el aire según la línea 4-5. Se efectúa en este instante la inyección del combustible seguida de su combustión con un giro del cigüeñal C-A-F-D y recorrido del émbolo c-A-c-g-f-d, siendo 5-6-7 el valor de la presión durante esta fase. Estamos ya en movimiento descendente durante el cual, los gases quemados se expansionan, siendo esta carrera de descenso en la que tenemos la combustión y expansión, la única carrera útil, en la que el motor nos produce trabajo, ya que como en el motor de dos tiempos, las carreras restantes son preparatorias para la realización de ésta. En expansión, el cigüeñal gira el arco

D-E, el émbolo recorre d-e, describiéndonos los gases la línea 8-9. Se abre ahora la válvula

de escape dando comienzo el período de evacuación cayendo la presión de los gases rápidamente según la línea 8-9. Se alcanza y rebasa el punto muerto inferior ascendiendo nuevamente, girando el cigüeñal durante la evacuación E-A'-B-G-C-H-A-F (rebasado el punto muerto superior), el recorrido del émbolo e-A'-A-f, mientras que los gases, impulsados por el émbolo, nos describirán la línea 9-1-2-10, que irá ligeramente P9r encima de la línea atmosférica en casi todo su trazado.

Se observa ahora lo dicho anteriormente, de que al final del período de evacuación, y al principio de la admisión, teníamos abiertas las dos válvulas al mismo tiempo por las razones explicadas. Y a partir de este momento, se repite el ciclo de trabajo.

Estas variaciones en los momentos de apertura y cierre de las válvulas, son los llamados «avances», sobre los cuales insistiremos nuevamente al hablar de la distribución del motor.

La forma de representar los distintos valores del volumen y presión a que se ve sometido el aire en el interior del cilindro, son los diagramas del motor, y fácilmente se comprenderá su importancia al decir que con su observación sabemos, no sólo el trabajo que el motor nos está suministrando, sino las anomalías que en su funcionamiento puedan existir y poder así evitarlas.

Por todo lo explicado, tanto para los motores de dos tiempos como para los de cuatro, puede verse que los diagramas que en la práctica se nos presentan, son bastante diferentes de los que obteníamos en teoría. El diagrama práctico de un motor obtenido mediante el aparato indicador f es bastante menor que el diagrama teórico, y la comparación de ambos es lo que

se conoce con el nombre de rendimiento del diagrama, valor éste bastante difícil de conocer

dependiente de las circunstancias de cada máquina, obteniéndolo por comparación entre un número de diagramas teóricos y reales. Podríamos decir que, generalmente, le asignamos un valor de un 75 %.

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Figura 13

Aparato indicador de diagramas

La obtención de los diagramas se lleva a cabo mediante el «aparato indicador», del cual damos una idea en la figura 13. Consiste en un pequeño émbolo A que se desliza muy ajustado en el cilindro B. El émbolo va dotado del vástago V, que presenta una hendidura sobre la que actúa un resorte R, oponiéndose al movimiento del émbolo, apoyando el otro extremo del resorte en la parte fija del aparato. Sobre el brazo D, tenemos el tambor E, que por el eje F, va fijo con la roldana G, que le comunica un movimiento rotativo alternativo. Este movimiento se consigue conectando la roldana mediante un cordón a una pieza móvil del motor ya dispuesta para el caso, y generalmente situada sobre los ejes de levas; con el fin de que el tambor recupere siempre su posición, lleva en el interior un resorte de recuperación que actúa al variar el tiro del cordón que le da movimiento. Un sistema de palancas a-b-d, que se mueve accionado por el " émbolo A, lleva en c un estilete o punta de marcar que se desliza sobre la superficie del tambor. En unas pletinas que lleva el tambor se coloca el papel en el que se va a trazar el diagrama, donde apoyará el estilete c.

Mediante la tuerca C, el indicador se afirma a un grifo ya preparado de que están dotados los cilindros del motor, y que están en comunicación con la cámara de combustión. Afirmando el indicador se conecta el cordón de la polea G a la pieza móvil destinada, y abriendo el grifo del motor, ponemos en comunicación el indicador con el cilindro, y el aparato entrará en funcionamiento con los movimientos combinados del émbolo y tambor; entonces apretando suavemente la punta de marcar, nos trazará sobre el papel el diagrama indicado.

Efectuar esta operación requiere bastante práctica, ya que hay que hacerla rápidamente sin que el estilete pase dos veces sobre la misma línea a fin de que los contornos salgan claros por completo.

Trazado el diagrama, se cierra el grifo de comunicación con la cámara de combustión, se desconecta el cordón de accionamiento, y se desmonta el aparato.

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Como el indicador puede aplicarse a motores que trabajen a distintas presiones cada uno, va dotado de una serie de resortes R, en los que está grabada su presión de trabajo, debiendo elegirse el más indicado en cada caso.

Obtenido el diagrama, con su simple observación, la experiencia nos indica las irregularidades que pueden existir en el funcionamiento del motor. Más para llegar a conocer la potencia que el motor nos está desarrollando, hay que hacer el cálculo del diagrama y una serie de operaciones. Se ha visto, que las líneas que formaban el diagrama representaban los distintos valores de la presión por los que pasaba el aire en el interior del cilindro durante la realización de un ciclo, y que la fuerza expansiva de los gases de la combustión era la que actuaba sobre la cabeza del émbolo comunicándole su impulso. Esta fuerza no es constante, variando notablemente de un punto a otro. Nosotros, para llevar a cabo el cálculo del diagrama necesitamos dar a esta fuerza un valor que no nos varíe, o sea, un promedio de los valores de la presión que se está ejerciendo sobre el I émbolo, para considerarla así, una fuerza constante y con ella, llegar a hallar la potencia indicada o del diagrama, que nos está desarrollando el motor.

Este dato que vamos a buscar recibe el nombre de presión media y también ordenada

media. Además de esta presión media, encontramos también en el diagrama, la llamada presión de compresión, que es aquella que llegan a alcanzar los gases al final del período de

compresión, o sea, la presión que existe en el cilindro en el instante en que va a inyectarse el combustible, la presión máxima o presion de combustión, que es el valor máximo que se alcanza, correspondiendo a la fase de combustión del combustible.

Podemos decir, a título de información, que los valores que normalmente suelen alcanzar estas presiones suelen ser, presión media, de 5 a 7 kilos; presión de compresión, unos 40 kilos; y la presión máxima, de 50 a 60 kilos.

Figura 14

Método practico de división del diagrama.

Vamos a explicar dos maneras con las que se puede llegar a conocer el valer de la presión media, siendo éstas, la de subdividir el diagrama en una serie de figuras, o medio práctico, o mediante el empleo del planímetro.

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En el primer caso, se divide la longitud total del diagrama A (figura 14) en un número de partes iguales, 1, 2, 3... 10 (generalmente 10), aunque cuanto mayor sea este número, más exacto será el resultado. Por cada una de estas divisiones trazamos las perpendiculares A,

B, C,...K, con lo que la figura diagrama, nos quedará dividida en una serie de ellas que

prácticamente pueden considerarse como paralelogramos, en los que sus lados menores, son por completo irregulares, lo que nos representará un pequeño error de aquí la razón, de que cuanto mayor sea el número de divisiones del diagrama, menor será el error final de la operación.

Se trata ahora de hallar el área de todos estos paralelogramos (entendemos por tales, las figuras comprendidas dentro de los trazos del diagrama), cuya suma representará el área del diagrama.

Para ello, por el punto medio de cada una de las divisiones efectuadas, se trazará una nueva perpendicular, a, b, c, .. .f, que será la base media de cada paralelogramo, en la que Y será su altura.

Así tendremos:

Área total = S = (Y X a) + (Y X b) + (Y X c) +………….. + (Y x f), que equivale a

S = Y (a + b + c + ……….+ f)

Conocida esta área total, la dividimos por la longitud del diagrama 0-10, con lo que nos dará la altura media de la figura, o sea, su ordenada media que era lo que queríamos averiguar, y que será la presión media constante que estará actuando sobre el .émbolo durante su carrera útil.

Habrá que tener en cuenta, al llegar a la ordenada media, el resorte R que empleamos en el indicador al obtener el diagrama pues, como dijimos, había una serie de ellos para los distintos valores de presión. Si el resorte empleado era 1 kilo = 1 milímetro, la presión media nos vendrá representada, en kilos por centímetro, Caso de ser este resorte de otra, relación,

nos basta una sencilla regla de tres, para hacer su reducción, aunque hay que reseñar, que

cada resorte va dotado de una reglilla, con la que efectuamos la medida de las ordenadas, dándonos directamente el valor kilos/centímetro.

Figura 15 Planímetro

Figure

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