Diseño de una herramienta virtual de asistencia para el diagnóstico de falla en motores diesel

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(1)IM-2004-II-08 DISEÑO DE UNA HERRAMIENTA VIRTUAL DE ASISTENCIA PARA EL DIAGNOSTICO DE FALLA EN MOTORES DIESEL. Por: CARLOS ENRIQUE BUITRAGO VARGAS. Profesor Asesor: RAFAEL BELTRAN Ingeniero Mecánico. PhD.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE MECANICA FACULTAD DE INGENIERIA BOGOTA, ENERO DE 2005.

(2) IM-2004-II-08 DISEÑO DE UNA HERRAMIENTA VIRTUAL DE ASISTENCIA PARA EL DIAGNOSTICO DE FALLA EN MOTORES DIESEL. CARLOS ENRIQUE BUITRAGO VARGAS. Proyecto de Grado presentado para optar al titulo de Ingeniero Mecánico. Profesor Asesor: RAFAEL BELTRAN Ingeniero Mecánico. PhD.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE MECANICA FACULTAD DE INGENIERIA BOGOTA, ENERO DE 2005. II.

(3) IM-2004-II-08 Bogota, Enero 14 de 2005.. Doctor ALVARO PINILLA Director del Departamento de Ingeniería Mecánica Facultad de Ingeniería Ciudad.. Estimado Doctor Pinilla:. Por medio de la presente me permito poner en consideración el proyecto de grado titulado: “Diseño de una herramienta virtual de asistencia para el diagnostico de falla en motores diesel”, que tiene como objetivo construir una herramienta didáctica, de asistencia para el diagnostico de las fallas mas frecuentes en motores diesel.. Agradezco su amable atención y me suscribo de Ud.. Atentamente,. CARLOS ENRIQUE BUITRAGO VARGAS COD 199821070. III.

(4) IM-2004-II-08 Bogota, Enero 14 de 2005.. Doctor ALVARO PINILLA Director del Departamento de Ingeniería Mecánica Facultad de Ingeniería Ciudad.. Estimado Doctor Pinilla:. Certifico como director, que el proyecto de grado del estudiante Carlos Enrique Buitrago Vargas, ha cumplido con todos los requisitos exigidos y que por lo tanto estoy de acuerdo con la forma y las condiciones en que se presenta.. Atentamente.. Ing. Rafael Beltrán P. Director del proyecto de grado.. IV.

(5) IM-2004-II-08. A mis padres por su incondicional apoyo durante todos estos años, llenos de sacrificios, pero que espero recompensar con creces.. V.

(6) IM-2004-II-08 AGRADECIMIENTOS. A Rafael Beltrán por la ayuda y orientación durante este proyecto y por haberme extendido su mano en un momento muy difícil.. A Hebert Toro, Rienzi Rodríguez, Edgar Villate, William Guerrero, Orlando Ramirez, Simon Torres, Alejandro Balderrama, Danny Ariza, Jimmy Niño, y en general a todos mis amigos y compañeros de trabajo que en algún momento me aclararon dudas o simplemente me acompañaron durante los momentos más difíciles.. VI.

(7) IM-2004-II-08. Índice 1. INTRODUCCIÓN .....................................................................................................................................1 2. MOTORES DIESEL .................................................................................................................................2 2.1 ELEMENTOS QUE COMPONEN LOS MOTORES ........................................................................................4 2.2 FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES ....................................................................................................6 2.3 INYECCIÓN .............................................................................................................................................7 2.4 LUBRICACIÓN ......................................................................................................................................10 3. TURBO CARGADORES .......................................................................................................................12 3.1 PRINCIPIOS ...........................................................................................................................................14 3.1.1 EFICIENCIA Y CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DEL COMPRESOR.........................16 3.1.2 PRINCIPIOS TERMODINAMICOS BASICOS..........................................................................17 3.2 DISEÑO ................................................................................................................................................19 3.2.1 DISEÑO DEL COMPRESOR .....................................................................................................19 3.2.2 DISEÑO DE LA TURBINA.........................................................................................................21 3.3 LUBRICACIÓN ......................................................................................................................................23 3.3.1 COJINETES ................................................................................................................................25 3.4 SISTEMA DE ESCAPE.............................................................................................................................26 3.5 CONTROLES .........................................................................................................................................27 3.6 ENFRIAMIENTO INTERMEDIO “INTERCOOLER” ..............................................................................28 3.7 FILTROS ...............................................................................................................................................29 3.8 MANTENIMIENTO.................................................................................................................................29 3.8.1 RECALENTAMIENTO – APAGADO DE MOTOR EN CALIENTE .........................................30 3.8.2 ACEITE CONTAMINADO .........................................................................................................31 3.8.3 SUMINISTRO INSUFICIENTE DE ACEITE ............................................................................31 3.8.4 DAÑOS POR IMPACTO ............................................................................................................32 3.8.5 HUMO EXCESIVO.....................................................................................................................32 3.8.6 JUEGOS RADIALES Y AXIALES GASTADOS O EXCESIVOS ...............................................33 3.8.7 DIFICIL GIRO DEL ROTOR .....................................................................................................33 3.8.8 RUIDO ........................................................................................................................................34 3.8.9 BAJA POTENCIA .......................................................................................................................34 3.8.10 SOBREREVOLUCION .............................................................................................................34 3.8.11 PRECAUCIONES AL ENCENDER Y APAGAR UN MOTOR CON TURBO CARGADOR ..34 4. DIAGNOSTICO Y FALLAS FRECUENTES .....................................................................................35 4.1 PUNTO DE PARTIDA ..............................................................................................................................35 4.1.1 INSPECCION FISICA Y VISUAL ..............................................................................................36 4.1.2 LIMPIEZA Y CUIDADO ............................................................................................................36 4.1.3 SEPARACION DE PIEZAS ........................................................................................................37 4.1.4 HERRAMIENTAS Y EQUIPOS ..................................................................................................38 4.2 FALLAS FRECUENTES ..........................................................................................................................39 4.2.1 ESTADISTICAS CAMPO............................................................................................................39 4.2.2 FALLAS MOTORES ...................................................................................................................41 4.2.2.1 Análisis de Humo................................................................................................................................. 41 4.2.2.2 Análisis de Aceite Lubricante.............................................................................................................. 42 4.2.2.3 Fallas Válvulas Admisión y Escape. ................................................................................................... 46 4.2.2.4 Fallas Cilindros, Camisas, Pistones y Anillos..................................................................................... 48. 4.2.3 FALLAS TURBO CARGADORES..............................................................................................50 4.2.3.1 Insuficiencia de lubricación................................................................................................................. 52 4.2.3.2 Aceite contaminado. ............................................................................................................................ 53 4.2.3.3 Ingestión de Objeto Extraño. .............................................................................................................. 53 4.2.3.4 Utilización Incorrecta. ......................................................................................................................... 54 4.2.3.5 Diseño o Manufactura Inadecuados. ................................................................................................... 55 4.2.3.6 Soporte Fotográfico. ............................................................................................................................ 56. 5. CONSTRUCCIÓN HERRAMIENTA. .................................................................................................61 5.1 PLATAFORMA O SOFTWARE.................................................................................................................61 5.2 ESTRUCTURA .......................................................................................................................................63. VII.

(8) IM-2004-II-08 5.2.1 ESTRUCTURA PROCESO DIAGNOSTICO .............................................................................65 5.2.2 ESPECIFICACIONES MOTORES.............................................................................................68 5.2.3 ESTADISTICAS CAMPO............................................................................................................69 5.2.4 RECOMENDACIONES INICIALES ..........................................................................................70 5.3 PROCESO DE CONSTRUCCIÓN ..............................................................................................................71 5.3.1 TABLAS .......................................................................................................................................72 5.3.1.1 Especificaciones.................................................................................................................................. 73 5.3.1.2 Estadísticas.......................................................................................................................................... 73 5.3.1.3 Estándares de servicio......................................................................................................................... 74 5.3.1.4 Localización de Averías ...................................................................................................................... 75 5.3.1.5 Nombre Motor ..................................................................................................................................... 76 5.3.1.6 Recomendaciones iniciales.................................................................................................................. 77. 5.3.2 CONSULTAS...............................................................................................................................77 5.3.2.1 5.3.2.2 5.3.2.3 5.3.2.4 5.3.2.5. Consulta “Quejas”............................................................................................................................... 78 Consultas “Hechos…” ........................................................................................................................ 79 Consultas “PI…”................................................................................................................................. 80 Consulta “consultaestadisticas”.......................................................................................................... 81 Consultas “Búsqueda de registro”, “Especificación motores” y “Estándares” ................................. 82. 5.3.3 FORMULARIOS .........................................................................................................................84 5.3.3.1 5.3.3.2 5.3.3.3 5.3.3.4 5.3.3.5 5.3.3.6 5.3.3.7 5.3.3.8. Formulario “Inicio” ............................................................................................................................ 87 Formulario “Recomendaciones iniciales” .......................................................................................... 87 Formularios “Nombre motor”, “Nuevo motor”, “Estándares de servicio” y “Especificaciones” .... 89 Formulario “consultaestadisticas” ...................................................................................................... 91 Formulario “Quejas”........................................................................................................................... 91 Formularios Hechos............................................................................................................................ 92 Formularios “PI… “............................................................................................................................ 92 Formularios “Cont… “ ....................................................................................................................... 93. 5.3.4 LINKS INTERACTIVOS .............................................................................................................94 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES....................................................................................98 7. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................................101. Figuras FIGURA 1 APLICACIONES DE MOTORES DIESEL...........................................................................................3 FIGURA 2 COMPARACIÓN MOTOR CON Y SIN TURBO CARGADOR ...............................................................13 FIGURA 3 PARTES TURBO CARGADOR .........................................................................................................15 FIGURA 4 CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE UN COMPRESOR CENTRIFUGO ......................................17 FIGURA 5 IMPULSOR CON ALABES RECTOS PERPENDICULARES AL ROTOR ...............................................19 FIGURA 6 IMPULSOR ALABES CURVADOS Y CURVADOS HACIA ATRÁS ........................................................20 FIGURA 7 DIFUSOR DE CARACOL Y PAREDES PARALELAS ..........................................................................21 FIGURA 8 DIFUSOR CON ALABES ALINEADOS CON LA DIRECCIÓN DEL FLUJO ............................................21 FIGURA 9 TURBINA CON ALABES MÓVILES Y FIJOS......................................................................................22 FIGURA 10 EFECTO VARIACIÓN ÁREA TRANSVERSAL CARCAZA................................................................22 FIGURA 11 PARTES DE UN ROTOR Y EJE DE UNA TURBINA. ........................................................................23 FIGURA 12 COJINETES TURBO CARGADOR ..................................................................................................25 FIGURA 13 SISTEMA DE AIRE........................................................................................................................27 FIGURA 14 EFECTOS TORQUE EXCESIVO ....................................................................................................38 FIGURA 15 18 PROBLEMAS MÁS FRECUENTES ...........................................................................................40 FIGURA 16 18 PROBLEMAS MÁS COSTOSOS ...............................................................................................40 FIGURA 17 TABLA DE DIAGNOSTICO A PARTIR DEL HUMO ...........................................................................42 FIGURA 18 TABLA METALES EN ACEITE LUBRICANTE. .................................................................................43 FIGURA 19 ANÁLISIS QUÍMICO PRUEBA ACEITELUBRICANTE.......................................................................44 FIGURA 20 IMÁGENES MICROSCÓPICAS ANÁLISIS ACEITE LUBRICANTE.....................................................45 FIGURA 21 TABLA PRE-DIAGNOSTICO TURBO............................................................................................51 FIGURA 22 FALLA TURBO CARGADOR POR FATIGA 1 ..................................................................................55 FIGURA 23 FALLA TURBO CARGADOR POR FATIGA 2 ..................................................................................56 FIGURA 24 ESTRUCTURA COMO ESTA CONSTRUIDA LA HERRAMIENTA. ....................................................64 FIGURA 25 TABLA QUEJAS USUARIO. ...........................................................................................................65 FIGURA 26 FORMULARIO PUNTO DE INSPECCIÓN, POSIBLE CAUSA, CORRECCIÓN. .................................66 FIGURA 27 TABLA EJEMPLO ESTRUCTURA DIAGNOSTICO HERRAMIENTA. ...............................................67 FIGURA 28 DESPLIEGUE Y MANTENIMIENTO ESPECIFICACIONES MOTOR ................................................68. VIII.

(9) IM-2004-II-08 FIGURA 29 CREACIÓN Y MANTENIMIENTO DE REGISTROS .........................................................................69 FIGURA 30 DESPLIEGUE ESTADÍSTICAS CAMPO .........................................................................................70 FIGURA 31 DESPLIEGUE OPCIONES INICIALES ............................................................................................71 FIGURA 32 VISTA DISEÑO TABLA .................................................................................................................72 FIGURA 33 VISTA DISEÑO CONSULTA .........................................................................................................78 FIGURA 34 VISTA DISEÑO CONSULTA HECHOS CONSUMO EXCESIVO DE COMBUSTIBLE ........................79 FIGURA 35 VISTA DISEÑO CONSULTA PI, T HUMO NEGRO O AZUL ............................................................81 FIGURA 36 VISTA DISEÑO CONSULTA “PI, T HUMO NEGRO O AZUL” .........................................................82 FIGURA 37 VISTA DISEÑO CONSULTA “BÚSQUEDA REGISTRO” .................................................................83 FIGURA 38 BOTONES PARA DESPLAZARSE AL FORMULARIO ANTERIOR O INICIO ......................................84 FIGURA 39 PROPIEDADES BOTÓN “ESPECIFICACIONES MOTOR”...............................................................85 FIGURA 40 CÓDIGO EVENTO BOTÓN “ESPECIFICACIONES MOTOR” .........................................................86 FIGURA 41 PROPIEDADES CUADRO DE LISTA DE FORMULARIO “RECOMENDACIONES INICIALES”...........88 FIGURA 42 ALGORITMO FORMULARIO “RECOMENDACIONES INICIALES”...................................................89 FIGURA 43 ASISTENTE PARA CONSTRUCCIÓN FORMULARIOS ADMINISTRACIÓN DE DATOS. ....................90 FIGURA 44 PROPIEDADES CUADRO COMBINADO FORMULARIO “QUEJAS” ................................................91 FIGURA 45 FORMULARIO “CONTREPARACIONTURBO” ...............................................................................94 FIGURA 46 ALGORITMO ADICIONAL FORMULARIO “CONTREPARACIONTURBO”........................................94 FIGURA 47 EJEMPLO DE LINK INTERACTIVO EN FORMULARIO “CONTREPARACIONTURBO”.....................95 FIGURA 48 SEGMENTO ALGORITMO LINK INTERACTIVO EN FORMULARIO “NOMBRE MOTOR” ..................96 FIGURA 49 SEGMENTO ALGORITMO LINK INTERACTIVO EN FORMULARIO “CONTREPARACIONTURBOS” 97 FIGURA 50 ALGORITMO MODULO “VARIABLES BÚSQUEDA REGISTRO” .....................................................97. IX.

(10) IM-2004-II-08. 1. Introducción Durante la formación de un estudiante como ingeniero se le proporciona una gran cantidad de información teórica en diferentes áreas. El estudiante puede tener clara la teoría pero su poco contacto con el mundo real le genera interrogantes adicionales. Se abre la posibilidad de encontrar herramientas didácticas que le ayuden al estudiante entender el funcionamiento de una cierta aplicación en una de sus áreas de conocimiento. El diseño de una herramienta virtual que le permita al estudiante realizar un diagnostico aproximado, de cualquier falla en un motor diesel, hará posible que comprenda como la teoría aprendida previamente esta relacionada con el funcionamiento del motor. La construcción de esta herramienta hace necesario conocer a fondo el funcionamiento de un motor diesel, las partes que lo conforman, sus fallas más frecuentes, y las razones por las que ocurren. A continuación se presentara un marco teórico que fue necesario para ubicar al autor de este texto dentro del contexto de los motores Diesel, así como es de necesario para aquel que se encuentre interesado en conocer o continuar con el desarrollo de la herramienta de asistencia para el diagnostico de falla. Se presentaran estadísticas de falla recolectadas en el mercado colombiano que sirvieron para enfocar de mejor manera los esfuerzos hacia un área de fallas con mayor vigencia en nuestro medio.. Se entrega material fotográfico. soportando los diferentes tipos de falla, como identificarlas, prevenirlas y potenciales maneras de corregirlas. Adicionalmente se relaciona información de mantenimiento especifico para evitar fallas en turbo cargadores y diferentes métodos de análisis de falla para motores diesel en general. Finalmente se describe la estructura de diagnostico que sirve como columna vertebral de la herramienta, las diferentes opciones adicionales que ofrece como manejo de la base de datos de motores, estadísticas de falla y links interactivos donde el usuario puede consultar información relacionada al tema que se este tratando en un determinado momento. Para terminar se describe. 1.

(11) IM-2004-II-08 claramente el método de construcción de la herramienta dentro de la plataforma escogida, los objetos utilizados y el funcionamiento de la misma. Se concluye mostrando los logros alcanzados y se proponen objetivos futuros que puedan desarrollarse a partir del trabajo obtenido en este proyecto de grado.. 2. Motores Diesel Un motor Diesel es un motor de combustión interna del tipo de pistón en el que se supone (caso ideal) que el proceso de combustión ocurre a presión constante. Este tipo de motores también es conocido como de baja velocidad de encendido por compresión. Su funcionamiento esta basado en el hecho de que si se logra una rápida compresión del aire a presiones elevadas, este puede elevar su temperatura hasta el valor necesario para que el combustible dentro de la cámara de combustión encendiera espontáneamente.. Los. motores con ciclo Diesel son similares a los que funcionan a partir del ciclo de Otto (volumen constante, encendidos por chispa, gasolina), pero estos deben tener un relación de compresión mucho mas alta y se admite solamente aire en lugar de la mezcla de aire combustible durante la admisión.. Los motores. Diesel deben ser construidos con materiales o procesos que le permitan soportar esfuerzos mucho mayores a los motores a gasolina por lo que pueden resultar mucho mas pesados. Diferentes configuraciones y diseños de motores que funcionan mediante el ciclo Diesel se encuentran en operación actualmente. Se pueden encontrar motores que trabajan en dos ciclos o en cuatro ciclos. Aquellos que trabajan con dos ciclos son los motores muy grandes de aplicaciones marinas o de generación de energía. Los motores más pequeños para diversas aplicaciones como camiones y buses utilizan cuatro tiempos. Utilizar turbó cargadores es común en este tipo de motores ya que la cantidad de combustible que se puede quemar y la cantidad de potencia generada están directamente relacionadas con la cantidad de aire que se pueda introducir en la cámara. El turbó cargador logra aumentar la densidad del aire en la admisión logrando inyectar mayor cantidad de aire en la cámara logrando quemar mas. 2.

(12) IM-2004-II-08 combustible generando mas potencia y evitando fenómenos como el humo negro en el escape. Los motores Diesel pueden ser enfriados por un líquido refrigerante, el cual puede ser agua, o por aire. Los motores refrigerados por aire son más livianos. El diseño de los motores Diesel esta ligado de manera muy cercana con el tamaño pues para alcanzar diferentes requerimientos puede ser necesario utilizar pistones con diferentes formas geométricas o patrones de inyección particulares.. En algunos motores antiguos se utilizaban precamaras de. combustión para realizar una premezcla de combustible aumentándole la temperatura para luego ser inyectadas en la cámara principal. Actualmente se utilizan precalentadores (pequeñas bujías o resistencias). Si se utilizan bujías precalentadoras hay una para cada cilindro y estas trabajan dentro de la cámara. Si las condiciones climáticas son extremas se utilizan resistencias en el múltiple de admisión para lograr que el aire aumente la temperatura necesario para una buena operación. A continuación se presentara una tabla con las aplicaciones más comunes para motores Diesel de diferentes tamaños.. APLICACIONES DE MOTORES DIESEL CLASE APLICACIÓN RANGO DE POTENCIA kW TIEMPOS REFRIGERACION Vehículos de Carretera Livianos 15-75 4 Refrigerante - Agua Vehículos de Carretera Comercial medianos 35-150 4 Refrigerante Vehículos de Carretera Comercial pesados 120-400 4 Refrigerante Vehículos fuera de carretera Agricultura 3-150 2-4 Refrigerante - Agua Vehículos fuera de carretera Movimiento de tierra 40-750 2-4 Refrigerante Vehículos fuera de carretera Militar 40-2000 2-4 Refrigerante - Agua Ferrocarril Vehículos riel 150-400 2-4 Refrigerante Ferrocarril Locomotoras 400-3000 2-4 Refrigerante Marino In borrad 4-750 4 Refrigerante Marino Naval liviano 30-2200 2-4 Refrigerante Marino Barcos 3500-22000 2-4 Refrigerante Marino Auxiliar barcos 75-750 2-4 Refrigerante Estático Servicio edificios 7-400 2-4 Refrigerante Estático Generación de energía 35-22000 2-4 Refrigerante. Figura 1 Aplicaciones de Motores Diesel.1. 1 Tomado de HEYWOOD, John B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw Hill, Inc., 1988.. 3.

(13) IM-2004-II-08 2.1 Elementos que Componen los Motores La parte base del motor es el bloque, el cual generalmente es fabricado en hierro fundido. El bloque sirve para mantener fijos los cilindros. El bloque tiene ductos u orificios a través de los cuales se transporta refrigerante o lubricante a los cojinetes principales. Estos ductos son fabricados mediante corazones en el momento de la fundición del bloque. Los cilindros pueden ser maquinados directamente en el bloque o pueden utilizarse camisas de acero endurecido o nitrurado.. Para motores de trabajo pesado se utilizan camisas de hierro gris. con adiciones de níquel, cromo y molibdeno.. Estas camisas pueden ser. húmedas dependiendo de si tienen o no ductos de enfriamiento.. Uno de los. daños mas frecuentes en estas camisas se da por ralladuras por fricción entre los diferentes elementos y causado por diferentes razones como operación a baja temperatura o mala lubricación. Para evitar los desgastes por fricción se lleva a cabo un recubrimiento superficial con estaño, cadmio y cromo en elementos críticos como, cilindros, levanta válvulas, pistones y anillos. El cigüeñal esta fabricado en acero forjado y es soportado en el bloque por los cojinetes principales. El número de cojinetes depende de las cargas a las que se somete el motor. En servicio pesado el número de cojinetes puede alcanzar el número de pistones mas uno. El cigüeñal tiene muñones para cada uno de los pistones a los que este conectado. Estos muñones se conectan a la biela del pistón mediante cojinetes. Estos cojinetes de biela son reemplazables y fabricados de acero o bronce y con recubrimientos antifricción como babbitt, cobre-plomo, o aleaciones de cadmio. El bloque es sellado con un colector de aceite llamado carter y generalmente los motores están equipados con una varilla que llega a este compartimiento con el fin de medir el nivel del lubricante y un respiradero para expulsar los gases y vapor de agua que llegan a esta zona. Los pistones tienen como función principal la transmisión de la fuerza generada en la combustión a su correspondiente biela.. Son fabricados en aluminio,. acero fundido o hierro. El movimiento angular de la biela genera esfuerzos adicionales de un lado del pistón sobre el cilindro. 4. Estos esfuerzos.

(14) IM-2004-II-08 generalmente son soportados por el faldón del pistón, es decir la parte que se encuentra mas abajo que los anillos. En ocasiones se elimina partes de este faldón para reducir los esfuerzos por contacto en esas áreas. Los pistones poseen por lo menos tres anillos cada uno. Los anillos que se encuentran en la parte más superior son conocidos como los de compresión pues su función es mantener los gases de combustión dentro de la cámara y no permitir que en las diferentes carreras estos se filtren hacia el carter perdiendo potencia. Los anillos inferiores son conocidos como los reguladores de aceite pues remueven los sobrantes de aceite de las paredes del cilindro y los transportan al carter a través de los ductos que tienen tanto los anillos como el pistón. La biela es fabricada de acero forjado y conecta el pistón con el cigüeñal. Generalmente es fabricada con conductos para transmitir y atomizar lubricante hacia el carter o hacia la unión entre el pistón y la biela. El mecanismo de las válvulas consta de uno o más ejes con levas incorporadas, conocidos como árboles de levas, los cuales son impulsados por el cigüeñal mediante engranajes o correas.. Cada una de las válvulas del. motor es impulsada por una leva independiente la cual mediante diferentes elementos como impulsores, levanta válvulas y balancines obligan a las válvulas a seguir el movimiento de las levas. Adicionalmente existen resortes que retornan a las válvulas a su posición original luego de ser abiertas por las levas. La necesidad de utilizar diferentes elementos para lograr la apertura y cierre de las válvulas depende de la configuración del motor (posición del árbol de levas con respecto al bloque entre otros). Las válvulas de admisión son fabricadas en aleación de acero con cromo y níquel. Por otro lado las válvulas de escape, que tiene un menor tamaño y trabaja a temperaturas mas elevadas (1600°C), son fabricadas de una aleación de cromo silicio. El vástago de las válvulas debe ser nitrurado para resistir la fricción con las guías de válvulas que generalmente son fabricadas con hierro fundido. Algunas válvulas de escape son equipadas con enfriamiento con sodio el cual se encuentra al interior de la tapa de la válvula y a la temperatura de operación se licua. Gracias al rápido 5.

(15) IM-2004-II-08 movimiento de la válvula el sodio se mueve hacia la zona del vástago trasmitiendo o evacuando el calor de la tapa.. 2.2 Funcionamiento de los Motores Los motores que se tienen en cuenta en este trabajo son maquinas reciprocantes donde el pistón se mueve en dos direcciones opuestas sobre un mismo eje. El pistón se encuentra dentro de un cilindro y transmite potencia mediante un mecanismo de biela conectado a un cigüeñal o eje de salida. La rotación del cigüeñal produce un movimiento cíclico del pistón que da lugar a dos puntos donde la velocidad será cero. El primero corresponde al punto muerto superior donde se presenta el volumen mínimo dentro del cilindro y punto muerto inferior donde se encontrara el volumen máximo. La ubicación de estos puntos para cada cilindro esta estrechamente relacionados con el movimiento del cigüeñal. La mayoría de los motores reciprocantes operan bajo lo que se conoce como ciclo de cuatro tiempos.. Cada cilindro requiere de cuatro movimientos o. carreras del pistón, dos revoluciones del cigüeñal, para completar la secuencia de eventos que producen finalmente la potencia2. 1.Carrera de Admisión: Comienza con el pistón en el punto muerto superior y termina en el punto muerto inferior. Durante el movimiento del pistón se abre la válvula de admisión y se admite aire dentro del cilindro. 2.Carrera de Compresión: Mientras las dos válvulas están cerradas el aire dentro del cilindro es reducido a una fracción del volumen inicial.. Al. comprimirse el aire la presión y temperatura aumentan. La temperatura del aire debe alcanzar valores superiores al de la temperatura de ignición del combustible. 3.Carrera de Expansión: Durante la primera parte de la carrera de expansión se presenta la inyección de combustible. La inyección se da muy rápido de tal 2 Tomado de HEYWOOD, John B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw Hill, Inc., 1988.. 6.

(16) IM-2004-II-08 manera que la presión se mantiene constante. La combustión genera gases a una muy alta presión y temperatura que ejercen fuerza sobre el pistón, hasta que este llegue al punto muerto inferior, y hacen que el cigüeñal gire. Durante esta carrera se genera aproximadamente cinco veces mas trabajo que aquel requerido durante la carrera de compresión.. Durante esta carrera las dos. válvulas se encuentran cerradas. 4.Carrera de Escape: Durante esta carrera la válvula de escape se abre y los gases de escape son expulsados por diferencia de presiones y por el movimiento del pistón hacia su punto muerto superior.. 2.3 Inyección Este es el sistema encargado de inyectar el combustible dentro del cilindro en el momento adecuado en cada ciclo del motor.. En general el sistema de. inyección debe cumplir los siguientes requerimientos3: Inyectar la cantidad de combustible requerida por la carga aplicada al motor y mantener esta cantidad constante en cada cilindro y ciclo del motor. Inyectar el combustible en el instante justo del ciclo en cada uno de los cilindros y dentro de todo el rango de velocidades del motor. Lograr la proporción adecuada entre aire y combustible inyectado. Lograr una atomización adecuada del combustible de tal manera que este sea distribuido a través de toda la cámara de combustión. Los sistemas de inyección relativamente modernos utilizan básicamente tres tipos de mecanismos para lograr su objetivo.. El primero consiste en un. dosificador y bomba de compresión para cada uno de los cilindros. El segundo posee una sola bomba para comprimir y dosificar el combustible y un divisor para repartirlo a los diferentes cilindros. El tercero posee una sola bomba para comprimir pero elementos dosificadores independientes en cada uno de los cilindros.. En todos estos sistemas se utiliza una bomba de baja presión. 3 Tomado de OBERT, Edward F., Motores de Combustión Interna Análisis y Aplicaciones, México, 2000.. 7.

(17) IM-2004-II-08 adicional para transportar el combustible, y filtros para remover impurezas del combustible que pueden llegar a dañar las piezas con pequeñas tolerancias. El sistema a utilizar se escoge a partir de las necesidades del motor y las consideraciones económicas. El poseer cuatro bombas independientes es más costoso y exige tolerancias mucho mas limitadas. En general la presión de inyección debe aumentar al cuadrado de la velocidad y esto se regula a partir de acople mediante engranajes entre el motor y la bomba de inyección y levas que le ayudan a la bomba a entregar el combustible en el momento adecuado. El combustible debe ser atomizado óptimamente de tal manera que se obtenga una mezcla entre aire y combustible adecuada y el combustible se distribuya por toda la cámara. Este objetivo se logra gracias a las toberas y el diseño de sus orificios de inyección. En general si se tiene un orificio circular el roció de combustible tendrá un núcleo denso y compacto pero la dispersión de las partículas en cualquier sección transversal se tornara mas uniforme si se cumplen algunas de las siguientes condiciones4: A medida que aumenta la distancia desde el orificio, hasta la sección transversal. A medida que aumenta la densidad del aire. A medida que disminuye la viscosidad. A medida que aumenta la presión de inyección. En cuanto al tamaño de las partículas de combustible se puede afirmar que cumplen las siguientes condiciones5: La mayoría de las partículas tienen un tamaño menor a 5 micras de diámetro. Aumentando la presión de inyección disminuye el tamaño promedio de las partículas. Aumentando la densidad del aire disminuye el tamaño promedio de las partículas. 4. Tomado de OBERT, Edward F., Motores de Combustión Interna Análisis y Aplicaciones, México, 2000. 5 Tomado de OBERT, Edward F., Motores de Combustión Interna Análisis y Aplicaciones, México, 2000.. 8.

(18) IM-2004-II-08 Aumentando la viscosidad del combustible aumenta el tamaño promedio de las partículas. Aumentando el tamaño del orificio aumenta el tamaño de las partículas. El elemento adicional que contribuye en la consecución de una mezcla lo mas homogénea posible dentro de la cámara es la velocidad del motor y la turbulencia del aire. Este flujo turbulento distorsiona el chorro de combustible proveniente de la tobera pero ayuda a que el combustible llegue a la mayor cantidad de lugares dentro de la cámara. Adicionalmente se debe tener en cuenta que los valores y condiciones exactas son propios de cada motor y son obtenidas experimentalmente. Diferentes condiciones deben ser determinadas de esta manera entre ellas la presión de inyección, el tamaño y cantidad de orificios y la relación de estos con propiedades combustible como temperatura de encendido, viscosidad y volatilidad. Existen diferentes tipos de toberas para motores Diesel pero las más sencillas son conocidas como abiertas. Este tipo de tobera trabaja a partir del principio de la tensión superficial del combustible que lo adhiere a las paredes de la misma de tal manera que se intenta evitar el goteo. Las desventajas de este tipo de tobera son las altas presiones, innecesarias, que se generan a alta velocidades del motor. El pequeño orificio de la tobera que asegura un roció adecuado a bajas velocidades genera presiones demasiado altas a velocidades mayores.. Adicionalmente este tipo de tobera tiende a gotear entre las. inyecciones. Las toberas cerradas trabajan con una galería de presión donde se encuentra el combustible. Una vez se alcanza la presión de inyección en esta galería se levanta el embolo o aguja que sella la galería y permite la inyección. Este tipo de toberas permite un mayor control sobre la presión de inyección y no permite caídas de presión que pueda genera goteo. El tamaño del orificio se puede fabricar mas grande para limitar las presiones de inyección a altas velocidades, pero al mismo tiempo se evita el goteo a bajas velocidades gracias al embolo o aguja que vuelva a sellar la galería donde se encuentra el combustible una vez se reduce la presión a la que esta entregando la bomba. 9.

(19) IM-2004-II-08. 2.4 Lubricación La lubricación de los motores de combustión interna es crítica para un correcto funcionamiento y una larga vida de sus componentes. Las diferentes temperaturas a las que un motor de combustión interna opera, bajas durante el encendido en frió y altas debido a las temperaturas alcanzadas durante la combustión, son factores importantes a tener en cuenta en el momento de considerar su lubricación. De igual manera se debe tener en cuenta que las cargas a las que son sometidas partes como los cojinetes no son constantes sino fluctuantes dependiendo de la carga aplicada al motor.. El objetivo. principal de la lubricación consiste en evitar un contacto metal con metal entre las superficies de las diferentes partes móviles del motor. Las partes en movimiento del motor poseen superficies las cuales se deslizan unas con otras generando fricción entre ellas, aumentando temperatura, y reduciendo su vida útil.. Esta fricción es reducida pues por el lubricante. reduciendo la interferencia mecánica entre superficies. La capa de lubricante experimenta esfuerzos de corte, asumiendo la disipación de energía que antes se producía por medio de fricción o interferencia mecánica, los cuales son producidos por el movimiento de las partes del motor.. La medida de la. resistencia al corte de un fluido o lubricante es su viscosidad o coeficiente de viscosidad. Esta propiedad ayuda al lubricante a mantenerse en el espacio de separación de las dos partes en movimiento. Las fuerzas normales ejercidas sobre la película de lubricante generan presión que intentara expulsarlo pero las fuerzas viscosas ocasionan al mismo tiempo que entre mas lubricante manteniendo una presión hidrostática que será la que al final soporte las cargas. Esta presión hidrostática depende tanto de las velocidades relativas como de las condiciones geométricas. En general el lubricante en un motor es necesario para limitar y controlar diferentes fenómenos6. 6 Tomado de OBERT, Edward F., Motores de Combustión Interna Análisis y Aplicaciones, México, 2000.. 10.

(20) IM-2004-II-08. •. Fricción. •. Contacto metal – metal. •. Sobrecalentamiento (reduce la temperatura al reducir la fricción pero también contribuye en la evacuación de calor producido en la combustión enfriando los pistones). •. Desgaste. •. Corrosión. Un lubricante adecuado para llevar a cabo el control de los fenómenos mencionados anteriormente debe tener las siguientes características o propiedades7. •. Viscosidad adecuada para la aplicación. (cargas, geometrías). •. Oleosidad, para asegurar adherencia de películas delgadas de lubricante y reducir la corrosión.. •. Bajo punto de fluidez para asegurar su flujo a bajas temperaturas.. •. Que no tenga tendencia a formar depósitos al mezclarse con elementos productos de la combustión, agua, combustible o aire.. •. Detergencia, buen limpiador, logre remover los residuos del motor.. •. Dispersante. Capacidad de dispersión para disolver y transportar cuerpos extraños.. •. Anticorrosivo. Que no forme espuma, de esta manera le permite al aceite disipar el oxigeno que puede estimular la corrosión.. •. No ser toxico. •. No ser inflamable o explosivo. •. Bajo costo. Luego de la refinación del aceite lubricante existen diferentes procesos mediante los cuales se agregan diferentes aditivos que buscan mejorar u optimizar las propiedades y su desempeño.. 7 Tomado de OBERT, Edward F., Motores de Combustión Interna Análisis y Aplicaciones, México, 2000.. 11.

(21) IM-2004-II-08. La lubricación puede ser un factor definitivo en el rendimiento del motor. Un aceite de alta viscosidad aumentara el consumo de combustible y disminuye el par al freno del motor pero al mismo tiempo disminuyen el paso de la presión producto de la combustión hacia el carter. La experiencia es muy importante en la elección de un aceite adecuado pero para aplicaciones automotrices se recomienda utilizar viscosidades bajas (SAE 10 a 50) de tal manera que se obtenga un consumo aceptable de aceite lubricante.. 3. Turbo cargadores ¿Cuáles son las ventajas de turbo cargar un motor diesel8? •. Menor tamaño. •. Menor peso. •. Mejor economía de combustible. •. Mas potencia. •. Compensación por altitud. •. Reducción o eliminación de humos. •. Menos ruido. •. Menores emisiones. •. Menor temperatura de operación. •. Supresión automática de partículas incandescentes. Estas ventajas se obtienen por razones directamente relacionadas con el funcionamiento del motor turbo cargado. Al obligar el paso de más aire dentro de un motor, permite que se queme más combustible, aumentando así la potencia.. De esta manera para la misma. potencia de salida se podrá utilizar un motor mas pequeño reduciendo paralelamente el peso total.. 8. Tomado de MACINNES, Hugo, Manual de Turbocargadores, Prentice Hall, 1984. 12.

(22) IM-2004-II-08 Con la utilización del turbo cargador se aumenta la cantidad de aire disponible para la combustión, aumentando la turbulencia dentro de la cámara y mejorando la eficiencia.. Figura 2 Comparación motor con y sin turbo cargador9. Una mayor turbulencia produce una combustión mas completa entregando mayor potencia para la misma cantidad de combustible. El aire adicional que es introducido dentro de la cámara también permite que sea viable la inyección de más combustible para aumentar la potencia. Los motores Diesel naturalmente aspirados son calibrados (con respecto a altitud y temperatura ambiente especifica) para operar con una mezcla ligeramente pobre de combustible para evitar que humeen en exceso. Con el aumento de altura de operación el aire se va volviendo menos denso, y la mezcla se va volviendo más y más rica en combustible. Aproximadamente a 300m de altura la mezcla ya será rica en combustible y el motor naturalmente 9. Tomado de MACINNES, Hugo, Manual de Turbocargadores, Prentice Hall, 1984. 13.

(23) IM-2004-II-08 aspirado empezara a humear.. Al utilizar un motor turbo cargado puede. compensar el aire menos denso a mayor altitud porque esta introduciendo un excedente de aire con respecto al valor de calibración a nivel del mar y porque la presión manométrica dentro del sistema se mantiene casi constante a pesar de la altitud. La temperatura de operación del motor se ve reducida por el aire adicional entregado, pero esta solo ocurrirá cuando el % de incremento en la entrega de aire sea mucho mayor que el % de incremento en potencia de salida. La temperatura de escape también se reducirá.. Un motor naturalmente. aspirado tiene una temperatura aproximada a la salida de 704°C (1300°F) pero con un aumento en el flujo de aire del 50% y un aumento de potencia del 25% se reducirá la temperatura del escape a niveles entre 593°C a621°C (1100°F a 1150°F). 3.1 Principios Los parámetros de rendimiento de un motor son directamente proporcionales a la masa de aire inducido por ciclo. Este factor depende principalmente en la densidad del aire en la admisión del motor. Si se comprime el aire antes de introducirlo en la cámara se puede entonces mejorar su rendimiento. método para lograr este objetivo es utilizando un turbo cargador.. 14. Un.

(24) IM-2004-II-08. Figura 3 Partes turbo cargador. En los motores naturalmente aspirados la limitación de potencia generalmente se presenta por los niveles de emisión de humos (legislaciones ambientales) permitidos mientras que para los motores turbo cargados la limitación generalmente se presenta por los niveles de esfuerzos que se presentan en ciertos componentes críticos.. Estos niveles de esfuerzo limitan la presión. máxima que puede ser tolerada dentro del cilindro en una operación normal. Las altas temperaturas y sus efectos térmicos sobre los componentes también limitan al motor. A medida que se aumenta la presión los esfuerzos y los efectos térmicos sobre las partes van aumentando proporcionalmente a menos que el diseño del motor sea modificado. Un turbo cargador logra aumentar la densidad del aire mediante un compresor centrifugo que es accionado por los gases de escape del motor. De esta manera se utiliza energía desperdiciada como calor o ruido. Bajo ciertas condiciones esta energía puede tener un costo en relación a la potencia del motor. El impulsor de la turbina genera una presión negativa en el sistema de escape. Esta presión influirá en el flujo de aire solo cuando la presión dentro del cilindro sea menor a dos veces la presión que exista en el múltiple de escape. Cuando la válvula de escape se abre el flujo es crítico y. 15.

(25) IM-2004-II-08 esta condición se cumple eliminando el efecto negativo sobre la potencia. Al final de la carrera la presión dentro del cilindro baja permitiendo que el flujo se vea afectado por la turbina del turbo afectando negativamente la potencia del cigüeñal.. No obstante si se tiene un turbo bien ajustado y el motor se. encuentra totalmente acelerado la presión en el múltiple de admisión será mucho mayor empujando al pistón y contrarrestando las perdidas ocasionadas por la sobre presión en el múltiple de escape.. 3.1.1 EFICIENCIA Y CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DEL COMPRESOR Las características de operación de un compresor centrífugo típico se pueden observar en la Figura 4. Esta grafica se obtiene de una ensayar el compresor en un banco de pruebas e instrumentándolo de tal manera que se obtienen los siguientes datos10. •. Velocidad del eje.. •. Presión de entrada al compresor.. •. Presión de salida del compresor.. •. Temperatura de entrada al compresor.. •. Temperatura de salida del compresor.. •. Flujo en el compresor.. La prueba consiste pues en mantener constante la velocidad del compresor mientras se va reduciendo el flujo de aire. Cuando la presión de salida y el flujo se tornan inestables se llega al punto de oscilación el cual fija cual es el flujo mínimo utilizable a la velocidad especificada. Por debajo de esta rata de flujo se incurrirá en oscilaciones o pulsaciones no deseadas. Posteriormente se aumenta el flujo hasta que la presión manométrica de descarga del compresor llegue aproximadamente a la mitad de la presión manométrica del punto de oscilación. Este punto es conocido como la condición de estrangulamiento y determina el flujo máximo al que puede ser utilizado el compresor. Los 10. Tomado de MACINNES, Hugo, Manual de Turbocargadores, Prentice Hall, 1984. 16.

(26) IM-2004-II-08 compresores son clasificados por su relación de presiones y así de esta manera se puede medir la eficiencia.. Para un cierto compresor con una. relación de presiones características, a una velocidad determinada y con cierto flujo de aire, entre los puntos mínimo y máximo, se puede encontrar su eficiencia aproximada en la Figura 3.. Figura 4 Características de operación de un compresor centrifugo11. 3.1.2 PRINCIPIOS TERMODINAMICOS BASICOS12 Las expresiones para obtener el trabajo requerido por un compresor y para el trabajo producido por una turbina se obtienen de la primera y segunda Ley de la Termodinámica. La primera ley expresada en forma de ecuación de flujo estable de energía aplicada al volumen de control de un componente del turbo cargador es: ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ C2 C2 ( h + + gz ) + ( h + + gz )⎥ ⎢ ⎥ ⎢ 2 2 Q −W = m ⎣ ⎦ out ⎣ ⎦ in. (1). Donde:. 11 12. Tomado de MACINNES, Hugo, Manual de Turbocargadores, Prentice Hall, 1984 Tomado de SCHMIDT, Fritz. A., The Internal Combustion Engine, Chapman and Hall, London 1965.. 17.

(27) IM-2004-II-08. Q Transferencia de calor en el volumen de control W. Trabajo realizado fuera del volumen de control. m. Flujo de masa. h. Entalpía específica. C2 2 Energía cinética específica gz Energía potencial específica (Puede ser omitida). La entalpía total puede ser definida como:. C2 h0 = h + 2. (2). Para un gas ideal, con calor específico constante, la temperatura total se define siguiendo la ecuación (2) como:. T0 = T +. C2 2c p. (3). La presión total también puede expresarse como la presión obtenida si el gas es isentrópico de la siguiente forma: ⎛T ⎞ P0 = P⎜ 0 ⎟ ⎝T ⎠. γ /(γ −1). (4). Q en la ecuación (1) para bombas, sopladores, compresores y turbinas es tan pequeña que puede ser omitida. Por lo tanto, la ecuación (1) expresa el trabajo así:. − W = m(h0,out − h0,in ). (5). La eficiencia de un componente es utilizada para relacionar la rata de transferencia de trabajo actual y la rata de transferencia de trabajo requerido (o producido) por un dispositivo equivalente operando de manera adiabática reversible y a las mismas presiones. La segunda ley es entonces utilizada para determinar la rata de transferencia de trabajo adiabático reversible que ocurre en el proceso isentrópico. Para un compresor, la eficiencia isentrópica es:. 18.

(28) IM-2004-II-08. ηc =. potenciareversiblerequerida potenciaactualrequerida. (6). Para una turbina, la eficiencia isentrópica es:. ηc =. potenciaactualentregada potenciareversibleentregada. (7). 3.2 Diseño 3.2.1 DISEÑO DEL COMPRESOR Para que un compresor funcione de manera optima sus tres elementos principales, impulsor, difusor y carcaza, deben estar adecuadamente coordinados. El impulsor gira a altas velocidades y el gas que pasa a través de el es acelerado por la fuerza centrifuga. El difusor le reduce la velocidad a los gases aumentando su presión y temperatura.. La carcaza se encarga de. direccionar los gases a alta presión hacia el lugar donde serán utilizados.. Figura 5 Impulsor con alabes rectos perpendiculares al rotor13. Existen diferentes tipos de impulsores, y estos se han ido desarrollando gracias a avances en su diseño termodinámico y en sus técnicas de manufactura. El impulsor mas sencillo posee alabes rectas perpendiculares al rotor. Es de fácil producción por inyección o fundición pero su baja eficiencia lo hace poco interesante (Figura 5).. Un diseño mejorado del impulsor tiene los alabes. curvados en dirección opuesta al giro en lugar de radiales.. El ángulo de. curvatura (entrada) de los alabes es diseñado de tal manera que las perdidas por choque durante la admisión se reducen al mínimo (Figura 6). Este tipo de 13. Tomado de MACINNES, Hugo, Manual de Turbocargadores, Prentice Hall, 1984. 19.

(29) IM-2004-II-08 impulsores puede ser manufacturado mediante fundición por cera perdida a un costo aceptable.. Otro diseño conocido como impulsor curvado hacia atrás. tiene sus alabes curvados hacia atrás con relación a la dirección de giro. Este tipo de impulsores poseen eficiencias muy altas para un determinado diámetro y velocidad. Debido a la baja resistencia posee una baja relación de presiones lo cual puede ser una limitante (Figura 6).. Figura 6 Impulsor alabes curvados y curvados hacia atrás14. La función de difusor es aumentar la presión del gas en el compresor y lo haciendo reduciendo la velocidad del mismo al mismo tiempo que aumenta su temperatura.. Existen tres tipos de difusores los cuales son los más. frecuentemente utilizados. El mas sencillo de todos es el de caracol el cual consiste de una voluta alrededor del impulsor.. El área transversal va. aumentando proporcionalmente con la cantidad de aire proveniente del impulsor. De esta manera reduce la velocidad del gas y convierte esta energía en presión (Figura 7). El difusor de paredes paralelas tiene como característica un aumento proporcional en área a partir del diámetro inferior hasta el diámetro exterior. Esta configuración hace que el aire fluya en espiral donde la velocidad en el diámetro exterior es considerablemente menor a la que se puede presentar en el diámetro interior (Figura 7). El tercer tipo de difusor es el mas efectivo. Tiene alabes alineados con la dirección del flujo haciendo que el gas reduzca su velocidad de una manera optima para una velocidad o par del motor especifico. Adicionalmente los alabes del difusor pueden ser utilizados para modificar las características de operación del compresor (Figura 8).. 14. Tomado de MACINNES, Hugo, Manual de Turbocargadores, Prentice Hall, 1984. 20.

(30) IM-2004-II-08. Figura 7 Difusor de caracol y paredes paralelas15. Figura 8 Difusor con alabes alineados con la dirección del flujo. 3.2.2 DISEÑO DE LA TURBINA La turbina es la encargada de impulsar al compresor a través de un eje que los conecta. Los dos tipos de turbina más comunes son las de flujo axial y las de flujo radial. Las turbinas de flujo axial consisten en una tobera con unos alabes estacionarios los cuales direccionan el flujo a cierto ángulo de tal manera que hacen mover los alabes de la turbina. Un elemento critico en este tipo de turbina es la distancia entre los alabes del rotor de la turbina y los alabes estacionarios. Las turbinas de flujo radial se utilizan en aplicaciones de hasta 1000 caballos de fuerza y también consta de una tobera que dirige el flujo a cierto ángulo mediante unos alabes fijos y hacen mover el rotor de la turbina gracias a los alabes radiales móviles (Figura 9). Existen también turbinas de flujo radial que utilizan una carcaza en forma de caracol o voluta de tal manera que esta direccionan el flujo y no es necesario tener los alabes fijos en la 15. Tomado de MACINNES, Hugo, Manual de Turbocargadores, Prentice Hall, 1984. 21.

(31) IM-2004-II-08 carcaza reduciendo el costo de manufactura (Figura 9). La entrega de presión del turbo cargador puede ser controlada, a nivel de diseño, cambiando las dimensiones de la tobera de tal manera que se acelere o desacelere el flujo. Si aumento el área transversal de la tobera el flujo reducirá su velocidad y de la misma manera la presión entregada y viceversa, si reduzco el área transversal de la tobera aumentara la velocidad y la presión entregada (Figura 10).. 16. Figura 9 Turbina con alabes móviles y fijos .. Otro factor que influye en el diseño tanto de la turbina como del compresor son los perfiles o contornos que pueden tener las aspas. El compresor al ser más sensible a los cambios en las características de flujo experimenta más variaciones en su diseño para obtener diferentes resultados.. Figura 10 Efecto variación área transversal carcaza17. 16 17. Tomado de MACINNES, Hugo, Manual de Turbocargadores, Prentice Hall, 1984 Tomado de MACINNES, Hugo, Manual de Turbocargadores, Prentice Hall, 1984. 22.

(32) IM-2004-II-08 Los materiales y métodos de manufactura de los diferentes componentes también ha venido evolucionando hacia la utilización de aceros aleados para las turbinas y ejes. Las carcazas se construyen mediante fundición de hierro. Procesos de manufactura como la fundición por cera perdida son comunes en la fabricación de los rotores. Procedimientos como la soldadura por fricción también se ha vuelto común para unir el eje y rotor de la turbina (Figura 10).. Figura 11 Partes de un rotor y eje de una turbina18.. 3.3 Lubricación La lubricación como parte esencial del funcionamiento del turbo cargador hace vital suministrar aceite limpio a las chumaceras.. Es igualmente importante. asegurarse que el aceite suministrado vuelva al carter, no se pierda por una fuga o entré en la cámara de combustión. La mayoría de motores utilizan los filtros de aceite propios del motor para limpiar el aceite y omiten un filtro adicional para aquel que se dirige hacia el turbo cargador. Dependiendo del turbo cargador los requerimientos de aceite serán diferentes por lo que harán necesaria utilizar diferentes diámetros de tubería para obtener las presiones necesarias con el flujo adecuado. Se debe tener especial cuidado en el arranque en frió pues el aceite al ser mas viscoso a bajas temperaturas tardara en llegar al turbo cargador creando la posibilidad de generar potenciales daños en los cojinetes. De igual manera el apagado en caliente es otra condición crítica que requiere de especial atención. 18. Tomado de MACINNES, Hugo, Manual de Turbocargadores, Prentice Hall, 1984. 23.

(33) IM-2004-II-08 Cuando el motor esta trabajando a altas velocidades y es apagado repentinamente la bomba de aceite deja de trabajar dejando de generar presión en el sistema de suministro de aceite permitiendo que el turbo cargador, que también se encontraba girando a altas velocidades, funcione sin una adecuada lubricación. Es por esto que es necesario mantener al vehiculo cierto tiempo en velocidad mínima mientras las velocidades del motor y el turbo se equilibran. El aceite al entrar al turbo cargador se encuentra prácticamente libre de aire pero en el momento de pasar por este, donde hay una velocidad de giro superior a las 100,000 rpm, este se mezclara con el aceite y se emulsificara haciendo necesario utilizar una línea de drenaje de aceite con diámetro mas grande que la línea de alimentación. Luego de haber cumplido su tarea y, haber pasado por los cojinetes, el aceite lubricante fluye por gravedad hacia la parte inferior por donde es drenado y realimentado al sistema de lubricación dirigiéndose específicamente hacia el carter. La línea de drenaje debe terminar en el carter pero mas específicamente por encima del nivel de aceite para evitar que el aceite se acumule en la tubería hasta tal punto que se presenten fugas por los sellos del turbo. Es muy importante mantener controlada la presión en el carter ya que si esta aumenta por encima de los limites permitidos obstruirá el normal flujo del aceite hacia el turbo cargador. La presión en el carter es causada por fugas a la explosión que son el resultado de fugas de los gases de alta presión producto de la combustión que pasan los anillos del pistón. Este control se realiza por medio de un sistema de ventilación positiva. Existen diferentes diseños pero el más común consiste en una manguera que conecta las tapas de las válvulas con el filtro de aire y otra manguera de las tapas al múltiple de admisión. La línea que va al múltiple de admisión esta equipada con una válvula que restringe el flujo del carter cuando la presión en el carter es baja pero se abre cuando esta presión sube recirculando estos gases hacia la admisión.. 24.

(34) IM-2004-II-08 3.3.1 COJINETES Los cojinetes son componentes críticos en la operación de un turbo cargador. El cuerpo mediante el cual se conecta la turbina con el compresor generalmente consiste de uno o varios cojinetes con una perforación central y sellos de aceite en cada uno de los extremos.. Uno de los principales. problemas para los cojinetes es la disipación de calor. Las altas velocidades y diseños con ventilación reducida someten los componentes a situaciones extremas. Se han obtenido considerables mejoras utilizando materiales como bronce o aluminio.. Figura 12 Cojinetes turbo cargador19. La lubricación de los cojinetes se logra gracias a aceite a presión que fluye alrededor y a través de los cojinetes. Existen tolerancias muy parecidas entre el eje y el cojinete y la caja de los cojinetes y los cojinetes. El lubricante que fluye entre el cojinete y la caja del cojinete amortigua la vibración causada por falta de balanceo en la turbina. El aceite entra en el turbo cargador a una presión entre 30 y 80 psi, se mezcla con el aire y sale sin presión. Por la diferencia de presiones que se generan entre el compresor y el eje con sus cojinetes es necesario utilizar sellos para evitar fugas de aceite. En la carcaza de la turbina siempre se tendrá una presión positiva con respecto a la caja de 19. Tomado de MACINNES, Hugo, Manual de Turbocargadores, Prentice Hall, 1984. 25.

(35) IM-2004-II-08 cojinetes por lo que se debe utilizar un anillo que selle y evite que los gases calientes entren a la caja de cojinetes. Los primeros cojinetes utilizados en turbo cargadores eran simplemente incrustados dentro de la caja de cojinetes y trabajaban de manera similar a bujes de baja velocidad. Cuando se trabaja a altas velocidades este tipo de cojinetes no eran viables pues el cojinete empezaba a girar en la misma dirección que el eje, aunque a menor velocidad, generando gran inestabilidad. Esta condición de inestabilidad se conoce como remolino de aceite y ocurre cerca de la frecuencia natural del eje. Esta frecuencia determina entonces la velocidad crítica del eje. Estos movimientos se hacen excesivamente violentos desgastando prematuramente los componentes. De esta manera se dio paso a los cojinetes flotantes que se utilizan hoy en día y que, como ya se había mencionado, tienen la misma tolerancia con respecto al eje y a la caja de cojinetes.. 3.4 Sistema de escape En un motor naturalmente aspirado el sistema de escape se encarga de transportar los gases producto de la combustión a la parte trasera del vehiculo, reducir el ruido y evitar en lo posible la contra presión en el sistema. Los sistemas de escape de los motores equipados con turbo cargadores son diferentes. Estos se encargan de llevar los gases caliente de alta velocidad y alta presión del motor hacia el turbo cargador. En lo posible se debe conservar al máximo la temperatura, presión y velocidad de los gases de escape hasta que lleguen al turbo cargador. Las perdidas ocasionadas durante el transporte de los gases pueden ser recuperados en la carcaza de la turbina la cual vuelve a acelerar los gases. Para evitar grandes perdidas durante el transporte al turbo cargador se recomienda no utilizar un múltiple de escape de diámetro extremadamente grande. Los tubos de escape debe tener el menor número de obstrucciones para evitar perdidas. En los motores con ocho cilindros en V se puede presentar problemas ya que poseen cigüeñales a 90° haciendo que dos cilindros adyacentes, uno en cada banco, enciendan a 90° de diferencia causando una contra presión instantánea en el cilindro que sigue en el tiempo. 26.

(36) IM-2004-II-08 de encendido. El problema puede ser resuelto transportando los gases de los dos puertos de forma separada.. Si el problema de vibración puede ser. tolerado la solución puede ser utilizar un cigüeñal a 180°. La tubería del sistema de escape puede ser aislada con el fin de mantener los gases de escape tan calientes como sea posible. Se debe tener cuidado ya que estas mayores temperaturas pueden generar expansiones o esfuerzos térmicos mayores en los materiales que conforman las tuberías.. Figura 13 Sistema de aire.20. Una perdida en el sistema de escape entre el motor y la turbina puede ser molesto porque el turbo cargador no producirá una plena sobre elevación y potencia.. Una fuga puede ser lo suficientemente grande para producir. reducción considerable en la potencia pero ser indetectables por el oído. La forma mas fácil para verificar si existen fugas, es cerrar completamente el escape del turbo cargador cuando el motor este marchando en vacío. Si el motor sigue funcionando la fuga es demasiado grande.. 3.5 Controles Para obtener óptimos resultados de un turbo cargador es necesario incorporarle un elemento que lo controle. Controlando la velocidad y presión del sistema de aire en sus diferentes componentes se lograra que el turbo cargador trabaje a su máxima velocidad o muy cerca de ella.. Existen dos. tipos de controles para turbo cargadores, aquellos que limitan la velocidad del 20. Tomado de http://service.gm.com. 27.

(37) IM-2004-II-08 turbo y los que limitan el aumento de presión en la salida del compresor. Los que limitan la velocidad evitan que le turbo se destruya y los que limitan la presión evitan que el motor sufra daños.. Actualmente los turbos pueden. generar presiones tan altas que la mayoría de controles trabajan a partir de la presión a la salida del compresor. La manera más simple pero menos precisa de control consiste en una válvula de descarga entre el múltiple de escape y la turbina. Este método controla la velocidad del turbo cargador abriendo la válvula dependiendo de la presión de entrada de la turbina. El control también puede ser ejercido por medio de una válvula en la entrada del compresor limitando el flujo de aire hacia el. Este control se encuentra en el lado frío del sistema controlando la presión suministrada al motor pero no controla la velocidad máxima del turbo cargador. El método mas popular para controlar la velocidad del turbo cargador es mediante una compuerta de descarga o una válvula “bypass” en la turbina. La válvula es accionada mediante un sensor de presión manométrica o si se requiere de mayor precisión mediante una válvula hidráulica operada por la presión del múltiple de admisión que envía presión de aceite hacia un servomotor que finalmente abre o cierra la compuerta.. 3.6 Enfriamiento Intermedio “INTERCOOLER” En el momento en que el turbo cargador aumenta la presión del aire que va a entrar en el motor la temperatura del mismo también se ve incrementada. El aumento de la temperatura influye negativamente en los efectos que tiene una mayor presión dentro de la cámara de combustión. A mayor temperatura la densidad del aire en la admisión es menor introduciendo aumenta permitiendo que una mayor masa de aire entre al motor a cualquier presión del múltiple de admisión lo que significa que podrá quemarse mayor cantidad de combustible entregando mas potencia.. Este enfriamiento se obtiene mediante un. intercambiador de calor utilizando un medio refrigerante, aire ambiente o liquido refrigerante, que aunque produce caídas de presión entrega importantes beneficios en cuestión de potencia si es diseñado adecuadamente. Factores. 28.

(38) IM-2004-II-08 de diseño pueden ser el tamaño del intercambiador o el posicionamiento del mismo para asegurar la disponibilidad de flujo del medio refrigerante y así mismo de calor hacia el ambiente. Al utilizar un “intercooler” el motor también se ve beneficiado. La temperatura general de operación del motor se ve reducida y la presión en la cámara de combustión para una presión media efectiva al freno (bmep) dada, será también reducida.. De esta manera los esfuerzos a los que se ve sometido el. motor también se ven reducidos. Un beneficio adicional es que se disminuye la probabilidad de que se generen puntos calientes en la cámara de combustión que pueden generar preignición.. 3.7 Filtros El sistema de aire pues es esencial para un buen funcionamiento del turbo cargador y del motor. El aire que se toma del ambiente para la combustión del motor debe estar limpio de impurezas ya que estas pueden causar desgaste prematuro en los componentes móviles del motor. Estos deben ser cambiados periódicamente pero al mismo tiempo son un factor importante en los costos de mantenimiento del vehiculo.. En ocasiones se poseen indicadores de. obstrucción de los filtros que ayudan en esta tarea ya que la simple inspección visual puede no ser suficiente. Adicionalmente cada vez que se retire el filtro de su lugar se corre el riesgo de que partículas de polvo entren en el sistema. Si no se posee este tipo de indicadores se deben revisar el filtro de manera visual en busca de daños en el cuerpo del filtro, perforaciones en el medio filtrante, tapas o juntas dañadas.. Si encuentra algún tipo de daños debe. cambiar el filtro y por ningún motivo lavarlo.. 3.8 Mantenimiento En la mayoría de ocasiones las fallas que presentan los turbo cargadores son causados por falta de mantenimiento o un uso inadecuado del mismo. Si el turbo esta correctamente diseñado para el motor con el cual esta trabajando, este debería tener una vida útil de por lo menos lo mismo que el motor, a. 29.