El Maquinante: PRL UNIDAD 3: SISTEMA DE AIRE DE UN MOTOR

miércoles, 6 de febrero de 2019

PRL UNIDAD 3: SISTEMA DE AIRE DE UN MOTOR

SISTEMA DE ADMISION DE AIRE

Se denomina sistema de aire de admisión al conjunto de aparatos y elementos a través de los cuales se suministra aire a los motores diésel.
La misión de este sistema es la de proveer el aire necesario para la combustión de combustible en condiciones normales. El aire que entra en los cilindros deben estar perfectamente filtrado para no dañar a las camisas ni obstruir a los inyectores.

Funciones del sistema de aire de admisión:
1- Barrer los gases quemados de los cilindros en motores de dos tiempos.
2- sobrealimentar, para aumentar la potencia entregada por el motor.
3- Filtrar el aire de admisión.
4-Silenciar el ruido del aire de admisión.

El sistema de aire de admisión típico esta formado por:
👉1- Filtro o sistema de filtrado de aire.
👉2-Silenciador del aire de admisión.
👉3- Multiples de admisión y tuberías
👉4- Valvulas de admisión y lumbreras.
👉5- Bombas o ventiladores de barrido y Sobrealimentadores.
👉6- Enfriadores de aire de admisión mara motores de cuatro tiempos sobrealimentados.
1)Filtros de aire: Para el filtrado del aire se coloca a la entrada de la tubería de admisión un filtro. Estos aparatos son empleados para eliminar las impurezas que el aire lleva en suspensión evitanddo dañar las superficies internas del motor. Los filtros deben ofrecer poca resistencia al flujo de aire, consiguiéndose mantener un alto rendimiento volumétrico*.

*Rendimiento Volumétrico: Relaciona la masa de aire que entra realmente en el cilindro con la que podría entrar teóricamente, por lo que es un parámetro que mide la eficacia del sistema de alimentación. Varía con el régimen de giro, pues la resistencia que encuentra al aire para entrar en los cilindros depende tanto de la forma de los conductos por los que circula como de la velocidad del propio fluido.

Los motores grandes no llevan filtros de aire por el gran volumen del mismo que utilizan en su funcionamiento, sólo usan un silenciador o filtro acústico.
Su mantenimiento es más frecuente que los empleados en los motores de gasolina, debido a que el motor diésel consume mayor cantidad de aire (alrededor de 1 litro de combustible por 13.000 litros de aire); además,al tener que filtrar mayor cantidad de aire sus dimensiones también son mayores.

La fig. 12-9 nos muestra un filtro y silenciador de aire, formado por una malla metálica gruesa, una malla metálica fina con estopa de alambre impregnada en aceite. El elemento filtrante debe ser limpiado periódicamente para evitar la obstrucción del flujo de aire. Se limpiará con nafta y luego empapada en aceite.

Los tipos de filtros más utilizados son: filtros secos, de baño en aceite y mixtos.

Tipo seco: El elemento filtrante esta formado por papel o tela, el cual se desecha una vez que esta saturado.

En algunos filtros hay un prefiltro de vortice para que las partículas más pesadas se decanten en un vaso.

Filtro de aire de admisión descartable.

Húmedo con baño de aceite: El elemento filtrante esta formado por una malla sumergida en aceite, provoca una baja restricción al flujo de aire

Filtro de aire de admisión con aceite.

Corte de un filtro de aire de admisión con aceite.

l. En la taza el aire cambia bruscamente de dirección,disminuyendo la velocidad y dejando 1as partículas adheridas al aceite.
2. Luego el aire con polvo más fino y partículas de polvo pasan por una malla metálica y se adhieren al aceite de la malla.
3. Luego el aire limpio fluye a los cilindros.

De dos etapas o mixtos: Se tiene una combinación de ambos tipos para mejorar la limpieza del aire y reducir la restricción al flujo de aire

2) Silenciadocres de admisión. La fig. 12-10 corresponde a un silenciador de admisión para reducir el ruido del motor en las bombas o ventiladores de barrido.

Son de dos tipos :

I) Con material absorbente de sonido como fibra ignífuga colocada alrededor de los orificios de pasaje para el aire. El sonido pasa a través de los orificios y es parcialmente absorbido por el fieltro. La fig·. 1. 2-10 muestra un silenciador de este tipo.

II) El filtro y silenciador de la fig. 12-10 muestra que las cámaras bloquean el paso de ciertas ondas de sonido y no así el flujo de aire.
Estos filtros/silenciadoes se los conocen también como filtros acústicos.

Silenciadores de aire de admisión.

Protcciones acústicas para grandes intalaciones.

3- Multiples de admisión y tuberías.

Tienen como función distribuir el aire de admisión a cada cilindro. A fin de no reducir el rendimiento volumétrico de los motores de cuatro tiempos, los múltiples o colectores de admisión y las tuberías deben ofrecer la menor resistencia al flujo de aire posible.

Múltiple de admisión

Colector de admisión.

Múltiple de admisión

Estudidos con mas detalle en :RENDIMIENTO VOLUMETRICO DE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA ,Sincronismo de las Válvulas de Admisión y Escape , LUMBRERAS DEL CILINDRO Definición , Intake and Exhaust , MTD UNIDAD 10: SISTEMAS DEL MOTOR. Parte 3

4- Lumbreras y Válvulas de admisión

Válvulas de admisión y Lumbreras

Las válvulas de un motor diesel de 4 tiempos navales medianos y grandes son:

•Válvulas de admisión.
•Válvulas de escape.
•Válvula de aire de arranque.
•Válvula de seguridad.
•Válvula o grifo de purga o de toma de presión.

La misión de las válvulas de admisión es permitir el máximo llenado posible del cilindro y el de la válvula de escape es producir la menor contrapresión posible en el mismo, es decir la menor resistencia posible al paso de los gases. La válvula de admisión en la mayoría de los motores atmosféricos (sin sobrealimentador) es de mayor diámetro que la de escape.La apertura y cierre de las válvulas de admisión se producen en forma sincronizada con el cigüeñal, gracias al sistema de distribución ( árbol de levas o eje de camones).

LUMBRERAS

En el cilindro del motor de 2 tiempos, se denominan lumbreras a las aberturas que tienen la finalidad de permitir la admisión del aire fresco o mezcla aire-combustible y la expulsión de los gases quemados. El pistón establece las fases, es decir el instante y la duración de la apertura y del cierre de ambas lumbreras.

Las lumbreras de admisión se abren cuando el pistón las deja al descubierto durante un breve instante en el cual el aire fresco debe ingresar al cilindro. Las lumbreras de escape se abren al final de la expansión, un poco antes que las lumbreras de admisión, cuando el escape ya se ha producido en parte y ha disminuido la presión en el cilindro, de manera de evitar que los gases quemados se escapen por las lumbreras de admisión; efectivamente, la apertura de las lumbreras de admisión debe producirse sólo cuando la presión de alimentación es superior a la que existe en el cilindro para un correcto llenado y barrido.

Este proceso en los motores diesel medianos y grandes se realiza por lo general con la ayuda de una bomba de barrido.

Motor de dos tiempos de ciclo Diesel con bomba de barrido lobular.

En los motores chicos y de ciclo Otto, se realiza mediante un conducto de transferencia que trabaja con la compresión de la mezcla aire-combustible que se realiza en el cárter del mismo motor cuando el pistón baja.

Motor de ciclo Otto con conducto de barrido o tranferencia que trabaja con compresión del cárter.

5)Bombas o ventiladores de barrido y Sobrealimentadores.

➤Los motores cuatro tiempos son sobrealimentados por turbocompresores o sobrealimentadores.
➤En los motores de 2 tiempos, se emplea bomba o ventilador de barrido.

Los motores diesel de 2 tiempos emplean las bombas de barrido o ventiladores tipo Roots, de desplazamiento positivo para el aire de barrido. Se ubican en la entrada del múltiple de admisión y reciben movimiento a través de una transmisión desde el mismo motor.

Un métódo de ubicar los ventiladores de barrido lo muestra la fig. 12-1.1 con el recorrido del aire. La presión del flujo centrífugo es proporcional a la raíz cuadrada de la r.p.m. del ventilador, lo que significa una caída de presión rápida cuando la velocidad decae. Un ventilador centrífugo accionado por engranajes al cigüeñal, exige una velocidad mínima del motor por debajo de la cual no desarrolla suficiente presión de aire para, entregar al cilndro. Siendo la causa para que el motor se pare, y esto explica porqué los ventiladores centrifugos, en general, no se emplean para barrido en los motores de dos tiempos.

Los ventiladores de desplazamiento positivo tienen la ventaja sobre los centrífugos, en que la cantidad de aire entregado por vuelta varía poco con la velocidad y presión de descarga .Muy importante pues permite mantener una buena alimentación de admisión y por lo tanto una eleva da presión media efectiva y buen par motor a bajas velocidades.

Bomba de barrido o vemtilador tipo "ROOTS"

Los ventiladores de Roots para el barrido en los motores de dos tiempos son accionados por el eje del cigüeñal, por medio de engranajes, cadenas o correas.

Estudiadas en detalle en MTD UNIDAD 7: MECANISMOS DE VÁLVULAS. Parte 1 y en MTD UNINAD 7: MECANISMO DE VALVULAS. Parte 2 Puesta a punto de la distribución.

SOBREALIMENTADORES

Es una máquina que aprovecha la energía de los gases de escape del motor y la usa para comprimir el aire al conducto de admisión.
Está compuestos por una turbina y un compresor centrífugo unidos por un eje.

Despiece de un turbocompresor.

Los gases de escape atraviesan la turbina acelerando su velocidad, transmitiéndola a través del eje al compresor.
Este aspira el aire por el centro y lo comprime descargándolo por la periferia.

6 - Enfriadores de aire de admisión:

El enfriado del aire proveniente del Turboalimentador es totalmente necesario:
El aire comprimido eleva su temperatura a cerca de 140º c, por lo que se disminuye la densidad del aire que entra al cilindro.
En lo motores diésel automotrices se les llama Cooler o Intercooler.

POR CADA 10º C QUE DESCIENTE LA TEMPERATURA DEL AIRE DE ADMISIÓN, SE AUMENTA CERCA DEL 3% LA POTENCIA DEL MOTOR.

El enfriador de aire de admisión se ubica a la salida del Turbo.
Estos enfriadores o "Intercoolers" pueden tener como medio refrigerante, aire o agua.

Enfriado por Agua: Son tubos largos y finos en los que circula agua derivada del circuito de refrigeración. La temperatura del agua debe ser menor que 95º. El aire no llega a menos de 90 ºC.

Enfriado por Aire : El aire proviene de un ventilador accionado por otra turbina accionada por una derivación del Turboalimentador (10%). Al tomar aire ambiente a 30ºCdesciende la Temperatura del aire interior a 70ºC.

Estudiados con mas detalles en MTD UNIDAD 10: SISTEMAS DEL MOTOR. Parte 3 , Algunas palabras sobre Turbocompresores , Intake and Exhaust , RENDIMIENTO VOLUMETRICO DE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA , TRABAJOS PREVIOS, DESMONTAJE Y MONTAJE DE UN TURBOCOMPRESOR ,Turbocharging Twin-turbo

SISTEMAS DE ARRANQUE

ARRANQUE DE UN MOTOR:
Para poner en marcha un motor diesel, el cigüeñal del mismo debe moverse por algún medio externo, de tal manera que el aire en el cilindro se comprima y eleve su temperatura y presión para que el combustible inyectado por el sistema de inyección, se inflame y produzca una carrera de trabajo.

METODOS DE ARRANQUE
Existen varias formas de poner en marcha un motor térmico:

Arranque manual en motores monocilíndricos de motocompesores de aire, motores fuera de borda, motobombas de agua para achique y/o lucha contra incendios principalmente.
Arranque eléctrico para motores chicos como los de embarcaciones menores.
Arranque neumático con inyección de aire comprimido al cilindro en motores medianos y grandes.
Arranque neumático con motor de arranque de aire comprimido en motores medianos.
Arranque hidráulico. (no en uso en la A.R.A.)

En algunas instalaciones motores medianos y grandes se ponen en marcha eléctricamente.

Durante este primer año estudiaremos brevemente este tema que profundizaremos mas adelante.

ARRANQUE ELÉCTRICO:

El sistema de arranque eléctrico que se usa en nuestros buques y embarcaciones generalmente, es del tipo de arranque de un automotor, pero más potente; ello es debido al mayor tamaño y cilindrada del motor .
Los sistemas de arranque eléctrico emplean corriente continua porque la energía eléctrica en esta forma se almacena en baterías y puede usarse en el momento necesario para el arranque, luego ella puede reponerse recargando la batería en un generador acoplado al motor.
El sistema de arranque eléctrico esta formado por:

Arranque eléctrico básico.

Batería.
Motor eléctrico de corriente continúa.
Conexión mecánica entre el motor eléctrico y el cigüeñal del motor.
Generador eléctrico accionado por el motor o generador auxiliar independiente para cargar la batería.
Los cables necesarios, alambres e interruptores para el sistema.

1. Batería: Las baterías normalmente tiene una fuerza eléctrica de 12 volts para motores chicos, y de 24 volts para motores medianos y grandes, con una capacidad que varia de 175 a 225 amperes-hora.

2. Motores eléctricos: estos motores son generalmente de arrollamiento en serie, del tipo para trabajos pesados, los cuales por un periodo corto pueden soportar un 100 % de sobrecarga.
Algunos motores eléctricos de arranque está equipados con un interruptor termostatico para evitar el excesivo calentamiento del motor, preparado para desconectarlo si después de 15 segundos el motor diesel no arranco.

3. Conexión mecánica: Generalmente los mecanismos utilizados en esta conexión son tres:

Conexión manual

Motor de arranque de acoplamiento mecánico manual Citröen 2/3 CV.

Conexión mecánica tipo Bendix.(piñón retráctil)
Conexión mecánica magnética.

Motor de arranque con conexión mecánica "magnética".

Conexión mecánica tipo Bendix.

La figura nos muestra un sistema mecánico tipo bendix armado y debajo sus piezas desarmadas.

La cabeza motriz está fijada al eje del motor eléctrico, por lo que gira con el mismo. El resorte va fijado en un extremo atornillado a la cabeza motriz y el otro al eje externo fijado al eje del piñón desbalanceado por el contrapeso.
El eje del piñón en la superficie externa una rosca de pocos hilos, donde engrana y se desplaza el piñón de transmisión.
Cuando el motor diesel debe ser puesto en marcha, al girar el motor eléctrico, el piñón se mueve hacia fuera en su eje roscado y sus dientes engranan con los de la corona del volante, lo que hace girar al cigüeñal por medio del volante.
Cuando el motor comienza a producir combustiones, la velocidad tangencial del volante es mayor que la del piñón, por consiguiente el mismo es despedido de su engrane. Este empuja al piñón a lo largo de su rosca, alejándolo de la corona.

§ Las figuras nos presentan esquemas de arranque de acople magnético. En el se puede ver que el arranque mecánico fue sustituido por un electroimán que cuando se oprime el contacto o botón de arranque la bobina atrae al vástago que por medio de la palanca de acción y el buje de transmisión desplaza el piñón que lo engrana con la corona del volante.
Al cortarse la corriente, un resorte lleva al piñón a su posición original.

4. Los motores de embarcaciones menores llevan acoplado al motor un generador para recargar la batería.
Los motores medianos suelen llevar un generador auxiliar independiente con el mismo fin.

5. Cables e interruptores de arranque: La carga utilizada en la mayoría de los motores es elevada, pero en algunos casos es mucho mayor de lo estimado, especialmente en los piques de arranque, que puede elevarse hasta 500 Amperes o más, de manera que debe tenerse en cuanta para el empleo de cables e interruptores.
Los interruptores de arranque generalmente son del tipo magnético y pueden controlarse desde lejos mediante un botón de arranque, por lo que requieren más corriente para accionarlos.

ARRANQUE POR AIRE COMPRIMIDO:
Aire comprimido inyectado en los cilindros.

La puesta en marcha de un motor diesel grande necesita un considerable gasto de energía en un tiempo corto. Uno de los métodos más simples de almacenar grandes cantidades de energía interna es comprimiendo aire dentro de botellones, que luego se utiliza para el arranque del motor diesel, haciendolo expandir dentro de los cilindros. Para esto, es necesario agregarle un sistema valvular de arranque, que es el método generalmente usado en los grandes motores.
El aire comprimido utilizado para la puesta en marcha puede reponerse durante cierto tiempo, en la marcha del motor principal, usando un compresor de aire acoplado o independiente.
En la mayoría de los sistemas de arranque por aire se inyecta éste a presión a través de la válvula de puesta en marcha o arranque,que son comandadas en sus aperturas, haciéndolo en el momento correspondiente a la carrera normal de expansión siguiendo el orden de encendido. Cuando el motor ésta girando con la velocidad necesaria, se corta el aire de arranque y se pasa a inyectar el combustible.
En los motores que tengan diez o menos cilindros, normalmente se equipan con válvulas de arranque en todos los cilindros. En los de 12 ó 16 cilindros,sólo la mitad de éstos se equipan con válvulas de arranque. En los motores multicilindricos de 2 tiempos de más de tres cilindros se pueden hacerlos arrancar con aire comprimido en cualquier posición de arranque. En los de 4 tiempos debe tener como mínimo para esta condición seis cilindros.

Existen dos métodos para el tiempo de abertura de las válvulas de arranque:

De accionamiento mecánico directo por medio de camones individuales.
De accionamiento indirecto, por medio de un distribuidor de aire.

Esta figura muestra una válvula distribuidora accionada por camones.

Esta es una válvula de retención de aire de arranque del mismo motor.

Como el distribuidor va colocado a cierta distancia de la culata del cilindro, las válvulas de arranque generalmente son accionadas por pilotos movidos por la presión del aire de entrega desde el distribuidor.

La figura nos muestra una válvula piloto. En este caso, el distribuidor se conecta mediante tuberías pequeñas a una cámara de aire encima de cada válvula de arranque, que lleva un pistón unido al tope de la válvula de arranque. La presión de aire entregada por el distribuidor en el momento oportuno o tiempo actúa sobre la cabeza del pistón, que abre la válvula de arranque. El suministro de aire de arranque que se encuentra en la válvula, es entregado por la entrada principal y cuya presión no influye en la abertura de la válvula de arranque, debido a que esta es equilibrada por el pistón de balanceo.
El aire es entregado a los cilindros para el arranque, cuando el distribuidor envía aire a la válvula piloto para actuar sobre el pistón de la válvula de arranque, que lo obliga a abrirse.

Sistema típico de aire de arranque.

Esquema básico de distribuidor de aire de arranque típicos en MTU , Pielstick, MAN,etc.

Elementos constructivos del sistema
Botellones de aire: También llamados tanques, sirven de suministro y reserva de aire. Estructuralmente están construidos con medidores de presión (Manómetros), una tapa de inspección para su revisión interna, una válvula de purga, ésta debe ser controlada periódicamente para el desagote del agua condensada en su interior (Además, el botellón de aire debe tener una leve inclinación para que se pueda realizar el purgado), dos válvulas de seguridad de presión para evitar sobrecargas, un termómetro y una válvula de cierre. El espesor de las paredes de los depósitos debe poder soportar presiones tres veces mayores que la presión nominal como mínimo, por razones de seguridad.

Compresores: Son máquinas que aspiran el aire ambiente a presión atmosférica para conferirle una presión superior. La selección del compresor debe realizarse de acuerdo a la presión de trabajo y caudal de aire necesario. Los sistemas de arranque por aire comprimido que lo utilizan, generalmente cuentan con uno o varios compresores siendo de vital importancia contar con uno de ellos fuera de servicio. Los compresores se pueden clasificar de acuerdo a su tipo constructivo, siendo los más comunes: Compresor alternativo a pistón y compresor rotativo a tornillo o helicoidal.

Trampa de humedad: Ubicada en la tubería de alta presión, seguido a los botellones, sacan todo el resto de humedad dispersa en el aire comprimido. Se debe extraer al máximo las moléculas de agua del aire, ya que esta sustancia es altamente corrosiva y perjudicial para el motor.

Reductor de presión: A través de un mecanismo de válvulas expansivas reducen la presión del aire. Tiene como objetivo permitir que el distribuidor de aire sea de menores dimensiones de lo que sería si trabajase directamente con la presión de red. Al haber reductor de presión, no solo el distribuidor será de menores dimensiones, sino también los comandos de válvulas de arranque en los cilindros.

Distribuidor de arranque rotativo: Su movimiento está sincronizado con el cigüeñal y movido por el árbol de levas. Tiene una toma del aire del reductor y tantas salidas circulares como válvulas de arranque existan. Siempre comunica la entrada con una de las salidas, de modo que el motor siempre está listo para arrancar. Una forma posible es un disco con un orificio que gira solidario a un eje sincronizado al giro del cigüeñal. Un disco estático, con perforaciones que abarcan un determinado ángulo, se mantiene en contacto con el primer disco. Cada orificio del disco fijo se comunica con una de las válvulas de arranque por medio de tuberías. El ángulo que abarcan esos orificios en el disco fijo representan otro ángulo directamente proporcional al eje del cigüeñal.

Válvula piloto: Ubicada por encima de la válvula de arranque, se compone de un émbolo retenido por un resorte el cual es vencido al ingresar el aire proveniente del distribuidor (7kg/cm²) Una vez abierto, él émbolo realiza presión sobre la válvula de arranque que se encuentra por debajo, estirando su resorte de contención, produciendo su apertura.

Motor arrancador o arrancador neumático en caso de ser éste el sistema de arranque.

ARRANCADOR NEUMÁTICO
También con el sistema neumático se pueden usar arrancadores neumáticos similares a los eléctricos , con un acople tipo "Bendix".

El arrancador neumático recibe aire de arranque desde un válvula piloto, haciendo trabajar una turbina neumática, o un motor neumático de paletas, que mueve un sistema de transmisión que termina en un piñón retráctil tipo "Bendix" que acopla directamente en una corona dentada ubicada en el volante de inercia del motor.