NOCIONES ELEMENTALES
CICLO
Se denomina ciclo a una secuencia de transformaciones que llevan un cuerpo de un estado inicial a un estado final.
Si el estado inicial y final del cuerpo son iguales, se le llama ciclo cerrado.
Si el estado inicial y final del cuerpo son diferentes, se le llama ciclo abierto.
Un ciclo puede representarse gráficamente en un diagrama de ejes ortogonales de presión y volumen, donde se muestran las transformaciones sucesivas que experimenta para cambiar de un estado a otro. Si todas las transformaciones del ciclo son reversibles, se considera un ciclo reversible o perfecto. Si alguna de las transformaciones es irreversible, entonces el ciclo es irreversible o imperfecto.
Por lo tanto, en relación con el motor de combustión interna, podemos decir: El ciclo de funcionamiento de un motor de combustión interna es el conjunto de procesos que debe experimentar la mezcla de combustible para convertir la energía térmica del combustible en energía mecánica, la cual se obtiene en el eje del cigüeñal.
FUERZA
La experiencia cotidiana muestra que, mediante ciertos esfuerzos musculares, el ser humano se desplaza o también desplaza los objetos a su alrededor; de esta manera, puede levantar un libro, lanzar una pelota, desplazar una silla, entre otros.
Cuando se observa el movimiento de un objeto inanimado, se infiere sin duda la presencia de una causa externa que provoca dicho movimiento. A esta causa externa se le llama fuerza.
A partir de lo mencionado, definimos que la fuerza es todo aquello que puede generar movimiento en los cuerpos.
Por ejemplo, la presión de la mezcla quemada contra la cabeza del pistón es una fuerza.
La fuerza se mide habitualmente en kilogramos.
Cuando ocurre la explosión de la mezcla dentro del cilindro de un motor, se genera una presión que, en el sistema métrico acordado para nuestro país, se mide en kilogramos por centímetro cuadrado (kg/cm²).
Sabiendo la presión por cm², se puede calcular fácilmente la fuerza total sobre el pistón; solo es necesario conocer la superficie útil del pistón.
Ejemplo: Presión interna: 5 kg/cm².
Superficie del pistón: 100 cm².
La fuerza total de empuje será: F = 5 x 100 = 500 kilogramos.
TRABAJO
Cuando una fuerza desplaza un cuerpo, se produce trabajo.
Por lo tanto, el trabajo es el producto de la fuerza por la distancia recorrida; se mide en kilográmetros y se expresa como: T = F x e.
Un kilográmetro es el trabajo necesario para elevar un peso de un kilogramo a un metro de altura, y se abrevia como Kgm.
Ejemplo: Para elevar a un hombre de 75 kilogramos a 2 metros de altura, se debe realizar un trabajo de: T = F x e = 75 x 2 = 150 Kilográmetros.
La potencia es la cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo. Al examinar la definición de potencia, observamos que es una medida de qué tan rápido se realiza el trabajo.
Mientras que el trabajo es el producto de la fuerza por la distancia (T = F x d), la potencia es el producto de la fuerza por la distancia recorrida en un segundo; y como la distancia recorrida en un segundo es la velocidad, entonces la potencia es la fuerza multiplicada por la velocidad.
La unidad de trabajo es el kilogramo-metro, por lo tanto, la unidad de potencia sería kilogramo-metro por segundo; sin embargo, en la práctica se utiliza el caballo de fuerza (HP) como unidad de potencia.
A través de experimentos prácticos, se determinó que un caballo con fuerza excepcional puede levantar una masa de 75 kilogramos a una velocidad de un metro por segundo.
Por lo tanto, cualquier motor que pueda realizar un trabajo de 75 kilogramo-metros por segundo tiene una potencia de un caballo de fuerza (1 HP).
De esto se deduce que si conocemos el trabajo que realiza un motor en un segundo, es fácil calcular la potencia desarrollada, ya que solo es necesario dividir por 75.
En la clasificación de potencia, distinguimos tres categorías: Potencia teórica, Potencia indicada y Potencia efectiva.
La Potencia teórica de un motor es la que se obtendría si toda la energía térmica del combustible se convirtiera en energía mecánica sin ninguna pérdida.
La Potencia indicada se determina a través del diagrama que se obtiene con el uso de un indicador.
Las fórmulas aplicables son las siguientes:
pi - Presión media obtenida por el diagrama, en Kg/cm2 •
D _ Diámetro del cilindro, en centímetros.
C - Carrera del pistón, en centímetros.
n Vueltas por minuto del motor, en el momento de obtener el diagrama.
Para motores de doble efecto, n debe reemplazarse en las fórmulas por 2 n.
La potencia efectiva es el trabajo útil realizado en un segundo, concentrado en el extremo del eje del cigüeñal. Es comprensible que la potencia efectiva sea menor que la indicada, ya que en el extremo del eje del cigüeñal obtenemos la potencia utilizable tras descontar todas las pérdidas ocasionadas por diversas causas durante el funcionamiento del motor. Para medir la potencia efectiva de un motor, se dispone de varios elementos, entre ellos el freno por fricción.
NOTA: La unidad de potencia H. P. (siglas en inglés de Horse Power) también se utiliza con frecuencia.
Esta unidad británica corresponde al trabajo necesario para elevar un peso de 33,000 libras británicas (14,968 kilos) a una altura de 12 pulgadas (un pie o 0,3048 metros) en un minuto.
En unidades métricas, esto se traduce en una potencia de: 14,968 x 0,3048 = 4,562 kilogramo-metros por minuto.
El trabajo por segundo es 60 veces menor: 4,500 ÷ 60 = 76 kgm.
Como se observa, existe una diferencia de una unidad entre el C. V. y el H. P., por lo que se debe tener cuidado al expresar la potencia en C. V. o en H. P.
PRINCIPIO DEL FRENO COMO ELEMENTO DE CÁLCULO PARA LA POTENCIA
NOCIONES ELEMENTALES
El freno por fricción más común utilizado para determinar la potencia efectiva de un motor es el Freno de Prony. Su principio de funcionamiento se basa en lograr un equilibrio entre el par motor que se desea medir y otro par conocido (freno).
Su construcción es la siguiente (fig. 2):
Un collar compuesto por una lámina o cinta de acero G.C.H. rodea, con la interposición de tacos de madera Y, la parte superior del volante A, que es un manchón o polea fijada al eje del cigüeñal del motor en prueba.
Dos tornillos pasan a través de la palanca D y en sus extremos llevan las tuercas E y E', que se utilizan para ajustar los tacos de madera Y y la zapata B contra el volante, situada en la parte inferior.
La palanca D está balanceada por el contrapeso Q; y cuando las tuercas E y E' (que sujetan el collar) están sueltas, el freno no ejerce ninguna fuerza y, por lo tanto, debe permanecer horizontal; es decir, en equilibrio.
En el extremo N de la palanca D se encuentra una lámina de hierro doblada en un arco NK con centro en O. Esta configuración asegura que el brazo de palanca LOK de la fuerza P se mantenga constante, ya que evita la variación de la distancia desde el centro O hasta cualquier punto del arco KN.
El platillo M, colgado de K mediante un enlace flexible, se utiliza para colocar los pesos P.
Los topes T y T' sirven para limitar el movimiento de la palanca D.
FUNCIONAMIENTO DEL FRENO DE PRONY
Para usar el freno, primero se debe aislar el motor de cualquier resistencia externa; luego se coloca el freno en el extremo del eje del cigüeñal y se verifica el equilibrio de la palanca D.
Una vez hecho esto, se coloca un número determinado de pesas en el platillo M; se arranca el motor y se ajustan gradualmente las tuercas E y E', hasta que el motor alcance la velocidad deseada.
Luego, se añaden o quitan pesas del platillo hasta que todo el dispositivo esté equilibrado; es decir, hasta que la palanca D esté horizontal y no toque los topes T.
En estas condiciones, el freno proporciona una medida directa del par motor.
Si L es la distancia entre los dos planos verticales que pasan por el eje del cigüeñal y el punto donde se suspende el peso P, el par motor será P x L.
Expresaremos ahora este par motor en términos del trabajo que realiza el motor.
Si F es la fuerza de fricción (desconocida) aplicada en la periferia de radio r; el par motor será igual a F x r, lo que nos da que P x L = F x r.
Conocida la fuerza F, será sencillo determinar la potencia del motor; solo se necesita calcular el trabajo realizado por esta fuerza en un segundo. Si el motor realiza n revoluciones por minuto, un punto cualquiera del volante recorrerá una distancia en un segundo que es igual a:
Pero el trabajo de la fuerza F en un segundo nos da la potencia efectiva del motor;luego:
RENDIMIENTOS
A continuación, se presentan las definiciones de los distintos tipos de rendimientos relevantes para los motores.
A) Rendimiento térmico
Se denomina rendimiento térmico a la relación entre la cantidad de calor convertido en trabajo y la cantidad de calor aportado por el combustible consumido.
El rendimiento térmico teórico es aquel que se calcula matemáticamente, basándose en el diagrama teórico, como la relación entre la cantidad de calor que se convertirá en trabajo por el motor y la cantidad de calor que se suministraría al motor en forma de combustible.
El rendimiento térmico indicado es aquel que se calcula matemáticamente, a partir del diagrama real obtenido del motor, como la cantidad de calor recibido por el motor en forma de trabajo y la cantidad de calor suministrada al motor en forma de combustible.
B) Rendimiento de calidad
Se llama rendimiento de calidad a la relación entre el rendimiento térmico indicado y el rendimiento térmico teórico.
C) Rendimiento mecánico
Se refiere al rendimiento mecánico como la relación entre el trabajo efectivo obtenido y el trabajo perdido debido a las resistencias internas del motor.
D) Rendimiento económico
El rendimiento económico se define como el producto de multiplicar los rendimientos térmicos, de calidad y mecánico.
E) Rendimiento volumétrico
El rendimiento volumétrico de la cilindrada de un motor de cuatro tiempos se refiere a la relación entre el volumen de mezcla que ha entrado en el cilindro durante el período de aspiración y el volumen que debería haber entrado en igual período, pero a la presión atmosférica de 760 mm.
Varios factores influyen en este rendimiento: la construcción del motor, el sistema de distribución, la velocidad del pistón, la superficie de los orificios de aspiración y escape, la carrera de las válvulas de aspiración y escape, si el motor es de 2 o 4 tiempos, la altura del motor sobre el nivel del mar y el lugar donde está instalado el motor.
F) Rendimiento gravimétrico
El rendimiento gravimétrico se refiere a la relación entre el peso de la mezcla que realmente entra en el cilindro y el peso de la mezcla que entraría bajo condiciones normales para el mismo volumen del cilindro.
NOTA: Para entender cómo se pierde la energía calorífica del combustible quemado en el cilindro, se proporcionan los siguientes datos:
- 30% se pierde como calor en el agua de enfriamiento.
- 40% se pierde en los gases de escape.
- 2% es absorbido por la instalación eléctrica.
- 4% se pierde por el rozamiento mecánico interno del motor.
- Disponible en el eje cigüeñal: 24%.
- 4% se pierde por rozamiento en el embrague, la caja de cambios, la transmisión, etc.
- 5% se pierde por la eficiencia de la propulsión.
- Disponible: 15% para superar las fuerzas de rozamiento, la resistencia del aire, etc., que se oponen al movimiento del vehículo.
DEFINICIONES
El diámetro del cilindro es la medida interna de la parte cilíndrica por donde se mueve el pistón en su recorrido alternativo. La abreviatura convencional es: D.
El punto muerto superior es la posición más elevada que puede alcanzar el pistón dentro del cilindro. La abreviatura convencional es: P.M.S.
NOCIONES ELEMENTALES
El punto muerto inferior es la posición más baja que puede alcanzar el pistón dentro del cilindro. La abreviatura convencional es: P.M.I.
La carrera del pistón es la distancia que recorre el pistón al moverse de un punto muerto a otro dentro del cilindro. La abreviatura convencional es: C.
Es importante diferenciar dos tipos de carrera: la descendente y la ascendente.
El radio del brazo del cigüeñal es la distancia desde el centro del perno del brazo del cigüeñal hasta el centro del perno de bancada del eje del cigüeñal. La abreviatura convencional es: r.
La longitud de la biela es la distancia medida desde el centro del perno del brazo del cigüeñal hasta el centro del perno del pistón. La abreviatura convencional es: L.
La relación entre la carrera y el diámetro es el número que resulta de dividir la carrera por el diámetro (ambas medidas en milímetros).
Este valor varía entre 0,8 y 2. La abreviatura convencional es: C/D.
La relación entre la longitud de la biela y la carrera es el número que resulta de dividir la longitud de la biela por la carrera (ambas medidas en milímetros). En los motores comunes varía entre 1,6 y 2,8. La abreviatura convencional es: L/C.
El desplazamiento del pistón es la distancia que recorre desde una posición dada hasta el punto muerto más cercano, cuando el brazo del cigüeñal se desvía un ángulo determinado de la posición correspondiente a ese punto muerto. Se designa comúnmente con la letra X.
La superficie del pistón es el área de la cabeza del pistón que está expuesta a la acción de la mezcla quemada. La superficie útil del pistón se considera como la de un círculo cuyo diámetro es igual al del cilindro.
Fuente:
Maq 306 Motores a Explosión Capítulo 2 Nociones Elementales
Reactor catalizador con derivación integrada
Descripción general del sistema SCR
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