CONTROL DE EMISIONES VEHICULARES EN EL D. M. Q.
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CAPITULO I
EL MOTOR DE GASOLINA
CONTENIDO
1.1. Motores trmicos....
1.2. Motores automotrices
1.3. Principio de funcionamiento del motor a gasolina...............
1.4. Principio de funcionamiento del motor diesel......................
1.5. Ciclos operativos.................................................................
1.5.1. Ciclo operativo del motor a gasolina..........................
1.5.1.1. Primer tiempo o carrera de admisin............
1.5.1.2. Segundo tiempo o carrera de compresin....
1.5.1.3. Tercer tiempo o carrera de combustin.........
1.5.1.4. Cuarto tiempo o carrera de escape...............
1.5.2. Ciclo operativo del motor diesel..............................
1.5.2.1. Primer tiempo o carrera de admisin.............
1.5.2.2. Segundo tiempo o carrera de compresin....
1.5.2.3. Tercer tiempo o carrera de combustin.........
1.5.2.4. Cuarto tiempo o carrera de escape...............
1.6. Ciclo operativo de dos tiempos......
1.6.1. Primer tiempo...........................................................
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1.6.2. Segundo tiempo.......................................................
1.7. Comparacin entre motores a diesel y gasolina................
1.8. Ciclos prcticos.................................................................
1.9. Combustin en el motor....................................................
1.9.1. Relacin aire / combustible......................................
1.9.2. Encendido e inflamabilidad......................................
1.10. Combustin en el motor a gasolina..................................
1.10.1. Procesos de combustin motor a gasolina...........
1.10.1.1. Combustin normal...............................
1.10.1.2. Combustin anormal..............................
1.10.1.3. Combustin incontrolada.......................
1.11. Diseo de la cmara de combustin.................................
1.11.1. Cmara tipo baera..............................................
1.11.2. Cmara tipo cua.................................................
1.11.3. Cmara semiesfrica............................................
1.11.4. Cmara tipo visera................................................
1.12. Mezclas ricas y pobres en la combustin de la gasolina...
1.12.1. Arranque...............................................................
1.12.2. Marcha en vaco...................................................
1.12.3. Desaceleracin.....................................................
1.12.4. Potencia y aceleracin..........................................
1.12.5. Crucero.................................................................
1.12.6. Condiciones de mezclas aire / combustible..........
1.12.6.1. Exceso de aire o deficiencia de
gasolina.
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1.12.6.2. Deficiencia de aire o exceso de
gasolina.
1.12.7. El factor lambda....................................................
1.13. Emisiones de escape y sus causas..................................
1.13.1. Hidrocarburos que no se queman.........................
1.13.2. Monxido de carbono...........................................
1.13.3. xidos de nitrgeno..............................................
1.13.4. Otros productos de la combustin........................
1.14. Combustibles para motores..............................................
1.14.1. Combustibles derivados del petrleo....................
1.14.2. Otros tipos de combustibles.................................
1.14.3. Propiedades de los carburantes...........................
1.14.4. Poder antidetonante del carburante......................
1.15. Lubricacin........................................................................
1.15.1. Objetivos de la lubricacin....................................
1.15.2. Factores esenciales que afectan a la lubricacin..
1.15.3. Caractersticas de los lubricantes.........................
1.15.4. Principales tipos de aditivos..................................
1.15.5. Clasificacin de los aceites de motor....................
1.15.6. Sistemas de unidades de mayor uso....................
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GENERAL
Que los participantes conozcan los principios y fundamentos de la electricidad y la
electrnica, as como tambin los procedimientos de diagnstico, prueba y ajustes
bsicos en circuitos elctricos.
ESPECIFICOS
Explicar los ciclos tericos y prcticos de funcionamiento de los motores de
combustin interna.
Explicar la combustin.
Explicar la combustin en los motores a gasolina.
Explicar lo que son las mezclas ricas y pobres.
Enumerar los principales contaminantes emitidos por el motor a gasolina.
Explicar las principales caractersticas de los combustibles.
Explicar los principios de lubricacin.
1.1. LOS MOTORES TERMICOS
Los motores trmicos transforman la energa calorfica del combustible en
energa mecnica, aprovechando la fuerza expansiva de los gases inflamados en el
interior de un cilindro, que es recogida en el rbol del motor, cuyo giro es transmitido
a las ruedas que dan impulso al vehculo.
OBJETIVOS
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Mediante el proceso de la combustin desarrollado en el cilindro, la energa
qumica contenida en el combustible es transformada primero en energa calorfica y
seguidamente en energa mecnica, esto es, en trabajo til aplicable a las ruedas
propulsoras.
Los motores de estas caractersticas son llamados de combustin interna,
dado que el combustible se quema en su interior.
Dentro de este grupo pueden diferenciarse los de encendido por chispa
(motores de explosin) y los de encendido por compresin (motores de combustin
o Diesel).
En conclusin acerca de los motores trmicos se puede anotar que:
Son cualquier dispositivo que quema combustible y convierte la energa
calorfica as generada en trabajo mecnico.
Estos se pueden clasificar en motores de combustin interna y externa.
Los de combustin interna, tales como los a diesel o gasolina queman
combustible en el motor; mientras que los de externa, tales como los de
vapor lo queman fuera del motor, de tal manera que el calor generado
debe dirigirse al motor para crear un trabajo mecnico.
Actualmente, los motores de combustin interna se usan para
automviles debido a su fcil manejo, tamao relativamente pequeo y
peso ligero.
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Motor a gasolina
Motor a diesel
Motor de combustin Motor a gas
Interna Motor de turbina de gas
Motor trmico Motor de propulsin a chorro
Motor turborreactor
Motor de combustin Motor de vapor
Externa Turbina de vapor
1.2. LOS MOTORES AUTOMOTRICES
Los motores automotrices de acuerdo con el combustible que utilizan, se
clasifican en los siguientes tipos:
1. Motor a gasolina: Utilizan gasolina como combustible. Debido a su tamao
pequeo, alta velocidad, gran potencia, y peso ligero, se usan ampliamente en
carros de pasajeros y camiones pequeos.
2. Motor a diesel: Utilizan aceite ligero como combustible. Puesto que consumen
menos combustible que los a gasolina, y el aceite ligero es ms econmico que
la gasolina, se usan a menudo en camiones y camionetas grandes donde la
economa del combustible es un factor muy importante. Los motores ms
pequeos se usan en algunos carros de pasajeros pero son inferiores a los de
gasolina en aspectos como velocidad mxima, rendimiento, peso y niveles de
vibracin y ruido.
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3. Motor a gas: Utilizan GLP o gas natural como combustible. A pesar de que su
rendimiento es menor que los a gasolina, se usan actualmente en ciertos
vehculos pequeos como taxis por su excelente economa en combustible.
1.3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR A GASOLINA
En este tipo de motor, la energa se obtiene por la dilatacin brusca de una
mezcla de aire y gasolina en la cmara de combustin. Para obtener esta dilatacin
se provoca la explosin, es decir, la combustin prcticamente instantnea de esta
mezcla gaseosa.
En este tipo de motor, es preciso preparar la mezcla de aire y gasolina
convenientemente dosificada, lo cual se realiza con el carburador o con la inyeccin.
Despus de introducida en el cilindro, es necesario provocar la explosin en la
cmara por medio de una chispa de alta tensin, que proporciona el sistema de
encendido.
En el motor de explosin, la relacin existente entre el volumen total del
cilindro y el de la cmara de combustin (relacin de compresin), est
comprendida entre 7:1 y 10:1 generalmente, ya que a partir de este valor, hay riesgo
de explosin instantnea de la mezcla de aire y gasolina, debida a la misma
compresin, lo cual, es perjudicial para el buen funcionamiento del motor.
1.4. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DIESEL
En este motor, la energa es obtenida por la combustin de un combustible
(Diesel) en el aire comprimido y fuertemente calentado en el interior del cilindro.
Esta combustin entraa un fuerte aumento de la presin del gas en la cmara de
combustin.
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En este tipo de motor, es necesario forzar la penetracin del combustible a
inflamar en la cmara de combustin, que est ocupada por el aire comprimido y
fuertemente calentado. Esta misin la efecta la bomba de inyeccin y el inyector.
La combustin se realiza debido nicamente a la fuerte compresin a que est
sometido el aire, lo que ha ocasionado su elevada temperatura, y provoca la
inflamacin espontnea del combustible, a medida que va entrando en el cilindro.
En el motor Diesel, la relacin de compresin puede ser mucho ms elevada
que en uno de gasolina, puesto que en el cilindro solamente se comprime aire y no
hay riesgo de explosin espontnea. Esta relacin de compresin est comprendida
generalmente entre 15:1 y 25:1. Aunque puede llegar a una relacin de 30:1.
1.5. CICLOS OPERATIVOS
Se denomina ciclo operativo a la sucesin de operaciones que se realizan en
el interior del cilindro y se repiten con ley peridica. La duracin de este ciclo se
mide por el nmero de carreras del pistn necesarias para realizarlo. As se dice que
los motores alternativos son de cuatro tiempos, cuando el ciclo completo se realiza
en cuatro carreras del pistn, y de dos tiempos, cuando son suficientes dos carreras
para completar el ciclo.
Funcionando en el ciclo de cuatro tiempos, en un motor se producen las
cuatro carreras o tiempos siguientes:
a) Admisin de la carga en el cilindro.
b) Compresin de la carga.
c) Combustin y expansin.
d) Expulsin o escape de los productos de la combustin.
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Fig.1.1. Ciclo operativo del motor.
1.5.1. CICLO OPERATIVO DEL MOTOR DE GASOLINA
Para el motor de gasolina (explosin), el ciclo de cuatro tiempos se
desarrolla as:
1.5.1.1. Primer tiempo o carrera de admisin
El pistn se mueve del PMS al PMI, la vlvula de admisin est abierta y la de
escape permanece cerrada. Una baja presin (vaco parcial) generado por el
movimiento del pistn arrastra la mezcla aire / gasolina desde el carburador o
suministrada por el sistema de inyeccin. Cuando el pistn llega al PMI, la vlvula de
admisin se cierra y finaliza la carrera de admisin. El cigeal a girado 180 (
vuelta).
1.5.1.2. Segundo tiempo o carrera de compresin
El pistn se mueve del PMI al PMS, las vlvulas permanecen cerradas. La
mezcla aire / gasolina es comprimida, a una elevada presin y a una elevada
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temperatura, dentro de la cmara de combustin. La mezcla est lista para
encenderse.
Al final de la carrera de compresin, los gases quedan sometidos a una
presin aproximada de 10 bares y alcanzan una temperatura de alrededor de 280C.
Con la elevacin de la temperatura se logra una mejor vaporizacin de la gasolina,
con lo que la mezcla se hace ms homognea, resultando ms ntimo el contacto
con el aire. Durante esta nueva carrera del pistn, el cigeal ha girado 180, otra
media vuelta.
1.5.1.3. Tercer tiempo o carrera de combustin
En el momento en que el pistn est en el PMS, finalizando la compresin, la
buja provee una chispa elctrica de alta tensin que desencadena la combustin de
la mezcla.
Cuando esto ocurre la fuerza expansiva de los gases quemndose empujan
con alta presin al pistn desde el PMS hasta el PMI generando potencia. Las
vlvulas han permanecido cerradas y el cigeal ha girado otros 180 (1 vuelta).
1.5.1.4. Cuarto tiempo o carrera de escape
El pistn se mueve del PMI al PMS, la vlvula de escape se abre y la de
admisin permanece cerrada. Los gases quemados son evacuados del cilindro al
exterior por la accin del pistn. El cigeal ha girado otros 180 completando dos
vueltas.
De esta manera se realiza un ciclo completo de 4 tiempos de dos vueltas del
cigeal (720) y slo una carrera de fuerza o de trabajo.
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Fig. 1.2. Ciclo de cuatro tiempos en el motor de gasolina
1.5.2. CICLO OPERATIVO DEL MOTOR DIESEL (COMBUSTION)
El ciclo de trabajo del motor a diesel de cuatro tiempos es casi igual al de
gasolina. Se realiza en dos vueltas del cigeal y sus carreras son: admisin,
compresin, combustin y escape.
1.5.2.1. Primer tiempo o carrera de admisin.
En el motor Diesel, durante el tiempo de admisin, el pistn viaja del PMS al
PMI, la vlvula de admisin est abierta y la de escape cerrada, y el cilindro se llena
de aire. El cigeal a girado 180 ( vuelta) efectuando una carrera.
Se puede considerar que durante la admisin, la presin en el interior del
cilindro es sensiblemente igual a la atmosfrica. En el grfico de la figura se
representa el tiempo de admisin por una recta AB, paralela al eje horizontal.
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Fig.1.3. Primer tiempo o carrera de admisin.
1.5.2.2. Segundo tiempo o carrera de compresin.
El pistn se mueve del PMI al PMS, las vlvulas permanecen cerradas. El aire
es comprimido a una elevada presin y a una elevada temperatura dentro de la
cmara de combustin. El cigeal gira otra vuelta (180).
La temperatura se eleva considerablemente (alrededor de los 700C) debido
a la alta relacin de compresin de estos motores. Este calentamiento del aire
provocara una dilatacin del mismo, pero como en la cmara de compresin no
puede expansionarse, sobreviene un aumento de la presin, alrededor de 40 bares.
La fuerte presin obtenida al final de la compresin es el resultado:
- de una parte, de la disminucin del volumen del cilindro en razn de la
subida del pistn.
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- De otra parte, de la fuerte elevacin de temperatura del aire contenido en
el cilindro.
En el grfico de la figura se representa el tiempo de compresin por la curva
BC.
Fig.1.4. Segundo tiempo o carrera de compresin.
1.5.2.3. Tercer tiempo o carrera de combustin.
Estando el pistn en el PMS, el aire ha alcanzado la presin y temperatura
ideales para realizar la combustin. En ese instante un inyector provee una cantidad
de diesel debidamente pulverizado y a una elevada presin capaz de
autoencenderse. Se origina la combustin y los gases quemndose empujan al
pistn con alta presin hasta el PMI desarrollando fuerza o trabajo. Las vlvulas han
permanecido cerradas y el cigeal completa 1 vuelta (540). Al igual que en el de
gasolina esta carrera es llamada til o de trabajo.
Un estudio de este tiempo permite distinguir en l tres fases:
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Primera fase: El comienzo de la combustin es brutal, pues el pistn no ha
comenzado todava a bajar y los gases ocupan un espacio muy reducido. Por ello, la
presin se eleva de manera considerable instantneamente (alrededor de 80
kg/cm). Esta fase se representa por la recta CD en la figura.
Fig.1.5. Tercer tiempo o carrera de combustin.
Segunda fase: Despus, el pistn comienza a descender mientras contina la
inyeccin del combustible y la combustin del mismo. El aumento del volumen
debido al descenso del pistn, est compensado por la dilatacin de los gases de la
combustin, resultando en est fase, que la presin en el cilindro es sensiblemente
constante. Esta fase se representa por la recta DE del grfico de la figura 1.5.
Tercera fase: A partir del punto E, la combustin cesa, mientras el pistn contina
descendiendo, lo que entraa una disminucin de presin en el cilindro, debida al
aumento de volumen. En el grfico se representa esta fase por la curva EF.
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Cuando el pistn llega al PMI, todava queda cierta presin en el cilindro.
1.5.2.4. Cuarto tiempo o carrera de escape.
Se abre la vlvula de escape y la de admisin permanece cerrada. El pistn
sube del PMI al PMS empujando los gases quemados hacia fuera del cilindro. El
cigeal ha girado 2 vueltas (720) completando las cuatro carreras del ciclo de
trabajo y est apto para realizar otros ms.
Fig.1.6. Cuarto tiempo o carrera de escape.
El estudio detallado de este tiempo permite distinguir en l dos fases:
Primera fase: En el momento de abrirse la vlvula de escape, la presin reinante en
el interior del cilindro baja instantneamente hasta igualarse a la atmosfrica.
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Este descenso de presin corresponde a la recta FB del grfico en la figura
1.6.
Segunda fase: Durante la subida del pistn, los gases quemados son evacuados
por la vlvula de escape. Esta fase est representada por la recta BA.
Fig. 1.7. Ciclo de cuatro tiempos en el motor a diesel
1.6. CICLO OPERATIVO DE DOS TIEMPOS
En los motores de dos tiempos, el ciclo operativo es realizado en dos carreras
del pistn, por lo que la admisin debe efectuarse durante una parte de la carrera de
compresin y el escape durante una fraccin de la carrera de trabajo. Para lograrlo
se dispone el motor como muestra el esquema de la figura 1.8, donde puede verse
que no tiene vlvulas que regulen la entrada y salida de los gases en el cilindro, sino
que es el pistn, en su mismo movimiento, el que cierra y pone en comunicacin con
el cilindro unos conductos laterales llamados lumbreras, de las cuales, la A se llama
de carga y comunica el cilindro con el crter, la B (de escape) se encuentra situada
frente a la de carga y un poco ms alta que ella, comunicando el cilindro con la
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atmsfera, por ltimo, la lumbrera C (de admisin) est debajo de la de escape y
comunica el crter con el carburador.
Fig. 1.8. Ciclo de dos tiempos
El pistn est provisto de una saliente, como se ve en E de la figura, llamado
deflector, que gua los gases que entran en el cilindro hacia su parte alta y les
imprime un movimiento de torbellino.
El ciclo de dos tiempos se realiza de la siguiente forma:
1.6.1. PRIMER TIEMPO
El pistn se encuentra en el PMS terminando la fase de compresin. En este
instante salta la chispa en la buja y se produce la explosin de la mezcla
comprimida, que empuja al pistn hacia abajo. En el comienzo de la carrera
descendente las lumbreras de escape y carga estn tapadas, mientras que la de
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admisin esta descubierta y, por tanto, el crter queda en comunicacin con el
carburador, del cual le llega una mezcla de aire y gasolina.
Poco despus, el pistn tapa las lumbreras de escape, carga y admisin, por
lo que al seguir bajando va comprimiendo la mezcla que se encuentra en el crter,
que esta cerrado hermticamente. Seguidamente descubre la lumbrera de escape
(siempre en su recorrido descendente) y los gases quemados escapan por ella al
exterior a gran velocidad. Los gases del interior del crter siguen comprimindose. A
continuacin, el pistn descubre la lumbrera de carga poniendo en comunicacin el
cilindro con el crter. En este momento los gases de ste pasan a aquel, debido a la
compresin a que haban sido sometidos y arrastrados tambin por la misma
velocidad de salida de los de escape.
En esta primera fase se ha efectuado la explosin y ha comenzado el escape
de los gases quemados y entrada de los frescos al cilindro.
1.6.2. SEGUNDO TIEMPO
Cuando el pistn comienza a subir, todava estn entrando gases frescos
desde el crter al cilindro, arrastrados por los de escape, y un momento despus, el
pistn tapa la lumbrera de carga permaneciendo un poco abierta todava la de
escape. En este instante cesa la entrada de gases frescos al cilindro (tiempo de
admisin), continuando todava la salida de gases quemados (tiempo de escape),
por lo cual, no puede evitarse que por la lumbrera de escape salga tambin gases
frescos. Al mismo tiempo, la subida del pistn provoca una depresin en el crter.
Un instante despus, se cierra totalmente la lumbrera de escape (acabando
por tanto este tiempo), y a partir de entonces los gases que hay en el interior del
cilindro van siendo cada vez ms comprimidos y en el crter se va creando cada vez
ms depresin.
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Momentos ms tarde, el pistn destapa la lumbrera de admisin y debido a la
depresin existente en el crter, se ejerce una succin en el carburador que arrastra
la mezcla fresca, que va entrando en el crter.
En esta carrera ascendente del pistn, se han completado los tiempos de
admisin y escape (iniciados en la carrera anterior) y se ha efectuado el tiempo de
compresin.
1.7. COMPARACION ENTRE MOTORES A DIESEL Y GASOLINA
Concepto Motor a diesel Motor a gasolina
Combustible Aceite pesado, o ligero Gasolina
Admisin del gas nicamente aire Mezcla de aire y gasolina
Mecanismo de dosificacin
Bomba de inyeccin Carburador (o inyector de combustible)
Control de potencia Cambiando la cantidad del combustible inyectado
Cambiando la cantidad de mezcla aire / combustible
Encendido Autoencendido Por chispa elctrica
Relacin de compresin Alta (15-23) Baja (7-12)
Presin de compresin Mayor [20-30 Kg/cm] Menor [10-15 Kg/cm]
Presin de combustin Mayor [50-90 Kg/cm] Menor [30-50 Kg/cm]
Relacin mnima de consumo de combustible
Aprox. 160 g/PS.h Aprox. 200 g/PS.h
Dimetro del cilindro aplicable
Aprox. 75-1,000 mm Hasta Aprox. 100 mm
Capacidad de arranque Buena (se necesita algn tiempo)
Buena
Respuesta Pobre Buena
Construccin del motor Mecanismos ms reforzados
Mecanismos menos reforzados
Peso del motor Ms pesado Menor
Ruido Mayor Silencioso
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Nota sobre dimetro del cilindro aplicable: En el motor a gasolina, el dimetro del
cilindro no puede aumentarse en exceso porque la llama debe alcanzar el extremo del
cilindro antes de que la mezcla de aire y combustible se encienda espontneamente.
1.8. CICLOS PRACTICOS
Hasta aqu se ha explicado que las vlvulas se abren y cierran coincidiendo
con el paso del pistn por el PMS y PMI, tanto en los motores de gasolina como en
los Diesel que funcionan con el ciclo de cuatro tiempos.
Para obtener el mximo rendimiento de un motor de cuatro tiempos, sus
carreras no deben iniciar ni finalizar en los puntos muertos del cilindro, sino que
iniciarn y finalizarn grados antes o despus de dichos puntos, y se modifica el
instante en que salta la chispa o el comienzo de la inyeccin. De esta manera, el
funcionamiento del motor quedara como sigue:
Antes de que el pistn llegue al PMS en el tiempo de compresin, salta la
chispa o comienza la inyeccin de combustible, para permitir el inicio de la
combustin. En la Fig.1.9. se muestra el diagrama de presiones en el interior del
cilindro, en el que A corresponde al momento de la inyeccin y, por tanto, el inicio de
la combustin (motor Diesel). Desde el punto B al C, el pistn se encuentra bajando
en el tiempo de combustin y la presin se mantiene, terminndose de quemar el
combustible. Un poco antes de que el pistn llegue al PMI (punto D) se abre la
vlvula de escape (avance a la apertura del escape AAE), en cuyo momento,
comienzan a salir por ella los gases quemados.
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Fig.1.9. Diagrama de presin ciclo prctico.
Durante el tiempo de escape, la presin en el interior del cilindro es
prcticamente constante y un poco mayor que la atmosfrica. Un poco antes de que
el pistn llegue al PMS, efectuando el escape (punto G), se abre la vlvula de
admisin (avance a la apertura de la admisin AAA), estando todava abierta la de
escape, con lo cual, la velocidad adquirida por estos gases al salir, arrastra a los de
admisin, favoreciendo el llenado del cilindro.
Al comenzar a bajar el pistn en el tiempo de admisin, la presin desciende
en el interior del cilindro por debajo de la atmosfrica, debido a la depresin creada
por el pistn.
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Un momento despus (punto F), se cierra la vlvula de escape (retraso al
cierre del escape RCE) y el vaco creado por el pistn al bajar, provoca la entrada de
gases frescos al cilindro. Existe, por tanto, u7n tiempo en que las dos vlvulas estn
abiertas, llamado traslapo o solapo, que contribuye al mejor llenado del cilindro.
Cuando el pistn comienza a subir en el tiempo de compresin (punto H), la
vlvula de admisin todava est abierta un cierto tiempo (retraso al cierre de la
admisin RCA), para aprovechar la entrada de gases frescos debida a la inercia y
obtener un mejor llenado del cilindro.
Fig. 1.10. Ciclo Prctico
En los motores de dos tiempos, se sitan las lumbreras de tal manera que se
produzcan convenientemente los avances y retrasos de admisin y de escape. Los
constructores sitan las lumbreras a la distancia adecuada para obtener el mayor
rendimiento posible.
1.9. COMBUSTION EN EL MOTOR
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El componente principal de los combustibles usado en los motores de
combustin interna es el hidrocarburo, que contiene compuestos de hidrgeno (H2) y
carbono (C). Estos compuestos se combinan con el oxgeno (O2) y se convierten en
bixido de carbono (CO2) y agua (H2O). El fenmeno se denomina combustin
completa. Contrariamente, cuando las sustancias combustibles continan presentes
en los gases de escape, se la denomina incompleta.
El monxido de carbono (CO) producido por una escasez de oxgeno e
hidrocarburo (HC), en el caso de que el gas no se haya quemado completamente,
es particularmente daino para los humanos. Por consiguiente, el escape de (CO) lo
restringe la ley.
Los xidos de nitrgeno (NOx) producidos cuando el nitrgeno (N2), se
combina con el oxgeno bajo una elevada temperatura de combustin, tambin los
restringe la ley, debido a su efecto daino en los seres humanos.
1.9.1. RELACIN AIRE / COMBUSTIBLE
Es la relacin de la mezcla de combustible y aire necesaria para la
combustin y est representada por el porcentaje de peso y no por el porcentaje de
volumen.
Para quemar completamente un gramo de gasolina, tericamente son
necesarios 14.7 gramos de aire. La relacin de aire / combustible en este caso se
denomina terica o estequiomtrica, y actualmente ha sido ampliamente usada,
basada en el uso de convertidor cataltico de rodio, restricciones sobre el gas de
escape, consumo de combustible, etc.
La mezcla de aire / combustible se quema totalmente bajo la relacin de
aproximadamente 14.7:1, sin embargo, no se puede esperar que el aire y
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combustible se mezclen completa y uniformemente. Por lo que el volumen de aire se
calcula aproximadamente 10% ms que la relacin de la combustin completa ms
cercana tericamente. A esto se le llama la relacin de aire / combustible
econmica (aproximadamente 16:1).
La relacin de aire / combustible para potencia, es aquella para la cual se
obtiene la mxima potencia (aproximadamente 12.5:1) y, donde el combustible es
generalmente absorbido, en aproximadamente 20% mayor que el caso terico.
Esta relacin en los motores a gasolina en los que la mezcla de stos
elementos es combustible, se encuentra dentro del lmite aproximado de 8% a 20%.
Fig. 1.11. Torque y relacin de aire / combustible
1.9.2. ENCENDIDO E INFLAMABILIDAD
Cuando el combustible se calienta en el aire, se enciende a cierta
temperatura sin una chispa elctrica o fuego abierto. A esta caracterstica se la llama
flamabilidad (combustibilidad) y la temperatura en ese momento se llama punto de
inflamacin o combustin. El punto de combustin del diesel es aproximadamente
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25
350C y el de la gasolina es aproximadamente 550C. Este punto de inflamacin
ms bajo del diesel es importante en relacin con la combustin del Diesel.
1.10. COMBUSTION EN EL MOTOR A GASOLINA
Cuando la mezcla aire / combustible succionada y comprimida en el cilindro
se enciende por una chispa elctrica, primero comienza la combustin en esa
porcin encendida y, si contina, esta progresa rpidamente y llena todo el cilindro,
alcanzando la presin mxima. Un retraso de tiempo en el encendido por una chispa
hasta que realmente inicie la combustin se llama retraso en el encendido.
1.10.1. PROCESOS DE COMBUSTION MOTOR A GASOLINA
Los procesos de combustin en el motor a gasolina o encendido por buja,
han sido bien estudiados, aunque muy complejos. Se pueden distinguir tres tipos de
combustin:
1. Normal o controlada.
2. Anormal.
3. Incontrolada.
1.10.1.1. Combustin normal
Cuando el pistn se acerca al PMS al final de la carrera de compresin, salta
una chispa entre los electrodos de la buja, producindose la combustin. Esta
combustin depende de la temperatura del frente de llama, densidad y temperatura
de la mezcla. En la combustin normal el proceso es causado por la buja y el frente
de llama se propaga hacia el pistn sin ninguna perturbacin.
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26
A continuacin, se muestra la relacin de la presin interna del cilindro con
el ngulo de rotacin del cigeal con respecto a la combustin en un motor. La
mezcla de aire y combustible se enciende en el punto A y se genera una llama en el
punto B, la llama se propaga rpidamente en el cilindro, y la presin y temperatura
entonces incrementan rpidamente, alcanzando el mximo en el punto C. La
combustin se completa en el punto D. La curva entre los puntos A y B, muestra el
retraso en el encendido.
En el diagrama de la Fig.1.12, se distinguen claramente dos etapas:
1. La etapa AB que se caracteriza por la formacin de ncleos
autopropagantes de la llama.
2. La etapa BC que corresponde a la propagacin de la llama a travs de la
cmara de combustin.
El tiempo de duracin de la primera etapa AB debe ser el mnimo, y a este
punto corresponde a la mxima potencia y cae ligeramente al lado de las mezclas
ricas. Si la mezcla se empobrece el tiempo de duracin se aumenta.
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Fig. 1.12. Presin de la combustin en el cilindro
As dependiendo de la mezcla se tiene que para:
1. = 0.8 para el tiempo mximo para la etapa AB.
2. = 1.1 para el tiempo mnimo para la etapa AB.
Donde:
(Relacin combustible / aire) real
= ----------------------------------------------
(relacin combustible / aire) ideal
El tiempo de duracin de la segunda etapa BC, depende de la temperatura,
presin, grado de turbulencia y composicin qumica de la mezcla.
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Para un comprendido entre 0.8 y 1.2 el tiempo de duracin de la etapa BC
es prcticamente constante, cualquier valor del tipo de mezcla que se salga del
rango mencionado hace que el tiempo de duracin se incremente.
El tiempo total de duracin de la combustin (etapas AB y BC) depende
adems de los factores indicados de la velocidad del motor. Para velocidades
mayores el tiempo de duracin del tiempo total de la combustin se incrementa a la
vez que disminuye el campo de variacin del tipo de mezcla. Tambin incide en este
tiempo la abertura de las vlvulas de escape.
Fig.1.13. Tiempo total de combustin.
Para obtener una ptima eficiencia en los motores de gasolina, la mxima presin
debe alcanzar entre 5 - 20 despus del punto muerto superior, y esta mxima
presin coincide ms o menos con la terminacin del segundo proceso de
combustin (BC).
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Si se ha fijado el tiempo de encendido, con el propsito de obtener la mxima
potencia, y sabiendo que este tiempo vara con el tipo de mezcla y la velocidad del
motor, entonces habr que adelantar el encendido, con el fin de mantener el punto
que corresponde a la mxima eficiencia.
A medida que el tiempo de encendido se adelanta, la presin y la temperatura
al momento de saltar la chispa disminuyen, pero al mismo tiempo se libera ms
calor antes del PMS. El efecto combinado de las condiciones de compresin y el
calor liberado hasta cierto punto permite un incremento de la presin mxima, a
partir del cual, cualquier incremento en el adelanto del encendido hace que la
presin mxima disminuya.
Observando la combustin en un cilindro, la llama se propaga desde el centro
de la buja. La velocidad a la que la flama se propaga es la velocidad de combustin.
Esta generalmente es de 15 a 25 m/s.
Fig. 1.14. La combustin en el cilindro
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1.10.1.2. Combustin anormal.
La combustin anormal se da en los motores de gasolina, cuando habiendo
iniciado la combustin con el salto de la chispa, no progresa de forma regular,
puesto que el gas situado al extremo de los electrodos de la buja, recibe calor por la
compresin de este, y adems por la expansin de los gases quemados, y tambin
existe el efecto de transferencia de calor por radiacin del frente de llama que
avanza quemando la mezcla aire / combustible, incrementando la temperatura del
gas extremo, situacin que permite un encendido espontneo de la mezcla
(autoencendido) que se sita adelante del frente de llama. Este encendido
espontneo es caracterizado por el golpeteo, fenmeno que se le conoce con el
nombre de detonacin.
Experimentalmente se ha demostrado, que la detonacin depende de los
siguientes factores:
1. Composicin del combustible.
2. Relacin de compresin.
3. Temperatura de admisin.
4. Tipo de mezcla.
5. Tiempo de encendido.
6. Velocidad del motor.
7. Posicin del estrangulador.
8. Temperatura del agua de enfriamiento.
1. Composicin del combustible: Combustibles, cuyas curvas de encendido son
similares a las parafinas de trminos superiores muestran una gran tendencia a
la detonacin, mientras que los que tienen curvas de encendido similares a la del
metano la tendencia es menor.
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2. Relacin de compresin: A medida que la relacin de compresin se
incrementa en los motores de gasolina, la presin y la temperatura de los gases
en la cmara de combustin aumenta, incrementndose la tendencia a la
detonacin.
3. Temperatura de admisin: Al elevarse la temperatura de admisin, tambin se
eleva la temperatura de la mezcla en el cilindro, incrementndose la temperatura
del gas extremo, situacin que favorece a que exista golpeteo.
4. Tipo de mezcla: Este parmetro controla la temperatura y presin de
combustin, influyendo directamente en la temperatura del gas extremo,
favorecindose la tendencia al fenmeno de la detonacin, esta tendencia se ve
disminuida con un adelanto excesivo del encendido puesto que la presin
mxima disminuye.
5. Velocidad del motor: Mientras ms baja es la velocidad del motor, la tendencia
a la detonacin es mayor, ya que existe el tiempo suficiente para que el gas
extremo sufra un incremento de temperatura como para que la detonacin se
produzca.
6. Posicin del estrangulador: A travs de este elemento se controla la presin de
admisin y el tipo de mezcla. Cuando se abre el estrangulamiento la presin de
admisin se incrementa y por lo tanto la temperatura del gas extremo.
7. Temperatura del agua de enfriamiento: Al aumentar la temperatura del agua
de enfriamiento, se eleva la temperatura de todo el ciclo, situacin que es
propensa a la detonacin.
1.10.1.3. Combustin incontrolada
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En la combustin incontrolada se debe distinguir tres fenmenos:
1. Pre-encendido.
2. Auto encendido por compresin.
3. Auto encendido retrasado
1. Pre-encendido: Este fenmeno obedece a la forma ms severa de combustin
incontrolada. El encendido tiene lugar antes de que la mezcla sea encendida por
la buja, debido a que existen puntos calientes que bien pueden estar localizados
en la misma buja.
El pre-encendido es un fenmeno comparable a un adelanto en el encendido,
pudiendo ser la superficie de puntos calientes mucho mayor que la chispa
causada entre los electrodos de una buja bajo condiciones normales de
encendido, en cuyo caso la tasa de combustin es ms grande que en una
normal. Este hecho causa elevadas presiones y temperaturas en el interior del
cilindro, originando un trabajo negativo de compresin e incrementando las
prdidas de calor a travs de las paredes.
El pre-encendido sumado al fenmeno de detonacin pueden ser
catastrficos, ya que por si causa una prdida de potencia y eventualmente fallas
mecnicas.
2. Autoencendido por compresin: Este fenmeno se manifiesta cuando ha sido
interrumpida la corriente elctrica a las bujas, y en esta circunstancia el motor
sigue funcionando. Este fenmeno puede ser debido a la existencia de puntos
calientes en el interior de la cmara, sin embargo la causa mayor para la
existencia de autoencendido por compresin es el encendido espontneo de la
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mezcla aire / combustible, ya que la temperatura de encendido del combustible
depende de la presin (Fig.1.15).
Los factores fsicos que influyen en el autoencendido por compresin son:
1. Temperatura de admisin de la mezcla alta.
2. Enfriamiento pobre de la cmara de combustin.
3. Traslape de las vlvulas prolongado.
4. Alta relacin de compresin.
Fig.1.15. Curvas tpicas de presin temperatura de encendido
3. Autoencendido retrasado: Este tipo de encendido esta asociado a los
depsitos de la combustin que pueden estar localizados en cualquier parte
dentro del cilindro, y que debido a un repentino incremento de potencia, hace
que estos depsitos se vuelven incandescentes y encienden la mezcla de aire /
combustible. En trminos generales se puede decir que este tipo de
autoencendido retrasado cae dentro del campo del pre-encendido.
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1.11. DISEO DE LA CAMARA DE COMBUSTION
La cmara de combustin debe disearse para que la mezcla aire /
combustible se queme eficientemente. Para convertir la mezcla a un estado gaseoso
completo, esta es diseada para que se forme una turbulencia en las carreras de
admisin y compresin. Una turbulencia hace que la mezcla se queme
rpidamente, causando por tanto una mayor presin de combustin, y la energa se
genere rpida y eficientemente.
Fig. 1.16. Cmara de combustin
1.11.1. CAMARA TIPO BAERA
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El diseo de baera es simple, por consiguiente, la fabricacin y maquinado
son fciles. Se puede obtener mayor capacidad de elevacin de la vlvula
(movimiento de la carrera ascendente y descendente). Sin embargo, la eficiencia de
admisin y escape es baja debido a las grandes curvaturas de los puertos de
admisin y escape. Por consiguiente, no se debe esperar un alto grado de potencia
con el uso de este tipo.
1.11.2. CAMARA TIPO CUA
Las curvaturas de los puertos de admisin y escape se pueden disponer en
ngulos flexibles, con lo que se facilita la admisin del flujo suavemente de la
mezcla aire / combustible y el flujo de salida del gas de escape.
Como el espacio de la cmara de combustin se centra alrededor de la buja,
la combustin se completa inmediatamente.
Debido a su estructura simple y excelente funcionamiento, este tipo se usa
ampliamente.
1.11.3. CAMARA SEMIESFERICA
Se pueden usar vlvulas grandes, y el flujo de admisin y los gases de
escape pueden ser de flujo cruzado (los puertos de escape y admisin estn
dispuestos en los lados opuestos), consecuentemente, la eficiencia de escape y
admisin es alta.
Las condiciones para la combustin son muy buenas por que la buja se
encuentra cerca del vrtice de la cmara. Este tipo es casi ideal.
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1.11.4. CMARA TIPO VISERA
Este tipo se usa principalmente para motores con cuatro vlvulas por cilindro.
Las vlvulas de escape y admisin tienen forma de visera. La buja se encuentra en
el centro de la cmara, y la combustin es alta.
Fig. 1.17. Formas de la cmara de combustin
1.12. MEZCLAS RICAS Y POBRES EN LA COMBUSTION DE LA
GASOLINA
La expresin mezcla rica indica que hay ms gasolina en la cmara de
combustin de la que se necesita. Cuando se quema una mezcla rica, algunas de
las molculas del hidrocarburo no cambian. Debido a que no hay suficiente oxgeno
en el proceso de combustin, algunas de las molculas del hidrocarburo reaccionan
con menos oxgeno y producen monxido de carbono (CO).
Una mezcla rica generalmente producir ms potencia en un motor que una
mezcla pobre, y permite un arranque ms fcil y la marcha en vaco, lo que puede
presentarse fcilmente en motores equipados con carburador, durante la
desaceleracin.
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Se tiene una mezcla pobre cuando hay menos gasolina de la que se necesita
par consumir en su totalidad el oxgeno y la gasolina durante la combustin. Las
mezclas pobres mejoran el kilometraje y pueden presentarse durante los viajes
tursticos o de crucero. Debe buscarse que la mezcla pobre ocurra durante la
marcha sin motor o en desaceleracin. Esto se maneja ahora en los sistemas de
inyeccin electrnica de combustible.
1.12.1. ARRANQUE
Cuando el motor arranca y est fro, la gasolina no cambia con facilidad del
estado lquido al de vapor. Pero slo se quema si est vaporizado. Para asegurar
que haya suficiente vapor de gasolina en la cmara de combustin, se entrega una
mezcla extra rica. Esto se hace con la inyeccin de combustible, manteniendo los
inyectores abiertos por ms tiempo. En un motor carburado, el ahogador se cierra.
Si hay ms gasolina, sale ms vapor de cada gota de gasolina lquida. de
ese modo, se vaporiza suficiente gasolina para que se produzca la combustin. El
inconveniente es que una mezcla ms rica permite ala expulsin de mucho
combustible por el tubo de escape del motor, como hidrocarburos no quemados.
1.12.2. MARCHA EN VACIO
Cuando el motor trabaja muy despacio, en vaco, produce slo la suficiente
potencia para seguir funcionando. La placa del obturador (mariposa de aceleracin)
en el carburador, o el cuerpo del obturador, est casi cerrada. Entra muy poco aire al
motor. La presin de compresin es ms baja y las molculas del aire en el interior
de la cmara de combustin se mueven lentamente y estn separadas. Se
necesitan ms molculas de combustible para asegurar que el frente de llama se
propague o extienda completamente por toda la cmara. Durante la marcha en
vaco se necesita una mezcla ms rica con ms molculas de combustible.
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1.12.3. DESACELERACION
Cuando el motor es detenido por la potencia de las ruedas del vehculo,
durante la desaceleracin, el vaco en el mltiple se eleva mucho. Los pistones son
vigorosamente jalados hacia abajo cuando el momento del vehculo se transmite al
tren de transmisin. Debido a que el conductor quiere marchar por inercia o
disminuir la velocidad, el obturador se cierra. Eso crea un alto vaco en el mltiple.
Cualquier combustible que est cubriendo el interior del mltiple de admisin se
evapora rpidamente a baja presin y entra al motor.
Con un sistema de inyeccin de combustible, los inyectores pueden cerrarse
completamente durante la desaceleracin y slo entra aire para evitar que ocurra la
combustin. Cuando la velocidad del motor baja, casi a marcha en vaco, los
inyectores se activan de nuevo con la computadora y la mezcla aire / combustible
vuelve ha ser normal. Los ingenieros que disean los sistemas de inyeccin de
combustible pueden decidir que simplemente se empobrezca la mezcla durante la
desaceleracin. En ese caso los inyectores de combustible se abren por muy corto
tiempo.
1.12.4. POTENCIA Y ACELERACION
El conductor da la seal al motor para que produzca ms potencia, abriendo
la mariposa. El modo como un motor desarrolla ms potencia es combinando ms
combustible y aire en la reaccin qumica que produce calor. Debe ocurrir una
combustin con ms aire y combustible para producir ms calor. Ese calor produce,
en el interior del cilindro, la presin que impulsa al pistn hacia abajo en la carrera
de potencia.
CONTROL DE EMISIONES VEHICULARES EN EL D. M. Q.
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Cuanto de ms aire se disponga en el cilindro durante la compresin, ms
posibilidad habr de producir calor en la combustin. Para estar seguro de que se
usa todo el aire para producir potencia, se aade combustible extra en el sistema de
entrega durante la aceleracin o alta demanda de potencia. Las molculas de
combustible extra aseguran que todas las molculas de oxgeno encuentren
molculas de combustible para combinarse qumicamente y producir la mxima
energa calorfica.
1.12.5. CRUCERO
Est expresin significa que se viaja a la velocidad ms eficiente. El
conductor quiere desplazarse a una velocidad en que el kilometraje sea bueno. El
buen kilometraje requiere funcionar con una mezcla estequiomtrica o muy
ligeramente pobre: con menos combustible del que se requiere para una combustin
perfecta.
La velocidad crucero no requiere que la mquina produzca mucha potencia.
La mayor parte de los autos actuales requieren de 8 a 14 caballos de fuerza para
mantener una velocidad de 80 km/h. en un camino nivelado y sin viento.
El sistema para adicionar combustible mide la entrada del flujo de aire y
agrega precisamente lo suficiente, o ligeramente menos, del combustible que se
necesita para que combine perfectamente con todo el oxgeno en la cmara de
combustin.
La mezcla que se agrega es estequiomtrica o ligeramente pobre.
1.12.6. CONDICIONES DE MEZCLAS AIRE / COMBUSTIBLE
CONTROL DE EMISIONES VEHICULARES EN EL D. M. Q.
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El motor en condiciones normales de funcionamiento, puede trabajar tanto en
condiciones en las cuales las mezclas aire / combustible son ricas o pobres,
respondiendo siempre a un estado propio de funcionamiento.
A continuacin se presentan algunos ejemplos de aplicacin y algunas fallas
provocadas por diferentes condiciones de mezcla:
1.12.6.1. Exceso de aire o deficiencia de gasolina: mezcla pobre (Para valores
mayores de 14,7:1, 16:1, 17:1, )
Consecuencias Estados de trabajo
Alta emisin de gases
Prdida de potencia
Mayores desgastes
Recalentamiento
Autoencendido
Menor velocidad del frente de llama
En velocidades intermedias
Cuando se desacelera o se frena
Cuando se trata de bajar el consumo
1.12.6.2. Deficiencia de aire o exceso de gasolina: mezcla rica (Para valores
menores de 14,7:1, 14:1, 13:1, )
Consecuencias Estados de trabajo
Alto consumo de gasolina
Bajo rendimiento
Mayor velocidad del frente de llama
Autoencendido
Alta emisin de gases
Para arrancar el motor despus que se ha enfriado
Para arrancar el motor en caliente
Al acelerar
Al necesitar del motor la mxima potencia
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Fig. 1.18. Potencia vs. Relacin aire / combustible
Fig. 1.19. Consumo vs. Relacin aire / combustible
1.12.7. EL FACTOR LAMBDA ( )
CONTROL DE EMISIONES VEHICULARES EN EL D. M. Q.
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Fig. 1.20. Factor Lambda ( )
Otra forma tcnica de conocer cuando la mezcla aire / combustible puede ser
pobre o rica, es tomando como referencia el factor ( ), que se define como:
Volumen de aire aspirado real
Volumen de aire teorico
Cuando = 1: El volumen de aire aspirado real es igual a la necesidad terica de ese
momento.
Cuando < 1: Existe dficit de aire en la cmara de combustin, esto es existen
condiciones de mezcla rica, por ejemplo = 0,89.
Cuando > 1: Hay exceso de aire en la cmara de combustin, esto es existen
condiciones de mezcla pobre, por ejemplo = 1,20.
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1.13. EMISIONES DE ESCAPE Y SUS CAUSAS
Emisin de escape es la expresin que describe los gases de la combustin y
las partculas que se dejan escapar por el tubo de escape del automvil. Algunos de
estos gases son aceptables a nuestro medio ambiente.
Fig.1.21. Anlisis de gases de escape.
Otros gases y partculas causan dao, tanto a las personas como al
ambiente.
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Cuando las personas que trabajan en la industria automotriz hablan de
emisiones, se refieren a los gases y partculas de la combustin indeseables.
Las razones ms importantes por las que algunos de los productos de la
combustin se consideran indeseables, son porque causan dao a las personas,
causan el esmog o lluvia cida.
1.13.1. HIDROCARBUROS QUE NO SE QUEMAN
La gasolina es un hidrocarburo. Cuando la mezcla aire / combustible que est
en el interior del motor se comprime, enciende y ocurre la combustin, una parte de
la gasolina no reacciona en el proceso de combustin. Esas molculas de
hidrocarburos salen por el tubo de escape con el resto de los productos de la
combustin.
Los hidrocarburos que no se queman causan problemas de respiracin a la
gente si se respiran concentrados o en cantidades ms pequeas, en forma
continua y por largos perodos. Los hidrocarburos que no se queman tambin se
combinan, en ciertas condiciones, con las molculas que hay en el aire, y producen
el esmog fotoqumico.
Las emisiones de hidrocarburos provenientes de un motor que no se queman,
se pueden disminuir si no se permite que entren mezclas ricas al motor, por largo
tiempo. El rpido calentamiento del motor ayuda tambin a que la gasolina se
evapore y se queme completamente. El convertidor cataltico del automvil puede
oxidar las molculas de hidrocarburo produciendo agua y dixido de carbono.
1.13.2. MONOXIDO DE CARBONO
El monxido de carbono es otro subproducto no deseado de la combustin de
hidrocarburos. Es un gas mortal que la gente absorbe por el torrente sanguneo y
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que evita que la sangre, a su vez, absorba oxgeno. Si se aspira suficiente monxido
de carbono, la sangre lo absorbe y el individuo muere. Permanecer unos cuantos
minutos en el interior de un edificio carente de ventilacin con el motor del automvil
funcionando, puede causar la muerte. El primer sntoma es el aturdimiento. Las
concentraciones bajas de monxido de carbono en el torrente sanguneo pueden
causar dolor de cabeza.
El monxido de carbono se forma durante la combustin de hidrocarburos
cuando no hay suficiente oxgeno para formar dixido de carbono.
Fig.1.22. Factor Lambda vs. Gases de escape
Un modo de evitar o disminuir la emisin de monxido de carbono de un
automvil es proporcionar ms aire para la combustin. Si hay mucho oxgeno
durante la combustin, las molculas de carbono se combinan con dos de oxgeno y
no producen monxido de carbono. El convertidor cataltico tambin puede
ocasionar que un poco del CO producido se oxide ms y forme el CO2.
CONTROL DE EMISIONES VEHICULARES EN EL D. M. Q.
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Es importante que tenga la relacin correcta de aire / combustible para disminuir las
cantidades de emisiones no deseadas.
Fig.1.23. Estados del motor segn el factor Lambda
1.13.3. OXIDOS DE NITROGENO
Bajo ciertas condiciones de combustin, parte del nitrgeno que hay en el aire
se combina qumicamente con una parte del oxgeno del aire. Esto da como resultado
la produccin de varios xidos de nitrgeno. Todos los xidos de nitrgeno se
agrupan bajo el smbolo NOx. La x sustituye a las diferentes combinaciones de
oxgeno con nitrgeno que puedan ocurrir.
Los xidos de nitrgeno se combinan con el agua y forman cido en el aire.
Cuando llueve a travs de este aire, la lluvia tiene un contenido cido en vez de ser
neutro. La lluvia cida daa las plantas y mata los peces y lo que stos pueden
comer en lagos, ros y corrientes.
CONTROL DE EMISIONES VEHICULARES EN EL D. M. Q.
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El nitrgeno no es un elemento qumico activo. Necesita mucha energa para
combinarse con otras molculas. Cuando la temperatura de la combustin en el motor
del automvil es muy elevada, pueden formarse compuestos de xido de nitrgeno.
Las altas temperaturas de la combustin son el problema que crea los xidos de
nitrgeno.
Las temperaturas de combustin se bajan, en los motores ms recientes,
diluyendo la mezcla de aire / combustible con el gas de escape de la combustin
anterior. Esto se llama recirculacin del gas de escape. Debido a que hay menos
aire y combustible en la mezcla comprimida al momento de la combustin, se logran
temperaturas ms bajas de combustin y se forman menos xidos de nitrgeno. Los
automviles ms recientes tambin utilizan convertidores catalticos de tres vas.
La primera parte de estos convertidores se usa para reducir los xidos de nitrgeno
transformndolos en nitrgeno y oxgeno. Se disminuyen as las emisiones nocivas.
1.13.4. OTROS PRODUCTOS DE LA COMBUSTION
De lo que hasta aqu se ha explicado, ya se sabe que la combustin de los
hidrocarburos produce dixido de carbono. Cuando se inhala aire hay una forma
lenta de oxidacin en nuestros cuerpos. Tambin nosotros producimos dixido de
carbono cuando exhalamos. El dixido de carbono lo usan las plantas para absorber
el carbono del aire. Las plantas devuelven el oxgeno al aire y retienen el carbono. El
dixido de carbono es til en nuestro sistema ecolgico, sin embargo, demasiado
dixido de carbono en la atmsfera puede ocasionar el efecto invernadero.
Otros productos de la combustin de hidrocarburos se estudian menos. El
mundo cientfico no est seguro de todos los beneficios o problemas que pueden
ocurrir con los productos de la combustin. Entre otros productos de la combustin
se pueden mencionar los siguientes:
1. Amoniaco.
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2. Sulfuro de hidrgeno.
3. Aminas Orgnicas.
4. Aldehidos.
5. Acetonas.
1.14. COMBUSTIBLES PARA MOTORES
Los combustibles para motores de combustin interna son materias cuya
energa qumica puede transformarse en calor y a continuacin en trabajo mecnico
en el motor. Pueden clasificarse en slidos, lquidos y gaseosos. Los slidos no
tienen aplicacin prctica en el campo de la automocin, solamente si se los
transforma a gaseosos.
Los combustibles gaseosos pueden ser naturales, o bien obtenidos de la
gasificacin de slidos. Para su utilizacin deben ser encerrados en depsitos de
gran peso y volumen, siendo ste uno de los graves inconvenientes que presentan
para su utilizacin, junto con su bajo poder calorfico, lo que limita su empleo casi
exclusivamente a vehculos destinados a circulacin urbana, como los taxis. Estos
combustibles gaseosos pueden ser gases lquidos y gases permanentes. Los
primeros son una mezcla de hidrocarburos como el propano y el butano. Los
segundos no son empleados en automocin, ya que para ser almacenados
requieren de grandes presiones.
Los combustibles lquidos son los actualmente empleados casi
exclusivamente en los motores de combustin interna, y entre stos, la inmensa
mayora son derivados del petrleo, aunque tambin se utilizan en algunos casos el
benzol y los alcoholes.
Se pueden distinguir dos grandes categoras dentro de los combustibles
lquidos derivados del petrleo: los carburantes y los aceites pesados, que se
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diferencian entre s especialmente por su volatilidad. Los carburantes son
empleados en motores de encendido por chispa y entre ellos se destaca la gasolina.
Los aceites pesados o petrleos se utilizan en los motores Diesel y entre ellos se
destaca el diesel y bnker, el benzol y los alcoholes se pueden incluir en el grupo
de los carburantes.
1.14.1. COMBUSTIBLES DERIVADOS DEL PETROLEO
En los motores de combustin interna, los combustibles universalmente
empleados son la gasolina y el diesel, los mismos que se obtienen de la destilacin
del petrleo.
El petrleo crudo es una mezcla de un gran nmero de hidrocarburos, es
decir, compuestos de hidrgeno y carbono, con impurezas de azufre, nitrgeno y
oxgeno en pequea proporcin. Procede de la putrefaccin de vegetales sometidos
a gran presin y elevada temperatura en el interior de la corteza terrestre.
El petrleo natural no puede ser empleado como combustible directo, ya que
contiene hidrocarburos de difcil combustin y productos incombustibles.
Generalmente esta compuesto por un 85% de carbono, 12% de hidrgeno, 1% de
azufre, 1% de nitrgeno y 1% de oxgeno, aunque est composicin vara segn el
pozo del que se extrae, diferencindose unos de otros por el nmero y disposicin
de los tomos en la formacin de las molculas, ya que dado el carcter especfico
de los tomos de carbono, pueden unirse entre s por simple, doble y triple enlace,
de los que resultan las diferentes familias de hidrocarburos, entre las que cabe
destacar.
a) Serie parafnica: en la que los tomos de carbono se unen por enlaces
simples, formando una cadena simple. Pertenecen a esta serie los
hidrocarburos llamados parafinas, entre los que se pueden citar el hexano,
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heptano y octano. Cuando la estructura molecular es ramificada, los
hidrocarburos de esta serie se denominan isoparafinas, como el isoctano.
b) Serie naftnica: donde la estructura molecular es de cadena cerrada o
cclica. Pertenecen a ella el cicloexano, cicloheptano, etc.
c) Serie aromtica: cuya estructura molecular es de cadena cerrada no
saturada. Pertenecen a ella hidrocarburos como el benceno.
De lo expuesto se puede deducir que el petrleo bruto no es una mezcla de
hidrocarburos perfectamente definida, sino que contiene hidrocarburos de las tres
series citadas.
La gasolina y el diesel son productos obtenidos de la destilacin del petrleo
bruto, los mismos que contienen hidrocarburos de todas las series. En las gasolinas
predominan fundamentalmente el hexano, heptano, isoctano y pentano.
1.14.2. OTROS TIPOS DE COMBUSTIBLES
Independientemente de los combustibles obtenidos de la destilacin del
petrleo crudo, existen tambin otros cuyo origen es distinto y que pueden
obtenerse por muy diversos procedimientos. Se pueden citar los siguientes:
a) Gasolina sinttica: Componen esta variedad de gasolina ciertos
hidrocarburos obtenidos por la combinacin directa del carbono y el
hidrgeno. El procedimiento consiste en la hidrogenacin del carbn fsil,
el lignito o el alquitrn.
b) Benzol: Se obtiene del alquitrn o carbn fsil, el cual se calienta fuera
del contacto con el aire, con lo que se produce la rotura de sus grandes
molculas, ricas en carbono, hidrgeno, oxgeno, nitrgeno y azufre.
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c) Etanol: Es el alcohol etlico tcnicamente puro, que se obtiene
fundamentalmente de sustancias amilceas como la patata y los cereales.
Se produce mediante fermentacin y posterior destilacin. Presenta una
elevada resistencia al picado.
d) Metanol: Es el alcohol metlico tcnicamente puro, que se obtiene
frecuentemente mediante procesos de catlisis a altas presiones,
partiendo del xido de carbono y el hidrgeno. Este combustible es
particularmente pobre en caloras y se utiliza preferentemente mezclado
con el etanol en proporciones de dos a una.
e) Gases lquidos: Son mezclas de gases como el butano, metano,
propano, etc., que se obtienen de gases naturales, o en procesos de
cracking o hidrogenacin y los constituyen hidrocarburos parafnicos y
bencnicos. El ms utilizado en la actualidad es el denominado GLP (gas
licuado de petrleo).
1.14.3. PROPIEDADES DE LOS CARBURANTES
Los combustibles empleados en los motores de combustin interna deben
cumplir una determinada exigencias para su utilizacin. Especialmente los
carburantes utilizados en los motores de encendido por chispa, requieren de ciertas
caractersticas entre las que se pueden citar:
Volatilidad
Es una de las propiedades ms importantes de un carburante, y consiste en
la facilidad que ste posee de difundirse en el aire, es decir, de evaporarse. La
volatilidad se determina incrementando la temperatura del lquido hasta lograr la
evaporacin. Un lquido que se evapora a temperatura relativamente baja, posee
una gran volatilidad.
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Para facilitar el arranque del motor es conveniente que la volatilidad del
combustible sea alta, proporcionndose de esta forma la vaporizacin y
homogeneizacin de la mezcla aire / combustible, sobre todo en las bajas
temperaturas, en las cuales, la distribucin del combustible en los diferentes
cilindros se ve favorecida, lo que da como resultado una mejor aceleracin del
motor. No siendo conveniente tampoco, que la temperatura de ebullicin sea
demasiado baja, ya que la gasolina tiende a formar bolsas de vapor en el carburador
y en los conductos de aspiracin, lo que puede interrumpir el flujo.
Calor de vaporizacin
Se define como la cantidad de calor necesaria para transformar una cierta
cantidad de lquido en vapor, a temperatura y presin invariable. A causa de la
vaporizacin del carburante en el carburador, se produce un descenso de la
temperatura de la mezcla aire / combustible, que puede estar alrededor de 20C
para la gasolina. Este descenso de temperatura puede producir una congelacin si
la humedad relativa del aire de la mezcla supera el 70% y la temperatura del mismo
est comprendida entre 0 y 10C. Un elevado calor de vaporizacin dificulta el
arranque y la marcha en fro del motor, mientras que en caliente favorece un eficaz
rendimiento volumtrico.
Peso especfico
Se utiliza para designar los diferentes tipos de combustible o componentes de
stos, permitiendo calcular los datos de volumen y peso. Actualmente se tiende a
fijar los lmites inferior y superior del peso especfico, con el fin de no tener que
efectuar modificaciones de los rganos que regulan la alimentacin del motor, los
cuales estn relacionados con el volumen del combustible y no con su peso.
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Un bajo peso especfico aumenta el consumo de combustible. Los lmites
superiores de los combustibles empleados en los motores de automviles son
respectivamente 0,77 y 0,89 Kg/dm3 para la gasolina y el diesel.
Poder calorfico
Es el valor del contenido de energa del combustible, el cual vara con
relacin a las cantidades de hidrgeno y carbono. Tambin puede definirse como la
cantidad de calor liberada cuando el combustible se ha quemado totalmente. Cuanto
mayor es la cantidad de hidrgeno, tanto ms elevado resulta el poder calorfico. A
mayor poder calorfico corresponde menor consumo de combustible. El poder
calorfico de la gasolina y diesel empleados en los automviles suele estar
comprendido entre 10 500 y 11 000 Kcal/Kg.
Consumo de aire
Es la cantidad de aire que se necesita para la combustin completa de un
carburante. En la gasolina, la relacin estequiomtrica aire / combustible es
aproximadamente 15:1, es decir, para una combustin completa de 1Kg de
carburante son necesarios 15Kg de aire.
Los motores de gasolina alcanzan su mayor potencia con un 0 a 10% de
escasez de aire (mezcla rica) y su mayor rendimiento trmico y menor consumo de
combustible con un 10% de exceso de aire (mezcla pobre). Los motores Diesel
trabajan a la mxima potencia con exceso de aire del 10 al 15%.
Fluidez y punto de congelacin
La fluidez de los combustibles se valora segn el poder de filtracin o punto
de vertido, el cual representa la temperatura ms baja, bajo prueba, a la cual el
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combustible puede fluir por su propio peso. Esta cualidad es un factor importante,
dado que es necesario que el combustible fluya libremente a la temperatura ms
baja posible.
En el diesel se tiene muy en cuenta esta propiedad, por cuanto a bajas
temperaturas y por segregacin de parafina (parafinado), aumenta la resistencia
opuesta por los filtros de combustible, de tal modo, que se hace difcil el suministro,
por lo cual se recomienda que a partir de 15 C se aade una cierta cantidad de
petrleo para mejorar la fluidez.
Se llama punto de enturbamiento a la cual la cera del combustible diesel se
cristaliza y, al volverse slida, va al combustible un aspecto turbio, que recibe el
nombre de parafinado.
La resistencia al fro de la gasolina se caracteriza por el punto de
cristalizacin, o sea, la temperatura a la que precipitan por primera vez los cristales.
En los combustibles usuales, este punto es tan bajo que no presentan dificultades
en invierno. Generalmente se establece por debajo de los 20 C.
Pureza y residuos de la combustin
Los combustibles deben estar libres de impurezas que dificulten el
funcionamiento del motor. Con este propsito se limita el contenido de azufre, la
acidez y el porcentaje de substancias resinosas. Las sustancias resinosas, tienden a
formar depsitos en los conductos de aspiracin, segmentos y otras partes del
motor, que dificultan su funcionamiento.
En el diesel especialmente es necesario limitar al mximo las sustancias
incrustantes y abrasivas, como residuos carbonosos y cenizas, que pueden causar
graves daos en la bomba de inyeccin.
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1.14.4. PODER ANTIDETONANTE DEL CARBURANTE
Cuando un motor de encendido por chispa funciona en condiciones extremas
como son: cargas elevadas, adelanto al encendido, temperaturas ambiente altas,
etc., puede originarse el fenmeno de la detonacin.
La combustin normal de la mezcla aire / combustible se realiza con la
formacin de un frente de llama, que se propaga por capas desde la buja, en todas
las direcciones, producindose una cantidad de calor que hace aumentar la presin
a que se somete a la mezcla no inflamada todava y puede hacerla explosionar en
los casos extremos, lo que se conoce con el nombre de detonacin y se traduce en
una violenta vibracin de las paredes de la cmara de combustin, decidindose en
este caso que el motor pica.
El picado es, por tanto, la consecuencia de una conduccin anormal, que se
produce tanto ms fcilmente, cuanto mayor es la relacin de compresin y
depende fundamentalmente de las caractersticas antidetonantes del combustible.
Cuando un combustible puede soportar elevadas compresiones sin detonar,
se dice que est dotado de un elevado poder antidetonante. La calidad de un
carburante depende fundamentalmente de esta caracterstica, cuya medida viene
dada por el llamado nmero de octano (NO).
Se puede afirmar que cuanto ms elevado sea el NO de un combustible,
tanto mayor es su capacidad de resistir a la detonacin y mayor puede ser la
relacin de compresin utilizada en el motor, sin embargo, es de hacer notar que
cada unidad de aumento en el NO, produce un efecto antidetonante mayor cuando
dicho ndice es ms alto.
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La gasolina de NO inferior a 90 es la llamada EXTRA, desde un NO = 90 se
denomina SUPER anotando de que existe gasolinas con valores mayores de 100
para NO.
1.15. LUBRICACION
Las superficies metlicas, por muy pulimentadas que estn, no son
completamente lisas y si se observan a travs de un microscopio, podrn apreciarse
sus rugosidades, como se ha representado en la Fig. 1.24.
Si estas piezas se frotan una contra otra, sometindolas adems a una fuerte
presin, se producir un gran desgaste de las mismas debido al rozamiento y una
elevacin de la temperatura con la que las molculas de ambas piezas tienden a
soldarse, dando origen al fenmeno llamado comnmente agarrotamiento o
gripado. Es fcil imaginar cmo tropiezan los salientes de ambas piezas en su
movimiento.
La lubricacin en el motor tiene por objeto impedir el agarrotamiento y
disminuir el trabajo perdido en rozamiento. Interponiendo entre las dos piezas
metlicas una pelcula de lubricante, las molculas del aceite se adhieren a ambas
superficies, llenado los intersticios de las irregularidades, con lo cual, en el
movimiento de ambas piezas, stas arrastran consigo el aceite adherido a ellas, con
lo que el rozamiento entre las piezas metlicas es sustituido por un roce de
deslizamiento interno del fluido, que es muy inferior y produce menos calor.
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Fig. 1.24. La Lubricacin
Si la pelcula de lubricante interpuesta se renueva continuamente, el calor
producido por el rozamiento es evacuado con ella.
Es evidente que la pelcula de aceite interpuesta entre las superficies en
frotamiento debe ser suficiente fluida en fro, como para no engendrar un par
resistente elevado en los momentos de arranque en fro del motor, mantenindose
por otro lado suficientemente viscosa cuando el motor ha alcanzado su temperatura
normal de funcionamiento, de manera que realice correctamente las funciones de
estanqueidad entre la zona de combustin y el crter motor, rellenando los espacios
libres entre pistn y camisa (rugosidad de superficie).
Cuando dos superficies se mantienen totalmente separadas por la pelcula de
aceite, no existe contacto metlico alguno y el desgaste es mnimo. La resistencia al
movimiento entre las superficies es solamente la originada por la viscosidad del
aceite, lo que ocasiona un coeficiente de rozamiento muy pequeo (entre 0.002 y
0.001) y una capacidad portante elevada (aproximadamente 1 200 Kg/cm2).
Disminuyendo la velocidad relativa entre dos superficies o aumentando la
carga, queda reducido el espesor de la pelcula de aceite, con lo que puede ocurrir
que algunas de las regularidades de las superficies metlicas se pongan en
contacto, por lo que aumenta el coeficiente de rozamiento y disminuye la capacidad
portante.
El coeficiente de rozamiento est comprendido entre 0.01 y 0.1 y la capacidad
portante disminuye hasta 20 Kg/cm2
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Las superficies no lubricadas tienen coeficientes de rozamiento muy
superiores a estos y capacidades portantes inferiores.
Los cojinetes de biela y bancada son, en general, los que presentan mayores
problemas de lubricacin en los motores.
Es evidente, pues, que las condiciones de lubricacin del motor durante el
arranque son poco favorables, por cuya causa no es conveniente que la carga a que
se le somete en esas condiciones sea acusada. En estos instantes es cuando se
producen los mximos desgastes.
En el rozamiento del pistn contra la pared del cilindro, los tanques, vstagos
de vlvula, etc., la lubricacin es del tipo lmite y est confiada a la calidad del
aceite, ya que aqu no se genera presin en la pelcula.
De ah la importancia que tiene el acabado logrado en estas superficies.
1.15.1. OBJETIVOS DE LA LUBRICACION
La lubricacin debe cumplir los siguientes objetivos:
a) Lubricar las partes mviles con el fin de atenuar el desgaste, impidiendo
el contacto directo de las superficies metlicas, con lo que se disminuye
el trabajo perdido en rozamiento.
b) Refrigerar las partes lubricantes evacuando el calor de estas zonas.
c) Aumentar la estanqueidad en los acoplamientos mecnicos. Con la
pelcula de aceite interpuesta entre pistn y cilindro mejora notablemente
el sellado entre ambos.
d) Amortiguar y absorber los choques en los cojinetes.
e) Eliminar calor generado.
f) Proteccin de los metales contra: corrosin y oxidacin
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g) Lavado y arrastre de contaminantes.
h) Transmisin de potencia.
1.15.2. FACTORES ESENCIALES QUE AFECTAN A LA
LUBRICACION
Influyen grandemente en la lubricacin, adems de las caractersticas del
lubricante, los siguientes factores:
a) Grado de pulimento de las superficies en contacto.
b) Naturaleza y dureza de los materiales que constituyen las superficies de
contacto.
c) Huelgo existente en el acoplamiento.
1. La viscosidad del aceite. A mayor viscosidad ms rpidamente se formar la
pelcula.
2. la velocidad de rotacin. A mayor velocidad ms fcilmente se formar la
pelcula.
3. Carga sobre el cojinete. A mayor carga a soportar ms fcil ser que la
pelcula se rompa.
4. Grado de acabado superficial. Cuando las superficies estn finamente acabadas, la
pelcula puede ser ms delgada o lo contrario.
5. Los dimetros y holguras de cojinetes. Son todos ellos factores importantes.
6. Alimentacin de lubricante. Debe ser continua y abundante.
1.15.3. CARACTERISTICAS DE LOS LUBRICANTES
Dado que la pelcula de lubricante va a estar sometida en el funcionamiento
del motor a elevadas temperaturas y presiones, se comprende que la calidad del
mismo ha de ser tal que no se queme ni rompa la pelcula, lo que se consigue
utilizando aceites minerales. Estos aceites se extraen del petrleo bruto,
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destilndole a ms de 360 C y estn constituidos por una mezcla de hidrocarburos.
Para su utilizacin en los motores, deben ser refinados, operacin sta que
consiste en eliminar las sustancias asflticas y cidas. Durante la operacin se le
aaden aditivos que mejoran sus propiedades. La clasificacin que distingue a los
diferentes tipos de lubricantes, viene impuesta en base a las siguientes
caractersticas:
Viscosidad
Es la caracterstica principal de un aceite y representa la resistencia que el
lquido opone a fluir.
Las capas de la pelcula de aceite se adhieren a las superficies metlicas,
producindose un frotamiento entre las distintas subcapas. La viscosidad del aceite
es lo que determina la mayor o menor dificultad con que se producen estos
movimientos internos de la pelcula.
La viscosidad se mide calculando el tiempo que tarda en fluir una cierta
cantidad de lubricante a travs de un determinado orificio de salida,
comparativamente con lo que tarda en fluir la misma cantidad de agua a la
temperatura de 20 C. La unidad de medida es, en este caso, el grado Engler (E).
En la actualidad se utiliza preferentemente la llamada viscosidad cinemtica,
la cual se mide por medio de viscosmetros adecuados, que tienen por objeto
averiguar la relacin entre la viscosidad absoluta o dinmica (medida en Poises) y el
peso especfico (medido en gr/cm3). La viscosidad cinemtica se expresa en
unidades Stokes (St) o su submltiplo Centistokes (cSt).
Con relacin a la viscosidad de un lubricante, podemos distinguir dos
aspectos: espesor y fluidez. El espesor se relaciona con la resistencia de una
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pelcula a su penetracin por la aplicacin de fuertes cargas. As, cuando por
ejemplo se produce la combustin, el cojinete de biela es cargado bruscamente,
siendo la pelcula de aceite la que soporta la carga actuando su cuerpo como un
colchn, amortiguando el golpe de carga.
La fluidez hace referencia a la mayor o menor dificultad con la que es capaz
de circular el aceite a travs de las canalizaciones de engrase y cojinetes,
interponindose entre las superficies.
La fluidez y el espesor o cuerpo son propiedades contrapuestas y determinan
la viscosidad de un aceite.
La viscosidad de los lubricantes disminuye rpidamente al aumentar la
temperatura, con la cual se pierde cuerpo y se gana fluidez. La calidad del lubricante
es tanto mejor, cuanto menor sea su variacin trmica.
Indice de viscosidad
La viscosidad de un aceite vara cuando cambia su temperatura. Los aceites
se "espesan" cuando se enfran, y se vuelven ms "delgados" cuando se calientan.
El ndice de viscosidad (IV) es una medida de los cambios de viscosidad de un
aceite con la temperatura. Los aceites con alto IV disminuyen relativamente poco su
viscosidad al calentarse, y se espesan menos a bajas temperaturas, en
comparacin con los aceites con bajo IV.
Los IV fueron inicialmente establecidos en una escala entre 0 y 100, que ha
sido rebasada por las nuevas tecnologas de fabricacin de lubricantes,
encontrndose actualmente aceites (como los sintticos) con IV superiores a 150 y
por tanto con viscosidades muy estables. Convencionalmente, los aceites con IV
menor a 50 se los denomina de bajo nd
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