CICLO DEL DIÉSEL

domingo, 24 de octubre de 2010



El ciclo del motor diésel lento (en contraposición al ciclo rápido, más aproximado a la realidad) ideal de cuatro tiempos es una idealización del diagrama del indicador de un motor Diesel, en el que se omiten las fases de renovación de la carga., y se asume que el fluido termodinámico que evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Además, se acepta que todos los procesos son ideales y reversibles, y que se realizan sobre el mismo fluido. Aunque todo ello lleva a un modelo muy aproximado del comportamiento real del motor, permite al menos extraer una serie de conclusiones cualitativas con respecto a este tipo de motores. No hay que olvidar que los grandes motores marinos y de tracción ferroviaria son del ciclo de 2 tiempos.


Consta de las siguientes fases:

1. Compresión, proceso 1-2: es un proceso de compresión adiabática reversible (isentrópica), es decir sin intercambio de calor con el exterior. Viene a simbolizar el proceso de compresión de la masa fresca en el motor real, en el que en el pistón, estando en el punto muerto inferior (PMI), empieza su carrera de ascenso, comprimiendo el aire contenido en el cilindro. Ello eleva el estado termodinámico del fluido, aumentando su presión, su temperatura y disminuyendo su volumen específico, en virtud del efecto adiabático. En la idealización, el proceso viene gobernado por la ecuación de la isentrópica , con k índice de politropicidad isentrópico.
2. Combustión, proceso 2-3: en esta idealización, el aporte de calor Qp se simplifica por un proceso isóbaro (a presión constante). Sin embargo, la combustión Diesel es mucho más compleja: en el entorno del punto muerto superior (PMS) (en general un poco antes de alcanzarlo debido a problemas relacionados con la inercia térmica de los fluidos, es decir el retraso que hay entre la inyección y la inflamación espontánea), se inicia la inyección del combustible (en motores de automóviles, gasóleo, aunque basta con que el combustible sea lo suficientemente autoinflamable y poco volátil). El inyector pulveriza y perliza "atomiza" el combustible, que, en contacto con la atmósfera interior del cilindro, comienza a evaporarse. Como quiera que el combustible de un motor Diesel tiene que ser muy autoinflamable (gran poder detonante, indice de Cetano alto), ocurre que, mucho antes de que haya terminado la inyección de todo el combustible, las primeras gotas de combustible inyectado se autoinflaman y dan comienzo a una primera combustión caracterizada por ser muy turbulenta e imperfecta, al no haber tenido la mezcla de aire y combustible tiempo suficiente como para homogeneizarse. Esta etapa es muy rápida, y en el presente ciclo se obvia, pero no así en el llamado ciclo Diesel rápido, en el que se simboliza como una compresión isócora al final de la compresión. Posteriormente, se da, sobre la masa fresca que no ha sido quemada, una segunda combustión, llamada combustión por difusión, mucho más pausada y perfecta, que es la que aquí se simplifica por un proceso isóbaro. En esta combustión por difusión se suele quemar en torno al 80% de la masa fresca, de ahí que la etapa anterior se suela obviar. Sin embargo, también es cierto que la inmensa mayoría del trabajo de presión y de las pérdidas e irreversibilidades del ciclo se dan en la combustión inicial, por lo que omitirla sin más sólo conducirá a un modelo imperfecto del ciclo Diesel. Consecuencia de la combustión es el elevamiento súbito del estado termodinámico del fluido, en realidad debido a la energía química liberada en la combustión, y que en este modelo ha de interpretarse como un calor que el fluido termodinámico recibe, y a consecuencia del cual se expande en un proceso isóbaro reversible.
3. Expansión, proceso 3-4: se simplifica por una expansión isentrópica (adiabática) del fluido termodinámico, hasta el volumen específico que se tenía al inicio de la compresión. En la realidad, la expansión se produce a consecuencia del elevado estado termodinámico de los gases tras la combustión, que empujan al pistón desde el PMS hacia el PMI, produciendo un trabajo. Nótese como, como en todo ciclo de motor de cuatro tiempos o dos tiempos, sólo en esta carrera, en la de expansión, se produce un trabajo.
4. Última etapa, proceso 4-1: esta etapa es un proceso isocórico (escape) es decir a volumen constante. Desde la presión final de expansión hasta la presión inicial de compresión. En rigor, carece de cualquier significado físico, y simplemente se emplea ad hoc, para poder cerrar el ciclo ideal. Sin embargo, hay autores que no satisfechos con todas las idealizaciones realizadas, insisten en dar un siginificado físico a esta etapa, y la asocian a la renovación de la carga. , pues, razonan, es esto lo que se produce en las dos carreras que preceden a la compresión y siguen a la expansión: el escape de masa quemada y la admisión de masa fresca. No obstante, el escape es un proceso que requiere mucho más trabajo que el que implica este proceso (ninguno), y además ninguno de los dos procesos se da, ni por asomo, a volumen específico constante.
Es importante notar cómo, en el ciclo Diesel, no se deben confundir nunca los cuatro tiempos del motor con el ciclo termodinámico que lo idealiza, que sólo se refiere a dos de los tiempos: la carrera de compresión y la de expansión; el proceso de renovación de la carga.. cae fuera de los procesos del ciclo Diesel, y ni tan siquiera es un proceso termodinámico en el sentido estricto.

Como funciona un motor Diésel

sábado, 23 de octubre de 2010

En el anterior video se muestra el funcionamiento de un motor diesel.

Un motor diésel funciona mediante la ignición (encendido) del combustible al ser inyectado muy pulverizado y con alta presión en una cámara (o precámara, en el caso de inyección indirecta) de combustión que contiene aire a una temperatura superior a la temperatura de autocombustión, sin necesidad de chispa como en los motores de gasolina. Esta es la llamada autoinflamación .
La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que se produce en el segundo tiempo del motor, la compresión. El combustible se inyecta en la parte superior de la cámara de combustión a gran presión desde unos orificiós muy pequeños que presenta el inyector de forma que se atomiza y se mezcla con el aire a alta temperatura y presión (entre 700 y 900 °C) Como resultado, la mezcla se inflama muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo.
Esta expansión, al revés de lo que ocurre con el motor de gasolina, se hace a presión constante ya que continúa durante la carrera de trabajo o de expansión. La biela transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento lineal del pistón en un movimiento de rotación.
Para que se produzca la autoinflamación es necesario alcanzar la temperatura de inflamación espontánea del gasóleo. En frío es necesario pre-calentar el gasóleo o emplear combustibles más pesados que los empleados en el motor de gasolina, empleándose la fracción de destilación del petróleo fluctuando entre los 220 °C y 350 °C, que recibe la denominación de gasóleo o gasoil en Inglés.

Motor Caterpillar C175GenSet

sábado, 18 de septiembre de 2010

"El nuevo Cat C175 ha sido diseñado expresamente con la intención de satisfacer las necesidades actuales y futuras del sector de la generación de energía eléctrica en todo el mundo. Es el resultado de un amplio trabajo de investigación entre los clientes que nos compran motores y grupos electrógenos, para identificar cuáles son las ventajas más importantes que buscan en los productos", dijo William J. Rohner, vicepresidente de la División de Energía Eléctrica de Caterpillar. "Esta nueva línea de grupos electrógenos accionada con el motor C175 ofrece un valor sin precedentes a nuestros clientes. Hemos incorporado una serie de características que reducen tanto los costes de instalación en centrales eléctricas como los costes de operación."

Los grupos electrógenos de la nueva familia han sido diseñados para ser utilizados como medio principal de producción de energía eléctrica o sólo en caso de emergencia, para prestar un servicio continuo y un servicio de gestión de carga en sectores industriales que requieran una gran cantidad de energía, por ejemplo, aunque no exclusivamente, el de la asistencia médica, el comercial, el institucional, el estatal, los servicios públicos, los centros de datos, las empresas públicas de suministro de energía, el de la fabricación, el de la logística y el de las comunicaciones. Basada en los últimos avances en arquitectura de motores, esta nueva línea proporciona unas prestaciones, una fiabilidad y una durabilidad superiores. Asimismo, los grupos electrógenos C175 cumplen las normas sobre emisiones sin necesidad de sacrificar la potencia ni el bajo consumo de combustible.

El Cat C175 está compuesto por 5 sistemas fundamentales: el sistema de aire, el sistema de combustible, el sistema electrónico y los controles, el sistema de refrigeración y el sistema de lubricación, todos diseñados al unísono para obtener como resultado un motor de categoría mundial.

"Durante el desarrollo del motor C175, se asignó un equipo a cada sistema y a cada componente principal, con el fin de asegurar una ingeniería y unas prestaciones superiores, y que esta nueva línea fuese capaz de satisfacer las necesidades identificadas durante la investigación entre nuestros clientes", explicó Rohner.

De los 5 sistemas del motor, el sistema de aire, el sistema de combustible y el electrónico junto con los controles son los bloques integrantes de la tecnología ACERTTM, que Caterpillar presentó en 2005 a sus clientes dedicados a la producción de energía eléctrica. Caterpillar ha invertido más de 500 millones de dólares en un programa de investigación y desarrollo de 3 años de duración para desarrollar la revolucionaria tecnología ACERT como plataforma para el cumplimiento a largo plazo de las normas sobre emisión.

El sistema de aire C175 fue diseñado para mejorar la ventilación del motor utilizando culatas de cilindros de flujo transversal altas. Estas culatas han sido diseñadas con puertos más grandes para que entre más aire limpio y fresco a la cámara de combustión con una alta eficiencia volumétrica. Una culata de flujo transversal ayuda a aumentar la potencia por unidad volumétrica y reduce la necesidad de refrigeración, ya que reduce al máximo la transferencia de calor entre los puertos de entrada y de salida y los colectores de admisión.

El sistema de aire también contiene un turboalimentador muy eficiente con un impulsor del compresor hecho de titanio fundido que contribuye a prolongar la duración del turboalimentador, de manera que como mínimo la primera revisión general no sea necesaria hasta las 24.000 horas para modelos de 60 Hz y 1800 rpm, y 28.000 horas para modelos de 50 Hz y 1.500 rpm.

Uno de los componentes tanto de la tecnología ACERTTM como del motor C175 es el sistema de alimentación de raíl común Cat. Este sistema, controlado por el módulo de control electrónico ADEMTM A4, utiliza una bomba de alta presión y una válvula de control para mantener la presión deseada en el rail de combustible. El sistema de combustible de rail común Cat es capaz de realizar varias inyecciones en una única combustión con una precisión y constancia sin precedentes. El momento y el volumen de cada inyección son controlados con precisión para aumentar al máximo la eficiencia de la combustión y reducir las emisiones. La precisión del control también mejora la respuesta transitoria, la aceptación de bloques de carga y la capacidad para arrancar en frío.

El sistema electrónico y los controles del motor C175 completan el conjunto de componentes de la tecnología ACERT. La función del controlador ADEM A4 como parte de un sistema integrado es reducir el consumo de combustible y las emisiones. También mantiene la temperatura del refrigerante y la viscosidad del aceite con precisión, lo que aumenta la fiabilidad y la durabilidad de todas las piezas del motor.

La incorporación de avanzados controles electrónicos permite disponer de información de diagnóstico y solucionar problemas fácilmente. Por ejemplo, el controlador de la temperatura del refrigerante permite solucionar problemas sin retirar el termostato, gracias a lo cual el motor no tiene por qué quedar parado y su fiabilidad general aumenta.

El sistema de refrigeración del motor C175 ha sido diseñado para favorecer la disipación del calor y obtener una mayor eficiencia general del motor concentrando su efecto únicamente en las áreas que necesitan refrigeración, como ha quedado demostrado con las camisas de cilindros de soporte intermedio. Además, la longitud del puerto de escape ha sido reducida para evitar la disipación innecesaria del calor y que este llegue a la camisa de agua.

En el centro del postenfriador de dos fases del sistema de refrigeración hay tubos y láminas robustas que mejoran la fiabilidad y durabilidad del sistema. Un múltiple de retorno del agua integrado en el sistema reduce al máximo el número de puntos de conexión y de juntas atornilladas, lo que a su vez mejora la fiabilidad y facilita las tareas de servicio de todo el sistema.

El sistema de lubricación contribuye a la fiabilidad y durabilidad general del motor, cuenta con una válvula de regulación de la presión que permite que el motor mantenga el aceite a una presión óptima en todas las velocidades y sea cual sea la carga. También mejora su capacidad para arrancar en frío gracias a que somete el aceite a la presión necesaria en los conductos en menos de 4 segundos. Con el robusto diseño del sistema de lubricación y los demás componentes, el intervalo de cambio del aceite pasa de 500 horas a 600, con lo que se reducen los costes de operación que deben soportar los clientes.

El diseño del motor incluye mejoras y avances tecnológicos en los componentes más importantes, como el cigüeñal, los cojinetes, el pistón, la biela, el bloque, la camisa, el cabezal, las válvulas, el mecanismo de las válvulas y el árbol de levas. El diámetro principal y el de los bulones del cigüeñal C175 es mayor, está hecho de acero forjado y diseñado para los rendimientos actualmente anunciados y para adaptaciones que le permitan ofrecer rendimientos superiores en el futuro. Los grandes muñones de los cojinetes proporcionan la fiabilidad y durabilidad deseadas, como ya ha demostrado la línea de motores Cat 3500.

El generador SR5, disponible en modelos de voltaje bajo, medio y alto, ha sido diseñado expresamente para el motor C175. El sistema de aislamiento del generador cumple los requisitos para sistemas de aislamiento de la clase H, tiene un paso de dos tercios y además lleva el regulador digital de voltaje Cat con un control del factor VAR/potencia (VAR = voltio-amperio reactivo) basado en un microprocesador y un sensor directo de tres fases.

En el generador SR5 se puede producir la tradicional excitación por imán permanente o una nueva excitación interna. La excitación interna tiene capacidad para un cortocircuito de 300% y sustituye a la auto-excitación como alternativa económica al electroimán permanente pero con las mismas prestaciones. Otras características del generador SR5 son un paso de dos tercios y la protección IP23 frente a la entrada de partículas.

Entre los controles del C175 se encuentra un panel modular de control electrónico (EMCP) 3 estándar, que mejora la supervisión y el control al mismo tiempo que proporciona flexibilidad para realizar configuraciones específicas según las condiciones de trabajo. El controlador EMCP 3 permite controlar y supervisar el motor y el generador a través de un solo panel digital desde el que se puede acceder rápidamente a los controles de dichos motor y generador, y a información de diagnóstico y sobre su funcionamiento. Se comunica a través de una red de paquetes J1939 común y tiene la capacidad de comunicación MODBUS.

También hay disponibles dos tipos de radiador para el C175: uno horizontal remoto y otro vertical. Ambos llevan tubos y láminas con juntas entre los tubos y los cabezales unidas mecánicamente que mejoran la fiabilidad y la durabilidad del conjunto. Un control de dos velocidades para el ventilador optimiza las cargas parásitas y el ruido.

Motor 3304 en minfra

El SIGUEÑAL

viernes, 5 de marzo de 2010

Cigüeñal


Esquema de funcionamiento.
Un cigüeñal es un eje con codos y contrapesos presente en ciertas máquinas que, aplicando el principio del mecanismo de biela - manivela, transforma el movimiento rectilíneo alternativo en rotatorio y viceversa.
Los cigüeñales se utilizan extensamente en los motores alternativos, donde el movimiento lineal de los pistones dentro de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del cigüeñal que, a su vez, se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia. El cigüeñal es un elemento estructural del motor.
Normalmente se fabrican de aleaciones capaces de soportar los esfuezos a los que se ven sometidos y pueden tener perforaciones y conductos para el paso de lubricante. Hay diferentes tipos de cigüeñales; los hay de tres apoyos, de cinco apoyos, etcétera, dependiendo del número de cilindros que tenga el motor.



CIGÜEÑAL.
Disposición de las manivelas en función del diseño del motor y del número de cilindros: Equilibrado estático y dinámico: El progreso tecnológico y constructivo: Inconvenientes y consejos para prevenirlos.
El cigüeñal forma parte del mecanismo bielamanivela, es decir de la serie de órganos que con su movimiento transforman la energía desarrollada por la combustión en energía mecánica. El cigüeñal recoge y transmite al cambio la potencia desarrollada por cada uno de los cilindros. Por consiguiente, es una de las piezas más importantes del motor.

En los motores rotativos (eléctricos o de turbina), el árbol motor tiene simplemente forma cilíndrica, con estriados para su ajuste con el rotor (inducido eléctrico o rodete de la turbina) y engranajes o poleas para transmitir el movimiento. En los motores de pistón rotativo (tipo Wankel) el cigüeñal lleva simplemente una excéntrica circular por cada pistón.
Sin embargo, en los motores alternativos tradicionales tiene una forma más complicada (puesto que hay manivelas), determinada por la necesidad de transformar el movimiento alternativo en movimiento giratorio: precisamente dada su forma, se le denomina árbol de manivelas o árbol de codos, además de cigüeñal.
En los primeros tiempos, el motor típico de combustión interna era monocilíndrico, y el cigüeñal, al tener una sola manivela, era completamente semejante al antiguo berbiquí de carpintero, denominado en francés «vilebrequin». El término vilebrequin es aún hoy día el apelativo francés correspondiente al español cigüeñal. Los ingleses lo llaman «crankshaft», que significa árbol - manivela.
Cada manivela está formada por dos brazos llamados brazos de, manivela y por la muñequilla de manivela o muñequilla de biela, que gira sobre el cojinete de la cabeza de biela. Las muñequillas del eje de rotación del cigüeñal se denominan muñequillas de bancada.
En los motores con los cilindros en línea el cigüeñal está formado por tantas manivelas como cilindros. En los motores con los cilindros opuestos el número de manivelas puede ser el mismo que el de cilindros o sólo la mitad. En los motores en V, generalmente el número de manivelas es la mitad del de cilindros
.
El número de muñequillas de bancada puede variar bastante. Por ejemplo, en un motor de 4 cilindros puede emplearse un cigüeñal que tenga únicamente dos muñequillas de bancada, o bien tres, cuatro o cinco. La elección depende de razones técnicas y económicas. La solución más económica es un cigüeñal con sólo dos apoyos en los extremos, pero en este caso no puede pretenderse alcanzar potencias elevadas a altos regímenes' De hecho, para evitar las flexiones y las consiguiente vibraciones del cigüeñal, es necesario que las muñequillas de manivela tengan el mayor diámetro posible y los brazos de manivela una sección considerable. El cigüeñal y las cabezas de biela son pesados y, por tanto, las masas en rotación originan fuerzas considerables y el motor no puede girar a regímenes muy elevados. Las oscilaciones Electoras del cigüeñal son también la causa de ruidos originados por el golpeteo sobre los cojinetes de bancada.
Por estos motivos, en los motores de 4 cilindros, la solución del cigüeñal con 2 muñequillas de bancada no se emplea actualmente.
Muchos motores de 4 cilindros tienen 3 muñequillas de bancada, pero en los motores más modernos y, principalmente, en los de mayor cilindrada se prefiere la solución con 5 muñequillas de bancada, que es la más costosa, pero permite alcanzar potencias específicas elevadas y, al mismo tiempo, mayor ligereza del motor. Por esta misma razón, generalmente, los motores de 6 cilindros en línea tienen 7 muñequillas de bancada, los motores de 6 cilindros en V poseen 4 muñequillas de bancada y los de 8 en V, 5 muñequillas de bancada.
El cigüeñal lleva en el extremo destinado a transmitir la potencia, una brida para la fijación del volante; éste a su vez, soportará el embrague. El otro extremo está conformado para hacer solidarios con él el engranaje de mando de la distribución y las poleas para el accionamiento por correa de los órganos auxiliares: bomba de agua, generador eléctrico, ventilador, etc. La forma de las manivelas varía y depende del número de cilindros, el número de apoyos de bancada, del sistema de fabricación y sobre todo de si existen o no contrapesos.
Generalmente, los cigüeñales de los motores para automóviles están apoyados sobre cojinetes de fricción y constituidos por una sola pieza. Los cojinetes de bolas o rodillos se emplean únicamente en los motores de motocicletas y a veces en motores para vehículos industriales. En este caso los cigüeñales están compuestos por varias piezas. En los motores para motocicletas las muñequillas y las manivelas se construyen separadamente y se unen después del montaje de los cojinetes.
En los motores con varios cilindros y para regular el par motor, que en cada cilindro varía durante el cielo pasando por s u valor máximo cada 2 vueltas (motor de 4 tiempos), y para hacer más uniforme el movimiento del cigüeñal, se actúa de manera que las combustiones en los diferentes cilindros se sucedan con intervalos iguales. Con este fin se colocan las manivelas de tal manera que las correspondientes a dos cielos consecutivos se encuentran desfasadas con un ángulo igual a: 180 h/i, donde h es el número de tiempos e i el número de cilindros.
Esto sirve para motores con los cilindros en línea y para motores con los cilindros en V cuando el ángulo de la V es igual al calculado en la fórmula indicada anteriormente. No obstante, existen otros motores principalmente los de 2 cilindros en V, donde las diferentes fases no son equidistantes entre sí, dando lugar a un funcionamiento arrítmico con dos explosiones próximas.
Aumentando el número de cilindros y, por consiguiente, el número de manivelas, se reduce el grado de irregularidad del par motor. Por grado de irregularidad se entiende la relación entre el valor máximo y el valor medio del par motor.
Equilibrado.
El equilibrado se consigue por medio de contrapesos aplicados, a las manivelas para obtener, cuando sea necesario, el equilibrado estático y el dinámico del cigüeñal en todo su conjunto y, muchas veces, de cada una de las manivelas. Sirve además para reducir el efecto de algunas de las fuerzas debidas a las masas en movimiento alternativo. Los objetivos del equilibrado son esencialmente dos:
Reducir las vibraciones del motor causadas por las fuerzas y momentos generados por la presión de los gases en los cilindros y por las piezas en movimiento alternativo y giratorio (pistones, bielas, y cigüeñal).
Reducir las cargas sobre los cojinetes de bancada.

Fuerzas centrífugas y alternativas.
El cigüeñal está equilibrado estéticamente cuando la resultante de las fuerzas centrífugas es nula, es decir, cuando el baricentro se encuentra sobre el eje de rotación. Es característico el ejemplo del cigüeñal con una sola manivela. Es obvio que para que el cigüeñal esté en equilibrio en cualquier posición, el peso de la manivela debe ser equilibrado por el de los contrapesos (figura pág. 46, abajo).
Pero el cigüeñal, además de estar equilibrado estéticamente, puede estarlo dinámicamente, es decir, puede dar lugar, cuando se halla en movimiento, a un momento flector originado por las fuerzas centrífugas que se encuentran en planos distintos. Puede suceder, en definitiva, que en los motores con varios cilindros la resultante de los momentos respecto a un punto cualquiera del eje no sea nula. Este concepto resulta más claro si se concreta en el caso de un cigüeñal con 2 manivelas de un motor de 2 cilindros opuestos, de 4 tiempos. Las fuerzas centrífugas actúan en planos diferentes, cuya distancia entre ellos es igual a la que hay entre los ejes de los cilindros. El momento resultante es igual al producto de la fuerza centrífuga por la distancia entre los ejes y puede ser equilibrado con uno igual y opuesto por medio de contrapesos.
En los cigüeñales que tienen más de 2 manivelas, éstas se disponen angularmente de manera que las combustiones resulten distanciadas igualmente una de otra para obtener la máxima regularidad del par motor, y en estas condiciones, en la mayor parte de los casos, la disposición de los brazos de manivela es tal que, sin anadir contrapesos, la condición de equilibrio estático se satisface automáticamente, ya que el cigüeñal admite un plano de simetría que pasa por su eje.
En cuanto al equilibrio dinámico, los cigüeñales con más de 2 manivelas resultan equilibrados cuando, estando ya compensados estáticamente, admiten un plano de simetría perpendicular al eje de rotación respecto al cual las manivelas resultan simétricas en número, posición y dimensiones. Todos los demás cigüeñales pueden ser equilibrados solamente con la ayuda de contrapesos. No obstante, muchos cigüeñales, aun estando en conjunto equilibrados dinámicamente, incluso sin contrapesos, tienen equilibradas cada una de las manivelas por separado. Este tipo de contrapesado sirve para reducir la carga impuesta a los cojinetes de bancada. Efectivamente, contrapesando cada una de las manivelas se reducen, o se anulan, los diversos momentos Electores, debido a las masas giratorias que, actuando sobre las diferentes partes del cigüeñal, tienden a flexionarlo cargando los cojinetes de bancada y dificultando su lubricación.
Además de las fuerzas centrífugas de las masas de rotación, influyen sobre las muñequillas de manivela las fuerzas debidas a las masas en movimiento alternativo. Estas fuerzas causadas por las variaciones de velocidad del pistón y de la biela, se distinguen 'en fuerzas de primer orden y de segundo orden. Las primeras alcanzan su valor máximo, positivo o negativo, cada vez que el pistón se encuentra en el PMS o en el PMI. Las segundas varían con una frecuencia doble que las primeras.
Una fuerza de primer orden puede ser equilibrada por la componente, según el eje de los cilindros, de una fuerza centrífuga producida por una masa igual a la de la masa alternativa, aplicada al cigüeñal en contraposición a la muñequilla de manivela. Pero en este caso se crea una fuerza dirigida perpendicularmente al eje cilíndrico, con una amplitud y frecuencia iguales. En la práctica se contrapesa la mitad de la masa alternativa, por lo que queda activa sobre el eje del cilindro la mitad de la fuerza alternativa de primer orden, mientras que la otra mitad se transforma en una fuerza perpendicular al eje del cilindro.

En los motores de varios cilindros (en línea, en V u opuestos) las fuerzas alternativas de primer orden se equilibran cuando el cigüeñal está por sí mismo equilibrado (es decir, sin contrapesos). De manera análoga, los pares debidos a las fuerzas alternativas de primer orden están equilibrados cuando lo están los pares debidos a las masas en rotación, es decir, cuando el cigüeñal está equilibrado dinámicamente. En lo que se refiere a las fuerzas alternativas de segundo orden, no existe posibilidad de reducirlas con técnicas especiales en la construcción del cigüeñal, puesto que varían con una frecuencia doble al número de revoluciones. En los automóviles, las vibraciones causadas por las fuerzas de segundo orden son absorbidas, mediante técnicas especiales, por la suspensión del motor.


Proyecto del cigüeñal.
La relación entre la carrera y el diámetro influye sobre diversas características y sobre el diseño del motor. Su influencia se hace notar también sobre el cigüeñal. Efectivamente, a igualdad de cilindrada, aumentando el diámetro de los cilindros y disminuyendo correspondientemente la carrera, el cigüeñal se alarga y los brazos de las manivelas se acortan. Reduciendo la longitud del brazo de manivela se disminuyen las fuerzas de inercia causadas tanto por las masas de rotación como por las masas alternativas. Además, el cigüeñal, al tener un diámetro de giro menor, puede tener una constitución más ligera.
Otra ventaja la constituye el denominado recubrimiento de las muñequillas de bancada y de biela. Este recubrimiento permite obtener la resistencia y la rigidez deseadas con un espesor reducido de los brazos de manivela. De ahí resulta la posibilidad de alargar las muñequillas para dar mayor superficie de contacto a los cojinetes y unir muñequillas y brazos con una conexión de radio relativamente grande, lo que le proporciona un importante incremento de la resistencia a la fatiga.
Otro método, para aumentar más aún la resistencia a la fatiga del cigüeñal, consiste en comprimir mediante la acción de rodillos las fíbras del acero de las conexiones de las muñequillas de bancada y de biela.
Las dimensiones de las muñequillas se calculan en función de las cargas que los cojinetes deben soportar, de las velocidades de régimen y de la rigidez que es necesario obtener para impedir que se produzcan deformaciones por flexión y vibraciones de torsión. Cuando un cigüeñal posee unas muñequillas que cumplen con estos requisitos, es generalmente más que suficiente para transmitir la potencia útil.
La capacidad de carga de los cojinetes es aproximadamente proporcional al producto del diámetro por la longitud de la zona de contacto con la muñequilla. Para una cierta carga y para una determinada longitud de la muñequilla, al aumentar el diámetro se incrementa la velocidad de rozamiento, pero disminuye la presión unitaria sobre el cojinete y, por esta razón, el proyectista tiene una cierta libertad de acción. Pero debe considerar que cuando los diámetros son pequeños pueden producirse deformaciones y, como consecuencia, presiones en zonas limitadas de los cojinetes, así como vibraciones de torsión. Por tanto, es aconsejable elegir unos diámetros bastante grandes para obtener mayor rigidez del cigüeñal y también mayor resistencia de los cojinetes, puesto que éstos se apoyan más fácilmente sobre toda su longitud.
El cigüeñal es taladrado para formar los agujeros de paso para el aceite necesario para su lubricación. A menudo dichos agujeros sirven además para aligerar el cigüeñal. Una buena lubricación de los cojinetes es un factor importantísimo para el buen funcionamiento y la duración de los mismos. Los cigüeñales deben agujerearse en correspondencia con los brazos de manivela (al menos uno por cada manivela) para hacer llegar el aceite desde los cojinetes de bancada a los de biela. Generalmente el aceite llega, a través de ranuras realizadas en el bloque, a cada uno de los cojinetes de bancada y desde allí se le hace penetrar en el cigüeñal por los agujeros, que generalmente son radiales; recorre los canales efectuados en los brazos de manivela y sale por otros agujeros que desembocan en la parte media de los cojinetes. Para reducir el número de agujeros pueden alargarse los taladros de los brazos de manivela hasta atravesar las muñequillas de biela; en este caso no es necesario que las muñequillas estén agujereadas axialmente.
Procesos de fabricación.
El material empleado generalmente para la construcción de los cigüeñales es de acero al carbono; en los casos de mayores solicitaciones se emplean aceros especiales al cromo - níquel o al cromo -molibdeno-vanadio tratados térmicamente. Se construyen también cigüeñales en fundición nodular que poseen unas características de resistencia semejantes a las del acero al carbono.
Cuando, a causa de las fuertes descargas, deben emplearse cojinetes con una superficie bastante dura (antifricción de aleación cobre- plomo, duraluminio, etc.), las muñequillas del cigüeñal se endurecen superficialmente mediante cementación, temple superficial o nitruración. En un sistema especial de temple superficial muy empleado en la fabricación en serie, el endurecimiento se produce mediante un calentamiento superficial obtenido por procedimiento eléctrico (por inducción) y posterior enfriamiento con agua; este sistema de endurecimiento es muy rápido. Otro sistema de endurecimiento superficial es el flameado, en el cual el calentamiento se obtiene con la llama. Cuando los problemas económicos pasan a segundo término, como sucede en el caso de los coches de carreras, se puede elegir un acero especial de alta resistencia y adoptar el endurecimiento por nitruración.
En un principio, el cigüeñal se obtenía de un cilindro de acero, eliminando con el torno las partes sobrantes. Los brazos de manivela, al ser circulares, se aligeraban eliminando las partes laterales, y por esta razón la sección de los brazos de manivela resultaba rectangular. Inicialmente, no se solían aplicar contrapesos. Más adelante, se comenzaron a construir los cigüeñales forjándolos con operaciones sucesivas de estampación en caliente. La técnica de estampación, perfeccionada con la experiencia y el tiempo, permitió modelar los brazos de manivela de manera que incluían ya los contrapesos. Actualmente, los contrapesos en los motores para automóviles forman siempre una parte integral del cigüeñal. Sólo en casos especiales y en motores para vehículos industriales son montados independientemente.
Las operaciones de mecanizado consisten en el desbarbado de la pieza, torneado de las muñequillas y posterior rectificado, y arranque de material para el equilibrado estático y dinámico.
En la fabricación en serie, estas operaciones se hacen con máquinas semiautomáticas o automáticas. Para reducir los tiempos de mecanización se tiende a disminuir la cantidad de material que debe arrancarse durante la misma. Ésta es una de las razones por las que se construyen los cigüeñales con fundición nodular: Los cigüeñales fundidos son más precisos, en bruto, que los forjados, y tienen sobre materiales inferiores y, por tanto, eliminables con mayor rapidez.
Las principales operaciones de mecanización son: enderezado de la pieza en bruto antes del desbaste en torno (el enderezado debe repetirse, si es necesario, después de otras fases de mecanización), tratamiento térmico (endurecimiento superficial, revenido, bonificado y otros tratamientos), control posterior, acabado (rectificado, equilibrado y afinado). Una vez terminada la mecanización, se efectúan los numerosos controles de verificación, como son: control de la alineación de las muñequillas de bancada, control de la posición y alineación de las muñequillas de manivela, control del radio de manivela, de la ovalización y conicidad
de las muñequillas, del grado de acabado, de la retención hidráulica, etc.
Duración del cigüeñal.
El cigüeñal es la pieza del vehículo, entre las que tienen movimiento, que gira a mayor velocidad y pesa más; no obstante, está proyectado para durar, sin ser reparado, tanto como el automóvil. Las técnicas de construcción modernas, los juegos de montaje cuidadosamente controlados y los progresos en el campo de los lubricantes le aseguran un amplio margen de seguridad y una óptima fiabilidad. Sin embargo, no es raro - y esto sucedía con mayor frecuencia en el pasado- que se produzcan averías en el cigüeñal, que deben achacarse casi siempre al conductor. Las más importantes son: la rotura por fatiga del cigüeñal y el rayado de las muñequillas.
La primera es producida por las vibraciones de torsión y por las solicitaciones anormales causadas por el bajo número de revoluciones, por el golpeteo contra la culata, por el encendido irregular en algún cilindro o, Finalmente, también por el equilibrado incorrecto del cigüeñal. Especialmente, los juegos excesivos en los cojinetes de bancada causan vibraciones de flexión que pueden producir la rotura.
La segunda avería, es decir el rayado de las muñequillas, depende de la lubricación y del filtrado del aceite; esta circunstancia puede producirse por las causas más diversas: por ejemplo, acelerando el motor en frío cuando el aceite no está aún en circulación, tomando las curvas con el nivel de aceite por debajo del mínimo, viajando a plena carga con bajo número de revoluciones, o bien, Finalmente, cuando el lubricante o la instalación de lubricación no funcionan correctamente. En todos estos casos mencionados, la presión del aceite es el valor que más influye para una buena lubricación y, por tanto, es aconsejable emplear un manómetro de aceite para que pueda controlarse constantemente.
En caso de rotura del cigüeñal es necesario cambiarlo' junto con los, cojinetes de bancada o de biela, y debe realizarse un nuevo equilibrado conjuntamente con el volante. A veces, conviene también efectuar un mandrilado de los apoyos de bancada - es decir, su alineación mediante escariado- con el fin de corregir las eventuales deformaciones.
En el caso de rayado de las muñequillas es necesario minorar las muñequillas del cigüeñal y proceder a su rectificación, volviendo a efectuar el montaje después con los cojinetes reducidos. La minoración es la disminución del diámetro de las muñequillas de bancada y de la biela para eliminar la parte dañada. Generalmente es posible efectuar una o dos disminuciones según la profundidad de la cementación. El valor de cada rectificación es, en general, de 0,2 mm, y el constructor lo indica en los manuales de reparación.

que es una biela
Se denomina biela a un elemento mecánico sometido a esfuerzos de tracción o comprensión.Actualmente las bielas son un elemento básico en los motores de combustión interna y en los compresores alternativos.otra definicon mas detallada: Une el pistón con la correspondiente manivela del cigüeñal. Se pueden distinguir tres partes en una biela. El pie es la parte más estrecha, y en la que se introduce el casquillo en el que luego se inserta el bulón, un cilindro metálico que une la biela con el pistón. El cuerpo de la biela es la parte central, y por lo general tiene una sección en forma de doble T. La cabeza es la parte más ancha, y se compone de dos mitades, una unida al cuerpo y una segunda denominada sombrerete, que se une a la primera mediante tornillos. Entre estas dos mitades se aloja un casquillo a presión que es el que abraza a la correspondiente muñequilla en el cigüeñal. Por lo general, las bielas se realizan en acero templado mediante forja, aunque hay motores biela: Une el pistón con la correspondiente manivela del cigüeñal. Se pueden distinguir tres partes en una biela. El pie es la parte más estrecha, y en la que se introduce el casquillo en el que luego se inserta el bulón, un cilindro metálico que une la biela con el pistón. El cuerpo de la biela es la parte central, y por lo general tiene una sección en forma de doble T. La cabeza es la parte más ancha, y se compone de dos mitades, una unida al cuerpo y una segunda denominada sombrerete, que se une a la primera mediante tornillos. Entre estas dos mitades se aloja un casquillo a presión que es el que abraza a la correspondiente muñequilla en el cigüeñal. Por lo general, las bielas se realizan en acero templado mediante forja, aunque hay motores de competición con bielas de titanio, y ya se está experimentando con la fibra de carbono.

POSIBLES FALLAS DE UN MOTOR

viernes, 26 de febrero de 2010

El motor no arranca.
El motor falla.
El motor se apaga a bajas vueltas.
Baja potencia del motor.
Vibración en el motor.
Ruido de golpeteo en los balancines.
Aceite en el refrigerante.
Golpeteo mecánico.
Consumo excesivo de combustible.
Ruido en balancines.
Desgaste excesivo del motor.
Refrigerante en el aceite.
Exceso de humo negro o gris en el escape.
Exceso de humo azul o blanco en el escape.
Baja presión de aceite en el motor.
Consumo elevado de aceite.
Temperatura anormal del refrigerante.

El motor no arranca.
Causas posibles.
Solución.
No llega combustible al motor.
Compruebe el tanque de combustible, tubos de combustible hasta la bomba de transferencia, tubos de bomba de inyección, filtros de combustible, decantadores de agua. (Conecte un recipiente con combustible directamente a la entrada de la bomba de inyección para comprobar, si el motor arranca, siga colectándolo en las tuberías hacia el tanque de combustible hasta encontrar el punto donde esta el problema)
Bomba de trasferencia averiada.
La bomba de transferencia de combustible debe dar una presión cuando el motor arranca entre 0,7 y 1,4 Kg/cm2. A carga plena dará aprox. 1,76 Kg/cm2 y en velocidad alta en vacío unos 2,11 Kg/cm2. Compruebe la presión, si esta es baja cambie la bomba de transferencia.
Motor desincronizado.
Piñón de arrastre de bomba de inyección flojo. Motor fuera de punto. Poner a punto el motor.
Bomba de inyección averiada.
Compruebe todo lo anterior y verifique que llega combustible a los inyectores. Si todo esta correcto repare la bomba de inyección y cambie los inyectores. (Volver al inicio).

El motor falla.
Causas posibles.
Solución.
Ver "el motor no arranca"
Compruebe todos los puntos del capítulo cuando "el motor no arranca".
Fallo en inyectores
Acelere el motor hasta el punto donde se aprecia mejor el fallo. Afloje los inyectores, uno cada vez, comprobara que el motor falla más, hasta que encuentre uno de ellos que al aflojarlo no se aprecie cambio en el fallo. Sustituya el inyector averiado.
Fallo en reglaje de válvulas.
Compruebe y ajuste de nuevo el reglaje de válvulas.
Cable acelerador averiado.
Cambie el cable del acelerador. (Volver al inicio).

El motor se apaga en bajas vueltas.
Causas posibles.
Solución.
Ver "el motor no arranca"
Compruebe todos los puntos del capítulo cuando "el motor no arranca".
Ver "el motor falla"
Compruebe todos los puntos del capítulo cuando "el motor falla".
Ralentí demasiado bajo
Ajuste la velocidad baja en vacío del regulador. (Volver al inicio).

Baja potencia del motor.
Causas posibles.
Solución.
Ver "el motor no arranca"
Compruebe todos los puntos del capítulo cuando "el motor no arranca".
Ver "el motor falla"
Compruebe todos los puntos del capítulo cuando "el motor falla".
Combustible de mala calidad
Limpie el circuito, cambie los filtros y ponga combustible de calidad.
Turbo con carbonilla u obstruido.
Compruebe limpie y repare el turbo.
Admisión de aire mal.
Compruebe la admisión, cambie los filtros de aire. Compruebe la presión en el múltiple de admisión si el motor es turboalimentado.
Acelerador mal calibrado
Compruebe las vueltas del motor en todo el recorrido del acelerador. (Volver al inicio).

Vibración en el motor.
Causas posibles.
Solución.
Ver "el motor falla"
Compruebe todos los puntos del capítulo cuando "el motor falla".
Tacos de goma del motor rotos
Cambie los tacos del motor.
Dámper del motor flojo
Apriete el Dámper.
Ventilador roto.
Cambie el ventilador.
Ejes de sincronización del motor mal ajustados.
Ajuste de nuevo los ejes. (Volver al inicio).

Ruido de golpeteo en balancines.
Causas posibles.
Solución.
Exceso de holgura en válvulas.
Ajuste de nuevo las válvulas a las especificaciones del fabricante.
Muelles de válvula rotos
Cambie los muelles rotos.
Falta de aceite en balancines.
Compruebe que llega aceite suficiente a los balancines. Con el motor acelerado el conjunto de balancines debe estar bastante salpicado de aceite. (Volver al inicio).

Aceite en el refrigerante.
Causas posibles.
Solución.
Fallo en junta de culata.
Cambie la junta de culata.
Enfriador roto.
Compruebe los enfriadores y repárelos o cámbielos si es necesario. (Volver al inicio).

Golpeteo mecánico.
Causas posibles.
Solución.
Fallo en cojinete de biela.
Saque la tapa del cárter, inspeccione el cigüeñal y las bielas, repare o cambie lo que sea necesario.
Piñones de la distribución rotos.
Saque la tapa de la distribución y revise la cascada de piñones, sustituya los que estén en malas condiciones.
Cigüeñal roto.
Compruebe y cambie el cigüeñal.
Fallo en el pistón o la biela del compresor de aire.
Desmonte, compruebe y repare o sustituya el compresor de aire. (Volver al inicio).

Consumo excesivo de combustible.
Causas posibles.
Solución.
Paso de combustible al cárter.
Compruebe el nivel de aceite del cárter, vacíe el aceite y compruebe el olor del mismo. Si tiene combustible compruebe la bomba de transferencia y la de inyeccion.
Ver "el motor falla"
Compruebe todos los puntos del capítulo cuando "el motor falla".
Ver "baja potencia del motor"
Compruebe todos los puntos del capítulo "baja potencia del motor". (Volver al inicio).

Ruido en balancines.
Causas posibles.
Solución.
Eje de levas roto.
Compruebe y cambie el eje de levas.
Balancines gastados o rotos.
Cambie los balancines, compruebe válvulas, rotadores y demás componentes del sistema de balancines. Si hay elementos rotos saque el cárter y compruebe si existen restos en el mismo. (Volver al inicio).

Desgaste excesivo del motor.
Causas posibles.
Solución.
Fallo en admisión.
Compruebe el sistema de admisión y especialmente si existe una entrada de aire sin filtrar. (Si el conducto después de los filtros tiene polvo es que entra aire sin pasar por los filtros).
Combustible en el aceite.
Vea el capítulo de "Consumo excesivo de combustible"
Aceite sucio o inadecuado.
Cambie el aceite, cambie los filtros, asegúrese de que el aceite que esta usando cumple las especificaciones del fabricante del motor.
Periodos de mantenimiento inadecuados.
Compruebe las especificaciones del fabricante del motor y ajuste los periodos de mantenimiento a los indicados en la guía. (Volver al inicio).

Refrigerante en el aceite.
Causas posibles.
Solución.
Enfriadores averiados.
Compruebe, repare o cambie los enfriadores.
Junta de culata rota o quemada.
Cambie la junta de culata.
Culata rajada.
Cambie la culata, etc.
Bloque agrietado.
Repare o cambie el bloque. (Volver al inicio).

Exceso de humo negro o gris en el escape.
Causas posibles.
Solución.
Falta de aire en el motor.
Revisar la admisión, filtros y turbo.
Inyectores mal.
Cambie los inyectores.
Bomba de inyección mal.
Repare la bomba de inyección. (Volver al inicio).

Exceso de humo azul o blanco en el escape.
Causas posibles.
Solución.
Guías de válvula desgastadas.
Cambie las guías de válvula.
Segmentos gastados.
Cambie los segmentos.
Nivel de aceite demasiado alto.
Revise el nivel de aceite.
Ver "el motor falla"
Compruebe todos los puntos del capítulo cuando "el motor falla". (Volver al inicio).

Baja presión de aceite de motor.
Causas posibles.
Solución.
Combustible en el aceite.
Vea el capítulo de "Consumo excesivo de combustible".
Cojinetes de bancada gastados.
Compruebe el cigüeñal, casquillos de bancada, verifique el filtro de aceite y la bomba.
Cojinetes del árbol de levas flojos.
Cambie los cojinetes del árbol de levas.
Cojinetes de distribución flojos.
Cambie los cojinetes de la distribución.
Bomba de aceite averiada.
Repare la bomba de aceite.
Filtro obstruido.
Revise el filtro de aceite.
Enfriadores taponados.
Revise los enfriadores de aceite. (Volver al inicio).

Consumo elevado de aceite.
Causas posibles.
Solución.
Fugas.
Corrija las fugas de aceite.
Holgura en guías de válvula.
Cambie las guías de válvula.
Nivel de aceite muy alto.
Revise el nivel de aceite.
Aceite demasiado caliente.
Revise la válvula limitadora de la bomba de aaceite. Revise el enfriador de aceite del motor.
Camisas, segmentos gastados o rotos.
Reacondicione el motor.
Turbo pasa aceite.
Revise el múltiple de admisión si hay aceite en el mismo repare el turbo.
Segmentos del compresor de aire gastados.
Revise y repare el compresor de aire. (Volver al inicio).

Temperatura anormal del refrigerante.
Causas posibles.
Solución.
Gases en el radiador.
Fallo del termostato.
Bajo nivel de refrigerante
Bomba de agua mal.
Vea las páginas de "Refrigeración de motores" (Volver al inicio).

DAÑO EN LOS PISTONES




Fuerza de Torsión
El torque o par es el nombre que se da a las fuerzas de torsión. Para que la torsión exista se requieren 2 fuerzas (par), que se ejercen en sentido opuesto. Ver la figura.El valor del par depende del radio de acción de la fuerza (brazo). La mayor o menor torsión que genera una fuerza depende de la distancia al punto de pivote. A mayor brazo mayor par.
Par de Torsión
El par o torque es un número que expresa el valor de la fuerza de torsión. Se expresa en kilos x metros. Es decir, si ejercemos una fuerza de 1 kilo con un brazo de 1 metro el torque o par será de 1 kilo x metro (1 kilográmetro).En un motor de pistones la capacidad de ejercer fuerza de torsión es limitada. Depende de la fuerza de expansión máxima que logran los gases en el cilindro. El torque máximo se consigue cuando el rendimiento volumétrico es máximo y por lo tanto se dispone de mayor temperatura para expandir los gases.El par motor también depende del largo del brazo del cigüeñal.
Los motores de mayor tamaño están equipados con cigüeñal de brazo más largo. Esto les da la posibilidad de ejercer igual par de torsión con menos fuerza de expansión de los gases.




MOTORES DIESEL

Potencia y par motor.

La potencia que puede proporcionar un motor depende del número de revoluciones que éste lleve y a cada velocidad de giro le corresponde una potencia determinada; esta potencia aumenta a medida que crecen las revoluciones por minuto, y la máxima potencia la alcanzará el motor al máximo número de revoluciones para las que está proyectado.

POTENCIA podemos definirla como la cantidad de trabajo que puede efectuar una máquina; pero l que realmente vence la resistencia que impone la carga al giro del cigüeñal, y por lo tanto de la transmisión y las ruedas o cadenas, es el par motor. Par motor podemos definirlo, pues, como la capacidad que tiene una máquina para realizar un trabajo.
PAR es el resultado de multiplicar una fuerza aplicada por la distancia de aplicación de esa fuerza al punto de apoyo o de giro de la palanca a la que estamos aplicando la fuerza.
Para entender el concepto físico de momento y momento de un par de fuerzas vamos a considerar el primero de los ejemplos. Imaginemos que estamos apretando un tornillo con dos tipos de llaves fijas. Para hacerlo girar, con la llave 1, necesitamos realizar una fuerza F aplicada a una distancia D del centro del tornillo O. El momento M que aplicamos viene dado por: el producto de la fuerza por la distancia entre dicha fuerza y el punto O, a condición que las direcciones de ambas sean perpendiculares entre sí. Esta magnitud viene expresada en N-m ( Newton –metro), 1N = 0,1 Kilogramo fuerza.
Al girar el volante, debido a los movimientos alternativos de los pistones, se origina en la periferia del volante una fuerza centrifuga, esa fuerza origina en el punto de apoyo del volante un PAR que es el resultado de multiplicar la fuerza centrifuga por el radio del volante. Este PAR que es el que vence la resistencia de giro del cigüeñal y en definitiva la resistencia al giro de las ruedas o cadenas.
M = FxD (N-m)
A medida que vamos apretando el tornillo nos va costando más esfuerzo, ello es debido a que el propio tornillo cada vez ofrece mayor resistencia a ser movido. Está claro que, cuando apretamos siempre procuramos hacerlo desde la posición más ventajosa, o sea, buscamos hacer la menor fuerza, por lo que instintivamente la aplicamos en el extremo de la llave, a nadie se le ocurre hacerlo próximo a la cabeza de la misma. Incluso, a veces, nos valemos de un prolongador que colocamos en la llave para apretar aun más. El mismo efecto conseguimos si utilizamos la llave 2, la diferencia con la anterior es que el centro del tornillo O se encuentra a la mitad del mango de la llave, o en este caso estamos aplicando un momento de dos fuerzas F iguales y opuestas que se conoce con el nombre de par . En ambos casos cuando la distancia D es 1 metro el valor numérico de la fuerza coincide con el del par.El segundo de los aspectos que hay que tener en cuenta es cuando el par de fuerzas se encuentra en movimiento, se le llama par motor. En este caso el par realiza un trabajo mecánico W expresado en Julios (J), es decir, consume una energía. Cuando las fuerzas recorren la longitud equivalente a dos vueltas dicho trabajo es:
W = Mx4x3,1416 (J)
Siendo M el valor del par motor (N-m)
Hemos considerado dos vueltas ya que en un motor de cuatro tiempos por cada dos vueltas se realiza la aportación de combustible de donde se obtiene la energía mecánica procedente de su combustión.En definitiva, el par motor es directamente proporcional al trabajo mecánico realizado por el motor en un ciclo de funcionamiento, es decir, considerando las fases de Admisión, Compresión, Trabajo y Escape. La potencia (P) del motor es el trabajo divido por el tiempo en que se realiza el ciclo. Si un motor de cuatro tiempos gira a n r/min, efectúa n/2 ciclos en 1 minuto ( 60 segundos). Por lo tanto un ciclo operativo del motor se realiza en 2*60/n (segundos), la potencia del motor vale:
P = Mx2x3,1416xn / 60x1000 (kw)
Veamos un ejemplo. Un motor desarrolla el par máximo de 500 N-m a 1600 r/min. Esto equivale a decir que el motor es capaz de apretar el tornillo con la llave 2 aplicando un par de 500 N, aproximadamente de 50 kilogramos de fuerza cada una, cuando ambas se encuentran separadas una distancia de 1m. El trabajo por cada ciclo operativo del motor, dos vueltas, sería 500x4x, es decir 6283 J, aproximadamente equivalente a una energía de 1500 Kilocalorías.La potencia desarrollada es:
P = 500x2x3,1416x1.600 / 60x1000 = 83,78 (kw) = 113,83 (CV)
Vamos a ver ahora la relación que existe entre la potencia del motor, su número de revoluciones y el par motor que origina.
El trabajo desarrollado por la fuerza centrifuga del cigüeñal en una vuelta del volante será FX2 π r, (siendo π= 3,1416 y r el radio de giro; por lo tanto 2 π r, que es la longitud de la circunferencia, será el camino recorrido por la fuerza F en una vuelta del volante). Multiplicando el trabajo por el número de revoluciones por segundo n/60 (siendo n el número de revoluciones por minuto del volante) tendremos la potencia en KgXm/seg.
Para convertir esa potencia a caballos y sabiendo que 1 C.V.es 75 X(KgXm/seg.), tendremos que dividir por 75 para obtener la potencia en caballos.
· Cuando las fuerzas F pasan de la posición 1 a 2, girando un ángulo , realizan un trabajo W.
· El trabajo W es el valor de cada F por la distancia del arco de circunferencia 1-2.
· Por cada vuelta el trabajo de las dos fuerzas se realiza sobre la longitud de la circunferencia: W = 2xFxDx2x3,1416xR (J)Siendo 2x3,1416xR la longitud de la circunferencia
· Como 2*R = D y F*D = M (Par motor) el trabajo por cada vuelta es:W = Mx2x3,1416 (J)
· El ciclo de un motor de 4 tiempos se realiza en dos vueltas, por lo tanto el trabajo mecánico vale:W = Mx4x3,1416 (J)
· La potencia mecánica es:P = Mx2x3,1416xn / 60x1000 (kw)
Todo par se ejerce para vencer una resistencia. Las fuerzas que aplicamos en la llave 2 son consecuencia de la mayor o menor resistencia que opone el tornillo. Esta resistencia se traduce en un par resistente que debe ser igual o menor al de accionamiento, si queremos mover el tornillo.Cuando decidimos hacer un taladro en la pared con unas taladradora de mano la fuerza que tenemos que hacer para sujetarla depende de la resistencia de la pared y del tamaño de la broca. La perforación se hace tanto más difícil cuanto más resistente es la primera y mayor es el diámetro de la segunda. Es decir, la pared ofrece un par resistente que debe ser igual, al menos, que el par motor que ejerce la broca. ¿ Cómo nos damos cuenta de éste último?, precisamente por la fuerza y el lugar de sujeción de la máquina, o lo que es lo mismo, por el par de sujeción que es igual al par motor. Si soltáramos la taladradora, la broca se quedaría fija y la máquina giraría alrededor de ella, cosa que ocurre cuando nos encontramos con una resistencia tan grande que nos arrastra la mano. Este ejemplo nos servirá para comprender el funcionamiento de un freno dinamométrico en el que se determina la curva de par motor.
El par motor y el consumo de combustible
Ya dijimos anteriormente que un par en movimiento produce un trabajo mecánico. En el caso de la taladradora la energía que acciona la broca es eléctrica, dependiendo de la intensidad de la corriente y del voltaje. En el caso del motor de combustión interna depende del combustible aportado y de su poder calorífico. Para el ciclo de un motor de 4 tiempos la aportación de combustible se lleva a cabo una vez por cada dos vueltas. Dicho combustible libera su energía calorífica en la que solamente una fracción de la misma se transforma en energía mecánica. El resto son pérdidas de calor, fricción y accionamiento de órganos accesorios. En un ciclo de funcionamiento el trabajo mecánico es:
W = Mx4x3,1416 = mcxHixne (J)
Donde: mc es la masa de combustible aportada en cada ciclo, Hi el poder calorífico ( 42000 J/gr) para el gasoil, y ne el rendimiento del motor que, en el mejor de los casos, se sitúa en el 40% (0,4). Por lo tanto, el par motor depende directamente del consumo de combustible.
En el ejemplo anterior podemos saber cuanto combustible fue aportado en cada ciclo.Si el trabajo mecánico es 6283 J, teniendo en cuenta el poder calorífico, y rendimiento antes citado:
mc = 6283 / 42000x0,4 = 0,374 (gr / Ciclo)
Quiere ello decir que con 0,374 gramos de combustible obtenemos un par motor de 500 N-m equivalente a un par de fuerzas de 500 N aplicadas a 1 metro de distancia entre si, generando un trabajo mecánico por ciclo de funcionamiento del motor de 6283 J.
Potencia
En Física, potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Esto es equivalente a la velocidad de cambio de energía en un sistema o al tiempo empleado en realizar un trabajo, según queda definido por:
Donde
P es la potencia.
W es la energía total o trabajo.
t es el tiempo.
Potencia mecánica es el trabajo realizado por una máquina o una persona en un determinado intervalo de tiempo.
Potencia mecánica
La potencia mecánica es la potencia transmitida mediante la acción de fuerzas físicas de contacto o elementos mecánicos asociados como palancas, engranajes, etc. El caso más simple es el de una partícula libre sobre la que actúa una fuerza variable. De acuerdo con la dinámica clásica esta potencia viene dada por la variación de su energía cinética o trabajo realizado por unidad de tiempo:
Donde:
, son la energía cinética y la masa del partícula, respectivamente
son la fuerza resultante que actúa sobre la partícula y la velocidad de la partícula, respectivamente.
En sistemas mecánicos más complejos con elementos rotativos sobre un eje constante y donde el momento de inercia permanece constante, la potencia mecánica puede relacionarse con el par motor, la velocidad angular siendo la potencia la variación de la energía cinética de rotación por unidad de tiempo:
Donde:
, es el momento de inercia según eje de giro.
, es la velocidad angular del eje.
, es el par motor aplicado sobre dicho eje.
Si el movimiento rotativo puede darse según un eje variable o el momento de inercia es variable la expresión correcta es:
Donde:
, son respectivamente la aceleración angular y el momento angular total del sistema.
Esta última ecuación es análoga a la variación de potencia que se deriva de la ecuación del cohete donde al irse quemando combustible la masa no permanece constante
Potencia eléctrica
Artículo principal: Potencia eléctrica
La potencia eléctrica P desarrollada en un cierto instante por un dispositivo viene dada por la expresión
Donde:
P(t) es la potencia instantenea, medida en watios (julios/segundos).
V(t) es la diferencia de potencial (caida de voltaje) a traves del componente, medida en voltios.
I(t) es la corriente que circula por el, medida e amperios.
Si el componente es una resitencia, tenemos:
Donde:
R es la resitencia, medida en ohmios.
Potencia sonora
La potencia del sonido se puede considerar en función de la intensidad y la superficie:
Ps es la potencia realizada.
Is es la intensidad sonora.
dS es el elemento de superficie, sobre la que impacta la onda sonora.
Unidades de potencia
Artículo principal: Unidades de potencia
Sistema métrico (SI), la más frecuente es el vatio (W) y sus múltiplos: 1000 W = 1 kW (kilovatio); 1 000 000 W = 1 MW (megavatio), aunque también pueden usarse combinaciones equivalentes como el voltiamperio.
Sistema inglés, caballo de vapor o caballo de fuerza métrico (CV), cuya equivalencia es 1 kW = 1,359 CV
Sistema técnico de unidades, caloría internacional por segundo (cal IT/s).
Sistema cegesimal: ergio por segundo (erg/s)