conversiones de gas

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MECANICA

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EMPRESA COLOMBIANA DE PETROLEOS

SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE

MANUAL DE PRECONVERSION A G..N..C..V GNCV Manuel Antonio MONTENEGRO MIER Pedro Ivan PEREZ GAYN Roberto SIERRA HIGUERA Salomon HERRERA REMOLINA

Instructores de Mecnica Automotriz Servicio Nacional de Aprendizaje SENA

2002

Coordinacin y montaje de textos: Ing. Manuel Antonio Montenegro Mier Instructor Centro de Mecnica Automotriz y Transporte SENA. Regional Bogot y Cundinamarca

Diseo de portada y dibujos: Miguel E. Albn.

PRESENTACIN

Diversos factores deben ser tenidos en cuenta en el anlisis y toma de decisin de convertir un motor de combustin interna que funciona con combustible gasolina a que funcione con Gas Natural Comprimido Vehcular (GNCV); pero entre los ms significativos, tanto para el usuario como para los talleres de conversin y las empresas distribuidoras de GNCV, se encuentran los siguientes: El primer aspecto y el ms relevante para el usuario o propietario del vehculo es el factor econmico y la respuesta que siempre encontrara por parte de los administradores o tcnicos de taller, es que la conversin si se justifica desde el punto de vista econmico. Para ello basta con realizar las cuentas de lo que gasta el vehculo en gasolina y si ste es convertido los ahorros en combustible sern alrededor de un 45% a 50%. Lo que significa que se ahorra en combustible pagar la inversin del Kit de conversin de gas.

El otro aspecto que normalmente preocupa al usuario; es el tcnico, especialmente por la falta de informacin y el desconocimiento que se tiene sobre el GNCV. Respecto a este aspecto, es importante manifestar que si el usuario sigue las recomendaciones e instrucciones del fabricante del Kit de conversin y del personal de los talleres; en cuanto, a tipo de lubricante a utilizar, periodos o frecuencia de cambios de filtros y lubricante, periodos de inspeccin postconversin, pruebas especificas de los componentes del Kit; el comportamiento del vehculo no sufrir ningn tipo de inconveniente en cuanto a su durabilidad. Sin embargo, es importante manifestar que el vehculo tendr perdidas (alrededor de 12%) de potencia, estimadas y se dice estimadas, porque an no se han realizado a los vehculos pruebas de tipo dinmico, que verdaderamente indiquen con certeza las perdidas que sufre el motor. Pero ms independientemente de los aspectos econmicos o tcnicos, es oportuno mencionar que la crisis energtica de la dcada de los aos setenta, indujo a los gobiernos del mundo a investigar y desarrollar combustibles alternativos, que se aprovechen ms eficientemente y que sean ms econmicos que los combustibles fsiles tradicionales. As mismo, la contaminacin del medio ambiente producida por las fuentes mviles (automotores), hizo que 160 pases del mundo, conocidos como los pases del Anexo 1, se comprometieran a reducir las emisiones contaminantes, en especial las que son responsables del efecto de invernadero, como es el caso del CO2, el cual se debe disminuir en un 5,2% para los aos 2008 a 2010.

Dentro de las investigaciones realizadas en la bsqueda de nuevos combustibles, el gas natural comprimido vehcular (GNCV), por su abundancia, precio y en especial por ser el combustible fsil ms limpio y por lo tanto, el de menor contaminacin, es el combustible de mayor potencialidad y viabilidad de xito, frente a otros combustibles y los tradicionales (gasolina o A.C.P.M.). Las razones expuestas, son las que obligaron a disear y elaborar una serie de cinco manuales de capacitacin, como soporte tcnico del programa de reconversin de vehculos que utilizan gasolina como combustible del motor a motores que utilicen G.N.C.V. El presente manual titulado Manual de Preconversin de Vehculos a GNCV, contiene todos los aspectos tcnicos y tecnolgicos con respecto al anlisis y diagnstico de los vehculos que sern objeto de conversin. Igualmente, el manual es soporte del tcnico mecnico de los talleres de automotores, porque los conocimientos redactados en el manual, le servirn de repaso o de profundizacin, para lograr un alto y eficiente desempeo laboral. Muchos xitos al usuario lector del presente manual.

Ing. Manuel Antonio Montenegro Mier Coordinador Proyecto de GNCV SENA. Regional Bogot y Cundinamarca

CONTENIDO CAP. PRESENTACIN CONTENIDO FIGURAS RESULTADOS DE APRENDIZAJE 1. 2. 2.1 2.1.1 2.1.2 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.1.1 3.2.1.2 3.3 3.3.1 3.3.1.1 3.3.1.2 3.3.1.3 3.3.1.4 3.3.1.5 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 3.4.8 3.4.8.1 3.4.8.2 INTRODUCCIN EL VEHCULO AUTOMOTOR CLASIFICACIN DE LOS VEHCULOS AUTOMOTORES Vehculos de turismo Vehculos de carga ESTRUCTURA DEL VEHCULO LA CARROCERA CHASIS El bastidor Bastidor de perfil estampado Bastidor tipo plataforma EL MOTOR Clasificacin de los motores Motor diesel Motor a gasolina Motor a gas Motores bicombustibles Motores dual ESTRUCTURA INTERNA DEL MOTOR Conjunto mvil La culata La distribucin mecnica Sistema de enfriamiento del motor Sistema de lubricacin del motor Sistema de alimentacin de combustible y aire (carburados) Sistema de encendido Controles electrnicos de motores y del del vehculo Sistema de inyeccin electrnica de combustible Encendido computarizado (D.I.S) 1 Pag.

3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 4 4.1 4.1.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 5

ORGANOS MECNICOS Sistema de transmisin de potencia Sistema de suspensin Sistema de frenos Sistema de direccin FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y CINEMATICA DEL MOTOR El principio de funcionamiento de un motor de combustin interna EL CICLO DE FUNCIONAMIENTO TERICO DE CUATRO TIEMPOS Fase de admisin Fase de compresin Fase de combustin expansin Fase de escape FUNCIONAMIENTO REAL DE UN MOTOR DE CUATRO TIEMPOS Admisin Compresin Combustin o expansin Escape CONCEPTOS TERMODINMICOS APLICADOS AL MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA INTRODUCCIN Calor TERMINOLOGA QUMICA FUNDAMENTAL Elemento qumico Compuesto Molcula Peso atmico Peso molecular Mol EL PROCESO DE COMBUSTIN Definicin LA COMBUSTIN DESDE EL PUNTO DE VISTA QUMICO La reaccin qumica El aire Combustibles Tamao de la molcula de hidrocarburo Energa de activacin

5.1 5.1.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.3 5.3.1 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5

5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5 5.5.6 5.5.7 5.5.8 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.6.4 5.6.5 5.6.5.1 5.6.5.2 5.6.5.3 5.6.5.4 5.7 5.7.1 5.7.2 5.7.3 5.7.4 5.7.5 5.7.6 5.7.7 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 7 7.1 7.2 7.2.1 7.2.1.1 7.2.1.2 7.2.1.3 7.2.1.4

ESTEQUIOMETRA Principales reacciones qumicas Combustin del hidrgeno Combustin del carbono Combustin del azufre Reaccin trmica de los combustibles Combustin completa e incompleta Relacin aire/combustible (r a/c) Relacin estequiomtrica PROCESO DE COMBUSTIN EN EL MOTOR La combustin en el motor desde el punto de vista qumico El combustible El aire La energia de activacn La combustin desde el punto de vista fsico Mezcla y turbulencia Rompimiento Bsqueda Unin LOS GASES DE ESCAPE Bixido o dixido de Carbono CO2 Vapor de Agua H20 Oxgeno 02 Monxido de carbono CO Hidrocarburos NO quemados (HC) Oxdos de Nitrgeno NOX Oxdos de Azufre SOX SISTEMA DE CONTROL DE EMISIONES SISTEMA DE VENTILACIN POSITIVA DE CARTER PCV SISTEMA DE CONTROL DE EMISIONES EVAPORATIVAS SISTEMA DE RECIRCULACIN PARCIAL DE LOS GASES DE ESCAPE (EGR) SISTEMA DE INYECCIN DE AIRE AL TUBO DE ESCAPE EL CONVERTIDOR CATALTICO HERRAMIENTAS Y EQUIPOS DE DIAGNOSTICO HERRAMIENTAS DE USO GENERAL HERRAMIENTAS DE USO ESPECIALIZADO Herramientas elctricas de comprobacin (Tester) Multimetro digital auto-rango (uso automotriz) Comprobador de bateras / consumo del arranque Lmpara de tiempo estroboscpica Probador de inyector de combustible

7.2.2 7.2.2.1 7.2.2.2 7.2.2.3 7.2.2.4 7.2.2.5 7.2.2.6 7.2.3 7.2.3.1 7.2.3.2 7.2.3.3 7.2.3.4 7.2.3.5 7.2.4 7.2.4.1 7.2.4.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 8. 8.1 8.2 8.3 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4 8.4.5 8.5 8.5.1 8.5.2 8.6 8.6.1 8.6.2 8.6.3 8.6.4 8.6.5 8.6.5.1 8.6.5.2 8.6.5.3 8.6.5.4

Herramientas mecnicas de medida Calibradores de espesores Calibradores de roscas Calibradores de tipo pie de rey Micrmetros Comparador de cartula Medidor del momento de torsin o torque Herramientas neumticas Manmetro para compresin Comprobador de estanqueidad de cilindros del motor Vacumetros Bomba manual de presin y de depresin Herramientas neumticas de trabajo rpido Herramientas hidraulicas Manmetros de presin hidrulica Caudalimetro EQUIPOS DE ANLISIS DIAGNSTICO Osciloscopio tipo automotrz Escner / diagnosticador para sistemas computarizados Analizador de gases de escape DIAGNOSTICO DEL VEHICULO PARA SU CONVERSIN DE GASOLINA A GNCV OBJETIVO INTRODUCCIN ESTADO ESTRUCTURAL DEL VEHICULO (CARROCERIA-CHASIS) ESTADO DE CARGA DE LA BATERIA Y MASAS DEL VEHICULO Capacidad de la bartera Estado de carga Prueba de capacidad de descarga Prueba de recuperacin de la batera Verificacion de las masas (tierra) en el vehculo ESTADO DEL SISTEMA DE ARRANQUE Y CARGA Estado del arranque Estado del sistema de carga ESTADO DEL SISTEMA DE ENCENDIDO Alimentacin Bobina de encendido Distribuidor Sensoy y/o captador de seal de encendido Avances de tiempo Avance inicial Avance centrfugo Avance por vaco Bujias de encendido

8.7 8.7.1 8.7.2 8.7.3 8.7.4 8.8 8.8.1 8.8.2 8.8.3 8.8.4 8.8.5 8.9 9. 9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.2.5 9.2.6 9.2.7 9.2.8 9.2.9 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.4 9.3.5 9.3.6 9.3.7 9.3.8 9.3.9 9.3.10 9.3.11 9.3.12

COMPROBACIONES MECANICAS Calibracin de vlvulas Distribucin mecnica Medicin de compresin en los cilindros Prueba de hermeticidad para cilindros (estanqueidad) PRUEBAS DINMICAS DE LOS SISTEMAS DEL MOTOR Marcha mnima del motor (ralent, idle) Prueba dinmica de avances Prueba dinmica del sistema de carburacin Prueba dinmica del vaci, motor en todas las rpm Comprobador del sistema de enfriamiento del motor ANALISIS DE GASES DE ESCAPE PROCESO DE DIAGNOSTICO PARA SISTEMAS DE INYECCIN Y CONTROL COMPUTARIZADO DEL MOTOR PROCESO Consumo permanente en A Capacidad de la batera Recuperacin de la batera a voltaje nominal Estado del sistema de arranque al encender el vehculo ESTABILIDAD DEL SISTEMA DE CARGA Voltaje en mnima / accesorio en OFF Cada mxima de voltaje en mnima / accesorios en ON Voltaje a velocidad de crucero / accesorios en OFF Voltaje a velocidad de crucero / accesorios en ON Amperaje en mnima / accesorios en OFF Amperaje en mnima / accesorios en ON Amperaje a velocidad de crucero / accesorios en OFF Amperaje a velocidad de crucero / accesorios en ON Cada mxima de voltaje en las masas principales PRUEBA DE SENSORES PRINCIPALES Sensor de temperatura del refrigerante Sensor de presin absoluta Sensor de masa y flujo de aire Sensor de vrtice Karman Sensor de temperatura de carga de aire Caudalimetro Sensor de posicin de la mariposa del acelerador Sensor de oxgeno Verificacin del tiempo de encendido Pruebe la alimentacin y funcionamiento de los inyectores Pruebe el tiempo de apertura o pulso del inyector Pruebe el ciclo de trabajo del inyector

9.3.13 9.3.14 9.3.15 9.3.16 9.3.17 9.3.18 9.3.19 9.3.20 9.3.21 9.3.22 9.3.23 9.3.24 9.3.25 9.3.26 9.3.27 9.3.28 9.3.29 9.3.30 9.3.31 9.3.32

Proceso de verificacin de suministro del sistema combustible Pruebe la admisin mxima del sistema Verifique la existencia de fugas Pruebe la presin del funcionamiento del sistema Pruebe el control del regulador sobre la presin Verifique el caudal del sistema Pruebe fugas en el regulador Pruebe de fugas por la bomba, el regulador o los inyectores Pruebe el estado de los inyectores con el pulsador Prueba de fugas por los inyectores Pruebe el taponamiento de los filtros de la bomba y la vlvula Cheker Pruebe la estanqueidad del tanque de combustible Verifique el vaco dinmico del motor Verifique el movimiento de la aguja con una aceleracin rpida y a fondo Verifique el valor del vaco a velocidad de crucero Lecturas o comportamientos anormales Pruebe la vlvula P.C.V. Procedimiento para la verificacin de fugas en el mltiple de admisin Procedimiento para el balance de potencia de cilindros Comportamiento e interpretacin del compresmetro

BIBLIOGRAFIA

FIGURAS 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 Vehculo automotor Vehculo de turismo Vehculo de carga La carrocera y el chasis de un vehculo Bastidor Bastidor de perfil estampado Bastidor tipo plataforma, auto portante o mono casco Motor de combustin interna Conjunto mvil Sistema convencional de alimentacin gasolina-aire (con carburador) Sistema de encendido Automvil controlado electrnicamente Dispositivos electronicos para el control de la inyeccin de combustible Encendido computarizado (D.I.S) Sistema de direccin. Motor de combustin interna Conjunto mvil Sistema de vlvulas Fases de funcionamiento del motor Fase de admisin Fase de compresin Fase de combustin expansin Fase de escape Diagrama de distribucin del funcionamiento real de un motor de combustin (adelanto y cierre de vlvulas). La reaccin qumica Etapas de la combustin Los gases de escape Fuentes de contaminacin en un vehculo Sistema de vemtilacin positiva del crter Sistema de control de emisiones evaporativas Sistema de recirculacin de los gases de escape Sistema de inyeccin de aire El convertidor cataltico Herramientas de uso general Multmetro Voltmetro conectado en paralelo Ampermetros Ohmnimetro Comprobador de bateras / consumo del arranque Lmparas de tiempo

5.1 5.2 5.3 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7

7.8 7.9 7.10 7.11 7.12 7.13 7.14 7.15 7.16 7.17 7.18 7.19 7.20 7.21 7.22 7.23 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 8.11 8.12 8.13 8.14 8.15 8.16 9.1 9.2 9.3

Probador de inyector de combustible Calibradores de espesores y roscas Escalas del calibrador pie de rey (nonio y regilla) Calibrador pie de rey Micrmetros Comparador de cartula Llaves de torque Manmetro para compresin Comprobador de estanqueidad Vacumetro o bomba de vaco Llave de impacto y lubricador Manmetro de presin hidrulica (aceite / combustible) Probeta graduada Onda del osciloscopio Escaner Analizador de gases de escape Chequeo de la estructura chasis suspensin Ubicacin de los cilindros en el vehculo Control de nivel e indicador estado de carga Prueba de la capacidad de descarga (normal) su capacidad nominal Verificacin de las conexiones a masa Flujo de la corriente Medidin de consumos de corriente (amperaje) Elementos de un encendido electrnico Ejemplos de curvas de avances Reglaje de dos valvulas Motor con correa dentada Medicin de la comprensin de un motor Anlisis de gases de escpae (relacin aire gasolina) Tensin de cebado y chispa de buja Prueba dinmica de avances Sistema de enfriamiento de un motor Diagnosticado para sistemas de inyeccin y control computarizado Avance de encendido cartogrfico en funcin rpm, de presin y carga de motor Sistema de control logico

RESULTADOS DE APRENDIZAJE Clasificar los vehculos automotores. Identificar las partes y sistemas componentes de un vehculo. Describir las caractersticas y funcin de los componentes y sistemas de un vehculo. Clasificar los motores de combustin interna de acuerdo con el tipo de combustible utilizado. Describir el funcionamiento de un motor de combustin interna de cuatro tiempos. Realizar las pruebas de funcionamiento a los diferentes sistemas del vehculo. Diagnosticar las condiciones iniciales de funcionamiento de las partes y sistemas de un vehculo. Evaluar, de acuerdo al diagnstico, la factibilidad de una conversin exitosa a G.N.C.V.

1. INTRODUCCIN Dentro de las polticas gubernamentales econmicas y ecolgicas, est la de utilizar ms racionalmente los recursos naturales, es as como se han destinado muchos recursos financieros al programa de sustitucin de los combustibles tradicionales lquidos (gasolina y Diesel) por combustibles gaseosos (gas natural), los cuales son de menor incidencia en el medio ambiente en lo que se refiere a productos contaminantes. El Gas Natural Comprimido Vehcular (GNCV), es el combustible de mayor perspectiva para el futuro; ya que, su menor precio, su abundancia, y en especial su menor incidencia en contaminacin ambiental por productos de la combustin, hacen del gas natural el combustible ms competitivo para ser utilizado en el subsector de los automotores y como sustituto de importacin de gasolina. Pero para llevar a cabo el programa de sustitucin de combustibles, es necesario crear una infrestructura que garantic el desarrollo exitoso del mismo. Una de las acciones ms importantes para lograr lo anterior es la creacin de la infraestructura de los tallleres y personal capacitado para realizar la conversin de vehculos que funcionan con motor a gasolina por motor que funcione con GNCV. Con respecto a los talleres de conversin, en el pas se han desarrollado normas que garantizan las condiciones que deben cumplir dichos talleres. En cuanto a la capacitacin de personal, este manual es una de las acciones para contribuir al desarrollo del programa del GNCV. Cuando se toma la determinacin de convertir un vehculo de motor con gasolina a motor que funcione con GNCV, se deben realizar varias etapas dentro del proceso de conversin. La primera etapa y quiza la ms importante es el diagnstico inicial de cada uno de los compnentes del vehculo en especial el estado y comportamientob en cuanto al rendimiento del motor; esta etapa del proceso se denomina Preconversin. En la preconversin el tcnico mecnico debe realizar un proceso sistemtico de diagnstico y evaluacin del vehculo, apoyado en su experiencia y en la utilizacin y aplicacin de herramientas y equipos de diagnstico de automotores, y con base en las mediciones y pruebas realizadas, evaluara el estado del vehculo y con criterios eticos y tcnicos recomendara la viabilidad de conversin del vehculo a GNCV. En este manual el usuario encontrara los conocimientos termodinmicos de fundamentacin de los motores de combustin interna, y adems el proceso de desarrollo de pruebas que debe realizar para poder diagnosticar y evaluar el estado real de los motores. El manual est dirigido fundamentalmente a todos aquellos usuarios que deseen complementar o adquirir los conocimientos necesarios para realizar el proceso de preconversin de vehculos a GNCV. Igualmente, este manual servira a todas las personas que estudien o que les guste la mecnica de automotores.

2. L VEHICULO AUTOMOTOR

La Federacin Internacional del Automvil define as el vehculo automotor: Vehculo terrestre movido por sus propios medios, que se desliza mnimo sobre cuatro ruedas dispuestas en ms de una alineacin y que estn siempre en contacto con el suelo, y de las cuales por lo menos dos son directrices y dos de propulsin (ver figura 2.1).

Figura 2.1 Vehculo automotor

La anterior definicin no establece distincin entre los diferentes tipos de vehculos automotores; sin embargo y en todos los casos sabemos que se trata de varios miles de piezas, cada una de las cuales cumple una funcin especifica. Muchas de ellas se deben mover en forma sincronizada. En su proceso de manufactura se emplean al menos 100 materiales diferentes, y en su diseo y fabricacin se hace uso de las ms modernas tcnicas y tecnologas, las cuales permiten entregar al usuario final un vehculo con un alto grado de calidad, seguridad y confort.

2.1

CLASIFICACIN DE LOS VEHICULOS AUTOMOTORES

De acuerdo con la utilidad para la cual est diseado el vehculo automotor, existen dos grandes clasificaciones: Los vehculos de turismo (transporte de personas) y los vehculos de carga.

2.1.1 Vehculos de turismo Son vehculos (ver figura 2.2) cuya carrocera y rganos mecnicos y de seguridad estn diseados y construidos exclusivamente para el transporte de personas. De acuerdo con el tamao podemos clasificarlos como automviles, en cuyo espacio se alojan cmodamente hasta seis personas, busetas (Colombia) y autobuses, en los cuales se pueden movilizar un nmero mayor de personas.

Figura 2.2 Vehculo de turismo 2.1.2 Vehculos de Carga Tambin conocidos como utilitarios, son vehculos (ver figura 2.3) destinados bsicamente al transporte de bienes materiales o animales, aunque en algunos casos tambin se utilizan para el transporte de personas.

Figura 2.3 Vehculo de carga De acuerdo al tamao y prestaciones del vehculo, estos pueden ser del tipo liviano, entre los que cuentan los camperos y las camionetas, los cuales vienen dotados mecnicamente en la mayora de los casos de los accesorios suficientes para un desempeo ptimo en terrenos difciles o fuera de carretera (doble traccin), o del tipo

pesado (camiones y tractocamiones), los cuales de acuerdo a la utilidad especifica pueden ser: Camin cisterna, de estaca, de cama baja, gra, etc. 3. ESTRUCTURA DEL VEHICULO

Todo vehculo automotor est compuesto por dos grandes conjuntos de piezas, la carrocera y el chasis (ver figura 3.1).

3.1

LA CARROCERA

Est definida por el destino especfico para el cual ha sido diseado y construido el vehculo (carga pasajeros). En cada caso debe ofrecer el espacio, la seguridad y el confort suficiente para ser utilizado dentro de las regulaciones y normas establecidas en cada pas o regin. Sin embargo, aunque tengan la misma destinacin especifica, el fabricante suele ofrecer variantes en el diseo y construccin de la carrocera, por lo cual un mismo modelo pueden presentar rasgos muy diferentes; por ejemplo, en el caso de los automviles estos pueden ser coup, sedan, convertibles, station wagon, etc.

Figura 3.1 La carrocera y el chasis de un vehculo

3.2 CHASIS El chasis esta conformado por el bastidor, el motor y dems rganos mecnicos, elctricos y electrnicos, convirtindose as en la base estructural del vehculo. En algunas regiones se le conoce como la araa del vehculo.

3.2.1 El Bastidor Es la pieza principal (columna vertebral) en la estructura del vehculo. Puede tener diferentes formas, siendo las ms comunes la de perfil estampado y la del tipo plataforma (autoportante). Sobre l se soportan todos los rganos mecnicos del vehculo (ver figura 3.2).

Figura 3.2 Bastidor 3.2.1.1 Bastidor de perfil estampado Est formado por dos largueros o vigas unidos entre s por varios travesaos, piezas todas ellas construidas de acero estampado, generalmente con secciones en U, tubular o rectangular, y diversas formas de armado, las cuales pueden ser en forma de recta, curvas o en X (ver figura 3.3). Los largueros generalmente suelen ir curvados hacia arriba en sus extremos anterior y posterior, con el fin de permitir un mayor espacio para el montaje y funcionamiento de los mecanismos de suspensin y transmisin de potencia del vehculo. Este tipo de bastidor es propio de los vehculos todo terreno y del tipo pesado.

Figura 3.3 Bastidor de perfil estampado

3.2.1.2 Bastidor tipo plataforma Tambin conocido como autoportante o monocasco, forma una sola pieza con el armazn metlico de la carrocera, dando como resultado una verdadera viga armada a lo ancho y alto de la estructura vehcular. En algunos casos para aumentar su rigidez y fortaleza los fabricantes aplican refuerzos a manera de venas o nervaduras. Generalmente se le construye en chapa de acero, y su utilizacin prctica se da en automviles y vehculos pequeos (ver figura 3.4).

Figura 3.4 Bastidor tipo plataforma, auto portante o mono casco.

3.3 EL MOTOR El motor de combustin interna (ver figura 3.5), transforma la energa calrica del combustible en energa cintica mediante un proceso de combustin. La energa cintica es la que nos permite dar una utilizacin practica al vehculo imprimindole movimiento propio.

Figura 3.5 Motor de combustin interna

3.3.1. Clasificacin de los Motores. Los motores de combustin interna soportan diversas clasificaciones (por su forma de encendido, por su ciclo de funcionamiento, por la posicin de los cilindros, por su sistema de enfriamiento, etc.), pero la que ms nos interesa para el propsito de este manual es segn el combustible utilizado.

3.3.1.1 Motor diesel Llamado as en honor a su inventor (Rodolfo Diesel, ingeniero alemn, 1858-1913), es un motor que emplea como combustible un aceite (gasoil) generalmente obtenido del petrleo que se conoce con el nombre de combustible diesel. Puede utilizar tambin otros aceites pesados como el fuel-oil o petrleo crudo. En este tipo de motor el combustible es inyectado en el seno del aire ya comprimido, y la combustin se inicia por encendido espontneo del diesel (autoencendido por condiciones de alta temperatura y presin del aire dentro de la cmara de combustin)

3.3.1.2 Motor a gasolina Conocido tambin como motor de encendido por chispa, utiliza como combustible gasolina, cuyo volatilidad permite que sea fcilmente vaporizada y mezclada con el aire para comprimirla dentro de los cilindros del motor. La mezcla comprimida es encendida mediante un arco elctrico proporcionado por la buja, al saltar por sta una corriente elctrica de alto voltaje, el cual es producido por el sistema de encendido.

3.3.1.3 Motor a gas Aunque en su estructura interna y principio de funcionamiento no difieren mucho del motor a gasolina, existen motores dotados de algunos accesorios especiales que les permite funcionar utilizando combustibles gaseosos. Los gases ms utilizados son el GLP (Gas Licuado del Petrleo) cuyo componente bsico es el gas propano, y el G.N.C.V (Gas Natural Comprimido vehcular), el cual tiene como componente bsico el gas metano.

3.3.1.4 Motor bicombustible Son motores de alta compresin, los cuales utilizan como combustible una mezcla de diesel con GNCV, en una proporcin mnima de 10% diesel por 90% de GNCV. La combustin en este tipo de motores se inicia por el encendido espontaneo del diesel, el cual propaga la combustin sobre la mezcla gas-aire comprimida dentro del motor.

3.3.1.5 Motor dual Son motores que presentan alternativa de funcionamiento ya sea a gasolina o a gas. En este caso cuentan con sistemas de alimentacin de combustible conmutable y con los accesorios mnimos para realizar el cambio de un combustible a otro an en marcha, sin tener necesidad de apagar el motor ni afectar el rendimiento del vehculo.

3.4 ESTRUCTURA INTERNA DEL MOTOR Todo motor de combustin interna debe contar, a fin de lograr un optimo estado de funcionamiento, y poder tener alguna utilizacin prctica como propulsor de un vehculo automotor, al menos con los siguientes sistemas: 3.4.1 Conjunto mvil Es el encargado de convertir el movimiento rectilneo y alternativo del pistn en giratorio o circular en el cigeal (ver figura 3.6).

Figura 3.6 Conjunto mvil

3.4.2 La culata Sirve de tapa al motor, y junto con el sistema valvular es la encargada de controlar la entrada y salida de los gases del motor.

3.4.3 La distribucin mecnica Trasmite y sincroniza el movimiento entre el conjunto mvil y el sistema valvular. 3.4.4 Sistema de enfriamiento del motor Se encarga de controlar y mantener una adecuada temperatura de operacin del motor. 3.4.5 Sistema de lubricacin Reduce la friccin de las piezas en movimiento, ayuda a evacuar el calor y mantener limpio el motor. 3.4.6 Sistema de alimentacin de combustible y aire (carburados) Provee, mezcla y dosifica aire y gasolina para responder a las diferentes condiciones y exigencias de funcionamiento impuestas al motor. Para los motores a gasolina, en este sistema el combustible almacenado en el tanque es impulsado al sistema de dosificacin (carburador o inyectores) mediante una bomba (mecnica o elctrica) a travs de los ductos y pasado por los filtros, en donde es depurado de suciedad y elementos extraos. Posteriormente la gasolina es dosificada por medio de chicleres (en los motores con carburador) o en los inyectores (en los motores con inyeccin), y mezclada con el aire, que tambin ha sido previamente filtrado. Ya en forma de vapor la mezcla pasa del mltiple de admisin al interior del motor, donde es comprimida y se genera la combustin para producir el movimiento del motor (ver figura 3.7).

Filtro de Aire Tanque de Gasolina Carburador

Filtro de Gasolina

Bomba de Alimentacin

Bomba de Alimentacin

Figura 3.7 Sistema convencional de alimentacin gasolina-aire (con carburador)

3.4.7 Sistema de encendido El sistema de encendido es el encargado de proveer, elevar y distribuir un arco elctrico en forma de chispa para iniciar la combustin de la mezcla de aire-combustible previamente comprimida dentro de la cmara de combustin. Al cerrar el contacto en el interruptor de encendido, se permite el flujo de corriente elctrica desde la batera hasta el circuito primario de la bobina, convirtiendo el ncleo de esta en un electroimn que atrae electrones del circuito secundario hasta saturarlo. Cuando se alcanza dicho tiempo de saturacin (DWELL), se abre abruptamente el circuito primario (por efecto de la seal dada por la bobina captadora al modulo de control, o por el efecto mecnico de la leva sobre los platinos en el encendido convencional), induciendo una corriente de alta energa en el secundario. Dicha corriente pasa al distribuidor, y de all es enviada a una determinada buja (de acuerdo con la distribucin del encendido), donde al saltar entre sus electrodos forma un arco elctrico o chispa (verfigura 3.8).

Buja

Cable Llave dncendi e d

Distributo Bater

Bobin

Figura 3.8 Sistema de encendido

3.4.8 Controles electronicos de motores y del vehculo Este sistema revolucion los conceptos mecnicos tradicionales del automvil en lo que a comando del motor se refiere. Basndose en los principios de los ordenadores electrnicos, hoy en uso en todas las reas del que hacer humano, comanda el funcionamiento de los controles del motor en forma lgica, rpida y segura.

Consiste en un conjunto de mecanismos, circuitos y componentes electrnicos, ubicados en varias partes del vehculo (motor, transmisin, carrocera, tablero de instrumentos) que actuan armnicamente bajo la direccin de un computador, a fin de lograr el ptimo funcionamiento del motor, proporcionando en todo momento y bajo todas las condiciones de marcha el mximo rendimiento del vehculo, al mismo tiempo que reduce el consumo de combustible y la emisin de gases contaminantes (ver figura 3.9).

Figura 3.9 Automvil controlado electrnicamente

3.4.8.1 Sistema de inyeccin electronica de combustible Este sistema, suministra combustible a presin y en cantidad adecuada, para establecer con exactitud la proporcin de mezcla necesaria, segn las condiciones atmosfricas y caractersticas de funcionamiento del motor. La pulverizacin se logra con el control mecnico de la presin del combustible, en tanto que la cantidad o dosificacin es establecida por el microprocesador con base en la informacin recibida de los sensores y seales de informacin, dando como respuesta el tiempo durante el cual los inyectores deben permanecer abiertos.

Al colocar el interruptor del vehculo en posicin de encendido, la bomba de combustible es alimentada con corriente elctrica a travs de su respectivo rel, y entonces genera flujo de combustible con una presin regulada por el sistema. Luego de atravesar los respectivos filtros el combustible llega al riel de inyectores o cuerpo de aceleracin (segn el caso), y desde all es repartido a los inyectores, los cuales se abren y cierran en secuencias y tiempos sincronizados de manera que se entregue la cantidad precisa de combustible, el cual es pulverizado al salir por las pequeas boquillas existentes en la punta del inyector. La presin es controlada por el regulador, que se encuentra ubicado al final del riel de inyeccin, manteniendo una presin diferencial constante y enviando el exceso de combustible al tanque a travs del retorno (ver figura 3.10).

Figura 3.10 Dispositivos electronicos para el control de la inyeccin de combustible

3.4.8.2 Encendido computarizado (D.I.S) Este sistema utiliza un paquete de bobinas mltiples, las cuales actan sobre un determinado grupo de bujas, y es el computador el encargo de establecer el orden de encendido, el tiempo de saturacin y los respectivos avances. Los sensores de RPM y posicin del cigeal generan una seal elctrica, la cual es enviada al mdulo de encendido y al computador. Estas seales son utilizadas como seal de referencia (sincrona) y posicin del pistn No. 1 respectivamente.

Entonces el computador complementando esta informacin con la de otros sensores, determina el tiempo de saturacin y grados de avance; luego, y mediante el control sobre el negativo, abre el circuito primario de cada bobina para que se induzca sobre el respectivo secundario un pulso de alto voltaje, el cual, es enviado a 2 bujas diferentes, una de las cuales se encuentra con el cilindro en tiempo de compresin, iniciando entonces la combustin de la mezcla. La segunda, se encuentra con el cilindro en tiempo de escape; all, aunque el arco elctrico no es productivo permite completar el circuito elctrico para que pueda circular la corriente (ver figura 3.11).

Figura 3.11 Encendido computarizado (D.I.S)

3.5

ORGANOS MECANICOS

3.5.1 Sistema de transmisin de potencia Est compuesto por el embrague, la transmisin (caja de cambios), el diferencial y los ejes de mando. Transmite a las ruedas la fuerza motriz desarrollada por el motor, y permite adems variar la velocidad del vehculo en beneficio de una mejor traccin.

3.5.2 Sistema de suspensin Este sistema absorbe las trepidaciones producidas por las irregularidades del camino; adems, cuando el vehculo se halla en movimiento soporta el peso del vehculo de manera que se logre una marcha ms confortable y segura. 3.5.3 Sistema de frenos Tiene como finalidad el permitir al conductor detener total o parcialmente la marcha del vehculo, mediante la transformacin de la energa mecnica producida por la inercia en energa calorfica por el rozamiento de zapatas pastillas de freno sobre campanas o discos. 3.5.4 Sistema de direccin Permite guiar el desplazamiento del vehculo a voluntad del conductor. Junto con el sistema de suspensin y el sistema de frenos, son considerados los principales sistemas de seguridad activos del vehculo (ver figura 3.12).

Figura 3.12 sistema de direccin

4. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA

4.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y CINEMATICA DEL MOTOR Un motor de combustin interna basa su funcionamiento, como su nombre lo indica, en el quemado de una mezcla comprimida de aire y combustible dentro de una cmara cerrada o cilindro, con el fin de incrementar la presin y generar con suficiente potencia el movimiento lineal alternativo del pistn (ver figura 4.1).

Figura 4.1 El motor de combustin interna

Este movimiento es transmitido por medio de la biela al eje principal del motor o cigeal, donde se convierte en movimiento rotativo, el cual se transmite a los mecanismos de transmisin de potencia (caja de velocidades, ejes, diferencial, etc.) y finalmente a las ruedas, con la potencia necesaria para desplazar el vehculo a la velocidad deseada y con la carga que se necesite transportar.

Mediante el proceso de la combustin desarrollado en el cilindro, la energa qumica contenida en el combustible es transformada primero en energa calorfica, parte de la cual se transforma en energa cintica (movimiento), la cual a su vez se convierte en trabajo til aplicable a las ruedas propulsoras; la otra parte se disipa en el sistema de refrigeracin y el sistema de escape, en el accionamiento de accesorios y en perdidas por friccin. En este tipo de motor es preciso preparar la mezcla de aire y combustible convenientemente dosificada, lo cual se realizaba antes en el carburador y en la actualidad con los inyectores en los sistemas con control electrnico. Despus de introducir la mezcla en el cilindro, es necesario provocar la combustin en la cmara de del cilindro por medio de una chispa de alta tensin que la proporciona el sistema de encendido.

4.1.1 El principio de funcionamiento de un motor de combustin interna En un motor el pistn se encuentra ubicado dentro del cilindro, cuyas paredes le restringen el movimiento lateral, permitiendo solamente un desplazamiento lineal alternativo entre el punto muerto superior (PMS) y el punto muerto inferior (PMI); a dicho desplazamiento se le denomina carrera (ver figura 4.2).

Figura 4.2 El conjunto mvil.

Tanto el movimiento del pistn como la presin ejercida por la energa liberada en el proceso de combustin son transmitidos por la biela al cigeal (figura 4.2). Este ltimo es un eje asegurado por los apoyos de bancada al bloque del motor, y con unos descentramientos en cuales se apoyan las bielas, que son los que permiten que el movimiento lineal del pistn transmitido por la biela se transforme en un movimiento circular del cigeal.

Este movimiento circular debe estar sincronizado principalmente con el sistema de encendido y con el sistema valvular, compuesto principalmente por el conjunto de vlvulas de admisin y de escape, cuya funcin es la de servir de compuerta para permitir la entrada de mezcla y la salida de gases de escape (ver figura 4.3). Normalmente las vlvulas de escape son aleadas con cromo con pequeas adiciones de nquel, manganeso y nitrgeno, para incrementar la resistencia a la oxidacin debido a las altas temperaturas a las que trabaja y al contacto corrosivo de los gases de escape.

Figura 4.3 Sistema de vlvulas

4.2

EL CICLO DE FUNCIONAMIENTO TERICO DE CUATRO TIEMPOS

La mayora de los motores de combustin interna trabajan con base en un ciclo de cuatro tiempos, cuyo principio es el ciclo termodinmico de Otto (con combustible gasolina o gas) y el ciclo termodinmico de Diesel (con combustible A.C.P.M.). Por lo tanto, su eficiencia est basada en la variacin de la temperatura tanto en el proceso de compresin isentrpico1, como en el calentamiento a volumen (Otto) o presin constante (Diesel).

1

En el proceso isentrpico no existe transferencia de calor a travs de la frontera del sistema

El ciclo consiste en dos carreras ascendentes y dos carreras descendentes del pistn. Cada carrera coincide con una fase del ciclo de trabajo (ver figura 4.4), y recibe el nombre de la accin que se realiza en el momento, as:

Admisin Compresin Combustin Expansin Escape

1

2

3

4

ADMISIN

COMPRESIN

COMBUSTIN

ESCAPE

Figura 4.4 Fases de funcionamiento del motor

4.2.1 Fase de admisin. El ciclo de trabajo empieza con la fase de admisin. Al comienzo de esta fase el pistn se encuentra en el PMS y la vlvula de admisin abierta. (Figura 4.5). En esta fase el pistn se desplaza del PMS al PMI, y durante el descenso del pistn hasta el PMI se genera una depresin en el interior del cilindro debido a la hermeticidad creada por los anillos. En este instante, la presin externa (presin atmosfrica) es mayor que la presin generada internamente en el cilindro, lo que hace que la presin atmosfrica empuje y provoque la entrada de una mezcla de aire y combustible dosificada en el carburador o por el sistema de control electrnico. La mezcla gasificada va llenando el espacio vaco que deja el pistn al bajar.

Cuando ha llegado el pistn al PMI, se cierra la vlvula de admisin, quedando la mezcla encerrada en el interior del cilindro. Durante este recorrido del pistn, el cigeal ha girado media vuelta o 180.30

20

10 5 1 0

a

b

Descendiendo Figura 4.5 Fase de admisin 4.2.2 Fase de compresin Estando el pistn en el PMI y las vlvulas de admisin y escape cerradas, haciendo que el cilindro sea estanco en este momento, comienza la carrera ascendente. (Figura 4.6).P30

C

20

10 5 1 0

a

b

v

Ascendiendo

Figura 4.6 Fase de compresin La mezcla encerrada en el interior del cilindro va ocupando un espacio cada vez ms reducido a medida que el pistn se acerca al PMS. Alcanzado este nivel, queda encerrada en el espacio formado por la cmara de combustin, sometida a una presin aproximada de 10 bares (aproximadamente 145 Psi) y con una temperatura de alrededor de 280 C, con lo que se logra una mejor vaporizacin del combustible y una mezcla ms homognea. Durante esta nueva carrera del pistn, el cigeal ha girado otra media vuelta, o sea otros 180. En un momento determinado, antes del PMS, salta la chispa producida por el sistema de encendido, entre los electrodos de la buja y se enciende la mezcla comenzando la combustin. 4.2.3 Fase de combustin expansin

El proceso de combustin comienza en la ltima parte del recorrido ascendente del pistn en la fase de compresin (ms o menos 10 grados antes de PMS, dependiendo de las R.P.M), y termina aproximadamente a 10 grados de giro del cigal despus del PMS. Al liberarse el calor en este proceso, se incrementa la temperatura dentro del cilindro y dado que este proceso tericamente es isentrpico, el calor incrementa la presin y est incide en la nica frontera mvil del sistema, el pistn generando el movimiento de sta hasta el PMI. (Figura 4.7)P30

c

d

20

10 5 1 0

e a b v

descendiendo Figura 4.7 Fase de combustin - expansin A medida que el pistn se acerca al PMI, la presin en el interior del cilindro va descendiendo, por ocupar los gases un mayor espacio. En esta nueva fase el pistn ha recibido un fuerte impulso que trasmite al cigeal por intermedio de la biela, hacindolo girar otra media vuelta o 180, el cual seguir girando debido a su inercia (acumulada en el volante), hasta recibir un nuevo impulso. A esta fase se le llama motriz, por ser la nica del ciclo en la cual se produce trabajo.

4.2.4 Fase de escape Cuando el pistn llega al PMI se abre la vlvula de escape (ver figura 4.8), y por ella salen rpidamente al exterior los gases quemados. El pistn sube hasta el PMS en esta nueva carrera, expulsando los restos de gases residuales del interior del cilindro, y finalmente se cierra la vlvula de escape. Durante esta fase de escape, el cigeal ha girado la ltima media vuelta o 180. De esta forma se completa el ciclo de cuatro tiempos, con un giro del cigeal de dos vueltas o 720.30

P

c

d

20

10 5 1 0

a

e b

v

ascendiendo Figura 4.8 Fase de escape

4.3

FUNCIONAMIENTO REAL DE UN MOTOR DE CUATRO TIEMPOS.

En el numeral 4.2 se analiz el funcionamiento de un motor de combustin interna desde el punto de vista terico, pero los fabricantes de los motores no los disean para que funcionen abriendo y cerrado las vlvulas en los puntos muertos o de cambio de velocidad del pistn. En la prctica las vlvulas se abren antes y se cierran despus de los puntos muertos. A continuacin se describir el ciclo de funcionamiento real de un motor de combustin interna de cuatro tiempos, (ver Figura 4.4) 4.3.1 Admisin. Para simplificar el anlisis del funcionamiento prctico del motor, comenzamos al final de un ciclo; es decir, cuando el pistn se encuentra en la carrera de ascenso finalizando la fase de escape. Un poco antes que el pistn alcance el PMS, se abre la vlvula de admisin y entra mezcla fresca de aire-combustible procedente del sistema de alimentacin. El punto donde se abre la vlvula de admisin se conoce como Adelanto en la Apertura de la

Admisin (AAA); el ngulo de adelanto oscila entre 3 y 15 de giro del cigeal, segn las R.P.M. a las que se encuentra girando el motor y/o diseo del fabricante. Cuando el pistn pasa por el PMS y comienza el descenso, se produce un vaco, y la mezcla entra rpidamente y llena el cilindro. Un poco despus de que el pistn ha pasado por el PMI se cierra la vlvula de admisin; este punto se conoce como retraso cierre de admisin (RCA) y el ngulo de retardo oscila entre 30 y 45.

4.3.2 Compresin. Una vez el pistn ha superado el PMI y se ha cerrado la vlvula de admisin, el pistn sube y en su carrera de ascenso comprime la mezcla; en esta fase las dos vlvulas permanecen cerradas. En los motores modernos la mezcla aire-combustible se comprime de nueve a diez veces de su volumen original, y dependiendo de esto, se dice que los motores (gasolina) tienen una relacin de 9 a 1 (9/1) o 10 a 1 (10/1) y en los motores de ultima generacin pueden alcanzar relaciones de 11 a 1 (11/1).

4.3.3 Combustin o expansin. Antes que el pistn llegue al PMS, a traves de la bujia se produce una chispa elctrica proporcionada por el sistema de encendido. El espacio entre el salto de la chispa y el PMS se denomina adelanto del encendido o de chispa, y oscila entre 7 y 45. Al encontrar la mezcla de aire-combustible comprimida la chispa ocasiona una explosin, y la presin y temperatura dentro del cilindro se elevan rpidamente. La presin de los gases dentro del cilindro empujan el pistn hacia abajo; el movimiento descendente del pistn se denomina carrera de expansin, motriz o de potencia. En esta fase las vlvulas de admisin y escape permanecen cerradas. El gran esfuerzo aplicado sobre el pistn se transmite a travs de la biela al mun, que convierte este movimiento lineal descendente del pistn en movimiento de rotacin en el cigeal, el cual se transmite, mediante los mecanismos de transmisin de potencia a las ruedas del vehculo para que ste se mueva. 4.3.4 Escape. Antes de que el pistn alcance el PMI en su fase de potencia, se abre la vlvula de escape. El punto donde se abre la vlvula de escape se denomina Adelanto en la Apertura del Escape (AAE), el ngulo de adelanto de escape oscila entre 25 y 45 de giro del cigeal, segn sea el diseo del motor. Cuando el pistn vuelve hacia arriba expulsa los gases de la combustin; a este movimiento ascendente se lo denomina fase de escape. Finalmente, cuando el pistn ha superado el PMS, se cierra la vlvula de escape, este punto se denomina Retardo en el cierre de escape (RCE) y su valor oscila entre 5 a 12; el pistn comienza a descender para empezar con un nuevo ciclo el cual se repite indefinidamente mientras el motor este funcionando y disponga de combustible.

NOTA. Cabe anotar que, cuando el pistn est subiendo en la fase de escape y antes de llegar al PMS, se abre la vlvula de admisin mientras la vlvula de escape an no ha cerrado; ya que sta, se cierra un poco despus de que el pistn ha superado el PMS. Lo anterior indica que hay un instante en el ciclo (final de escape y comienzo de admisin), en el cual tanto la vlvula de admisin como la de escape permanecen abiertas, a este momento se le denomina translapo, solapo o cruce valvular, y es muy importante para el mecnico de motores. Los ngulos de adelanto de apertura y retardo de cierre de vlvulas (ver figura 4.9), dependen de las aplicaciones especficas del vehculo y de las condiciones de diseo del fabricante, ideadas para lograr ms eficiencia y rendimiento del motor al permitir un mayor llenado de mezcla fresca en el cilindro y una mejor evacuacin de los gases de escape. Los adelantos y retardos de las aberturas y cierres de vlvulas se consiguen mediante el diseo del eje de levas.

Figura 4.9 Diagrama de distribucin del funcionamiento real de un motor de combustin (adelanto y cierre de vlvulas).

5. CONCEPTOS TERMODINAMICOS APLICADOS AL MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA

5.1 INTRODUCCIN. El estudio del calor y el proceso de combustin es muy importante para el tcnico, dado que en la mayora de los ciclos de los motores trmicos, y especficamente para nuestro caso, en los de combustin interna, el calor liberado en el proceso de combustin constituye la fuente de energa de la que dispone el motor para su posterior transformacin en energa cintica o trabajo mecnico til. En este captulo se expondr de una manera simple los conceptos de calory de combustin, y las reacciones qumicas ms importantes que tienen lugar cuando se quema un combustible para producir calor. Para ello, se examinar los principios bsicos y elementales que rigen estos fenmenos. Adems, se expondrn algunas nociones de qumica, encaminadas a facilitar la comprensin de los cambios de naturaleza qumica que tienen lugar cuando se queman combustibles. 5.1.1 Calor Se define el calor como energa en estado de transferencia o transicin (movimiento) desde un cuerpo a otro, a consecuencia de la diferencia de temperaturas entre los cuerpos. Es decir, el cuerpo que se encuentra a mayor temperatura ceder energa al cuerpo de menor temperatura; ya sea, por contacto directo o a travs de un medio de transferencia. La energa que constituye el calor procede de los movimientos de pequesimas partculas llamadas molculas, de las que estn compuestos los cuerpos. Estas partculas en cualquier cuerpo -incluso en trozos de metales solidificados- se mueven errticamente de forma continua, describiendo trayectorias muy cortas; tan cortas que no son visibles ni siquiera con microscopios de gran aumento. Cuando se transfiere o cede calor a un cuerpo, lo que ocurre es que las molculas del cuerpo adquieren ms energa y comienzan a moverse ms deprisa y con trayectorias ms largas. Si el cuerpo es un slido, como es el caso de un cilindro de un motor, ste se calienta, porque sus molculas se mueven muy rpidamente; y si utilizamos un termmetro para medir la temperatura en el interior del cilindro, se encontrar que ella se ha elevado. En otras palabras, mayor temperatura en un cuerpo significa mayor velocidad de las molculas. Los cuerpos slidos tienen formas invariables, pero un gas (como el aire) se expande libremente y llena todo el recipiente que lo contiene, cualquiera sea su tamao. Las molculas de un gas se encuentran entonces chocando continuamente con las paredes

del recipiente, produciendo como resultado una fuerza que es posible medir a travs de lo que llamamos presin del gas. Cuando se suministra calor a un gas sus molculas se mueven ms deprisa y con trayectorias ms largas y se calienta. Si el gas est encerrado en un espacio fijo, los golpes ms fuertes con que las molculas chocan contra las paredes se manifiestan por un aumento de presin.

Todo esto es precisamente lo que ocurre cuando el combustible se quema en el interior de los cilindros de un motor. Al quemarse, el combustible comunica calor a los gases encerrados en la cmara de combustin y aumenta la presin con que los gases actan sobre las superficies que forman el recinto.

Como una de dichas superficies, la cara de fuego del pistn, es movible, consecuentemente el incremento de presin produce el movimiento descendente del pistn durante la fase de combustin o explosin. Al tiempo que el pistn desciende, aumenta el espacio ocupado por los gases, por lo cual el volumen de los gases se hace mayor, y se dice que stos se expanden o dilatan.

El calor, como energa mecnica, es algo intangible, y una unidad de calor no es una cosa que pueda conservarse en un laboratorio de medidas. La cantidad de calor que interviene en un proceso se mide por algn cambio que acompaa, y una unidad de calor se define como el calor necesario para producir alguna transformacin de tipo convenido.

En el sistema mtrico, la unidad del calor es la calora (cal), definida como la cantidad de calor necesaria para elevar o disminuir en un grado centgrado (C), la temperatura de un gramo de masa de agua. En muchos trabajos de ingeniera, por ser la calora una unidad pequea, se utiliza la Kilocalora (1000 caloras); que es la cantidad de calor necesaria para elevar o disminuir en C, la temperatura de un kilogramo de masa de agua.

En el sistema ingles de unidades, el calor se mide con la unidad trmica britnica (British Termal Unit o BTU), que se define como la cantidad de calor necesaria para elevar o disminuir en un grado Fahrenheit (F), la temperatura de una libra masa de agua.

Como el calor es una forma de energa que se puede transformar en trabajo mecnico, en el sistema internacional de unidades el calor se mide en Julios (J). La relacin que existe entre las unidades anteriores, es la siguiente:

1 Kcal = 4,185 J; 1 Kcal = 3,95 BTU; 1 BTU = 1.060,5 J

Adems, como el calor se transforma en trabajo, hay una relacin que se denomina el equivalente mecnico del calor, cuyas relaciones son: 1 BTU = 778 pie-lb. 1 Kcal = 427 m-Kg. Esto significa que 427 m-Kg de energa mecnica, cuando se convierten en calor, subiran o disminuirn la temperatura de 1Kg de agua en 1 C. Igualmente significa que 778 pie-lb de energa mecnica, cuando se convierten en calor, elevaran o disminuirn la temperatura de 1 lb masa de agua en 1 F.

5.2 TERMINOLOGA QUMICA FUNDAMENTAL Antes de definir la combustin debemos considerar algunas definiciones y hechos fundamentales relacionados con la qumica. Qumica es la parte de las ciencias naturales que trata de la composicin de las sustancias y de las transformaciones de la composicin que sufren las sustancias. Estas transformaciones se llaman reacciones qumicas. Las reacciones qumicas son exotrmicas, cuando el calor sale o se desprende del sistema, o endotrmicas, cuando absorben calor del medio que rodea al sistema. Para comprender mejor la idea de las reacciones qumicas seguimos con algunos conceptos de qumica elemental. 5.2.1 Elemento qumico Es toda sustancia bsica, aquella que no puede dividirse para dar otras sustancias. Elementos qumicos caractersticos que se encuentran al estudiar motores son, por ejemplo, oxgeno, carbono, hierro, azufre, etc. La porcin ms pequea que puede encontrarse de un elemento es un tomo. Si un tomo se divide, el elemento desaparece y no queda sino las partculas que tienen en comn todas las sustancias materiales, como son protones, neutrones y electrones, que combinados de distintas maneras forman los tomos de los elementos. Los elementos que existen en la naturaleza estn descritos en la Tabla Peridica de los Elementos. 5.2.2 Compuesto Los tomos de un mismo elemento son todos idnticos. Por el contrario, un compuesto contiene tomos de dos o ms elementos. Por ejemplo, cuando los elementos carbono y oxgeno se unen qumicamente durante la combustin, se produce anhdrido carbnico, y ste es un compuesto de oxgeno y carbono. 5.2.3 Molcula Una molcula es la reunin de dos o ms tomos del mismo o de diferentes elementos, la cual acta como unidad, estando sus tomos ligados por atracciones mutuas. Dicho de otra forma, una molcula de un elemento o de un compuesto es la partcula ms pequea de materia que puede mantener su identidad separada.

Las molculas de los elementos habitualmente gaseosos que se encuentran al estudiar motores, es decir oxgeno e hidrgeno, se componen en ambos casos de dos tomos. A efectos de brevedad, en la descripcin de las sustancias qumicas o de sus reacciones, cada elemento se representa por un smbolo, o cada compuesto se representa mediante una combinacin de dichos smbolos. Por ejemplo, el carbono es C y una molcula de oxgeno es O2, lo que significa que una molcula de oxigeno contiene dos tomos. Cuando una molcula de carbono se une a una molcula de oxigeno, el producto es el compuesto llamado anhdrido carbnico, que se representa CO2. (el anhdrido carbnico puede llamarse tambin dixido o bixido de carbono y dixido o bixido significa dos tomos de oxgeno). 5.2.4 Peso atmico Todos los tomos de un mismo elemento tienen la misma masa (dejando de lado tecnicismos acerca de los istopos, de los que tratan la fsica y la ingeniera nuclear, pero para el objetivo de este manual no interesa). Sin embargo, la masa de un tomo de oxgeno es mucho mayor que la del tomo de hidrgeno; en realidad, es 16 veces mayor. Como el hidrgeno es el ms ligero de los elementos, se toma su masa como unidad de referencia, y se dice que el peso atmico (p.a) de un elemento es la masa de su tomo dividida por la masa del tomo de hidrgeno; es decir, el peso atmico es un nmero relativo que indica cuantas veces un elemento pesa ms que el ms liviano de los elementos. 5.2.5 Peso molecular Tomando como base al ms liviano de los elementos, el hidrgeno (H), a l se le asign un peso atmico de 12. Pero el hidrgeno en la naturaleza abunda ms en su forma molecular de H2. As es que el peso molecular de H2 es 2. Similarmente, el oxgeno (O), tiene un peso atmico de 16, pero como abunda en la naturaleza en forma de O2, su peso molecular es 32, indicando que pesa 32 veces ms que el hidrgeno, H. La forma ms abundante en la naturaleza del carbono es C y tiene un peso atmico de 12, que indica que pesa 12 veces ms que el hidrgeno, H. 5.2.6 Mol Una mol (abreviatura de molcula gramo) es la cantidad de una sustancia cuyo peso es su peso molecular expresado en gramos o kilogramos o libras. Por ejemplo, una mol de hidrgeno H2, pesa 2 gramos. Una mol de nitrgeno, N2, pesa 28 gramos; una mol de oxgeno, O2, pesa 32 gramos, etc. Se puede hablar tambin de Kilogramomol (que son 1.000 moles y se abrevia Kmol), y similarmente de libra-mol (= 453,6 moles) en el sistema ingles.2

Estrictamente hablando el elemento que se tom como base fue el oxgeno, O, con un peso atmico de 16, lo que quiere decir que el oxgeno, O, pesa 16 veces ms que el hidrgeno. El oxgeno abunda en la naturaleza como O2, con un peso molecular de 32. Por simplicidad y para mayor entendimiento, en este manual se tom como base el hidrgeno H con peso atmico de 1, la diferencia de las dos bases es muy pequea, y despreciable para clculos prcticos de combustin.

En la tabla 5.1 se presentan los pesos atmicos de los elementos que intervienen o reaccionan en la combustin que tiene lugar en los motores, incluyendo sus smbolos y pesos moleculares.

Tabla 5.1 Elementos que entran en reaccin en el proceso de combustin.

Peso Nombre Oxgeno Hidrgeno Carbono Nitrgeno Azufre Aire (*) Smbolo O H C N S Atmico 16 1 12 14 32 Molcula O2 H2 C N2 S

Peso Molecular 32 2 12 28 32 29

(*) El aire est compuesto en volumen aproximadamente por 21% de oxgeno (O2) y 79% de nitrgeno (N2), as que su peso molecular ser: 0.21 x 32 + 0.79 x 28 = 29 5.3 EL PROCESO DE COMBUSTION INTERNA 5.3.1 Definicin. La combustin es un tipo de reaccin qumica que sucede acompaada de la liberacin de una cantidad considerable de luz y calor. Para el caso de los motores de combustin interna, la combustin se define como una reaccin qumica en la cual el combustible reacciona con el oxgeno del aire, en presencia de un punto de ignicin (energa de activacin), por ejemplo una chispa elctrica proveniente de una buja, para liberar la energa qumicamente almacenada en el combustible. El combustible y el aire mezclados reaccionan entre s generando una gran cantidad de calor, el cual aumenta la presin de los gases dentro de la cmara de combustin o cilindro. La presin es la manifestacin de la energa que har posible el trabajo sobre el pistn, transformndose en movimiento lineal. Este proceso tiene lugar dentro de la cmara con una duracin aproximada de 3 ms. Adems, en el proceso de combustin los elementos o compuestos (o bien ambos) contenidos en elevada proporcin en la sustancia llamada combustible, se combinan con

l oxigeno del aire suministrado al proceso formando xidos. Estos xidos forman, junto con el nitrgeno del aire suministrado, los productos de la combustin o gases de escape. Puesto que la mayora de los combustibles contienen altos porcentajes de carbono (o de compuestos de carbono) e hidrgeno, los productos de la combustin estn formados generalmente por los xidos de carbono y humedad, ya que sta ltima es xido de hidrgeno. Esta es la razn para decir que la combustin es, desde el punto de vista qumico, un proceso de oxidacin. En conclusin, un combustible arde o se quema cuando se combina qumicamente con el oxgeno del aire, liberando con ello calor. En los motores, el calor liberado aumenta la temperatura y presin de los gases contenidos en los cilindros. En otras palabras, la combustin es el quemado del combustible con el aire, el cual libera una gran cantidad de energa en forma de calor: Por ejemplo, al quemarse una libra de gasolina comercial se libera alrededor de 20.000 BTUs. Las principales leyes de la naturaleza que rigen la combustin en motores de combustin interna son la ley de la conservacin de la masa y la primera y segunda leyes de la termodinmica. Por la ley de la conservacin de la masa lo que entra al motor en forma de combustible y aire sale en forma de gases por el exhosto del vehculo. La primera ley de la termodinmica dice que la energa ni se crea ni se destruye, simplemente se transforma en otras formas de energa. La segunda ley dice que aunque todo el trabajo -por ejemplo mecnico o elctrico- se puede transformar en calor, no todo el calor se puede transformar en trabajo til. Esta ltima ley es la que limita la eficiencia de conversin en trabajo til de la energa qumica almacenada en el combustible. La experiencia muestra que las mximas eficiencias posibles podran llegar a niveles de 45%; sin embargo, en los vehculos de combustin interna las eficiencias reales de conversin del calor en trabajo son menores, y oscilan entre el 20% y el 30%. El resto es energa perdida disipada en forma de calor hacia el medio ambiente.

5.4 LA COMBUSTIN DESDE EL PUNTO DE VISTA QUMICO

5.4.1 La reaccin qumica La combustin desde el punto de vista qumico es la reaccin entre el combustible y el oxgeno (comburente) presente en el aire, la cual genera calor y produce unos gases residuales denominados gases de escape. Cabe anotar que para que se inicie la reaccin se necesita de una energa inicial, la cual se la conoce con el nombre de energa de activacin.

Esta reaccin se puede describir sencillamente de la siguiente manera: Combustible + Aire + Energa de Activacin = Calor + Gases de escape

5.4.2 El aire El aire, que suministra el oxgeno que interviene en la combustin, no es, como ya se dijo, un compuesto qumico, sino una mezcla de gases que no estn combinados qumicamente entre s. El oxgeno es slo una quinta parte del total y el resto esta constituido principalmente por nitrgeno y una pequea fraccin de gases raros. Como el nitrgeno y los gases raros no toman parte en las reacciones de la combustin, decimos que son inertes, y aparecen agrupados en la tabla 5.2, donde se indican las proporciones en masa o volumen.

Tabla 5.2 Elementos constituyentes del aire

Elemento

Porcentaje en Peso 23,1 76,9 100

Porcentaje en Volumen 20,9 79,1 100

Oxgeno Nitrgeno, argn, etc. TOTAL

La anterior constitucin hace necesario introducir una gran cantidad de aire en el motor para quemar completamente una determinada cantidad de combustible. En la prctica y para efectos de clculo, es comn tomar el 21% de oxgeno y el 79% de nitrgeno. As que en 100 moles de aire hay 21 moles de O2 y 79 moles de N2, o sea: 79 / 21 = 3,76 (moles N2 / moles O2); o expresado en volumen (metros cbicos), 3,76 (m3 de N2 / m3 de O2) Hay dos factores que intervienen y tienen efecto sobre la cantidad de oxgeno en volumen que se introduce al motor, que son: 1) La altura sobre el nivel del mar: A mayor altura menor cantidad de oxgeno por efecto de la menor presin atmosfrica.

El aire que se encuentra a nivel del mar es ms denso, es decir, tiene mayor cantidad de oxgeno por unidad de volumen. A medida que aumenta la altura o altitud sobre el nivel del mar, disminuye la densidad y por lo tanto la cantidad de oxgeno por unidad volumtrica o molar. Por ejemplo en Bogot, a 2.630 metros sobre el nivel del mar, un m3 de aire tiene 27 % menos de oxigeno que a nivel del mar. 2) La temperatura: A mayor temperatura, menor cantidad de oxgeno en volumen. La temperatura del aire tambin afecta la densidad, pero no en la misma proporcin que la altura sobre el nivel del mar. Un incremento en la temperatura expande el aire, alejando sus molculas constitutivas entre s y disminuyendo su densidad. 5.4.3 Combustibles Un combustible es cualesquiera sustancia rica en materia inflamable, y puede ser slido, lquido o gaseoso. La mayor parte de los combustibles son hidrocarburos provenientes del petrleo, del gas o del carbn. Los combustibles para motores de combustin interna son fundamentalmente una mezcla de hidrocarburos en forma de lquidos o gases. Estos hidrocarburos son compuestos qumicos formados por hidrgeno y carbono, y a veces pequeas cantidades de otras sustancias, como por ejemplo, el azufre. Hay muchas clases de hidrocarburos, pero por lo que respecta a este manual, qumicamente difieren slo en las proporciones relativas de hidrgeno y carbono. Por ejemplo, el hidrocarburo que se conoce como etano (C2H6) tiene una molcula de dos tomos de carbono combinada con seis tomos de hidrgeno, mientras que una molcula de octano (C8H18) contiene ocho tomos de carbono combinados con dieciocho tomos de hidrgeno. As pues, los elementos de los combustibles que se emplean en los motores de combustin interna son principalmente carbono e hidrgeno. Otro elemento tambin combustible, pero indeseable, es el azufre, que afortunadamente slo aparece en pequeas proporciones. Comercialmente los combustibles ms comunes para los automotores son: la gasolina, el diesel (ACPM) y el gas natural. La gasolina es un combustible lquido producto de la refinacin del petrleo, constituido por una mezcla compleja de molculas de hidrocarburos, compuesto aproximadamente por 86% de carbono y 14% de hidrgeno. Junto con estos elementos hay pequeas cantidades de azufre. Los aceites ligeros o gasleos, que incluyen las parafinas, isoparafnas, naftenos y algunos aromticos, son utilizados en los motores de encendido por compresn omotores diesel. Otros combustibles lquidos, como los alcoholes, pueden ser empleados como combustibles o como aditivos en ciertas gasolinas.

Los combustibles gaseosos son los ms limpios de todos los que se usan. Su combustin se regula fcilmente y se consigue un quemado casi completo con poco exceso de aire. Los combustibles gaseosos que se emplean en los motores, ya sean estos dedicados (diseados desde fabrica para quemar gas), bicombustibles o mixtos (pueden quemar combustibles tanto lquidos como gaseosos) o duales (pueden quemar gasolina o gas), estn tambin constituidos por hidrocarburos. Algunos combustibles gaseosos pueden contener tambin monxido de carbono (CO). Tanto los motores mixtos (bicombustibles) como los de encendido por chispa (duales) funcionan provechosamente con muchos tipos de combustibles gaseosos, pero el ms utilizado es el gas natural. El gas natural puede encontrarse en cantidades comerciales en numerosos pases, y se distribuye a travs de extensas redes de gasoductos. El origen del gas natural no es conocido, pero es frecuente encontrarlo asociado al petrleo, creyndose que ambos combustibles tienen un origen comn. El gas natural, que carece de color y olor, tiene una composicin variable segn su procedencia, pero el metano (CH4) aparece siempre como componente ms importante, con un 75 a 98%. En la mayora de los casos el gas natural tiene algo de etano (C2H6) y pequea cantidades de propano (C3H8) y otros gases no combustibles como el nitrgeno y el CO2. El gas procedente de ciertas zonas contiene azufre, habitualmente en forma de sulfuro de hidrgeno (H2S), que es un compuesto supremamente corrosivo, de un gas de este tipo se dice que es un gas azufrado y tambin un gas agrio. 5.4.4 Tamao de la molcula de hidrocarburo Los hidrocarburos pueden tener varias formas, tamaos y conformaciones. Estas caractersticas definen su comportamiento en el proceso de combustin. El tamao de una molcula de hidrocarburo est dado por la cantidad de carbono que lo constituye. El comportamiento del hidrocarburo debido a su tamao es: A medida que su tamao aumenta, mayor dificultad para romper la molcula. A mayor tamao de la molcula, se requiere mayor cantidad de oxgeno para que la combustin se efecte en forma completa. Debido a estas caractersticas se necesita de una energa externa de gran capacidad para romper las molculas de hidrocarburo. Esta energa se denomina energa de activacin. 5.4.5 Energa de activacin Al encontrase la mezcla de aire y gasolina debidamente comprimida, es necesario proporcionar una energa de activacin en forma de chispa para iniciar su combustin. La chispa es un arco elctrico que salta entre los electrodos de una buja al circular por ella una corriente elctrica de alto voltaje proporcionada por el sistema de encendido.

5.5

ESTEQUOMETRIA

5.5.1 Principales reacciones qumicas La estequiometra de las reacciones qumicas permite determinar las relaciones molares (proporciones) existente entre los reactivos y los productos de las reaccions y sus respectivas relaciones msicas, mediante la utilizacin de los pesos moleculares de cada componente. Cuando un combustible se quema con aire, es importante suministrar suficiente aire para garantizar una combustin completa. Tericamente el aire que se requerir es el que corresponde al oxgeno que se consume en una reaccin qumica balanceada en una combustin. A este aire se le llama aire estequiomtrico. Observemos separadamente la combustin de los elementos componentes de los combustibles, en un motor de combustin interna, calculando el aire estequiomtrico. Pasemos ahora a tratar las reacciones qumicas que gobiernan la combustin de los elementos que constituyen los combustibles cuando se unen con el oxgeno del aire en los cilindros de un motor. 5.5.2 Combustin del hidrgeno.

Cuando el hidrgeno se combina con el oxgeno, se produce agua segn la ecuacin: 2H2 + O2 = 2H2O De forma sencilla esta ecuacin se lee: Dos molculas de hidrgeno (una molcula de hidrgeno contiene dos tomos) con una molcula de oxgeno forman dos molculas de agua. Ahora pongamos esta ecuacin en proporciones msicas utilizando los pesos atmicos de la tabla 5.1. 2H2 + O2 = 2H2O; 2 x (1 x 2) + (16 x 2) = 2 x (2 + 16) 4 + 32 = 36 Dividiendo por 4 ambos trminos de la ecuacin y dando las unidades, se tiene: 1Kg + 8Kg = 9Kg Lo anterior se expresa as: 1 parte de H2 + 8 partes de O2 = producen 9 partes de H2O (agua) Resulta, pues, que se necesitan 8Kg de oxgeno para quemar 1Kg de hidrgeno, y que se producen 9Kg de agua. Obsrvese el balance de tomos entre ambos miembros de la ecuacin y tambin el de masas. (1)

Ejemplo 1. Hallar la masa de hidrgeno que se combinar con 24Kg de oxgeno, y la masa de agua producida. De las ecuaciones anteriores tenemos: 1Kg de hidrgeno + 8Kg de oxgeno = 9Kg de agua (1) En este problema intervienen 24Kg de oxgeno, mientras que en la ecuacin aparecen 8Kg. Por tanto: 24 / 8 = 3 Multiplicando, pues, por 3 ambos miembros de la igualdad (1) resulta: 3Kg de hidrgeno + 24Kg de oxgeno = 27Kg de agua, As que necesitamos 3Kg de hidrgeno para obtener 27Kg de agua.

5.5.3 Combustin del carbono El hidrgeno se combina con el oxgeno segn una nica proporcin, tal como acabamos de ver; sin embargo, el carbono puede reaccionar de dos maneras, lo que depende de s la combustin es completa o no. Cuando hay abundancia de oxgeno (como suele ser el caso en los motores Diesel), tiene lugar una combustin completa de acuerdo con la ecuacin siguiente y las correspondientes proporciones msicas utilizando los pesos atmicos de la tabla 5.1: C + O2 = CO2 12 + (16) x 2 = 12 + (16 x 2); 12 + 32 = 44 Dividiendo por 12 ambos trminos de la igualdad, y dando las unidades, se tiene: 12 / 12 + 32 / 12 = 44 / 12 12 / 12 + 8 / 3 = 11 / 3 1Kg + 2,67Kg = 3,67Kg Lo anterior se expresa as: 1 parte de C + 2,67 partes de O2 = producen 3,67 partes de CO2 Como ya se dijo, el CO2 es un compuesto llamado bixido de carbono, dixido de carbono o simplemete anhdrido carbnico. Resulta, pues, que se necesitan 2,67Kg de oxgeno para quemar 1Kg de Carbono y que se producen 3,67Kg de anhdrido o bixido de carbono. Cuando el oxgeno presente es insuficiente (lo que ocurre s se inyecta en los cilindros, combustible en exceso o no se llena con el suficiente aire el cilindro, tal es el caso de los

motores a gasolina), puede tener lugar una combustin incompleta del carbono de acuerdo con la siguiente ecuacin:

2C + O2 = 2CO 2 x (12) + (16) x 2 = 2 x (12 + 16) 24 + 32 = 56

Dividiendo por 24 ambos mienbros de la ltima igualdad, y dando las unidades, se tiene:

24/24 + 32 / 24 = 56 / 24 24 / 24 + 4 / 3 = 7 / 3 1Kg + 1,33Kg = 2,33Kg Lo anterior se expresa as:

1 parte de C + 1,33 partes de O2 = producen 2,33 partes de CO CO es un compuesto llamado, como ya se dijo, monxido de carbono.

Resulta, pues, que se necesitan 1,33Kg de oxgeno para quemar 1Kg de Carbono y que se producen 2,33Kg de monxido de carbono.

El compuesto llamado monxido de carbono (CO), es un gas venenoso que se encuentra siempre presente en los gases de escape de los motores de gasolina, ya que estos motores funcionan con una mezcla de gasolina y aire que no contiene aire suficiente para que el carbono pueda quemarse por completo. Como veremos despus, cuando el carbono reacciona para transformarse en monxido de carbono, el calor producido slo es el 30% del que se produce cuando se transforma en anhdrido carbnico; esto se conoce con el nombre de insuficiencia trmica.

El monxido de carbono (CO), que es un componente de muchos gases, se combina fcilmente con el oxgeno para producir anhdrido carbnico (CO2) de acuerdo con la siguiente ecuacin: 2CO + O2 = 2CO2 2 x (12 + 16) + 2 x (16) = 2 x (12 + 32) 56 + 32 = 88 56 / 56 + 32 / 56 = 88/ 56 1 + 4 / 7 = 11 / 7 1 Kg de CO + 0,57 Kg de O2 = 1,57 Kg de CO2

5.5.4 Combustin del azufre El azufre (S) se quema en presencia de oxgeno formando anhdrido sulfuroso (SO2) de acuerdo con la siguiente ecuacin: S + O2 = SO2 32 + 2 x (16) = 64 32 / 32 + 32 /32 = 64 / 32 1 Kg de S + 1 Kg de O2 = 2 Kg de SO2 El anhdrido sulfuroso es un gas muy corrosivo en presencia del agua, y es el responsable de la corrosin que se desarrolla en las partes metlicas del motor, especialmente en el interior de los cilindros y de los ductos de escape.

5.5.5 Reaccin trmica de los combustibles Como ya se sabe, los combustibles que se queman en los motores de combustin interna son mezclas formadas casi por completo por compuestos llamados hidrocarburos, poe estar constituidos por hidrgeno y carbono. Todos los combustibles contienen un gran nmero de cadenas de hidrocarburos, compuestas por hidrgeno y carbono en proporciones variables. Afortunadamente, no es necesario conocer la cantidad de cada hidrocarburo concreto contenida en un combustible dado para estudiar la combustin del hidrocarburo en conjunto; lo nico que se necesita es conocer en qu proporciones se encuentra todo el hidrgeno y todo el carbono contenidos en el combustible, ya que durante la combustin las molculas del combustible se dividen en sus elementos qumicos constituyentes, y cada uno de stos se combina con el oxgeno por separado. Conociendo las proporciones totales de hidrgeno y carbono, se emplean las ecuaciones elementales de la combustin para cada elemento. Ejemplo 2. Observemos la combustin del gas natural, CH4, en un motor de combustin interna. Calculemos el aire estequiomtrico. CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Energa Calrica En Kmoles: 1 Kmol de CH4 + 2 Kmoles de O2 = 1 Kmol de CO2 + 2 Kmoles de H2O + Energa Calrica; En pesos moleculares: 16 Kg de CH4 + 64 Kg de O2 = 44 Kg de CO2 + 36 Kg de H2O + Energa Calrica Lo anterior quiere decir que una Kmol de gas natural, CH4, se combina con dos Kmoles de oxgeno, O2, para formar una Kmol de bixido de carbono, CO2, y dos Kmoles de agua H2O. O lo que es lo mismo, 16 kilogramos de metano requieren 64 kilogramos de

oxgeno para formar 44 kilogramos de CO2 y 36 kilogramos de agua. Obsrvese el balance qumico entre los reactantes y los productos de la combustin. El oxgeno estequiomtrico es: 2 Kmoles de O2 / Kmol de combustible = 64 kg. de O2 / 16 kg. de combustible = 4 Kg O2 / Kg de combustible El aire estequiomtrico es: 2 / 0,21 (21% de O2 en el aire) = 9.5238 Kmoles de aire / 1 Kmol de combustible = (9.5238 x 29) / 16 (29 es el Peso Molecular del aire) = 17,26 kg. de aire / 1 kg. de combustible Ejemplo 3. Determinado combustible contiene 14% de hidrgeno y 86% de carbono. Si se queman 120 Kg de este combustible. Qu cantidad de oxgeno se combina con el combustible y cuanto pesan los productos de la Combustin? Los 120Kg de combustible contiene: 120 x 0,14 % = 16,8 Kg de hidrgeno 120 x 0,86 % = 103,2 Kg de carbono Reaccin del hidrgeno: 2H2 + O2 = 2H2O 1Kg + 8Kg = 9Kg

Multiplicando por 16,8 (Kg de hidrgeno contenido en el combustible). (1 x 16,8) Kg +( 8 x 16,8) Kg = (9 x 16,8) Kg 16,8 Kg H2 + 134,4 Kg O2 = 151,2 Kg H2O Reaccin del carbono: = CO2 C + O2 1Kg + 2,67 Kg = 3,67 Kg Multiplicando por 103,2 (Kg de carbono contenido en el combustible). (1 x 103,2) Kg + (2,67 x 103,2) Kg =(3,67x103,2) Kg 103,2 Kg C + 275,5 Kg O2 = 378,7 Kg CO2

Por lo tanto: La masa total de O2 que se combina con el combustible es: = 134,4 + 275,5 = 409,9 Kg de O2 Productos de la Combustin: H2O = 151,2 Kg CO2 = 378,7 Kg Total productos: = 151, 2 + 378,7 = 529,9 Kg Total de Masa (Combustible + Oxgeno): = 120 + 409,9 = 529,9 Kg

5.5.6 Combustin completa e incompleta Cuando se quema un combustible, el proceso de combustin puede ser tericamente completo o incompleto. El hidrgeno es un combustible que, en combinacin con el oxgeno, forma agua (vapor o lquido); puede hacerse reaccionar una mezcla correcta de hidrgeno y oxgeno quemndose todo el hidrgeno. El carbno es un combustible que al ser quemado puede formar monxido de carbono y anhdrido carbnico. Es imposible lograr la completa combustin de todo el carbono de un combustible hacindolo pasar a anhdrido carbnico. Los trminos combustin completa y combustin incompleta se usan con mucha frecuencia en todos los trabajos relacionados con los procesos de combustin. Mencionaremos un nuevo concepto que es el de combustin tericamente correcta, usndose tambin, el trmino combustin tericamente completa. Estos trminos, a menudo confunden, ya que a veces se aplican equivocadamente. En este manual se usaran de acuerdo con las siguientes definiciones: a) Combustin tericamente correcta. Si en el proceso de combustin se emplea exactamente la cantidad terica de oxgeno necesaria para que toda la materia combustible se combine y forme xidos, diremos que el proceso ha sido tericamente correcto. Esto significa que no queda oxgeno ni materia combustible en los productos de la combustin. El aire suministrado en el proceso de la combustin tericamente correcta, se denomina aire estequiomtrico; algunos autores le denominan aire ideal. Una reaccin estequiomtrica comprende justo la cantidad exacta de cada uno de los reactivos para que todos los que intervienen reaccionen.

En el lenguaje de los motores se dice que el aire ideal es aire 100%, indicndose un exceso o una diferencia por otro nmero de porcentaje. Por combustin terica o reaccin terica se entender una reaccin como queda definida por una simple ecuacin qumica equilibrada para cualquiera de las condiciones especificadas. Las sustancias de una mezcla antes de la reaccin se denominan reactivos; las de la mezcla despus de la reaccin se denominan productos. b) Combustin completa. Si en un proceso de combustin se oxida toda la materia combustible sin quedar ninguna traza de ella en los productos de la combustin, diremos que sta es completa. En este caso debe suministrarse un exceso de oxgeno del requerido para la oxidacin de la materia combustible; parte del oxgeno queda en los productos de la combustin. Es evidente que (a) es un caso de (b), pero (b) no es un caso de (a).

c) Combustin incompleta. Si en un proceso de combustin queda materia combustible en los productos de la combustin, independientemente de la cantidad de oxgeno suministrado en el proceso, la combustin es incompleta. Puede suponerse que si se suministra un exceso de oxgeno, la combustin debe ser completa; esto no es cierto ya que el proceso de combustin no solo depende del proceso qumico, sino, de otras variables, de las condiciones mecnicas del motor.

5.5.7 Relacin aire / combustible (r a/c). En los clculos de los ejemplos que sean realizado, solo ha aparecido oxgeno en lugar de aire; pero los motores se alimentan de aire. Por lo tanto, para pasar de una masa de oxgeno a la equivalente de aire que contenga la misma masa de oxgeno, basta recordar que el aire contiene 23,1 % de oxgeno en masa (tabla 4.2). Ejemplo 4. Hallar la masa de aire necesaria para quemar los 120 Kg de combustible del ejemplo 3. La masa de oxgeno encontrada en el ejemplo 3 fue de 409,9 Kg. Como 1 Kg de aire contiene 0,231 Kg de oxgeno, la masa de aire que contiene 409,9 Kg de oxgeno ser: masa de aire =__409,9 0,231 Relacin aire / combustible: __1774 Kg aire 120 Kg combustible = 14,8 Kg de aire / 1 Kg de combustible. = 1774 Kg de aire;

5.5.8 Relacin estequiomtrica. En el ejemplo anterior se muestra cuntos kilogramos de aire se necesitan tericamente para quemar un kilogramo de combustible. As pues, para el combustible con la composicin dada en el ejemplo 3 (14% de H y 86% de C) la cifra 14,8 kg de aire por 1 Kg de combustible se la conoce como: Relacin aire / combustible terica (r a/c t). Por consiguiente, a la relacin terica que existe entre el aire y la cantidad de combustible se conoce como la relacin estequiomtrica; es decir, cuando el contenido de aire es apenas lo suficiente para que todo el combustible reaccione y formar CO2. Los combustibles comerciales no estn compuestos exclusivamente de hidrgeno y carbono, como en el ejemplo precedente, sino que contienen pequeos porcentajes de otros elementos, como azufre, nitrgeno y oxgeno; esto reduce ligeramente la cantidad de aire necesaria para combinarse con el combustible, por lo que la r a/c t para los combustibles comercialmente se encuentra alrededor de 14,5 y 14,7 Kg de aire por 1 Kg de combustible. Los fabricantes de los equipos de anlisis de gases para motores que utilizan gasolina han adoptado el valor de 14,7 para la r a/c t (relacin estequiomtrica). Esto significa que por cada parte de combustible que se introduce dentro de la cmara, deben suministrarse 14,7 partes de aire. La cifra 14,7 ha sido denominada como rata de quemado, y est referenciada en los equipos. Este valor se ha adoptado de acuerdo con ciertas caractersticas de composicin del combustible, y con un motor trabajando en condiciones de temperatura y presin atmosfrica a nivel del mar. Igualmente, los fabricantes de equipos de anlisis de gases de motores han tomado la relacin estequiomtrica (r a/c t) de 14,7 y le han asignado el smbolo de (Lambda), con un valor de 1 o 100%. Por lo tanto, La relacin aire/combustible terica (r a/c t) o estequiomtrica nos informa la cantidad mnima de aire que debe suministrarse a un motor para que se queme una cantidad de combustible dada. Ahora bien, no es posible que un motor funcione satisfactoriamente con la cantidad de aire terica, puesto que si se alimenta exactamente con la cantidad terica de aire, muchas molculas de oxgeno no podrn intervenir en el proceso de combustin. Si se tienen en cuenta los rdenes de las magnitudes que intervienen en el proceso de combustin, se comprender fcilmente lo difcil que es conseguir que todo el combustible se mezcle homogneamente con todo el aire. En efecto, si la combustin ha de ser completa, una gota de combustible que penetre en el cilindro debe mezclarse uniformemente con un volumen de aire que es aproximadamente 900 veces el suyo y en un tiempo extraordinariamente corto, slo de unas milsimas de segundo.

Por tanto, si slo estuviera presente la cantidad de aire terica, no sera posible que cada molcula de combustible encontrara su correspondiente molcula de oxgeno, particularmente por el hecho que el oxgeno se diluye an ms entre los productos de la combustin una vez comenzada sta. De esta manera, queda carbono libre y se forma el monxido de carbono.

Por consiguiente, para asegurar que la combustin sea completa y evitar las perdidas de calor que con lleva la formacin de monxido de carbono, es necesario suministrarse aire en exceso a los cilindros. El cociente entre la cantidad de aire real suministrado y la cantidad de combustible entregado en cada fase motriz es la relacin aire / combustible real.

En el caso de los motores Diesel, cuando funcionan con poca carga (y por lo tanto, en cada ciclo de trabajo se inyecta una cantidad reducida de combustible en una cantidad normal de aire), la relacin aire/combustible es varias veces mayor que el valor terico. A medida que aumenta la carga, disminuye la relacin aire/combustible; pero aunque el motor funcione con sobrecarga, la relacin aire/combustible debe ser por lo menos del 25 al 30 %, respecto a la relacin terica. Para la combustin sea completa, debe estar presente toda esta cantidad de aire en exceso sobre la mnima terica, y si se inyectara suficiente combustible para reducir la relacin aire/combustible al valor estequiometricamente requerido, el motor desarrollara menos potencia. En el caso de los motores de gasolina o gas, no se utiliza la expresin exceso de aire, como en el caso de los motores Diesel. Para los motores de gasolina o gas la relacin aire/combustible se corresponde con la idea de mezcla rica o mezcla pobre.

En el caso de los motores de gasolina que utilizan carburador, la relacin aire/combustible est determinada por el reglaje del carburador, en donde se forma la mezcla aire y combustible antes de que sta penetre en los cilindros. En los motores de gasolina la relacin aire/combustible no vara con la carga. Adems, con el fin de conseguir la mxima potencia, el carburador suele ajustarse para que la relacin aire/combustible sea ligeramente inferior a la terica, y esta mezcla se clasifica como mezcla rica, porque contiene una cantidad de combustible superior a la terica o ideal, o bien la cantidad de aire es menor que la que existe en la requerida para una combustin completa.

Por el contrario, si al objeto de evitar el desperdicio de combustible se ajusta el carburador para que se mezcle ms aire con una cantidad de combustible dada, la mezcla resultante recibe el nombre de mezcla pobre; es decir, cuando la cantidad de combustible es menor que la ideal, o bien cuando la cantidad de aire es mayor que la existe en la requerida para la combustin completa. 5.6 PROCESO DE COMBUSTION EN EL MOTOR

La combustin es el proceso en el cual el combustible y el aire se unen, quemndose y generando una enorme cantidad de calor que aumentar la presin en la cmara de combustin. La presin es la manifestacin de la energa que har posible el trabajo sobre el pistn, transformndose en movimiento lineal. Este proceso tiene lugar dentro de la cmara de combustin con una duracin aproximada de 3 ms.

5.6.1. La Combustin en el motor desde el punto de vista qumico Es la reaccin que existe entre el combustible y el oxgeno presente en el aire, para generar calor y producir unos gases resultantes denominados gases de escape. Est reaccin se puede describir en forma sencilla de la siguiente manera (ver figura 5.1):

Combustible + Aire + Energa de Activacin = Calor + Gases de Escape

HC HidrocarburoX X

Co Bixido de Carbono2

Calor Energa de activacin

O Oxgeno2

HO Vapor de Agua2

Figura 5.1 La reaccin qumica

5.6.2 El combustible La gasolina es un lquido derivado del petrleo, constituido por molculas denominadas hidrocarburos, que estn compuestas por tomos de hidrgeno y carbono. Los hidrocarburos pueden tener varias formas y conformaciones, caractersticas estas que modifican su comportamiento en el proceso de combustin.

5.6.3 El aire Es una mezcla gaseosa constituida principalmente por nitrgeno (78%), oxgeno (21%) y otros gases como el hidrgeno, gases nobles y contaminantes. De estos elementos slo es necesario el oxgeno como componente del proceso de combustin en la generacin de calor; sin la existencia del oxgeno no es posible la combustin, ya que, desde el punto de vista qumico, la combustin es un proceso de oxidacin.

5.6.4. La energa de activacin Al encontrarse la mezcla de gasolina y aire debidamente comprimida, es necesario proporcionar una energa de activacin en forma de chispa para iniciar su combustin. La chispa es un arco elctrico que salta entre los electrodos de la buja al circular por ella corriente elctrica de alto voltaje proporcionada por el sistema de encendido.

5.6.5 La combustin desde el punto de vista fsico La combustin no es un proceso instantneo, sino un proceso gradual y expansivo, lo que significa que comienza en un sector determinado cerca de los electrodos de la buja y se va extendiendo a las molculas vecinas en una reaccin en cadena, finalizando en la periferia de la cmara de combustin. Desde el punto de vista fsico la combustin se encuentra dividida en las siguientes etapas (ver figura 5.2): 5.6.5.1 Mezcla y turbulencia En esta primera fase las molculas del hidrocarburo deben estar rodeadas de molculas de oxigeno. El ideal es una molcula de oxgeno por cada tomo de carbono. La turbulencia es generada por el diseo de la cmara de combustin para un mejor mezclado. 5.6.5.2 Rompimiento Cuando a la mezcla se le agrega una alta energa de activacin al saltar la chispa elctrica entre los electrodos de la buja, las molculas se aceleran, chocan y se rompen, liberando el carbono y el hidrgeno.

1

Mezcla y O2 O2 H H H O2 H

C C

2

H H H H O2

O2 O2 H O2

Rompimient O2

O2 O2

O2

O2CH4 3

O24 H2O

C H C HO2

H H H

O2 O2

H O2

CH H

H O2

CO2 O2

CO2

CH

O2

H H O2 H Unin

O2 Bsqueda

CO2

Figura 5.2 Etapas de la combustin

5.6.5.3 Bsqueda La tercera etapa se denomina bsqueda, puesto que los tomos de carbono e hidrogeno libres, debido a su aceleracin buscan el oxgeno. Est etapa finaliza cuando dichos tomos se encuentran. 5.6.5.4 Unin Cuando los tomos se encuentran se unen, generando una gran cantidad de calor, principalmente en la formacin del CO2. Puede decirse que el calor resultante del proceso es el producto de la chispa elctrica, el rompimiento del hidrocarburo y la formacin del CO2. 5.7 LOS GASES DE ESCAPE

Son los compuestos gaseosos formados en el proceso de comb