Refrigeración de Motores de Combustión Interna Alternativos (MCIA)

Razones para la Refrigeración

La refrigeración en los motores de combustión interna es fundamental por varias razones:

1. Lograr un rendimiento volumétrico alto.
2. Asegurar una buena combustión.
3. Asegurar la operación mecánica y fiabilidad del motor.

Desde el punto de vista termodinámico, la refrigeración supone una disminución del rendimiento, una transferencia de calor con el entorno que se traduce en pérdidas. Sin embargo, desde el punto de vista del funcionamiento mecánico, es imprescindible.

Formas en que Afecta el Sobrecalentamiento

El sobrecalentamiento puede causar diversos problemas:

1. Pérdida de la resistencia mecánica de los componentes. Fenómeno de creep (fluencia lenta).
2. La temperatura de la cajera superior (segmento de fuego) debe ser controlada (Nota: la información sobre el valor específico de la temperatura parece incompleta en el original).
3. Las piezas pueden romperse por esfuerzo térmico. El esfuerzo térmico es directamente proporcional al gradiente térmico en los componentes, y fallarían como consecuencia de la fatiga térmica.

Ecuaciones para el Cálculo de la Transmisión de Calor

En el interior del cilindro, la transmisión de calor hacia la pared ocurre por convección y radiación (la radiación a menudo se omite en cálculos simplificados). Posteriormente, hay transmisión de calor por conducción a través de las paredes. Finalmente, hay convección en la pared exterior del cilindro hacia el refrigerante.

Calor por convección a la pared del cilindro:

Calor por conducción a través de la pared del cilindro:

Calor por convección de la pared del cilindro al refrigerante:

Variables:

• Q: Potencia calorífica transmitida al refrigerante proveniente de la combustión.
• Ag: Área de intercambio de calor con el gas en el interior del cilindro.
• Tg: Temperatura del gas en el interior del cilindro.
• Tsg: Temperatura de la superficie interior del cilindro en contacto con el gas.
• hg: Coeficiente de transmisión de calor por convección en el interior del cilindro.
• kw: Conductividad térmica de la pared del cilindro.
• Tsr: Temperatura de la superficie del cilindro en contacto con el refrigerante.
• Tr: Temperatura del refrigerante.
• Ar: Área de la pared del cilindro en contacto con el refrigerante.

Problemas en el Cálculo de la Transmisión de Calor

Calcular la transmisión de calor de esta forma presenta una serie de problemas:

1. Se desprecia la radiación para la transmisión de calor desde el interior del cilindro (altas temperaturas implican alta radiación).
2. Las temperaturas del gas (Tg) y del refrigerante (Tr) dependen del tiempo (posición del pistón).
3. La geometría de las paredes del cilindro es compleja, lo que resulta en un área de intercambio variable.
4. El cociente espesor/conductividad (e/kw) es variable (resistencia térmica).
5. Los coeficientes de transmisión por convección (hg y hr) son variables con la posición y el tiempo.

Calor transmitido

Esfuerzo térmico en las paredes del cilindro

Temperaturas locales en las superficies del cilindro

El comportamiento del motor si:

Influencia de Parámetros del Motor en la Temperatura

• Si aumenta el grado de carga del motor, aumenta la temperatura del gas (Tg), con lo que se incrementa la temperatura de la superficie en contacto con el gas (Tsg). La temperatura del refrigerante no se incrementa del mismo modo, con lo que el gradiente entre el interior y el exterior del cilindro se incrementa (Tsg – Tsr).
• Si aumenta el régimen de giro del motor, aumenta el coeficiente de transmisión de calor por convección (hg), con lo que se incrementa la temperatura de la superficie en contacto con el gas (Tsg). La temperatura del refrigerante no se incrementa del mismo modo, con lo que el gradiente entre el interior y el exterior del cilindro se incrementa (Tsg – Tsr).
• Si aumenta el diámetro del cilindro, aumenta el espesor del cilindro por ser el motor más grande. En este caso, se incrementa la resistencia térmica a la conducción, con lo que se incrementa la temperatura de la superficie en contacto con el gas (Tsg). La temperatura del refrigerante no se incrementa del mismo modo, con lo que el gradiente entre el interior y el exterior del cilindro se incrementa (Tsg – Tsr). Por otra parte, el motor es algo más adiabático y, por unidad de área, el calor intercambiado se ve disminuido.

Zonas de Altas Temperaturas Superficiales

Las zonas con mayores temperaturas superficiales suelen ser:

1. La punta del electrodo en la bujía: Altos valores de e/kw.
2. La cabeza del pistón: Altos e/kw.
3. Válvula de escape: Altos valores de e/kw y hg.

Propiedades de los Aceites Lubricantes

Funciones del Aceite

• Lubricar: Debe formar una película continua que evite el contacto directo entre metales, garantizando lubricación hidrodinámica.
• Refrigerar: Ayuda a disipar calor y evitar deformaciones o dilataciones.
• Limpiar: Recoge residuos de combustión y partículas del desgaste interno del motor.

Propiedades Clave

• Viscosidad (Tenacidad).
• Fluidez.
• Baja volatilidad.
• No dejar residuos.
• Estabilidad química.
• Dispersancia.
• Detergencia.
• Antioxidante.
• Alcalinidad (para aceites minerales).

Degradación del Aceite

• Extrínseca: Por acumulación de residuos externos.
• Intrínseca: Por alteraciones físico-químicas internas del propio aceite.

Fuentes de Contaminación

• Partículas metálicas.
• Polvo atmosférico.
• Agua.
• Ácidos minerales.
• Combustible no quemado.

Balance Térmico de MCIA

El balance térmico de un motor de combustión interna distribuye la energía aportada por el combustible en diferentes formas:

• 𝑚̇ 𝑓 · 𝐻𝐶: Potencia disponible en el combustible (QT en el diagrama).
• 𝑁𝑒: Potencia efectiva en el eje del motor (QN en diagrama).
• 𝑁𝑎: Potencia consumida por los elementos auxiliares del motor (Qpm en el diagrama).
• 𝑄̇𝑟𝑒𝑓: Flujo de calor transmitido al refrigerante (Qr en el diagrama).
• 𝑄̇𝑎𝑐: Flujo de calor transmitido al aceite lubricante (Qa en el diagrama).
• 𝐻̇𝑔: Flujo de energía en los gases de escape (Qg en el diagrama).
• 𝐻̇𝑐𝑖: Flujo de energía no liberada de la combustión debido a una combustión incompleta (Qres en el diagrama).
• 𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑣+𝑟𝑎𝑑: Flujo de energía liberada de las superficies del motor al ambiente por convección y radiación (Qra en diagrama).

El calor disipado en el sistema de refrigeración se debe principalmente al calor transmitido por los gases de combustión contenidos en el cilindro, pero también al calor liberado por la fricción de las distintas partes móviles del motor. El aceite lubricante funciona como refrigerante, transportando tanto el calor de la combustión como el calor liberado por la fricción entre las partes móviles.

Potencia en el eje del motor

Relación entre el flujo de calor que va al refrigerante y la potencia obtenida en el eje del motor.

Al aumentar el tamaño del motor, se incrementa en valor absoluto el flujo de calor al refrigerante; pero, por otra parte, se incrementa el rendimiento del motor, por lo que su valor relativo respecto a la potencia del motor se ve disminuido.

Localización de las Pérdidas

Con un motor adiabático, solo podríamos actuar sobre un 50% de las pérdidas, ya que el 50% de pérdidas en la carrera de escape no se podrían aprovechar para realizar trabajo. En la carrera de escape, es al fluido al que se le realiza trabajo. Podríamos eliminar las pérdidas y aprovechar el calor en las carreras desde el PMS (Punto Muerto Superior) hacia el PMI (Punto Muerto Inferior). Esto implica que, frente a un motor convencional, en un motor adiabático podríamos lograr del orden de 4% a 8% más de la energía introducida con el combustible.

Sistema de Refrigeración

El sistema de refrigeración se encarga de refrigerar los cilindros, las culatas, el aceite lubricante y el aire de admisión a los cilindros. El calor recogido se envía a un foco frío, como la atmósfera o el agua del mar.

Componentes y Funcionamiento (Sistema por Agua)

1. Bomba de alta temperatura: Envía el agua al enfriador de aire y luego al motor, donde recoge el calor. A la salida, una válvula estrangulada permite la eliminación de aire y vapor hacia el tanque de expansión.
2. Válvula termostática de alta temperatura: Regula si el agua va al intercambiador de calor o regresa al motor, en función de la temperatura. Esta válvula funciona mediante un termoelemento que se dilata con la temperatura, abriendo o cerrando los pasos de agua. A baja temperatura, la camisa está en su asiento inferior y el agua solo puede pasar a través del interior de la camisa y salir por la parte superior. Según el agua se calienta, la camisa comienza a moverse y se levanta del asiento, dejando un paso abierto entre el asiento y la camisa. Así, el agua pasa por el hueco entre camisa y asiento y por la parte superior. Si la temperatura sigue subiendo, la camisa seguirá moviéndose hasta hacer contacto con la válvula por la parte superior de la camisa. De este modo, se cierra el paso de vuelta al motor y toda el agua va al intercambiador de calor para ser refrigerada.
3. Bomba de baja temperatura: Impulsa el agua hacia el enfriador de aire y luego al enfriador de aceite, pasando por la válvula termostática de baja temperatura.
4. Bombas centrífugas: A mayor régimen del motor, aumenta el calor generado, por lo que el sistema usa bombas centrífugas acopladas al motor para incrementar el caudal de refrigerante.
5. Presurización del sistema: El sistema se presuriza (1–5 bar) para evitar la ebullición del agua, que ocurre cerca de 100 °C a presión atmosférica. Esto es clave porque pueden existir puntos localizados más calientes dentro del motor.

Aditivos del Refrigerante

Se añaden aditivos al refrigerante para:

• Evitar la congelación (basados en glicoles).
• Prevenir la corrosión de los metales (deben seleccionarse según los materiales del motor).
• Inhibir la corrosión.
• Neutralizar ácidos.
• Prevenir la formación de espuma.
• Tener colorante para su identificación.
• No dificultar la transmisión térmica.
• Ser estables, no tóxicos y de alta capacidad térmica.

Refrigeración por Aire

En la refrigeración por aire, hay intercambio de calor directamente entre el motor y el exterior. Se necesita incrementar el área de intercambio de calor (mediante aletas) y el volumen de aire para refrigerar un motor es mucho mayor que en el sistema por agua. Se aprovecha la velocidad relativa entre el cilindro y el aire y, en caso de que esto no fuera posible, se instala un sistema adicional (soplante). Se emplea principalmente en motores pequeños.

Ventajas de la Refrigeración por Aire

1. Simple y fiable, evita averías comunes del sistema por agua.
2. Mayor autonomía, al no depender de una fuente externa de agua.
3. Menor inercia térmica, el motor alcanza más rápido la temperatura de trabajo.
4. Menos sensible a cambios de temperatura exterior, gracias a un mayor gradiente térmico motor-aire.

Desventajas de la Refrigeración por Aire

1. Opera a mayores temperaturas, lo que obliga a usar mayores holguras, genera más ruido y reduce rendimiento y eficiencia (más NOx y riesgo de autoencendido en motores de encendido por chispa – MEP).
2. Más voluminosos por las aletas, especialmente en diseños multicilíndricos.
3. Si se requiere ventilación forzada (soplante), aumentan el ruido y las pérdidas mecánicas.
4. Menos rígidos estructuralmente y ruidosos, ya que el agua en los sistemas líquidos actúa como amortiguador de vibraciones.
5. Las aletas pueden ensuciarse, disminuyendo la eficacia de la refrigeración.

Pérdidas Mecánicas

Las pérdidas mecánicas integran la diferencia entre la potencia efectiva (en el eje del motor) y la potencia indicada del motor (la generada por los gases en el ciclo).

Tipos de Pérdidas Mecánicas (Potencia Absorbida)

• Pérdidas por Fricción (NR): Se producen en las distintas partes móviles del motor. Las principales partes donde se producen son: engranajes de distribución, segmentos de pistón, pistón y biela, bomba de aceite y cigüeñal.
• Pérdidas de Bombeo (NB): Engloban el trabajo realizado por el émbolo sobre los gases en el proceso de renovación de la carga, es decir, el trabajo necesario para sacar los gases de escape y meter la carga fresca. En motores de 2 tiempos, no hay pérdidas de bombeo significativas.
• Pérdidas de Elementos Auxiliares (NA): Es la potencia absorbida por los elementos auxiliares necesarios para el funcionamiento del motor, como las bombas de agua, de combustible, de inyección, etc.
• Pérdidas de Accionamiento del Compresor (NC): En el caso de que el motor tenga un compresor de sobrealimentación arrastrado por el motor o un soplador en motores de 2 tiempos, la potencia necesaria para arrastrar el compresor se incluye en estas pérdidas.

NE: Potencia efectiva

NI: Potencia indicada del motor

Pérdidas por Fricción

Se deben al esfuerzo cortante generado en la película de aceite lubricante entre superficies con movimiento relativo. Dependiendo del régimen de lubricación:

Regímenes de Lubricación

• Fricción hidrodinámica: Ocurre en superficies separadas por una película de aceite completa. Depende principalmente de la viscosidad del lubricante. Esta película se genera por el movimiento de las piezas, no por la presión de suministro del aceite.
• Fricción mixta o semiseca: Ocurre cuando la película de aceite no es suficiente y hay algo de contacto metal-metal. Es típica en el arranque y en el Punto Muerto Superior (PMS), generando mayor desgaste.
• Fricción seca o límite: Es anormal y peligrosa. Puede destruir partes móviles por el contacto directo entre metales.
• Fricción de rodadura: Se da en rodamientos o seguidores de leva con rodillo. Es causada por deformaciones en los elementos rodantes y es poco dependiente del aceite.

Zonas con Mayores Pérdidas por Fricción

1. Cojinetes de biela y bancada: 20–30% del total. Las cargas son oscilantes y pueden provocar deformaciones que eliminan la lubricación hidrodinámica, causando desgaste.
2. Pistón: Movimiento oscilante que genera una cuña de aceite entre el pistón y la camisa, asegurando lubricación hidrodinámica. El desgaste no suele ser grave.
3. Segmentos del pistón: 50–70% de las pérdidas. Los segmentos de compresión evitan que los gases pasen al cárter, y los rascadores impiden que el aceite entre a la cámara de combustión. Su diseño y deformación generan una cuña de lubricante, excepto en el PMS, donde hay contacto directo y desgaste.
4. Otras zonas: Tren de válvulas, distribución. Representan aproximadamente un 10%.

Factores que Influyen en las Pérdidas por Fricción

1. Peso de las piezas y fuerzas de elementos elásticos.
2. Fuerzas de inercia, que aumentan con el régimen del motor.
3. Fuerzas de los gases de combustión.
4. Viscosidad del aceite: A mayor viscosidad, mayor fricción. Se busca usar el aceite con la menor viscosidad posible sin comprometer la protección del motor.

Pérdidas por Bombeo

Se conoce como lazo de bombeo al área cerrada en el diagrama indicador en las carreras de admisión y escape (área sombreada en la figura inferior). Representa el trabajo realizado por el motor sobre el fluido durante un ciclo en el proceso de renovación de la carga. Este trabajo de bombeo se considera una pérdida y depende principalmente de los siguientes parámetros:

Factores que Influyen en las Pérdidas por Bombeo

1. Contrapresión de escape: Representa las pérdidas de carga en la salida de los gases de escape. A mayor pérdida de carga, mayor presión de los gases, aumentando el trabajo del pistón. Esto eleva la línea de escape en el diagrama.
2. Pérdidas en admisión: Si se incrementa la pérdida de carga en la admisión, se incrementa el esfuerzo necesario para introducir carga fresca al motor. La línea de admisión baja porque la presión de admisión es menor y el trabajo de bombeo aumenta, incrementando la pérdida de bombeo.
3. Diagrama de distribución: Determina el momento de apertura y cierre de las válvulas, lo que influye en la forma y tamaño del lazo de bombeo.
4. Regulación de carga (potencia): En motores de encendido por chispa (MEP), la carga fresca se regula cuantitativamente (variando la cantidad de mezcla aire-combustible) estrangulando la admisión, ya que el dosado no puede variar mucho. Esto incrementa las pérdidas de carga en la admisión, especialmente en los MEP a bajas cargas (conducción urbana). Esto no ocurre en los motores de encendido por compresión (MEC), donde la regulación es cualitativa (solo se ajusta la cantidad de combustible).

Sistema de Lubricación

El sistema de lubricación se encarga de suministrar aceite a presión con el fin de evitar el contacto metal-metal y reducir el desgaste. El aceite también refrigera zonas como la parte inferior del pistón, en contacto con la combustión.

Tipos de Sistemas de Lubricación

• A presión: El más común, utilizado en la mayoría de motores.
• Por barboteo: El aceite llega por salpicaduras generadas por el movimiento del motor.
• En motores MEP de 2T pequeños: El aceite se mezcla con el combustible y se quema parcialmente, lo cual es contaminante.

Componentes del Sistema de Lubricación a Presión

• Bomba de aceite: Impulsa el aceite a presión. Pueden ser de engranajes o de rotor (tipo Gerotor). Suele ser arrastrada por el cigüeñal. Al calentarse el aceite, disminuye el rendimiento volumétrico de la bomba. Las bombas de engranajes no son autocebantes, por lo que se colocan por debajo del nivel del cárter o se les añade una válvula antirretorno para evitar que se vacíe el conducto de aspiración.
• Circuito de engrase: Diseñado para favorecer el flujo laminar (velocidad controlada).
• Filtros de aceite: Eliminan impurezas. Pueden estar en serie (filtro grueso, más riesgoso si se obstruye) o en paralelo (filtro más fino). Se usan válvulas de derivación (bypass) para evitar cortes de lubricación en caso de obstrucción del filtro.
• Refrigerador de aceite: Se utiliza si el flujo de calor recibido por el aceite es muy alto. Se suele instalar en paralelo para disminuir las pérdidas de carga en el circuito principal.

Funcionamiento del Circuito de Lubricación a Presión

El circuito de lubricación a presión presenta una pérdida de carga proporcional al cuadrado del caudal másico de aceite y también a su viscosidad. Se usan aceites con la menor viscosidad posible que sigan garantizando protección mecánica.

A partir de cierto régimen, el caudal necesario para lubricar el motor se estabiliza, pero si no se controla, la potencia que consume la bomba crecería con el cubo de las revoluciones, lo que supone un gran desperdicio. Para evitarlo, se usa una válvula de regulación de presión, que mantiene la presión constante derivando el exceso de aceite al cárter. Así, la potencia absorbida por la bomba crece de forma más lineal con el régimen, mejorando la eficiencia del sistema.

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