CAPITULO XIX Motores diesel 1.

Introducción

2.

Definición de términos

El motor diesel cumplirá en 1992 un siglo desde que fue patentado por Rudolf Diesel . Su utilización en el campo de la minería a cielo abierto tuvo unos comienzos lentos y difíciles , no siendo hasta los años treinta cuando se aplicó a un volquete minero . En la década de los cuarenta apareció la primera generación de cargadoras frontales sobre orugas que los montaba, mientras que los cincuenta y los sesenta supusieron la aparición respectiva en las retroexcavadoras y las frontales hidráulicas .

A continuación , se explican algunos de los términos más frecuentemente utilizados en el estudio de los motores térmicos:

Los motores diesel constituyen el sistema de accionamiento de la mayoría de los equipos utilizados en la minería a cielo abie rto. En ocasiones . cuando la infraestructura del área o las dimensiones y movilidad de los equipos dificultan el uso de energía eléctrica, se utiliza una combinación diesel-eléctrica , cuya fuente de accionamiento pri maria es diesel.

- Potencia , es el trabajo realizado en la unidad de tiempo.

La Tabla 1 refleja los equipos mineros estándar utilizados en una explotación a cielo abierto, y los sistemas de accionamiento posibles.

TABLA 1

- Trabajo mecánico , es el producto de una fuerza por la distancia durante la cual actúa dicha fue rza. La unidad de trabajo es el julio: 1 julio (J) = 1 Newton x metro (N.m)

La unidad de potencia es el vatio: 1 vatio (W) = 1 julio/segundo (J/s) Presión media efectiva, (PME), es la presión media en el cilindro durante un ciclo completo. Se puede calcular a partir del diagrama termodinámico, Fig. 1, y es la altura de un rectángulo hipotético de base "a" y superficie S.

p

Sistemas de accionamiento estándar

DIESEL

DIESEL ELÉCTR CO

ELÉCTRICO

Perforadoras Tractores Palas de ruedas

X X X

X X

X -

Excavadoras

X

X

X

Rotopalas Mototrafllas

X

X

Volquetes Cintas transportadoras

X

X

-

-

-

X

EQUIPO

S Í

Los motores de gasolina raramente se aplican en equipos de minería, quedando su uso reservado a algunos vehículos ligeros , especialmente de servicios . La mayor ventaja que ha aportado la utilización del motor diesel es el aumento de la movilidad de los equipos. No obstante , su crecimiento ha sufrido diversos altibajos derivados de la crisis del petróleo en la década de los setenta y sus repercusiones sobre el precio de los combustibles . Este hecho ha llegado a afectar incluso a la utilización exclusiva del -diesel en los volquetes , donde el desarrollo y aplicación de la alimentación eléctri ca vía trole en los accionamientos dieseleléctricos, ha permitido disminuir el consumo de gasóleo.

o V Figura 1

- Presión media efectiva al freno, ( PMEF), es la fracción de PME disponible en el volante de un motor, una vez deducidas las pérdidas por rozamientos internos. - Potencia indicada en un motor monocilíndrico ( Pi), se calcula a part ir de la PME, la superficie del pistón "S" y su carrera "I", como sigue: Fuerza en el pistón: F = PME (Pa) x S (m) = PME x S (N) Trabajo por ciclo: T = F (N) x 1 (m) = PME x S x 1 (J) Potencia indicada: Pi = PME x S x 1 x N (W) Siendo "N" el número de ciclos por segundo. 475

Definición de características

Como consecuencia:

1.224 x Potencia régimen (kW)

PME (kg/cm)2 =

- Admisión de combustible. En el motor diesel el ciclo de compresión se realiza sólo con aire, elevándose la temperatura del mismo. El combustible necesario se dosifica, presuriza y conduce a los inyectores donde se pulveriza en el interior del cilindro, mezclándose con el aire, e inflamándose como consecuencia de las elevadas temperaturas existentes.

Cilindrada (1) x RPM - Potencia al freno, se define como la potencia disponible en el volante para realizar un trabajo útil. Se obtiene por medio de un dinamómetro. - Par motor, es la fuerza de giro que produce el motor.

- Relación de compresión . Es la existente entre el volumen de aire en el cilindro con el pistón en el punto mue rto inferior (P.M.I.), y el volumen de aire

La relación del par y la potencia viene expresada por la fórmula:

cuando se halla en el punto muerto superior (P.M.S.), Fig. 2.

P (kW) =

Par (N.m) x RPM

R

9.552

=

VT V,

- Eficiencia mecánica, es la relación entre la potencia al freno y la indicada.

=

V, + VZ v,

- Eficiencia volumétrica , es la relación del volumen

de aire que entra en el cilindro y el desplazado por el pistón.

.,

ó

á ó w

En los motores de 4 tiempos y aspiración natural es del orden del 85% y en los sobrealimentados , aproximadamente, del 130%.

m

Q

=

3

«

3. Características generales 3.1.Características del motor diesel El motor diesel se define como aquella máquina de

;

Q

combustión interna capaz de transformar el calor producido como consecuencia de la ignición de un combustible, gasóleo , en trabajo mecánico de rotación. El proceso consiste en introducir aire en un cilindro, donde mediante un pistón se comprime incrementándose , como consecuencia , la temperatura hasta

las proximidades de los 500°C. En este momento se inyecta el combustible produciéndose instantáneamente la ignición y expansión de la mezcla. La Tabla II refleja las características más . destacables del motor diesel. TABLA II Características del motor diesel Admisión de combustible Relación e compresión Encendido

Vriadel inyector Variable entre 15-24:1

Par motor

Por temperatura del aire comprimido Poco variable dentro de la gam

Rendimiento térmico Toxicidad de los gases

de r.p.m. del motor 35-40% Inofensivo, CO muy reducido

Construcción Velocidad de rotación Presión máx. de compresión Temperatura máxima de compresión Combustibl e

476

Robusto y voluminoso Moderada < 2.500 r.p.m. Variable, 3-4 MPa Ga , Gasóleo (N.. cetano > 45)

P.M.S. P. M. 1. Figura 2 .- Volúmenes caracteristicos en un cilindro.

- Encendido . Como consecuencia de las elevadas relaciones de compresión utilizadas, entre 15 y 24:1, se alcanzan presiones del orden de 3.800 kPa y elevadas temperaturas, suficientes para producir la ignición del combustible inyectado en el momento oportuno. - Par motor. Es la fue rza de giro existente en el cigüeñal del motor, y su valor es el producto de la fuerza actuante por la distancia al eje de giro. Su unidad es el newton-metro, N.m. (1 kg.m = 9,807 N.m. ) . Los motores diesel se caracterizan por mantener unos adecuados valores de par motor, esto es, fue rza de tracción , a lo largo de la gama de giro del motor.

-

Rendimiento térmico. La energía química contenida

en el combustible se transforma en calorífica en el interior del cilindro. Las pérdidas en la transfororación son del 25-30% en el sistema de refrigeración , igual valor en los gases de escape , y cerca del 10% en contrarrestar fuerzas de rozamiento interno, con un balance final de un 35% disponible para desarrollar trabajo efectivo.

Toxicidad de los gases. Las elevadas relaciones de compresión que se alcanzan en el interior del

cilindro suponen unas condiciones de combustión en las que ésta se completa en buena medida, produciéndose, como consecuencia, fundamentalmente CO, que es un gas no tóxico. La calidad de los gases de escape de un motor diesel les hace irremplazables en trabajos subterráneos. La Tabla III es un ejemplo de los gases producidos como consecuencia del proceso de combustión. TABLA

k P, = P. . r donde: P. y P, = Presiones en el cilindro, antes de comenzar el ciclo de compresión, y al final, respectivamente. r = Relación de compresión k = Constante característica del aire.

111

Calidad de los gases de escape de un motor diesel Potencia: 155 kW a 2.100 r.p.m. Consumo gasóleo: 60 I/h. (S = 0,2%) Consumo de aire: 1.650 kg/h Gases de escape

Peso (kg/h)

%

CO,

157,8

9,3

NZ

1.266,7

74,5

0,

212,2

12,5

H20

62,6

3,7

CO

0,3

0,02

NO

1,1

0,06

NO1,1,7

Teóricamente, la presión alcanzada se rige por la fórmula:

0,1

HO

0,1

0,006

SO2

0,2

0,012

- Calidad de construcción. Las condiciones imperantes en el cilindro, en cuanto a elevadas presiones y características del ciclo de combustión y expansión típicas del motor diesel, requieren un apropiado diseño y robustez en elementos como bloque, cigüeñal, cojinetes, pistones, bielas, etc. La calidad metalúrgica alcanzada con los materiales actuales hace que la robustez de un motor diesel no sea sinónimo de máquinas de gran peso. - Velocidad de rotación . Existen motores diesel con velocidades desde 90 a 6.000 r.p.m., aunque los aplicados en maquinaria de minería tienen regímenes de giro inferiores a 2.500, con objeto de alcanzar una mayor longevidad mecánica. - Presión máxima de compresión . La presión máxima que alcanza el aire en el cilindro, durante el ciclo de compresión, depende de las revoluciones del motor, desgaste de las paredes del cilindro, de los aros de los pistones, estado de las válvulas, etc.

Temperatura máxima de compresión . Durante el ciclo de compresión las moléculas del aire introducido en el cilindro aumentan su velocidad, produciéndose como consecuencia el incremento de la temperatura del aire hasta alcanzar la denominada temperatura de compresión. Esta temperatura no tiene relación con la que se alcanza cuando se produce el proceso de combustión. La temperatura de compresión del aire en el interior del cilindro depende de: • La temperatura del aire cuando entra en el cilindro. • La relación de compresión utilizada, y • La constante característica del aire. La expresión teórica de su valor corresponde a la fórmula: k-1 T, = T, . r

donde: T, y T. =

Temperaturas absolutas final e inicial respectivamente.

r = Relación de compresión. k = Constante característica del aire. Los valores teóricos de presión y temperatura de compresión se ven afectados por la velocidad de giro del motor, altitud, relación presión-volumen y climatología. En la práctica, los valores son bastante menores por solape de válvulas, por fallos de cierre, por desgaste de cilindros y por pérdidas de temperatura debidas al sistema de refrigeración. - Combustible . El combustible diesel es un producto de la destilación del petróleo, y cuyas propiedades dependen de forma importante del tipo de crudo original y del proceso de refinado utilizado. Las especificaciones del combustible son establecidas por los fabricantes de motores. de acuerdo con una serie de propiedades cuya gama de valo-

•

< 0,5%

• Cenizas y agua: nulos

• Temperatura autoencendido . = 280°C •

Residuo carbonoso:

•

Indice cetano : 40 - 60

< 0,5%

• Azufre:

Poder calorífico superior: 42-44 MJ/kg

• Punto de inflamación: > 65°C • Peso específico : 830 - 860 g/I

Las especificaciones actuales del gasóleo B se recogen en la Tabla W.

TABLA

IV

Especificaciones del gasóleo de automoción LIMITES DE ESPECIFICACION CARACTERISTICAS

España

UNIDADES

kg/1 % en peso

Densidad a 15•C Azufre 1. cetano Destilación: 65% recogido 90% recogido Punto final Viscosidad ( 1,4-14,9 ) (15,9-31 .3) Punto de inflamación Cok Ramsbottom (s/10% residuo) Agua y sedimentos

Mínimo

Máximo

Mínimo

Máximo

0,825

0,860

-

50/65 (adt)

0,3

40

0,5

Punto de enturbiamiento Potencia calorífica superior Cenizas

-

-

°C

250

-

°C •C

-

282

338

cSt

-

350 380 5,2 4.3

1,9

4,1

55 -

0,2 0,1

52 -

0,35

1 bmáx.

-

(a 509C) No.3

-

sfC

cSt °C % en peso % en vol .

Corrosión tres horas 100° Transparencia y brillo Punto de obstrucción filtro frío (POFF)

U.S.A. (NO.2.D)

°C

Cumple -8 0 - 1

•C °C kcal/kg

10.500

0,01

% en peso

En algunas especificaciones de motores diesel aparece el tipo de combustible recomendado en unidades °API, a una temperatura determinada , conve rtibles en peso específico mediante la expresión :

0,05

3.2.

Ciclos del motor diesel

Los motores diesel son de dos Tipos básicos : cuatro tiempos y dos tiempos.

141,5 Pe 131,5 + °API

a)

Motor de cuatro tiempos

El motor de cuatro tiempos utiliza una carrera del pistón por cada fase del ciclo, lo que supone que por cada carrera, el cigüeñal realiza medio giro, y dos giros para Por ejemplo 35 °API a 60° F, equivalen a un combusti ble de 0,850 g/cm3 a 15 , 6°C. 47R

un ciclo completo del motor. La Fig. 3 esquematiza los distintos tiempos:

INYECCION

AIRE

GASES in Wí

O

O

O

O

O

O

O

O

1. ADMISION

3. COMBUSTION

2. COMPRESION

4. ESCAPE

Figura 3

b) Motor de dos tiempos

1. Admisión . El aire entra en el cilindro a través de la válvula de admisión en posición abie rta y la de escape cerrada como consecuencia de la depresión creada al despl azarse el pistón del P.M.S. al P.M.I. La entrada de aire puede realizarse a presión atmosférica , o forzada mediante compresor . 2. Compresión. Con las válvulas cerradas, el pistón asciende del P.M.I. al P.M.S. compri miendo el aire (3.100 - 3.800 kPa), y elevándose la temperatura (550°C) de forma que pueda inflamarse el gasóleo.

En este tipo de motores, a cada ciclo completo de trabajo corresponde un giro del cigüeñal , lo que supone, por comparación con el motor de cuatro tiempos, el doble de ciclos de trabajo a igual velocidad dei motor, Fig. 4. Teóricamente, el motor de dos tiempos desarrollaría doble potencia que uno de cuatro tiempos con igual cilindrada y número de cilindros , aunque en la práctica, por problemas de barrido de gases, sólo se alcanza una potencia del orden del 50% mayor.

3. Combustión. Con el pistón próximo al P.M.S. se inyecta o pulveriza el combustible , produciéndose su inflamación, y, como consecuencia de la presión generada, hace descender el pistón .

En maquinaria de minería son conocidos y utilizados ampliamente los motores de dos tiempos Detroit Diesel Allison, de G.M., cuyo sistema de operación se describe seguidamente.

4. Escape. Una vez el pistón próximo al P.M.I., se abre la válvula de escape , el pistón comienza su carrera ascendente y expulsa los gases quemados, finalizan do el ciclo.

El ciclo de trabajo se realiza en cuatro fases , y un giro de cigüeñal, Fig. 5.

De los cuatro tiempos descritos anteriormente , tres de ellos son consumidores de trabajo , por lo que el funcionamiento regular del motor se consigue con varios cilindros y volante de inercia en el cigüeñal .

1. Barrido . La bomba soplante introduce aire en el cilindro , por las lumbreras de admisión, expulsando los gases quemados por la válvula de escape, y dejando el cilindro lleno de aire limpio . El pistón está en el P.M.I.

MOTOR 4TIEMPOS Admisión

Compresión

Combustión

Escape

2 giros de cigüeñal

MOTOR 2 TIEMPOS Admisión Compresión Is--

1 giro de cigüeñal

Combustión Escape

Admisión Compresión �'Figura 4

1 giro de cigüeñal

Combustión Escape

INYECCION J AIRE

AIRE

AIRE

AIRE r r, r

•�

1.

rrrr a

,

GASES

AIRE

lllllt

•�'

3. COMBUSTION

2 . COMPRESION

BARRIDO

I

4. ESCAPE

Figura 5

2. Compresión . El pistón , que se hallaba en el P.M.I., comienza su ascenso sellando las lumbreras de admisión, y, cerrada la válvula de escape , el aire se compri me y calienta progresivamente . 3. Combustión . Próximo el pistón al P.M.S. se inyecta el combustible produciéndose su inflamación como consecuencia de la presión y temperatura. El pistón es empujado hacia el P . M.I., ab riéndose , poco antes de llegar, la válvula de escape. 4. Escape. Con la válvula de escape abierta comienza la salida de los gases quemados, forzada por el aire de barrido , y una vez que el pistón, en su descenso, descubre las lumbreras de admisión . Las fases de admisión y escape del motor de dos tiempos se realizan en un corto periodo , siendo facilitadas por el soplado forzado de una bomba de rotores tipo Roots . Este sistema soplante monoflujo y las camisas de los cilindros con lumbreras son, desde un punto de vista mecánico , los componentes más diferenciados en relación con el motor de cuatro tiempos .

3.3.

Características de diseño

Las características generales de diseño de los motores diesel son muy similares en todos los fabricantes, correspondiendo las mismas a la gama de parámetros siguientes: - Configuración constructiva de cilindros en línea hasta 6, y en V hasta 16 . Foto 1. - Cilindradas de hasta 70 litros. - Potencias de hasta 1 . 500 kW a 1.800 r.p.m. - Valores de par motor de hasta 7.000 N . m., dentro de la gama de 1.200 - 1.800 r.p.m. - Reguladores de inyección de velocidad variable, accionados mecánica, hidráulica o electrónicamente , y con coeficiente de irregularidad de 8 a 10%. - Los motores de determinados equipos móviles estan diseñados para trabajar con inclinaciones del orden de 35° en sentido longitudinal , y 15° en el transversal.

é• ,7

••

•

F!^'7

w

Foto 1 .- Motores diesel de 4 y 16 cilindros.

480

- El diseño de los componentes se realiza con el criterio de facilidad de mantenimiento, reparación e intercambiabilidad de elementos en familias de motores . - Los sistemas de arranque pueden ser de accionamiento eléctrico , neumático , o con motor auxiliar de arranque eléctrico. - Mejora de la eficiencia de la combustión , y consecuentemente menor nocividad en los gases de escape y mayor potencia, mediante la alimentación de aire comprimido y enfl'iado, Fig. 6.

4.

Especificaciones de operación del

4.1. Cu rvas características Las especificaciones de un motor comprenden el conjunto de datos característicos básicos de funcionamiento del mismo . Su presentación adquiere una configuración teóricamente clara y resumida y debe permitir definir las características de un motor, o establecer comparaciones en cuanto a la capacidad de trabajo que puede realizar. El motor diesel es una máquina que consume energía de tipo químico en forma de gasóleo , y la transforma en mecánica mediante el giro de un eje je a determinada velocidad . Esta magnitud constituye lo que se denomina potencia. 2! ETAPA (ALTA PRESION)

La unidad de potencia en el Sistema Internacional (SI) es el Kilovatio (kW). Por definición 1 kW = 103 julios por segundo Otras unidades y equivalencias son: 1 CV =75kg .m.s'=0,735kW 1 HP = 0,746 kW. Puesto que la potencia suministrada es variable con la velocidad de giro del motor, la magnitud potencia debe siempre ir acompañada de las revoluciones a las cuales se obtiene . Otros factores de tipo operativo que afectan a la capacidad para producir potencia son: la presión atmosférica, temperatura ambiente y del combustible, humedad , componentes auxiliares del propio-motor, considerados o no al realizar la medición , y condiciones de trabajo . En un intento de regularizar las condiciones de los ensayos, algunos paises disponen de normas, siendo las más importantes: BS. British Standard del Reino Unido , con referencia 5514. DIN. Deutsche Industrie Normen de Alemania, con referencia 6271. ISO. International Standards Or . g anization , con la 3046/1. SAE. Society Automotive Engineers de U.S .A., con la J 1349. condiciones de medición se realizan de acuerdo con los datos cuyo resumen , para las normas más aceptadas internacionalmente , se recogen en la Tabla V.

125°C 83 kPo

0

AOMISION 33°C

AIRE ANTES DE ENFRIAR 209 205°C kPa TURBOCOMPRESOR 19 IJ (8JAPPRESION)

GASES DE ESCAPE 640°C 19IkPo

ESCAPE 460°C

' MOTOR 5579C 82 kPo

SISTEMA ENFRIADOR-

ADMISION MOTOR 106 °C 203 kPo

Figura 6.- Diagrama de flujos en un motor diesel turboalimentado y enfriado.

481

TABLA V Condiciones de medición de potencia DIN

SAE J 1349

DIN

70020

6271

DIN 7ODE0\ =

j DIN EE7$ NN

.NP (MARINA )

►OTENCIA MARINA Q

Q

( NTERMITENTE )

G O

CL E

DIN Imn a NA (UTIL) DIN 4271 A#* ( CONTINUA)

p(CONTtNUA )

RPM

RPM

Temperatura Presión barométrica Presión vapor de agua

(humedad relativa) P. barométrica seca Densidad de aire seco

25° C (77° F) 100kPa (29,61 in.Hg) lkPa (0,30in.Hg)

25° C 750 mm.Hg -

200 C 736 mm.Hg

60% 99kPa (29.31 in.Hg) 1 , 16kg/m3 (1.961b/yd3)

Los resultados de la medición de la potencia pueden expresarse de dos maneras :

condiciones de carga del motor. El consumo se expresa en g/kWh.

• Potencia bruta, desarrollada por el motor dotado sólo de los accesorios esenciales para su funcionamiento, como son el volante , y las bombas de aceite y combustible .

Estas características permiten establecer las curvas de rendimientos de cada motor. La Fig. 7 corresponde a los rendimientos obtenidos por un mismo motor, con aspiración natural (a), o turboalimentado (b).

• Potencia neta, producida por el motor completamente equipado con todos los accesorios necesarios para desarrollar su función prevista. Es la potencia útil en la salida del motor (volante), y la que permite su

Las curvas anteriores figuran en una ficha técnica de especificaciones , con otros datos como:

mejor caracterización .

Modelo

Otra característica del motor es su par, definido como la fuerza de giro transmitida por el cigüeñal , y expresada en newton metro ( N.m). El giro del cigüeñal se produce por la fuerza aplicada en el pistón durante el ciclo de combustión y transmitida a través de las bielas . La capacidad máxima de giro se produce en el momento de mayor presión en el cilindro , y corresponde a una velocidad del motor infe rior a la máxima alcanzable, motivado por las pérdidas de rendimiento mecánico que ocurren en la gama alta de velocidades.

TIPO Aspiración

En las máquinas existentes en las explotaciones mine-

Peso (kg)

ras, los motores que las accionan están sometidos a continuas variaciones de carga durante su ciclo de

Lubricación Arranque

trabajo . Esta circunstancia exige que los motores dispongan de mayor reserva de par, esto es el porcentaje de incremento del par cuando trabaja en vacío a elevadas revoluciones, y el momento de sobrecarga máxima. Finalmente, las características anteriores se acompañan del consumo de combustible, dependiente de las 482

NQ Cilindros Diámetro x carrera (mm) Cilindrada (1) Relación de compresión c Potencia máx. pr a rpm) Par máximo (N.m a rpm ) (según DIN 6271)

a. Aspirado

b. Turboalimentado

inyección directa Turboalimentado y enfriado 6 en línea 115 x 135 8,4 15.5:1 17:1 132a2.000 112a2.000 87o a 1.400 570 a 1 .400 4 Tiempos Natural

920

930

Forzada, por bomba de engranajes Eléctrico, 24 V.

La ficha refleja también otros datos, como gama de altitudes en la que se garantizan las prestaciones nominales, materiales que configuran los componentes principales del motor, sistemas de refrigeración de fluidos, lubricación, filtrado, sistemas de seguridad, etc.

V

C x RPM x E 2.000

3 120 la donde:

Z p0 w

V = Volumen de aire, (m3/min). C = Cilindrada(¡).

á

E = Eficiencia volumétrica del motor.

150

7

Cuando el motor es de dos tiempos, el volumen de aire necesario según la fórmula ante rior debe duplicarse.

zoo

El valor de la eficiencia volumétrica es del orden de un 85% para un motor de aspiración natural , y 130%, de promedio, en los sobrealimentados.

z 0: 650-

0

b 600-

El aumento de la temperatura del aire de admisión se corresponde con una menor densidad del mismo y, consecuentemente , unas condiciones más ineficientes en la combustión . Esto supone una disminución del rendimiento del motor y un mayor consumo específico.

550

°

<> 2300 �.. 2202 y ú8 2 Z. c Ow°

°

b

1000

1200 1400 I600 1800 2000

Este factor se ve considerablemente agravado en la actualidad , ya que la mayor parte de los motores diesel utilizados en la maquinaria minera están sobrealimentados. Esta operación consiste en presu rizar el aire de admisión, con el resultado de incrementar el volumen del mismo y la cantidad de combustible inyectado, con mejora del rendimiento del motor. El aire de admisión en estas condiciones debe ser enfriado previamente a su entrada en los cilindros , Fig. 8.

(r. p. m.) INTERCAMBIADOR ° = ASPIRACION NATURAL

b = TURBOALIMENTADO 150°C

Figura 7.- Ejemplo de cu rvas características.

30 °C

4.2. Otros factores de operación

loo°c 1eT0a¿r --�

El motor diesel precisa aire para el proceso de combustión, por tanto sus características de funcionamiento y rendimiento pueden verse afectadas por los factores

COMPRESOR

MOTOR

siguientes: - Condiciones del aire de admisión. - Altitud. -

Condiciones del combustible.

760 °C (ENFRIADO) 840°C ( NO ENFRIADO) Figura S.- Gama de temperaturas del aire de admisión.

a.

Condiciones del aire de admisión

La temperatura y calidad del aire influyen sobre el rendimiento y duración del motor.

Los sistemas de enfriado consisten en situar un radiador intermedio (intercambiador), por cuyo interior circula el aire de admisión, siendo el fluido refrigerante el agua del propio motor o el aire.

Las necesidades de aire para un motor de cuatro tiempos y aspiración natural se estiman a partir de la expresión siguiente:

El factor temperatura del aire de admisión representa una pérdida de potencia del 1% cada 2°C por encima de los 28°C, según cálculos de algunos fabricantes. 483

En cuanto a la calidad del aire de admisión, éste debe carecer de polvo, ya que la mayor o menor abrasividad del mismo representa un factor de desgaste acelerado en segmentos , pistones, válvulas, etc., acortando la vida del motor. El ejemplo desarrollado a continuación aporta una idea del polvo que debe retener un filtro en un motor diesel de 4 tiempos y en las condiciones de trabajo siguientes:

para su prevención (riego de superficies, captadores en la perforación, etc) y, de otra parte, los filtros de protección del motor cuando sea necesario. b. Altitud El rendimiento de un motor se expresa habitualmente según las condiciones de alguna de las normas enunciadas anteriormente (SAE J 1349, DIN 6271, etc). Cualquiera de ellas considera unas condiciones de altura equivalentes a las del nivel del mar.

Vehículo Potencia neta ...........

Volquete 75 t 650 kW a 1.800 rpm '

Cilindrada .............. Factor de carga .......... Contenido de polvo ambiental . Aire necesario ........... Polvo retenido ...........

34 litros 80% 5 mg/m' =160 x 10' m'/h (50') 800 g/h.

El incremento de la altura lleva consigo una disminución de rendimiento en el motor, ya que existe un descenso en la densidad del aire-combustible en el interior de la cámara de combustión. La Tabla VI muestra los valores de la densidad del aire para diferentes alturas, supuesta una densidad de 1,225 kg/m' a 15°C y presión barométrica de 1.013 mb.

Dado que las condiciones ambientales en una explotación a cielo abierto implican la existencia de polvo en suspensión, deben controlarse, por un lado, los factores

La modificación del rendimiento de un motor diesel con la altura es una característica definida por cada fabricante, aunque, como estimación, se pueden considerar los valores recogidos en la Tabla Vil.

TABLA VI Atmósfera estándar según NASA (1962) ALTITUD (m)

484

PRESIÓN (bar)

TEMPERATURA (°C)

DENSIDAD (kg/m')

0

1,013

15,0

1,225

100 200 300

1,001 0,989 0 ,978

14,4 13,7 13, 1

1,213 1,202 1,190

400 500 600 800

0 ,966 0 ,955 0,943 0 ,921

12,4 11 ,8 11,1 9,8

1,179 1,167 1,156 1,134

1.000 1.200 1.400 1.600

0 , 899 0,877 0,856 0 , 835

8 ,5 7,2 5,9 4 ,6

1,112 1,090 1,069 1,048

1.800 2.000 2.200 2.400

0,815 0,795 0 ,775 0,756

3,3 2,0 0,7 - 0,6

1,027 1,007 0,986 0,966

2.600 2.800 3.000 3.200

0,737 0,719 0,701 0,683

-

1,9 3,2 4,5 5,8

0,947 0,928 0,909 0,891

3.400 3.600 3.800 4.000

0,666 0,649 0,633 0,616

-7,1 - 8,4 - 9,7 - 11,0

0.872 0,854 0,837 0,819

5.000 6.000 7.000 8.000

0,540 0,472 0,411 0,356

-

0,736 0,660 0,590 0,525

17,5 24,0 30,5 37,0

TABLA VII Reducción de potencia con la altura PÉRDIDA DE POTENCIA %

CONDICIONES

• 4 tiempos

3,0

Cada 300 m, a pa rtir de 300 m.

• 2 tiempos

1,5

Cada 300 m , hasta 1.800 m.

3,0

Cada 300 m , a parti r de 1.800 m.

SISTEMA DE ALIMENTACIÓN - Aspiración natural

- Turboalimentado

• 2 y 4 tiempos

Hasta 1.500 m.

0 Variable

Los motores provistos de turbocompresor se ven menos afectados por el aumento de altitud, compensando la menor densidad del aire con una mayor velocidad de la turbina del compresor , lo que incrementa el volumen de aire, manteniéndose aproximadamente el mismo peso de aire, y su relación con el de combustible inyectado. Por encima de los 3.000 m esta relación cambia, por lo que debe disminuirse el caudal de combustible con la consecuencia de una pérdida de potencia. c. Condiciones del combustible El aumento de temperatura en el gasóleo representa una disminución en la densidad y, por tanto, en el peso inyectado . Las variaciones de temperatura del combustibie afectan , de forma poco significativa, al rendimiento del motor, disminuyendo la potencia cuando aumenta la temperatura, y a la inversa.

A partir de 1.500 m.

debe eliminarse antes de que su presencia pueda afectar a los mecanismos de inyección. Las medidas recomendables para realizar un correcto almacenado y servicio son: • Depósitos de forma preferiblemente cilíndrica, gran capacidad , y en acero . No debe utilizarse chapa galvanizada, ya que el cinc es atacado por el gasóleo. • El depósito debe situarse con una ligera pendiente del 4%, Fig. 9. El orificio de salida estará situado a 10 cm del fondo en el lado más elevado . Mientras que el de purga de agua y sedimentos se situará en el punto más bajo. • Debe purgarse el agua y sedimentos con periodicidad establecida , y antes de cada llenado-

Algún fabricante de motores estima una pérdida de potencia de 2% por cada grado (°C) que supere los 32°C del combustible. Donde el factor temperatura puede tener una mayor repercusión es en la comercialización del gasóleo, ya que el suministro de grandes volúmenes se controla por peso . Recuérdese que las actuales especificaciones vigentes en España establecen para la densidad del gasóleo a 15 °C, unos valores mínimo y máximo de 0,825 y 0,860 kg/l, que ya representan una posible variación del 4% a temperatura constante .

O

,oem. -------------------4%

Un factor de la máxima impo rtancia en el combustible a utilizar , supuestas unas especificaciones técnicas inamovibles , es su limpieza y correcto almacenamiento .

Registro de inspección. Varilla medidora. Tubería de ventilación. Entrada de gasóleo. Purgador.

Los filtros instalados en el motor deben llegar a retener part ículas de hasta 2 µ , pues existen orificios en los circuitos de inyección con abe rturas del orden de

1. 2. 3. 4. 5.

0,0025 mm .

6. Salida de gasóleo.

El agua es un contaminante que aparece , generalmente, por condensación en los depósitos de combustible , y

Figura 9.- Depósito de combustible.

485

• No mezclar tipos o marcas de gasóleo distintos.

b) Condiciones operativas

• Cuando se llene el depósito, debe dejarse reposar su contenido algunas horas antes de reiniciar el suminis-

Algunos factores que se deben considerar al seleccionar un motor son:

tro. • Cuando se utilicen bidones, se posicionarán horizontalmente, Fig. 10, apoyados en sitio seco, protegidos de las inclemencias del tiempo y fuera de la acción directa del sol.

Condiciones ambientales de polvo, dimensionado y sistemas de seguridad en los elementos de filtrado de admisión. - Condiciones de temperatura, que pueden afectar, cuando es elevada, al dimensionado de los sistemas de refrigeración, o, si son bajas, a los de arranque y calentadores de aceite y combustible. - Características de altitud, compensables mediante turbo-compresores, que reducen la pérdida de potencia, los humos de escape, etc.

f Q

®Q

Figura 10.- Almacenado de bidones .

5. Criterios de selección de motores

- Características de humedad y corrosividad ambiental, que pueden afectar a la estanqueidad de los sistemas o equipos eléctricos. Sistemas automáticos de detección y lucha contra incendios, ya que las duras condiciones de trabajo y las numerosas fuentes potenciales de incendio (temperatura de conductos de escape, de turbo-

compresores, cortocircuitos, etc), suponen un riesgo para las personas y el equipo.

Algunos fabricantes de equipos mineros contemplan en su gama de productos la posibilidad de elegir motores de distinta procedencia. Habitualmente, estas alternativas se apoyan en: c) Características del motor - Motores de características similares y fabricantes distintos. - Motores de características diferentes según la utilización a la que se destine el equipo. Cuando se analiza el motor diesel de un equipo minero deben considerarse los criterios básicos siguientes: • Aplicación. • Condiciones operativas. • Características del motor. • Mantenimiento. • Servicio.

a)

Aplicación

Los factores a considerar son: - Calidad de movilidad o no del equipo en el que está instalado, por ejemplo en un volquete o en un compresor. - Fluctuaciones de carga en el ciclo de trabajo, por ejemplo en un tractor de orugas o en una motoniveladora. - Régimen de carga, continua o intermitente. 486

- Análisis de las curvas características en relación con las del trabajo a desarrollar, especialmente en los valores de par motor y su reserva, que marcan la capacidad para asumir cargas variables. - Aquellos motores cuyo ciclo de trabajo debe afrontar cargas elevadas durante cortos periodos, deben disponer de un porcentaje de reserva de par mayor que si las condiciones son más homogéneas. - Las mejores características con carga variable corresponden a regímenes de funcionamiento óptimo, próximos al 80% del par motor máximo especificado. Las características alcanzadas por un motor a sus máximas revoluciones no son adecuadas para alcanzar una eficiencia adecuada, un nivel de

consumo óptimo, una vida del motor o una disponibilidad mecánica correctas. - La potencia del motor, que debe especificarse como neta o al volante, y que es la realmente disponible para realizar un trabajo útil en condiciones de carga intermitente, continua o máxima. Igualmente las revoluciones a las que se obtiene, que actualmente suelen ser inferiores o del orden de las 2.000 r.p.m., Fig. 11.

{

2400 230C " 2200

INTERMITENTE

Aspectos tales como el almacén de repuestos , plazo de disponibilidad de los mismos, calidad del personal de asistencia , programas de formación , etc., deben ser tenidos en cuenta de forma prioritaria.

p 2100 02 000 1900Q

TINUO

18w.

6. Tendencias

17001600-

nuevos desarrollos

Las tendencias actuales en el desarrollo de motores diesel aplicados en minería se orientan hacia los campos siguientes:

15W 1400 1300

y

1300 1400 1500 1600 1700 teto 1800 zoco 2100 2200

RPM

600

Logro de

mayores

potencias

específicas

( kWhl de

cilindrada), mediante la utilización de turbocompresores , que suponen la admisión de mayor cantidad de aire, y enfri adores , que permiten el incremento en la densidad del aire por reducción de su temperatura. Algunos fabricantes , como Cummins en su serie K, han desarrollado la alimentación de aire mediante dos etapas de turbocompresión , Fig. 12, con objeto de disponer de mayores posibilidades en la obtenión

500 INTERMITENTE Zaoo ó

-

CONTINUO

de potencia, así como unos consumos más reduci-

dos en una amplia gama de velocidades. - Mejora de la eficiencia térmica, desde valores actuales inferiores al 40% hasta cerca del 50%, mediante una reducción de la energía perdida y su

200 1

1 300 tato 1500 1600 1700 Ie00 1800 2000 2100 2200

mejor aplicación como trabajo.

RPM

Figura 11.- Curvas características en régimen continuo e intermitente .

- El índice Presión Media Efectiva al Freno ( PMEF), que señala la presión media ejercida en los pistones . Cuanto mayor es su valor, menor es la vida esperada del motor.

- Reducción en el consumo de combustible a niveles infe riores a 200 g/kW/h e investigación de otros alternativos , bien líquidos (aceites vegetales, alcoholes, etc), o gaseosos (GLP, metano, etc.).

- Control electrónico de operación del motor, que permite reducir y optimizar el consumo , los gases nocivos de la combustión , mejorar la regularidad de funcionamiento , establecer su autodiagnóstico, y medidas de protección.

d) Mantenimiento - El motor y sus componentes deben estar construídos en materiales de calidad probada . - El diseño debe ser limpio , fácilmente accesible para mantenimiento o reparaciones. - Modularidad en su construcción y ventajas de la intercambiabilidad de componentes en la flota propia.

La Fig . 13 representa los componentes fundamentales del sistema de control electrónico (DDEC) desarrollado por Detroit Diesel Allison . La Fig. 14 esquematiza este sistema electrónico con las funciones del motor sometidas a control y regulación.

e) Servicio

- Tecnología de materiales de características mecánicas , térmicas y de desgaste, superiores a las actuales y aplicadas al motor y componentes con objeto de alcanzar una mejor disponibilidad operativa y periodos más prolongados entre revisiones generales.

La calidad del se rv icio postventa, además de la posible mayor cercanía del distribuidor, son probablemente los factores finales que condicionan una elección determinada .

- Aplicación de compuestos cerámicos como revestimiento de cabeza de pistones , cilindros, conductos de escape , etc., al objeto de mejorar el rendimiento térmico del proceso de combustión. 487

BAJA PRESION

BAJA PRESION

ENTRADA AIRE

ENTRADA AIRE >COMPRESOR

TURBINA

TURBINA

COMPRESOR

�PREjJ

COMPRESOR

TURBINA

TURCOMPRESOR

INTERCAMSIAOOR

INTERCAMBIADOR BANCADA IZQUIERDA

BANCADA DERECHA

Figura 12.- Flujo de gases en motores con doble sistema de turbooompresores.

MODULO DE CONTROL ELECTRONICO UNIDAD DE DISTRIBUCION

ELECTRONICA

SENSORES MEMORIA PROGRAMABLE

INYECTOR DE CONTROL ELECTRONICO

PEDAL DE MANDO ELECTRONICO

Figura 13.- Sistema de control electrónico de Detroit Diesel(DDEC).

Mejoras en los procesos de fabricación que permitan componentes más homogéneos, dimensiones y ajustes más precisos, reducción y simplificación de accesorios, etc. 488

- Programas de mantenimiento preventivo más sencillos y efectivos, con diseño accesible y cómodo de los puntos de servicio.

BAJA PRESION

ENTRADA AIRE'

BAJA PRESION


l

COMPRESOR

TURBINA

ALTA PRESION

COMPRESOR

TURBINA 1

ALTA PRESION

D COMPRESOR

TURBINA

TURBINA

COMPRESOR %

C INTERCAMSIADOR

INTERCAMBIADOR BANCADA IZQUIERDA

1

1

BANCADA DERECHA

Figura 12.- Flujo de gases en motores con doble sistema de turbocompresores.

MODULO DE CONTROL ELECTRONICO UNIDAD DE DISTRIBUCION

ELECTRONICA

SENSORES MEMORIA PROGRAMABLE

INYECTOR DE CONTROL ELECTRONICO

PEDAL DE MANDO ELECTRONICO

Figura 13.- Sistema de control electrónico de Detroit Diesel (DDEC).

Mejoras en los procesos de fabricación que permitan componentes más homogéneos, dimensiones y ajustes más precisos, reducción y simplificación de accesorios, etc. 488

- Programas de mantenimiento preventivo más sencillos y efectivos, con diseño accesible y cómodo de los puntos de servicio.

}

DISTRIBUCION

PROGRAMA

FRENO MOTOR SEÑAL DE

SINCRONIZACION

POSICION ACELERADOR

MANDO

0

SEÑAL DE RETORNO MODULO DE CONTROL ELECTRONICO

PRESION COMPRESOR

UNIDAD DE DISTRIBUCa ELECTRON INYECTOR DE CONTROL ELECTRONICO TACOMETRO CONTROL DE POTENCIA REGULADOR DE VELOCIDAD

TEMPERATURA ACEITE

CIRCUITO DE DIAGNOSTICO L

PRESION ACEITE

PARADA DE MOTOR PARADA DE VELOCI DAD MAXIMA COMPROBADOR LAMPARAS

NIVEL AGUA

TEMPERATURA AIREO DE VELOCIDAD CONTROL DE VELOCIDAD

O8ATERIA

LINEA PETICION DE DATOS Figura 14 .- Esquema del sistema de control electrónico ( DOEC).

7. Bibliografía - ALEKSEEVA, T.V. et al : "Machines for Earthmoving Works ". A.A.Balkema. 1986 . - ALM, B .: "Diesel-Powered Equipment in Open Pit Mines". Worid Mining , 11-1982. - ASMUS , A. et al.: "Diesel Engines and Fuel Systems", Pitman Publishing PTY. 1988 .

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- AUTOMOTIVE ENGINEERING . " Diesel Electronic Fuel Inyection Investigated ", 2-1981 .

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- BURTON , A.K.: "Off- Highway Trucks: A Guide to Engines and Transmissions ", SME, 10-1975 .

- POURBAIX, J. et al.: "Moteurs Diesel" , Ed. Plantyn, 1983.

489