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MAQUINAS ALTERNATIVAS Y
TURBOMAQUINAS
APUNTES DE CATEDRA
COMBUSTION EN MOTORES DE EMBOLO
CURVAS CARACTERISTICAS DEL MOTOR
CURVAS CARACTERISTICAS DEL MOTOR
Las curvas características de un motor constituyen una muestra gráfica de
las prestaciones que el mismo puede desarrollar bajo determinadas condiciones
de trabajo.
Las prestaciones a que nos referimos son el par motor (Mt), la potencia efectiva
(Ne) y el consumo específico de combustible (CEC) representadas para distintos
valores del número de vueltas de funcionamiento del motor (n).
El siguiente gráfico muestra la forma típica de las curvas características de un
motor de combustión interna.
ENSAYO DE MOTORES
Existen distintas normas que especifican cuales son las condiciones de
ensayo para obtener estas curvas.
Así por ejemplo, las normas DIN de origen alemán establecen que el motor debe
ensayarse con todos sus sistemas auxiliares instalados, (radiador, bomba de
agua, alternador, etc.) resultando valores de la prestación del motor muy
representativos de lo que obtendríamos con el motor instalado en un vehículo.
En tanto las normas SAE de origen norteamericano especifican que el motor
debe ensayarse libre de todos los sistemas auxiliares resultando valores mayores
de la prestación para cada número de vueltas si lo comparamos con el caso
anterior.
Resulta entonces necesario conocer bajo que norma se ha realizado el ensayo del
motor para poder comparar sus prestaciones.
Además hay que indicar que en forma independiente de la norma empleada, el
ensayo de caracterización de un motor se realiza a plena carga (con el motor
acelerado a fondo) y por tanto los resultados mostrados corresponden al límite
superior de lo que puede desarrollar el motor en términos de par motor y de
potencia.
Ahora bien, está situación es eventual en la conducción de motores y en general
no es aconsejable operar las máquinas en estas condiciones.
Efectivamente, no es normal operar un motor con el acelerador a fondo salvo
que se presente alguna eventualidad (sobrepaso en condiciones de riesgo) o en el
caso particular de competencias deportivas.
En condiciones normales de operación solo se requiere desarrollar una cantidad
parcial de la potencia o del par motor disponible al número de vueltas de
operación y para ello los motores disponen de un sistema de regulación que
permiten administrar las prestaciones permitiéndonos operarlo en muchas otras
condiciones de trabajo.
Tantas condiciones, como puntos haya dentro del área limitada por la curva de
potencia máxima, el eje de abscisas y las verticales que pasan por las
velocidades mínima y máxima respectivamente, el siguiente esquema ilustra
sobre el particular.
100
120
140
160
180
200
220
240
260
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Régimen del motor [rpm]
Potencia Efectiva [Kw]
n
mín
n
máx
Potencia
utilizada
Las velocidades extremas de funcionamiento quedan determinadas por la
inestabilidad de operación para el número mínimo de rpm de operación y por la
carga mecánica máxima (tensiones inerciales) para el caso del régimen máximo.
PAR MOTOR
La presión producida por la combustión dentro del cilindro, actúa sobre la
superficie del pistón generando una fuerza que se transmite al árbol cigüeñal a
través de la biela produciendo el movimiento de rotación de dicho árbol.
Esta acción particular que crea un movimiento de rotación se denomina par
motor, torque o simplemente cupla.
El par motor se relaciona con el trabajo que
puede desarrollar un motor en una dada
condición de funcionamiento.
Naturalmente esta capacidad de desarrollar un
trabajo no permanece constante, sino que
cambia según el estado de carga del motor
siendo influenciada directamente por el
rendimiento volumétrico del mismo y por el
rendimiento cualitativo.
Es un desafío constante de los fabricantes de
motores producir máquinas que tengan el más
alto valor de par motor conforme a la
cilindrada y tipo de servicio pero
fundamentalmente que presenten una forma
aplanada de la curva de par para una amplia
gama del número de vueltas de
funcionamiento del mismo.
Con esto se logra un funcionamiento elástico
del motor.
Como su nombre lo indica, la curva de par
máximo nos muestra el máximo torque que
puede desarrollar el motor para cada número
de rpm (recordar que responde a un ensayo de
plena carga)
En ella se distingue un punto cuspidal que normalmente se indica como de
torque máximo a n (rpm)
El punto correspondiente al máximo par permite distinguir claramente dos zonas
en el diagrama, según estemos a la izquierda o a la derecha del mismo.
La zona estable de funcionamiento a la derecha del punto cuspidal donde se
observa que para una caída en el régimen de funcionamiento del motor,
R
F
producida por un aumento en la carga del mismo, tenemos un aumento en el par
disponible para contrarrestar su efecto.
Contrariamente, en la zona inestable de funcionamiento del motor, a la
izquierda del punto cuspidal, tenemos que, para una caída del régimen de
funcionamiento, también cae el par disponible, resultando necesario bajar un
cambio para hacer frente a la nueva condición.
Es importante ver desde esta óptica a la caja de velocidades como un
convertidor de par.
En efecto las distintas relaciones que ofrece la caja de velocidad pueden
considerarse como una desmultiplicación de velocidades o como un
multiplicador del par motor.
Puesto que con ella no puede cambiarse la potencia desarrollada por la máquina
y siendo:
POTENCIA = PAR MOTOR x VELOCIDAD ANGULAR
Resulta evidente que cada vez que reducimos la velocidad angular de
salida de caja, aumentamos el momento torsor (par) en la misma proporción.
PAR MOTOR [Nm]
1000
1200
1400
1600
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Regimen del mo to r [rpm]
Par motor [Nm]
ZONA
ESTABLE
ZONA
INESTABLE
INFLUENCIA DE LA RELACION CARRERA / DIAMETRO SOBRE EL
PAR MOTOR
La experiencia insiste en indicar que a igual cilindrada un motor de
“carrera larga” (carrera > diámetro), desarrolla mayor cupla que un motor
“cuadrado” (carrera = diámetro), pero en general desarrolla menor número de
vueltas que aquel.
Ahora bien analizando la situación desde un punto de vista teórico y
considerando igualdad de pme, no es cierto que ello ocurra porque si bien en el
motor de carrera larga aumenta la distancia entre la fuerza debida a los gases y
el centro de rotación, no es menos cierto que a igualdad de cilindrada el aumento
de la carrera, va acompañado de una disminución en el área del pistón que
determina una disminución de la fuerza debida a la presión de los gases en una
magnitud tal que ambos efectos se compensan resultando el mismo par motor
para cualquier relación C/D (carrera / diámetro)
Lo que ocurre en la práctica es que los motores de carrera larga funcionando a
un menor número de vueltas tienen un mejor rendimiento volumétrico (respiran
mejor) que el correspondiente motor cuadrado o supercuadrado y presentan un
mejor rendimiento cualitativo, desarrollando en consecuencia una mayor presión
media efectiva que es la causa de la mejora observada en el par motor.
Los motores de carrera larga funcionan a un menor número de vueltas porque
alcanzan rápidamente el límite impuesto por la velocidad media de pistón.
RESERVA DE PAR
El punto de funcionamiento a un determinado número de rpm, permite
distinguir el torque desarrollado en esa condición de marcha y la reserva de par a
ese régimen. (Ver gráfico siguiente). Este concepto es igualmente válido para un
punto de funcionamiento situado a la izquierda del régimen de par máximo
siempre que consideremos cargas parciales.
PAR MOTOR
MAXIM O
1000
1200
1400
1600
600 800 1000 1200 1400 160 0 180 0 2000 2200
Regimen del motor [rpm]
Par motor [Nm]
PUNTO DE
FUNCIONAMIENTO
RESERVA
DE PAR
UNIDADES DEL PAR MOTOR
Definido el par motor como el producto de una fuerza por la distancia
entre su recta de acción y el punto de rotación.
Par motor = Fuerza x Distancia
Usualmente el par motor se expresa en Kilogramo-metros [Kgm], o en
Newton-metros [Nm]
Siendo 1 Kgm = 9,8 Nm
Para el caso de un motor monocilíndrico podremos calcular el par motor
en función de la presión media efectiva y de las dimensiones del cilindro de la
siguiente forma.
Par motor = K x pme x Area de Pistón x Carrera / 2
POTENCIA
La potencia no es otra cosa que una medida de la rapidez con que puede
desarrollarse un trabajo.
De modo tal que un dado valor de potencia puede representar a un gran trabajo
desarrollado lentamente como a un pequeño trabajo realizado muy velozmente.
Para aclarar este concepto pensemos en los 180 CV de un impulsor típico de un
vehículo preparado para el transporte de carga y los 180 CV del motor de una
motocicleta superdeportiva.
Quede claro con esto que el valor de la potencia máxima desarrollada por un
motor no alcanza para caracterizar al mismo, sino que es necesario un conjunto
de datos complementarios relacionados con su capacidad para desarrollar un tipo
de trabajo.
Para explicar que se entiende por potencia se da normalmente el ejemplo de
dos
vehículos cargados con el mismo peso que tienen que subir la misma cuesta
partiendo de la misma posición, utilizando al máximo a su motor. El primero
tiene el doble de potencia que el segundo, como lo muestra el siguiente
esquema.
Para alcanzar la cima el vehículo de mayor potencia tardará la mitad del tiempo
que el vehículo de menor potencia.
UNIDADES DE POTENCIA
Definida la potencia como el trabajo realizado por unidad de tiempo.
VelocidadFuerza
Tiempo
DistanciaFuerza
Tiempo
Trabajo
Potencia =
==
Usualmente la potencia se expresa en Watts [W], en Kilowatts [Kw] o en
Caballo vapor [CV]
Siendo 1 CV = 736 Watts.
Para el caso de motores tendremos que la potencia es:
= POTENCIA PAR MOTOR VELOCIDAD DE ROTACION
Por último digamos que para el mismo tipo de servicio a igualdad de
potencia máxima, aquel vehículo con mayor par motor, será más sencillo de
conducir teniendo mejor comportamiento en las cuestas demandando un menor
uso de la caja de velocidad.
CONSUMO ESPECIFICO DE COMBUSTIBLE
El consumo específico de combustible [CEC] es la cantidad de
combustible consumido en una dada condición de funcionamiento, repartido
entre las unidades de potencia desarrollada y la unidad de tiempo.
tiempo 1
Potencia 1 = 400 HP
distancia 1 = distancia 2
tiempo 2
Potencia 2 = 200 HP
Usualmente se expresa en gramos de combustible por CV y por hora, o gramos
de combustible por Kwatts y por hora.
−
=
hCV
CEC
comb. de gr.
−
=
hKwatt
CEC
comb. de gr.
Como comprenderán, el consumo específico de combustible es un
parámetro que se mide en banco de ensayo de motores y representa la capacidad
del mismo para transformar la energía del combustible en energía mecánica
presentando una relación muy estrecha con el concepto de rendimiento térmico
total de la máquina.
En efecto, si lo ponemos en símbolos, tendremos:
tt
CEC
K
=
Siendo
tt el rendimiento térmico total y K un valor constante.
La expresión anterior nos muestra que cuando el rendimiento térmico total
aumenta el consumo específico de combustible disminuye y viceversa.
Atento a la forma de la curva que representa el CEC mostrada al comienzo de
este trabajo, podemos observar que la misma presenta una concavidad con un
valor mínimo para un número de vueltas situado entre los correspondientes al
régimen de par máximo y de potencia máxima respectivamente y normalmente
más cerca del primero de ellos.
Naturalmente también puede observarse que el CEC crece hacia ambos lados de
ese valor mínimo.
El crecimiento del CEC en la zona de bajas rpm se debe al aumento
proporcional de las pérdidas de calor en esa zona.
Tanto en los motores de encendido por chispa (Ciclo Otto) como en los de
encendido por compresión (Diesel) el porcentaje de pérdidas de calor disminuye
con el aumento de la velocidad.
Es una cuestión de tiempos de transferencia, a regímenes relativamente altos se
logra una especie de confinación inercial de la energía puesta en juego.
Pero entonces como explicamos el crecimiento del CEC en la zona de alto
régimen.
Sencillo, allí cobran importancia las fuerzas de fricción.
Es la disminución del rendimiento mecánico en esa zona quien determina el
crecimiento del CEC a la derecha del diagrama.
La forma observada de la curva de consumo específico de combustible es una
clara muestra del principio de superposición de efectos, las pérdidas por
transferencia de calor al medio y las cargas de fricción están siempre presentes
con el motor en funcionamiento.
La transferencia de calor domina la situación a bajo régimen mientras que a alto
régimen se imponen las cargas de fricción.
Análogamente a lo descripto para el par motor y la potencia efectiva, el valor del
CEC varía según la condición de funcionamiento del motor y naturalmente no
existe una única curva de CEC.
PLANO ACOTADO DE CONSUMOS
Para conocer realmente la respuesta de un motor desde el punto de vista
del CEC es necesario disponer de un plano acotado de consumos.
Para su trazado es necesario realizar una serie de ensayos en banco de pruebas,
relevando datos del CEC para cada punto de funcionamiento del motor dentro de
una grilla donde discretizamos velocidad de operación y porcentaje de carga
(posición del acelerador)
Con esos datos puede trazarse un diagrama acotado identificando las curvas de
isoconsumo (curvas de nivel) donde es posible determinar la posición del polo
económico del motor, o sea el punto de funcionamiento con menor consumo
específico de combustible, ideal como punto de funcionamiento de motores
estacionarios.
Además disponemos de un conjunto de curvas de CEC constante que posibilitan
una adecuada gestión de la planta motriz para uso vehicular.
Es importante recordar su estrecha relación con el rendimiento térmico total de
la máquina.
El esquema a continuación muestra un plano acotado de consumos sobre una
carta de Presión media efectiva vs velocidad media de pistón.
En la figura de la derecha están indicados el polo económico y la curva de
máxima eficiencia.
RESUMIENDO
Los valores de Mt, Ne y CEC son funciones de la condición de
funcionamiento del motor y se representan normalmente a través de un diagrama
denominado CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR, que como
hemos anticipado corresponden a un régimen de plena carga, y nos muestran los
límites de operación del motor.
Las curvas características nos muestran la relación que existe entre las
prestaciones límites de un motor y el régimen de funcionamiento en la condición
de plena carga.
Esta información permite comparar motores.
Si se trata de seleccionar el motor adecuado para un servicio determinado es
necesario conocer alguna información complementaria como el citado “Plano
acotado de consumos” que también sirve para optimizar su utilización.
El modo de Conducción Racional que tiene entre sus objetivos aumentar la
eficiencia en el uso de los combustibles, para minimizar el consumo y el
consecuente impacto ambiental recomienda operar al motor alrededor del polo
económico y moviéndose según la dirección de mínimo cambio (antigradiente)
Con ello podremos garantizar el menor consumo de combustible para cada
condición de servicio.
Hay que usar el par motor, aprovechando la reserva de par para vencer una
cuesta o cualquier otra demanda de trabajo.
En la zona de par máximo se tienen los valores de consumo más racionales
Se debe evitar utilizar la máquina en la zona de potencia máxima salvo casos
donde sea estrictamente necesario como por ejemplo para adelantarse
rápidamente minimizando el riesgo.
La figura siguiente muestra como un cuentavueltas (tacómetro) tiene pintadas
zonas con distintos colores para indicar acerca de la conveniencia o riesgo de
operación.
Régimen del motor r.p.m.
Rendimiento del motor naftero de 4T.doc
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