- Motores de accionamiento
- Motor de combustión externa
- Motor de combustión interna Motor de Ciclo Otto Motor de Ciclo Diesel
Composición de un equipo de Perforación
Empezaremos por los equipos mecánicos.
…Motores de accionamiento
Vamos a describir y definir algunos conceptos de estas máquinas.
- Motores térmicos: Son mecanismos que transforman la energía térmica contenida en los combustibles en energía mecánica. De acuerdo al lugar donde se produce la combustión se clasifican en dos grupos:
- Motores de combustión externa
- Motores de combustión interna
En el primer grupo están los motores a vapor, en los cuales el combustible se quema en una caldera donde se produce vapor que mueve la máquina que transforma la energía del vapor en movimiento. Otro ejemplo serían las turbinas de los aviones, etc., en las cuales el gas se quema en un generador de gases, que luego se expande en un recinto donde genera el movimiento de varias ruedas con álabes.
En el segundo grupo, el combustible se quema en el interior de la máquina produciendo un empuje que pone en movimiento la misma.
En estas máquinas la combustión se realiza en el interior de un cilindro, en el cual uno de los extremos es un pistón móvil que empuja un vástago oscilante que a su vez está conectado a una manivela, transformando el movimiento rectilíneo del pistón en un movimiento rotatorio de la manivela.
El pistón tiene un movimiento rectilíneo alternativo, el movimiento desde la parte interior (punto muerto interior-PMI-) hasta el exterior (punto muerto exterior –PME-) se llama una CARRERA y en esta carrera la manivela gira media vuelta.
De acuerdo al ciclo de funcionamiento de la máquina, los motores se dividen en:
- Motores de ciclo OTTO
- Motores de ciclo DIESEL
Los primeros usan como combustible nafta o gas y los segundos, gasoil.
Este último es el tipo de motor que se utiliza en los equipos perforadores por lo que pasaremos a describir en detalle el ciclo DIESEL.
El ciclo se complementa en cuatro fases, estas se pueden completar en una o dos vueltas de la manivela.
El ciclo DIESEL se compone de cuatro tiempos:
1- Admisión o aspiración
2- Compresión
3- Inyección-combustión-expansión
4- Escape o barrido
En el primer tiempo el pistón se mueve desde el PMI el PME; en ese momento, se abre la válvula de aspiración cuyo comando está sincronizado con la manivela. Una vez que el pistón llega al PME, el cilindro está lleno de aire fresco, momento en el cual, la válvula de aspiración se cierra y el pistón comienza el movimiento inverso, es decir hacia el PMI, produciéndose la compresión del aire contenido. Al llegar al PMI un mecanismo sincronizado inyecta el combustible a una presión superior a los 150 kg/cm2 , ingresando el combustible muy pulverizado al recinto donde se encuentra aire calentado por efectos de la compresión. Al encontrar este ambiente alta temperatura, el combustible se enciende lo que motiva una elevación de la presión que empuja el pistón hacia el PME (este es el único tiempo motriz). Una vez el pistón en el PME se abre la válvula de escape y el pistón en su movimiento hacia el PMI produce la expulsión obarrido de los gases quemados, quedando el cilindro vacio y listo para que ingrese el aire para el siguiente ciclo.
5
Del análisis del ciclo, surge que de los cuatro tiempos, solamente uno se convierte en energía mecánica, los otros tres, absorben energía mecánica, con el objeto de preparar el sistema para la combustión y la expansión. Esta es la razón por la cual los motores cuentan con una masa rotatoria lo suficientemente alta como para acumular energía cinética en el desarrollo del ciclo, este acumulador en los motores recibe el nombre de VOLANTE.
Cuando cada uno de los tiempos insume la longitud de una carrera, se lo conoce como “motor de cuatro tiempo” y cada uno de los tiempos se cumple en una carrera completa del motor, es decir, el ciclo insume dos vueltas de la manivela. Hay otro tipo de motores en el cual cada elemento del ciclo insume la mitad de la carrera, estos motores se los conoce como “motor de dos tiempos” (el ciclo se cumple en una vuelta de la manivela).
Si graficamos el ciclo en un diagrama presión-volumen lo tendremos como el representado en el diagrama 1. Previo a la construcción del diagrama recordemos los nombres que reciben las transformaciones que necesitamos conocer.
1- Isobara :es la transformación a presión constante.
2- Isocora: es la transformación a volumen constante.
3- Adiabática: es la transformación sin intercambio de calor.
4- Isotérmica: transformación que se realiza a temperatura constante.
De acuerdo a lo que dijimos en la descripción del ciclo, el pistón en su movimiento desde el PMI al PME se va llenando con el aire atmosférico por lo cual, la transformación 1-2 es una transformación isobárica, con lo cual el cilindro se va llenando a presión atmosférica. En la transformación 2-3 el aire dentro del cilindro se comprime sin intercambiar calor con el medio externo, es una transformación adiabática. En la 3-4 se inyecta el combustible y mientras d éste se quema, el volumen aumenta porque el pistón se está desplazando hacia el PME por lo que la presión se mantiene constante debido a que el volumen aumenta en la medida que el combustible se va quemando. En la 4-5 que es una porción de una carrera, el combustible ya se quemó, no hay intercambio de calor, siendo ésta, entonces, una transformación adiabática. A continuación al abrirse la válvula de escape el valor cae al valor de la presión atmosférica, siendo la transformación 5-2 una transformación del tipo isocora. Por último se produce el barrido 2-1 que es otra isobara quedando el cilindro en condiciones de comenzar un nuevo ciclo.
Ciclo real
Vamos a analizar como sucede en un caso real con un motor que funcione con este ciclo (DIESEL).
Sabido es que para que se produzca un ingreso de aire desde el exterior hacia el interior de un cilindro, es necesario que en él exista una presión menor que la atmosférica, dado que es imposible un movimiento de fluido sin una diferencia de presiones; por esta razón, la transformación 1-2 no puede ser una isobara sino que describe una curva como la 1-2 del diagrama 2.
La compresión 2-3 va a continuar siendo una adiabática porque no hay transferencia de calor con el medio exterior; la diferencia está en que la inyección de combustible empieza un poco antes de que el pistón llegue al PMI con el objeto de aprovechar mejor la energía térmica del combustible y obtener un funcionamiento menos vibrador. Además es prácticamente imposible de que el aumento de volumen que se produzca por el pistón, varíe de la misma manera que la variación de presión debida a la combustión por lo que la transformación 3-4 tampoco será isobárica sino como la de la curva indicada en el diagrama 2. La expansión 4-5 seguirá siendo adiabática.
La transformación 5-2 tampoco será una isocora como en el diagrama anterior, sino que la presión, aunque la válvula esté abierta, necesita un tiempo para llegar al valor de la presión atmosférica por lo que queda una presión residual en el interior del cilindro que deberá ser vencida por el movimiento del pistón, por lo cual el diagrama real tiene la forma del que vemos en el n°2.
Como sabemos, las áreas que se construyen en un diagrama P-V (PRESION – VOLUMEN) representan energía convertida en trabajo, por lo que aquí observamos dos áreas que significan trabajo de distinto signo. El área I representa un trabajo negativo, es un trabajo absorbido por el motor en el tiempo de preparación (aspiración y barrido). Y el trabajo II es positivo, debido a que es energía térmica transformada en mecánica.
El trabajo neto es la diferencia entre estas dos áreas. Matemáticamente se justifica lo expresado porque el área I se obtendría por una integral curvilínea de la expresión PDV siendo el sentido de la integral anti horario y el área II es recorrida en sentido horario como se nota al observar los sentidos de la transformación.
Comparando los diagramas 1 y 2 se ve que en un ciclo real el trabajo mecánico es sustancialmente menor en la práctica que en el trabajo mecánico del ciclo teórico. La relación entre estos dos da una idea del rendimiento del sistema; la energía térmica realmente se transforma en energía mecánica. Con los parámetros con que se diseña un motor, un tercio de la energía térmica disponible del combustible se transforma en energía mecánica; otro tercio, es disipado a la atmósfera por los gases de escape y el tercio restante es absorbido
por el circuito de enfriamiento de la máquina. En el caso de los motores de ciclo OTTO, este poco uso de la energía térmica es más acentuado. En el ciclo DIESEL el rendimiento supera apenas un 30% y en el ciclo OTTO no alcanza ese valor.
Mejoras en el ciclo
La primera mejora que se introdujo, fue reducir el área I, quitándo al motor el trabajo de aspirar el aire atmosférico, alimentándolo con un compresor. Estos motores se llaman SOBREALIMENTADOS. La transformación 1-2 se hizo más próxima a la línea de la presión atmosférica y, algunas veces, se encuentra por encima de ésta, consiguiendo así disminuir significativamente el área I. Pero esta sobrealimentación se hacía consumiendo energía mecánica del mismo motor para mover el compresor, por lo que la ganancia neta no era apreciable. Con el objeto de ahorrar energía mecánica se aprovechó la energía residual de los gases de escape moviendo con ellos una turbina que acciona un COMPRESOR ROTATIVO; de esta manera la disminución del área I se consiguió sin el consumo de energía mecánica extra. Estos motores se conocen como MOTORES TURBO COMPRIMIDOS. Con el objeto de mejorar el rendimiento del compresor se enfría el aire en la descarga del mismo, aumentando la masa de aire enviada por el compresor, la que ingresa al cilindro y por efecto de la temperatura aumenta su presión produciéndose una mayor disminución del área I, incrementando el rendimiento del ciclo. Estos motores , que se conocen como MOTORES TDI (TURBO DIESEL INTERCOOLER), elevaron el rendimiento hasta situarlo levemente superior al 40 %.
Las siguientes modificaciones se hicieron con el objeto de agrandar el área II. Para ello, se utilizó -gracias al avance de la electrónica- la INYECCION SECUENCIAL. Con este objetivo se cambió el sistema de inyección de combustibles sincronizado mecánicamente por un sistema de sincronización electrónica. En este nuevo sistema los inyectores funcionan por impulsos eléctricos generados en un ordenador (computadora), el mismo en los momentos precisos, envía impulsos eléctricos a cristales piezoeléctricos (a modo de tener una idea del sistema citamos el “magic click” que transforma un
impulso mecánico en una corriente). Estos impulsos eléctricos se transforman en movimientos de elementos mecánicos; de esta manera, la inyección de combustible, que antes se hacía en forma continua durante la transformación 3-4 ahora es realizada en forma secuencial inyectándose una pequeña cantidad que instantáneamente se inflama y unos microsegundos después se inyecta el resto, lo que mejora la combustión. A su vez la presión de inyección que antes estaba en el orden de los 150 kg/cm2 ahora supera los 1500 kg/cm2 por lo que la combustión es mucho más perfecta lográndose de esta manera mantener la presión en valores altos durante mayor tiempo en la carrera de expansión con lo que se consigue aumentar el área II. Ante la posibilidad de realizar una inyección secuencial - no todas juntas como antes- se crearon los motores con varias inyecciones, con distintos volúmenes en cada una de ellas. Son los MOTORES MULTI JET con lo que mantenemos todavía más constante la presión dentro del cilindro. Con estas reformas el rendimiento se aproxima al 50%.
NOTA: Todas las mejoras introducidas en los motores modernos implican un aumento en el costo de fabricación, que se traduce en la diferencia de precios de los motores desde los más baratos (aspiración natural) hasta los más caros (TDI-MULTI JET). Esto nos permite balancear el precio con el servicio que lo necesitamos
No hay comentarios:
Publicar un comentario