Sistemas de Inyección y Motores

Inyección Directa

La mezcla de combustible-aire se realiza en la cámara de combustión, no en el colector. La admisión solo absorbe aire; el combustible se inyecta a presión directamente en la cámara.

Ventajas de la Inyección Directa

  • Consumo reducido: Al asignar un inyector a cada cilindro en el momento oportuno y en cualquier estado de carga, se asegura la cantidad de combustible necesaria, exactamente dosificada.
  • Bajas emisiones: Las emisiones contaminantes de hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono se reducen hasta un 99% mediante un catalizador. El CO2, producto de la combustión, solo se reduce al disminuir el consumo de combustible.
  • Mayor potencia: La utilización de los sistemas de inyección permite optimizar la forma de los colectores de admisión, lo que permite un mejor llenado de los cilindros. El resultado es una mayor potencia específica y un aumento del par motor, con gases de escape menos contaminantes.

Downsizing

El downsizing consiste en reducir la cilindrada de un motor convencional y sobrealimentarlo, logrando mantener o incluso aumentar su potencia. Al ser el motor más pequeño, presenta menos pérdidas por fricción interna, lo que contribuye a reducir el consumo. Además, al estar sobrealimentado, el trabajo de renovación de carga o la inyección de mezcla fresca también implican un menor gasto energético que en un motor de aspiración natural. Otra ventaja clave es que se emplea la inyección directa como método adicional de reducción de consumo.

Sistema Common-Rail

El sistema Common-Rail es un sistema de inyección de combustible electrónica para motores diésel, en el que el combustible almacenado a baja presión es aspirado por una bomba de transferencia y enviado a un conducto común a todos los inyectores. Una segunda bomba de alta presión inyecta el combustible al cilindro.

Este sistema permite controlar electrónicamente el suministro de combustible, posibilitando realizar hasta 5 preinyecciones antes de la inyección principal. Esto prepara la mezcla para una óptima combustión, lo que genera un nivel sonoro mucho más bajo y un mejor rendimiento del motor.

La óptima atomización del combustible por parte de los inyectores electrónicos, controlados por una centralita de inyección electrónica, y la alta presión a la que trabaja el sistema, contribuyen a aumentar la potencia en todo el rango de revoluciones, reducir el consumo de combustible y disminuir la cantidad de emisiones contaminantes.

Catalizador

El catalizador evita la emisión de más del 90% de CO (monóxido de carbono), HC (hidrocarburos) y NOx (óxidos de nitrógeno). Está compuesto por un monolito cerámico, el cual lleva incrustados materiales catalizadores como el Rodio, el Paladio y el Platino, que permiten realizar dos reacciones de oxidación y una de reducción:

  • Oxidación: CO + O2 = CO2
  • Oxidación: HC + O2 = CO + H2O
  • Reducción: NOx = N2 + O2

Un vehículo puede estar equipado con un catalizador de oxidación, con dos catalizadores (uno de reducción seguido de uno de oxidación), o con un catalizador de tres vías que realiza las tres reacciones en una sola unidad.

Sonda Lambda

La sonda Lambda es un sensor situado en el escape antes del catalizador, que mide el oxígeno en los gases de escape antes de que sufran alguna alteración. Así, mide el grado de riqueza de la mezcla, magnitud que se comunica a la unidad de control del motor (ECU) para que esta pueda regular la cantidad de combustible inyectada en el cilindro y mantener la relación lo más próxima a 14.7:1, conocida como relación estequiométrica.

Su campo principal de aplicación es el motor de combustión interna de ciclo Otto, principalmente de inyección de combustible, aunque también se utiliza para regular el gas emitido por calderas de condensación y motores diésel.

Relación de Compresión Diésel

La autodetonación es un problema en los motores de encendido por chispa. En motores diésel, sin embargo, se busca provocarla anticipadamente. En motores de gasolina, la relación de compresión no debe sobrepasar ciertos valores (aproximadamente 8:1), mientras que en los motores diésel se alcanzan valores mucho más elevados, de hasta 22:1, para garantizar un arranque satisfactorio.

Debido a que los motores diésel alcanzan estos valores de presión tan elevados, son más pesados, más robustos y de mayores dimensiones que los de gasolina. Ello hace que su vida útil sea significativamente más larga, aunque también son más caros.

Los motores diésel precisan una mayor cantidad de aire en la combustión para compensar posibles malas condiciones de la mezcla, siendo la combustión mucho mejor, dentro de ciertos límites, cuanto mayor es el exceso de aire. No es necesario regular en ellos la entrada de aire al modificar el régimen del motor y su carga. Cuando se necesita variar el régimen de carga, se actúa solamente sobre la cantidad de combustible que se inyecta. Esto ofrece la ventaja de que, para cargas bajas, al no tener válvula mariposa, se disminuye la resistencia a la entrada de aire, lo que mejora el rendimiento al disminuir las pérdidas por bombeo.

Por todo esto, los motores diésel proporcionan un par prácticamente constante para casi cualquier régimen de velocidad de giro, dando lugar a una curva característica de par prácticamente plana.

Turbocompresor

El turbocompresor es un sistema de sobrealimentación que emplea una turbina centrífuga para accionar, mediante un eje coaxial, un compresor centrífugo para comprimir gases. Está compuesto por un compresor y una turbina que están unidos entre sí por medio de un eje común. Accionada por los gases de escape del motor, la turbina le proporciona al compresor la energía necesaria para su accionamiento. En la mayoría de los casos, los turbocompresores emplean compresores radiales y turbinas centrípetas.

El compresor está colocado en la entrada del colector de admisión. Con el movimiento giratorio que le transmite la turbina a través del eje común, el compresor eleva la presión del aire que entra por el filtro y consigue mejorar la alimentación del motor, alcanzando así velocidades por encima de las 100.000 rpm. Las temperaturas a las que está sometido el turbo son muy altas (alrededor de 700°C). Este tipo de sistemas se suele utilizar en motores de combustión interna alternativos, especialmente en los motores diésel.

Ventajas

  • Un turbo puede incrementar la potencia de un diésel en un 35%. De esta manera, un motor de cuatro o seis cilindros puede trabajar como un V8 sin turbo.
  • La carcasa de la turbina actúa como un absorbente del ruido de los gases de escape del motor.
  • La sección del compresor reduce el ruido de admisión producido por los impulsos en el colector de admisión.

Desventajas

  • Cuando el acelerador es pisado ligeramente, el régimen de vueltas es bajo, los gases de escape se reducen considerablemente y esto provoca que el turbo apenas trabaje. La respuesta del motor entonces es poco brillante (conocido como turbo lag).
  • El mantenimiento en estos motores es más exigente que el de un motor estándar, ya que requieren un aceite de mayor calidad y cambios de aceite más frecuentes, dado que el turbo está sometido a condiciones mucho más duras (temperaturas más altas).
  • Estos sistemas también requieren mejores materiales y sistemas de lubricación.

Sistemas de Refrigeración

Sistema de Refrigeración

Los sistemas de refrigeración son arreglos mecánicos que utilizan propiedades termodinámicas de la materia para trasladar energía en forma de calor entre dos o más focos, según se requiera.

Componentes Clave del Sistema de Refrigeración

  • Receptor: Proporciona el almacenamiento para el líquido procedente del condensador, asegurando un suministro constante de líquido para el evaporador, según las necesidades del mismo.
  • Línea de Líquido: Su función consiste en llevar el refrigerante líquido desde el receptor hacia el control de flujo de refrigerante.
  • Control de Flujo de Refrigerante: Mide la cantidad adecuada de refrigerante que va hacia el evaporador y reduce la presión del líquido que entra en el evaporador, para que así el líquido se evapore en el evaporador a la temperatura baja deseada.
  • Evaporador: Proporciona una superficie de transferencia de calor a través de la cual el calor pasa del ambiente refrigerado al refrigerante evaporado.
  • Línea de Aspiración: Lleva el vapor de baja presión desde el evaporador hacia la entrada de aspiración del compresor.
  • Compresor: Extrae el vapor del evaporador y aumenta la temperatura y presión del vapor para que este pueda condensarse con los medios de condensación normalmente disponibles.
  • Línea de Descarga: Entrega el vapor a alta presión y alta temperatura desde el compresor hasta el condensador.
  • Condensador: Proporciona una superficie de intercambio de calor a través de la cual el calor pasa del vapor refrigerante caliente a un medio de condensación (aire o agua, generalmente).

Refrigerantes

Desde el punto de vista de la refrigeración mecánica por evaporación de un líquido y la compresión de vapor, se puede definir al refrigerante como el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullición (a baja temperatura y presión) hasta donde lo rechaza al condensarse (a alta temperatura y presión).

Los refrigerantes son los fluidos vitales en cualquier sistema de refrigeración mecánica. Cualquier sustancia que cambie de líquido a vapor y viceversa puede funcionar como refrigerante, y dependiendo del rango de presiones y temperaturas a que realice estos cambios, tendrá una aplicación útil comercialmente.

Propiedades de los Refrigerantes

Propiedades Térmicas

(Aquellas que tienen relación con el movimiento del calor)

  • Presión: Las presiones que actúan en un sistema de refrigeración son extremadamente importantes. En primer término, se debe operar con presiones positivas; es decir, las presiones tanto en el condensador como en el evaporador deben ser superiores a la presión atmosférica. El refrigerante debe tener una presión de evaporación lo más baja posible, pero ligeramente superior a la presión atmosférica.
  • Temperatura: El refrigerante debe tener una temperatura crítica por encima de la temperatura de condensación. Debe tener una temperatura de congelación por debajo de la temperatura del evaporador. Además, debe tener una temperatura de ebullición baja.
  • Volumen: Debe tener un valor bajo de volumen específico en fase vapor, y un valor alto de volumen en fase líquida.
  • Entalpía: Debe tener un valor alto de calor latente de vaporización. Es la propiedad que representa la cantidad total de energía térmica o contenido de calor en un fluido.
  • Densidad: La densidad de un fluido puede definirse como su peso por unidad de volumen. La mayoría de los refrigerantes en estado líquido tienen una densidad más alta que el agua.
  • Entropía: La entropía es un término de ingeniería aplicado generalmente al proceso de compresión. Un proceso de compresión ideal seguiría una línea de entropía constante en el diagrama de presión-entalpía (diagrama de Mollier).

Propiedades Fisicoquímicas

  1. No debe ser tóxico ni venenoso.
  2. No debe ser explosivo ni inflamable.
  3. Fácil de detectar cuando se fuga.
  4. Debe ser miscible con el aceite.
  5. No debe reaccionar con la humedad.
  6. Debe ser un compuesto estable.

Preguntas Frecuentes y Ejemplos

Temperatura de Saturación en Evaporador (Media Temperatura)

¿Qué temperatura de saturación se usaría en el evaporador para un equipo de refrigeración de media temperatura?

Para un equipo de media temperatura, se debe trabajar con diez grados menos que la temperatura deseada. El rango típico es de -2°C a 8°C. Por ejemplo, si se necesita una temperatura de -2°C, el equipo debe trabajar a -12°C en el evaporador.

Presión del Condensador en Ambientes Cálidos y Comparativa de Refrigerantes

¿A qué presión trabajaría el condensador de un equipo de refrigeración que opera en un ambiente muy cálido (aproximadamente 60°C) y se desea trabajar con un salto térmico mínimo de 10°C? ¿Qué gas ofrece menor presión de trabajo, el R-22 o el R-717?

Para un ambiente de 60°C y un salto térmico mínimo de 10°C, la temperatura de condensación sería de al menos 70°C.

Comparativa de presiones a 70°C:

  • R-22: P = 2997,4 kPa
  • R-717 (Amoniaco): P = 3312,0 kPa

El gas que ofrece menor presión de trabajo a 70°C es el R-22.