MOTORES COMBUSTIÓN INTERNA EN LA INDUSTRIA MARÍTIMA
ELÍAS RICARDO DURANGO PADILLA LUÍS FELIPE BERROCAL SÁNCHEZ JADER MIGUEL SÁNCHEZ MORA
JAIRO TORRES SÁNCHEZ INGENIERO MECÁNICO
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA FACULTAD DE INGENIERÍAS INGENIERÍA MECÁNICA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA MONTERÍA-CÓRDOBA 09/12/2013
Motores diésel marinos El motor diésel marino se refiere a un motor diésel que sirve como el motor principal o auxiliar en un barco. El primer motor experimental sobre el que se efectuaron las medidas de potencia y consumo, fue un motor mono cilíndrico trabajando por el sistema de cuatro tiempos, con una potencia de 18 CV. Era vertical y con cruceta; empleaba el petróleo como combustible y hacia llegar la compresión tan sólo a 40-45 atm.
Fig.1 Primer motor diésel operativo Con sus múltiples ensayos y experiencias el motor se fue desarrollando e imponiendo en la industria terrestre a las demás máquinas existentes. Pero en la Construcción Naval, siendo siempre algo reacios a las innovaciones debido a los enormes gastos que la instalación de un buque representa, al poco espacio de que se dispone, a la facilidad y rapidez de maniobra que se requiere y sobre todo a la seguridad de la vida
del buque en la mar, hicieron que la aplicación del motor diésel para la propulsión de buques fuese algo retrasada con relación a sus aplicaciones terrestres. No obstante todos estos obstáculos fueron vencidos. En un principio el motor solo fue empleado para mover pequeñas embarcaciones, más cuando el tamaño de éstas se hizo mayor, al estar el motor concebido para trabajar en un solo sentido, hubo que estudiar la forma de poder invertir el sentido de la marcha de la embarcación, para ello se pensó que la marcha avante la facilitaría el motor, y la marcha Atrás, se obtendría empleando motores eléctricos o máquinas de vapor. Se emplearon también hélices de pasos reversibles, es decir, hélices que cambiaban la posición de sus palas, invirtiendo así el impulso efectuado sobre el buque, mientras que el motor seguiría girando en el mismo sentido. El primer buque que empleo un motor diésel como
propulsor fue el petrolero fluvial Vandal en 1915, fue primer buque mercante con motores diésel de dos tiempos de doble efecto. Pero todos estos sistemas serian definitivamente abandonados, cuando en el año 1905, la casa Sulzer lograría construir el primer motor, con cambio del sentido de marcha o sea reversible, obteniendo con ello la seguridad y rapidez tan necesaria para la maniobra de un buque. En la actualidad todos los motores instalados para la propulsión de buques son reversibles, y tan sólo en breves casos suele emplearse la hélice de paso reversible o bien, los embragues generalmente hidráulicos.
Fig.2 sistemas de inversión de giro a) hélice de paso variable b) embragues hidráulicos
A medida que crecen las necesidades de la navegación, cada vez van siendo mayores los buques, y necesitándose con ello mayores potencias. Aunque parecía que el uso del motor estaría reservado al empleo exclusivo de buques de mediano tonelaje, ya que su más firme competidor, la turbina de vapor ocupaba las altas potencias, he aquí que, en los últimos años, con los materiales empleados en la construcción, con la consiguiente reducción de peso, los sistemas de aire de sobrealimentación aumentando su potencia, el poder emplear petróleos residuales con su bajo valor de coste, hacen que los mayores buques del mundo, los enormes super-tankers, de cien mil toneladas de carga, vayan equipados con motores.
Formas constructivas de los motores En la práctica pueden aplicarse indistintamente el motor de dos o cuatro tiempos para todos los fines, aunque hoy día se ha impuesto el motor de dos tiempos en las grandes potencias, generalmente para la propulsión de buques siendo, en este caso, motores de bajo número de revoluciones y de gran carrera del émbolo, circunstancias que favorecen el funcionamiento de la hélice, ya que ella, cuanto más despacio gire, más alto es su rendimiento. Para pequeñas y medianas potencias se emplea en marina el motor de cuatro tiempos, normalmente destinado al movimiento de los aparatos auxiliares, tales como grupos electrógenos, compresores, bombas, etc., siendo en estas ocasiones más revolucionados, lo que se adapta a las necesidades de marcha de esta clase de aparatos.
Motores de doble efecto Este tipo de motores el trabajo se facilita en la carrera de ascenso. Para ello, la parte baja del cilindro ha sido cerrada con otra tapa, de parecidas características a la tapa superior. De esta forma el émbolo, al descender, origina en su punto muerto inferior una nueva cámara de aire, en la que éste, al ser comprimido, alcanza los valores debidos de presión y temperatura; se le inyecta combustible originándose su combustión, y entonces los gases creados, impulsan hora el
émbolo por su cara inferior o sea, en movimiento ascendente, ocurriendo que en la parte baja, estamos desarrollando otro ciclo de trabajo, y así tenemos, que el motor nos facilita energía, tanto en los movimientos de descenso como de ascenso.
Fig. 3 Esquema de funcionamiento motor de doble efecto. Esta clase de motores que nos producen doble trabajo son los llamados motores de doble efecto, y en la fig.3 puede verse un esquema de su funcionamiento. Al parecer, los motores de doble efecto deberían ser más ventajosos que los de simple efecto, ya que con sólo adaptar la parte baja del cilindro obtendríamos un doble de potencia, pero en la práctica estos motores no han dado el resultado esperado, ya que la ejecución de la tapa inferior del cilindro presenta una serie de dificultades en su construcción.
Construcciones del tren alternativo En todo motor se pueden distinguir, en cuanto a su trabajo, todas sus piezas, en móviles y fijas, según estén afectadas de movimiento o no. Como piezas fijas importantes se tienen bancada, cárter, bastidores o columnas para apoyo de los cilindros, los cilindros, camisas de los cilindros, culatas, corredera, etc. Siendo las piezas móviles los émbolos, crucetas y bielas (trenes alternativos), eje de cigüeñales, volante, ejes de levas o camones, etc.
El émbolo es la pieza móvil encargada de transformar la fuerza expansiva de los gases de la combustión, en un movimiento rectilíneo alternativo. Este movimiento alternativo, a través del vástago y biela, es conducido al eje cigüeñal donde, a su vez, es transformado en circular continuo que será el que nosotros aprovecharemos. Según el tipo de motor existen varias formas y tamaños de émbolos. Podemos decir que su longitud será suficiente con tal de que en ella podamos situar los aros a sus distancias normales y teniendo en cuenta la separación del primer aro a la parte superior del émbolo.
Émbolos tipo buzo Al estar en contacto con los gases de la combustión que se desarrolla a tan alta temperatura, la parte superior del émbolo se calienta considerablemente, por lo que su forma ha de ser tal, que permita una rápida propagación del calor, evitando así que en sus materiales se creen tensiones perjudiciales que pronto ocasionarían su rotura. Todos los constructores intentan solucionar este inconveniente haciendo que el calor se reparta uniformemente a través de todo el émbolo, haciéndose, con este fin, múltiples experimentos y ensayos para llegar a conocer cuál sería la forma mejor que podría dársele, con objeto de evitar las averías que en ellos se presentan, especialmente sus grietas y roturas. El émbolo ha de ser resistente por los esfuerzos a que está sometido, pero en oposición a este detalle, es conveniente que sea lo más ligero posible, para, sin tener que recargarlo de material, atenuar con ello el efecto perjudicial de las fuerzas de inercia que crea su masa con el movimiento.
Fig. 4 Embolo tipo buzo
Embolo de cruceta En los motores con cruceta, los émbolos presentan, en su parte baja, una superficie plana, generalmente circular, a la que se adapta el vástago que ahora va firmemente unido al émbolo mediante una serie de tornillos o espárragos y a través del cual transmitimos el esfuerzo recibido. Tanto el vástago como la superficie del émbolo a la que va unido, llevan pivotes guías para no variar su posición caso de tener que desarmarle. De la comparación de un motor de émbolo buzo, con otro dotado de cruceta, vemos que en los primeros, al ir conectados directamente con la biela, les ha sido suprimido el vástago con la consiguiente reducción de su altura. Esta circunstancia les hace propicios para instalaciones de poca altura, y así en la propulsión de buques de poco calado, tales como los destinados a la navegación por ríos, o los ferris, en los que el motor queda todo bajo cubierta (también en submarinos), hacen que este tipo de motores sean de gran aplicación. No sólo en la propulsión se aplican estos motores ya que, por regla general, todos los aparatos auxiliares, grupos electrógenos por ejemplo, son movidos por motores de émbolo buzo. Si bien presentan la ventaja ya dicha de la reducción de la altura, diremos como inconvenientes que al tener que ser guiados por la camisa las fuerzas perjudiciales que se crean con el cambio de dirección de la biela, hacen que el émbolo vaya rozando siempre sobre dicha camisa originando unos desgastes transversales de mayor consideración que en los del tipo de cruceta, en los que, como veremos, la fuerza perjudicial es absorbida por las correderas guías de la misma cruceta.
Fig. 5 Embolo de cruceta
Sistema de lubricación y refrigeración El engrase y la refrigeración son fundamentales para la vida del motor, pues de fallar una cualquiera de ellas, en tan sólo breves minutos, quedaría inutilizado. De ahí pues, la constante atención que ha de prestarse a estos circuitos. Sabemos que la misión del engrase es hacer que el aceite pase por entre todas las superficies que estando en contacto, están además animadas de movimiento. Tales son los cojinetes de asiento del cigüeñal y también los de sus cuellos, crucetas, correderas, etc. Al introducir el aceite entre estas superficies, crea una finísima capa que evita el que las piezas lleguen a estar en contacto, deslizándose entonces sobre esta capa aceitosa de manera suave, con lo que eliminamos el calor que siempre se produce por el frotamiento. Para que el aceite llegue a todas las articulaciones del motor y fluya a ellas con la debida cantidad y presión, nos servimos de las llamadas bombas de engrase. En pequeños y medianos motores, estas bombas son accionadas por el mismo motor, casi siempre por un acoplamiento dispuesto en el extremo del eje cigüeñal. En grandes motores las bombas ya son independientes, es decir, son movidas por un aparato auxiliar, por regla, general un motor eléctrico y también por máquina de vapor. En el primero de los casos, cuando son movidas por el mismo motor, solo existe una de estas bombas, mientras que en el segundo, se disponen un mínimo de dos para eliminar el peligro de arena. Puede verse también en algunas instalaciones dedicadas a la propulsión, que el motor disponga de su bomba accionada, existiendo además otra independiente. Ello tiene por objeto el que durante las maniobras trabaje la bomba auxiliar y ya una vez el motor en servicio normal funcione su propia bomba parándose la auxiliar.
Fig. 6 Bomba de aceite a) de engranes reversible b) de paletas El circuito de lubricación es como sigue (figura 7): El aceite se encuentra depositado en el cárter (pequeños motores), o en un tanque de retorno destinado a ello (grandes motores), de donde lo aspira la bomba impulsándolo a través de unos filtros en los que le será separado cualquier impureza que pudiera tener; a continuación pasa al refrigerador, que puede ser uno o varios, generalmente montados en serie (uno a continuación de otro), donde es refrigerado, y llega así a la entrada del motor, repartiéndose por todo su interior, para efectuar su engrase. Tras engrasar, todo el aceite se derrama de nuevo al cárter, de donde es aspirado por la bomba de manera continua; en los motores pequeños, o bien pasa al tanque de retorno, en los grandes, para comenzar un nuevo recorrido.
Sistema de refrigeración Mientras se efectúa la fase de combustión, se desarrolla una alta temperatura que puede oscilar alrededor de los 2.000 grados. Esto trae consigo, el que todas las piezas en contacto más o menos directo con la cámara de combustión, absorban gran cantidad de calor, y que, caso de no ser enfriadas, pronto ocasionarían el agarrotamiento de los órganos en movimiento. No se puede pensar absorber este calor tan sólo por medio del engrase, pues los aceites, aun de la mejor calidad, se descomponen a temperaturas mucho más bajas. Para evitar estas temperaturas nos servimos de la refrigeración, siendo el aire y el agua, los escogidos para este fin. Se emplea la refrigeración por aire, únicamente en motores de poca potencia, destinados a mover pequeños grupos electrógenos, compresores, o servicios de emergencia. Un ejemplo típico de este sistema de refrigeración, lo tenemos en los motores de las motocicletas, que van dotados todos ellos de una serie de aletas, a través de las cuales se efectúa el enfriamiento. Es el agua lo que empleamos como refrigerante en toda instalación marina normal. Al describir los conjuntos de los cilindros decíamos, que entre el propio cilindro y la camisa quedaba un espacio, por el que había de circular esta agua de refrigeración. Para impulsar el agua a estos circuitos, nos valemos de las bombas de circulación y que, como ocurría con las bombas de lubrificación, pueden ser accionadas por el mismo motor que refrigeran o bien, por motor independiente. Hay tendencia general hacia este último sistema y queda reservado el de accionamiento por el motor, a motores de pequeña potencia o grupos auxiliares. Existen dos sistemas de refrigeración que utilizan agua como líquido refrigerante, la diferencia radica en el tipo de agua usada (dulce o salada).
Refrigeración directa La utilización directa del agua de mar para retirar el calor del sistema caracteriza al sistema de refrigeración directa. La figura 9, muestra las partes del sistema de refrigeración por agua de mar.
Fig.9 Sistema de refrigeración directa.
Refrigeración indirecta por intercambiador de calor. Este sistema utiliza agua dulce que circula por el motor, un intercambiador de calor entre el agua de mar (Fría) y el agua dulce (caliente). La figura 10 muestra el circuito de refrigeración indirecta.
Fig.10 sistema de refrigeración indirecta por i ntercambiador de calor
Configuración de los motores La disposición de los motores en los barcos está divida en tres partes que son: Motores fueraborda: Los motores fuera borda se componen de un motor, situado en la parte superior del conjunto, un sistema de engranajes y un sistema de propulsión que se dispone en la parte inferior sumergida. Los motores fuera borda se diseñan para instalarse en el montante de la popa de embarcaciones de pequeño tamaño, y pueden pivotarse horizontalmente de manera que sirven como timón, incluso con el motor apagado, para dirigir la navegación. También es posible su movimiento en inclinación vertical lo que permite maniobrar el cuerpo de la embarcación, sumergiendo o elevando la quilla, en caso de necesidad de drenaje o para evitar obstáculos, o proteger el propio motor fuera borda mientras es remolcado. Otra característica es su facilidad para desmontarse de la embarcación, facilitando su transporte para por ejemplo, guardarlo o su reparación de un motor.
Fig.11 Motor fueraborda
Motores intra-fueraborda Su nombre es así porque parte de la instalación va dentro del casco y otra parte va fuera. El motor va situado en el interior de la embarcación y su transmisión atraviesa el casco por la popa. El árbol de trasmisión y el eje de la hélice van fuera. La parte final de la transmisión puede girar sobre su eje vertical, lo que permite gobernar la embarcación igual que un motor fueraborda. La hélice suele calar más que el casco, mejorando su rendimiento. Se les denomina también motor Z porque las colas de sus hélices tienen forma de Z, aunque pueden tener forma de S.
Fig.12 Motor intra-fueraborda Suelen ser motores de cuatro tiempos de explosión o diésel, que son más potentes que los motores fueraborda, oscilando entre los 80 y los 400 caballos. Su consumo varía entre los 0,25-0,33 litros por caballo y hora a la velocidad de crucero. Presenta las mismas ventajas que el motor intraborda, pero además puede varar en la playa y mantiene maniobrabilidad, ya que puede girar la cola y las hélices. En cuanto a los inconvenientes, quizás sea el motor que más problemas tiene por estar fijo el bloque del motor y precisamente por la movilidad de la hélice y cola.
Motores intraborda La motorización intraborda se caracteriza porque la instalación del motor tiene lugar en el interior del barco, más concretamente, en un compartimento previsto para este efecto. Los motores fueraborda, por el contrario, se instalan en el exterior del barco, en el espejo de popa. Por lo general, el motor intraborda se instala en el fondo del casco sobre unas patas flexibles que permiten amortiguar los movimientos y los golpes. El par motor de la hélice de propulsión es transmitido mediante un eje de hélice que atraviesa el casco. Para asegurar la estanquidad de este punto, se utiliza una prensa estopada.
Fig. 13 Configuración de un motor intraborda
