Autor: ING. CARLOS AGUSTIN BECKWITH BECERRA Fecha: no existente

1. £xfc 52- Z/ 3
5
Es un problema prioritario mejorar la habilidad nacional para
convertir el conocimiento clentlfico-tecnológico en productos
competitivos, tanto en sus atributos como en sus costos, que incorporen
los avances y aprovechen racionalmente los recursos de la planta
productiva nacional.
La reconversión industrial de México se fundamenta en la aplicación
Industrial y comercial de los avances clentificos y tecnológicos propios
y los universalmente accesibles. Pretender llevar a cabo tales
modernizaciones es modificar la posición competitiva, por lo que no es
lujo, sino necesidad, que México lo haga mejor que otros. Sin embargo,
la reconversión industrial de México, se da inmersa en un movimiento
simultáneo de modernización en la mayora de los paises industrializados
y de reciente industrialización. El factor "ciencia y tecnologia" no es
- 5 -

2. nuevo en este contexto; pero la capacidad de ser eficaz en la innovación
tecnológica a un ritmo intensivo y aprovechando el producto de la
Investigación propia y ajena, si lo es.
Todo ello plantea la pertinencia de un esfuerzo de substitución
eficiente de importaciones de tecnologla, por medio de la
conclentizaclón sobre la necesidad de establecer una capacidad de
Investigación y Desarrollo en las Industrias para que en ellas se
asimile, se adapte y se desarrolle tecnologla; al igual que la necesidad
de poner a punto las opciones de Investigación y Desarrollo existentes,
como ruta alterna para empresas que no tengan capacidad propia.
La reconversión del sector Ciencia y Tecnologla en México significa
el establecimiento de la Interfase apropiada para el aprovechamiento de
lo que ya produce la investigación nacional y mundial en productos
competitivos Internacionalmente.
La producción en México de motores de combustión interna en 1986
fue de 1,800 millones de dólares entre exportaciones y consumo nacional
(1). Es triste que de todos los motores producidos no exista uno solo de
tecnologla nacional. La tecnologla de motores adiab&ticos es una
tecnologa de "punta" y en ese tipo de tecnologlas es donde debemos
concentrar nuestros esfuerzos para estar en el mercado de lo moderno
tecnológicamente. Este trabajo pretende ser un esfuerzo en esa
dirección.

3. El objetivo primordial de este trabajo es desarrollar la tecnologla
para fabricar industrialmente un motor adiabático diesel de dos tiempos
y de dos pistones opuestos por cada cilindro con tecnologla de "punta".
Esto es, un motor sin sistema de enfriamiento.
El segundo objetivo es el desarrollo de un motor mas eficiente en
ahorro de combustible (2),(3),(4),(5),(9),(10) que provendrá de tres
atributos principales: 6% del ahorro de energia que resulta de la
reducción de pérdidas parásitas asociadas con mover gran cantidad de
aire por medio del ventilador y el agua por medio de bomba a través de
ductos y radiadores asi como la eliminación de bandas. En el motor
adiabático, la energia que convencionalmente se pierde en el sistema de
enfriamiento, es transferida en una buena medida a los gases de escape
donde puede ser aprovechada por turbinas de gas, expansores o motores de
combustión externa. Asimismo, la eficiencia del ciclo termodinámico se
mejora.
El tercer objetivo es la obtención de un motor menos contaminante
(5),(6),(7),(10) que se obtiene por estar mas calientes las paredes de
la cámara de combustión lo que reduce la contaminación gaseosa y de
particulas. Asimismo, el motor se hace multicombustible.
El cuarto objetivo es un motor mas económico, mas pequeto y mas
confiable.
- 7 -

4. Introduccij
A los motores de combustión, tanto interna como externa, se les
está exigiendo que sean mas económicos, con mejores atributos y que
operen con distintos tipos de combustibles, desde carbon pulverizado
hasta gas natural. El motor diesel convencional es imposible que pueda
sobrevivir a estas demandas.
Uno de los mejores candidatos para sobrevivir es el motor diesel
adiabático turbocompuesto (2),(3),(4),(8), donde el calor
convencionalmente desperdiciado en el enfriamiento del motor, aumenta la
energia de los gases de escape que es recuperada por una turbina de gas
que, acoplada a la flecha de salida aumenta la potencia de salida. Este
método obtiene un aumento substancial en la eficiencia térmica del
sistema. El motor diesel Turbocargado se compara con el Turbocompuesto
en la Fig. 3.
Los beneficios anteriores no son gratis. Como resultado de la
elimininación del sistema de enfriamiento por agua, la temperatura de
los materiales de la cámara de combustión, los materiales estructurales
y del lubricante aumentan. Esto implica una demanda tribológica mayor en
el lubricante, los anillos del pistón, y la camisa del cilindro. Para
poder mantener los objetivos del proyecto de economia y duración, es
necesario utilizar materiales aislantes al calor para mantener dentro de
la cámara de combustión el mayor calor posible.

5. ()
ADMISION AIRE
ADMISION AIRE
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COMPRESOR 1 TU RBI NA
COM PRESO URBINA
MOTOR
ESCApE
TU RBI NA
DE POTENCIA
ESCApE
3-A MOTOR
3-8 MOTOR
TU R BOCA RG A DO
TURB000MPUESTO
FiGURA N° 3

6. Diferentes tcn1cas han sido identificadas para reducir las
pérdidas de calor: reducción del área de la c&mara de combustión;
materiales aislantes al calor en la cámara de combustión; aumento
permisible al lubricante; enfriamiento por el aire que entra para la
combustión; y enfriamiento por radiación y convección de las partes
externas del motor. De las cinco técnicas mencionadas, la primera es una
caracteristica fnica del tipo de motor escogido para el proyecto: el
motor de dos tiempos y de dos pistones opuestos por cada cilindro ya que
elimina la cabeza o culata del motor por donde, en un motor convencional
de cuatro o de dos tiempos, se desperdicia el 30% del calor del sistema
de enfriamiento convencional. La segunda técnica mencionada, es la que
sigue en Importancia y es la de materiales aislantes al calor y que se
tratará enseguida.
Materiales Aislantes al Calor:
Existe un amplio rango de materiales aislantes al calor. Cualquier
material podrá ser clasificado en la siguiente lista como material
potencial:
-Aleación met&lica resistente a la temperatura.
-Cerámica monolitica aislante.
-Cerámica monolltjca no-aislante.
-"Composite" metal-cerámica.
-"Composite" cerámica-cerámica.
-Recubrimientos cerámicos aislantes.
- 10 -

7. Parkar (12) compara los materiales mas usuales y es reproducido en
la Tabla 1.
Glance (11) describe una metodologla utilizando una simulación del
ciclo diesel y análisis por elemento finito del sistema
pistón-camisa-culata-block cuyos resultados se expresan en la Tabla 2.
Como conclusiones, despues de revisar extensamente la literatura
disponible se escogieron las tecnologias mas utilizadas:
- Cerámica inonolitica.- Su utilización es generalmente para
fabricar partes imitando a las metálicas o insertos
fabricados con cerámica aislante o ceMeica no-aislante. Si
el pistón utiliza un inserto en la parte superior,
generalmente se utiliza un sujetador fabricado de lncoloy
903 entre la cerámica y el metal. La camisa del cilindro
generalmente se fabrica utilizando cerámica aislante como
Zirconla Parcialmente Estabilizada.
- Recubrimientos Cerámicos Aislantes.- La configuración
predominante es la de aislar toda la cámara de combustión
con recubrimientos cerámicos aislantes hasta con 3 mm de
Zirconia espreada con plasma, pero a esos espesores el
recubrimiento generalmente se descascara debido a los
esfuerzos Internos, y a menores espesores, no es suficiente
aislamiento.
- 11 -

8. CfI
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9. Parametro del Notor
1. Temperaturas (°C)
Promedio del gas del ciclo
Superficie de la corona del pistón
Camisa a la altura m.xima de los
anillos
Aceite
Flujo de Calor
(kW/mm-oil)
Cabeza
Pistan
Camisa
Fridci6n
Prdída de Calor
(kO]/min-cil)
Potencia de Salida (kW)
u-.-
O)
u u
TABLA NO. 2
1 II III
Enfriado por Sin enriar
Aaua Sin enfriar aislado
930 970 10°C
390 540 840
250 480 560
110 110 110
9.9 8.3 3.0
11.0 8.6 3.2
6.6 5.9 3.7
13.0 13.0 13.0
40.5 35.8 22.9
77.9 77.9 77.9

10. Motor adiabtjco Diesel de dos Tiempos con dos Pistones Opuestos
por Cada Cilindro (13):
Debido al enorme gasto que representa el dlseflo de un nuevo
prototipo de motor, se debe prestar especial atención y consideración a
los siguientes factores: campos de aplicación; rango de operación;
caracterlstjcas fundamentales de funcionamiento; costos de fabricación;
factibilidad de fabricación; factibilidad de complementación con partes
que ya se fabrican en Móxico.
En consideración a lo anterior, se han impuesto las siguientes
condiciones para la realización del diseño del prototipo del motor
diesel de 120 H.P. con pistones opuestos que aqui se presentan:
Un motor con un bajo costo de producción debido a un minimo de
inversión en bienes de capital para su fabricación.
Un motor para vehiculos comerciales y agricolas, o de tipo
industrial ligero y marino ligero.
Un motor tipo diesel adiabático turbocompuesto.
Un motor de bajo y facil mantenimiento.
Para el primer propósito, se limitó la potencia del motor a 60 HP
por cilindro y el rógimen de diseflo, a 2500 R.P.M., y se consideraron
versiones de uno, dos, tres y cuatro módulos de cilindros, abarcando asi
la gama de potencia de 60 a 240 H.P. en la cual existen innumerables
aplicaciones en México.
- 14 -

11. Descripción del funcionamiento del motor:
El tipo de motor propuesto es de dos tiempos, de das pistones
opuestos en un cilindro horizontal, con un cigUefal localizado bajo el
centro del cilindro, que esta conectado a los pistones por medio de
bielas y balancines (Fig 2).
El funcionamiento puede describirse someramente de la manera
siguiente:
Cerca del final de la carrera del pistón izquierdo, existe en el
cilindro un cinturón de lumbreras de escape; igualmente, cerca del final
de la carrera del pistón derecho, existe en el cilindro otro cinturón de
lumbreras de admisión. Empezando el ciclo con los dos pistones en su
posición extrema de alejamiento y con el cilindro lleno de aire, los
pistones, al regresar y cerrar las lumbreras, comprimen el aire, y en un
punto cercano a la posición de aproximación mAxima de dichos pistones,
el combustible es inyectado a travós de un inyector localizado enmedio
del cilindro. La combustión resultante y el aumento de presión en el
cilindro obligan a los pistones a alejarse en dirección de los extremos
del cilindro efectuando el trabajo del ciclo. Cerca del final de la
carrera, el pistón izquierdo descubre las lumbreras de escape, y asi
comienzan a salir por óstas los productos de combustión; inmediatamente
despuós, el pistón derecho descubre las lumbreras de admisión por las
que entra aire a presión, que barre los gases a través del cilindro,
forzndolos a salir por el extremo izquierdo (lumbreras de escape).
- 15 -

12. El pistón izquierdo al regresar cierra las lumbreras de escape y
posteriormente el pistón derecho cierra las lumbreras de admisión, y asi
termina el ciclo.
Este método de operación es el barrido uniflujo; en otras palabras,
el gas fluye a través del cilindro de punta a punta, siempre en el mismo
sentido, sin tener que regresar a la punta del cilindro en donde entró
como es el caso en los otros sistemas. La asimetria en el cierre de las
lumbreras permite: realizar el escape hasta una presión que sea
suficientemente baja cuando se descubre la lumbrera de admisión; y un
sobrealimentado, cuando se cierran primero las lumbreras de escape y
permanecen abiertas un tiempo las lumbreras de admisión.
Mecanismo de desfasamiento:
Para obtener las curvas de desplazamiento de los pistones con un
desfasamiento entre si que permita el barrido asimétrico, se modificó el
esquema original de este tipo de embielaje, el cual tiene las bielas
inferiores alineadas con el cigüeflal cuando los pistones se encuentran
en sus puntos muertos superiores respectivamente que, para esta
disposición, los desfasamientos entre los pistones, casi no existen.
(Flg. 4). El desfasamiento entre pistones se realiza subiendo hasta una
distancia de 247 mm entre el centro del cigüeial y la linea de centro
del cilindro. Con este desplazamiento las posiciones de las bielas
quedan ligeramente Inclinadas referentes a la linea horizontal, formando
un ángulo de 90 30' con ésta, como se muestra en la Fig. S.
- 16 -

13. Las posiciones de los acoplamientos de las bielas al cigUeflal deberán
estar a 180° con respecto una a la otra, si el giro del
cigüefíal es en el sentido de las manecillas del reloj, esto significa
que la biela del lado derecho ha quedado atrasada en 9a 30' con respecto
a la posición original y por lo tanto habrá que adelantarla la misma
cantidad de grados que la unión con el cigUelal alcance la linea
horizontal; igualmente. la biela del lado izquierdo ha quedado
adelantada 9 0 30' con respecto a la posición original para mantener los
mutSones del cigUelal diametralmente opuestos será necesario retrasar la
posición de la biela izquierda hasta avanzar la linea horizontal como se
muestra en la Fig. 6.
Caractersticas que resaltan del motor:
El uso de pistones opuestos permite la eliminación de la
cabeza del motor y por consiguiente el calor que antes se desperdiciaba
en su enfriamiento mejora la entalpia de los gases de escape.
La biela de pistón por la disposición geomótrica escogida, su
acción es prácticamente axial durante su carrera con respecto al pistón
(Fig. 6). Atributo importantisimo pues la reacción del pistón contra la
camisa casi no existe, reduciendo enormemente tanto el desgaste de los
anillos como la ovalización comón de la camisa.
El arreglo, forma y disposición de las bielas, balancines y
cigüe?lal, permite con el estudio cinemático apropiado, hacer que los
- 17 -

14. FIGURA N°4. POSICI6N DEL CIG1JENAL Y BIELAS, SIN
D ESFASAMIE NTO.
FIGURA NO 5. POSICI6N DEL CIGÜENAL Y BIELAS CON
DES FASAMI ENTO.
FIGURA N06 POSICI6N DEL CIGÜENAL Y BIELAS TE
NI E N D O LOS MU ÑONES DE CI GUENAL OPUESTOS DIAME -
TRAL MENTE CONSERVANDO EL DESFASAMIENTO E N T R E
PISTONES.
- 18 -

15. pistones reduzcan su velocidad relativa afin más de lo convencional en
los puntos muertos inferiores, permitiendo mas tiempo para la
"respiración" del motor y, por consiguiente, un aumento en la eficiencia
volumétrica a alta velocidad y reducción de los esfuerzos causados por
las masas en movimiento reciprocante, en el punto muerto inferior. El
aumento de los esfuerzos causados por las masas en movimiento en el
punto superior se aprovecha para disminuir el esfuerzo causado por la
presión de los gases. En el punto muerto superior, la cámara de
combustión se forma cuando el inyector se encuentra en uno de los
extremos de ésta en el momento de la inyección y hasta que termina, la
cámara se desplaza transversalmente al inyector, lo que permite una
inyección mas homogénea a lo largo de la cámara de combustión que,
sumado al torbellino controlado del aire de admisión que fué formado por
las lumbreras de admisión tangenciales, permite mejorar la
homogenización rápida del combustible con el aire.
Especificaciones de algunas caracteristicas del motor basados en el
estudio cinemático:
Diametro del pistón: 98.425 mm
Carrera: 80 mm para cada pistón
Cilindrada: 1372 cm 3 total entre los dos pistones
Longitud total del cilindro: 497 mm
Volumen de la cámara de com-
bustión: 66.35 cm3
- 19 -

16. Distancia minima entre pisto-
nes: 8.8 mm
Relación de compresión: 21
Distancia de compresión de
los pistones: 170 mm
En base a un estudio dinámico del embielaje que se elaboré por
medio de computadora se encontró que la mejor disposición del balancin
deberá obedecer a las siguientes condiciones:
- Las articulaciones del balancn deberán estar en el
mismo plano vertical.
- La relación de los brazos será de 1 a 1.
- La longitud de cada brazo será de 150 mm.
- Deberá tener un movimiento simétrico con respecto a la vertical.
Con los datos mencionados anteriormente se elaboré un estudio
cinemático para definir las dimensiones del embielaje. Esto se efectué
de un modelo tanto gráfico como analitico (por medio de un programa de
computadora) los cuales dieron una similitud de valores aproximadamente
de 1% , observando con esto, que tanto en uno como en otro sistema
existe una congruencia. Los resultados se listan a continuación:
- Longitud de biela superior: 195 mm
- Longitud de biela inferior: 270 mm
- 20 -

17. - Longitud de manivela del cigue-
55.3 mm
- Distancia vertical del eje del
balancin al eje del cigüelal: 300 mm
- Distancia vertical del eje del
balancin al eje del pistón: 151 mm
Estructura general del motor y órganos anexos:
Teniendo ya definido el embielaje, se determinó la estructura
general del motor (Flg 2), la cual fué basada en el calculo de fuerzas
utilizando un equipo de CAD, donde se calcularon las fuerzas causadas
por las inercias de las masas, sumadas a los esfuerzos causados por los
gases del ciclo termodinámico. Las fuerzas resultantes se utilizaron
para calcular por elemento finito los esfuerzos en cada elemento asi
como para calcular los diagramas polares de las fuerzas en las
chumaceras para su d1sefo y la localización de la entrada de aceite.
Conclusiones:
Los motores del futuro operarán con mas alta temperatura y mas
presión en el ciclo termodinámico. Los problemas mas dificiles a
resolver son tribológicos en las interfases anillo-camisa y
pistón-camisa, asl como el mejoramiento de la tecnologla de manufactura
y aplicación de cerámicas.
- 21 -

18. El motor diesel adiabático de dos tiempos y de dos pistones
opuestos por cada cilindro, debe ser un fuerte competidor en los motor.i
del futuro por su simplicidad y bajo costo, sobretodo en combinación ya
sea con un motor StlrIing o con una turbina de gas
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