Ciclo de referencia: Modela el funcionamiento teórico mediante cuatro evoluciones: una compresión isentrópica (aire atravesando el compresor rotativo), seguida de una aportación de calor de forma isobárica o a presión constante (en la cámara de combustión), una expansión isentrópica violenta (en los álabes de la turbina entregando potencia) y, finalmente, una cesión de calor a presión constante de vuelta a la atmósfera (escape).
Mejoras (Ampliación): Destacan la recuperación de calor o ciclo regenerativo, que enruta el flujo candente del escape para templar el gas post-compresión (aumentando la eficiencia intrínseca sin gastar combustible), y el enfriamiento fraccionado o interenfriamiento en el compresor, que acerca el gas al comportamiento ideal isotermo, ahorrando potencia mecánica de compresión.
Volante de inercia y grado de irregularidad
La irregularidad se corrige integrando un volante de inercia que ejerce como sumidero y fuente elástica de energía en el eje.
Fundamento: En las fracciones del ciclo donde el trabajo motor excede al resistente (expansión), el volante absorbe el pico de exceso almacenándolo como energía cinética de giro; y en los tiempos negativos (donde el par resistente supera al motor), compensa entregando esa inercia para imposibilitar que el motor se decelere y se cale.
Grado de irregularidad: Es el parámetro de diseño que cifra estadísticamente la oscilación del régimen. Dotando al volante de un momento de inercia (J) calculado, se consigue recortar este grado para garantizar un giro dócil.
Diferencias del par en tipologías de motores
Al analizar los ciclos, la divergencia entre el pico máximo del par instantáneo y su línea media es muchísimo menor en un motor de 2 tiempos. Esto se debe a que produce una fase de expansión útil por cada revolución, aplanando los huecos de par negativo respecto al motor de 4 tiempos, que solo entrega trabajo una vez cada dos giros completos.
Atendiendo a la arquitectura, la diferencia disminuye netamente en el motor de 6 cilindros. Al multiplicar los pistones, se incrementan y solapan las fases útiles en el cigüeñal, logrando que el empuje resultante sea mucho más continuo y cercano al valor del par medio.
Fuerzas de inercia verticales y horizontales
Verticales: Generadas por la suma matemática en el eje longitudinal de la fuerza originada por las masas alternas (Σm_a x a_ip) y el empuje vertical de las masas rodantes (Σm_g x R x w² x cos α).
Horizontales: Causadas pura y exclusivamente por la componente proyectada de la fuerza centrífuga de las masas giratorias (Σm_g x R x w² x sen α).
Diferencias de acción: directo, retroalimentado y compensado
El modelo de acción directa padece de banda muerta debido a que su fuerza rotativa es insuficiente para vencer las fricciones mecánicas de inyección de caudal, a diferencia del indirecto, que utiliza energía externa amplificadora de señal (servomotor).
El modelo retroalimentado incorpora una conexión fija (droop) que obliga a asumir desviaciones de velocidad según la carga, evitando así que el motor fluctúe.
El modelo compensado usa amortiguamiento viscoso en lugar de la conexión fija; de esta manera, evita la fluctuación pero, a la vez, reinicia el muelle para conservar un ciclo siempre isócrono, independientemente de la carga.
Masas y sus fuerzas de inercia
Masas de movimiento alternativo (Σ m_a): Incluye al pistón con aros y bulón, cruceta (si la hay) y los 2/3 superiores del cuerpo de la biela. Provocan fuerzas de inercia estrictamente rectilíneas o verticales.
Masas de movimiento giratorio (Σ m_g): Constan de la muñequilla del cigüeñal, masas de la guitarra y el 1/3 inferior o cojinete de la biela. Provocan fuerzas centrífugas puras que se proyectan tanto en componentes inerciales verticales como horizontales.
Definiciones de Par
Par motor (medio): Equivale al par teórico constante que entregaría el mismo trabajo al eje a lo largo de un ciclo completo que el trabajo real fluctuante de los gases.
Par instantáneo: Es la expresión exacta en cada grado de giro del radio de la biela por la fuerza tangencial en la muñequilla del cigüeñal.
Par escorante: Es la reacción instantánea, de igual magnitud y opuesta al momento tangencial, que trata de voltear rítmicamente el bloque del motor sobre su fundación.
¿Qué es un regulador de velocidad?
Es un dispositivo que detecta la variación de régimen para controlar de manera automática el aporte de combustible que recibe el motor, manteniendo la velocidad nominal deseada bajo la intervención de las distintas variaciones de carga.
Regulador con ajuste de caída (Al aumentar la carga)
Cuando la velocidad baja, los brazos se mueven hacia adentro y el vástago del piloto desciende, dando paso al servomotor para subir el combustible.
La subida va acompañada de un balancín de retroalimentación que tracciona o descomprime el muelle principal, disminuyendo el punto de ajuste (set-point).
El motor logra el equilibrio con la carga a costa de mantener permanentemente unas revoluciones más bajas que en condición de vacío (Speed Droop).
Regulador con ajuste de velocidad y compensado (Al aumentar la carga)
Cuando la velocidad disminuye ante más carga, las masas se cierran hacia adentro impulsando la válvula piloto para permitir que el servomotor inyecte más aceite y levante las cremalleras de combustible.
La acción envía aceite a un mecanismo temporal (émbolo compensador y receptor) que hace cerrar el piloto momentáneamente para detener el sobre-impulso.
Este mecanismo «sangra» lentamente a través de una válvula de aguja, permitiendo volver a los elementos al punto cero solo cuando el régimen vuelve exactamente a la velocidad original (régimen isócrono exacto).
Definiciones técnicas de reguladores
Speed Droop (Caída de velocidad): Es la disminución de la velocidad del motor cuando pasa de una condición de no tener carga acoplada a entregar carga plena.
Hunting (Fluctuación): Es la oscilación continua (aumento y disminución cíclica) de la velocidad real del motor intentando perseguir la velocidad de consigna.
Estabilidad: Capacidad que posee el regulador para alcanzar y mantener la velocidad fijada sin generar fluctuaciones en el régimen.
Sensibilidad: La variación de velocidad mínima necesaria para obligar al regulador a iniciar acciones físicas correctivas en el control de combustible.
Promptness (Velocidad de actuación): La inmediatez con la que el regulador mueve la varilla hacia las distintas cargas para ajustarse a los cambios súbitos de la demanda.
Acción directa: Aquel en el que la fuerza propia de las masas rotativas, al variar su radio, suministra íntegramente el empuje a la varilla del combustible.
Acción indirecta: Aquel que emplea un dispositivo auxiliar (servomotor con energía externa) para empujar el combustible, usando el sistema de masas solo como sensor.
Reguladores PID: Combinan actuación Proporcional (según el error), Derivada (según la rapidez en que cambia el error) e Integral (según el tiempo que persiste dicho error).
Turbinas de gas frente al motor diésel
Ventajas: Menor relación peso/potencia, instalación mucho más compacta, no necesitan condensador ni agua para refrigeración estructural, emplean un basamento más ligero, gozan de una menor huella acústica, tienen alta maniobrabilidad y su mantenimiento resulta más sencillo.
Desventajas: Su principal inconveniente es el bajo rendimiento térmico, acompañado de elevados consumos de combustibles de muy alta calidad y la necesidad de materiales especiales sumamente caros para resistir altas temperaturas en la expansión.
Componentes principales: El compresor axial rotativo, la cámara de combustión y la turbina de expansión.
Mejoras de rendimiento: Se optimizan aplicando ciclos regenerativos (precalentando el aire con los gases de escape), interenfriamiento (enfriando entre etapas de compresión), recalentamiento de etapas de turbina y formando ciclos combinados de gas y vapor.
