Introducción

Motores diesel

En la Línea Maginot, las obras están dotadas con grupos electrógenos implicados por motores a explosión (esencialmente Diesel). Pues encontramos útil crear un documento que trataba de la parte técnica de los motores diesel 4 tiempos.

Plan del documento

- presentación de un cilindro de motor diesel,

- principio del Diesel a 4 tiempos,

- elementos de cálculos y cálculos,

- aplicación a un motor SMIM de la Línea Maginot (obra de Fressinea - SFAM-),

- Anexos.

Homenaje

Realizamos este estudio en memoria de nuestro padre (Gaston Cima), especialista de los motores diesel en el Ejército del Aire, luego profesor de Termodinámica al IUT de Ciudad de Avray. Bernard y Raymond Cima.

Es después de haber seguido los cursos de mi padre (luego otros) que sostuve una tesis de doctorado sobre los motores diesel, en 1982, a la Universidad Pedro y Marie Curie de París. Bernard Cima.

Presentación de un cilindro

Esquema de cilindro

El motor a explosión se realiza al final del XIX° siglo. Dos figuras se trasladan a algunos años de intervalo: el Francés Bonito de Rochas (1815-1893 patente en 1862) y el Alemán Diesel (1858-1913 patente en 1893). El motor a combustión interno nació.

La tecnología básica es común a los dos tipos: la camisa (*), tubo cerrado a una extremidad por la culata (*), implica un pistón (*) móvil que se desplaza entre el PMB (Punto muerto bajo) y el PMH (Punto muerto arriba). Orificios taladrados en la culata implican obturadores, las válvulas (*), poniendo la camisa en comunicación con el aire exterior. Otro orificio sirve de apoyo al órgano que va a causar la explosión: la vela (motor a gasolina) o el inyector (*) (motor diesel a gasóleo).

Alphonse BEAU (1815-1893)

Estado civil

Nacido a Dignos en 1815, Bonito es el hijo de Alexandre BEAU y de Lucrèce JACQUES de ROCHAS (vieja familia dignoise).

Su padre, bonapartiste notorio, controlador a los Impuestos directos, decayó de sus funciones oficiales después de la abdicación de Napoleón. Conoce entonces algunas dificultades para hacer vivir su familia y en 1823, al tío maternal de Alphonse Beau (el caballero Enrique-Justin de Rochas), asumir la educación de su sobrino, bajo la condición que lleva los dos nombres, paternales y maternales: Belleza de Rochas.

Después de una vida plena de repercusiones, Belleza de Rochas muere a Vincennes en 1893.

Vida profesional

A dieciséis años adquiere el primer precio de matemáticas del Órgano colegiado Real de Orleans. Luego, Ingeniero Civil, hace a su vez la búsqueda y de la política.

El 16 de enero de 1862, Belleza de Rochas registra, ante la Sociedad de Protección Industrial, la patente n°52-593 en la cual propone un motor a combustión interno a cuatro tiempos:

- aspiración durante un curso entero del pistón

- compresión durante el curso siguiente de vuelta

- ignición en el punto muerto y distensión durante el tercer curso

- rechazo de los gases quemados, fuera del cilindro, a la última vuelta de pistón.

Belleza de Rochas precisa que la ignición del gas que coincide, previamente comprimido, puede ser causada por una chispa o ser espontánea por autoencendido.

Acaba así de describir el funcionamiento de los futuros motores a gasolina (primer caso de ignición) pero no totalmente el de los motores diesel (segundo caso de ignición) debido al concepto de - gas que coincide previamente tableta (véase nuestro documento sobre Diesel).

Belleza de Rochas hará nunca construir tales motores. Y en 1876 qu ' un ingeniero alemán, Nicolas OTTO (1832-1891), realiza el primero 4 tiempos a gasolina.

Rudolf DIESEL (1858-1913)

Estado civil

Nacido en París, en 1858, ha hijos de un par modesto que deja Francia en el momento de la guerra de 1870.

Hace sus estudios a la escuela politécnica de Munich y en sale con el título de ingeniero.

Rudolph Diesel desaparece en plena travesía del Canal de la Mancha, en 1913, en circunstancias aún no acladas.

Vida profesional

Ingeniero en distintos ámbitos, en 1893 registra una patente de motor a combustión interna a cuatro tiempos (como el de Belleza de Rochas), a la diferencia - importante cerca que la sustancia inflamable (para esta patente es aceite pesado, residuo de destilación del petróleo) que produce la explosión se inyecta cuando el aire y ya comprimido por el pistón. Además esta inyección causa la ignición espontánea de la sustancia, sin requerir sistema de encendido.

En 1897, construye un prototipo funcional y participa en la creación, a Bar el Duque (Mosa), de - Sociedad francesa de los motores diesel a combustión interna.

En 1900, a la Exposición Universal de París, de Rudolf Diesel hace volver su motor al aceite de cacahuete. Pero como el gasóleo es menos costoso, este combustible sigue siendo anecdótico. Esto no impide a Rudolf Diesel declarar, en 1911, que su motor, gracias a los aceites vegetales, estará un día en condiciones de contribuir mucho al desarrollo de la agricultura de los países que lo utilizarán. Predice mientras que la utilización de aceites vegetales como carburando para motores se volverá pronto tan importante que el el petróleo. ¿Declaración profética?

Sin embargo, a causa de dificultades de inyecciones, el rendimiento de los motores no es tan bueno que deseado y es el Francés Lucien Inchauspé (1867-1930) que, inventando la bomba a inyección en 1924, en realidad un motor que pasará a ser algunos años más tarde muy potente.

La Línea Maginot aprovecha de este aumento de rendimiento y los motores a gasolina inicialmente previstos para los primer fuertes que debe construirse son sustituidos por motores diesel.

SMIM 4 cilindros de la Santa Inés (SFAM)

Los datos

Para un motor, si queremos calcular:

- Las presiones, volúmenes y temperaturas correspondiendo a los distintos puntos del ciclo,

- El trabajo y la cantidad de calor logrado en el ciclo, lo que conducirá al cálculo de la potencia mecánica en salida de motor,

necesitamos algunos datos y de algún prado requerido recordados abajo.

Datos: fabricante

El fabricante del motor reparto, en general, la cilindrada total (C), el número de cilindros (N) y el informe volumétrico (ε), relación entre el volumen máximo del cilindro y su volumen mínimo. (ε = V1/V2). De estos 3 valores se extrae:

Cilindrada unitaria (útil por cilindro) Vu_ = V1 - V2 = C/n

V1 = ε. Vu_/(ε - 1)

V2 = Vu_/(ε - 1)

Datos: aire ambiente

Admisión: Se definen la presión y la temperatura del aire que entra en el cilindro. Para un motor - atmosférico la presión de admisión (p1) es igual a la presión atmosférica (en torno a 100.000 PA) y para un motor - sobrealimentado esta presión depende del turbo o de la bomba de sobrealimentación.

Escape: se hace casi siempre al aire libre pues la presión de escape es igual a la presión atmosférica.

Siempre para este aire, se definen 2 tamaños termodinámicos:

-la constante de la masa (o de Meyer) r = CP - CV que es la diferencia de los calores másicos (*) aplicados a transformaciones a presión constante (CP) y a volumen constante (CV). Para el aire r = 287 J/kg/K

el coeficiente isentrópico γ = CP/CV = 1,4 para el aire.

Antes de lanzarse en los valores numéricos sobre los distintos puntos del ciclo podría parecer necesario medir 2 masas: la masa de aire que entra en el cilindro y la masa de gas que participa en las transformaciones. La diferencia merece hacese un momento.

Al final del escape, el pistón está al PMH pero sigue siendo un pequeño volumen entre él y la culata. ¿Los gases quemados contenidos en este volumen se expulsan hacia el exterior o permanecen en la habitación de combustión? En el primer caso, el volumen admitido será igual a (V1) mientras que en el segundo caso sea igual a (Vu_). El matiz puede parecer escaso pero influye sobre el cálculo de la contribución energética del gasóleo.

Para un motor a gasolina se considera que sigue siendo gases sin quemar en final de escape. Pero para un diesel, el fenómeno de - barrido hace que en final de admisión ya no hay más que del aire. Se conduce pues a considerar, para un motor diesel, que la masa de aire entrando es igual a la masa de gas que participa en las transformaciones: m = (p1. V1)/(R.T1) según la ley de Mariotte (*).

Datos: combustible

El gasóleo (gasóleo) se extrae del petróleo y contiene mayoritariamente hexadecano (C16H34). Para los cálculos se tiene necesidad:

- del informe (masa de aire que entra/forma de combustible inyectado) que conduce a una combustión estequiométrica (*) del combustible. Aquí este informe es vecino de 15.

- del poder calorífico (*) del combustible, PCI = 44.000.000 J/kg.

Recordatorio sobre las unidades normalizadas empleadas

Son las siguientes:

Masa (M) en kg (kilogramo)

Presiones (P) en PA (Pascal)

Volúmenes (V) en m3 (metro-cúbico)

Temperaturas (T) en K (Kelvin); por ejemplo 15° Celsius = 15 + 273 = 288 K

Las fórmulas que deben aplicarse

Ciclo Diesel

Precisiones sobre las transformaciones termodinámicas

En el diagrama, se ve aparecer tres tipos de curvas:

- Curva vertical (a volumen que dice) llamada isocora,

- Curva horizontal (a presión constante) llamada isobara,

- Curva redondeada (arco de exponencial) llamada isentrópica o adiabática.

A cada curva corresponde un tipo de cálculo.

Presión, volumen y temperatura en cada punto del ciclo

Entre los apartados 1 y 2

Compresión adiabática. Es regulada por la ley: p1. V1 γ = p2. V2 γ.

Como se conoce p1, V1, V2 y γ se puede calcular p2.

A continuación, por aplicación de p2. V2 = el Sr. R.T2 (ley de Mariotte), se encuentra T2.

Entre los apartados 2 y 3

Combustión isobara. Como la presión sigue siendo constante p3 = p2

La contribución energética debida a la combustión del gasóleo da una cantidad de calor Q 2-3 = mc. PCI (masa de gasóleo x poder calorífico).

Para una transformación isobara, este término Q 2-3 es igual a [(Sr. R. γ/(γ - 1)] (T3 - T2) lo que permite calcular a T3 luego V3 (con la ley de Mariotte).

Entre los apartados 3 y 4

Distensión adiabática. Encuentra la misma ley que para la transformación 1-2. Y como V4 = V1 se puede calcular p4 y T4.

Entre los apartados 4 y 1

Distensión isocora. Ningún cálculo es necesario puesto que vuelve a caer sobre el apartado 1 cuyas características ya se conocen.

Trabajo y cantidad de calor

Búsqueda de las energías aplicadas durante el ciclo

Entre los apartados 1 y 2

El trabajo mecánico (a proporcionar al pistón para que comprima el gas) es igual a W 1-2 = [(Sr. r)/(γ - 1)] (T2 - T1)

El cálculo es fácil puesto que se conocen todos los términos. Este trabajo es positivo. Se expresa en Julio (J).

La cantidad de calor intercambiado, Q 1-2 es iguales a 0 (por definición de un adiabático).

Entre los apartados 2 y 3

El trabajo mecánico proporcionado por el gas, lo que implica el desplazamiento del pistón, es igual W 2-3 = - el Sr. r (T3 - T2). Este trabajo es negativo.

La cantidad de calor ya se definió arriba; es igual a la contribución energética del gasóleo.

Entre los apartados 3 y 4

Como para la fase 1-2, W 3-4 = [(Sr. r)/(γ - 1)] (T4 - T3). Este trabajo es negativo. Allí aún Q 3-4 = 0.

Entre los apartados 4 y 1

El trabajo mecánico es nulo y Q 4-1 = [(Sr. r)/(γ - 1)] (T1 - T4). Esta cantidad de calor es negativa.

Balance del ciclo

Trabajo: un ciclo - motriz debe dar una suma del W negativa. El valor absoluto de esta suma |Σ W| corresponde en el trabajo motriz del ciclo. El primer principio de la termodinámica precisa que Σ W + Σ Q = 0

Potencia: el motor vuelve a una frecuencia de rotación N (tr/min); un ciclo que corresponde a 2 vueltas, la duración de un ciclo (en segundos) es pues igual a Δt = 120/N. la potencia que es, por definición, el informe del trabajo a la duración, él tiene: P = |Σ W|. N/120 (P en Vatio)

Para obtener la potencia total del motor, es necesario por fin multiplicar el resultado anterior por el número de cilindros.

¿Y más tarde?

No queda ya que por programar un calculador, con estas fórmulas, a darle las características relativas al motor estudiado, y se obtienen los valores numéricos correspondiendo a los distintos puntos del ciclo de este motor.

Principio. Los 4 tiempos de un motor diesel

¿Animación de la imagen?

¿Paro de la animación?

¿Explicaciones + avanzan paso a paso?

¿Explicaciones + retroceden paso a paso?

Observación

Se constata que hay más de 4 - tiempo por ciclo. En realidad, 4 tiempos significan 4 desplazamientos sucesivos del pistón con: tiempo de admisión, tiempo de compresión, tiempo de explosión y distensión (motor), tiempo de escape.

Aplicación a los motores SMIM de Fressinea (SFAM)

SMIM de Fressinea

Motores SMIM (Sociedad de los Motores para la Industria y la Marina) SR 14 n° 8124 y 8126 de la obra de Infantería de Fressinéa (SFAM). Se encontraron algunos valores en los archivos de la Ingeniería (Vincennes), de otros proceden de distintos documentos generales sobre los motores diesel.

Hipótesis

Datos del fabricante

Motor diesel 2 cilindros

Diámetro del pistón: d = 140mm

Curso: c = 180mm

Frecuencia de rotación en régimen normal: 750 tr/min

Potencia nominal = 24 CV (17,7kW)

Datos personales

Se tomará como hipótesis que, en una obra consolidada, en la Fábrica la temperatura es vecina de 20°C (15° a otra parte) o T1 = 20 + 273 = 293K y la presión ligeramente superior a la presión atmosférica (la sobrepresión es querida con objeto de ataque por gas de combate y para evacuar el aire viciado) o p1 = 102000Pa. Para el aire se utilizarán los constantes habituales: r = 287 J/kg/K y γ = 1,4

Cálculos preliminares

Cilindrada unitaria: Vu_ = Π. d 2. C/4 = 2770884,5mm3 sea 0,00277m3

Con un informe volumétrico ε = 12 encuentra: V1 = 0,00305m3 et V2 = 0,00025m3

Masa de gas durante el ciclo: mi = p1. V1/(R.T1) = 0,0037kg

Del informe mi/mc = 15 se deducen mc = 0,0037/15 = 0,000247kg

Puntos del ciclo

La aplicación de las fórmulas obtenidas en el estudio teórico da:

Apartado 1

p1 = 102000Pa; V1 = 0,00305m3; T1 = 293K

Apartado 2

p2 = 3307150Pa; V2 = 0,00025m3; T2 = 779 K

Apartado 3

p3 = 3307150Pa; V3 = 0,00115m3; T3 = 3570K

Apartado 4

p4 = 844133Pa; V4 = 0,00305m3; T4 = 2424K

Energía

Trabajo

W 1-2 = 1290J

W 2-3 = -2963J

W 3-4 = -3042J

W 4-1 = 0J

Balance: ΣW = 1290 - 2963 - 3042 = - 4715J

Cantidades de calor

Q 1-2 = 0J

Q 2-3 = 10374J

Q 3-4 = 0J

Q 4-1 = 5657J

Balance: ΣQ = 10374 - 5657 = 4717J

Observación

El primer principio de la termodinámica precisa que la energía interna de un ciclo cerrado es nula. Se debería pues tener el mismo valor absoluto para ΣW y ΣQ, lo que es el caso casi.

Potencia

El motor vuelve a 750 tr/min. Un ciclo (2 vueltas) corresponde pues a Δt = 120/N = 120/750 = 0,16 s

La potencia (para 1 cilindro) es pues, en teoría, de: P = |ΣW| /Δt = 4715/0,16 = 29469W

La potencia total del motor es pues de 2 x 29469 = 58938W (o 58,9 kW)

Debate

Se tiene dado que el fabricante da 24 CV sea 17,7kW. ¿Las estimaciones aquí arriba serían pues optimistas?

En realidad numerosas diferencias existen entre el ciclo teórico, en el cual se basan los cálculos, y el ciclo real. ¿Por qué?

Ciclo teórico. Se supuso:

- Apertura y cierre de las válvulas instantáneo y sin pérdida de carga (disminución de la presión en el paso en la válvula).

- Apertura o cierre de las válvulas al PMH o al PMB.

- Inyección (y en consecuencia combustión) instantánea, al PMH.

- Compresión y distensión adiabática.

- r y γ constantes.

Ciclo real

- Hay pérdidas de carga al paso de las válvulas, pérdidas parcialmente compensadas aumentando la duración de las fases de apertura y cierre (anticipo apertura admisión, retraso cierre admisión y ídem para el escape).

- La inyección y la combustión tienen una duración de 1,5 a 3 milésimas. Durante este tiempo el desplazamiento del pistón no es desdeñable, sobre todo para motores rápidos.

- La compresión y la distensión no son isentrópicas (adiabáticos) pero polytropiques que implica un intercambio de calor (Q1-2 y Q3-4 no son iguales a cero).

- Por fin r y γ no son constantes (sino su variación es sin embargo muy escasa).

¿Y entonces?

En estas condiciones no es asombroso constatar que los resultados teóricos sean optimistas con relación a la realidad. Para corregirlos se introduce entonces uno - coeficiente de forma (vecino de 0,5) y, sobre todo, no se olvida tener en cuenta la potencia absorbida por los auxiliares (bombas, compresor, fricciones etc) sólo se dejando una potencia útil estimada en 60% (0,6 veces) de la potencia total.

Resultados

58,9 x 0,5 x 0,6 = 17,7kW. La cuenta es buena y trae estos resultados a lo sumo próximos a los valores reales, medidos sobre banco de pruebas.

Programa didáctico sobre las fases de un ciclo Diesel 4 tiempos

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¡Es excelentes! ¿Por qué seguir?

Chasquido: cuestión

Gaston Cima, especialista de los motores diesel

Marzo de 1939. Cima Gaston (a la derecha) coloca en Rochefort, su BS Mecánico Avión en bolsillo.

Estado civil

Nacido a San Máximo en 1917, casa a Josette Fornari en 1942 con que tiene dos hijos: Raymond y Bernard Cima. Muere a Barbilla, en 2008.

Vida profesional

Su vida profesional, tanto militar como civil, se orienta hacia los motores; y muy especialmente los motores diesel.

Voluntario en 1937 en el Ejército del Aire, se especializa en los motores a la escuela de Rochefort y obtiene su Patente Superior Mecánico Avión el 31 de marzo de 1939.

Sargento, en 1939 y 1940 es jefe del nivel móvil del grupo de caza 1/6.

¡Ayudante, en 1949 es monitor de período de prácticas de especialización Diesel, período de prácticas organizado al CIOA a Arzew (Argelia) por la Marina, para el Ejército del Aire!

Crucero Duquesne sobre el cual se efectúa una gran parte del período de prácticas. El ayudante Cima está en el centro de la fotografía.

¿Cima Gaston anima este período de prácticas por casualidad? En efecto, en final de período de prácticas el Capitán de navío Maggiar da cuenta al ContraAlmirante que encarga la Marina a Oran:

A falta de personal calificado en gran número suficiente, las conferencias fueron hechas generalmente por el Ayudante CIMA que, siendo el primer mecánico BS llegado al CIOA, inmediatamente, se consideró como monitor.

Luego, tiene en cuenta, precisa que el período de prácticas termínase:

¡Hasta ahora nada vino a confirmar que era bien con este fin que este calificado se había designado para Arzew!

Sin embargo el signo de nave añade:

El Ayudante CIMA, monitor del período de prácticas, se reveló notable organizador y excelente instructor.

Y se le confía la gestión de un nuevo período de prácticas (el segundo y último de este tipo, organizado por el CIOA), al cual el Capitán de navío Maggiar escribe aún, el 12 de octubre de 1949:

Este calificado se mostró perfecto instructor y organizador fuera de par. Llevó de mano de amo todas las cuestiones de relación y disciplina y creó un verdadero curso profesado.

En cualquier caso, el Ayudante se incorpora al ZDA 902 y el fuerte el Revère (SFAM) donde se afecta.

En 1953 propone un curso sobre el motor diesel. Su jerarquía transmite.

¡La recompensa que parece obtener, si recompensa supuesta hay, es un cambio sobre el teatro de las operaciones de Indochina! Por eso, en 1962 deja al ejército para la Educación nacional donde empieza una segunda carrera. Su curso sobre el Diesel (así como de otros), es como profesor de Termodinámica al Colegio aeronaútica, luego al IUT de Ciudad de Avray, que lo enseñará a sus estudiantes. Toma su jubilación a Barbilla.

Sus medallas principales, además de las de guerra, son: la Medalla de la Aeronáutica y la Condecoración militar.