Motor cerámico Opciones

[Paco]

Como lo prometido es deuda, pego la primera parte del ladrillo, cerámico en este caso:

El secreto de las innumerables aplicaciones del hierro y los demás metales se ha de buscar en la estructura intima de su combinación molecular. Los átomos metálicos están íntimamente unidos entre sí, pero sus electrones más exteriores (los que se encargan de facilitar las uniones interatómicas) vagan libres en torno a ellos, lo que permite que los átomos puedan deslizar entre sí sin romper la unión. Por eso los metales en general pueden soportar violentos golpes y llegar a deformarse sin fracturarse por ello. Esta característica estructural es fuente también de algunas desventajas, como son la degradación del material a altas temperaturas y la sensibilidad a la corrosión. Ante esto, la respuesta tradicional de la industria ha sido la aleación, la mezcla homogénea de metales y la adición de otros elementos. Sin embargo, hasta las mejores aleaciones pierden sus propiedades mecánicas cuando la temperatura sube por encima de los 800 a 1000 grados. Esta limitación es determinante en muchos casos.
Así la mayoría de los motores de combustión interna y turbinas mejorarían enormemente su rendimiento si pudieran trabajar a mayor temperatura. En el caso de los automóviles el sistema de refrigeración del motor significa un derroche energético de por sí: energía en forma de calor que va a parar a la atmósfera, a través del radiador, sin que haya contribuido para nada en la propulsión del vehículo y que ha sido pagada a precio de gasolina a la hora de repostar.
El motor ideal necesita pues elementos que resistan temperaturas muy elevadas y que puedan realizar su trabajo sin aceites lubricantes, ¿Imposible?.
No, para los nuevos materiales cerámicos. Las uniones atómicas de las cerámicas son mucho mas fuertes que las de los metales. De ahí que la eficacia mecánica de una pieza cerámica sea fantástica, tanto en dureza como en resistencia a altas temperaturas y choques térmicos (basta recordar las placas cerámicas que recubren el fuselaje de los trasbordadores espaciales). Por si esto fuera poco, los componentes cerámicos resisten a los agentes corrosivos y no se oxidan.
Todas estas propiedades han animado a los principales fabricantes de automóviles a desarrollar motores cuyas piezas críticas sean cerámicas. En EEUU existe un camión prototipo con motor diesel cerámico que funciona sin refrigeración y que ya ha cubierto más de 10.000 kms de pruebas. Las investigaciones han revelado un gasto de combustible un 30% menor que con un motor diesel convencional de la misma potencia. También la fiabilidad sale ganando: casi la mitad de las averias en motores diesel se originan en el circuito de refrigeración.
Quizás la turbina de gas cerámica sea más interesante aún. Un motor de esta clase contiene muchas menos piezas móviles que un diesel y además funciona sin vibraciones. Ciertamente el motor diesel ideal gastaría mucho menos gasóleo que los convencionales, pero por en contrario, la turbina de gas se muestra mucho menos exigente respecto de la calidad del combustible; hasta carbono pulverizado sería capaz de utilizar. Estos motores trabajan, en la turbina de carga, a temperaturas entre 1.200 y 1.500 grados centígrados, mas que suficiente para derretir las aleaciones metálicas más eficaces como si fueran mantequilla.
Si la cerámica llega tan lejos y ofrece tan buenos resultados, ¿por qué seguimos utilizando los metales?

En el siguiente capítulo sabremos la respuesta.

Saludos.

[Pottoki]

Lo prometido es deuda, y acabas de liquidar esa deuda. Muy interesante, promete, y para colmo, como si fuera uno de estos seriales de la radio, nos dejas con intriga, dolor de barriga.

Gracias Paco, y me quedo esperando la siguiente entrega.

Y ya sabeis, un pis y a la cama.

[Zapa]

Bueno Paco...

No pensé que llegaría a decir ésto pero cada vez voy olvidando más que en cierta época eras el crápula de Fr... bueno, que eras el innombrable.

Espero que dure. Interesantísimo ladrillo!!

[Jordan Nº1]

Mu güeno y muy interesante, pero ahí va mi pregunta:
Hasta que el "motor no está caliente" -temperatura del aceite y del agua-, no se puede "apretar", para conservar así mejor la mecánica. Los motores diesel tardan mucho en alcanzar la temperatura optima para su correcto funcionamiento. Los motores de gasolina, en cambio, por ser de aleaciones más ligeras, llegan antes a su optima temperatura. Un motor cerámico, tarda menos en calentarse? No hay que esperar que se caliente? Qué ventajas ofrece en este aspecto?

Anda, Paco, lúcete!

[Aguililla]

Es imposible que un motor sea cerámico. Porque la cerámica no es capaz de aguantar las vibraciones producidas dentro del motor.
Tiene sí muy buenas caracteristicas mecánicas pero es demasiado frágil. Bueno un saludo a todos.
Arriba PDLR

[Paco]

Para que a Pottoki le pase el dolor de barriga, esta tarde o noche pegaré la segunda y última parte.
Zapa, gracias por el margen de... confianza.
"Chordan", en cuanto a tú pregunta, te diré que a un motor cerámico, la temperatura "lo deja frio", es decir, trabaja exactamente igual a cualquier temperatura, siendo ésta una de sus principales virtudes, al no verse afectado su rendimiento, al contrario de lo que ocurre en los motores convencionales, que tienen una temperatura óptima de trabajo, reduciéndose su rendimiento por encima o por debajo de dicho punto, llegando a peligrar la integridad de los mismos cuanto más se aleja la temperatura de su ideal teórico.
Y en cuanto al Sr. Aguililla, decirle que el motor cerámico existe (a nivel experimental) y con unos resultados muy interesantes en cuanto a prestaciones y consumos, aunque bien es cierto que su mayor inconveniente se centra en su extrema fragilidad, siendo este problema el que se está intentando superar, a fin de dotar al motor de la fiabilidad necesaria para su comercialización en serie.

Saludos.

[Paco]

2ª parte.

Si la cerámica llega tan lejos y ofrece tan buenos resultados, ¿por qué seguimos utilizando los metales?. La propia estructura molecular del material nos da la respuesta. En las cerámicas las uniones interatómicas son muy fuertes y rígidas, sin ningún electrón que gire errante. No hay ninguna posibilidad de desplazar alguno de sus átomos sin provocar la ruptura de la unión. Una mínima fisura, de apenas el grosor de un cabello, puede conducir a la catástrofe: bajo presión todas las fuerzas de tracción se concentran al final de la línea de fisura, hasta que se rompen más uniones moleculares, lo que provoca que la grieta se amplíe a velocidad de vértigo y la pieza se quiebre. No hay deformación, sino FRACTURA.
La ruptura de la unión molecular en el hierro y sus aleaciones exige más energía que el simple desplazamiento de una capa de átomos. La misma grieta en un componente metálico llega a un punto extremo en el que las fuerzas se reparten y aumentar la fisura hasta la fractura de la pieza requeriría casi 10.000 veces más energía que la necesaria en una pieza similar de cerámica.
Por ello, hoy por hoy, la principal preocupación de los investigadores consiste en reducir esa FRAGILIDAD.
La fabricación de un componente cerámico comienza con una cuidadosa selección de la materia prima, integrada preferentemente por nitratos de silicio, carburo de silicio, óxidos de circonio, alúminas, muolita, etc. Una vez elegidos los elementos básicos, siempre en su grado máximo de pureza, se procede a la molienda concienzuda de éstos, hasta conseguir un polvo finísimo con un grano de menos de una micra de diámetro. Después e mezclar uniformemente los polvos en la proporción más adecuada, se introduce la mixtura resultante en el molde que conformará la pieza y se somete a la prensa isostática (que se llama así porque actúa en todas direcciones) a presiones muy altas, de hasta 3.000 kilos por centímetro cuadrado. Todavía en la prensa, la pieza se cuece en el horno a una temperatura de entre 1.600 y 2.000 grados centígrados. Este proceso simultáneo de prensado y cocción se denomina sinterización. El producto final es un material sin poros, compacto y con una interacción atómica extremadamente fuerte.
Sin embargo las piezas no salen absolutamente perfectas de la prensa. Cuando se trata de fabricar componentes de alta precisión, como pistones y válvulas, o los álabes de una turbina, se impone un posterior proceso de ajuste y calibración. La enorme dureza del material se convierte ahora en un inconveniente, ya que sólo se puede utilizar el diamante en su tallado. E incluso con este tipo de herramientas la remecanización resulta lenta y trabajosa y desgasta rápidamente el utillaje, lo que encarece notablemente los costes. Como alternativa se están investigando nuevos métodos de tratamiento de superficies cerámicas a base de ultrasonidos.
El control de calidad es la última fase del proceso de fabricación. La mayoría de los test en el banco de pruebas van orientados a detectar, ya sea con rayos X o ultrasonidos, las más mínimas fisuras cuando el componente se encuentra bajo carga, por ejemplo al sufrir un calentamiento repentino producido con un rayo láser. Para la producción de piezas en grandes series, como requiere la industria del automóvil, el control de calidad debería ser de 100 a 1.000 veces más rápido de lo que se ha conseguido hasta ahora. Un problema todavía mayor por el momento es que alrededor de una de cada diez piezas examinadas no supera el control; un porcentaje demasiado alto para que su fabricación resulte rentable.
Hasta la fecha ni siquiera los japoneses han conseguido fabricar en serie componentes baratos de cerámica para sus motores. Es cierto que ya circulan coches deportivos con tubocompresores cerámicos, y la firma Isuzu comercializa motores diesel con cámaras de combustión y bujías de incandescencia de material cerámico. Pero se trata de series reducidas con fines experimentales.
El redescubrimiento de la cerámica como material de altas prestaciones no se debe considerar un hecho aislado en el mundo de la ingeniería, sino que se ha de enmarcar dentro de una revolución más amplia nacida hace unos 25 años.
Hasta entonces los proyectistas aceptaban como algo insoslayable las limitaciones de la materia prima en cuanto a sus propiedades; construían las máquinas en función de los materiales disponibles. La nueva tendencia consiste en crear, inventar, materiales que no existían con las características especificas que requiere una aplicación concreta. En este sentido, paralelamente a las cerámicas, han surgido otros materiales de alta tecnología que están dando mucho que hablar, como son los polimeros, composites y superaleaciones metálicas, con elasticidades y resistencias mecánicas impensables hasta hace poco. Son los primeros pasos de la revolución de los “Nuevos Materiales”.

Y de momento, esto es todo.

Saludos.

[Pottoki]

Clapclapclapclapclapclap.......ffiiiuuuuuuuu.......clapclapclapclapclapclap. Toda esta salva de aplausos son para ti, Paco. Me ha despejado muchas dudas (ademas del dolor de barriga ) que tenia sobre el material ceramico en la automocion. Gracias.

Y yasabeis, un pis y a la cama.

[Jordan Nº1]

Jodeeeeer! MUchas gracias Paco!

[Chpoxop]

Por lo que veo, al motor cerámico todavía le queda mucho hasta que sea técnica y económicamente factible.
En cambio, el motor de "aire" del que hace poco se hablaba por aquí, ya está disponible. Ayer mismo en el telediario de TV3 salió un reportaje sobre dicho motor y sobre el vehículo en el que irá instalado. Dijeron que a finales de este año se estará fabricando (en el Vallés ??) y que saldrá por 1,5 millones. Se vió una planta de montaje con varios de los vehículos, los cuales partían de una misma plataforma pero con diferentes carrocerías (furgonetas, monovolúmenes, pick-up, etc). Lo más llamativo era que en 3 minutos llenaban el depósito de aire comprimido y con un coste de 250 pts. podías recorrer 300 kms.
Si no entendí mal, ya tiene varios miles de pedidos en firme en todo el mundo, y su fabricación se hará tipo "franquicia".
Creo que habrá que estar atentos a este asunto.

Saludos.

[nrg]

GRANDE la aportación de Paco (gracias) pero si me lo permitis voy a añadir algo:

lo de los materiales cerámicos está muy bien por todo lo que ha dicho el amigo Paco más arriba. Pero tiene peros:
Que trabajar a mayor temperatura y presión aumenta el rendimiento es algo que todos sabemos. Un ejemplo: el primer motor de explosión trabajaba a presión atmosférica y tenía un rendimiento inferior al 1%; los actuales trabajando (por ejemplo) a 70bar (70 veces la atmosférica) consiguen rendimientos de un 35%. Hasta aqui todo bien. El problema es que trabajar a mayores temperaturas y presiones tiene un inconveniente: y es que reduce el tiempo que debe permanecer un combustible en esas condiciones para que se produzca su combustión expontanea y sin frente de llama: o sea detona. Y esto es y no es un problema dependiendo del combustible:

1) DIESEL: no hay problema. La comnbustión del gasoil en un motor de cualquier vehículo se puede calificar de casi-detonanate (lo que se llama "marcha dura" es consecuencia de ello). Y no hay excesivo problema porque la combustión es a presión (casi) constante (o tiene "facil" solución). Luego un motor diesel cerámico es una idea cojonuda.

2) GASOLINA. Aqui la cosa se pone más chunga. Porque una combustión detonante en un motor de gasolina (combustión a volumen (casi) constante para los entendidos) eleva las tensiones y temperaturas máximas que debe soportar el motor una barbaridad: por ejemplo, pasamos de 500ºC y 70 bar a ¡¡ 2000ºC y 350bar !! y eso es demasiado palbody incluso para los materiales cerámicos (que además son muy frágiles frente a los enormes esfuerzos alternos de expansión- compresión que se producirían) y además ir detonando por la calle es bastante molesto para los vecinos y para el que va montado en el coche. Todo esto viene a cuento de que no se yo (seguro alguien sabe más) que ventajas aportarían los metales cerámicos a un motor de gasolina, porque:

- si el coche es de calle, no es plan de ir detonando. Soluciones: dificiles y a costa de sacrificar rendimiento (habría que ver si compensa). Y en todo caso emisión bestial de óxidos de nitrógeno... mal asunto.
- y si es para competición ¡¡ ESTUPENDO !! aqui no importa nada si detona o deja de detonar (como si quiere ir detonando continuamente): luego más potencia y menos consumo debido a ese mayor rendimiento.

Pues nada, era eso lo que os quería contar.
Un saludo

[nrg]

Y por cierto (no me deja editarlo):
las reducciones en fricción y demás se consiguen perfectamente con un buen recubrimiento superficial de Cr-Mo (excepcional lubricante seco). Baratito (recubres solo el cacho que quieras o necesites y cada elemento o parte de elemento con el recubrimiento que más te apetezca).

Un saludo

[uri]

Bueno, a pesar que que por ahí me consideran un listillo vacilón, voy a aportar mi granito de arena.

A parte de lo que se ha comentado, un motor cerámico no sería tal y como suena. Me explico, no todo el motor sería cerámico, ni el bloque, ni el cigueñal, ni la culata ni la biela serían materiales cerámicos. Por que? Por que las condiciones de temperatura no son muy extremas, y las vibraciones provocarían la inmediata rotura de esos elementos.

Donde si es interesante el usar materiales cerámicos es en la cabeza del pistón, la cámara de combustión y válvulas y asientos de válvulas, que es donde las temperaturas son mayores.
Aunque nunca serían materiales 100% cerámicos, ya que la fragilidad sería muy grande. Sería un material compuesto de metal-cerámico, que reduciría el peso, aumentaría la resistencia a las altas temperaturas y la tenacidad del material (esto mejor os lo explica un ingeniero de materiales, aunque creo que por desgracia no tenemos ninguno en el foro).

Una curiosidad respecto a los motores detonantes. Un motor de gasolina que detona aumenta bastante el rendimiento. La velocidad a la que se quema la mezcla es 10 veces superior a cuando esta se quema simplemente por la acción de la bujía. Esto provoca que el ciclo termodinámico del motor se acerque más a lo que sería el ciclo teórico.
Se han hecho pruebas de este tipo en motores de gasolina, pero las mejoras en el rendimiento no compensan el sobrepeso y el sobrecoste que supone sobredimensionar todas las piezas del motor para poder soportar las presiones y los esfuerzos que se originan en el motor.
Por eso mismo, no creo que sea muy posible un motor cerámico que vaya detonando...

Por otra parte, y pasando a la F1, está prohibido por el reglamento el uso de materiales cerámicos en los motores, así que...de momento no los veremos en la F1.

Edited by - uri on 1/23/2001 7:45:49 PM

[Hypnos]

Muy interesante!

Eso si, hay algo de lo qu eno hay dudas ningun tipo de motor por combustion puede igualar bajo ningun punto de vista las prestaciones de un motor electrico (por traccion magnetica). Estos motores son
Mas baratos de producir y manbtener
Mas durables
Levantan mucha menos temperatura
y ademas de todo, son mas potentes y las aceleracion de las vueltas es enormemente superior a los motores por combustion (ademas de que la cantidad de RPM es realmente superior)

un motor electrico potente pueve levantar 18.000 rpm (como un F1) en milesimas de segundo y pueden llegar, sin problemas, si para eso estan diseñados a 30.000 rpm o mas)
No se olviden que los tremes de carga modernos funcionan con motores electricos, y ademas de eso, sise los ve su tamaño es relativamente pequeño (teninendo en cuenta que pueden tirar 70 o mas vagones cargados de piedras, por ejemplo lo cual es cantidad tremenda de toneladas)

el problema de esots para los coches es que habria quie usar motors a pocas vueltas porque sino los coches se tornarian inmaniobrables...

Pero si sobre algo o hay dudas es que lso motores de combustion seran desplazados pro los electricos (como estos hicieron con lo de vapor)

El tiempo dira, como sera cuando la formula uno en vez de cargar 150 litros de nafta cargen 200 kwatts de electricidad... jaja, el problema de los incendios y las uemaduras quedaria de lado, ahora la electrocucion seria otro cantar...

SALUDOS DESDE ESTE LADO DEL CHARCO

[Paco]

Interesantes las puntualizaciones de NRG y Uri.
Si el motor "cerámico" tiene furuto, no cabe duda de que será diesel, sin olvidar su posible uso industrial mediante turbinas.

Saludos.

Saludos.

[Arturo]

Hola Hypnos, cuanta razon tienes, si señor, el futuro de los motores es el motor electrico, ya que tarde o temprano el petroleo se ha de terminar, ya que no es inagotable, y ademas no es renobable (no se crea mas petroleo), de momento el principal problema de los motores electricos (alguno ha de tener ¿no?), es donde almacenar la electricidad, (ya se en baterias, pero de momento son de poca capacidad y mucho peso), y el problema del racambio, ¿que hacemos? cambiamos la bateria desgastada por otra (que quin sabe como esta) recargada en la gasolinera (bateriera), o nos subimos la bateria por la noche al piso y la cargamos en un enchufe?.

Pero de todos modos es el futuro, ya inventaran batrias mas pequeñas y menos pesadas (de echo seguro que existen y se las estan guardando para las naves espaciales submarionos y cosas secretas).

P.D. Que mal me suena un F1 con motor electico, ¿y el rugido?, ¿y el olor a gasofa quemada?, Al principio sera raro, pero una vez acostumbrados diremos, ¿como podiamos ir en un coche soportando ese ruido?.

Saludos Arturo.

P.D. De todos modos en referencia al motor ceramico, y suponiendo que estuviera permitido por el reglamento de F1, no veo problema en que los costes sean excesivos, ya que seria a nivel de competicion, y no se fabricarian en serie (o serian series muy pequeñas).

Mas saludos.

Edited by - Arturo on 1/24/2001 2:41:21 PM

[nrg]

Al hilo de lo que os contaba el otro dia sobre los recubrimientos superficiales he encontrado una joya muy interesante. Viene a decir que para aplicaciones donde no importa mucho el precio (es decir para competición y no para los de calle) existen recubrimientos (muy complejos de conseguir) de elementos metálicos con materiales cerámicos. Son recubrimientos de unas cuantas micras de espesor y que van firmemente unidas a las primeras capas atómicas del metal base (o sea no se cae como los cromados).
No cuento más porque no pone más y no se más.

Al respecto de los motores eléctricos: tienen un "pequeño" problema: y es la densidad del almacenamiento de energía. Además no rugen

Uri, tienes razón en lo que dices de la combustión detonante, y por eso en motores de competición (de F1 por ejemplo) no se evita: aumenta la potencia y rendimiento, a costa de la vida del motor (que no importa mucho, se cambia y punto, estrenas uno en cada carrera y ya está).

Un saludo a todos

[uri]

Por lo que dice nrg, están prohibidos los materiales cerámicos en los motores de F1. Aparte de la mejora de la potencia y mejoras aerodinámicas (al trabajar a más temperatura, radiadores más pequeños), el coste de desarrollar los motores sería mucho mayor.

[WAUETO]

Arturo,

no estoy deacuerdo en que los motores eléctricos sean el futuro ya que el carbón como el petróleo es una materia prima fosil.

Se han de buscar otros opciones aunque es realmente dificil la cuestión.

En cuanto a los motores cerámicos la fragilidad de estos es un problema a menos que todos los componentes del mismo tengan una tecnologia "nueva" que hoy en día aún no se utiliza (supongamos que sea secreta). es como hablar del "famoso" motor de agua... Las grandes compañías de automóviles jamás te permitirían llevar un proyecto de esta envergadura a la serie. Un buena referencia de lo difícil que es presentar una nueva innovación son los coches Tucker. Canal + está dando la pelicula estos días.

[avalanche]

Vincent Hill,

Aquí se habla del tema... y es a lo que creo que te referías, pero no te creas todo lo que se escribe.

quote:

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Vicent Hill dijo

Aprovechando el tema de pesos, recuerdo un programa de televisión, tipo revista Muy Interesante, en el que sacaron un motor con cabezas de pistón cerámicos y camisas cerámicas, SIN radiador de agua.

El calor lo disipaban directamente los cilindros por ventilación directa.
Además el rozamiento de la cerámica, era menor que metal contra metal y la cerámica aguantaba mejor el calor, incluso sacaban un soplete que fundía el pistón de duraluminio y la cerámica aguantaba sin problemas, TENIA un pequeñín problema y es que las vibraciones se lo cargaban......

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Buen momento para recuperar el topic...?


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