Tema Nro 1 de Motores.

TEMA 1 GUIA DE REPASO

LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
Un motor de combustión interna es cualquier tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se utilizan motores de combustión interna de cuatro tipos: el motor cíclico Otto, el motor diesel, el motor rotatorio y la turbina de combustión.

EL MOTOR OTTO DE 4 TIEMPOS DE GASOLINA
El motor cíclico Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y aeronáutica.
La cámara de combustión es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo y dentro del cual se desliza un pistón muy ajustado al interior. La posición hacia dentro y hacia fuera del pistón modifica el volumen que existe entre la cara interior del pistón y las paredes de la cámara. La cara exterior del pistón está unida por un eje al cigüeñal, que convierte en movimiento rotatorio el movimiento lineal del pistón. En los motores de varios cilindros el cigüeñal tiene una posición de partida, llamada espiga de cigüeñal y conectada a cada eje, con lo que la energía producida por cada cilindro se aplica al cigüeñal en un punto determinado de la rotación. Los cigüeñales cuentan con pesados volantes y contrapesos cuya inercia reduce la irregularidad del movimiento del eje. Un motor puede tener de 1 a 28 cilindros.
El sistema de bombeo de combustible de un motor de combustión interna consta de un depósito, una bomba de combustible y un dispositivo que vaporiza o atomiza el combustible líquido. Se llama carburador al dispositivo utilizado con este fin en los motores Otto. En los motores de varios cilindros el combustible vaporizado se conduce a los cilindros a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión. Muchos motores cuentan con un colector de escape o de expulsión, que transporta los gases producidos en la combustión. Cada cilindro toma el combustible y expulsa los gases a través de válvulas de cabezal o válvulas deslizantes.
Un muelle mantiene cerradas las válvulas hasta que se abren en el momento adecuado, al actuar las levas de un árbol de levas rotatorio movido por el cigüeñal. En la década de 1980, este sistema de alimentación de una mezcla de aire y combustible se ha visto desplazado por otros sistemas más elaborados ya utilizados en los motores diesel. Estos sistemas, controlados por computadora, aumentan el ahorro de combustible y reducen la emisión de gases tóxicos.
Todos los motores tienen que disponer de una forma de iniciar la ignición del combustible dentro del cilindro. Por ejemplo, el sistema de ignición de los motores Otto, llamado bobina de encendido, es una fuente de corriente eléctrica continua de bajo voltaje conectada al primario de un transformador. La corriente se corta muchas veces por segundo con un temporizador. Las fluctuaciones de la corriente del primario inducen en el secundario una corriente de alto voltaje, que se conduce a cada cilindro a través de un interruptor rotatorio llamado distribuidor. El dispositivo que produce la ignición es la bujía, un conductor fijado a la pared superior de cada cilindro. La bujía contiene dos hilos separados entre los que la corriente de alto voltaje produce un arco eléctrico que genera la chispa que enciende el combustible dentro del cilindro.
Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben disponer de algún tipo de sistema de refrigeración. Algunos motores estacionarios de automóviles y de aviones y los motores fueraborda se refrigeran con aire. Los cilindros de los motores que utilizan este sistema cuentan en el exterior con un conjunto de láminas de metal que emiten el calor producido dentro del cilindro. En otros motores se utiliza refrigeración por agua, lo que implica que los cilindros se encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los automóviles se hace circular mediante una bomba. El agua se refrigera al pasar por las láminas de un radiador. En los motores navales se utiliza agua del mar para la refrigeración.
Al contrario que los motores y las turbinas de vapor, los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan, lo que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que se pueda iniciar el ciclo. Los motores de automoción utilizan un motor eléctrico (el motor de arranque) conectado al cigüeñal

por un embrague automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado, algunos motores pequeños se arrancan a mano girando el cigüeñal con una cadena o tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante del cigüeñal. Otros sistemas de encendido de motores son los iniciadores de inercia, que aceleran el volante manualmente o con un motor eléctrico hasta que tiene la velocidad suficiente como para mover el cigüeñal, y los iniciadores explosivos, que utilizan la explosión de un cartucho para mover una turbina acoplada al motor. Los iniciadores de inercia y los explosivos se utilizan sobre todo para arrancar motores de aviones.
El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos, es decir, que el ciclo completo del pistón tiene cuatro fases, dos hacia el cabezal cerrado del cilindro y dos hacia atrás. Durante la primera fase del ciclo el pistón se mueve hacia atrás mientras se abre la válvula de admisión. El movimiento del pistón durante esta fase aspira hacia dentro de la cámara la cantidad necesaria de la mezcla de combustible y aire. Durante la siguiente fase, el pistón se mueve hacia la cabeza del cilindro y comprime la mezcla de combustible contenida en la cámara. Cuando el pistón llega hasta el final de esta fase y el volumen de la cámara de combustión es mínimo, la bujía se activa y la mezcla arde, expandiéndose y creando dentro del cilindro la presión que hace que el pistón se aleje; ésta es la tercera fase. En la fase final, se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia la cabeza del cilindro para expulsar los gases, quedando preparado para empezar un nuevo ciclo.


















Tiempos de un motor de 4 tiempos:



















































Aquí vemos un motor Morris de 1925 con cuatro cilindros en línea y pistones de aluminio:
Partes de un motor:







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1. Carburador; 2. Válvula de admisión; 3. Muelle de la válvula; 4. Válvula de escape; 5. Guía de la válvula; 6. Termostato; 7. Segmentos; 8. Pistón; 9. Bomba del agua; 10. Biela; 11. Ventilador; 12. Correa del ventilador; 13. Cadena para accionar el árbol de la transmisión; 14. Cojinetes; 15. Árbol de levas; 16. Cigüeñal; 17. Filtro del aceite; 18. Bomba del aceite; 19. Cubeta del aceite; 20. Volante; 21. Colector de escape; 22. Colector de admisión.




































EL MOTOR DIESEL DE 4 TIEMPOS DE GASOIL

En teoría, el ciclo diesel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar a un volumen constante en lugar de a una presión constante. La mayoría de los motores diesel tienen también cuatro tiempos, si bien las fases son diferentes de las de los motores de gasolina. En la primera fase se absorbe solamente aire hacia la cámara de combustión. En la segunda fase, la de compresión, el aire se comprime a una fracción mínima de su volumen original y se calienta hasta unos 440 ºC a causa de la compresión. Al final de la fase de compresión el combustible vaporizado se inyecta dentro de la cámara de combustión y arde inmediatamente a causa de la alta temperatura del aire. Algunos motores diesel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible para arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada. La combustión empuja el pistón hacia atrás en la tercera fase, la de potencia. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de expulsión.
La eficiencia de los motores diesel, que en general depende de los mismos factores que los motores Otto, es mayor que en cualquier motor de gasolina, llegando a superar el 40%. Los motores diesel suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min), mientras que los motores Otto trabajan de 2.500 a 5.000 rpm. No obstante, algunos tipos de motores diesel pueden alcanzar las 2.000 rpm. Como el grado de compresión de estos motores es de 14 a 1, son por lo general más pesados que los motores Otto, pero esta desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho de que utilizan combustibles más baratos.
Un coche con un motor diesel












ELS MOTORS DE DOS TEMPS
Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor Otto o diesel funcione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases en lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es menor que la de los motores de cuatro tiempos, lo que implica que la potencia que producen es menor que la mitad de la que produce un motor de cuatro tiempos de tamaño similar.
El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas de cabezal, las válvulas deslizantes u orificios (que quedan expuestos al desplazarse el pistón hacia atrás). En los motores de dos tiempos la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través del orificio de aspiración cuando el pistón está en la posición más alejada del cabezal del cilindro. La primera fase es la compresión, en la que se enciende la carga de mezcla cuando el pistón llega al final de la fase. A continuación, el pistón se desplaza hacia atrás en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases salgan de la cámara.


EL MOTOR ROTATORI (WENKEL)
En la década de 1950, el ingeniero alemán Felix Wankel desarrolló un motor de combustión interna con un diseño revolucionario, que utilizaba un rotor triangular que gira dentro de una cámara ovalada, en lugar de un pistón y un cilindro. La mezcla de combustible y aire es absorbida a través de un orificio de aspiración y queda atrapada entre una de las caras del rotor y la pared de la cámara. La rotación del rotor comprime la mezcla, que se enciende con una bujía. Los gases se expulsan a través de un orificio de expulsión con el movimiento del rotor. El ciclo tiene lugar una vez en cada una de las caras del rotor, produciendo tres fases de potencia en cada giro. El motor de Wankel es compacto y ligero en comparación con los motores de pistones, por lo que ganó importancia durante la crisis del petróleo en las décadas de 1970 y 1980. Además, funciona casi sin vibraciones y su sencillez mecánica permite una fabricación barata. No requiere mucha refrigeración, y su centro de gravedad bajo aumenta la seguridad en la conducción.
Tiempos y partes de un motor Wenkel:
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1. Conducto de escape; 2-5 Par motor de engranaje satélite; 3. Árbol del motor; 4. Pistón del rotor; 6. Conducto de admisión; 7. Bujía






PARTES DE LA CULATA










PARTES DE LA CULATA
La culata puede ser dividida en las siguientes partes, tomandolas como las principales.








1. CÁMARAS DE COMBUSTIÓN
"Es el espacio de los motores de combustión interna en donde tiene lugar la combustión de la mezcla de aire y carburante."

La cámara debe cumplir con algunos requisitos, para ser eficiente, como son ser pequeña para reducir al mínimo la superficie absorbente del calor generado por la inflamación de la mezcla, no tener grietas o rincones que causen combustión espontánea o cascabeleo y debe poseer un espacio para la ubicación de la bujía, la cual preferiblemente debe estar en el centro geométrico de la cámara.
La forma de la cámara de combustión está estrechamente ligada al rendimiento del motor, por esto es que existen diferentes formas y tamaños que dependen también de la relación carrera / diámetro. Los elementos que se deben tener en cuenta en el diseño de una cámara de combustión son los siguientes:
- Disposición y forma de las válvulas para conseguir el más alto rendimiento volumétrico, es decir el mejor llenado de los cilindros.- Número y forma de los conductos de admisión y escape para conseguir mayor turbulencia, ya sea con válvulas abiertas o en fase de compresión.- Posición de la bujía para tener el menor recorrido de la llama con la misma velocidad de propagación de la combustión.- Relación de formas entre la cámara y el pistón para obtener una combustión completa y homogénea, sin preencendido ni detonación.- Relación de compresión y relación entre la superficie y el volumen de la cámara, la cual es muy importante para obtener un buen rendimiento termodinámico y una buena refrigeración.
Las clases más usadas de cámaras de combustión son:
1.1. Cámara Hemisferica
1.2. Cámara de Tina o Discoidal
1.3. Cámara de Cuña o Triangular
1.4. Cámara Excavada en el Pistón

Uno de los valores característicos que proporciona una cámara de combustión es la relación de compresión, geométricamente está dada por la relación existente entre el volumen total de la cámara cuando el pistón esta en el PMI sobre el volumen de la misma cuando el pistón se encuentra en el PMS, es decir,
en donde Rc es el valor de la relación de compresión, V es el volumen del cilindro y v es el volumen en sí de la cámara de compresión como tal.
El volumen del cilindro se halla con las ecuaciones de geometría común, es decir siendo r el radio del cilindro y C la carrera de recorrido del pistón.
Para hallar el valor del volumen de la cámara de compresión, debido a que ésta no posee una forma geométrica común se recurre a un proceso llamado cubicación de la cámara. Este proceso consiste en llenar completamente la cámara con algún fluido, preferiblemente de algún color visible (puede ser usado aceite de motor o de cajas de cambios) posteriormente cubrirla con una superficie plana transparente con un orificio que quede sobre la cámara; a partir de esto, extraer el fluido y medir la cantidad del mismo por medio de una probeta graduada.


Del valor de la relación de compresión depende el tipo de combustible que deba usarse, ya que entre más elevado sea con mayor facilidad se realizara la ignición, del mismo modo a mayor relación de compresión se logra un mejor rendimiento del motor como se ve en la siguiente figura

2. VÁLVULAS

Las válvulas de los motores de combustión interna son los elementos encargados de abrir y cerrar los conductos por donde entra la mezcla (válvulas de admisión) y por donde salen los gases de escape (válvulas de escape) del cilindro. Por lo general están hechas de acero. En algunos casos, las de escape van huecas y rellenas de sodio para mejorar la refrigeración, ya que pueden llegar a alcanzar temperaturas de hasta 800°C. Las válvulas de admisión son siempre más grandes que las de escape, porque es más difícil introducir el aire en el cilindro que sacar los gases quemados. En las fotografías se encuentra arriba una típica válvula de admisión y abajo una de escape, en la cual se alcanza a observar el conducto en el cual se encuentra el sodio.

3. EJE DE LEVAS
Es el elemento encargado de abrir y cerrar las válvulas, según el tiempo del motor en cada pistón. Es también llamado Árbol de Levas.
El eje de levas esta compuesto por una polea dentada para la acción de la correa o cadena de distribución, unas muñequillas o puntos de apoyo sobre la culata, las levas o excéntricas y en algunos casos el mando de la bomba de gasolina mecánica y cuando el sistema de encendido no es electrónico el engranaje para el mando de distribuidor.

4. DISTRIBUCIÓN
En un motor térmico se entiende por distribución el conjunto de los órganos de apertura y cierre de los conductos que transportan la mezcla a los cilindros
La distribución por medio de válvulas tiene tres clases diferentes que son la distribución por engranajes, la distribución por cadena y la distribución por correa dentada.
La idea básica del funcionamiento correcto de la distribución es hacer que cada válvula abra accionada, directa o indirectamente, por una excéntrica una vez por ciclo y en el momento indicado. En un motor de cuatro tiempos la renovación de los gases se hace cada dos vueltas del cigüeñal, es decir que mientras el cigüeñal da dos vueltas, el eje de levas únicamente da una.
Junto a esto hay que tener muy en cuenta la diferencia entre una distribución teórica y lo que sucede realmente en un motor. Para entender la diferencia se presentan a continuación los diagramas de la distribución teórica y de la real.
5. GUÍAS Y SELLOS DE VÁLVULAS
Las guías son casquillos en forma alargada, introducidos en los agujeros realizados en la culata para alojarlas, dentro de los cuales se deslizan las válvulas generalmente están fabricados en bronce u otro metal de menor dureza que el de las válvulas. En la figura las guías se indican de color café, mostrando claramente como se deslizan las válvulas entre ellas

Las guías son generalmente de forma cónica en la parte superior, lo que está determinado por la necesidad de evitar la acumulación de aceite, que puede infiltrarse en los ductos de admisión o de escape, además de ésta forma el consumo de aceite a través de las guías se evita con el uso de unos cauchos o retenes llamados sellos, dichos sellos se colocan en la parte superior de la guía.