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  • 1. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA 1.1 PERSPECTIVA HISTÓRICA. El motor de combustión interna se desarrolla como una evolución de la máquina de vapor. En este motor el trabajo se obtiene por la combustión interna de una mezcla de aire y combustible, a diferencia de la máquina de vapor, que aprovecha la presión del vapor de agua que se produce por una combustión externa. Los motores térmicos han servido al hombre por más de dos siglos y medio. En los primeros 150 años se usaron los motores de vapor. No fué sino hasta 1860 que el motor de combustión interna llegó a ser realmente práctico. Los primeros motores desarrollados para uso comercial quemaban mezclas de carbón a presión atmosférica (no había compresión antes de la combustión). Figura 1. Etienne Lenoir (1822-1900) Fuente: http://tinyurl.com/EtienneLenoir. El ingeniero franco – belga Etienne Lenoir (1822-1900), desarrolló en 1859 el primer motor de combustión interna con fines comerciales (fig. 1). El gas y el aire eran llevados dentro del cilindro durante la primera mitad de la carrera de pistón, la carga era luego encendida por una chispa lo cual incrementaba la presión y los gases quemados entregaban energía al pistón durante la segunda mitad de la carrera. El ciclo se completaba con una carrera de escape. Cerca de 5.000 de
  • 2. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA estos motores se construyeron en 1860 y 1865 en tamaños hasta de de 6 h.p. la eficiencia era alrededor de 5%. Un desarrollo más exitoso fue un motor atmosférico introducido en 1867 por Nikolaus August Otto (1832-1891) y Eugen Langen (1833-1895), el cual usaba el incremento de presión producido por la combustión de la mezcla de aire y combustible para acelerar un mecanismo de pistón y cremallera tal que su momento generaría un vacío en el cilindro. Para superar este motor de baja eficiencia y peso excesivo, Otto propuso un ciclo motriz con cuatro carreras del pistón (fig. 2), una carrera de admisión, una carrera de compresión, antes de la ignición, una carrera de expansión o de potencia, donde el trabajo era entregado a cigüeñal y finalmente una carrera de escape. El propuso, también la incorporación de un sistema de inducción de carga estratificada, aunque este no fué llevado a la práctica . Figura 2. Nikolaus August Otto (1822-1900) Fuente: http://tinyurl.com/3nw6syq. El primer prototipo de este motor de cuatro carreras funcionó en 1876. Una comparación entre el motor Otto de cuatro tiempos y su predecesor, el motor atmosférico de Langen, se muestra en la tabla 1.1 y explica el éxito del primero: la
  • 3. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA enorme reducción de peso y volumen. Debido a esto fué posible la verdadera producción industrial del motor de combustión interna. En 1890, casi 50.000 de estos motores habían sido vendidos. El motor de Otto era a gas, mientras un exdirector de la empresa de Otto, Gottlieb Daimler (1834-1900), enfocó sus esfuerzos en producir el primer motor ligero, de alta velocidad, que funcionara con gasolina. Finalmente logró desarrollar un carburador que evaporaba la gasolina y la mezcla con aire. El nuevo motor corría a 900 revoluciones por minuto, casi siete veces más rápido que la máquina construida por Otto. La tabla 1.1 1 indica las diferencias entre el motor Otto contra el motor a gasolina Tabla 1.1 Comparación entre los motores Otto cuatro tiempos y Otto-Langen. PARAMETRO Potencia al freno Peso, lb, aprox. 3 Desplazamiento del pistón, in 3 Carreras de potencia por minuto in Velocidad del eje, rpm Eficiencia mecánica, % Eficiencia total, % Relación de expansión MOTOR ATMOSFÉRICO (OTTO-LANGEN) 2 4000 4900 28 90 68 11 10 MOTOR A GASOLINA 4T (OTTO) 2 1250 310 80 160 84 14 2,5 En 1884, una patente francesa no publicada en 1862 adjudicaba a Alphonse Beau de Rochas (1815-1893) el principio del ciclo de cuatro tiempos. Este descubrimiento puso entela de juicio la validez de la patente de Otto, y en Alemania fué invalidada. Beau de Rochas también propuso condiciones bajo las cuales se obtenía la máxima eficiencia en un motor de combustión interna, ellas fueron: 1. El mayor volumen del cilindro posible con el mínimo de superficies. 2. La mayor velocidad de trabajo posible. 3. La mayor relación de expansión posible. 4. La mayor presión posible al comienzo de la expansión. Las primeras dos condiciones minimizan las pérdidas de carga por calor. 1 Adaptada Aula virtual.
  • 4. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA La tercera condición reconoce que entre más grande sea la expansión de los gases después de la combustión mayor será el trabajo logrado. La cuarta condición demuestra la razón proporcional entre la presión inicial y la expansión del cilindro, a mayor presión se logrará una mayor expansión posible, las presiones originadas son más altas en todos los procesos y como consecuencia habrá una mayor transferencia de potencia. Aunque Beau de Rochas hizo estos escritos antes que Otto, él nunca llevó estas ideas a la práctica. Por esta razón e inventor del motor de combustión interna moderno se le atribuye a N. Otto. En los años 1880 varios ingenieros (por ejemplo: Dugald Clero (1854-1913) y James Robson (1844-1929)) en Alemania alcanzaron gran éxito al desarrollar el motor de dos tiempos en el cual los procesos de escape y de admisión ocurren durante el final de la carrera de potencia y el comienzo de la carrera de compresión. James Atkinson (1846-1914) en Inglaterra construyó un motor con una carrera de expansión más larga que la carrera de compresión, éste tenía una alta eficiencia pero mecánicamente era muy débil. Esto comprobó que la eficiencia era una función directa de la rata de expansión. Sin embargo la relación de compresión utilizada fué limitada a un número menor de cuatro debido a problemas de detonación del combustible. Fueron requeridos desarrollos posteriores en los sistemas de carburación e ignición, antes de que los motores a gasolina de alta velocidad para automóviles llegaran a ser disponibles a finales del siglo XIX. El progreso en los motores estacionarios también tuvo gran desarrollo. A finales de 1890 se desarrolló un motor monocilíndrico a gas con diámetro del pistón de 1300 mm el cual producía 600 BHP a 90 RPM.
  • 5. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA En gran Bretaña, a causa de las restricciones legales sobre combustibles volátiles, se propició la construcción de motores que utilizaban Keroseno. Motores de aceite de relación de compresión baja con vaporizadores de combustible externo e ignición eléctrica se desarrollaron con eficiencias comparables a las de los motores a gas (14% a 18%). El motor Herbert-Ackroyd (fig. 3), llegó a ser el motor de aceite más popular en Gran Bretaña, el cual también se construyó en gran número en los Estados Unidos. Figura 3. Herbert Ackroyd Stuar (1864-1927) Fuente: http://tinyurl.com/5r7ytzw. En 1892 el ingeniero Alemán Rudolf Diesel (1858-1913) bosquejó en su patente una forma nueva de motor de combustión mediante la ignición de un combustible líquido dentro de aire calentado únicamente por la compresión (fig. 4); éste permitía duplicar la eficiencia sobre otros motores de combustión interna. Fueron posibles relaciones de compresión mucho mayores, sin detonación, sin embargo, tomó 5 años en desarrollar un motor práctico con esfuerzos de Diesel y recursos de M.A.N. en Ausburg.
  • 6. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 4. Rudolf Diesel (1858-1913) Fuente: http://tinyurl.com/5r7ytzw. Los desarrollos en los motores así como su mercado constantemente creciente ha continuado desde entonces. Un desarrollo más reciente ha sido el motor de combustión interna rotativo. Figura 5. Félix Wankel (1902-1988). Fuente: http://tinyurl.com/3gc4767.
  • 7. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Aunque una amplia variedad de motores rotativos experimentales han sido propuestos a través de los años, el primer motor de combustión interna práctico, el motor Wankel (fig. 5), no fué probado exitosamente sino hasta 1957. Este motor evolucionó a través de muchos años de investigación y desarrollo, se basó en los diseños del inventor Alemán Félix Wankel. Los combustibles también han tenido un gran impacto en el desarrollo del M.C.I. Los motores más antiguos quemaban gas, gasolina y fracciones livianas de petróleo, estos fueron construidos a finales del siglo XIX y se desarrollaron varios tipos de carburadores para vaporizar el combustible y mezclarlo con aire. Antes de 1905 habían pocos problemas con la gasolina, aunque la relación de compresión era baja (4 o menos) para evitar la detonación, la alta volatilidad del combustible facilitaba el arranque y permitía un buen funcionamiento en ambientes fríos. Debido a la gran escasez de crudo y para satisfacer el incremento en la demanda de gasolina (quintuplicada) entre 1907 y 1915, la producción de crudo debió aumentarse. Mediante el trabajo de William Barton (1865-1954) y sus asociados de la Standard Oil of Indiana, se desarrolló un proceso de cracking térmico en el cual los aceites más pesados eran calentados a presión y descompuestos en combustibles más volátiles y menos complejos. Esas gasolinas producidas a través de este método, satisficieron la demanda, pero debido a su mayor punto de ebullición crearon problemas de arranque en ambientes fríos. Afortunadamente los sistemas de arranque de accionamiento eléctrico se introdujeron en 1912, justo en el momento que se necesitaban. En zonas rurales, el Keroseno fue el combustible usado para motores de combustión interna, ya que éste se usaba para calentamiento e iluminación. En el periodo posterior a la I guerra mundial se tuvo un avance significativo en el conocimiento de cómo los combustibles afectan la combustión y particularmente la detonación. El efecto antidetonante del tetraetilo de plomo fue descubierto por la General Motors y estuvo disponible como aditivo para la gasolina en los Estados
  • 8. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Unidos en 1923. A finales de los años 30s, Eugne Houdry encontró que al hacer pasar petróleo vaporizado sobre un catalizador activado a temperaturas entre 450 y 480 ºC, éste era convertido en gasolinas de mayor calidad que las obtenidas por el método de Cracking. Estos desarrollos y otros permitieron que se produjeran combustibles con mejores propiedades antidetonantes en grandes cantidades, así la relación de compresión de los motores se incrementó constantemente mejorando la potencia y la eficiencia. Durante las últimas décadas, han aparecido factores importantes que afectan significativamente el diseño y la operación de los motores de combustión interna. Estos factores son: • La necesidad de controlar la contaminación del aire. • La necesidad del consumo de combustible. El problema de la contaminación del aire producida por los automóviles empezó a notarse en las décadas de los 40s, en la ciudad de los Angeles. En 1952 el profesor A.J. Haagen Smith demostró que el problema del smog resultaba de las reacciones entre óxidos de nitrógeno e hidrocarburos en presencia de la luz solar. Oportunamente se llegó a establecer que el automóvil era el mayor contribuyente de emisiones de hidrocarburos y óxidos de nitrógeno, así como el primer causante de los altos niveles de monóxidos de carbono en áreas urbanas. Los motores Diesel son fuentes significativas de hollín o partículas de humo, así como de hidrocarburos y óxidos de nitrógeno. Como resultado de estos estudios, las normas sobre emisiones para automóviles en los Estados Unidos fueron introducidas primero en California y luego en el resto del país, al comienzo de los años 60s. La tabla 1.2 2 muestra los límites máximos 2 Adaptada Aula virtual
  • 9. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA permitidos para las emisiones en Estados Unidos a partir de 1968, año en el cual se impusieron por primera vez controles a este respecto.3 Tabla 1.2 Límite de emisiones en los Estados Unidos MODELO (AÑO) Precontrol 1968-69 1970-71 1972 1973-74 1975-76 1977-79 1980 1981-90 1991-93 1994-98 1994-98 19992003 19992003 VIDA UTIL AÑOS/1000 MILLAS EMISIONES MÁXIMAS g/millas OXIDO DE NITROGENO (NOx) MONOXIDO DE HIDROCARBONOS CARBONO (CO) (HC) PARTICULAS (PM10) 5/50 5/50 5/50 5/50 5/50 5/50 5/50 5/50 5/50 5/50 10/100 84 51 34 28 28 15 15 7,0 3,4 3,4 3,4 4,2 10,6 6,3 4,1 3,0 3,0 1,5 1,5 0,41 0,41 0,41 0,25 0,31 4,1 3,1 3,1 2,0 2,0 1,0 1,0 0,4 0,6 0,20 0,08 0,10 5/50 3,4 0,075 0,2 0,08 10/100 4,2 0,090 0,3 0,08 Las normas Europeas para emisiones de vehículos a gasolina y Diesel se muestran en la tabla 1.3 y 1.4 respectivamente. Se ha logrado una gran disminución en las emisiones contaminantes de motores Diesel y de ECH. Para el control de emisiones la mayoría de los automóviles modernos se equipan con convertidores catalíticos (se dará desarrollo en el sistema de escape) La norma euro V es el actual indicador de emisiones contaminantes, con base a ella los diseños de nuevos sistemas de alimentación, sistema de tratamiento de gases de escape y la implementación de nuevas tendencias en los combustibles, se ha logrado aplicar el desarrollo sostenible en motores alternativos. 3 Ver anexo normas TIER I ( 2003) y TIER II (2009)
  • 10. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Los siguientes fueron los cambios más representativos de la Norma Euro IV, con respecto a la vigente. Emisiones procedentes de los coches diesel:  Monóxido de carbono: 500 mg/km;  Partículas: 5 mg/km (o una reducción del 80% de las emisiones respecto de la norma Euro IV).  Óxidos de nitrógeno (NOx): 180 mg/km (o una reducción del 20% de las emisiones respecto de la norma Euro IV).
  • 11. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA  Emisiones combinadas de hidrocarburos y óxidos de nitrógeno: 230 mg/km. Emisiones procedentes de los coches de gasolina o que funcionan con gas natural o con GLP:  Monóxido de carbono: 1000 mg/km;  Hidrocarburos no metanos: 68 mg/km;  Hidrocarburos totales: 100 mg/km;  Óxidos de nitrógeno (NOx): 60 mg/km (o una reducción del 25 % de las emisiones respecto de la norma Euro IV);  Partículas (únicamente para los coches de gasolina de inyección directa que funcionan con combustión pobre): 5 mg/km (introducción de un límite que no existía en la norma Euro IV). Figura 6. Normas que regulan las emisiones en el mundo. Fuente: http://tinyurl.com/6hw2o24.
  • 12. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA En la figura 6, se muestra las diferentes reglamentaciones a nivel mundial y su influencia en cada continente. Nótese que para Colombia se rige por la normal EPA Tier 0. La preocupación por los efectos tóxicos del plomo en los aditivos antidetonantes ha conllevado a la reaparición de la gasolina sin plomo (unleaded). También el máximo contenido de plomo en la gasolina con plomo (leaded) ha sido sustancialmente reducido. Los requerimientos de los controles de emisiones contaminantes, así como el desarrollo de combustibles han producido cambios importantes en la forma como se diseñan y operan los motores de combustión interna. Los motores de combustión interna son también una fuente importante de ruido. Hay varias fuentes de ruido en el motor, el sistema de escape, el sistema de admisión, el ventilador utilizado en el sistema de enfriamiento y otros. El ruido puede ser generado por efectos aerodinámicos, por fuerzas que resultan de los procesos de combustión o por excitación mecánica de componentes rotativos o reciprocantes. La legislación sobre niveles de ruido en vehículos para la conservación del medio ambiente se introdujo a comienzos de los 70s. Durante los años 70s, el precio del petróleo se elevó rápidamente a varias veces, esto preocupó demasiado la disponibilidad del petróleo a largo plazo. Se produjeron presiones para el mejoramiento de la eficiencia de los motores de combustión interna. No obstante las exigencias del control de emisiones han dificultado el mejoramiento en la disminución del consumo de combustibles, esto impacta directamente en la eficiencia del motor al disminuir las relaciones de compresión en los motores de encendido por chispa. Actualmente está en proceso de
  • 13. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA desarrollo las nuevas tecnologías en los combustibles que difieren de los tradicionales (la gasolina y el Diesel), se presta especial atención a los combustibles no derivados del petróleo, gas natural, metanos y etanos, mientras que la gasolina sintética y el Diesel hecho de esquisto o Carbón y el hidrógeno pueden ser posibilidades en el futuro. Podría pensarse que después de más de un siglo de desarrollo el motor de combustión interna ha alcanzado su máximo grado de optimización y rendimiento, pero no es así. Los motores continúan mostrando mejoras importantes en la eficiencia, la potencia y la calidad de control de las emisiones nocivas. Los nuevos materiales ofrecen la posibilidad de reducir el peso, costo y las pérdidas de calor, así como la fabricación de sistemas diferentes y más eficientes en los motores. El primer vehículo con motor híbrido que apareció en el mercado fue el Prius de Toyota en 1997, y fue el único en combinar ambos sistemas para maximizar sus ventajas. La finalidad de la aplicación de los motores híbridos en los automóviles es reducir al mínimo el nivel de emisiones contaminantes y el consumo de combustible. Sin embargo, el ingeniero alemán Porche (1901), fue el pionero en la introducción en la sociedad del coche híbrido. Su primer prototipo fue el Lohner-Porsche y estaba propulsado por un motor de gasolina – de la marca Daimler – y dos motores eléctricos montados en los bujes de las ruedas. Los motores estaban alimentados por un paquete de baterías, que a su vez eran cargadas por un generador de corriente movido por el propio motor de gasolina. Las características básicas del diseño de estos automóviles con propulsores híbridos son: la incorporación de motores de baja cilindrada y una carrocería
  • 14. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA construida en materiales ligeros con una aerodinámica optimizada para minimizar la resistencia del viento, y compensar así el peso de las baterías. Figura 7. Motor Toyota Prius de 1500 cc, 58 cv de potencia con un motor eléctrico de 40 cv. Fuente: http://tinyurl.com/3e4bky2. En el caso de híbridos gasolina-eléctricos (fig. 7), cuando el motor de combustión interna funciona, lo hace con su máxima eficiencia. Si se genera más energía de la necesaria, el motor eléctrico se usa como generador y carga las baterías del sistema. En otras situaciones, sólo el motor eléctrico funciona al alimentarse de la energía guardada en la batería. Todos los coches eléctricos utilizan baterías cargadas por una fuente externa, lo que les ocasiona problemas de autonomía de funcionamiento sin recargarlas. Este inconveniente habitual se evita con los coches híbridos. Entre las ventajas que tienen estos automóviles con motor híbrido se encuentran: Menor emisión de contaminantes acústica y atmosférica que un motor convencional, mayor autonomía que un eléctrico simple, en recorridos cortos no se utiliza el motor convencional, por lo que éste no trabaja en frío y mejora su envejecimiento.
  • 15. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Respecto de las desventajas, un coche híbrido tiene mayor peso que un coche convencional (hay que sumar el motor eléctrico y las baterías), También tiene más complejidad y más posibilidad de desperfectos y alto costo. Aunque todavía no es un hecho muy concreto sí es cierto que los coches que mezclan la propulsión eléctrica con motores a gasolina están ganando terreno. Lo que está claro es que los avances tienden a una propulsión que reduzca de forma notoria los contaminantes y aumente la autonomía. La microtecnología es un área de investigación en creciente expansión, que surge a partir de la miniaturización de los componentes electrónicos, algunas de estas técnicas se usan para construir motores microtecnológicos (fig. 8). Figura 8. Micromotores Fuente: http://tinyurl.com/5r4ygp9. Un grupo de investigadores europeos, han desarrollado un motor de combustión en miniatura, que es mucho más eficiente que las baterías clásicas.La idea original fue propuesta por Alan Epstein y Stephen Senturia del Instituto de Massachusetts (MIT) en el año 1990 y ahora han retomado dicho proyecto. El objetivo es producir un micromotor de combustible con un tamaño de 5x15x3mm (tamaño aprox.), que podría generar 11.2w de potencia con una velocidad de 50.000 rpm.
  • 16. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Sin embargo el proyecto no está exento de problemas. Uno de ellos es la baja tolerancia que tiene el silicio a las altas temperaturas que provoca la combustión. Una de las soluciones propuestas es desarrollar los componentes con materiales cerámicos, salvando así el gran limitante de la temperatura. En la fig. 9, se observa las pequeñas dimensiones de una rueda dentada para un micromotor. Figura 9. Dimensiones de las ruedas dentadas de un micromotor Fuente: http://tinyurl.com/6k2dutj La utilidad de estos micromotores es enorme, ya que su tecnología podría aplicarse a dispositivos médicos, militares, ordenadores portátiles, teléfonos móviles y mucho más. En la fig. 9 se observa una rueda dentada de un micromotor que tiene unas dimensiones menores a 0.3 mm. La innovación y desarrollo tecnológico seguirá para los motores de combustión interna hasta el día en el cual el hombre se ingenie una máquina más sencilla y versátil como lo son los motores alternativos en la industria.
  • 17. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA 1.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MÁQUINAS TÉRMICAS ALTERNATIVAS. Las Máquinas Térmicas Alternativas se dividen en:  Compresores alternativos: Son máquinas de desplazamiento positivo en las cuales sucesivas cantidades de gas quedan atrapadas dentro de un espacio cerrado y, mediante un pistón, se eleva su presión sin que existan algún tipo de ignición del gas.  Motores alternativos: Son máquinas térmicas en los que los gases resultantes de un proceso de combustión empujan un émbolo, pistón o rotor, desplazándolo en el interior de un cilindro y haciendo girar un cigüeñal, obteniendo finalmente un movimiento de rotación. Hay diferentes tipos de motores de combustión interna que pueden ser clasificados de acuerdo a los siguientes criterios: 1. Según la aplicación, en motores de automóvil, camiones, locomotoras, aviones, marinos, sistemas de generación de potencia portátiles y generación de energía eléctrica. 2. Según el diseño básico del motor, en motores reciprocantes y rotativos. Los motores reciprocantes (fig. 10), obtienen la energía mecánica mediante un mecanismo alternativo, compuesto por un embolo o pistón, que se mueve linealmente (alternativamente) en el interior de un cilindro, y un sistema de biela-manivela que transforma este movimiento en un giro de un eje denominado cigüeñal.
  • 18. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 10. Motor reciprocante refrigerado Figura11. Motor rotativo por aire Wankel Fuente: http://tinyurl.com/6kc8usf. Fuente: http://tinyurl.com/6epmwnt Los motores rotativos (fig. 11) obtienen la energía mecánica mediante un mecanismo de movimiento angular, compuesto por un rotor, que gira libremente sobre una excéntrica generando y transmitiendo el movimiento directamente al eje de salida. Por su simplicidad posee menos partes móviles que el motor alternativo. 3. Según el ciclo de trabajo, en ciclo de cuatro tiempos, de aspiración natural, sobrealimentado y turbocargado; en ciclo de dos tiempos, con barrido por el cárter, sobrealimentado, supercargado y turbocargado. 4. Según diseño y localización de las válvulas o las lumbreras, válvulas sobre la culata (fig. 12b), válvulas en el bloque (fig. 12a), válvulas rotativas, lumbreras de barrido cruzado (lumbreras de admisión y escape ubicadas en lados opuestos del cilindro en uno de sus extremos), lumbreras de barrido en bucle (lumbreras de admisión ubicadas en un mismo lado del cilindro y
  • 19. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA en uno de sus extremos), barrido uniflujo (válvulas o lumbreras de admisión y escape ubicadas en diferentes extremos del cilindro). Figura 12. Disposición de las válvulas: a) sobre el bloque, b) sobre la culata. a) Fuente: http://tinyurl.com/3byb3m4 b) Fuente: http://tinyurl.com/3avv7t8 5. Según el combustible utilizado, en motores de gasolina, Diesel, gas natural, GLP (Gas de Petróleo Licuado), alcohol (metanol, etanol), hidrógeno y otros. 6. Según el método de ignición, en motores de ignición por chispa (MICH), motores de ignición por compresión (MIC) (en Diesel convencionales así como la ignición en motores a gas mediante la inyección piloto de aceite combustible). Los MOTORES DE IGNICIÓN POR CHISPA (MICH), llamados también motores Otto, son máquinas que requieren de un agente externo (chispa) para producir el encendido del combustible en la cámara de combustión (Figura 13).
  • 20. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 13. Motor a Gasolina Dodge Magnum, 5.7 l, V-8. (Daimler Chrysler) Fuente: http://tinyurl.com/3t7zwjb Los MOTORES DE IGNICIÓN POR COMPRESIÓN (MIC) o motores Diesel. Son motores que utilizan el aumento de temperatura en el combustible logrando el autoencendido del mismo al inyectarse a presión en un volumen de aire comprimido, (Figura 14). Figura 14. Motor Diesel Jeep Grand Cherokee 2003, 3.7 l. Direct injection. Fuente: http://tinyurl.com/42fxbmy.
  • 21. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Las turbinas a gas son también por definición motores de combustión interna. Sin embargo convencionalmente el término se usa sólo para los motores que se encienden por chispa (MICH) y por compresión (MIC). 7. Según el método de preparación de la mezcla, en motores de carburador (fig. 15a), de inyección de combustible en las lumbreras de admisión o en el múltiple de admisión, de inyección de combustible dentro de los cilindros (fig. 15b). Figura 15. Diferentes mecanismos de mezcla: a) Carburador, b) Inyección. a) Fuente: http://tinyurl.com/3u6alwh b) Fuente: http://tinyurl.com/3couwxz. 8. Según el diseño de la cámara de combustión, cámara cerradas (en forma cilíndricas (fig. 16a y 16b), de cuña (fig. 16c), hemisférica (fig. 16d), dividida de pistón cóncavo (fig.17), (pequeñas y grandes cámaras auxiliares por ejemplo, cámaras de turbulencia, precámaras de combustión).
  • 22. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 16. Cámaras de combustión cerrada a) cilíndrica, b) y c) en cuña, d) hemisférica. a) b) c) d) Fuente: http://tinyurl.com/3vx69oe Figura 17. Cámara abierta (Pistón cóncavo).1 9. Según el método de control de carga, en MCI de estrangulamiento de mezcla de aire y combustible sin que ésta varíe, control o estrangulamiento del flujo de combustible únicamente, en sistemas de estrangulamiento mixtos. 1 Adaptado Aula virtual.
  • 23. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA 10. Según el método de enfriamiento, enfriado por agua, enfriado por aire, sin enfriamiento (solamente por convección natural y radiación). 11. Según el tipo de servicio, para vehículos de carretera, de aplicación ferrovial, aviación, uso domestico, estacionario, marino, entre otros. Veasé la tabla 1.52 Tabla 1.5 Clasificación de los motores reciprocantes según tipo de servicio. ECH: Encendido por chispa; EC: Encendido por compresión. 1.3 CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ALTERNATIVOS El objetivo de los motores de combustión interna es la de convertir una energía química contenida en el combustible como gasóleo o gasolina, gas o electricidad, 2 Adaptado Aula virtual.
  • 24. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA a una energía mecánica que suele ser el movimiento rotatorio de un árbol o un eje. En los motores de combustión interna a diferencia de los motores de combustión externa, dicha energía se libera mediante la combustión del combustible dentro del motor. La mezcla de aire y combustible que se introduce al cilindro antes de la combustión y los residuos de la combustión quemados son los fluidos de trabajo reales. La combustión efectiva se produce en la interacción directa entre estos fluidos de trabajo y los componentes mecánicos del motor. Los motores de combustión interna se pueden clasificar: 1.3.1 SEGÚN EL CICLO DE OPERACIÓN. La mayoría de los motores de combustión interna en la industria son máquinas reciprocantes, los cuales contiene un pistón que realiza un movimiento lineal dentro de un cilindro transmitiendo la energía por medio de un mecanismo biela – manivela al eje de salida. La rotación de la manivela es producida por un movimiento cíclico en el pistón, tal como se observa en la figura 18. El pistón llega al punto muerto superior (PMS) y al punto muerto inferior (PMI) cuando la manivela se encuentra en el punto mínimo y máximo respectivamente de la carrera. El volumen barrido por el pistón o la diferencia entre el volumen máximo o total (Vd) y el volumen muerto (Vc). La relación entre el volumen máximo y el volumen mínimo es la relación de compresión (Rc), valores típicos para la relación de compresión están entre 8 y 12 para motores de encendido por chispa, y entre 12 y 24 para MIC.
  • 25. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 18. Geometría básica de un motor reciprocante de combustión interna. 3 MOTORES DE CUATRO TIEMPOS. La mayoría de los motores reciprocantes operan en lo que se conoce como el ciclo de cuatro tiempos, cada cilindro requiere cuatro carreras de su pistón, dos revoluciones del cigüeñal para completar la secuencia de eventos que producen una carrera de potencia. Tanto motores de encendido por chispa como de encendido por compresión usan este ciclo el cual consta de: Una carrera de admisión (fig. 19a), la cual comienza desde el PMS descendiendo, el pistón dentro del cilindro inicia su descenso por la acción de la 3 Adaptado de: Seminario virtual: Motores Diesel, manual de mantenimiento y reparación, Diseli editores 2009?
  • 26. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA inercia completa del motor, (los otros pistones, el cigüeñal, el volante de inercia y el sistema que se esté impulsando con el motor). La válvula de admisión está completamente abierta y permite el llenado del cilindro con la mezcla aire combustible (MICH) o aire (MIC) sin estrangular, ni mezclar. La válvula de escape se encuentra cerrada. Hacia el final de la carrera de admisión la válvula de admisión se cierra y finaliza el llenado del cilindro. Una carrera de compresión (fig. 19b), que comienza desde el PMI. Las válvulas de admisión y escape están completamente cerradas y el pistón comienza su ascenso por acción de la inercia nombrada anteriormente, la mezcla dentro del cilindro se comprime a una pequeña fracción de su volumen inicial. Para motores Diesel el aire es comprimido entre 14 y 24 veces, según el diseño del motor, generando unas temperaturas superiores a 900 ⁰C. Figura 19. Ciclos de operación de cuatro tiempos a) Admisión; b) Compresión. 4 a) b) Unos instantes antes de finalizar el ascenso del pistón, se produce la inyección del combustible a través del inyector. La razón por la cual se aplica dicha técnica 4 Adaptado de: Seminario virtual: Motores Diesel, manual de mantenimiento y reparación, Diseli editores 2009?
  • 27. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA antes de llegar el pistón al PMS radica en el tiempo que requiere el combustible para inflamarse y liberar el máximo de su energía. La presión de inyección varía mucho según los diseños del fabricante, sin embargo oscila entre los 350 a 2000 Bar de presión. Ésta presión es necesaria para que el combustible ingrese a la cámara, se pulverice y se disperse. Para un MICH el frente de llama es producido por una chispa eléctrica que se logra por medio de dos electrodos ubicados frontalmente a pocos milímetros entre sí que permiten el salto de una chispa eléctrica. Para motores a compresión el combustible se auto enciende a una temperatura y presión característica. Figura 20. Ciclos de operación de cuatro tiempos c) Potencia; d) Escape. 5 c) d) Una carrera de potencia o carrera de expansión (fig. 20c), la cual empieza con el pistón en PMS) descendiendo hasta el PMI a causa de los gases a alta presión y temperatura quienes empujan el pistón hacia abajo y fuerzan la manivela a rotar, el trabajo obtenido durante la carrera de potencia es cerca de 5 veces mayor que el realizado por el pistón durante la carrera de compresión. Cuando el pistón se acerca al PMI, la válvula de escape se abre e inicia el proceso de escape. 5 Seminario virtual: Motores Diesel, manual de mantenimiento y reparación, Diseli editores 2009?
  • 28. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Una carrera de escape (fig. 20d), donde los gases producidos durante la combustión salen del cilindro, primero porque la presión en el cilindro es sustancialmente mayor que la presión en el escape, y porque son barridos por el pistón cuando éste se mueve hacia el PMS. Cuando el pistón se acerca al PMS, la válvula de admisión abre y es sólo hasta después de pasar por PMS que la válvula de escape cierra e inicia el ciclo otra vez. Para obtener una mayor salida de potencia a partir de un tamaño dado de motor, así como un diseño más sencillo de válvulas, se desarrolló el ciclo de dos tiempos, el cual es aplicable tanto en motores de encendido por chispa como en motores de encendido por compresión. Por cada ciclo completo el cigüeñal recibe el impulso del pistón únicamente por espacio de media vuelta; en las siguiente tres medias vueltas el pistón absorbe trabajo. La energía para llevar a cabo estas carreras (escape, admisión y compresión), es suministrada por el volante, cuya elevada masa le permite almacenar durante la fase de explosión la energía necesaria para realizar este trabajo MOTORES DE DOS TIEMPOS. Los motores de dos tiempos se diferencias de los de cuatro tiempos por la admisión y escape de los gases no tiene válvulas. En lugar de ellas hay tres agujeros que se llaman lumbreras o ventanas –las lumbreras de escape, de carga y de admisión- y que están construidos en la superficie del cilindro. Las lumbreras cierran o abren por medio del mismo pistón cuando éste se mueve hacia arriba y hacia abajo. El motor de dos tiempos debe completar la admisión, la combustión y el escape en un movimiento completo del pistón hacia arriba y hacia abajo.
  • 29. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA La carrera de potencia (fig. 21a), comienza cuando el pistón se eleva del punto muerto inferior (PMI), con lo que se descubre la lumbrera de admisión y se introduce una carga de combustible en la carcasa o cárter hermético. Al continuar ascendiendo el pistón, cierra la lumbrera de escape y también la de carga, al tiempo que completa la compresión de la mezcla de combustible y aire en la cámara de combustión. Figura 21. Ciclo dos tiempos en un motor a gasolina: a) Potencia o expansión, b) Compresión a) b) Fuente: http://tinyurl.com/3p97rb5. La carrera de compresión (fig. 21b), comienza Inmediatamente antes del punto muerto superior (PMS), se enciende la mezcla, y el pistón desciende impulsado hacia abajo. Al descender, descubre la lumbrera de escape y permite que los gases quemados salgan. Al mismo tiempo la parte inferior del pistón actúa como una bomba e impulsa la mezcla de combustible y aire que se encuentra en el
  • 30. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA cárter hacia la lumbrera de carga, por la que pasa, y llega a la cámara de combustión preparada para entrar en ignición. El ciclo de dos tiempos se desarrolla para una vuelta o revolución del cigüeñal, sin embargo es difícil llenar el volumen desplazado con mezcla fresca pues una parte de ella fluye directamente a la atmósfera durante el proceso de barrido. En los motores de dos tiempos modernos, la lumbrera de carga suele tener la forma adecuada para dirigir el vapor combustible hacia la parte más alta del cilindro, bien separada de la lumbrera de escape. Con estas precauciones, es inevitable, sin embargo, que haya alguna mezcla de gases quemados y sin quemar. Esta es la razón por la que el motor de dos tiempos produce más contaminación atmosférica que su equivalente de cuatro tiempos. Como cada pistón del motor de dos tiempos produce un tiempo de explosión por cada revolución del cigüeñal, el motor de dos tiempos debería tener teóricamente el doble de potencia que el motor de cuatro tiempos con cilindros de las mismas dimensiones, pero en la práctica rara vez tiene más potencia que una y media veces. Hay varias razones que justifican dicho comportamiento. Una de ellas es que las lumbreras de admisión y de carga son aperturas inalterables cuya banda de eficacia operativa es relativamente pequeña. Si esas lumbreras están diseñadas para utilizar una gran cantidad de combustible, el motor tenderá a funcionar bien solamente a altas revoluciones. Si, por el contrario, las lumbreras están diseñadas para dar paso a pequeñas cantidades de combustible, el motor funcionará bien únicamente a régimen reducido, pero mal a velocidad elevada. Por el contrario, en el motor de cuatro tiempos las operaciones de ciclo completo admisión, compresión, combustión y escape, están exactamente ordenadas con independencia de unas respecto a las otras, y de la misma forma se gradúa cada una por separado para conseguir en cada caso el máximo de rendimiento posible.
  • 31. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA En el motor de dos tiempos no hay posibilidad de conseguir el cruzado de válvulas, puesto que no las tiene, y es el pistón, de dimensiones invariables, quien realiza todas las operaciones de apertura y cierre en una sucesión que no tiene la mínima posibilidad de alteración. Una segunda razón para que el motor de dos tiempos no tenga la eficacia que se podía haber esperado es que, como el pistón se mueve al doble de velocidad de lo que se necesita en un motor de cuatro tiempos de un número de revoluciones por minuto semejante, está sometido a un calentamiento mayor; pero su papel extra de abridor y cerrador de lumbreras exige que se lo fabrique y mantenga para tolerancias más estrechas. Por esta razón es inevitable un desgaste superior al del motor de cuatro tiempos, lo que afecta también de manera inevitable su rendimiento. 1.3.2 CICLOS TERMODINÁMICOS. Los ciclos termodinámicos indican la equivalencia teórica sobre los ciclos de operación real en los motores alternativos. Los ciclos termodinámicos que permiten el análisis de los Motores alternativos son:  Ciclo Otto: ciclo de motores de ignición por chispa. En la figura 22, se observa los diferentes ciclos de operación para un motor de cuatro tiempos. Para una mejor comprensión véase: http://www.youtube.com/watch?v=u7geC32XZrY
  • 32. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 22. Ciclo termodinámico Otto. Fuente: http://tinyurl.com/3cb94d3. Editada por el autor. 0 - 1 Admisión 3 – 4 Potencia 1 – 2 Compresión 4 – 1 Apertura de la válvula de escape 2 – 3 Chispa 1 – 0 Escape  Ciclo Diesel: Ciclo de motores de ignición por compresión en el que se omite las fases de renovación de carga y asume que el fluido termodinámico que trabaja es un gas perfecto. En la figura 23, se observa los diferentes ciclos de operación para un motor de cuatro tiempos. Para una mejor comprensión véase: http://www.youtube.com/watch?v=ci6QP33yCp4
  • 33. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 23. Ciclo termodinámico Diesel. Fuente: http://tinyurl.com/3lkdkes. Editada por el autor. 0 - 1 Admisión. 3 – 4 Potencia 1 – 2 Compresión. 4 – 1 Apertura de la válvula de escape 2 – 3 Detonación. 1 – 0 Escape  Ciclo Atkinson: Ciclo de motores rotativos; fue diseñado para ofrecer mayor eficiencia (relación de compresión) a expensas de la potencia, se aplica en algunas aplicaciones hibridas modernas, (fig. 24). Este tipo de máquina tiene una fase de potencia por revolución, junto con los diferentes volúmenes de compresión y de expansión. La relación de compresión real comienza cuando las válvulas están cerradas, y lo que ocurre en este motor es que el pistón empieza la carrera de compresión con las válvulas de admisión abiertas. Los gases de escape se expelen de la máquina por aire comprimido. Permite el uso alternativo de combustibles diesel e hidrogeno. Para una mejor comprensión véase:
  • 34. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA http://www.youtube.com/watch?v=uhtMEvfZkdM Figura 24. Ciclo termodinámico Atkinson. Fuente: http://tinyurl.com/3tgysaw. Editada por el autor. 1.4 ORDEN DE ENCENDIDO DE LOS MOTORES ALTERNATIVOS. En los motores con varios cilindros, para hacer uniforme el par motor las carreras de trabajo han de sucederse con intervalos regulares, para ello es necesario que entre cada dos carreras de trabajo el cigüeñal gire un ángulo de: Siendo: t: Número de tiempos. n: número de cilindros.
  • 35. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Esto, junto a la disposición de las manivelas a la que obliga el equilibrado del cigüeñal obliga a considerar un orden lógico de encendido o de inyección del combustible. En el caso de un motor de cuatro tiempos con dos cilindros horizontales el desfase entre los encendidos debe ser de θ= (180 * 4) / 2 = 360⁰, y el cigüeñal debe tener una conformación como la que se presenta en la figura 25: Figura 25. Cigüeñal de motor de dos cilindros. Fuente: http://tinyurl.com/3ok4xjh. El orden lógico de encendido se obtiene de la siguiente tabla, en la que para cada cilindro se presentan las diferentes carreras del ciclo: Tabla 1.6 Orden de encendido (cuatro tiempos). De la observación de la tabla anterior se desprende que el orden de encendido tiene que ser: 1 – 2.
  • 36. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA En el caso de motores de cuatro tiempos con cuatro cilindros en línea (fig. 26), son los más utilizados actualmente, las muñequillas del cigüeñal deben estar dispuestas en un ángulo dado por: θ= (180 * 4) / 4 = 180⁰, y las condiciones de equilibrio obligan a la conformación del cigüeñal que se presenta en la siguiente figura: Figura 26. Cigüeñal de motor de cuatro cilindros Fuente: http://tinyurl.com/3ok4xjh. El orden lógico de encendido se obtiene de las siguientes tablas, en las que, para cada cilindro, se presentan las diferentes carreras del ciclo: Tabla 1.7 Encendido del motor de cuatro cilindros en línea.
  • 37. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Los posibles órdenes de encendido son: 1 –3 – 4 – 2; 1 –2 – 4 – 3. En los motores de cuatro tiempos con seis cilindros en línea (fig. 27), el cigüeñal debe llevar sus muñequillas dispuestas a θ= (180 * 4) / 6 = 120⁰, y las condiciones de equilibrio obligan a su conformación como se presenta en la siguiente figura: Figura 27. Cigüeñal de motor de cuatro cilindros Fuente: http://tinyurl.com/3ok4xjh. Construyendo tablas como las presentadas anteriormente, el orden lógico de encendido en este tipo de motores puede ser: 1–5 – 3 – 6 –2 – 4; 1 –3 – 5 – 6 –4 – 2. De igual manera se llega a demostrar que uno de los posibles órdenes de encendido de los motores de cuatro tiempos y ocho cilindros en línea es: 1− 6 − 2 − 5 − 8 − 3 − 7 − 4 y que el de un motor de cuatro tiempos con seis cilindros en V puede ser: 1 − 3 − 6 − 5 − 4 − 2.
  • 38. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA 1.5 PRINCIPALES COMPONENTES DEL MOTOR. Figura 28. Principales componentes del motor. Fuente: http://tinyurl.com/6egkx3s
  • 39. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Un motor está constituido por un cilindro, en cuyo interior se desliza un pistón. La parte superior del cilindro está cerrada por la culata, pieza que contiene la bujía (MICH) o el inyector (MIC), las válvulas de admisión y escape. En la figura 28, se observa un despiece del motor con sus principales partes. El pistón va unido, por medio de la biela al cigüeñal el cual permite transformar el movimiento alternativo en movimiento rotativo. La mezcla (aire – gasolina o gasóleo), que constituye el combustible del motor, es introducida al cilindro a través de la válvula de admisión, mientras los gases expulsados salen por la válvula de escape. La apertura y cierre de ambas válvulas dependen del sistema de distribución, compuesto por el eje excéntrico o árbol de levas, los empujadores o tanques, las varillas los balancines y los muelles de las propias válvulas. El árbol de levas está conectado al cigüeñal mediante el sistema de distribución (piñones, cadena dentada) de distribución y gira con relación de 1:2 respecto al cigüeñal, es decir por cada dos vueltas de cigüeñal el árbol de levas da una. Las características constructivas del sistema de distribución varían para cada motor según el fabricante. El BLOQUE (fig. 29), es el elemento constitutivo del motor más voluminoso y pesado. Su función es dar soporte a todo el conjunto móvil de piezas dentro del motor. Soporta las camisas de los cilindros y contiene los conductos que permiten la circulación del agua de enfriamiento alrededor de las camisas. Sin embargo, algunos bloques tienen conductos integrales para su enfriamiento y para la circulación del aceite lubricante y del aire (en los motores 2 tiempos). Para comprender el proceso de fabricación del bloque véase: http://www.youtube.com/watch?v=4V9-ZeQIFFg
  • 40. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 29. Bloque para motores a) 6V y b) 4 en línea de cuatro tiempos. a) Fuente: http://tinyurl.com/3qf5tmb b) Fuente: http://tinyurl.com/62awxq3 El CILINDRO es el hueco por el que el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo (fig. 30). En la mayor parte de los casos, el bloque del cilindro se hace de hierro fundido, que es relativamente barato, se puede trabajar fácilmente y tiene gran fortaleza mecánica. Sus inconvenientes son que es pesado y bastante quebradizo. También se pueden fabricar cilindros de aleación ligera El aluminio, por ejemplo, es menos pesado y quebradizo, y dispersa mejor el calor, pero es mucho más blando y necesita que las paredes de los cilindros tengan forros o camisas de acero y además resulta más caro. Los bloques de hierro fundido suelen tener sus cilindros directamente vaciados como parte del propio bloque, pero también se utilizan en ellos camisas de acero.
  • 41. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 30. Camisas, pistón, anillos y bulón. Fuente: http://tinyurl.com/6hgbvy5. Los PISTONES están hechos de Aluminio en los motores pequeños y de Acero fundido en motores grandes de baja velocidad. Ambos pistones sellan el cilindro y Figura 31. Despiece del pistón.1 1 Extraída de A-PUNTO, Fichero practico del automóvil, editorial SARPE, 1982.
  • 42. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA transmiten la presión generada por los gases productos de la combustión al codo del cigüeñal por medio de la biela. En la figura 31, se observa los elementos que componen el conjunto biela – pistón. El BULÓN del pistón es usualmente hueco para reducir su peso, es el elemento de unión entre la biela y el pistón (fig. 31). El movimiento oscilatorio de la biela produce una fuerza oscilatoria en la falda del pistón (la región debajo de los anillos del pistón). El pistón está ajustado con anillos los cuales se ubican en unas ranuras en la cabeza del pistón para evitar fugas de gas y hacer control del flujo de aceite. La biela, que usualmente de de Acero o aleación forzada, está unida al pistón por medio de un bulón de Acero a través del pie de biela. La combustión depende de la geometría de la cabeza del pistón como se muestra en la figura 32. Para comprender el proceso de fabricación del bloque véase: http://www.youtube.com/watch?v=4V9-ZeQIFFg Figura 32. Pistones de diferentes configuraciones. Fuente: http://tinyurl.com/3ceuwo4.
  • 43. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 33. Biela. (a) Acero Forjado, (b) Aluminio. a) b) Fuente: http://tinyurl.com/6b8skoe. Las BIELAS se encargan de convertir el movimiento rectilíneo del pistón en movimiento rotatorio al centro del cigüeñal por medio de los muñones de biela. Están fabricadas en aleaciones muy resistentes debido a que reciben gran presión por el empuje del pistón, también se fabrican de acero forjado (fig. 33a), aleaciones o aluminio (fig. 33b), en motores pequeños. La figura 34 indica un despiece total del conjunto cilindro – pistón – anillos – bulón y biela. Figura 34. Despiece conjunto biela – pistón.2 2 HEYWOOD, John B. Internal combustion engine fundamentals, Mc Graw Hill1988.
  • 44. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA El CIGÜEÑAL está constituido por un eje con semiejes excéntricos, sobre los que se apoyan las bielas (fig.35), está enlazado a los conjuntos de pistones y a la transmisión, convierte el movimiento vertical de los pistones en movimiento giratorio, que se puede transmitir a las ruedas por diversos procedimientos. Además de transmitir ese movimiento, el cigüeñal cumple otras varias funciones; entre éstas se hayan hacer girar el árbol de levas, la polea del ventilador y el engranaje del volante que enlaza con el motor de arranque. Figura 35. Despiece de un cigüeñal.3 3 Extraída de A-PUNTO, Fichero practico del automóvil, editorial SARPE, 1982.
  • 45. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA El cigüeñal internamente tiene canales para lubricar los casquetes de la biela y bancada. El cigüeñal tiene un conjunto de paletas que se emplea para “salpicar” el aceite del cárter y balancear el eje para que no vibre mientras está girando. Se fabrican por lo general en Hierro forjado aunque existen de fundición modular aceptados normalmente en motores de automóvil. Mientras que los propios cigüeñales se hacen de aleaciones de acero duras, usualmente acero al níquelcromo-molibdeno, y los gorrones de los codos están especialmente endurecidos, los cojinetes se hacen de un metal más blando. Esto quiere decir que la parte más barata y más fácil de sustituir se desgasta antes. Las VÁLVULAS mostradas en la son usadas normalmente en los motores de cuatro tiempos. Las válvulas (fig. 36), son de Acero aleado forjado; el enfriamiento de la válvula de escape que operar cerca de los 700°C puede ser implementada pero usando un eje de válvula hueco parcialmente inyectado con Sodio que a través de la evaporación y condensación lleva calor de la cabeza de la válvula a la base refrigerada. Los motores modernos de encendido por chispa tienen localizadas las válvulas en la parte superior del conjunto (a veces llamadas válvulas en cabeza o configuración de cabeza). El vástago de la válvula se desliza sobre una guía de fundición, que suaviza el rozamiento y atenúa el desgaste debido al funcionamiento de la válvula (fig. 36). Dicha guía se monta a presión en la culata. La holgura entre la cola de la válvula y su guía debe ser el adecuado a fin de impedir que pase aceite a la cámara de combustión a través de ambos. En algunas ocasiones se dispone un retén en forma de anillo de caucho, emplazado en la guía de la válvula. El muelle descansa en la culata sobre el platillo y por su extremo opuesto apoya en este, que a su vez aloja a las chavetas, que forman el sistema de fijación de la cola de la válvula.
  • 46. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 36. Válvulas y sus empaques. Fuente: http://tinyurl.com/62ya3qv Los asientos de válvula se fabrican en la actualidad de aleaciones especiales de acero, capaces de soportar las elevadas temperaturas a que estarán sometidos. En algunas ocasiones se recubre de estelita (aleación de cobalto, tungsteno y cromo) la superficie de apoyo con la válvula. Las válvulas se abren desplazándose hacia el interior de la cámara de combustión, con lo que se favorece la estanqueidad, dado que la presión de los gases tiende a cerrarlas. La forma de la cabeza de la válvula y su acoplamiento al asiento se realizan de manera que, en consonancia con la alzada, se permita una gran sección de paso al gas y una orientación adecuada que frene lo menos posible su velocidad. Esta es la razón por la que el asiento forma generalmente un ángulo de 45° con el plano de la cabeza de la válvula. La unión de ésta al vástago se redondea siguiendo la forma más idónea para el recorrido del gas. Con el mismo objeto se adapta el colector a la cámara de combustión con la inclinación más propicia.
  • 47. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 37. Configuración de las válvulas.4 Un EJE DE LEVAS (fig. 38), se fabrica de Acero fundido o Acero forjado con una leva por válvula es usado para abrirlas y cerrarlas. Las superficies de las válvulas están endurecidas para obtener una vida útil adecuada. En los motores de cuatro tiempos, los ejes de levas giran a la mitad de velocidad que el cigüeñal. Figura 38. Árbol de levas y sistema de distribución árbol – válvulas. Fuente: http://tinyurl.com/3gpfc53 4 Fuente: http://tinyurl.com/6chtyzs HEYWOOD, John B. Internal combustion engine fundamentals, Mc Graw Hill1988.
  • 48. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Los árboles de levas tienen diferentes disposiciones en el motor, los más usados en motores es el montaje sobre la culata (Over Head Valves) (fig. 39 b), doble árbol de levas (fig. 39 a), para mayores requerimientos de potencia en motores de cilindros en V; también existen árbol de levas sobre el bloque en motores de gran tamaño y de inercias considerables, ubicadas de esta manera para disminuir el impacto del peso del árbol sobre los elementos del mecanismo biela – pistón y lograr un mejor aprovechamiento de la transmisión con el cigüeñal. Figura 39. Disposición del Árbol de levas: a) DOHV (Double Over Head Valves) b) OHV (Over Head Valves). a) Fuente: http://tinyurl.com/67rdjfo b) Fuente: http://tinyurl.com/3uuz9un. La CULATA (Fig.40), tapa los cilindros y está hecha de hierro fundido o aluminio. Esta debe ser fuerte y rígida, para distribuir las fuerzas que los gases ejercen sobre ella, a través del bloque del motor, lo más uniformemente posible y de alta conductividad térmica logrando que el calor de la combustión sea evacuado al exterior, evitándose la formación de puntos calientes que pueden ocasionar la detonación. La culata contiene la bujía en los motores de encendido por chispa o
  • 49. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA el inyector de combustible en los motores de encendido por compresión, y parte del mecanismo de válvulas en los motores con válvulas en la culata. Figura 40. Culata o cabeza de cilindros. Fuente: http://tinyurl.com/6cxha9p La culata se manufactura con sistemas evacuadores de calor alrededor de las cámaras de combustión para producir el debido enfriamiento ya sea ductos para agua o aletas de refrigeración dentro de una corriente de aire fresco para la transferencia térmica. El CÁRTER (Fig.41), es el elemento que cierra al bloque por la parte inferior, su forma cóncava actúa aporta la capacidad de funcionar como depósito para el aceite del motor. Con el objeto de evitar el oleaje del aceite, que suelen disponer en el cárter de chapas que frenan el desplazamiento del mismo, especialmente en el sentido de la marcha. Normalmente el cárter se fabrica por estampación a partir de chapa de acero, con aleaciones ligeras de aluminio que sin aportar demasiado peso, y debido a su
  • 50. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA buena conductibilidad térmica, disipan una gran cantidad de calor, a lo que contribuye en muchos casos la presencia de aletas de refrigeración. El empleo de este material presenta la ventaja añadida de que disminuye el nivel acústico del motor. Figura 41. Cárter con aletas para motores VAG 1.8T 20VT Fuente: http://tinyurl.com/3naokzd 1.6 SISTEMAS AUXILIARES DE LOS MOTORES ALTERNATIVOS Para su funcionamiento el motor debe controlar ciertas variables que permiten el óptimo desarrollo de cada elemento que compone el motor. Es necesario comprender los sistemas que permiten mantener una temperatura de operación sobre el rango permisible, como se logra eliminar y transportar el calor producto de la combustión en el pistón y disminuir al mínimo los desgastes por fricción en los elementos cinemáticos del mismo. Además, el sistema de distribución mecánica, el sistema de arranque, el mecanismo que permita la
  • 51. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA admisión y escape del combustible y los gases productos de la combustión, los principales componentes y actualidades. También es de suma importancia conocer los sistemas de alimentación del combustible, diseñados para controlar el consumo, las emisiones contaminantes y control en las variaciones de carga del motor. El SISTEMA DE LUBRICACIÓN a presión dosifica la circulación de aceite entre los diferentes elementos cinemáticos, permitiendo su movimiento con facilidad y suavidad sobre la marcha del motor. Para reducir el rozamiento en los acoplamientos metálicos móviles se interpone entre ambas superficies, una fina película de aceite, de tal manera, que forme una cuña de aceite que mantenga separada e impida el contacto entre sí. También, el aceite funciona como medio de transporte para liberar el calor producto de las altas temperaturas generadas sobre los elementos que producen el movimiento alternativo. En la mayoría de los motores el aceite se encuentra alojado en el cárter, es succionado por una bomba rotativa (fig. 42), la cual lo impulsa hacia el filtro de aceite eliminando impurezas y luego se lanza a presión hacia los casquetes axiales del cigüeñal, al muñón de biela, los cojinetes, apoyos, al bulón del pie de la leva, los engranajes de transmisión; también se suministra lubricación a cada pistón y a su cilindro correspondiente. Esta presión debe ser la correcta para que el aceite llegue a los puntos a engrasar, no conviene que sea excesiva, ya que aparte de ser un gasto innecesario llegaría a producir depósitos carbonosos en los cilindros y las válvulas. Luego el aceite usado se dirige hacia un intercambiador de calor 5 (permite 5 Se incorpora un radiador para el aceite para motores de alto cilindraje y potencia. (Diesel).
  • 52. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA mantener la temperatura del aceite en los rangos admisibles de lubricación), se recolecta o descarga en el cárter para repetir el ciclo (cárter húmedo). Figura 42. Sistema de lubricación por cárter húmedo. Fuente: http://tinyurl.com/3weuhwf. En los sistemas de cárter seco, la mayor parte del aceite está contenida en un depósito separado. El aceite que cae del motor al cárter vuelve a aquel depósito por medio de una segunda bomba auxiliar, y desde él la bomba principal impulsa al aceite por el conducto principal de lubricación del motor. Es usada en automóviles de carreras, Ralley y aviones. En la figura 43, se presenta el sistema de alimentación Porshe 911 GT3 por cárter.
  • 53. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 43. Motor Porshe 911 GT3, con cárter seco. Fuente: http://tinyurl.com/6gd6bvs La bomba (fig. 44), recibe el movimiento del árbol de levas y, por tanto, su velocidad de funcionamiento está de acuerdo con la velocidad de giro del motor. Si el motor gira deprisa, también lo hará la bomba y, por tanto, enviará más aceite a las conducciones de lubricación. Figura 44. Bomba de rotores excéntricos. a) Despiece del rotor, b) En corte. a) Fuente: http://tinyurl.com/6aplvnr b)
  • 54. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Si el aceite está frío, ofrecerá dificultad a pasar por las canalizaciones, produciendo un aumento de presión en las tuberías, superior a la normal, que traerá consigo mayor trabajo para la bomba y un aumento de deterioro de aceite. Para mantener la presión adecuada existe la válvula limitadora o válvula de descarga, que tiene por misión descargar las tuberías de lubricación del aceite sobrante cuando hay un exceso de presión limitando esta presión máxima de funcionamiento. Normalmente la válvula de alivio está incorporada en la bomba de aceite. El elemento filtrante del aceite es cilíndrico y está contenido en un bote metálico atornillado al lado del bloque del motor. Una varilla y un muelle dentro del bote fijan con firmeza el elemento filtrante a la cabeza del filtro. Figura 45. El tipo de filtro de aceite de flujo total suministra aceite limpio al conducto principal. Es el filtro que se coloca en la mayoría de los automóviles actuales. 6 Figura 46. El filtro de derivación (“bypass”) envía aceite limpio de vuelta al cárter y un restrictor, evita el filtrar parte del flujo de aceite impulsado por la bomba. Los filtros de aceite de flujo total (fig. 45), este tipo de filtro se acopla entre la bomba de aceite y el conducto principal, filtrando todo el aceite que se envía al 6 Extraída de A-PUNTO, Fichero practico del automóvil, editorial SARPE, 1982.
  • 55. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA motor. El elemento filtrante no debe ser tan fino como para restringir el flujo de aceite, debido a que produciría una sobrepresión en el sistema (estado deteriorado), por ello es necesario colocar un bypass en la carcasa del filtro, de manera que se disponga de un circuito alternativo para el aceite de engrase. Los filtros de desvío de aceite (fig. 46), utiliza una materia filtrante más fina que un filtro de flujo total, pero filtra solamente una parte del aceite que envía la bomba. El filtro se instala en un circuito de desvío, que devuelve el aceite filtrado al cárter. Sin embargo, debido a que una parte del aceite está siendo filtrada continuamente, éste se mantiene limpio razonablemente. También, el filtro debe ofrecer la suficiente resistencia al flujo del aceite para mantener la presión del sistema de lubricación. En los motores generalmente se disponen dos filtros, uno en el suministro y otro en la parte de alta presión del sistema de lubricación, inmediatamente después de la bomba de aceite. Normalmente, el pequeño filtro del cárter se denomina “colador”, ya que su paso o trama es relativamente grande para reducir al mínimo el riesgo de estrangular el efecto de succión. El colador sólo puede atrapar las partículas de mayor grosor y es principalmente el filtro de aceite de alta presión el que conserva el aceite limpio. Los sistemas de lubricación de última generación, son instalados en vehículos de altas prestaciones y de competencia, añadiendo por ejemplo más puntos de succión en el cárter y mediante gestión electrónica aumentar el caudal de aceite antes de que el motor produzca una alta aceleración para que ya esté prelubricado antes de llegar a ese régimen. En el mercado existen algunos vehículos que incorporan una pequeña bomba auxiliar eléctrica de aceite, la cual se activa antes de arrancar el vehículo envían aceite a la parte superior del motor y a aquellas zonas en las que con el vehículo parado hay deficiencia del mismo garantizando una suavidad plena en el arranque y favoreciendo el ahorro de carga eléctrica procedente de la batería para mover el motor de arranque.
  • 56. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA La finalidad del SISTEMA DE ENFRIAMIENTO (fig. 47) es mantener el motor a su temperatura de funcionamiento más eficiente a todas las velocidades y en todas las condiciones. Durante la combustión, las temperaturas son altas y se genera una gran cantidad de calor. Alrededor del 25% del calor se utiliza para efectuar trabajo útil, 31% se disipa con los gases de escape y 33% se absorbe en el sistema de enfriamiento. El resto del calor se utiliza para vencer la fricción del motor. Parte del calor de las cámaras de combustión lo absorben las paredes de los cilindros, culatas de cilindros y pistones. Éstos a su vez deben ser enfriados por algún medio a fin de que las temperaturas no se vuelvan excesivas. La temperatura en la pared de los cilindros no debe subir por arriba de 300°C. Figura 47. Sistema de refrigeración. Fuente: http://tinyurl.com/6y547t
  • 57. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Las temperaturas más altas hacen que se desintegre la película de aceite y pierda sus propiedades lubricantes: sin embargo, es deseable que el motor funcione a una temperatura lo más cercana, hasta donde sea posible, a los límites impuestos por las propiedades del aceite. Si se disipa demasiado calor a través de las paredes y de la culata de los cilindros, se reduciría la eficiencia térmica del motor. Dado que el motor es muy poco eficiente cuando está frío, el sistema de enfriamiento incluye componentes que evitan el enfriamiento normal durante el periodo de calentamiento. Estos componentes permiten que las piezas del motor alcancen con rapidez su temperatura de funcionamiento y reducen el ineficiente periodo de funcionamiento en frío. Por tanto, el sistema de enfriamiento hace bajar la temperatura con rapidez cuando el motor está caliente y sólo permite enfriamiento lento o no lo permite durante el periodo de calentamiento y cuando el motor está frío. Para motores de mayor tamaño se utiliza un sistema de refrigeración que consiste en hacer circular agua a presión por el interior del bloque y la culata. Para extraer a su vez el calor del agua una vez recorrido el interior del motor, se emplea un radiador externo compuesto por tubos y aletas de enfriamiento. En los vehículos antiguos, las aspas del ventilador de radiador y la bomba que impulsa en circulación el agua se movían juntamente con el cigüeñal por medio de una correa. Actualmente se emplean ventiladores con motores eléctricos, el cual comienza a funcionar automáticamente cuando el termostato se lo indique. La bomba de agua, es una bomba centrífuga accionada por el motor mediante una correa, la capacidad de la misma debe ser suficiente para proporcionar la circulación del líquido refrigerante por el circuito de refrigeración, transportando el calor sobrante hacia el exterior, el flujo del líquido refrigerante regresa a la bomba de agua a través del desviador cuando está cerrado el termostato y por el radiador cuando el termostato está abierto.
  • 58. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 48. La bomba de agua (izquierda) impulsa agua hacia el bloque del motor. A la derecha, un ventilador con embrague fluido. Cuando la temperatura del aire que pasa por el radiador sube, la espiral bimetálica se dilata y abre la válvula de control. Entra más fluido dentro de la cámara del rotor, el embrague agarra con más fuerza y el ventilador gira con más rapidez. Al enfriarse el motor, la velocidad disminuye. 7 Los motores refrigerados por agua (fig. 47), tienen canales que atraviesan el bloque alrededor del cilindro y en ellos circula continuamente agua, que hace pasar el calor desde el motor a la atmósfera por el intermedio de un radiador. Los bloques de cilindros que no tienen camisa tienen las cámaras de agua alrededor de los huecos de los cilindros con sólo el metal suficiente entre unas y otros para resistir las presiones que se crean en el interior de los cilindros. En los motores que tienen camisas, por el contrario, las cámaras de agua pueden entrar 7 Extraída de A-PUNTO, Fichero practico del automóvil, editorial SARPE, 1982.
  • 59. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA en contacto con ellas (camisas húmedas) o puede que haya una pared de metal entre la camisa y la cámara de agua (camisas secas) (fig. 49). Figura 49. Las camisas de los cilindros son de dos tipos: húmedas y secas. Las húmedas son adyacentes a las cámaras de agua, mientras que las secas no lo son. 8 El radiador (fig. 50), es un dispositivo para contener una gran cantidad de agua en íntimo contacto con un volumen considerable de aire, con el fin que el calor resulte transferido del agua al aire. Constructivamente, un radiador está formado por dos compartimientos, totalmente aislados uno del otro. El termostato tiene por finalidad lograr que el motor llegue a su temperatura normal de funcionamiento lo más rápidamente posible y además regular el paso del agua hacia el radiador, según temperatura, cuando el motor está frío el termostato está cerrado, (no deja pasar el agua al radiador) motor caliente, el termostato está abierto. 8 Extraida de A PUNTO Fichero Práctico Del Automóvil 1983 SARPE ediciones, España
  • 60. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 50. Un radiador típico (izquierda), con su vía de agua. A la derecha, corte de los paneles de dos tipos de radiador. El tipo tubular (arriba) es actualmente menos común que el celular (abajo), pero durante muchos años fue el dominante. 9 En la actualidad el ventilador que logra forzar el aire a pasar por el radiador es alimentado por un motor eléctrico, en los modelos antiguos se montaba una transmisión mecánica al cigüeñal para producir dicho efecto. Para motores a condiciones climáticas bajo 0⁰C, es necesario añadir al agua sustancias anticongelantes que eviten la expansión que sufre ésta al congelarse. Existen sistemas de refrigeración constituidos por una cámara de expansión que comunica con el exterior mediante una válvula de seguridad y cuando el vapor de agua se enfría y condensa por diferencia de presión, vuelve al radiador (fig. 51). El sistema por refrigeración es de uso común en motores de motocicletas como en aviones, además de motores de bajo rango de potencias (fig. 52). 9 Extraida de A PUNTO Fichero Práctico Del Automóvil 1983 SARPE ediciones, España
  • 61. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 51. El termostato de cera se contrae cuando el agua está fría y cierra las válvulas. Cuando el motor funciona, el agua se calienta, el termostato se dilata y vuelve a abrir la válvula. Su operación es gradual según la velocidad del motor.10 Entre los sistemas más utilizados se encuentra el propio aire atmosférico o el tiro de aire forzado que se obtiene con la ayuda de un ventilador. Se emplean para motores que desarrollan poca potencia como las motocicletas y vehículos pequeños. Figura 52. Refrigeración por aire. Fuente: http://tinyurl.com/6d2wzua 10 Extraida de A PUNTO Fichero Práctico Del Automóvil 1983 SARPE ediciones, España
  • 62. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA El SISTEMA DE ADMISIÓN es el encargado de suministrar el flujo de aire o mezcla (carburador) a la velocidad adecuada al pistón, para aprovechar al máximo el llenado del mismo y lograr una mejor combustión del motor. El sistema lo componen el filtro de aire, la mariposa de aceleración y el múltiple de admisión (fig. 53). Figura 53. Múltiple de admisión tradicional. Fuente: http://tinyurl.com/3tqvfw7. El sistema de admisión variable ( múltiple de flujo variable) se utiliza para mejorar la entrada de aire a los cilindros en dependencia del régimen al que se encuentre el motor, mejorando directamente el par motor a esos regímenes y en consecuencia las prestaciones de motor (fig. 54) Los colectores de admisión convencionales no disponen de la flexibilidad, con la que cuentan los colectores de admisión variable, para adaptarse a los distintos regímenes del motor. Con los colectores de admisión convencionales se consigue un par motor elevado a un numero de revoluciones bajo o una potencia elevada para un numero de revoluciones alto, pero no se consigue las dos condiciones a la vez, por eso la necesidad de un sistema eficaz para todos los regímenes de funcionamiento del motor.
  • 63. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 54. Colector de admisión variable Porsche Fuente: http://tinyurl.com/4xtfcul El aire necesario para la combustión en el motor fluye a través del colector de admisión hasta la válvula de admisión. Los sistemas de inyección de combustible modernos para motores de gasolina inyectan el combustible en el colector de admisión justo antes de la válvula de admisión. Figura 55. Sistema de admisión variable. Fuente: http://tinyurl.com/4xtfcul La longitud del colector de admisión está sujeta a demandas variables − y de hecho contradictorias − en diferentes estados de marcha, a fin de asegurar la
  • 64. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA mayor tasa posible de afluencia de aire a cualquier régimen de revoluciones del motor y proporcionar una buena carga de los cilindros (fig. 55). Mientras que, a bajas revoluciones, el par debe suministrarse lo más rápidamente posible − lo ideal para ello es un colector de admisión corto −, la potencia máxima a regímenes elevados requiere colectores de admisión largos. El colector de admisión variable presenta un sistema de aletas controlado electrónicamente para satisfacer ambas demandas, canalizando el aire por el colector de admisión corto a regímenes bajos y por la sección larga a regímenes elevados. En la figura 56, se observa el circuito que rige la admisión variable Figura 56. Circuito electróneumático del sistema de admisión variable Fuente: http://tinyurl.com/4xtfcul En los motores de 4 válvulas por cilindro, tenemos 2 válvulas de admisión, por lo que podemos utilizar en vez de un conducto de admisión por cada cilindro, 2 conductos, uno para cada válvula de admisión. Uno de los conductos estará controlado por una válvula mariposa, para cortarlo a bajas r.p.m. y abrirlo a altas r.p.m. Para poder funcionar con un inyector por cilindro, se realiza una pequeña
  • 65. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA abertura en la pared de separación entre ambos conductos justo antes de llegar a las válvulas de admisión. En algunos círculos se defiende el pulido a espejo de los colectores eliminando totalmente su rugosidad. Sin embargo en otros se argumenta que un primer pulido dejando el colector más refinado es suficiente, y se consiguen los mismos resultados que con el pulido a espejo. La base de esta argumentación es que la película de aceitosa que se forma en el interior del colector, funciona como un pulido a espejo, anulando la ligera rugosidad que podamos dejar y disipando las ventajas de un trabajo más afinado. Esto se ha demostrado en competencias deportivas donde los más mínimos cambios afectan la potencia y la puesta punto del motor. Algunos sistemas de admisión tienen depósitos extra (puertos de vacio), para activar P.C.V, la purga del canister, la purga de EGR, en el campo de camperos la activación del 4x4, sistemas que funcionan por vacio. Un sistema de filtrado (fig. 57), efectivo provee al motor aire limpio con una restricción mínima, separando del aire los materiales finos como el polvo, arenas, etc. También debe permitir la operación del motor por un período de tiempo razonable antes de requerir servicio. El SISTEMA DE ESCAPE permite la evacuación a gran velocidad de los gases de escape hacia el exterior. Sin embargo éste sistema está en cambio permanente debido a las exigencias ambientales que actualmente legislan los MICH y MIC. El colector de escape (fig. 58), se fabrica en fundición de hierro para que soporte las altas temperaturas de los gases de escape
  • 66. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 57. Filtro de aire. Fuente: http://tinyurl.com/6bw2k7y Figura 58. Colector de escape y sonda Lamba. Fuente: http://tinyurl.com/3quperz El en múltiple de escape también, al igual que en múltiple de admisión, se han preocupado por lograr que las distancias recorridas por los gases antes de
  • 67. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA encontrar el punto en común sean iguales. Ello se explica por las contrapresiones que se ejercen sobre los pistones, si las distancias son diferentes existe un desbalanceo en los pistones del motor. Ésta tecnología se conoce como Múltiples de escape armónicos. El turbocompresor es una combinación de turbina y compresor (fig. 59), utiliza la energía disponible de los gases de escape para lograr la compresión del flujo de entrada. Son usados en motores Diesel para incrementar la máxima potencia que puede obtenerse de un motor con un desplazamiento determinado. Figura 59. Vista isométrica del conjunto turbina-compresor. Fuente: http://tinyurl.com/5vvdcqp El trabajo transferido por ciclo por cada pistón, el cual controla la potencia entregada por el motor, depende de la cantidad de combustible quemado por ciclo en cada cilindro.
  • 68. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Esto a su vez depende de la cantidad de aire fresco que inducido en cada ciclo. Incrementando la densidad del aire antes de entrar al motor se incrementa la máxima potencia que un motor de un desplazamiento dado puede entregar. La figura 60, muestra un turbocargador utilizado en motores a gasolina. Figura 60. Turbocargador: a) Vista general, b) compresor. a) b) Fuente: http://tinyurl.com/3v9fbrf El flujo de aire pasa a través del compresor, el intercooler11, al sistema de alimentación luego por la válvula de admisión al cilindro. La presión del aire al entrar a la cámara de combustión está alrededor de 100Kpa por encima de la presión atmosférica. El flujo de salida a través de la válvula de escape conduce la turbina que a su vez proporciona la potencia al compresor (fig. 61). 11 Sistema de enfriamiento sobre el aire después de la compresión accionada por el turbocompresor.
  • 69. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 61. Vista isométrica del conjunto turbina-compresor (funcionamiento). Fuente: http://tinyurl.com/3dp364p El turbocargador de geometría variable (TGV), (Fig. 62) permite orientar los alabes de la turbina según sea el estado de carga del motor. Para conseguir la máxima compresión del aire a bajas r.p.m. deben cerrarse los alabes ya que disminuyendo la sección entre ellos, aumenta la velocidad de los gases de escape que inciden con mayor fuerza sobre las paletas del rodete de la turbina. Cuando el motor aumenta de r.p.m y aumenta la presión de soplado en el colector de admisión, la cápsula neumática lo detecta a través de un tubo conectado directamente al colector de admisión y lo transforma en un movimiento que empuja el sistema de mando de los alabes para que estos se muevan a una posición de apertura que hace disminuir la velocidad de los gases de escape que inciden sobre la turbina.
  • 70. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 62. Turbocompresor de geometría variable. Fuente: http://tinyurl.com/5sqpghq Una válvula de By-pass (Wastegate) controla el flujo de escape en la turbina, derivando parte de éste cuando se presenta algún aumento brusco de presión en la misma. Con este sistema se logro implementar la sobrealimentación a motores de gasolina. Los elementos catalíticos (fig. 63), que se usan son metales preciosos como el rodio, el platino, etc; que se colocan en un sustrato cerámico de celdillas situados en el escape, de este modo los gases al pasar por estas celdillas entran en contacto con los catalizadores y gracias a ellos se acelera enormemente las reacciones de oxidación. El panel de celdillas lo que hace es que todo el gas pase por pequeños conductos de manera que todo el gas así repartido entra en contacto con el catalizador.
  • 71. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 63. Catalizador del sistema DENOXTRONIC – BOSH. Fuente: http://tinyurl.com/3rqnx9n Para cumplir los futuros valores de emisiones límite, ya no es suficiente con aplicar modificaciones técnicas sobre la combustión en el interior de los motores para reducirlas. Por ejemplo, bajar el ajuste en el comienzo de inyección en sentido de retardo, elimina los óxidos de nitrógeno pero al mismo tiempo por el contrario, eleva la emisión de partículas y el consumo de combustible. Precisamente en el servicio de los vehículos industriales, con una alta prestación en kilómetros, esto último conllevaría una rápida elevación de los costes de explotación y con respecto a la emisión de partículas, aunque ya se desarrollan filtros para minimizar este componente, todavía no está disponible esta técnica para su introducción en la fabricación en serie en el área del vehículo industrial. Para alcanzar la exigida reducción en las emisiones y al mismo tiempo reducir el consumo de combustible son necesarios los sistemas de tratamiento posterior de los gases de escape (fig. 64). La Reducción Catalítica Selectiva - SCR, es una tecnología de control postcombustión, basadas en la reducción química de los óxidos de nitrógeno (NO x) a
  • 72. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA nitrógeno molecular (N2) y vapor de agua (H2O). El uso de un catalizador permite que este proceso ocurra a unas temperaturas relativamente bajas. El AdBlue es una solución del 32,5% de urea (amoníaco) en agua destilada. La sustancia activa del aditivo AdBlue, la urea, se fabrica industrialmente a partir del gas natural calentando el carbamato amónico, que se obtiene a su vez haciendo reaccionar a presión el amoníaco y el anhídrido carbónico, es una sustancia estable y no tóxica que carece de restricciones en cuanto a su almacenamiento o transporte. Figura 64. Sistema DENOXTRONIC – BOSH. Fuente: http://tinyurl.com/3r8ales El proceso se realiza como sigue: un agente reductor basado en el nitrógeno tal como el amoníaco o la urea (AdBlue), es inyectado dentro del gas de poscombustión. El reactivo reacciona selectivamente con el gas de combustión NOx (óxidos de nitrógeno) dentro de un rango específico de temperatura, y en la presencia del catalizador y oxígeno, para reducir al NO x en nitrógeno molecular (N2) y vapor de agua (H2O).
  • 73. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Un filtro previo filtra primero las partículas más grandes que son mayores a 100 μm. El filtrado fino se realiza, a continuación, a través del elemento filtrante, que retiene el 95 por ciento de las partículas que son mayores a 10 μm. Sólo después de ese filtrado riguroso, el “AdBlue” llega al módulo de dosificación que se ocupa de medir la cantidad exacta que se va a inyectar en el flujo de gases de escape. El sistema DENOXTRONIC – BOSH cumple con las especificaciones de emisiones aprobadas con la norma EURO V. Los silenciadores (fig. 65), están previstos para amortiguar el ruido del escape reduciendo gradualmente la presión de los gases de escape conforme son expulsados de los cilindros en los motores de combustión interna y de turbinas a gas. Figura 65. Silenciadores. Fuente: http://tinyurl.com/6z4lpgl El silenciador, convierte esta energía de la onda de sonido en calor, haciéndola pasar por diversas cámaras con reflectores y tubos en forma de laberintos perforados con diferentes tamaños. El SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN es el conjunto de elementos que regulan la apertura y cierre de válvulas en el momento oportuno y a su vez la entrada de la mezcla, (gases frescos) y la salida de los gases residuales de los cilindros, en el momento adecuado después de producirse la combustión.
  • 74. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 66. Diferentes sistemas de distribución: a) por cadena, b) por banda dentada a) b) Fuente: http://tinyurl.com/64n635x En la figura 66a, se observa la distribución por cadena, se utilizan piñones con huecos en forma de semicírculo (cigüeñal-árbol de levas) a los que se acoplan los rodillos de los eslabones de la cadena. En estos montajes se pueden utilizar cadenas simples, dobles o triples, el sistema de mando por cadena consiste en realizar la unión de los dos piñones (cigüeñal árbol de levas) por medio de una cadena dotada de un tensor. Este tensor puede ser de tipo mecánico o hidráulico. Su lubricación es necesaria y se realiza por medio del aceite del propio motor. En cuanto al ruido, es menor que el de piñones, pero aún lo es más que el de correa dentada. El sistema de banda dentada (fig. 66b), es más utilizado actualmente y presenta una serie de ventajas frente a las demás: - Menos ruidosa. - No necesita engrase. - Puede situarse en el exterior del bloque. - Menos costosa.
  • 75. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA - Más fácil de sustituir. Sin embargo, tiene la dificultad de ser menos resistente y duradera, porque necesita un mantenimiento más periódico. Los distintos componentes de una correa de distribución son: El dorso de la correa, el cabo de tracción, el lecho, el dentado y el tejido protector. El dorso de la correa y también los dientes son de materiales de gran calidad sobre una base de policloropreno. Estos se adhieren de forma excelente al cabo de tracción y al tejido protector. Las correas de distribución necesitan tener una gran resistencia a la tracción. Unos cabos de fibra de vidrio, en forma de tornillo, cumplen esta exigencia de forma óptima. Las correas han de estar tensadas correctamente ya que de estarlo insuficientemente, podrían dar lugar al salto de un diente y provocar una avería. La distribución variable permite cambiar el momento de apertura y cierre de las válvulas en función del régimen del motor. Los sistemas más sofisticados también pueden controlar el tiempo durante el que la válvula permanece abierta. Para una mejor comprensión véase: http://www.youtube.com/watch?v=MYflBZHV_wo Cuanto más rápido gira un motor, más difícil resulta llenar los cilindros, puesto que las válvulas abren y cierran mucho más deprisa. Lo ideal es que la válvula de admisión se abra un poco antes del inicio de la carrera de admisión, y la de escape un poco antes de iniciarse la carrera de escape, para ayudar así al vaciado y llenado de los cilindros (fig. 67). El inconveniente proviene que el momento óptimo de apertura de las válvulas es diferente para cada régimen del motor, por lo que resulta imprescindible sacrificar rendimiento en todos los regímenes de giro para obtener un resultado aceptable también en todos los regímenes de giro.
  • 76. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 67. Diagrama del cruce de válvulas. Fuente: http://tinyurl.com/67cab5s En un motor de cuatro tiempos las válvulas de admisión y escape no se abren y cierran justo en el momento en que el pistón se encuentra en el punto muerto superior (P.M.S.) o en el punto muerto inferior (P.M.I.), tal como se explica en el funcionamiento teórico de un motor (fig. 67b). En realidad la válvula de admisión su apertura comienza antes de que el pistón alcance el P.M.S. Esto permite beneficiarse de la inercia de los gases aspirados y conseguir llenar más el cilindro así como limpiar los gases quemados y se denomina Avance a la Apertura de la Admisión (A.A.A). Cuando el pistón llega al P.M.I. en su carrera descendente, la inercia de los gases que están entrando en el cilindro sigue introduciéndolos aún cuando el pistón ya inicia su ascenso en la carrera de compresión. Por ello, si la válvula de admisión se cerrara exactamente en el P.M.I., los volúmenes serian constantes, limitando la potencia producida por el motor. Conviene, cerrar la válvula de admisión en plena carrera ascendente de compresión y lograr un mejor llenado; se conoce por Retardo al Cierre de Admisión (R.C.A.).
  • 77. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA La válvula de escape tampoco se abre en el P.M.I. exactamente, uno poco antes; su proceso de apertura no es de una forma instantánea, si al iniciar el pistón su carrera ascendente de escape no estuviera parcialmente abierta la válvula de escape, se originarían fenómenos de choque por los gases procedentes de la combustión. Este adelanto se llama Avance a la Apertura del Escape (A.A.E.). Cuando el pistón alcanza nuevamente el P.M.S. después de su carrera ascendente de escape, los gases continúan saliendo del cilindro, por lo que conviene cerrar la válvula de escape un poco después que el pistón haya vencido el P.M.S., de esta manera, se facilita la total evacuación de los gases quemados, con lo que el cilindro queda más limpio y por tanto tiene una mejor calidad la mezcla. Esto es lo que llamamos Retardo al Cierre del Escape (R.C.E.). Al instante en que las válvulas de admisión y escape permanecen abiertas se denomina cruce de válvulas. Estos avances y retardos expuestos anteriormente se miden en grados y vienen especificados en los manuales de cada motor. Se representan mediante un diagrama donde se completan los giros pertenecientes a todo el ciclo. El SISTEMA DE ENCENDIDO generalmente se define al sistema necesario e independiente capaz de producir el encendido de la mezcla de combustible y aire dentro del cilindro en los motores de gasolina o LPG, conocidos también como motores de encendido por chispa, ya que en el motor Diesel la propia naturaleza de la formación de la mezcla produce su auto-encendido.
  • 78. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 67. Sistema de encendido convencional (con platinos). Fuente: http://tinyurl.com/6goeowr El encendido por magneto suele ser utilizado en motores aeronáuticos mientras que el encendido por batería y bobina es clásico en motores de automóvil, aunque en estos últimos está siendo desplazado por el encendido electrónico. En los motores de gasolina resulta necesario producir una chispa entre dos electrodos separados en el interior del cilindro en el momento justo y con la potencia necesaria para iniciar la combustión. En un motor (ciclo otto) con sistema de encendido convencional, la bujía necesita de una tensión (voltaje) que está entre 8.000 a 15.000 voltios (8 - 15 kV), para producir la chispa. El sistema de encendido convencional ( fig. 67), consta de la llave de encendido (1), batería(2), bobina (3), Distribuidor (4), cables (5) y bujías (6).
  • 79. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Esta tensión depende de muchos factores, como: • Desgaste de las bujías (apertura de los electrodos). • Resistencia de los cables de encendido. • Resistencia del rotor del distribuidor. • Distancia entre la salida de alta tensión del rotor y los terminales de la tapa del distribuidor. • Punto de encendido (tiempo del motor). • Compresión de los cilindros. • Mezcla aire/combustible. • Temperatura del motor. El sistema de encendido electrónico (fig. 68), consta de la llave de encendido (1), batería (2), unidad de comando (3), pre-resistencia (4), bobina (5), distribuidor (6) y bujía (7). En los actuales sistemas de inyección electrónica de gasolina se combinan con un encendido electrónico integral aprovechando muchos de los sensores que les son comunes y la propia unidad de control (UCE) para gobernar ambos sistemas. El encendido electrónico posee muchas ventajas sobre el sistema de platino: • No utiliza platino y condensador, que son los principales causantes del desajuste del sistema de encendido. • Mantiene la tensión de encendido siempre constante, garantizando más potencia de la chispa en altas revoluciones. • Mantiene el punto de encendido (tiempo del motor) siempre ajustado.
  • 80. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 68. Sistema de encendido electrónico. Fuente: http://tinyurl.com/6goeowr El SISTEMA DE ARRANQUE tiene por finalidad girar al motor con una fuente externa que le permita vencer la resistencia inicial de los componentes cinemáticos, al ponerse en marcha. Pueden ser para motores de dos o cuatro tiempos. El arrancador consume gran cantidad de corriente al transformarla en energía mecánica para dar movimiento al cigüeñal y vencer la enorme resistencia que opone la mezcla al comprimirse en la cámara de combustión. El arranque por aire comprimido se usa para algunos grandes motores en los que la potencia necesaria hace difícil el uso del arranque eléctrico debido a las altísimas corrientes necesarias, y en algunos vehículos especiales adaptados para funcionar a muy bajas temperaturas donde las baterías como acumuladores no
  • 81. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA pueden utilizarse. También en estos grandes motores el proceso de arranque es más complejo y por lo general, deben hacerse girar hasta que se lubriquen las partes internas antes de someterlos al funcionamiento por ellos mismos. El arranque por motor de combustión auxiliar se usa en algunas máquinas de la construcción que usan motores Diesel. Estas máquinas pueden prescindir de las baterías de acumuladores y así ser más adaptables a condiciones climáticas de fríos severos. Usan un pequeño motor de gasolina que se arranca por el método manual o con motor eléctrico, este a su vez acciona el motor principal a través de un acoplamiento de engranajes desplazables. Estos pequeños motores pueden hacer girar por largo tiempo al motor principal para permitir la lubricación antes de la puesta en marcha. También existen automotores que no poseen el sistema de arranque incorporado en el motor, son elementos externos y accionan el motor justo al momento de iniciar su operación. Un ejemplo son los automóviles de la F1. En un MICH, El sistema de arranque está compuesto por:  La Batería  El alternador  El motor eléctrico. El principio de funcionamiento se basa en inducir una corriente sobre un motor eléctrico (fig. 69), en el cual es forzado a girar. Esta capacidad se logra a expensas de sobrecargar eléctricamente las partes constituyentes ya que el tiempo de funcionamiento es muy breve, por tal motivo no debe mantenerse en acción por largo tiempo, so pena de terminar averiado por sobrecalentamiento. El consumo de electricidad durante el arranque es elevado (hasta 1000 Amp para grandes motores de combustión), de manera tal que también la batería funciona en un régimen muy severo durante este proceso
  • 82. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 69. Despiece de un motor eléctrico de arranque. Fuente: http://tinyurl.com/6ktdg5u La transmisión de la rotación desde el motor de arranque al motor de combustión se realiza a través de engranajes. Un pequeño engrane deslizante está acoplado al eje del motor de arranque, este engrane es desplazado sobre estrías por el relé a través de una horquilla pivotante, de manera que se acopla a un engrane mayor que rodea el volante del cigüeñal del motor haciéndolo girar. Este engrane funciona a través de un mecanismo de rueda libre, de manera que el torque del motor de arranque se trasmita al engrane del cigüeñal, pero una vez que el motor de combustión se ponga en marcha, no pueda arrastrar al motor de arranque. Cuando el motor de combustión se ha puesto en marcha y el conductor suelta la llave de encendido, se corta la alimentación eléctrica a la bobina del relé y el muelle de recuperación retira el núcleo cortando la alimentación con electricidad y desacoplando ambos engranes.
  • 83. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA El SISTEMA DE ALIMENTACIÓN tiene por objeto extraer el combustible del depósito y conducirlo a los cilindros en las mejores condiciones, para que la combustión se realice correctamente. Se realiza por métodos físicos que ocurren dentro de un dispositivo, el cual posee un conjunto de mecanismos que nos permitirán administrar la dosis aproximadamente adecuada a los pistones en el momento que lo requiera. En todos los sistemas de alimentación por presión, es necesaria una bomba de combustible para enviar éste desde el depósito luego pasa por un filtro que retiene las partículas sólidas que pudiera contener el líquido, hasta otra bomba de mayor presión de salida (motores Diesel) o hasta los inyectores de gasolina (inyección electrónica MICH). En Motores a gasolina antiguos, la mezcla del aire-combustible se realizaba en un solo elemento, el carburador. El objetivo del carburador (Fig. 70), es conseguir la mezcla de aire-gasolina en la proporción adecuada según las condiciones de funcionamiento del automóvil. El funcionamiento del carburador se basa en el efecto venturi que provoca que toda corriente de aire que pasa por una canalización, genere una depresión (succión) que se aprovecha para arrastrar el combustible proporcionado por el propio carburador. La depresión creada dependerá de la velocidad de entrada del aire que será mayor cuanto menor sea la sección de paso de las canalizaciones. Si dentro de la canalización tenemos un estrechamiento (venturi) para aumentar la velocidad del aire y en ese mismo punto se coloca un surtidor comunicado a una cuba con combustible a nivel constante, la depresión que se provoca en ese punto producirá la salida del combustible por la boca del surtidor que se mezclara con el aire que pase en ese momento por el estrechamiento, siendo arrastrado hacia el interior de los cilindros del motor.
  • 84. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 70. Despiece del carburador Motorcraft.12 En la figura 71, se observa el funcionamiento del motor. Cuando el pistón realiza su recorrido descendente en el tiempo de admisión se provoca un vacío en la cámara de combustión, por lo que la presión absoluta en la misma será muy inferior a la atmosférica; es decir habrá una gran depresión. 12 Extraida de A PUNTO Fichero Práctico Del Automóvil 1983 SARPE ediciones, España
  • 85. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 71. Funcionamiento de un carburador. Fuente: http://tinyurl.com/63xf8pu Esta depresión se transmitirá a través de la tubería de admisión al carburador y hacía el exterior, lo que motivará la entrada en funcionamiento del carburador proporcionando gasolina que se mezclara con el aire que entra debido a la depresión, formando la mezcla de aire-combustible que después se quemara en el interior de la cámara de combustión del motor. La depresión se transmitirá tanto mejor cuanto menos obstáculos encuentre en su camino. Si la mariposa del carburador está cerrada, ésta actuará como una pared respecto a la misma, por lo que encima de ella la depresión será muy pequeña, es decir, la presión será prácticamente igual a la atmosférica. A medida que se va abriendo la mariposa, la depresión se transmite a la zona del difusor, disminuyendo la misma en la zona por debajo de la mariposa. Si aumentamos la sección de paso (abriendo la mariposa), el caudal de aire que pasará será mayor y la depresión en el difusor será también mayor por lo que arrastrara mas gasolina del surtidor hacia los cilindros.
  • 86. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Los carburadores actualmente no tienen gran impacto en la industria automovilística, debido a la implementación de sistemas electrónicos de inyección. Sin embargo, el carburador es muy útil para motores de bajas cilindradas, como motores de herramientas domesticas (podadoras), o en motores de altísima potencia estacionarios, donde sus rangos de las velocidades de operación son muy cortos o constante. En dichos casos el carburador mantiene vigencia y aplicabilidad. Actualmente los MICH el proceso de alimentación, la mezcla se prepara por medio de la inyección de combustible en el colector de admisión (indirecta) o dentro del cilindro (directa), se suministra por medio de inyectores electrónicos. Esta tendencia se explica por las ventajas que supone la inyección de combustible en relación con las exigencias de potencia, consumo, comportamiento de marcha, así como de limitación de elementos contaminantes en los gases de escape. Las razones de estas ventajas residen en el hecho de que la inyección permite una dosificación muy precisa del combustible en función de los estados de marcha y de carga del motor; teniendo en cuenta así mismo el medio ambiente, controlando la dosificación de tal forma que el contenido de elementos nocivos en los gases de escape sea mínimo. Además, asignando una electroválvula o inyector a cada cilindro se consigue una mejor distribución de la mezcla. También permite la supresión del carburador; dar forma a los conductos de admisión, permitiendo corrientes aerodinámicamente favorables, mejorando el llenado de los cilindros, con lo cual, favorecemos el par motor y la potencia. En la figura 72, se indica el cambio de tecnología para un MICH sobre el sistema de mezcla aire – combustible en el tiempo.
  • 87. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 72. Variación del sistema de alimentación en el tiempo. Fuente: http://tinyurl.com/3cggqfn Algunas de las ventajas obtenidas por la inyección son:  Consumo reducido  Mayor potencia  Minimizar las concentraciones de los gases contaminantes.  Tiempos más cortos y mayor aceleración en el arranque en frio y la fase de calentamiento La alimentación por inyección en MICH presenta dos rangos específicos de trabajo:  Mezcla estratificada: El motor es alimentado con una mezcla poco enriquecida cuando el vehículo se desplaza en unas condiciones de carga parcial. Para poder conseguir una mezcla pobre para alimentar el motor éste debe ser alimentado de forma estratificada.
  • 88. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA La mezcla de aire y combustible se concentra en torno a la bujía ubicada en una estratégica posición central en las cámaras de combustión, en cuyas zonas periféricas se acumula prácticamente sólo una capa de aire. La positiva característica de economía de consumo es también una consecuencia de la disminuida dispersión de calor. El aire concentrado de la manera comentada en la periferia del espacio de combustión mientras se produce la explosión de la mezcla en la zona central de la cámara proporciona una especie de aislamiento térmico (fig. 73). Figura 73. Secuencia de la inyección estratificada. Fuente: http://tinyurl.com/6zwcabm Con esta estratificación específica de la carga, el valor Lambda en el área de combustión oscila entre 1,5 y 3. De este modo la inyección directa de gasolina alcanza en el campo de carga parcial el mayor ahorro de combustible frente a los inyecciones convencionales: en marcha de ralentí incluso un 40%. Cuando el motor trabaja con mezcla estratificada en la carrera de admisión solo entra aire en los cilindros. Durante la carrera de compresión se inyecta el combustible y salta la chispa en la bujía.  Mezcla homogénea: El motor es alimentado con una mezcla uniforme en los regímenes más elevados (cuando se exige potencia al motor). La inyección es adaptada de forma automática y el combustible no es inyectado en las fases de compresión sino en las de admisión. Unas determinadas leyes de la termodinámica imponen, no obstante, un aumento del llenado de los cilindros y una disminución de la temperatura de compresión en estas condiciones. Estos ajustes tienen unos efectos secundarios también muy positivos que se manifiestan
  • 89. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA en forma de unos elevados valores de potencia y par motor. Con mezcla homogénea el combustible se inyecta durante la carrera de admisión para crear un efecto de refrigeración. El inyector de alta presión cambia la forma de funcionar en este modo para alimentar el combustible mediante un chorro largo en forma de cono, con objeto de conseguir una dispersión en el cilindro (fig. 74). Figura 74. Secuencia de la inyección homogénea. Fuente: http://tinyurl.com/3un96mz El efecto de refrigeración evita las detonaciones o combustión espontánea en el cilindro que pueden producirse cuando el motor tiene una relación de compresión alta y con un elevado calentamiento. MOTRONIC MED 7 - Inyección Directa de Gasolina El funcionamiento del sistema Monotronic corresponde a la figura 75. Con la bomba de alta presión se suministra al tubo distribuidor de combustible (acumulador de presión). Empalmes hidráulicos unen el tubo distribuidor de combustible con válvulas de alta presión de accionamiento electromagnético. Un circuito regulador cerrado compuesto por sensor de presión de combustible, valvula reguladora de presión y unidad de mando electrónica (ECU), regula la presión del sistema hidráulico individualmente en todos los puntos de servicio.
  • 90. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 75. Sistema MONOTRONIC MED 713. Medidor de masa de aire con sensor de temperatura(1), depósito de carbón activo(2), válvula de purga de aire del depósito(3), bomba de alta presión(4), válvula reguladora de presión(5), distribuidor de combustible(6), bobina de encendido(7), Modulo de aceleración(8), dispositivo estrangulador(9), válvula de retroalimentación de gases de escape(10), Sensor de presión del tubo de admisión(11), sensor de alta presión(12), válvula de inyección de alta presión(13), sensor de picado(14), sensor de temperatura del motor(15), sonda lambda LSU(16), sonda lambda LSF(17), catalizador NOx(18), Unidad de mando electrónico ECU(19), interfaz para diagnostico (20), lámpara de diagnóstico(21), Bloqueo electrónico de arranque(22), CAN(23), módulo transportador para bomba de alimentación(24), sensor de velocidad(25). La presión de inyección, el comienzo de la inyección y la duración de la inyección puede elegirse libremente para cualquier punto de servicio del motor, dentro de los límites predefinidos. La geometría del chorro de inyección se adapta a las 13 Adaptado del Aula Virtual – capitulo 8 (formación de mezcla en MICH)
  • 91. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA exigencias del respectivo motor. Mediante la adaptación del caudal de combustible, del llenado de aire y del ángulo de encendido, el control del motor mantiene constante el par motor conforme al requerimiento de carga, al producirse un cambio de servicio (servicio homogéneo, servicio estratificado). El margen de carga parcial inferior con una mezcla muy pobre (λ>1) y carga estratificada directa, en funcionamiento sin estrangulación; el margen de revoluciones aprovechable es limitado y se reduce las pérdidas de cambio de carga al suprimir la estrangulación. El mando del rendimiento se efectúa por medio del combustible. En el servicio homogéneo (λ=1), es útil en el margen total de revoluciones y carga. La potencia es regulada por el llenado y el encendido. En el servicio homogéneo (λ>1), la cantidad de combustible es menor (excedente de aire) respecto al servicio homogéneo (λ=1). La potencia es regulada por el combustible. Los sistema de alimentación para MIC, han variado en el tiempo y tienen notables diferencias con los MICH. Se recopila dos sistemas de inyección para Motores de Ignición por Compresión (MIC). En los motores diesel la alimentación se realiza introduciendo por separado, en el interior de los cilindros, el aire que en el tiempo de compresión alcanza los 600º C, y el combustible que se inyecta a alta presión, los cuales se mezclan en el interior de la cámara de combustión, donde se produce la combustión de esta mezcla. El combustible se toma del depósito, pasa por el separador combustible/ agua, luego se calienta el combustible que es impulsado por la bomba de alimentación; pasa por el filtro de combustible y llega a la bomba inyectora que aumenta la presión del combustible y posteriormente al inyector. El sistema de baja se considera desde el depósito de combustible hasta la bomba de inyección, el sistema de alta por su parte, lo compone la bomba de inyección hasta el conjunto de inyectores.
  • 92. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA El sistema con bomba en línea, (fig. 77a) se emplea una bomba de unidades múltiples con un elemento de bombeo para cada inyector. El combustible a alta presión que viene de la bomba hace que la aguja del inyector se levante de su asiento para inyectar el combustible en la cámara de combustión. En el diagrama (Fig. 76), la bomba elevadora (2) succiona el combustible del tanque y lo envía a través del filtro (1) hasta la bomba de inyección (6). En el momento correcto, el elemento de bombeo envía combustible a alta presión al inyector que lo atomiza en la cámara de combustión en el cilindro del motor. Figura 76. Sistema de inyección14. a) bomba en línea, b) bomba tipo distribuidor Figura 77. Bombas de inyección: a) bomba en línea, b) bomba tipo distribuidor. 14 Adaptado de: MAY, Ed. Mecánica para Motores Diesel. Madrid: Mc Graw Hill, 1999.
  • 93. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA a) b) Fuente: http://tinyurl.com/3wsrz9q El sistema con bomba tipo distribuidor (fig. 77b), es básicamente similar al de la bomba en línea, pero se emplea bomba del tipo de distribuidor. Tiene un solo elemento de bombeo y un mecanismo para distribuir el combustible a alta presión a los inyectores; éstos, a su vez, atomizan el combustible en las cámaras de combustión. Un pequeño excedente de combustible pasa por los inyectores y retorna al tanque, igual que en el sistema en línea, los inyectores operan por el combustible a alta presión enviado desde la bomba de inyección (fig. 76b). El sistema PT, indica la relación directa entre la cantidad de combustible que se inyecta en las cámaras de combustión con la presión y con el periodo de tiempo durante el cual el combustible entra al inyector (presión – tiempo). Este sistema se emplea en los motores Cummis. El árbol de levas acciona el inyector mediante una varilla de empuje y un balancín (fig. 78c). Este sistema, a veces, se llama inyección mecánica para diferenciarlo de los sistemas con bomba de inyección en línea y de tipo distribuidor en los que sólo hay inyección a presión. En el sistema PT se acciona un émbolo con un impulsor dentro del inyector para introducir el combustible en la cámara de combustión. Según el diagrama, una bomba de engranes que es parte de la bomba de combustible (fig. 78c) (8), succiona el combustible del tanque a través del filtro (1); después se entrega al inyector a una
  • 94. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA presión baja y se inyecta por acción mecánica en la cámara de combustión a una presión mucho más alta. El exceso de combustible en los inyectores retorna al tanque. Figura 78. Sistema de inyección15. c) PT, d) inyector-bomba. El sistema (Inyector – bomba), o inyectores unitarios (fig. 79); por cada cilindro del motor se monta una unidad en la culata que es accionada directamente por un empujador o indirectamente por un balancín. Dispone de una presión de inyección superior a la proporcionada por las bombas de inyección en línea y rotativas, esto es debido a que no dispone de tuberías de alta presión. Debido a la elevada presión de inyección se consigue una importante reducción de emisiones contaminantes. Figura 79. Inyector bomba. a) Disposición en el motor, b) vista en corte. 15 Adaptado de: MAY, Ed. Mecánica para Motores Diesel. Madrid: Mc Graw Hill, 1999.
  • 95. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA a) Fuente: http://tinyurl.com/3hwgnrp b) Fuente: http://tinyurl.com/42rhs8p El inyector se acciona desde el árbol de levas por medio de una varilla de empuje y un balancín (fig. 78d), la bomba elevadora (2) succiona el combustible del tanque. Pasa por el filtro primario, luego por la bomba, el filtro secundario y llega al inyector (5). En el momento preciso se acciona el inyector desde el árbol de levas para aumentar la presión del combustible y entregarlo en la cantidad correcta a las cámaras de combustión. En ese sistema, el combustible circula en forma continua por los conductos en la culata de cilindros, para llegar a los inyectores y retornar el excedente al tanque.
  • 96. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA El sistema de inyección de acumulador "Common Rail" ofrece una flexibilidad destacadamente mayor para la adaptación del sistema de inyección al funcionamiento motor, en comparación con los sistemas propulsados por levas (bombas rotativas). Esto es debido a que están separadas la generación de presión y la inyección. La presión de inyección se genera independientemente del régimen del motor y del caudal de inyección (fig. 80). Figura 80. Sistema Common Rail. Fuente: http://tinyurl.com/3r5ksvt El combustible para la inyección está a disposición en el acumulador de combustible de alta presión "Rail". El conductor preestablece el caudal de inyección, la unidad de control electrónica (ECU) calcula a partir de campos característicos programados, el momento de inyección y la presión de inyección, el inyector (unidad de inyección) realiza las funciones en cada cilindro del motor, a través de una electroválvula controlada. En la figura 81, se indica la disposición de los componentes de este sistema de la marca BOSCH, en la que se aprecian las señales de entrada de los sensores y la
  • 97. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA salida de la unidad electrónica hacia las electroválvulas y bomba, presión de inyección la suministra la bomba individual arrastrada por el motor. Esta presión se comunica por medio de una tubería rígida a una rampa o regleta situada en la culata del motor y a la cual van unidos los inyectores. Los inyectores son el núcleo del sistema y están controlados por válvulas electromagnéticas. El proceso de inyección se inicia por medio de un impulso del modulo de control dirigido a dichas válvulas. La cantidad inyectada depende tanto de tiempo de abertura de la tobera de inyección como también de la presión del sistema que es generada por la bomba. Figura 81. Disposición de los elementos del sistema Common Rail. Fuente: http://tinyurl.com/3r5ksvt
  • 98. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA 1.7 OPERACIÓN DE MOTORES DE ENCENDIDO POR CHISPA La secuencia de eventos que tienen lugar dentro del cilindro del motor se ilustra en la en la figura 82, donde se grafican algunas variables contra el ángulo del cigüeñal a lo largo de todo el ciclo de cuatro tiempos Figura 82. Secuencia de eventos en un motor de cuatro tiempos de encendido por ignición.1 El ángulo del cigüeñal es una variable independiente muy útil ya que los procesos que ocurren dentro de un motor, utilizan intervalos de ángulo que casi no varían en un amplio rango de RPM. La figura 82, muestra los tiempos de operación de las válvulas así como la relación volumétrica en un típico motor de automóvil de encendido por chispa, para mantener un alto flujo de mezcla a altas velocidades del motor y por ende una alta potencia de salida, la válvula de admisión abre antes de TC (PMS), y cierra sustancialmente después de BC (PMI). Durante la admisión, la carga inducida se mezcla en el cilindro con los gases residuales del 1 HEYWOOD, John B. Internal combustion engine fundamentals, Mc Graw Hill1988.
  • 99. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA ciclo previo. Después que la válvula de admisión se cierra, el contenido del cilindro se comprime a una temperatura y presión por encima de la atmosférica debido a que hay una disminución del volumen del cilindro, al mismo tiempo se transfiere calor al pistón, culata y paredes del cilindro pero su efecto, comparado con los gases de la combustión es muy pequeño. Entre 10 y 40 grados del cigüeñal antes del punto muerto superior, una descarga eléctrica a través de la bujía inicia el proceso de combustión. En el distribuidor un interruptor rotativo, accionado por el eje de levas, corta la corriente de la batería a través del circuito primario de la bobina de ignición, el bobinado secundario de la bobina de ignición conectado a la bujía produce un alto voltaje a través de los electrodos de éste cuando el campo magnético desaparece. Una llama turbulenta desarrollada a partir de la descarga de la bujía se propaga a través de la mezcla de aire y combustible. La duración de este proceso de combustión varía con el diseño y operación del motor pero típicamente demora de 40 a 60 grados de giro del cigüeñal. A medida que la mezcla se quema, la presión en el cilindro se eleva por encima del nivel debido a la únicamente compresión (línea de trazos). Debido a las diferencias en el patrón de flujo y composición de la mezcla entre cilindros y dentro de cada cilindro de un ciclo a otro, el desarrollo de cada proceso de combustión difiere un poco; como resultado, la forma de la curva de presión contra ángulo de cigüeñal en cada cilindro y de un ciclo a otro no es exactamente la misma. Hay un tiempo de chispa óptimo en el cual, la masa de mezcla de aire y combustible dentro del cilindro se obtiene un torque máximo. Adelantar más el tiempo o retardarlo de este punto óptimo dá una salida menor de torque. Este tiempo óptimo llamado tiempo de máximo torque al freno es un compromiso empírico entre comenzar la combustión muy temprana durante la carrera de compresión (cuando se transfiere trabajo del pistón a los gases) y completar la combustión muy tarde en la carrera de expansión (disminuyendo así el pico de presión máxima).
  • 100. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Cerca de los dos tercios de la carrera de expansión, la válvula de escape empieza a abrirse, la presión es mayor en el cilindro que en el múltiple de escape y ocurre un proceso de soplado. Los gases quemados fluyen a través de la válvula hacia la lumbrera y múltiple de escape hasta que la presión en el cilindro y el escape se equilibren. La duración de este proceso depende del nivel de presión dentro del cilindro hacia el múltiple durante la carrera de escape. La válvula de escape abre al final de la carrera de admisión para asegurar que el proceso de soplado no demore hasta la carrera de escape. La válvula de escape permanece abierta hasta después del TC (PMS), la válvula de admisión abre un poco antes del TC (PMS). Las válvulas de admisión abren y cierran lentamente para evitar el ruido y desgaste excesivo de la leva. Para asegurar que las válvulas estén totalmente abiertas, cuando la velocidad del pistón es máxima los períodos de apertura de las válvulas son altos. Si el flujo de admisión se estrangula a una presión por debajo de la del múltiple de escape, ocurre un contraflujo de gases quemados hacia el múltiple de admisión cuando las válvulas de admisión estén comenzando a abrir.  Ejemplo de Motores de Ignición por Chispa (MICH). Los motores de más de 2.5 lt de volumen desplazado con un arreglo de cuatro pistones en línea son los más usados en automóviles. Estos proporcionan dos pulsos de torque por revolución del cigüeñal y las fuerzas primarias de inercias (no las secundarias) están balanceadas. El motor BMW xDrive28i X1 es una nueva generación de motores de gasolina de cuatro cilindros con tecnología propia Twin Power Turbo (fig. 83). Se trata de un propulsor con un importante aumento de potencia, con una cilindrada de 2.0 litros, permite establecer un registro de 245 CV, al tiempo que se dota de un alto grado de eficiencia.
  • 101. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA El motor cuenta con cárter de aluminio y una configuración muy similar a la tecnología del motor de seis cilindros de la misma generación Twin Power Turbo. Figura 83. Motor BMW X1 xDrive28i Fuente: http://tinyurl.com/68ay8pl Asimismo, se dota de sistema de sobrecarga altamente eficiente, de acuerdo al principio de funcionamiento Twin-Scroll, sistema de alta precisión de inyección directa de gasolina (High Precision Injection) con inyección mediante electroválvulas y sistema mejorado de regulación plenamente variable de las válvulas Valvetronic, patentadas por BMW. En el modelo BMW X1 xDrive28i alcanza prestaciones en consumo de 7,9 litros a los cien kilómetros y emisiones de CO2 de 183 g/km. El motor se puede combinar con una caja de cambios manual de seis velocidades o la automática de ocho velocidades, ésta última, como opción. A ello, se añade una aceleración de 0 a 100 km/h en 6,1 segundos (con caja manual) ó 6,5 segundos (caja automática), lo que supone, en ambos casos, 0,3 segundos menos. El motor Mazda 2.0 (fig. 84), es un motor de 4 cilindros en línea, DOHC y 16 válvulas que produce 104 caballos de fuerza @ 6.000 RPM. Este motor ha sido puesto a punto mejorando su sistema de admisión y sincronización de válvulas
  • 102. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA que optimizan el desempeño de manejo y la economía de combustible, incorporando además el acelerador electrónico. Se mantiene una transmisión manual de 5 velocidades o una Activematic de 4 velocidades. Figura 84. Motor BMW X1 xDrive28i Fuente: http://tinyurl.com/5vuwbnb El motor 2.0 litros es una unidad de 4 cilindros en línea, DOHC y 16 válvulas que produce 145 caballos de fuerza @ 6.500 RPM. Esta motorización ahora cuenta, con una transmisión manual de 6 velocidades o una Activematic de 5 velocidades con cambios en el timón. El arreglo en V con dos hileras de cilindros puestos a 90o unos de otros o a un ángulo más agudo, proporciona un bloque más compacto y es usado ampliamente en motores de volumen desplazado. La figura 85(a), muestra un motor V-6, en el cual los seis cilindros han sido colocados en dos hileras de tres cada una con un ángulo de 60 o entre sus ejes. Seis cilindros se usan usualmente en el rango de 2.5 a 4.5 l de volumen desplazado; proporcionan una operación con tres pulsos de torque por revolución.
  • 103. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA El arreglo en línea resulta en un motor de gran tamaño dando una elevación de la vibración torsional del cigüeñal y haciendo que la distribución uniforme de aire y combustible en cada cilindro sea más difícil. Figura 85. Corte isométrico de dos motores en V. a) Seis cilindros, b) Ocho cilindros. a) b) Fuente: http://tinyurl.com/6zc6htn El arreglo en V es mucho más compacto y en el V-6 se proporciona balance primario de las componentes reciprocantes. Con este arreglo, un momento oscilante se impone sobre el cigüeñal debido a las fuerzas secundarias de inercia, lo cual resulta en un motor con menos balanceo que la versión en línea. Los arreglos V-8 (fig. 85b) y V-12 también son comúnmente usados para proporcionar un motor compacto, de baja vibración y de gran volumen desplazado. El motor radial (fig. 86), tiene la misma clase de pistones, válvulas y bujías que cualquier motor de cuatro tiempos. La gran diferencia está en el cigüeñal. En vez del eje largo que se utiliza en un motor con varios cilindros como el de automóvil, hay un solo cubo; todas las bielas conectan con este cubo. Una biela es fija, y se
  • 104. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA conoce generalmente como la barra principal, las demás se llaman barras de articulación montadas sobre pernos que les permiten articular mientras que el cigüeñal y los pistones se mueven. Figura 86. Motor radial, avión R-1830-82 Twin Wasp. Fuente: http://tinyurl.com/3nuwlnb Los motores radiales tienen varias ventajas para los aeroplanos: Pueden producir mucha potencia. Un motor radial típico en un B-17 tiene nueve cilindros, desplaza 1.800 pulgadas cúbicas (29,5 litros) y produce 1.200 caballos de fuerza. El motor WANKEL, (fig. 87), es un tipo de motor de combustión interna y rotativo. Se utiliza cuando su tamaño compacto y su alta velocidad (lo cual resulta en una alta relación potencia/peso y potencia/volumen), su inherente balanceo y suavidad, compensan su alta transferencia de calor y sus problemas de sellado y fugas. Al igual que un motor de pistones, el rotativo emplea la presión creada por la combustión de la mezcla aire-combustible. La diferencia radica en que esta presión está contenida en la cámara formada por una parte del recinto y sellada
  • 105. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA por uno de los lados del rotor triangular, que en este tipo de motores reemplaza a los pistones. El rotor sigue un recorrido en el que mantiene sus 3 vértices en contacto con el alojamiento, delimitando así tres compartimentos separados de mezcla. Figura 87. Despiece del motor wankel, Mazda RX-8. Fuente: http://tinyurl.com/6fgsa3y A medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expanden y contraen alternativamente; es esta expansión-contracción la que succiona el aire y el combustible hacia el motor por medio de las lumbreras de admisión, comprime la mezcla, extrae su energía expansiva hasta que el vértice descubre la lumbrera de escape por la que se evacúan los gases quemados. La figura 88, indica los diferentes ciclos de operación de un motor Wankel.
  • 106. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 88. Ciclo cuatro tiempos Motor Wankel. Fuente: http://tinyurl.com/5vnush9 El motor Wankel (fig. 89), tiene dos partes rotativas: el rotor de forma triangular y el eje de salida con su excéntrica integral. El rotor gira directamente sobre la excéntrica. El rotor tiene un engranaje interno el cual acopla con el engranaje fijo que se encuentra en uno de las tapas, para mantener la correcta relación de fase entre las rotaciones del rotor y del eje excéntrico. De esta manera el rotor gira y orbita alrededor del eje. La cámara de combustión se forma entre la carcasa central y la superficie del rotor y se sella con sellos en el ápice y alrededor del perímetro de los lados del rotor. Al igual que en el motor de 2 tiempos, el motor Wankel no tiene válvulas y el control del proceso de renovación de la carga lo realiza la posición del rotor. El motor Wankel ofrece menos piezas móviles que un motor alternativo de 4 tiempos para generar la potencia, los contrapesos giratorios suprime cualquier vibración logrando mayor suavidad de marcha y fiabilidad. Sin embargo, resulta muy difícil aislar cada una de las 3 secciones del cilindro en rotación, que deben ser impermeables unas de otras para un buen funcionamiento.
  • 107. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 89. Motor Wankel de dos rotores, NSU Fuente: http://tinyurl.com/4ygqk75 Es por ello necesario cambiar el sistema de estanqueidad cada 6 años aproximadamente, por su fuerte desgaste. Dicho motor (Mazda RX-8) en la actualidad no cumple con las normas ambientales europeas (EURO V), el fabricante está en proceso tecnológico para acceder a competir en el mercado europeo. La figura 90, se observa el esquema de alimentación para un motor Wankel.
  • 108. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 90. Motor Wankel de dos rotores, NSU Fuente: http://tinyurl.com/4ygqk75 1.8 OPERACIÓN DEL MOTOR DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN. En los motores de encendido por compresión sólo se induce aire en el cilindro, el combustible (en la mayoría de las aplicaciones es un aceite combustible liviano) se inyecta directamente dentro del cilindro del motor justo antes que se requiera que inicie el proceso de combustión. El control de carga se logra mediante la variación de la cantidad de combustible inyectado en cada ciclo. El flujo de aire a una velocidad del motor dada, se mantiene esencialmente constante. Hay una gran variedad de diseños de motores de encendido por compresión en un amplio rango de aplicaciones (automóviles, camiones, locomotoras, marinos, generación de potencia). Existen varios tipos de alimentación de aire: motores naturalmente aspirados, donde el aire atmosférico es inducido, motores turbocargados donde el
  • 109. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA aire de entrada es comprimido por una combinación turbina-compresor accionada por los gases de escape y motores super-cargados donde el aire se comprime con una bomba o soplador accionado mecánicamente. Figura 91. Secuencia de eventos en un motor cuatro tiempos de MIC, de aspiración natural durante los procesos de Compresión, combustión y expansión.2 El turbocargador y supercargador incrementan la potencia de salida del motor mediante el incremento del flujo de masa de aire por unidad de volumen desplazado con lo cual se permite un incremento comúnmente en grandes motores, para reducir el tamaño y peso para una determinada salida de potencia, excepto en motores más pequeños, el ciclo de dos tiempos es competitivo con el ciclo de cuatro tiempos en gran parte porque en el ciclo diesel solo se pierde aire en el proceso de barrido. 2 HEYWOOD, John B. Internal combustion engine fundamentals, Mc Graw Hill1988.
  • 110. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA La operación de un motor de encendido por compresión naturalmente aspirado de cuatro tiempos, se ilustra en la figura 91. La relación de compresión de los motores diesel es mucho más alta que en los motores de encendido por chispa y están en el rango de 12 a 24, dependiendo del tipo de motor y si es naturalmente aspirado o turbocargado. Los tiempos de operación de las válvulas son similares a los de los motores de encendido por chispa. Aire a presión cercana a la atmosférica se induce durante la carrera de admisión y luego se comprime a una presión de 4 MPa (600 Psi ) y temperatura cercana a 800K, durante la carrera de compresión. Cerca de 20 0 antes del punto TC, se inicia la inyección de combustible; un perfil de la rata de inyección se muestra en la figura 91b. El chorro de combustible líquido se atomiza en gotas dentro del aire del cilindro. El combustible líquido se evapora; El vapor de combustible se mezcla con el aire, como la temperatura y la presión se encuentran por encima del punto de ignición del combustible después de un corto periodo de espera, se inicia el proceso de encendido espontáneo (autoencendido) de parte de la mezcla y empieza el proceso de combustión, elevando la presión en el cilindro. La llama avanza rápidamente a través de la porción de combustible inyectado que se ha mezclado con suficiente aire para quemar. A medida que el proceso de expansión sucede, la mezcla entre combustible, aire y gases quemados continúa acompañada de una combustión adicional (fig. 91d). A plena carga la masa del combustible inyectado es cerca de 5 % de la masa en el cilindro. El incremento de los niveles de humo negro en el escape limita la cantidad de combustible que puede quemarse eficientemente. El proceso de escape es similar al del motor de cuatro tiempos de encendido por chispa. El finalizar la carrera de escape el ciclo empieza de nuevo.
  • 111. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 92. Secuencia de eventos en un motor dos tiempos MIC, durante los procesos de expansión, intercambio de gases y compresión. A e área de escape, Ai área de admisión.3 En el ciclo del motor de encendido por compresión de dos tiempos, los procesos de compresión, inyección de combustible, combustión y expansión son similares al proceso de cuatro tiempos siendo diferentes las presiones de admisión y escape. Las secuencias de eventos en un motor de dos tiempos de barrido en bucle se ilustra en la figura 92. 3 HEYWOOD, John B. Internal combustion engine fundamentals, Mc Graw Hill1988.
  • 112. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA En los motores de barrido en bucle tanto las lumbreras de admisión y escape están en el mismo extremo del cilindro y son descubiertos cuando el pistón se acerca al B.C. (fig. 92a). Después que la lumbrera de escape abre, la presión en el cilindro cae rápidamente debido a un proceso de soplado. (fig. 92b). La lumbrera de admisión entonces abre y como la presión en el cilindro cae por debajo de la presión de entrada, fluye aire hacia el cilindro. Los gases quemados son desplazados por el aire fresco hasta sacarlos del cilindro perdiéndose parte de aire fresco. Una vez se cierran las lumbreras al empezar el pistón la carrera de compresión los procesos de compresión, inyección de combustible, se dan como en el ciclo del motor de encendido por chispa de cuatro tiempos.  Ejemplo de Motores de Ignición por Compresión (MIC). Caterpillar es el mayor fabricante del mundo de motores de velocidad media, así como uno de los mayores fabricantes del mundo de motores diesel de alta velocidad, con clasificaciones que van de 54 a 13.600 hp (de 40 a 10.000 kW). Caterpillar es además el mayor proveedor de sistemas de combustible diesel HD, incluyendo el revolucionario sistema de combustible HEUI TM, y el mayor productor del mundo de motores de gas natural HD. El motor C-15 (fig. 93), está basado en la plataforma probada del 3406E, pero es más liviano, menos ruidoso, más confiable y más eficiente en el consumo de combustible. Viene en una amplia gama de clasificaciones de potencia, que varían entre 435 y 550 hp. Las clasificaciones de par motor máximo que alcanzan de 1650 a 1850 Ib-pie le confieren una excelente capacidad de arranque con cargas pesadas y equilibrio en pendientes pronunciadas. Algunos datos técnicos son:  Gama de potencia: 435-550 hp  Par motor máximo: 1650 a 1850 Ib-pie  Peso: 1225 kg (2695 libras).
  • 113. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 93. Motor Caterpillar c-15. Fuente: http://tinyurl.com/3rd6v2t El C15 en realidad utiliza dos turbocompresores fijos de paletas en serie, uno de ellos un turbo de geometría fija y el otro de alta presión del turbo con válvula de descarga mecánica. Dos turbos añade el peso y la complejidad de un motor. La tabla 1.8 se identifican las diferencias entre el motor C-15 y el motor CUMMINS ISX El motor PACCAR MX 375, es un motor diésel turboalimentado con refrigeración intermedia de seis cilindros en línea. Combustión limpia con tecnología SCR (reducción catalítica selectiva) para el tratamiento de emisiones, de acuerdo con los niveles de emisión Euro 4 o Euro 5. La normas EEV se cumplen en gracias a un filtro de partículas pasivas. El bloque de cilindros es de hierro grafito compactado (CGI); se ha diseñado sin cubiertas laterales para que tenga una mayor rigidez y genere menos ruido. La culata de cilindros de una pieza integra un colector de admisión de aire. El filtro de aceite es de flujo total, el termostato de aceite y el refrigerador de aceite se combinan en un único módulo de aceite.
  • 114. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA . El motor PACCAR MX 375 proporciona un par motor excelente (fig 94 b),a un régimen de motor bajo y hay disponible un alto rendimiento en un amplio rango de revoluciones. Tabla 1.8 Diferentes características de los Motores Cummins ISX y Caterpillar C15. Algunos datos técnicos se enuncian a continuación:   Desplazamiento de pistón 12,9 litros  4 Calibre x carrera 130 x 162 mm Relación de compresión 16,4 a 1 Tomada de: http://tinyurl.com/3rd6v2t 4
  • 115. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Figura 94. Motor PACCAR MX 375 diseño y curva del par desarrollado. Fuente: http://tinyurl.com/6dzcqqa Figura 95. Sección longitudinal de un motor de dos tiempos marino FairbanksMorse de 7 cilindros y 300 Kw a 1200 rpm.5 5 HEYWOOD, John B. Internal combustion engine fundamentals, Mc Graw Hill1988.
  • 116. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Las figuras 95 y 96, permiten observar el corte longitudinal y transversal de un motor marino Fairbanks-Morse de 7 cilindros y 300Kw. Figura 96. Corte transversal de un motor de dos tiempos marino Fairbanks-Morse de 7 cilindros y 300 Kw a 1200 rpm.6 6 HEYWOOD, John B. Internal combustion engine fundamentals, Mc Graw Hill1988.