Estructura
del motor de explosión
El
motor térmico de combustión interna esta formado básicamente por una serie de
elementos estáticos y dinámicos, clasificados, en función de la misión que
cumplen dentro del motor, en tres grupos esenciales, que serian:
Elementos
fijos
En
este grupo están encuadrados aquellos elementos estáticos necesarios para el
funcionamiento del motor. Forman el armazón del motor y de los cilindros, en
cuyo interior tiene lugar el proceso de combustión.
Bloque
motor
El
bloque constituye el cuerpo estructural donde se alojan y sujetan todos los
demás componentes del motor.
La forma y disposición del bloque está
adaptada al tipo de motor correspondiente, según sea de cilindros en
"linea", horizontales opuestos o en "V".
El bloque motor contiene los cilindros, los
apoyos del cigüeñal y la culata, las canalizaciones de refrigeración y engrase
etc.
Bloque
con refrigeración por agua
Los motores refrigerados por agua llevan
situados en el interior del bloque unos huecos y canalizaciones, denominadas
"camisas de agua", que rodean a los cilindros y a través de los
cuales circula el agua de refrigeración.
Bloque
con refrigeración por aire
En los motores enfriados por aire, para que la
refrigeración se realice en las debidas condiciones en toda la periferia del
cilindro, es preciso que éstos sean independientes, por lo que esta disposición
se emplea generalmente para motores monocilindricos.
Para conseguir la refrigeración se dispone
alrededor del bloque una serie de aletas que aumentan la superficie radiante y
eliminan mejor el calor interno.
Bloque
de motor de dos tiempos
En pequeños motores de dos tiempos, debido a
su sistema de alimentación y escape por lumbreras laterales situadas en el
cilindro, no es preciso hacer la culata desmontable. Se fabrican generalmente
de un solo cuerpo, del tipo monoblock, con lo que resultan más compactos y
evitan puntos de unión entre sus elementos.
En
otros casos, en los motores de 2 tiempos la culata si esta separada del bloque
como podemos ver en le figura inferior.
Fabricación
del bloque
Los bloques se fabrican de una sola pieza y
completamente huecos para eliminar peso muerto en el motor. Todos los cilindros
van dispuestos en uno o dos bloques, según el tipo de motor, unidos por su
bancada, formando así un cuerpo único.
Esta disposición de un solo bloque tiene la
ventaja de dar mayor rigidez al conjunto, simplifica la refrigeración del motor
y facilita el proceso de fabricación.
El material empleado en la fabricación de los
bloques es, generalmente, fundición de hierro con estructura perlítica, aleado
con pequeñas proporciones de cromo y níquel, que proporcionan una gran
resistencia al desgaste y protección a la corrosión. Este material además
resiste muy bien las altas temperaturas que tiene que soportar.
En la fabricación de bloques se emplean
también las aleaciones ligeras a base de aluminio-silicio, que tienen las
ventajas de su menor peso y gran conductibilidad térmica, con lo que se mejora
la refrigeración. Estas características permiten aumentar el grado de
compresión en los motores de gasolina, con lo que se obtiene una mayor potencia
útil y un menor peso especifico para una misma cilindrada.
Formación
de los cilindros
El orificio circular que sirve de cilindro
puede practicarse sobre el propio material del bloque, o bien puede obtenerse
ajustando en este unas piezas postizas en forma de tubo llamadas
"camisas". Estas piezas se fabrican independientemente y se montan
sobre el bloque con un buen ajuste.
Según el procedimiento empleado para obtener
los cilindros hay que distinguir tres clases de bloques:
- Bloque integral
Los cilindros se mecanizan sobre el propio
material del bloque. Para ello, el orificio destinado a formar el cilindro se
obtienen en bruto, de fundición, con la sobremedida necesaria para el
mandrinado Este tipo de bloque es muy utilizado en la actualidad.
- Bloque con camisas
Las camisas son unos cilindros desmontables
que se acoplan al bloque motor. Tienen la ventaja de que se pueden fabricar de
materiales distintos al del bloque motor, por lo que pueden ser mas resistentes
al desgaste y mas eficientes a la hora de evacuar el calor. En caso de avería o
desgaste de los cilindros pueden ser sustituidas las camisas sin que el bloque
motor se vea afectado.
Las superficies interiores de las camisas se
obtienen por mecanizado de precisión, rectificado y pulido. A continuación,
reciben un tratamiento superficial, que en muchos casos es un cromado con el
fin de reducir el desgaste de segmentos y cilindros, estando controlado es
proceso de forma que resulte una superficie finamente porosa capaz de retener
el lubricantes.
Hay
dos tipos de camisas en los bloques:
v - Camisas secas: se llaman camisas
"secas" por que no están en contacto directo con el liquido de refrigeración
v -Camisas húmedas: se llaman
camisas "húmedas" por que están en contacto directo con el liquido
refrigerante
Camisas
secas
Estas camisas van montadas a presión, en
perfecto contacto con la pared del bloque, para que el calor interno puede
transmitirse al circuito de refrigeración. Estas camisas se fabrican de
materiales mas resistentes que los del bloque por lo que pueden utilizarse en
motores que soporten mayores presiones internas como son los motores Diesel.
Las camisas se montan en el bloque a presión por medio de una prensa, de esta
forma se consigue que queden fijas sobre el bloque sin que puedan moverse.
Las camisas secas pueden ser con pestaña de
asiento y sin pestaña.
Camisas
húmedas
Las camisas húmedas son unos cilindros
independientes que se acoplan al bloque que es completamente hueco. Se ajustan
al bloque por medio de unas juntas de estanqueidad, para evitar que el agua
pase al cárter de aceite. Estas camisas sobresalen ligeramente del plano
superior del bloque de forma que quedan fijadas una vez que se aprieta la
culata.
Esta
disposición del motor ofrece una mejor refrigeración del motor, y se emplea
generalmente en motores de gran potencia, donde se necesita una mayor
evacuación de calor. Tiene el inconveniente de su mayor costo de fabricación y
una cierta dificultad de montaje, ya que, al estar la camisa en contacto
directo con el líquido de refrigeración, existe el riesgo de que se produzcan
fugas a través de las juntas de estanqueidad.
La
culata
Es
la pieza que sirve de cierre de los cilindros, formándose generalmente en ella
las cámaras de combustión. En la culata se instalan las válvulas de admisión y escape,
los colectores de admisión y escape, los balancines, el árbol de levas, también
los elementos de encendido o inyección, según el tipo de motor de que se trate.
Además de las cámaras de combustión la culata tiene cámara para el líquido de
refrigeración y conductos para los gases de escape y aire de admisión.
Culata
para motor de cuatro tiempos
Debido a los esfuerzos a que está sometido y a
las altas temperaturas que tiene que soportar, este elemento es una de las
piezas más delicadas y de difícil diseño del motor. La cantidad de huecos y
orificios de paso que posee pueden hacer que su estructura quede debilitada. Se
fabrica hueca para que pueda circular por su interior el agua de refrigeración.
Todo ello hace muy difícil a la hora de
proyectar una culata, fijar matemáticamente sus dimensiones y espesores de
material, los cuales deben adaptarse a las características del motor, con un
espesor en sus paredes lo mas uniforme posible para evitar desequilibrios
térmicos en la misma, lo cual originaria la aparición de grietas en la
estructura.
Las zonas de la culata que soportan más calor
son: la cámara de combustión y el conducto de salida de los gases quemados. Por
tanto, se debe estudiar con detalle la correcta circulación del líquido de
refrigeración, para que todo el conjunto quede térmicamente equilibrado.
Culata
para motores de dos tiempos
Esta culata es mas simple que la de cuatro
tiempos, ya que solo necesita un orificio para instalar la bujía o inyector.
Resulta aún más sencilla si la refrigeración se realiza por aire.
No obstante, la refrigeración de esta culata
es de suma importancia, ya que, al producirse en ella las combustiones con
mayor rapidez, se dispone de menos tiempo para la evacuación del calor interno.
Por esta razón su material alcanza mayor temperatura límite durante su
funcionamiento. Estas culatas utilizan materiales de aleación ligera como el
aluminio y tienen una serie de aletas externas que ayudan a la evacuación del
calor del motor.
Material
de las culatas
El material para la fabricación de las culatas
es:
v -Aleación
de aluminio: la
culata se construye de aleación de aluminio, silicio y magnesio. Sus
principales cualidades son una buena resistencia, peso reducido y gran
transferencia de calor, lo que permite alcanzar rápidamente la temperatura de
funcionamiento y facilita la refrigeración.
Estas
culatas son más caras de fabricar y son mas frágiles porque sufren mayores
deformaciones. Pero tienen la ventaja de su menor peso y su mayor capacidad de
refrigeración del motor. Estas características hacen que las culatas de este
tipo sean la mas utilizadas actualmente. Se pueden montar tanto en motores con
bloque de fundición como de aleación de aluminio.
v -Hierro
fundido: la
culata se construye con una aleación de hierro, cromo y níquel, que la hacen
mas resistente y menos propensa a las deformaciones. Estas culatas admiten un
mayor par de apriete y es mas resistente a las deformaciones y tiene la
desventaja de su mayor peso y su menor capacidad de refrigeración del motor.
Montaje
de la culata
Una de las características a tener en cuenta
de las culatas es su amarre al bloque motor, ya que, al estar sometida a la
fuerza de empuje de los gases de la combustión, tiende a separarse del bloque.
Por esta razón, el sistema de amarre y el numero mas conveniente de puntos de
unión, se estudia cuidadosamente, así como la calidad y dimensiones de los
espárragos empleados para ello.
El número de puntos de amarre depende de las
dimensiones de la culata ya que si se emplean muchos espárragos, mayor es el
número de agujeros que hay que practicar en la misma, lo que debilita su
estructura y aumenta las dificultades de moldeado. Por otra parte se disminuye
el peligro de flexión y la dilatación de la misma, al ser menor la separación
entre puntos de amarre, asegurando así el cierre estanco de los cilindros.
El par de apriete establecido para cada culata
viene indicado por el fabricante en función de la presión interna y del
material empleado en su fabricación. Este par de apriete se logra con el empleo
de llaves dinamométricas. Se debe seguir el orden de apriete establecido por el
fabricante, comenzando normalmente por el centro y terminando por los extremos.
Formas
y características de las cámaras de combustión
Una característica importante de las culatas
es el tipo de cámaras de combustión que llevan mecanizadas. La cámara de
combustión es el espacio que existe entre la cabeza del pintón en el PMS y las
diferentes formas que se mecanizan en la culata. En la cámara de combustión se
comprime la mezcla o el aire en su grado máximo.
La cámara de combustión se construye
principalmente en la culata, y en ella se alojan las válvulas de admisión y
escape y la bujía o el inyector dependiendo del motor sea Otto o Diesel.
Cámaras
de combustión para motores Otto
En los motores de gasolina los mejores
resultados se obtienen con una forma de cámara semiesférica; pero debido a la
disposición y dimensionado de las válvulas, cuyo asiento debe ser plano, la
configuración de la cámara se aleja de su forma ideal.
Las
diferentes formas de la cámara de combustión pueden ser:
- Cámara de bañera y en cuña
Se emplean generalmente con las válvulas
situadas en la culata y la bujía situada lateralmente, lo cual facilita el
acceso a este elemento. Tienen la ventaja de que el recorrido de la chispa es
muy corto y de limitar el acceso de turbulencia en el gas, produciendose, a la
entrada de gases, un soplado sobre la cabeza del émbolo que reduce el picado.
La cámara en forma de cuña tiene las válvulas
colocadas en paralelo, lo que simplifica su sistema de mando.
La cámara en forma de bañera tiene una
configuración que facilita un gran alzado de válvulas y también se simplifica
el sistema de mando.
- Cámara hemisférica
Es la mas parecida a la forma ideal, las
válvulas se disponen una a cada lado de la cámara y la bujía en el centro. Esta
disposición favorece la combustión y acorta la llama desde la bujía a la cabeza
del émbolo.
Este tipo de cámara se emplea mucho
actualmente, ya que permite utilizar válvulas de mayor sección o bien situar
mas válvulas para la admisión y escape (3, 4 y hasta 5 válvulas).
- Cámara cilíndrica
Esta cámara es muy utilizada por su sencillez
de diseño y fácil fabricación, lo cual abarata el costo de la culata.
ü
- Cámara de combustión en motores de inyección directa
La cámara en estos motores desempeña un papel
muy importante ya que en algunas fases de su funcionamiento se utilizan mezclas
pobres. Los pistones en estos motores utilizan unos deflectores en su cabeza
(figura inferior), cuya forma orienta convenientemente el torbellino del gas de
manera que se concentra una mezcla rica en torno a la bujía y por otra parte
tenemos una mezcla pobre en la periferia.
Cámaras
de combustión para motores Diesel
En el funcionamiento de los motores Diesel, la
combustión se realiza comprimiendo solamente el aire de admisión e inyectando a
continuación el combustible, el cual, al contacto con el aire caliente, se
inflama y produce la combustión. Esta inflamación no es instantánea sino que se
produce cuando la temperatura del mismo se comunica al liquido. Es decir, que
si el aire esta en reposo, las primeras gotas de combustible enfrían el aire
circundante, lo cual retrasa la combustión.
Por otra parte, la combustión en estos motores
no se realiza en un frente único, como ocurre en los motores Otto, sino en
diferentes puntos a la vez y se transmite a toda la mezcla. Si todos estos
puntos de aire, en el interior de la cámara, no están a la misma temperatura se
produce un efecto de picado, al no inflamarse la mezcla homogéneamente.
La
turbulencia del aire dentro del cilindro se consigue dando a la cámara de
combustión la forma mas adecuada. Según la disposición adoptada, existen los
siguientes tipos de cámaras:
Cámaras
de inyección directa
En este sistema el combustible es inyectado
directamente en la cámara de combustión a través de varios orificios del
inyector. Al chocar el combustible contra la cabeza del émbolo, que es la zona
mas caliente, se consigue una mejor mezcla y varios puntos simultáneos de
ignición.
La cámara de combustión esta constituida en la
cabeza del émbolo y la turbulencia se consigue dando a esta cámara una forma
toroidal. Durante la admisión entra el aire con una inclinación adecuada e
incide lateralmente en la cámara y, siguiendo la forma de la misma, crea un
torbellino en el centro que sube hasta chocar contra la culata y se une al que
sigue entrando para formar el torbellino tórico. El torbellino, durante la
compresión, aumenta de velocidad, consiguiendo así mantener el aire en
movimiento y su temperatura homogénea en toda la cámara.
Este sistema, al tener menor superficie de
cámara de contacto con el circuito de refrigeración, proporciona una mayor
temperatura interna, lo cual facilita el arranque en frío y supone un menor
consumo de combustible. El rendimiento del motor es más elevado ya que se
produce una combustión completa.
Cámaras
de inyección indirecta
Este tipo de motores utilizan una cámara de
combustión principal y otra auxiliar. La inyección de combustible se realiza en
la precamara o cámara auxiliar que esta unida a la principal por un
estrechamiento, cuya función es provocar una gran turbulencia del aire y el
combustible inyectado.
La cámara auxiliar se fabrica de acero
especial y va montada de manera postiza sobre la culata. La relación de
compresión es mas alta que en los motores de inyección directa del orden de 18
- 22/1. El uso de cámara auxiliar suaviza el funcionamiento del motor Diesel y
como desventaja tiene que aumenta el consumo de combustible. El arranque en
frío del motor es mas difícil,s por lo que se utilizan sistemas de
precalentamiento de la cámara auxiliar.
- Cámara de pre combustión
La cámara de combustión esta dividida en dos
partes; una en la propia cámara del cilindro y la otra en una antecámara o
cámara auxiliar. Ambas cámaras se comunican entre si a través de unos finos
orificios, llamado difusores.
Durante la compresión casi todo el aire pasa
de la cámara principal a la antecámara a través de los difusores y adquiere
gran velocidad debido a la estrechez de los orificios. Una vez que se inyecta
el combustible se produce la combustión en contacto con el aire caliente, de
modo que se crea una sobrepresión que expulsa los gases inflamados a través de
los orificios calibrados a gran velocidad. Esto provoca una turbulencia en la
cámara principal que hace posible una combustión progresiva.
- Cámara de turbulencia
Esta configuración se compone de una cámara
auxiliar de forma casi esférica anexa a la cámara de combustión principal, que
tiene casi el 50% del volumen de la compresión total. La cámara auxiliar está
conectada con la principal por una canal que desemboca tangencialmente orientado
hacia el centro del pistón. En la cámara auxiliar están ubicadas también el
inyector y la bujía de incandescencia. En la cámara de turbulencia se produce
en el tiempo de compresión una fuerte turbulencia, en la cual el combustible es
inyectado sobre el aire caliente que provoca la combustión total en el interior
de la cámara auxiliar. La violencia de la expansión de los gases en la
combustión es frenada por el canal tangencial, con lo que se consigue una
expansión suave y progresiva.
Los motores con cámara de turbulencia son los
mas utilizados en los motores Diesel para automóviles. Esto fue así hasta la
aparición de los motores de inyección directa que son los mas utilizados
actualmente.
Colectores
de admisión y escape
Estos elementos van situados lateralmente en
la culata y, como su nombre indica, son los conductos por los cuales entran los
gases frescos al interior del cilindro y salen al exterior los gases quemados.
Colector
de admisión
El colector de admisión suele fabricarse de
aluminio, ya que al no estar expuesto a las elevadas temperaturas del motor no
sufre apenas dilataciones, reduciendo así el peso del mismo.
La principal características de este colector,
es su perfecto diseño en cuanto a distribución y diámetro interior, a fin de
que la mezcla o aire de admisión llegue sin pérdidas de carga a cada uno de los
cilindros. Para que esto se cumpla la longitud de los tubos debe ser lo mas
corto posible y equidistante del carburador o en sistemas de inyección monopunto,
con una superficie interior perfectamente lisa, para evitar retenciones de la
mezcla durante la admisión.
Para
favorecer el arranque en frío evitando que el combustible se condense en las
paredes, se utilizan sistemas de calentamiento situados en los colectores por
debajo de la mariposa de gases. Estos sistemas pueden aprovechar el calor del
agua de refrigeración o bien utilizar una resistencia eléctrica de
calentamiento.
En sistemas de inyección multipunto, los
colectores se pueden optimizar mejor, ya que cada cilindro tiene su inyector al
lado de la válvulas de admisión, por lo que podemos dar una longitud a los
tubos de admisión lo mas optimo a las características del motor (cilindrada, nº
r.p.m.). En este tipo de motores se pueden utilizar sistemas de admisión
variable que pueden variar la longitud de los tubos del colector de admisión o
bien utilizar tubos divididos que se utilizan parcialmente o en su totalidad
utilizando mariposas de paso.
En
motores Diesel se utilizan colectores como los utilizados en los sistemas de
inyección multipunto ya que tienen un inyector por cada cilindro
independientemente del sistema de inyección utilizado. En estos motores se
buscan colectores de admisión que consigan una elevada turbulencia de aire en
el interior del cilindro.
Colector
de escape
Se fabrican de hierro fundido con estructuras
perlítica, ya que tiene que soportar altas temperaturas y presiones durante la
salida de los gases. Como en el caso del colector de admisión, debe estar
diseñado para evitar toda contrapresión en el interior del cilindro y facilitar
la salida rápida de los gases.
Existen varios modelos que se adaptan a cada
tipo de motor. Se emplea el sistema de tubos múltiples en los motores de altas
prestaciones.
Disposición
de los colectores en el motor
Los colectores se sitúan uno a cada lado de la
culata, lo cual favorece el arrastre de gases quemados debido al flujo de
entrada de los gases frescos de admisión.
Otras veces, ambos colectores se colocan en el
mismo lado de la culata, con lo cual el calor de los gases de escape se transmite
al colector de admisión. Esta disposición favorece la perfecta carburación de
la mezcla en los motores Otto y evita la condensación de los gases en el
colector de admisión en tiempo frío.
Juntas
en el motor
En todo acoplamiento de elementos fijos se
interpone una junta de unión, la cual hace de cierre estanco entre ellos. El
material empleado para cada tipo de junta debe ser el adecuado a la función que
tiene que cumplir y a la posición que ocupa en el motor, ya que algunas de
estas juntas han de soportar elevadas presiones y temperaturas. La junta mas
importante del motor es la junta culata, por las duras condiciones en las que
tiene que trabajar y por su enorme importancia en el normal funcionamiento del motor.
Las
juntas en general utilizadas en el automóvil están fabricadas en materiales
como papel, corcho, caucho, metal o la combinación de alguno de ellos (juntas
de acero recubiertas de elastómeros).
Atendiendo a su aplicación, pueden dividirse
en juntas de culata, juntas de sellado de cárteres de aceite, colectores de
admisión y escape, bomba de agua, bomba de aceite, etc.
Junta
culata
La junta de culata es la junta plana sometida
a las mayores exigencias de trabajo en el interior de un motor. Tiene la
función de sellar las cámaras de combustión, los conductos de refrigerante y
lubricante, y los agujeros de los tornillos entre sí.
Dependiendo del diseño del motor, una junta de
culata consta de varias láminas de acero. Así por ejemplo, los motores Diesel
de elevada carga de funcionamiento precisan de unas juntas de culata con un
diseño constructivo mucho mayor que los motores Otto de escasa potencia y poca
carga.
Las
prestaciones de las juntas culatas deben resistir todo tipo de requerimiento
químico, físico y estructural de los motores y deben ser construidas con una
elevada resistencia a: los gases de combustión y a diversos fluidos agresivos,
las altas temperaturas y rápidas variaciones térmicas de hasta 240ºC, y las
altas presiones de combustión extremadamente variables y puntuales de hasta 120
bar en motores Otto y más de 200 bar en los motores Diesel, por citar algunos
datos.
Datos
para elegir la junta culata
Para elegir el tipo de junta culata que
montaremos sobre el motor hay una serie de datos que hay que tener en cuenta.
Uno de los datos es la distancia entre la superficie del pistón (C) en el punto
muerto superior (PMS) y la superficie de separación del bloque motor. Otro dato
importante es el espesor de la junta que viene determinado por el "número
de entalladuras" o muescas.
MUY BUENA INFORMACION SIGUE ASI...
ResponderEliminar