Motores: Tipos, características y funcionamiento
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ÍNDICE
1 MOTORES DE CUATRO TIEMPOS OTTO Y DIESEL…………3
1 HISTORIA DEL MOTOR…………………………………….……………..3
2 EL MOTOR TERMICO DE COMBUSTION INTERNA…………..5
3 CLASIFICACION DE LOS MOTORES DE
COMBUSTION INTERNA………………………………………………….5
2 EL MOTOR OTTO DE CUATRO TIEMPOS………………………13
1 CARACTERISTICAS DEL MOTOR OTTO ………………………....13
2 CONSTITUCION DEL MOTOR OTTO…………………….………..15
3 CICLO TEORICO DEL MOTOR OTTO DE
CUATRO TIEMPOS……………………………………..…………………29
4 CICLO PRACTICO DEL MOTOR OTTO DE
CUATRO TIEMPOS…………………………………………………………30
3 EL MOTOR DIESEL DE CUATRO TIEMPOS…………………….33
1 CARACTERISTICAS DEL MOTOR DIESEL DE
CUATRO TIEMPOS………………………………………………………….33
2 CONSTITUCION DEL MOTOR DIESEL DE
CUATRO TIEMPOS………………………………………………………….34
3 SOBREALIMENTACION EN UN MOTOR DIESEL……………….54
4 CICLO TEORICO DEL MOTOR DIESEL………………………………55
5 CICLO PRACTICO DEL MOTOR DIESEL…………………………….56
4 CARACTERISTICAS DE LOS MOTORES………………………….58
1 RENDIMIENTO DEL MOTOR………………………………………….58
2 TIPOS DE RENDIMIENTO……………………………………………….59
3 CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LOS
MOTORES……………………………………………………………………..62
TEMA 1
EL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA
1 Historia del motor
El motor de combustión interna se desarrolla de una evolución de la máquina de vapor. La diferencia que tienen es que en el motor de combustión interna el trabajo se obtiene de la mezcla de aire y combustible, mientras que en el motor a vapor se obtiene de la presión del vapor de agua por una combustión externa.
En mayo de 1876 Nikolaus Otto construye el primer motor de cuatro tiempos.
En 1878, el escoses Dugald Clerk construye el primer motor de dos tiempos.
Gottlieb Daimler y Wilhelm Maybach, en 1882 montan su propia compañía, centrando sus esfuerzos en la construcción de un motor de poco peso, alto régimen y que funcione con gasolina, consiguiéndolo en 1886, un coche equipado con ese motor alcanza la velocidad de 11 Km./h en 1889.La Daimler Motor Company se crea en 1890, alcanzando sus motores una enorme reputación, que se ve acrecentada cuando en 1894, en la primera carrera de coches entre París y Rouen, los únicos 15 coches que llegan a la línea de meta de los 102 que habían
tomado la salida, están equipados.
En 1883 el ingeniero alemán Karl Benz crea la Benz & Company. En enero de 1886 crea el que ha sido considerado históricamente como el primer vehículo equipado con motor de combustión interna; es un triciclo equipado con un motor de 4 tiempos de construcción propia, según la patente de Otto; en julio del mismo año comienza su construcción para el público. En 1891 construye su primer automóvil de 4 ruedas.
En Francia, François-René Panhard y Emile Levassor, fundan el 1888 la empresa Panhard & Levassor, que con motores Daimler, comienza a fabricar los primeros autos franceses en 1891. Empiezan pues las construcciones colectivas, aunque artesanales de vehículos; la construcción en serie aún no existe y es el propio inventor el encargado de la construcción e incluso posterior reparación de los automóviles.
En 1892, el alemán Rudolfd Diesel inventa un motor que funciona con combustibles pesadosy no necesita sistema de encendido, que se llamara motor diesel. Despues de 5 años en 1987 se construye el primer de estos motores.
En 1957, el alemán Felix Wankel prueba con éxito el nuevo motor de pistón rotativo, que es conocido con el nombre de su inventor, motor Wankel. Pero el motor era demasiado complicado y por esta razón no tuvo éxito en el mercado automotriz.
En todo el mundo, la industria del automóvil empieza a establecerse.
En Estados Unidos, Henry Ford inicia la historia de esta prestigiosa marca a partir de 1893 cuando construye su primer coche en Detroit, para en 1903 fundar la Ford Motor Company.
En diciembre de 1898, en Billancourt se inicia la historia de otro grande, Renault, de la mano de los hermanos Renault: Marcel, Fernand y Louis.
En el mismo año, los hijos de Adam Opel amplían su fábrica de máquinas de coser y de bicicletas con la fabricación de automóviles.
En 1899, Italia ingresa en el mundo automovilístico al crearse la Fábrica Italiana Automobili Torino (FIAT), a cargo de Giovanni Agnelli.
En 1908, Ford lanza al mercado el legendario Ford T, que representó la popularización del automóvil al reducir sensiblemente los costes de fabricación mediante técnicas como la utilización de la pintura negra (era la que secaba más rápido y permitía reducir el tiempo de fabricación del coche). Aún así, la producción francesa era superior en número durante los primeros años del siglo XX.
Con la entrada de General Motors en el mercado, a base de absorber varias fábricas pequeñas, los Estados Unidos tomarían la cabeza de la producción para no dejarla hasta nuestros días.
Las dos grandes marcas norteamericanas se instalan en Europa y para esa época la hegemonía en cuanto a producción es clara: Estados Unidos, Francia, Gran Bretaña, Alemania e Italia.
A pesar de que Alemania nunca fue el primer productor de automóviles, creó el considerado por muchos automóvil del siglo XX: el Volkswagen Käffer, o Escarabajo (1938), diseñado por Ferdinand Porsche bajo petición del mismísimo Adolf Hitler.
Durante la Segunda Guerra Mundial, la producción se detiene; casi todos los constructores se dedican a la fabricación de material bélico durante esos años.
Concluida la guerra, Ford y General Motors aprovecharon el panorama, ampliamente favorable, para absorber algunos pequeños fabricantes. Los años de la post-guerra se caracterizaron por las desapariciones de legendarias marcas, fusiones y reagrupamientos estratégicos; estas fusiones y absorciones continúan hasta el día de hoy.
En la década del los 80, el mercado oriental, y principalmente el japonés, adquirió tal importancia que el mercado norteamericano especialmente, pero también el europeo, vieron peligrar su hegemonía, y debieron de aprender y adoptar técnicas orientales para continuar en cabeza del mercado. Así aparecen conceptos como la producción just-in-time (producción en masa), o los principios Kaizen, hoy en día aplicados universalmente en el mercado automovilístico.
La última lucha parece centrada en los vehículos híbridos, con motores eléctrico y de explosión a la vez, lucha encabezada de momento por el mercado oriental.
Pero esta historia no acaba aquí; los motores eléctricos cada día son mejores y más fiables; ya se habla de automóviles sin necesidad de conductor, de motores de hidrógeno, y de infinidad de ideas para un futuro, en algunos casos más próximo de lo que pensamos. Y la historia no acaba aquí; el automóvil es un invento muy joven dentro de la historia de la humanidad, pero promete continuar durante muchos años más, puede que con características muy diferentes a las actuales, pero seguirá siendo un auto-móvil.
2 El motor térmico de combustión interna
El motor térmico de combustión interna (Otto), transforma la energía calorífica (explosión) en energía mecánica. Esta combustión se produce dentro de la propia cámara por ello se le denomina motor de combustión.
Hay que tener en cuenta que los motores térmicos de combustión interna deben reunir una serie de cualidades:
- Buen rendimiento, es decir que se transforme en trabajo la mayor parte posible de la energía que produce la combustión.
- Bajo consumo en relación a su potencia, es decir que nos consuma la menos cantidad de combustible, pero que esta sea aprovechada en su mayor cantidad posible.
- Gases de escape poco contaminantes, esta normativa se la está aplicando en la gran mayoría de coches, para evitar las emisiones de CO2 al medio ambiente.
- Fiabilidad y durabilidad.
- Bajo coste de fabricación y mantenimiento.
3 Clasificación de los motores de combustión interna
Los motores de combustión interna se pueden clasificar atendiendo a diferentes aspectos:
Por la forma de iniciar la combustión:
· Motores OTTO.
· Motores DIESEL.
Por el ciclo de trabajo:
· Motores de 2 tiempos.
· Motores de 4 tiempos.
Por el movimiento del pistón.
· Motores de pistón alternativo.
· Motores de pistón rotativo.
Motor Otto
El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos, o también llamado motor de explosión o motor de encendido provocado (MEP). La eficiencia de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración.
En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende del grado de compresión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano.
Consiguen su potencia máxima entre las 5.000 y 7.000 rpm.
La eficiencia media de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.
Motor diesel
En teoría, el ciclo diesel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de los motores diesel tienen también cuatro tiempos, si bien las fases son diferentes de las de los motores de gasolina.
En la primera fase se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda fase, la fase de compresión, el aire se comprime a una fracción de su volumen original, lo cual hace que se caliente hasta unos 440 ºC. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible vaporizado dentro de la cámara de combustión, produciéndose el encendido a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de potencia, la combustión empuja el pistón hacia atrás, trasmitiendo la energía al cigüeñal. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de expulsión.
Algunos motores diesel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible para arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada.
La eficiencia de los motores diesel depende, en general, de los mismos factores que los motores Otto, y es mayor que en los motores de gasolina, llegando a superar el 40%. Este valor se logra con un grado de compresión de 14 a 1, siendo necesaria una mayor robustez, y los motores diesel son, por lo general, más pesados que los motores Otto. Esta desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho de utilizar combustibles más baratos.
Los motores diesel suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min), mientras que los motores Otto trabajan de 2.500 a 5.000 rpm. No obstante, en la actualidad, algunos tipos de motores diesel trabajan a velocidades similares que los motores de gasolina, pero por lo general con mayores cilindradas debido al bajo rendimiento del gasoil respecto a la gasolina.
Motor de cuatro tiempos
El funcionamiento básico de este motor a explosión son los mismos pasos que el motor de 2 tiempos pero con más piezas y más movimientos.
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Admisión
Compresión
Explosión
Escape
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Nota: Nota: en el diseño a la izquierda visto de perfil falta una válvula para hacer más claro el dibujo, Siempre son 2 válvulas, escape y admisión-.
Paso 1: El pistón baja mientras se abre la válvula de admisión y entra aire y combustible Paso 2: El Pistón sube mientras se cierran las válvulas y comprime la mezcla. Paso 3: Se produce la explosión y los gases ejercen presión sobre el pistón. Paso 4: El pistón sube a la cima y se abre la válvula de escape para dejar salir los gases. Como veréis el cilindro no tiene ninguna tobera ya que el escape lo permite una válvula y la admisión otra válvula. El ciclo de apertura y cierre de las válvulas está marcado por los giros del cigüeñal que a su vez mueve con la cadena de distribución el árbol de levas que a su vez presiona el balancín que presiona la válvula para abrirla (por defecto debido al resorte siempre está cerrada en reposoPaso 1: El pistón baja mientras se abre la válvula de admisión y entra aire y combustible Paso 2: El Pistón sube mientras se cierran las válvulas y comprime la mezcla. Paso 3: Se produce la explosión y los gases ejercen presión sobre el pistón. Paso 4: El pistón sube a la cima y se abre la válvula de escape para dejar salir los gases. Como veréis el cilindro no tiene ninguna tobera ya que el escape lo permite una válvula y la admisión otra válvula. El ciclo de apertura y cierre de las válvulas está marcado por los giros del cigüeñal que a su vez mueve con la cadena de distribución el árbol de levas que a su vez presiona el balancín que presiona la válvula para abrirla (por defecto debido al resorte siempre está cerrada en reposo). · El árbol de levas puede estar arriba o abajo en los motores (cabeza o culata). · En los autos el cigüeñal mueve mediante una correa dentada (que está fuera del motor generalmente) al árbol de levas más el ventilador que enfría el agua, más el alternador que suministra la carga a la batería.
Motor de dos tiempos
Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor Otto o diesel func ione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases en lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es menor que la de los motores de cuatro tiempos, pero al necesitar sólo dos tiempos para realizar un ciclo completo, producen más potencia que un motor cuatro tiempos del mismo tamaño.
El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas de cabezal, las válvulas deslizantes u orificios (que quedan expuestos al desplazarse el pistón hacia atrás). En los motores de dos tiempos la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través del orificio de aspiración cuando el pistón está en la posición más alejada del cabezal del cilindro. La primera fase es la compresión, en la que se enciende la carga de mezcla cuando el pistón llega al final de la fase. A continuación, el pistón se desplaza hacia atrás en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases salgan de la cámara.
Motor de pistón alternativo
La característica principal de un motor de alternativo es que transforma la energía térmica en energía mecánica.
Partes de un motor alternativo de combustión interna
La parte estructural fundamental del motor la forman la bancada y el bloque sobre los que van montados los demás elementos del motor.
El pistón va en el cilindro y va unido a la biela mediante un bulón. La biela transmite el movimiento del pistón a la manivela del cigüeñal, el cual está soportado por cojinetes sobre la bancada, transformando el movimiento lineal en rotativo. En la parte superior va la culata y el espacio que queda entre el pistón y la culata es la cámara de combustión. La entrada del fluido (gasolina o gasoil) y la salida de los gases se realizan a través de válvulas que se encuentran en la parte superior de la culata y están sincronizadas mecánicamente.
Principio de funcionamiento
El motor realiza un ciclo operativo. Este puede ser de cuatro tiempos o dos tiempos.
El ciclo de cuatro tiempos completo se realiza en cuatro carreras del pistón.
· Primer tiempo admisión: El pistón desciende desde el punto muerto superior (PMS) haciendo que entre aire y combustible por la válvula de admisión.
· Segundo tiempo compresión: la válvula de admisión se cierra cuando el pistón llega al punto muerto inferior (PMI), comienza a subir de nuevo comprimiendo la carga.
· Tercer tiempo expansión: Antes de que finalice la carrera de compresión se produce la inflamación y proyecta el pistón hacia abajo, produciéndose trabajo.
· Cuarto tiempo escape: Una vez llega al Pise abre la válvula de escape, el pistón asciende expulsando los gases de la combustión.
·
De los cuatro tiempos anteriores el único que realiza trabajo es el tercer tiempo mediante un mecanismo llamado volante de inercia.
El ciclo de dos tiempos completo se realiza en dos carreras de pistón.
· Primer tiempo: Cuando el pistón está en el PMS se produce la inflamación, empujando el pistón y abriendo la lumbrera de escape. A medida que el pistón baja empuja los gases de combustión hacia la lumbrera de escape.
· Segundo tiempo: El pistón comienza a subir desde el PMI entrando la mezcla de aire y combustible y luego cierra las lumbreras de escape. Al subir comprime el fluido.
Existen dos subgrupos de motores, los de encendido por chispa (Ech) y los motores de encendido por compresión (EC).
En los motores de encendido por chispa el combustible se mezcla generalmente con el aire antes de entrar en el cilindro. Anteriormente se solía hacer en un carburador pero últimamente se hace con sistemas de inyección. El encendido de la mezcla se produce por una bujía. El combustible es la gasolina.
En los motores de encendido por compresión solo entra aire y es comprimido fuertemente ya que al inyectar el combustible (cerca del PMS) se debe inflamar directamente. El combustible es el gasoil.
A los dos tipos de motores se les puede sobrealimentar introduciéndoles más aire y combustible del que admiten normalmente.
En el estudio teórico de los motores se realizan análisis termodinámicos elementales y se suele simplificar. Los procesos termodinámicos que tienen lugar según el diagrama son los siguientes. El encendido por chispa se utiliza un ciclo termodinámico llamado ciclo Otto.
· Tramo 1-2. Se realiza la compresión adiabática del fluido de trabajo.
· Tramo 2-3. Absorción instantánea de calor en el momento de la explosión
· Tramo 3-4. Expansión adiabática del pistón
· Tramo 4-1. Extracción instantánea del calor
El ciclo teórico para el motor de encendido por compresiones el ciclo diesel.
· Tramo 1-2. Compresión adiabática, es decir, sin introducción ni extracción de calor.
· Tramo 2-3. Absorción de calor que se realiza manteniendo la presión constante.
· Tramo 3-4. Expansión adiabática.
· Tramo 4-1. Cesión de calor manteniendo el volumen constante.
Motor de pistón rotativo
En la década de 1950, el ingeniero alemán Félix Wankel completó el desarrollo de un motor de combustión interna con un diseño revolucionario, actualmente conocido como Motor Wankel. Utiliza un rotor triangular-lobular dentro de una cámara ovalada, en lugar de un pistón y un cilindro.
La mezcla de combustible y aire es absorbida a través de un orificio de aspiración y queda atrapada entre una de las caras del rotor y la pared de la cámara. La rotación del rotor comprime la mezcla, que se enciende con una bujía. Los gases se expulsan a través de un orificio de expulsión con el movimiento del rotor. El ciclo tiene lugar una vez en cada una de las caras del rotor, produciendo tres fases de potencia en cada giro.
El motor de Wankel es compacto y ligero en comparación con los motores de pistones, por lo que ganó importancia durante la crisis del petróleo en las décadas de 1970 y 1980. Además, funciona casi sin vibraciones y su sencillez mecánica permite una fabricación barata. No requiere mucha refrigeración, y su centro de gravedad bajo aumenta la seguridad en la conducción. No obstante salvo algunos ejemplos prácticos como algunos vehículos Mazda, ha tenido problemas de durabilidad.
TEMA 2
EL MOTOR OTTO DE CUATRO TIEMPOS
1 Características del motor Otto.
El motor Otto de cuatro tiempos pertenece al grupo de motores térmicos de combustión interna, consume una mezcla de aire combustible que ha sido previamente preparada.
Su ciclo d funcionamiento se realiza en cuatro tiempos:
· ADMISION
· COMPRESION
· EXPANSION
· ESCAPE
A continuación les detallamos sobre dichos ciclos de trabajo.
En la fase de admisión, la válvula de admisión se abre y el pistón se desplaza hacia abajo en el cilindro, aspirando la mezcla de combustible y aire. La válvula de admisión se cierra cerca del final de la carrera de admisión y el pistón se mueve hacia arriba del cilindro, comprimiendo la mezcla. Al aproximarse el pistón a la parte superior del cilindro en la carrera de compresión, se enciende la bujía y la mezcla se inflama. Los gases de la combustión se calientan y expansionan con gran rapidez, lo que aumenta la presión en el cilindro, forzando al pistón de nuevo a bajar en lo que se denomina carrera de expansión o motriz. La válvula de escape se abre y forzados los gases por la subida del pistón pasan a través de ella para salir al exterior del cilindro.
CARACTERISTICAS MECANICAS, TERMICAS Y VOLUMETRICAS
Las características esenciales que definen a los motores de explosión de combustión interna son:
a) FORMA DE REALIZAR LA CARBURACION: El llenado de los cilindros se realiza con la mezcla aire-combustible, la cual se prepara en el exterior de los cilindros por medio del carburador, o los sistemas de inyección, para después ser comprimida en el interior de los mismos. Debido a esta forma de carburación los motores necesitan consumir combustibles ligeros y fácilmente vaporizables, para que la mezcla se realice en perfectas condiciones de carburación y para obtener así una rápida combustión.
b) RELACION DE COMPRESION Y POTENCIA: Debido a los combustibles utilizados, la relación de compresión en estos motores no puede ser elevada, ya que está limitada por la temperatura alcanzada por la mezcla durante la compresión en el interior del cilindro, la cual no puede ser superior a la temperatura de inflamación de la mezcla. Estas relaciones de compresión limitan la potencia de estos motores. Sin embargo, la preparación de la mezcla fuera del cilindro, con tiempo suficiente durante la aspiración y compresión para obtener una buena carburación de la misma, permite una rápida combustión, con lo que se puede obtener un elevado número de revoluciones en el motor.
c) FORMA DE REALIZAR LA COMBUSTION: Otra de las características esenciales de estos motores es la forma de realizar su combustión (volumen constante). Esta se produce cuando el embolo se encuentra en el punto de máxima compresión y se realiza de una forma rápida, por capas como si fuera una explosión, pero sin que los gases puedan expansionarse o sea, aumentar su volumen. Esto hace que la presión y la temperatura interna se eleven extraordinariamente al final de la combustión y se alcancen presiones considerables (40 a 70 kgf/cm2) que ejerce un empuje notable sobre el pistón, desplazándolo para realizar el trabajo motriz.
d) FORMA DE ENCENDIDO: Estos motores se caracterizan por la forma de encendido, el cual se produce por ignición de la mezcla a través de una chispa eléctrica, que hace expansionar los gases una vez iniciada la combustión.
DEFINICION DE TERMINOS
· PUNTO MUERTO SUPERIOR: Se define el punto muerto superior (P.M.S.) como la posición que tiene el pistón con respecto al eje central del cigüeñal. Se dice que está en el P.M.S. cuando se encuentra a la máxima distancia del eje de giro del cigüeñal, esta es la posición de desplazamiento máximo, en el sentido ascendente, que puede alcanzar el pistón.
· PUNTO MUERTO INFERIOR: Se dice que el pistón esta en el punto muerto inferior (P.M.I.) cuando en su desplazamiento, se encuentra a la mínima distancia del eje de giro del cigüeñal. En este caso, es la posición de desplazamiento mínimo que puede alcanzar el pistón.
· CARRERA: Se define como carrera del pistón a la distancia recorrida entre el PMS y el PMI, o viceversa, ya que ambos recorridos son iguales.
· CICLO: Se define ciclo como la sucesión de hechos que se repiten de una forma regular. El ciclo del motor alude a una sucesión de hechos repetitivos. (Ciclo de Otto)
· MEZCLA: Se llama mezcla a una carga o masa aire-combustible, que se introduce en el cilindro del motor, y que está preparada para la combustión.
· CILINDRADA: El recorrido (L) que efectúa el embolo entre el PMS y el PMI se denomina carrera, que multiplicada por la superficie (S) del pistón, en función de su diámetro denominado calibre, determina el volumen o cilindrada unitaria (Vu), que corresponde al volumen de la mezcla aspirada durante la admisión:
Vu = ð.D² / 4 . L
Siendo D = diámetro interior del cilindro, Vu = Volumen unitario y L = Carrera
· RELACION DE COMPRESION: La presión final alcanzada por la mezcla en la cámara de combustión está en función de la relación de compresión del motor (Rc), la cual viene determinada por la relación existente entre el volumen total (Vu) alcanzado por la mezcla en el cilindro y el volumen de la cámara de combustión (Vc), es decir:
Rc = (Vu + Vc) / Vc
La relación de compresión es uno de los factores más característicos del motor pues, hasta cierto punto, determina la potencia que es capaz de suministrar.
2 CONSTITUCION DEL MOTOR OTTO
ELEMENTOS COMUNES:
Dentro de los elementos comunes a los dos tipos de motores podemos clasificarlos como elementos fijos o soporte y elementos móviles o dinámicos.
ELEMENTOS FIJOS:
-BLOQUE MOTOR: Es el elemento que constituye el soporte estructural de todo el motor. Es el elemento más voluminoso y pesado del motor en el cual van alojados o acoplados el resto de la gran parte de elementos que componen el motor.
Formado por una serie de orificios los cuales constituyen los denominados cilindros en los cuales se alojaran los pistones. Dependiendo de la forma, disposición y características del bloque así podremos disponer de motores con cilindros en Línea, Horizontales opuestos y en “V”. La disposición en línea es la más clásica y común para la mayoría de los motores actuales. Ya que son motores de cilindradas relativamente medianas-bajas. No ocupan demasiado espacio debido a su pequeña cilindrada. El problema se plantea cuando tratamos de construir motores de elevadas cilindradas y un número elevado de cilindros. En estos casos se nos plantean varios problemas, básicamente constructivos; el primero es que si tratamos de construir un motor con un número de cilindros superior a 4 ó 5, el bloque motor adquiere unas dimensiones exageradamente grandes, dificultando su posterior montaje en el vehículo y la limitación en cuanto al diseño del mismo.
El segundo problema radica en la construcción de un cigüeñal excesivamente largo lo cual nos produce una disminución en la resistencia del material y el consecuente aumento de las probabilidades de rotura o deformación del mismo.
Un cigüeñal tan grande en movimiento almacena una energía cinética excesiva que podría repercutir en el resto de elementos del motor.
En la figura podemos observar un bloque con sus correspondientes camisas.
Para evitar este tipo de inconvenientes se disponen los motores en “V”. Como su propio nombre indica la disposición de los cilindros se realiza en dos mitades dispuestas en uve repartiendo de esta manera los cilindros y el resto de los elementos del motor consiguiendo una optimización de las dimensiones del mismo.
Otro tipo de motores según la disposición de los cilindros son los motores horizontales-opuestos; este tipo de motores es el menos utilizado pero se caracteriza por tener una disposición de los cilindros igual a la de los motores en “V” pero con un desfase de 180º.
El bloque motor debido a los cilindros y una serie de cavidades Internas, se encuentra prácticamente hueco. Por tales cavidades circula el agua del circuito de refrigeración. También posee otra serie de orificios roscados los cuales sirven para la fijación del resto de elementos que van acoplados al bloque; y no debemos olvidar que en el interior del bloque se encuentra un circuito de engrase que comunica con todas las zonas donde apoyan elementos móviles para su perfecta lubricación.
El material empleado para la construcción del bloque es la fundición gris aleada con metales como el níquel y cromo. Este material le proporciona al bloque una elevada resistencia al calor y al desgaste así como una espléndida conductividad térmica.
Dependiendo del tipo de refrigeración utilizada en el motor, podremos clasificar los bloques en;
· Bloques refrigerados por agua
· Bloques refrigerados por aire
BLOQUES REFRIGERADOS POR AIRE
Este tipo de bloques es el menos utilizado debido a su baja eficacia a la hora de refrigerar.
Aunque posee la gran ventaja de ser muy económico.
Este tipo de bloques está constituido por una serie de láminas o nervios practicados en la parte exterior del bloque los cuales poseen una gran superficie de contacto con el aire del exterior; el cual, al ir el vehículo en marcha la corriente de aire que se establece en el motor, enfriando las paredes del bloque y por tanto evacua parte del calor generado.
Este tipo de bloques se emplea básicamente en motores de dos tiempos.
BLOQUES REFRIGERADOS POR AGUA
A diferencia de los anteriores en este tipo de bloques; el calor generado en la combustión y debido al rozamiento de los distintos elementos; es evacuado por una corriente de agua que circula por el interior del bloque la cual va conectada al circuito de refrigeración. Este sistema es el más utilizado debido a su excelente eficacia.
En ocasiones los cilindros donde van alojados los pistones no se practican directamente sobre el mismo bloque sino que se emplean forros o camisas las cuales van insertadas en el propio bloque. Este sistema plantea la enorme ventaja de que en el caso de existir un excesivo desgaste en las paredes del cilindro, la reparación es menos costosa, ya que tendremos que cambiar solamente la camisa y sustituirla por otra nueva. En el caso de ser un bloque sin camisas , el único modo de solventar el problema es rectificando los cilindros y por consiguiente variando las cotas esenciales de los cilindros.
Dentro de la utilización de camisas podremos distinguir dos tipos;
· CAMISAS SECAS: Este tipo de camisas se montan a presión en el interior del cilindro mecanizado en el bloque. Se encuentran en perfecto contacto con la pared del bloque, para que el calor interno pueda transmitirse al circuito de refrigeración.
· CAMISAS HÚMEDAS: El bloque en este caso es totalmente hueco y es la camisa postiza la que forma y cierra la cámara de agua del circuito de refrigeración, el cual queda en contacto directo con la camisa
CULATA
Es la pieza que sirve, entre otras cosas, de cierre a los cilindros por su parte superior. En ella van alojadas, en la mayoría de los casos, las válvulas de admisión y escape. También conforma la cámara de combustión en aquellos motores en los que no posean pistones con cámara incorporada. Sirve como soporte y alojamiento, para los distintos elementos de encendido o inyección según el tipo de motor que se trate.
En motores con árbol de levas en cabeza es decir, con dicho árbol situado en la parte superior de la culata, la culata dispone de una serie de apoyos para albergar al árbol de levas. EN caso de que el motor tenga árbol de levas lateral o en bloque, en la culata s albergará el eje de balancines.
Al igual que el bloque la culata posee una serie de orificios por los cuales circula el agua del circuito de refrigeración y que están comunicados a su vez con los orificios del bloque.
Debido a las condiciones de trabajo que soportan, tienen que ser resistentes a las altas temperaturas y ser buenas conductoras del calor. Para ello se fabrican de aleación ligera; antiguamente se fabricaban del mismo material que el bloque para evitar dificultades en la sujeción debido al coeficiente de dilatación de los materiales.
En culatas con cámara de combustión, éstas pueden ser de diferentes formas según la disposición y forma de los distintos elementos; eligiendo la forma que mejor se adapte al tipo de motor. Así pues podremos diferenciar los siguientes tipos:
· Cámara alargada: Se emplea en motores con válvulas laterales. Presenta una gran superficie interior con zonas separadas del punto de ignición, formando rincones que dan lugar a depósitos de carbonilla que da lugar al autoencendido. Pero tienen la gran ventaja de ser de construcción económica.
· Cámara de bañera y en cuña: Se emplea en culatas con bujías laterales. Posee la gran ventaja de que el recorrido de la chispa es muy corto y limita el exceso de turbulencias en el gas.
· Cámara cilíndrica: Una de las más utilizadas en la actualidad debido a su sencillez de diseño y fácil realización.
· Cámara hemisférica: Es de todas, la que más se aproxima a la forma ideal. Las válvulas se disponen una a cada lado de la cámara y la bujía en el centro. Tiene la enorme desventaja de que necesita doble sistema de distribución, un árbol de levas por cada fila de válvulas.
Para motores diesel existen dos tipos de cámaras; las cuales se clasifican según el tipo de inyección empleada (inyección directa o inyección indirecta).
· Cámara de inyección indirecta o pre cámara de combustión: Este tipo de cámaras se divide en dos partes; una que es la cámara propiamente dicha que la conforma la culata o bien en el propio cilindro, y una cámara de pre combustión alojada en la misma culata. Estas dos cámaras están comunicadas entre sí por medio de unos orificios denominados difusores. Cuando la válvula de admisión se abre parte del aire aspirado entra dentro de la precámara en la cual cuando se comprime lo suficiente se abre el inyector que debido a la elevada temperatura y presión del aire, ésta comienza a combustiones, siguiendo dicha combustión hasta la cámara de combustión principal, donde termina de combustionar por completo toda la mezcla.
Este tipo de cámaras poseen la ventaja de ser más silenciosas y conseguir una combustión más suave y progresiva castigando menos a los elementos como el pistón. Aunque también posee el inconveniente del arranque en frío ya que la cámara debe alcanzar una temperatura de entre 500 y 1000 ºC para poder combustionar la mezcla. Para evitar este problema se emplean resistencias eléctricas denominadas “calentadores” que a la hora de poner el motor en marcha calienta la precámara, permitiendo un óptimo arranque. Existen, en cuanto a tipos de cámaras, una serie de variantes cuyo funcionamiento y disposición es prácticamente el mismo que el citado anteriormente, como por ejemplo; Cámara de turbulencia y Cámara de reserva de aire.
Cámara de inyección directa: Este tipo de cámaras son la base de casi todos los motores diesel que se fabrican en la actualidad. Consta de una única cámara de combustión en la cual se inyecta el combustible a alta presión por medio del inyector el cual, a diferencia de los inyectores utilizados en el otro tipo de inyección, posee varios orificios de salida de combustible. Este sistema posee la ventaja de tener un mejor arranque en frío, y un menor consumo de combustible aportando para características constructivas iguales una mayor potencia. El inconveniente de este tipo de motores es su excesivo ruido. En la actualidad este tipo de motores gracias a las nuevas tecnologías y al descubrimiento de nuevos materiales más resistentes y ligeros, han conseguido suprimir parte de sus inconvenientes; como por ejemplo el elevado ruido, el tiempo de respuesta (reprise), etc...
Un principio este tipo de motores no utilizaba calentadores, pero en la actualidad se incorporan para mejorar el arranque en frío, haciéndose éste casi perfecto.
JUNTA DE LA CULATA
Tanto la culata como el bloque motor van separados entre sí por medio de una junta denominada Junta de la Culata la cual permite una perfecta unión entre ambos elementos y una estanqueidad casi perfecta entre las cavidades de los dos elementos. Construida a base de amianto y metal que la hacen resistente a la temperatura y a los esfuerzos mecánicos.
TAPA DE BALANCINES Y CARTER
Son los dos elementos que cierran al motor uno por la parte de arriba y el otro por la parte de abajo.
- CARTER
Es la pieza que cierra al motor por la parte posterior. Cumple varias misiones; una de ellas es la de proteger a los elementos móviles (cigüeñal), también sirve de recipiente para el aceite de engrase y cumple el cometido de refrigerar dicho aceite. Se construye de chapa embutida y en su parte más baja lleva practicado un orificio de vaciado del aceite de engrase. Existen modelos en los cuales se les practica una serie de orejas o laminaciones que sirven para la mejor refrigeración del aceite del engrase.
Unido al bloque por medio de unos tornillos y una junta de corcho para evitar fugas de aceite.
- TAPA DE BALANCINES
Al igual que el cárter esta tapa sirve de cierre al motor por su parte superior. Construida de chapa embutida cuya misión es la de proteger a los elementos móviles. Unida a la culata por medio de unos tornillos que roscan en unos agujeros ciegos practicados en la culata y una junta de corcho que evita pérdidas de aceite.
COLECTORES DE ADMISIÓN Y ESCAPE:
- COLECTOR DE ADMISIÓN
Es el elemento encargado de hacer llegar lo mejor posible la mezcla aire-gasolina para motores Otto, y el aire para motores diesel y gasolina de inyección directa, al interior de los cilindros. Suele estar construido de aluminio ya que es un elemento que no está sometido a grandes temperaturas ya que los gases que entran son gases frescos. El número de orificios del colector dependerá del número de cilindros del motor, así pues si el motor tiene 4 cilindros, el colector tendrá cuatro orificios.
- COLECTOR DE ESCAPE
Sirve de camino de salida de los gases quemados en la combustión hacia el exterior. Soportan grandes temperaturas por ello que se fabriquen de hierro fundido con estructura perlítica para darle una buena resistencia a las altas temperaturas.
Existen varios tipos de colectores como los de tubos múltiples los cuales se utilizan en motores rápidos.
En ocasiones se disponen los colectores de admisión y escape entrelazados entre sí. Este sistema hace que el motor cuando está frío nos caliente los gases de admisión y evite una excesiva condensación en el arranque en frío.
Ambos colectores van unidos a la culata por medio de un sistema de espárrago y tuerca. Y en medio de los dos se coloca una junta de papel parafinado para el colector de admisión y otra de amianto para el de escape.
ELEMENTOS MOVILES O MOTRICES:
Son los elementos encargados de transformar la energía térmica producida en la combustión en energía mecánica, a través de un sistema de biela - manivela que transforma el movimiento alternativo del pistón en un movimiento giratorio del cigüeñal.
Entre los principales elementos móviles que constituyen el motor de cuatro tiempos podremos hablar de;
· PISTÓN O ÉMBOLO
Es el elemento móvil que se desplaza en el interior de cilindro el cual recibe directamente sobre él el impacto de la combustión de la mezcla. Se divide en dos partes fundamentales; lo que se denomina cabeza del pistón y la otra llamada falda del pistón.
- Cabeza del pistón
Es la parte superior del pistón que se encuentra en contacto directo con la cámara de combustión y que por lo tanto es la parte que se encuentra sometida a un mayor castigo mecánico, térmico y químico. Es esta parte del pistón se encuentran mecanizadas unas ranuras o gargantas las cuales sirven de alojamiento a los segmentos (elementos que estudiaremos posteriormente).
La cabeza del pistón puede llegar a tener varias formas dependiendo del tipo de motor, bien sea por su disposición o por su principio de funcionamiento. Así pues existen pistones con la cabeza plana, los cuales son de uso frecuente en motores con cámara de combustión en culata. Cámara de combustión en pistón; a este tipo de pistones se les practica un alojamiento con unas formas determinadas que sirven de cámara de combustión, lo que nos permite montar culatas completamente planas. Cabeza con deflector; este tipo de pistones se utilizan en motores de dos tiempos para conducir los gases.
- Falda del pistón
Es la parte baja del pistón y la cual posee la misión de servir de guía en su movimiento alternativo Es de dimensiones ligeramente mayores que las de la cabeza del pistón lo cual evita su cabeceo y por lo tanto un desgaste descompensado en el cilindro y en el pistón.
En esta parte se mecaniza un alojamiento para el bulón de unión entre la biela y el pistón. En ocasiones, en esta parte (la falda), se practican unas ranuras en forma de T o de U, las cuales sirven de compensadores térmicos que evitan el aumento de dimensiones del pistón cuando alcanza altas temperaturas.
Debido a las condiciones de trabajo a las que están sometidos los pistones han de construirse de tal manera que sean; Robustos, ligeros, resistentes a las altas temperaturas, resistentes al desgaste, bajo coeficiente de dilatación y gran conductividad térmica. Para conseguir todas estas propiedades se construyen de aleación ligera a base de aluminio - silicio con ligeros contenidos de cobre, magnesio y níquel.
- SEGMENTOS
Como hemos mencionado al estudiar el pistón, estos elementos van alojados en los pistones y se componen por unos anillos elásticos que se encuentran en contacto con las paredes del cilindro. Su misión es la de separar herméticamente el recinto volumétrico generado por el pistón en su desplazamiento; lubricar las pares del cilindro y transmitir el calor que le comunica el pistón a las paredes del cilindro.
El número de segmentos por pistón varía según los motores pero oscilan entre 3 y 6.
Al primer grupo de segmentos se les denomina; segmentos de compresión y son los encargados de realizar un cierre hermético con la parte superior del cilindro. Al primero de estos segmentos se le denomina de fuego.
Posteriormente tenemos los denominados segmentos de engrase, los cuales, como su propio nombre indica, sirven para engrasar las paredes del cilindro. Suelen tener unos orificios por los cuales circula el aceite y que comunican con el interior del pistón.
Al igual que los pistones y debido a sus condiciones de funcionamientos deben de cumplir una serie de condiciones mecánicas y térmicas como por ejemplo; ser buen conductor térmico, resistente a las altas temperaturas y sobre todo, resistente al desgaste.
- BIELA
Es el elemento que sirve de unión entre el pistón y el cigüeñal y por lo tanto, es el que transmite todo el esfuerzo del pistón a las muñequillas del cigüeñal.
La biela se divide en; cabeza, cuerpo y pie.
- La cabeza es la parte de la biela que va acoplada a la muñequilla del cigüeñal. Esta unión se realiza a través de un elemento llamado sombrerete el cual va unido a la cabeza de la biela por medio de dos fijaciones roscadas. Entre medias se colocan unos casquillos antifricción los cuales sirven para evitar el desgaste prematuro entre las superficies en contacto. Estos elementos se denominan sema casquillos de biela o semi cojinetes de biela.
- El cuerpo de la biela es la parte que une el pie con la cabeza y por lo tanto la que transmite el esfuerzo. Sometida a esfuerzos de flexión y compresión posee una sección transversal que varía de formas pero que suelen ser en forma de H la cual proporciona a la biela la suficiente resistencia mecánica para soportar tales esfuerzos.
- El pie de biela en la parte que une se al bulón y que a su vez lo hace con el pistón.
CIGÜEÑAL
Es el elemento que junto con la biela y el pistón realiza la transformación del movimiento alternativo en movimiento rotativo. Transmite también el giro y fuerza motriz a los demás órganos de transmisión.
Constituido por un árbol acodado el cual posee unas muñequillas de apoyo o moyús que descansan sobre los apoyos del bloque motor. El cigüeñal va fijado en sus apoyos, al igual que la cabeza de biela, por unos sombreretes, denominados sombreretes de bancada. Entre medias se colocan unos casquillos denominados semi casquillos de bancada o semi cojinetes de bancada, los cuales tienen la misión de reducir el rozamiento al máximo y evitar el desgaste prematuro entre las piezas en contacto. El número de apoyos de un cigüeñal suele ser, el número de cilindros menos uno.
También posee unos muñones o muñequillas de biela, sobre los que se acoplan las bielas por medio de la cabeza de biela. Siendo el numero de muñones igual al de cilindros.
En los apoyos situados en los extremos del motor, se montan unos retenes que eviten las pérdidas de aceite hacia el exterior, tanto en el lado de la distribución como en el lado del volante.
Posee unos orificios que comunican entre sí y que sirven como conductos para la circulación del aceite de engrase. Estos orificios se encuentran en los apoyos y en los muñones para que lubriquen las piezas que se encuentran sometidas a mayor desgaste.
VOLANTE DE INERCIA
Es el elemento de gran masa que se acopla al cigüeñal y que tiene la misión de almacenar energía cinética para regular el giro del cigüeñal y transmitir esa energía en los puntos muertos (del ciclo).
DISTRIBUCIÓN
La comprenden el conjunto de elementos auxiliares necesarios para el perfecto funcionamiento de los motores. Tiene por misión la de abrir y cerrar las válvulas de admisión y escape en el momento adecuado para el llenado y evacuado perfecto de los gases de admisión y escape.
La distribución está constituida por los siguientes elementos;
- CONJUNTO DE VÁLVULA
Son un conjunto de elementos que abren y cierran la entrada y salida de gases a la cámara de compresión.
- VALVULA
Son el elemento principal de este conjunto. Situadas en el interior de la cámara de combustión son las encargadas de abrir y cerrar los orificios de entrada y salida de gases.
Constituidas por una cabeza de válvula la cual hace el cierre hermético con el orificio de la culata. Suelen estar mecanizadas con un ángulo de inclinación para evitar fugas y permitir un mejor cierre. Esta parte de la válvula apoya en la culata sobre un elemento llamado asiento de válvula.
Unida a la cabeza se encuentra el vástago o cuerpo de válvula cuya misión es la de servir de guía a la válvula en su desplazamiento. Al final del vástago posee unas hendiduras las cuales sirven para fijar el resto de elementos que van acoplados a la válvula.
- MUELLES DE LA VÁLVULA
Es el elemento encargado de mantener la válvula siempre cerrada. Este tipo de muelles se suelen fabricar con carga elástica de tensión gradual, es decir, que su constante de proporcionalidad varía a lo largo de su longitud; el objetivo de este tipo de construcción es el de evitar el rebote del propio muelle y por lo tanto de la válvula, debido al continuo movimiento alternativo. Otra forma de evitar este efecto es colocando dos muelles con distinto sentido de arrollamiento en la espira del muelle.
- ELEMENTOS DE FIJACIÓN
Con objeto de mantener el muelle unido a la válvula se emplean unos elementos de fijación como las cazoletas y los Semiconos. Estos elementos quedan fijados a la válvula gracias a la propia presión que realiza el muelle sobre ellos.
- GUIA DE VÁLVULA
- Es el elemento sobre el cual se desliza el cuerpo de la válvula y el cual se encuentra fijo en la culata. Su misión, como su propio nombre indica, es la de guiar y hacer más suave el movimiento de la válvula.
- ÁRBOL DE LEVAS Y ELEMENTOS DE MANDO
El árbol de levas es el elemento encargado de vencer la fuerza que ejercen los muelles sobre las válvulas a través de los mecanismos de mando para poder abrirlas y cerrarlas en el momento adecuado.
Constituido por un árbol al cual se le han mecanizado una serie de elementos excéntricos denominados levas, que son los encargados de mandar el empuje a través de los elementos de mando hacia las válvulas. Al igual que el cigüeñal posee una serie de apoyos o moyús, los cuales pueden ir alojados o bien el bloque (árbol de levas en bloque), o bien en la culata (árbol de levas en cabeza o en culata), dependiendo del tipo de distribución que tenga el motor. En ocasiones llevan mecanizados uno o dos piñones dentados los cuales sirven para dar movimiento a la bomba de aceite y al distribuidor o delco respectivamente. En motores con bomba de gasolina mecánica, se mecanizaba una leva adicional al árbol de levas la cual accionaba dicha bomba. En la actualidad está en desuso debido a la utilización de bombas eléctricas.
La apertura y cierre de las válvulas debe de estar perfectamente sincronizada con la posición de los pistones. Debido a esto el árbol de levas recibe el movimiento del cigüeñal el cual debe estar perfectamente sincronizado en su movimiento con el del árbol de levas.
Cuando el árbol de levas se encuentra en el bloque, el accionamiento sobre las válvulas se realiza a través de unos elementos de mando constituidos por;
- BARILLA EMPUJADORA
Tiene la misión de transmitir el empuje de la leva hasta el balancín, salvando la distancia que hay entre ellos.
- TAQUÉS
Dependiendo del tipo de distribución, los taqués irán situados o bien en el bloque o en la culata.
Taqués en bloque: Van situados entre la leva y la varilla empujadora.
Taqués en culata: Se colocan cuando el árbol de levas va montado sobre la culata y el acci
onamiento sobre las válvulas es directo (no necesita varilla empujadora). Este tipo se coloca encima de la misma válvula. En la actualidad, en este tipo de montaje, se emplean taqués hidráulicos los cuales poseen la ventaja de mantener en todo momento las cotas de funcionamiento evitando de este modo realizar el llamado reglaje de taqués.
- BALANCINES
Es la palanca que transmite directa o indirectamente el movimiento de la leva a la válvula. Existen dos tipos de balancines;
- BALANCINES BASCULANTES: Empleados en motores que usan varillas empujadoras. Por un extremo recibe el
empuje y por el otro lo transmite, basculando en la parte central.
- BALANCINES OSCILANTES: Este tipo de balancines se emplea en motores con árbol de levas en cabeza. A diferencia del anterior, en este caso, el movimiento lo recibe directamente el balancín en su zona central, basculando en un extremo y transmitiendo el movimiento en el otro.
Los balancines poseen un mecanismo de regulación constituido por un espárrago roscado y una tuerca blocante, el cual sirve para que exista una pequeña holgura entre la válvula y el balancín. Esta cota es necesaria para que en condiciones de funcionamiento normales, al dilatar los materiales por el efecto térmico, no queden excesivamente juntas estas dos piezas y provoquen en estado de reposo de la válvula (cerrada) una ligera apertura de la misma. A este fenómeno se le denomina válvula pisada.
Los balancines oscilan sobre un eje denominado eje de balancines el cual se encuentra situado en la culata. Posee una serie de orificios interiores que sirven para engrasar la zona de basculación del balancín.
- ELEMENTOS DE TRANSMISIÓN
La transmisión del movimiento entre el cigüeñal y el árbol de levas puede realizarse de tres formas distintas;
- POR RUEDA DENTADA: Consiste en comunicar el movimiento a través de unos piñones o ruedas dentadas. En principio se acopla una rueda dentada al cigüeñal y otra al árbol de levas las cuales engranan entre sí transmitiendo el movimiento. En caso de existir una distancia considerable entre ambas se intercala otra rueda dentada entre medias. Este sistema se encuentra en desuso debido al elevado ruido que produce y al gran peso de los piñones que disminuyen la eficacia del motor.
-POR CADENA: Consiste en realizar la transmisión del movimiento a través de una cadena que engrana en dos piñones situados en el cigüeñal y en el árbol de levas. Este sistema, más empleado que el anterior, también ha quedado prácticamente en desuso, ya que es muy ruidoso. Aunque plantea la ventaja de no necesitar mantenimiento.
-POR CORREA DENTADA: Es el sistema más empleado en la actualidad ya que evita los inconvenientes de los otros sistemas, reduciendo considerablemente el ruido y el excesivo peso. Consta de una correa dentada la cual se encarga de transmitir el movimiento. Construida a base de caucho y poliamida con un entramado metálico en su interior. Plantea el inconveniente que hay que sustituirla a un determinado número de kilómetros. Por lo tanto el riesgo de rotura es mayor que en los dos casos anteriores.
ELEMENTOS AUXILIARES DE LOS MOTORES:
Todos los motores están constituidos básicamente por todos los elementos descritos hasta ahora, pero existen otros elementos acoplados al motor y que aunque no afecten directamente al ciclo fundamental de funcionamiento sin ellos sería imposible el funcionamiento del motor.
· CIRCUITO DE ENGRASE
Es el encargado de mantener perfectamente engrasadas todas y cada una de las piezas que se encuentran en contacto con otras y que están sometidas a movimiento. Sus objetivos son;
- Reducir al máximo el rozamiento entre las piezas en contacto para evitar que se calienten y puedan llegar a fundirse provocando el denominado gripaje.
- Refrigerar las piezas del motor.
Constituido principalmente por;
Bomba de aceite
Filtro de aceite
Circuito de engrase
- CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN
Tiene la misión de mantener la temperatura del motor dentro de un rango de temperaturas idóneo para el perfecto funcionamiento del mismo. Consta de los siguientes elementos;
Radiador
Termostato
Circuito
Ventilador
Termocontacto
Baso de expansión
- CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN
Este circuito varía fundamentalmente dependiendo del tipo de motor. De este modo podemos clasificar el circuito de alimentación para un motor Otto y un circuito de alimentación para un motor Diesel. Debido al principio de funcionamiento de ambos motores se emplean sistemas de alimentación completamente diferentes. Aunque en la actualidad y debido al enorme avance tecnológico cada vez estos sistemas se asemejan cada vez más.
Su misión es la de preparar la mezcla necesaria de aire - combustible para el posterior llenado de los cilindros en cada régimen del motor.
PRINCIPALES DIFERENCIAS CONTRUCTIVAS ENTRE LOS MOTORES DIESELY OTTO
Como hemos podido observar en el estudio de sus ciclos teóricos, los motores Diesel y Otto poseen diferencias elementales de funcionamiento, por lo tanto, a la hora de diseñar estos motores existirán diferencias constructivas destacables.
Las principales diferencias se plantean desde el punto de vista de la alimentación del motor.
CONSTITUCIÓN DEL MOTOR OTTO:
Posee un circuito de encendido, el cual se encarga de generar la corriente eléctrica necesaria para transmitírsela a la bujía y que se produzca en ésta la chispa necesaria que haga inflamar la mezcla aire - gasolina.
Existen distintos tipos de circuitos de encendido;
- Circuito de encendido por rúptor o platinos (primera generación).
- Circuito de encendido transistorizado (segunda generación).
- Circuito de encendido electrónico (tercera generación).
- En la actualidad el más utilizado es el de tercera generación.
Constan básicamente de;
- Generador de impulsos (varía en función del tipo de encendido)
- Distribuidor o delco
- Bobina de encendido
- Cables de alta
- Bujías
Este sistema consiste en generar una variación eléctrica de baja intensidad (generador de impulsos), que transmitida a un transformador (bobina de alta), nos induzca una corriente de alta intensidad la cual transmitida a la bujía en el momento adecuado (distribuidor o delco), nos provoque el salto de chispa que nos haga explosionar la mezcla.
GENERADOR DE IMPULSOS
Es el elemento encargado de generar la variación de corriente necesaria que induzca en la bobina una alta tensión. Existen distintos tipos de generadores de impulsos;
Platinos: Utilizados en los encendidos de primera generación, constituido por un sistema completamente mecánico. Formado por un ruptor o platinos los cuales realizan un movimiento de apertura y cierre continuos que provocan tal variación de la señal eléctrica. Situados en el distribuidor reciben el movimiento a través de una leva situada en el eje del delco.
Este sistema debido a su composición mecánica, requiere la instalación de un condensador el cual tiene la misión de evitar que en los contactos de los platinos se produzcan arcos voltaicos que a la larga nos estropearía dichos contactos.
Generador de efecto Alternador: Este sistema es más eficaz y moderno que el anterior. Consiste en incorporar en el distribuidor un pequeño generador de corriente alterna. Cuando el distribuidor gira, este generador de corriente alterna (señal analógica), manda dicha corriente a un módulo electrónico el cuál realiza la misión de tratar esa señal y actuando sobre un transistor de potencia, mande la variación necesaria a la bobina de alta. Como se puede observar, de este modo se elimina cualquier tipo de desgaste mecánico.
Generador de efecto Hall: Sistema muy parecido al anterior, pero en este caso en el distribuidor va montado un generador de impulsos de efecto Hall, el cual emite una señal digital que es recibida por un módulo electrónico. En este caso también eliminamos el desgaste mecánico de piezas.
Captador de punto muerto superior: El sistema más utilizado en la actualidad es el que incorporan los encendidos de tercera generación o electrónicos, que consiste en un captador electromagnético el cual genera una señal eléctrica por inducción. Dicha inducción es provocada por una corona dentada acoplada al volante de inercia del motor la cual informa en todo momento de la posición de los pistones y en que ciclo se encuentran. De este modo la distribución de la chispa se hace más exacta y precisa que en el resto de sistemas.
DISTRIBUIDOR O DELCO
Es el elemento encargado de distribuir la alta tensión que recibe de la bobina, hacia las bujías en el momento preciso.
Constituido por un eje central que recibe el movimiento (generalmente) del árbol de levas, el cual en su extremo posee un dedo que distribuye la alta tensión hacia las bujías.
Debido al ciclo teórico, cuanto mayor es el número de revoluciones, mayor es el ángulo de avance al encendido. Por este motivo se incorpora en el distribuidor dos sistemas de avance al encendido (mecánicos);
Avance centrífugo: Consiste en unos contrapesos acoplados al generador de impulsos los cuales al aumentar el número de revoluciones se desplazan por efecto de la fuerza centrífuga provocando un avance en la señal del generador y por lo tanto un avance en el salto de la chispa.
Avance por depresión: Consiste en una membrana dividida internamente en dos mitades y unida a la base del generador de impulsos. Una de las mitades comunica con el colector de admisión en el cual se produce una depresión la cual aumenta conforme aumentan las revoluciones del motor haciendo variar la presión entre las dos cámaras de la membrana llegando a desplazarlas. Obteniendo el mismo efecto que en caso anterior.
Estos dos sistemas solo son utilizados en encendidos de primera y segunda generación. En los de tercera los avances se consiguen de manera electrónica.
Consta también de una tapa superior la cual sirve de cierre del conjunto y como elemento de unión con los cables de alta.
BOBINA DE ENCENDIDO
Consiste en un transformador eléctrico; el cual transforma la baja tensión generada por el generador de impulsos en alta tensión que pueda provocar la chispa en la bujía.
Consta de dos arroyamientos o bobinas denominadas primario y secundario las cuales se inducen una sobre la otra la corriente.
BUJÍAS Y CABLES DE ALTA
Los cables de alta se encargan de transmitir la corriente de alta
La bujía él la encargada de hacer saltar la chispa en el interior de la cámara de combustión para que se inflame la mezcla.
Constituida por dos electrodos sobre los que se formará el arco voltaico (chispa). Uno de ellos es conectado a masa a través de la rosca que acopla a la bujía en la culata del motor y la otra se encuentra aislada eléctricamente y es la que se encuentra conectada al cable de alta procedente del delco. El cuerpo de la bujía está fabricado de un material cerámico para que pueda soportar las elevadas temperaturas a las que está sometida.
3 CICLO TEORICO DEL MOTOR OTTO DE CUATRO TIEMPOS
En la figura 1 vemos el ciclo teórico de un motor Otto en un diagrama p-V. El motor se caracteriza por aspirar una mezcla aire-combustible (típicamente gasolina dispersa en aire). El motor Otto es un motor alternativo. Esto quiere decir de que se trata de un sistema pistón-cilindro con válvulas de admisión y válvulas de escape.
En los próximos párrafos describiremos el ciclo Otto de 4 tiempos. El ciclo que describiremos inicialmente es el ciclo teóricoEn los próximos párrafos describiremos el ciclo Otto de 4 tiempos. El ciclo que describiremos inicialmente es el ciclo teórico. Posteriormente veremos las diferencias que existen en un ciclo real. Las diferentes evoluciones que componen el ciclo son:
Admisión: evolución 0-1. El pistón se desplaza desde el PMS (punto muerto superior) Al PMI (punto muerto inferior). La válvula de admisión, VA se encuentra abierta. El pistón realiza Una carrera completa. El cilindro se llena con mezcla aire/combustible. Al final de la admisión (en el PMI) Se cierra la VA. El llenado del cilindro requiere un trabajo negativo. Compresión: evolución 1-2. Con las dos válvulas cerradas (VA y válvula de escape, VE), el pistón se Desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. Se comprime la mezcla aire/combustible. En principio esta compresión es adiabática. La compresión requiere trabajo negativo. Encendido: en teoría este es un instante (evolución 2-3). Cuando el pistón llega al PMS, se enciende la chispa en la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión, aumentando la presión de 2 a 3.
Este punto es un punto clave en el comportamiento real del ciclo, lo cual lo veremos más adelante.
Trabajo: evolución 3-4. Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el PMS al PMI. Se realiza una carrera completa. En principio esta evolución es adiabática. La evolución genera trabajo positivo. De hecho es la única evolución del total del ciclo en que se genera trabajo positivo al exterior.
· Ap. Válvula de Escape: evolución 4-1. En teoría esta caída de presión de 4 a 1 es instantánea y ocurre cuando se abre la válvula de escape.
· Escape: evolución 1-0. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa (la VE está abierta y la VA se encuentra cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo cual el trabajo requerido es cero.
Cada carrera completa corresponde a media vuelta del cigüeñal. Por lo tanto para realizar el ciclo completo se requieren dos revoluciones completas en el motor de cuatro tiempos
4 CICLO PRÁCTICO DEL MOTOR OTTO DE CUATRO TIEMPOS
El ciclo de cuatro tiempos descrito anteriormente, llamado teórico, en la práctica no se realiza exactamente como se ha indicado, en cuanto a los momentos de apertura y cierre de las válvulas, existiendo en la realidad un desfase con respecto a los momentos en que el pistón alcanza los puntos muertos. Con este desfase se consigue no solamente un mejor llenado del cilindro y mejor vaciado de los gases quemados, sino que se mejora la potencia y el rendimiento del motor.
El ciclo del motor de cuatro tiempos, en el que la apertura y cierre de las válvulas no coincide con los puntos muertos del pistón, se denomina “Ciclo Práctico” o reglado.
Vamos a ver en qué momento se abren y cierran, en el ciclo práctico, las válvulas de admisión y escape en relación con el momento en que el pistón se encuentra en sus puntos muertos.
Válvula de admisión
En el ciclo teórico se abría en el momento en que el pistón iniciaba, durante el primer tiempo, su descenso desde el P.M.S. al P.M.I.
En el práctico, lo hace un momento antes de alcanzar el P.M.S; existe pues un avance de apertura a la admisión (A.A.A) para aprovechar la inercia que tienen los gases en el colector de admisión y que son aspirados en el cilindro más próximo y que se lanzarán hacia el cilindro interesado.
En cuanto a su cierre, ocurre lo contrario; se retrasa. El cierre se produce cuando el pistón ya ha iniciado la compresión (segundo tiempo); pasado el P.M.I. existe un retraso al cierre de la admisión (R.C.A). Con ello se consigue aumentar el llenado, aprovechando la inercia de los gases.
Válvula de escape
Los desfases de su apertura y cierre, con respecto a los puntos muertos del pistón, son aproximadamente iguales que en las válvulas de admisión.
La apertura de la válvula de escape se produce un momento antes de alcanzar el pistón el P.M.I. después de la explosión, (tercer tiempo); por lo que existe un avance a su apertura (A.A.E). Se consigue obtener más rápidamente el equilibrio entre presiones exterior e interior del cilindro.
Evita las contra-presiones en la subida del pistón.
El cierre se produce un momento después de pasar el pistón por el P.M.S, ya iniciada la admisión (primer tiempo) del ciclo siguiente. Existe pues un retraso en su cierre (R.C.E). Se consigue eliminar completamente los gases quemados, aprovechando así mismo la inercia de los gases en su salida.
Cruce de válvulas o solapo
Como la válvula de admisión se abre antes y la de escape se cierra después del P.M.S. debido al A.A.A y al R.C.E, resulta que ambas válvulas están abiertas a la vez durante un cierto tiempo o giro cigüeñal, llamado CRUCE DE VÁLVULA O SOLAPO.
Los gases quemados a su salida por el conducto de escape y debido a la inercia que llevan, ayudan a entrar a los gases frescos y no se mezclarán debido a que las densidades de los gases frescos y la de los gases quemados son diferentes.
Un motor revolucionado tendrá más ángulo de solapo que otro menos revolucionado.
Momento de inflamación de la mezcla (A.E)
También existe un avance al encendido (A.E) o a la inyección en los diesel. Esta cota de avance al encendido, indica los grados que le faltan al volante en su giro, para que el pistón llegue al P.M.S y salte la chispa en la bujía teniendo en cuenta la duración de la combustión. La combustión se realiza de una forma progresiva, ya que la mezcla arde por capas en los motores de explosión y por otra parte, existe un retardo a la ignición de la combustión en los motores Diesel. El valor de este ángulo, dependerá de las revoluciones de cada motor y en cada momento. Estos ángulos de reglaje son fijados por el fabricante para conseguir el máximo rendimiento.
Estos desfases en la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape, en relación con los puntos muertos del pistón, se conocen con el nombre de “Cotas de Reglaje”, que son fijadas por los fabricantes para cada tipo de motor.
En la , se representa el diagrama de distribución con cotas de reglaje.
Motor de dos tiempos
En los motores de dos tiempos, el ciclo completo se realiza en dos carreras del pistón, correspondientes a una vuelta del cigüeñal.
El motor dispone generalmente de lumbreras, aunque puede tener válvulas.
Estos motores carecen de sistema de distribución.
El engrase se realiza por mezcla de gasolina y aceite en la proporción de un cinco por ciento, aproximadamente.
La refrigeración es por aire sobre todo en los motores de pequeña cilindrada, aunque también la puede ser por líquido.
Los principales inconvenientes de estos motores son:
o Menos rendimiento térmico. Menos potencia en igualdad de cilindrada.
o Lubricación y refrigeración irregular.
o Más ruidos.
o Más posibilidad de gripaje.
o Mayor consumo específico.
o Fácil creación de carbonilla.
TEMA 3
EL MOTOR DIESEL DE CUATRO TIEMPOS
1 Características del motor diesel de cuatro tiempos
El motor Diesel funciona por el principio del autoencendido o autoignición, en el que la mezcla aire-combustible arde por la gran temperatura alcanzada en la cámara de compresión, por lo que no es necesaria la chispa como en los motores de explosión. A continuación se explica el proceso.
En cuanto el combustible frio contacta con el aire que se encuentra a gran temperatura, comienza a elevarse su temperatura, formándose vapor alrededor de cada una de las gotas. El aire circundante se enfría y toma calor de la masa de aire comprimido, transmitiéndolo nuevamente a la gota de combustible que vuelve a calentarse hasta alcanzar su temperatura de inflamación. Cuando esto ocurre, comienza la combustión y el calor producido se pasa a toda la masa de aire y combustible restante, produciéndose su inflamación.
El tiempo que transcurre entre la entrada de las primeras gotas y el inicio de la combustión se llama retardo a la inflamación, el cual representa el tiempo de giro del cigüeñal que transcurre entre el comienzo de la inyección y la inflamación del combustible.
Durante este periodo se está inyectando combustible de forma contínua.
Este fenómeno produce un picado particular, parecido a la detonación en los motores de gasolina, que aumenta a medida que lo hace el retardo a la inflamación.
Para reducir este fenómeno es necesario que la combustión se inicie con el menor intervalo de tiempo respecto a la inyección, por lo que se usa un combustible con un alto grado de cetano así como una buena pulverización del mismo, con relaciones de compresión elevadas y cámaras de alta turbulencia.
Existen dos tipos de cámaras: de inyección directa e inyección indirecta.
a). Cámaras de inyección directa.
La inyección se realiza directamente en el cilindro, con alojamientos especiales en la cabeza del pistón que varían en su forma, para actuar como cámara de turbulencia y ayudar a la vaporización del combustible. La más usual es la de forma toroidal, que es una cavidad circular normalmente simétrica en el centro de la cabeza del pistón, con un pequeño cono en centro y apuntando hacia arriba.
Cualquiera que sea el tipo de cavidad, debe estar adaptada al inyector presente, que se monta en posición vertical o ligeramente inclinada sobre la culata, formando un ángulo preciso.
Dicho inyector contará con varios orificios de vertido del combustible, estando adaptado también al diseño de la cámara de combustión.
Dado que el grado de turbulencia es bajo, las relaciones de compresión son muy elevadas, del orden de 15:1 a 20:1, con lo que se consiguen grandes presiones y temperaturas y que hacen necesaria también una gran presión de la inyección.
Es un motor con poca pérdida de calor a través de las paredes, con lo que los arranques en frio se ven mejorados.
b). Cámaras de inyección indirecta.
En esta disposición la combustión se desarrolla en dos cámaras, una de ellas la de turbulencia que normalmente es esférica, y que desemboca en la principal, que está constituída por el espacio comprendido entre el pistón y la culata.
La cámara de turbulencia representa los dos tercios del volumen total de la cámara de combustión.
En estas cámaras la presión de inyección es menos elevada, ya que la turbulencia creada en la precámara ayuda a la pulverización del combustible.
Esto se traduce en un funcionamiento del motor más suave y con menos sufrimiento para los distintos órganos que lo forman, ya que el paso de la combustión de una cámara a otra hace que la fuerza sobre el pistón se aplique de una forma más progresiva.
Dadas las elevadas compresiones que se alcanzan en estos motores y el gran calor que desarrollan, los componentes que los forman están más reforzados y son más pesados que sus equivalentes de un motor de gasolina, por lo que estos motores son menos revolucionados, pero con una mayor disponibilidad de par motor a pocas revoluciones. Sus sistemas de refrigeración están más estudiados y cuidados que otros motores.
2 Constitución del motor diesel
Sistema de alimentación en los motores Diesel.
Es el encargado de suministrar el combustible necesario para el funcionamiento del motor, pudiéndose diferenciar dos apartados fundamentales:
a). Circuito de alta presión, encargado de impulsar el combustible a una presión determinada para ser introducido en las cámaras de combustión.
b). Circuito de baja presión, encargado de enviar el combustible desde el depósito en que se encuentra almacenado a la bomba de inyección.
El circuito quedaría formado así:
- Depósito de combustible.
- Bomba de alimentación.
- Filtro.
- Bomba de inyección.
- Inyectores.
Este sería el funcionamiento de dicho circuito:
La bomba de aspiración succiona combustible del depósito a través de una rejilla filtrante, que se encuentra en el extremo del tubo de aspiración. Este combustible llega a través de un primer filtro que elimina las impurezas más gruesas que lleva en suspensión el gasóleo. Después la bomba lo mandaría al filtro del combustible y de ahí pasaría a la bomba de inyección, que lo mandaría a los inyectores.
La bomba de alimentación normalmente trabaja con presiones entorno a 1 o 2 Kg/cm2. y en cantidad suficiente, siendo una válvula de descarga la que regula dichas presiones, teniendo una canalización de retorno para el combustible sobrante que va de vuelta al depósito.
Esta bomba suele contar con una pequeña bomba manual de cebado, que usa el mismo circuito y que sirve para purgar y llenar las canalizaciones de combustible.
Si la bomba de inyección es de elementos en línea, la bomba de alimentación normalmente irá acoplada a ella, recibiendo el movimiento del árbol de levas de la propia bomba de inyección.
En este caso la bomba normalmente sería del tipo de pistón con muelle antagonista y rodillo, alojados en un cilindro.
También contaría con válvulas de entrada y salida del combustible.
Si la bomba de inyección fuese rotativa ya incorporaría su propia bomba de alimentación.
La bomba de inyección suministra el combustible necesario a presión a los distintos cilindros, a los que pasa a través de los inyectores, que lo pulverizan.
Desde ellos, el sobrante que no entra en los cilindros se hace retornar por los conductos de rebose.
En el circuito de alta presión, los tubos entre la bomba de inyección y los inyectores se fabrican siempre de acero, a causa de las altas presiones que alcanza el combustible durante el funcionamiento del motor.
Para asegurar el ajuste correcto de cada cilindro y una capacidad de inyección uniforme para todos ellos, los tubos deben tener la misma longitud entre sí, ya que el cambio de longitud altera el punto de inyección de un cilindro respecto a los demás.
El filtrado del combustible.
El petróleo bruto contiene una gran cantidad de impurezas que no se eliminan por completo en el proceso de destilación. Dichas impurezas suelen estar constituidas principalmente por azufre, asfaltos y silicatos, que se presentan en forma de partículas muy duras y cuya densidad les permite mantenerse en el líquido durante cierto tiempo.
Por otra parte, y debido al uso y al paso del tiempo, el depósito de combustible puede almacenar polvo, arenas o partículas metálicas.
Por ello es esencial eliminar dichas suciedades, ya que al pasar por los diversos órganos del sistema de inyección producen una acción de esmerilado que acelera sobremanera el desgaste, con lo cual dichos componentes quedan inutilizados.
He aquí la necesidad de una escrupulosa limpieza del combustible hasta conseguir separar todas las impurezas que lleva consigo, al menos las que sean superiores a una milésima de milímetro.
Los encargados de cumplir esta misión son los filtros de combustible, que se emplazan entre la bomba de alimentación y la de inyección.
El elemento filtrante suele estar constituido por una especie de cartucho de papel poroso de celulosa especial o fieltro, impregnado de una sustancia que normalmente suele ser resina fenólica, que tiene la propiedad de absorber el agua que pueda contener el combustible, procedente de la condensación, que puede atacar a las superficies metálicas del sistema de inyección, oxidándolas y deteriorándolas.
Dada la gran importancia que tiene el sistema de filtrado en un motor Diesel, se hace necesaria la reposición de los cartuchos filtrantes periódicamente, cada 15.000 km aproximadamente.
La disposición del filtro es la siguiente:
El cartucho filtrante se fija a la cabeza del filtro por medio de un tornillo pasante, que se rosca en la cubeta. Este cartucho queda acoplado por la parte superior e inferior por sendos anillos de caucho.
El combustible circula desde la boca de entrada, a través de la materia filtrante, hasta el fondo de la cubeta, desde la cual sube por el conducto central para salir por el conducto superior hacia la salida.
En la cubeta hay un tornillo de vaciado para su limpieza de las impurezas depositadas.
Algunos filtros disponen en su cubeta inferior de un sensor capaz de detectar el agua contenida en ella, que ha sido retenida por la materia filtrante.
Dicho sensor es del tipo de sonda capacitiva, que dispone de dos puntas o electrodos separados y conectados a través de un circuito electrónico a una lámpara de control.
Ya que el agua tiene una densidad mayor que el gasóleo, cuando se acumula lo hace en el fondo, por lo que al detectar los electrodos el cambio de densidad se enciende la lámpara de control
El gasóleo utilizado en los motores de automoción tiene un alto contenido de ceras que pueden cristalizar cuando la temperatura ambiente desciende de -4º C aproximadamente. Dichos cristales obstruyen los conductos de paso del combustible del circuito de alimentación, provocando fallos en el funcionamiento del motor e incluso la imposibilidad de arrancar al mismo.
Esto hace que existan aditivos que se añaden al combustible en invierno, para evitar estos depósitos de cera, aunque a temperaturas extremadamente bajas no pueda evitarse la acumulación de pequeños tapones de cera ( parafinado ).
Por esta razón algunos filtros están dotados de un sistema de caldeo consistente en una resistencia eléctrica que rodea el cartucho filtrante o una placa sumergida en el propio filtro y que calienta el combustible cuando pasa.
En algunas ocasiones el filtro incorpora una pequeña bomba de cebado de pistón, emplazada en la cabeza del filtro, junto a un tornillo de purga situado en el conducto de salida. En otros casos puede ser del tipo membrana y tener una implantación similar a la anterior.
Sistema de inyección.
Para realizar la combustión es necesario inyectar una determinada cantidad de combustible finamente pulverizado en la cámara de combustión, en la cual se encuentra el aire comprimido y caliente. Dicha misión está encomendada a los inyectores, que reciben el combustible de la bomba de inyección.
El combustible debe ser inyectado en la cámara de combustión en forma bien definida, pues el correcto funcionamiento de un motor Diesel depende en gran parte de una inyección correcta. Las condiciones esenciales son:
· Suministrar a cada cilindro y en cada ciclo la cantidad de combustible justa, adecuándola a las condiciones de marcha del motor.
· Iniciar la inyección en el momento preciso, de forma que la combustión se realice de forma correcta y por completo, variando el punto de inyección a medida que el régimen de giro del motor y las condiciones de carga varían
· Pulverizar el combustible, de forma que se reparta en minúsculas gotas para facilitar su inflamación.
· Dar a esas gotas la suficiente capacidad de penetración en la cámara donde se encuentra el aire comprimido.
· Difundir de manera uniforme las partículas de combustible en el aire de la cámara de combustión.
Los elementos encargados de cumplir estas necesidades son la bomba de inyección, que se encarga de dar combustible a cada inyector en el momento oportuno y a la presión requerida, en una cantidad determinada para cada condición de funcionamiento del motor, y los inyectores, que pulverizan el combustible en el interior de las cámaras de combustión de forma uniforme sobre el aire comprimido que las llena.
Los tipos de bomba de inyección empleados en el mundo del automóvil se dividen en dos grupos:
· Bombas de elementos en línea.
· Bombas rotativas.
Bomba de inyección de elementos en línea.
En esta bomba se dispone un elemento de bombeo para cada cilindro, de carrera total constante y de carrera de trabajo variable.
Los elementos de esta bomba se alojan en una carcasa y reciben movimiento del árbol de levas de la propia bomba, a través de un impulsor de rodillo.
Dicho árbol de levas gira a la mitad de vueltas que el cigüeñal, para que se produzca una inyección por cilindro cada dos vueltas del cigüeñal. Cada una de las levas acciona un taqué, que gracias a un rodillo se aplica contra la leva, obligado por un muelle. El empujador a su vez acciona el émbolo en el interior del cilindro, que recibe el gasóleo a través de varias canalizaciones.
Ahora se procederá a explicar cada una de sus partes:
a). Elemento de bombeo: está constituido por un pistón y un cilindro. Cada cilindro está comunicado con la tubería de admisión por medio de unas lumbreras y con el de salida por medio de una válvula, que es mantenida por un muelle tarado.
En su parte superior, el pistón tiene un rebaje que comunica con la cara superior por medio de una rampa helicoidal y una ranura.
El comienzo de la inyección se produce siempre para la misma posición del pistón, pues a medida que va subiendo la presión crece en el interior del cilindro. Cuando esta presión excede la fuerza que hace el muelle, se abre la válvula de retención y el combustible pasa al circuito de inyección.
Mientras el combustible no salga por el inyector, la presión irá subiendo en toda la canalización a medida que el pistón suba, y llegado el momento en que se produzca la apertura del inyector la presión en el interior del cilindro caerá bruscamente, cesando el suministro de combustible.
Con esto se deduce que la cantidad de gasóleo inyectado depende de la carrera del pistón, por lo que modificando dicha carrera se varía la cantidad de combustible a inyectar.
Para modificarla se usa la cremallera de control que al ser movida en un sentido o en otro varía la carrera del pistón, consiguiendo posiciones de suministro parcial, suministro nulo y suministro máximo.
En algunas bombas de inyección se montan unos elementos llamados de agujero único, los cuales disponen en los cilindros de una sola lumbrera, al mismo tiempo que el émbolo sustituye la ranura vertical por un taladro axial y la rampa helicoidal por una sesgada y recta. De todos modos, el funcionamiento es similar al sistema anterior.
b). Válvula de retención: es la encargada de abrir el paso del combustible que sale del cilindro camino del inyector, al presionar sobre su cara inferior.
Tan pronto como la rampa helicoidal del émbolo descubre la lumbrera de comunicación con la galería de alimentación, desciende la presión en la cámara de impulsión produciéndose el cierre en la válvula de retención.
De esta forma consigue mantener una cierta presión residual en la canalización que va al inyector, mejorando una inyección posterior al ser ésta más rápida.
Para cumplir su cometido debe asegurarse una perfecta estanqueidad entre la válvula de retención y su asiento, disponiéndose para este fin una superficie cónica de apoyo en la válvula, que es presionada con fuerza por la acción del muelle antagonista y la presión reinante en la canalización de impulsión hacia el inyector.
c). Cremallera de control: es la encargada de modificar los tiempos de inyección del combustible. Esta cremallera es movida por el pedal del acelerador a través de una palanca y su desplazamiento modifica la posición de la rampa helicoidal de los pistones.
Para transmitir este movimiento usa un sector dentado en cada elemento, que es actuado por la cremallera. La posición que esta toma por la posición del acelerador puede variar por el mando regulador, como se verá más adelante. Una de ellas es la posición de paro, que corta el suministro de combustible a los inyectores.
El recorrido máximo de la cremallera está limitado por un tope ajustable, al que se conoce como tope de emisión de humos y se dispone en la carcasa de la bomba.
d). Árbol de mando: generalmente fabricado en acero al níquel, dispone de tantas levas como cilindros el motor. Dichas levas las tiene labradas.
El resalte de cada una de ellas está mecanizado de tal manera que la secuencia de las inyecciones en los distintos elementos de bombeo se produzca en el orden adecuado.
El árbol de levas se apoya en sus extremos, en dos cojinetes de rodillos o bolas y a él se acoplan el regulador y el variador de avance en el extremo opuesto. A través de este mecanismo recibe movimiento del motor, desde los piñones de la distribución concretamente.
e). Regulador de velocidad: su instalación es necesaria para evitar que el motor sobrepase un nivel máximo de revoluciones, ya que sería peligroso alcanzar ciertos regímenes de giro, sobre todo en los motores Diesel.
En las aplicaciones automovilísticas se emplean los reguladores mecánicos de máxima y de mínima.
La cremallera de control está enlazada a la biela de mando del acelerador por medio de un sistema de palancas, al que se acopla también el mecanismo regulador, emplazado sobre el árbol de mando de la bomba. Este regulador está constituido por unos contrapesos, que debido a la fuerza centrífuga tienden a desplazarse al exterior cuando giran, contra la oposición de los muelles.
Si el motor gira a ralentí, los contrapesos tienden a separase, venciendo la acción del muelle exterior, que se comprime un poco. Inmediatamente después entran en acción los muelles de máxima, que impiden que las masa continúen separándose, manteniéndose en esta posición hasta que se alcanza la velocidad máxima.
Las pequeñas variaciones hacen que las masas se separen o se junten, variando la carrera de los elementos la cremallera y variando a su vez el caudal inyectado, manteniendo un ralentí estable.
La acción de los muelles de velocidad máxima impiden que el giro del motor en ralentí sea excesivo.
Se deduce que el regulador solo actúa con el fin de conseguir un ralentí estable y no sobrepasar un máximo de revoluciones.
f). Variador al avance a la inyección: es un sistema que hace que la bomba comience a inyectar combustible un poco antes del momento indicado, como haría un avance del encendido en los motores de gasolina.
El dispositivo se monta sobre el árbol de mando y actua adelantando el giro de éste al del motor.
Consta de un plato con unos contrapesos que se sujetan al susodicho con unos muelles.
Cuando por la velocidad de giro se produce la separación de las masas, se provoca un desplazamiento angular de la leva de sujeción con respecto al cuerpo del variador. Este desplazamiento está en función directa del régimen de giro del motor y es transmitido al eje de levas de la bomba de inyección, en la cual se produce con esta acción un avance a la inyección.
Al descender la velocidad se vuelven a juntar los contrapesos disminuyendo el avance.
Bomba de inyección rotativa.
Este tipo de bomba comienza a surgir en los años 60, ya que son más adecuadas para motores de pequeña cilindrada y elevado régimen de giro, como los de los turismos, quedando las bombas lineales relegadas a los motores de aplicación industrial o agrícola, o a motores de vehículos pesados.
Este tipo de bomba presenta las siguientes ventajas respecto a la bomba de elementos en línea convencional:
· Menor peso.
· Caudales inyectados rigurosamente iguales para todos los cilindros.
· Velocidad de rotación elevada.
· Menor precio de costo.
· Menor tamaño.
· Mayor facilidad de acoplamiento al motor.
Estas bombas suelen incluir la bomba de alimentación en su cuerpo.
Bomba rotativa Bosch.
Dispone de un solo elemento de impulsión para todos los cilindros del motor. Se procede a detallar su estructura:
Sobre el árbol de mando se dispone la bomba de transferencia, que es del tipo de paletas, que en su giro aspira el combustible desde el depósito, para enviarlo a presión hasta el variador de avance y al interior del cuerpo de bomba. La presión de impulsión está regulada por la válvula, que vierte el combustible sobrante al lado de aspiración de la bomba.
Desde el interior del cuerpo de bomba, el combustible pasa al cuerpo de bombeo a través del conducto que desemboca por debajo de la electroválvula. En este cuerpo, el émbolo somete al combustible a una elevada presión, para hacerlo salir en el momento adecuado hacia el inyector correspondiente, a través de la válvula de retención.
La válvula electromagnética corta la alimentación de combustible hacia el cuerpo de bombeo en la parada del motor.
El movimiento de rotación del émbolo de bombeo se logra por medio de un enlace estriado con el árbol de mando. El desplazamiento del mismo en el interior de la cabeza hidráulica lo proporcionan las levas o salientes del plato, que gira solidario con el eje de mando del émbolo, mientras que los rodillos del plato permanecen quietos.
De esta manera, cada vez que se presenta un saliente al rodillo, es empujado el plato de levas hacia la derecha, contra la acción del muelle, que tiende a aplicarlo contra el rodillo. El acoplamiento estriado permite este deslizamiento.
Con esta transmisión de movimiento, el émbolo se desplaza en el interior de la cabeza hidráulica hacia adelante y hacia atrás, al mismo tiempo que gira en su interior. Con ello se consigue bombear el gasóleo hacia los inyectores, como se verá posteriormente.
El tope de caudal determina el final de la inyección, poniendo en comunicación la cámara de bombeo con el cuerpo de bomba al final del recorrido de compresión del émbolo. Este tope es movido por unas palancas, que son gobernadas por el regulador y la palanca del acelerador.
El regulador centrífugo dispone de unos contrapesos que en función de su desplazamiento por la fuerza centrífuga, determinan la posición del manguito desplazable, que a su vez posiciona la palanca y, con ella, el tope de caudal, determinando así la duración de la inyección y el caudal inyectado. Este sistema está accionado por un piñón, que engrana con otro que forma parte del árbol de mando de la bomba.
El sistema de avance de la inyección es del tipo hidráulico. Dicho avance depende de la presión a la que es enviado el combustible por la bomba de transferencia, que es proporcional al régimen de giro del motor.
En la parte superior de la bomba se encuentra el regulador, que en estas bombas es de tipo centrífugo y que es movido por el piñón del árbol de mando.
El mecanismo regulador actúa por medio de una serie de palancas sobre el tope de regulación, que determina el final de la inyección en el émbolo por medio del vertido del caudal.
Este conjunto se cierra con una tapa, en la que se monta la palanca de mando del acelerador y el tornillo tope de caudal.
El árbol de mando se acopla al motor por medio de un chavetero en el que se monta un piñón que es movido por la correa dentada del sistema de distribución, colocándose la bomba en el bloque motor próxima al sistema. Este acoplamiento se realiza de manera que la bomba gire al mismo régimen que el árbol de levas del motor.
Bomba rotativa CAV.
En estos modelos de bomba rotativa, el rotor distribuidor está dotado de un elemento de bombeo único, compuesto por dos émbolos de carrera opuesta. Un conjunto de rodillo-zapata, movido por el relieve interior de un anillo de levas fijo acciona los émbolos.
El volumen de combustible adecuado a las condiciones de marcha del motor es distribuido a cada uno de los inyectores en el orden preciso y en el instante deseado, por medio de un sistema de orificios taladrados en el rotor y el cabezal hidráulico, dosificado con exactitud a su llegada al dispositivo de bombeo.
La bomba está dotada de un regulador mecánico centrífugo y un variador del inicio de la inyección, que actúan del modo ya conocido en los otros tipos de bomba rotativa.
En la bomba CAV, el elemento de bombeo está situado dentro de un orificio transversal, en un eje rotativo central que actúa como distribuidor y que gira dentro de la cabeza hidráulica.
Los émbolos son accionados por lóbulos situados en el interior de la corona de levas.
La implantación en el motor y el sistema por el que recibe el movimiento del motor es igual al de las bombas rotativas Bosch.
En estas bombas se suele utilizar un regulador de tipo mecánico, accionado por la fuerza centrífuga, que actúa sobre la válvula dosificadora para ajustar con precisión el caudal inyectado.
La fuerza centrífuga actúa sobre los contrapesos, de forma que se separen y desplacen la palanca de control, que es la que actúa sobre la válvula dosificadora para modificar el caudal de gasóleo inyectado.
El sistema que varía el avance de la inyección es igual al empleado en las bombas rotativas Bosch.
Además de estos sistemas, las bombas CAV disponen de otros mecanismos correctores capaces de adecuar convenientemente los caudales de inyección a las distintas fases de funcionamiento del motor Diesel. Entre ellos destacan el sistema de sobrecarga y el de avance con carga ligera.
El primero permite aumentar de forma considerable el caudal en bajas revoluciones del motor, de forma que los arranques en frío se ven mejorados. Esto se consigue aumentando el desplazamiento máximo de los elementos de bombeo mediante el llamado carro de sobrecarga.
El dispositivo de avance con carga ligera tiene por finalidad adecuar el avance a la inyección a las peculiares condiciones de funcionamiento del motor con cargas ligeras y regímenes medios. Este dispositivo está integrado en el sistema convencional de avance y es gobernado por una válvula emplazada en el cabezal hidráulico y activada por la palanca del acelerador, de manera que en las posiciones de ésta para ralentí o carga ligera, permite el paso de la presión de transferencia hacia el dispositivo de avance, activándolo ligeramente para adecuarlo de forma conveniente a estas condiciones de funcionamiento del motor.
Los inyectores.
Para lograr una buena combustión, es necesario que el combustible sea inyectado en el interior del cilindro muy finamente pulverizado, con el objetivo de lograr una mejor y más rápida combustión.
El inyector es el elemento que cumple los requisitos necesarios para conseguir la pulverización del combustible en la medida idónea y distribuirlo uniformemente por la cámara de combustión. Es por eso que sus características dependen del tipo de cámara en que esté montado.
El inyector, cualquiera que sea su tipo, se fija a la cámara de combustión por medio del portainyector, que está formado por un cuerpo al que se acopla el inyector en sí, o como también se le llama, tobera. Éste último lo compone el cuerpo y la aguja.
Una tuerca es la realizada de fijar la unión.
En el interior del cuerpo se aloja la varilla, aplicada contra la aguja por la acción del muelle, cuya fuerza es regulable por medio del tornillo y la contratuerca.
Su funcionamiento es el siguiente: el combustible llega al portainyector por una canalización que llega de la bomba, y pasa al inyector a través de un conducto lateral. El sobrante de combustible circula alrededor de la varilla empujadora, lubricándola, para salir por la canalización que lo lleva al depósito de combustible por el circuito de retorno.
En la parte superior del portainyector se encuentra el sistema de reglaje de la presión de tarado del inyector. Dicha presión puede variarse actuando sobre el tornillo que actúa contra el muelle.
El sistema se encuentra protegido por un tapón.
Debe comprenderse que las superficies de unión del inyector al portainyector deben tener un mecanizado perfecto, pues si no fuese así se producirían fugas de combustible, lo cual reduciría el caudal inyectado y haciendo que el motor funcione de forma defectuosa.
El inyector en sí está formado por dos partes, aguja y cuerpo. Estas dos piezas están apareadas y presentan un juego de acoplamiento del orden de 2 a 4 micras. El cuerpo lleva un taladro en el que se aloja la aguja, que en su parte inferior está provista de dos superficies cónicas, de las cuales una apoya en un asiento formado en el cuerpo y la superior, que es la que recibe el empuje del líquido que provoca el levantamiento de la aguja.
Alrededor del cono se forma una cámara, a la que llega el combustible a presión por un conducto procedente de la bomba de inyección. La salida del combustible se realiza por un orificio.
El portainyector se fija al la culata en la cámara de combustión, por medio de una brida, o bien roscado a ella.
En los dos tipos, el inyector acopla en su alojamiento de la culata con interposición de unas juntas de estanqueidad con forma de arandela, de las cuales una se sitúa en la punta de la tobera haciendo asiento en el alojamiento de la culata, y la otra en el portainyector.
Ambas juntas de estanqueidad deben ser sustituidas cada vez que se desmonte el inyector, ya que de no sustituirse podrían no hacer un acople correcto, por estar deformadas o adaptadas al inyector anterior.
Debido a las diferentes cámaras de combustión utilizadas en los motores Diesel, la forma, fuerza de penetración, y pulverización del chorro de combustible proporcionado por el inyector están adaptados a las condiciones específicas del motor. De esta manera, se distinguen dos tipos esenciales de inyectores:
· De orificios.
· De tetón o espiga.
El de orificios está desarrollado para motores de inyección directa, mientras que el de tetón tiene varias versiones, cada una de las cuales está diseñada para una función concreta, y no funcionará de manera satisfactoria si se emplea en otra aplicación distinta.
Los inyectores de tetón o espiga se utilizan sobre todo en motores de inyección indirecta, es decir, en motores con precámara de inyección. En este tipo de tobera, la aguja está provista en su extremo de un tetón con una forma predeterminada ( cilíndrica o cónica ), que posibilita la formación de un prechorro, de manera que al comienzo de la abertura se deja un pequeño espacio en forma de anillo que deja salir muy poco combustible, haciendo una especie de efecto estrangulador. A medida que se agranda la abertura, por aumento de la presión de inyección, la sección de paso aumenta, hasta que hacia el final de la carrera de la aguja se inyecta la dosis principal de combustible.
En la actualidad, y gracias al avance de los distintos materiales, algunas piezas de los inyectores son realizadas en material plástico, aunque en zonas donde la presión no sea un peligro para su integridad.
También se siguen fabricando inyectores completamente metálicos.
Dispositivo de ayuda al arranque.
Dadas las características de funcionamiento de un motor Diesel, en donde el gasóleo inyectado debe inflamarse al contacto con el aire caliente encerrado en la cámara de combustión, se comprende que en condiciones de motor frío el arranque presente ciertas dificultades, pues en estas condiciones una parte importante de la temperatura alcanzada por el aire en la fase de compresión es evacuada por las paredes de la cámara, empeorando las condiciones para obtener una buena combustión. Por este motivo se han desarrollado los dispositivos de ayuda para el arranque, que consisten en dispones unos calentadores o bujías de precalentado en la cámara de combustión, que se hacen funcionar en condiciones de motor frío.
Las bujías de precalentado se atornillan a la cámara de combustión en alojamientos adecuados de la culata y proporcionan calor adicional al aire allí encerrado durante la compresión.
El elemento calefactor se implanta en la punta del calentador y queda posicionado en su montaje en la zona más apropiada de la cámara de combustión, que es junto al inyector.
En algunos motores se implantan los calentadores en el colector de admisión, calentando el aire que se introduce en el cilindro.
Puede haber varios calentadores en un motor, incluso uno solo ( que estaría en el colector de admisión ), pero la disposición más normal es de uno por cilindro.
Constan de un cuerpo metálico provisto de una rosca, para su acoplamiento a la culata. En el interior del cuerpo se aloja un elemento térmico, en forma de tubo, en cuyo interior se sitúa la resistencia eléctrica de caldeo, a la que se hacer llegar la corriente eléctrica a través de la espiral de conexión, desde el borne de conexión, al que se fija el cable eléctrico por medio de una tuerca. El paso de la corriente eléctrica por la resistencia hace que ésta se ponga incandescente calentando la funda metálica que la rodea, la cual transmita el calor a la cámara de combustión, donde está alojada.
La conexión eléctrica de las bujías de precalentado se realiza a través de una central temporizada, que suministra la energía eléctrica en intervalos bien determinados. Cuando se acciona la llave de contacto, la central permite el paso de corriente hasta los calentadores durante un tiempo aproximado de 30 segundos, antes de efectuarse el arranque, encendiéndose al mismo tiempo la luz testigo en el tablero de instrumentos, que advierte al conductor de que se está realizando el calentamiento previo al arranque. Transcurrido este tiempo, la luz se apaga, indicando al conductor que ya se puede efectuar el arranque.
Posteriormente, ya con el motor en marcha, la central electrónica suministra una corriente pulsatoria a los calentadores, que siguen funcionando todavía a intervalos durante un cierto tiempo, necesario para lograr un rápido calentamiento del motor.
De esta manera se consigue una importante mejora de la combustión del combustible con el motor frío.
Esta segunda fase de funcionamiento se prolonga hasta aproximadamente dos minutos después de haber realizado el arranque del motor.
La caja electrónica de temporización recibe la corriente directamente de la batería, a través de un borne provisto de un fusible, y recibe la señal de activación a través del borne de llegada del motor de arranque.
La temporización que establece esta caja electrónica está determinada por su circuito interno en este caso.
En otras aplicaciones la estrategia de mando de las bujías de precalentado se establece en función de diversos parámetros, como son la temperatura del motor, la temperatura ambiente, las condiciones de carga del motor ...
Control electrónico de la inyección Diesel.
La inyección electrónica Diesel puede ser dividida en tres bloques: los sensores, la unidad de mando y control y los elementos actuadores.
Los sensores registran las condiciones operativas del motor y transforman diversas magnitudes físicas en señales eléctricas. Un sensor integrado directamente en el portainyector capta el comienzo de la inyección registrando el movimiento de la aguja, que reproduce el momento de la inyección.
La presión en el colector de admisión es detectada por un sensor manométrico, que envía la correspondiente señal a la unidad de control, al igual que las de los otros sensores.
El captador de régimen motor y posición es de tipo inductivo, similar al que se dispone en los sistemas de inyección electrónica de gasolina, funcionando de la forma ya conocida.
Para la medida de la masa de aire aspirado se utiliza un caudalímetro, que incorpora una sonda de temperatura cuya señal corrige la del caudalímetro adecuándola en función de la temperatura del aire aspirado.
La temperatura del motor es medida a través de una termistancia emplazada en el bloque motor, en contacto con el líquido de refrigeración.
La posición del pedal del acelerador es detectada por un sensor potenciométrico, que incorpora un interruptor para captar la posición de reposo que sería la que correspondiese al ralentí.
En la bomba de inyección se incorpora una sonda de temperatura del gasóleo y un potenciómetro que detecta el recorrido del tope de regulación de caudal.
Todas las señales de los diferentes sensores son enviadas a la UCE, que es la unidad de control electrónico, estructurada en técnica digital, que contiene varios microprocesadores y unidades de memoria.
En la unidad de control se procesa la información y se calculas las magnitudes de las señales de salida de conformidad con las características almacenadas en la memoria.
Dicha UCE suele estar en el habitáculo de los pasajeros para estar más protegida de los agentes externos.
En ella hay memorizados diferentes campos característicos que actúan en dependencia de diversos parámetros, como la carga del motor, el régimen, la temperatura del motor, caudal de aire...
Los circuitos electrónicos están protegidos contra perturbaciones de la red del vehículo en forma de picos de tensión o interferencias. Cualquier anomalía de funcionamiento detectada queda grabada en la memoria y puede ser leída posteriormente a través del conector de diagnóstico.
En los casos de avería, la UCE establece un funcionamiento en fase degradada del motor que permite circular con el vehículo hasta el taller más próximo.
Desde la UCE se maneja también la caja de precalentado.
Las señales eléctricas de salida de la UCE son transformadas por los distintos actuadores en magnitudes mecánicas.
De los diversos actuadores podemos citar por su importancia la válvula de reciclado de los gases de escape y la válvula reguladora de la presión del turbo, ambas de tipo electromagnético.
En la bomba de inyección se sitúan la válvula de corte de suministro del combustible y los dispositivos electromagnéticos de corrección del avance de la inyección y del caudal de inyección.
Las funciones de regulación de caudal y avance de la inyección pueden ser gobernadas por medios electrónicos, mediante los cuales se optimiza la cantidad de gasóleo inyectada, adaptándola exactamente a las necesidades de la marcha del motor.
La incorporación de estos dispositivos electrónicos a las bombas de inyección de los motores Diesel conlleva una serie de ventajas fundamentales que permiten reducir notablemente los consumos de combustible y los niveles de emisión de gases contaminantes, por cuyas causas se han desarrollado y aplicado masivamente a las bombas de inyección.
El caudal de combustible inyectado influye notablemente sobre el arranque del motor, la potencia y el comportamiento de marcha, así como en la emisión de humos. En la UCE se determina el valor de caudal que debe inyectarse, de acuerdo con los datos memorizados en campos característicos y los valores reales medidos por los distintos sensores. De igual manera se determina el punto de inicio de la inyección.
La precisión del comienzo de la inyección está garantizada por un detector de movimiento de la aguja del inyector que capta el comienzo exacto de la misma directamente en el inyector, enviando su señal a la UCE, que la compara con el inicio de inyección programado en su memoria y genera unos impulsos de control que son enviados al sistema de variador de avance, que corrige el punto de inyección en función de las condiciones de marcha del motor.
Bomba rotativa Bosch con gestión electrónica.
Básicamente es igual a uno del tipo convencional, solo que en este modelo se ha sustituido el grupo regulador mecánico de caudal por un sistema electromecánico que realiza las mismas funciones.
El tope de regulación de caudal es similar a las bombas convencionales y funciona de la misma manera, pero ahora está comandado por una unidad electromagnética capaz de posicionar el tope de regulación adecuadamente en función de la cantidad de combustible que se vaya a inyectar.
Para la variación del punto de inicio de la inyección se dispone de una electroválvula, que comandada desde el calculador electrónico regula la presión de transferencia del combustible que se aplica al variador de avance, mediante el cual se hace variar la posición del anillo de levas y con ello del avance de la inyección.
Esta electroválvula funciona comandada por impulsos eléctricos, cuya relación tiempo abierta / tiempo cerrada determina el caudal de paso del combustible y con ello la presión aplicada al variador de avance.
La unidad de regulación de caudal la constituyen un electroimán fijo y un imán permanente rotativo unido a un eje que en su extremo inferior forma la rótula excéntrica acoplada al tope de regulación de caudal.
Por tanto, regulando adecuadamente la frecuencia de los impulsos enviados desde la UCE, se consigue posicionar convenientemente el tope de caudal para adecuar el suministro de combustible a las necesidades del motor en cada una de las condiciones de funcionamiento del mismo.
Bomba rotativa CAV con gestión electrónica.
En las bombas de inyección rotativa CAV, dada la estructura del elemento único de bombeo, los componentes electrónicos de control presentan una configuración y funcionamiento diferentes, aunque ejecutan las mismas funciones.
Para la regulación de caudal se disponen dos electroválvulas controladas por el calculador electrónico y un captador de la posición axial del rotor, cuya señal es enviada al calculador electrónico, de manera que de acuerdo con ella y otras recibidas de distintos sensores en el motor determina la activación de las electroválvulas de regulación del caudal. El sistema variador de avance está gobernado por otra electroválvula controlada también por el controlador electrónico.
En la misma cámara axial del rotor se ubica el captador de posición del mismo, capaz de detectar la posición de éste y, en consecuencia, el caudal de inyección.
En el variador de avance se dispone otro captador, que en este caso detecta la posición de la leva y, consecuentemente, el avance de la inyección.
En las bombas de inyección CAV se suprime la válvula dosificadora convencional y las funciones de dosificación y bombeo las realiza el propio cabezal hidráulico, para lo cual está constituido por una cabeza hidráulica en la que se aloja el rotor distribuidor, que porta los émbolos de bombeo y las zapatas, las cuales presentan una rampa inclinada, que a su vez se aloja en las rampas del eje de transmisión.
El conjunto queda ensamblado en el anillo de levas de forma que los rodillos sigan el perfil de las levas para producir el movimiento de bombeo de los émbolos de manera similar a las bombas convencionales.
Así pues, la dosificación del caudal de inyección se obtiene por la posición axial del rotor, que permite ajustar la apertura máxima de los émbolos de bombeo, que en todo momento está controlada por las electroválvulas de caudal, las cuales reciben impulsos de control desde la UCE, en función de las condiciones de marcha del motor, detectadas por los diferentes sensores.
La posición axial del rotor es detectada por un captador magnético, que consiste en un núcleo unido al rotor que se ubica en el interior de la bobina, modificando la inductancia de la misma, a través de la cual varía la señal que es enviada a la unidad de control, que de esta manera reconoce la posición axial del rotor y, en consecuencia, el caudal real de inyección.
De acuerdo con las condiciones de funcionamiento del motor detectadas por los diferentes sensores, la UCE determina el caudal a inyectar y activa las electroválvulas para situar el rotor en la posición axial que corresponda. El captador de posición detecta esta situación y envía a la Uce la debida información, que la compara con la requerida y, según la necesidad, aplica una corrección abriendo una de las electroválvulas de caudal durante un tiempo determinado para obtener el desplazamiento requerido.
En los sistemas de inyección CAV con control electrónico, el dispositivo de avance de la inyección presenta una estructura similar al de las bombas convencionales, con la incorporación de una electroválvula de control.
Sensores del sistema.
Para adecuar los caudales y el punto de la inyección a las necesidades de la marcha del motor se disponen diferentes sensores en el motor, cuyas señales son enviadas al calculador electrónico, que las procesa para determinar la magnitud de la corriente de mando del regulador de caudal y la electroválvula de avance de la inyección.
Se utilizan generalmente sensores de posición del pedal del acelerador, régimen motor y posición del pistón en el cilindro, presión en el colector de la admisión, temperatura del refrigerante y del aire de la admisión, caudal de aire de admisión y un sensor capaz de detectar el inicio de la inyección, que se ubica en uno de los inyectores.
En la UCE hay memorizados diferentes campos característicos que determinan el avance y el caudal necesarios para cada una de las condiciones de funcionamiento del motor, dependiendo de diversos parámetros como la carga, el régimen, la temperatura del motor y el caudal de aire aspirado.
Gestión electrónica del motor Diesel.
En los sistemas de inyección Diesel con control electrónico, las condiciones de funcionamiento del motor son registradas por sensores, como se ha mencionado anteriormente, que hacen llegar las correspondientes señales eléctricas a la unidad de control.
Tanto estos medidores como la propia central electrónica forman el sistema de control.
A los captadores mencionados deben añadirse los detectores de posición y sensores
incorporados en la propia bomba de inyección y la electroválvula de paro, que también se conectan a la UCE.
A partir de todas estas señales, la UCE activa los diversos actuadores de la bomba de inyección, la caja de precalentado, la electroválvula EGR, el relé de corte del climatizador, la electroválvula de control de la presión de soplado del turbocompresor, si dispone de ella, ...
La lógica del calculador incluye las funciones de control de la inyección, los contaminantes emitidos, las estrategias de marcha del motor, el antiarranque codificado y la autodiagnosis, memorizando algunas posibles averías.
La cantidad de gasóleo inyectado depende de la UCE. Como magnitudes principales para establecerla se utilizan las señales recibidas del caudalímetro, captador de posición del acelerador y el régimen de giro del motor, pero también otros datos, como la temperatura del motor, la del aire de admisión, ..., son susceptibles de modificar el volumen inyectado.
Todos estos factores son comunicados al dispositivo de mando, que transforma estos datos en impulsos eléctricos para el gobierno de los diversos actuadores.
Con el fin de optimizar el comportamiento de marcha pueden tenerse en cuenta otros factores a la hora de dosificar el combustible, como el instante de la aceleración, la marcha en retención del motor o el corte de inyección a un determinado régimen máximo.
Las oportunas señales son reconocidas por la unidad de control, que en función de ellas modifica la señal de mando para el actuador de caudal y el de avance de la inyección.
Si por cualquier causa se detectaran anomalías en el funcionamiento deberían revisarse los siguientes elementos, de forma preliminar:
· Circuito de arranque en buen estado: batería, cableado y motor de arranque.
· Circuito de precalentamiento y sus cables en buen estado.
· Fusibles correctos.
· Existencia de combustible.
· Calidad del combustible.
· Aceite motor en buen estado y nivel.
· Tuberías de combustible en buen estado, que no tengan roturas que produzcan fugas ni estén obstruídas.
· Inexistencia de tomas de aire.
· Circuito de alimentación de aire estanco.
· Filtro de aire limpio.
· Sistema de escape estanco, sin tomas de aire ni fugas.
· Motor en buen estado mecánico, con una compresión correcta, juego de válvulas, calado de la distribución, punto de la inyección, tarado de inyectores, junta de culata ...
Además en todos los casos debe comprobarse que a cada uno de los sensores le llegue la tensión de mando adecuada.
Después se comprobará que las señales emitidas por la unidad de control electrónico sean las adecuadas.
En el caso de las sondas de temperatura, la tensión de salida debe corresponderse con la especificación, y, en cualquier caso, variar en función de la temperatura, lo cual puede ser comprobado a medida que se calienta el motor.
Sistema bomba-inyector con mando electrónico.
Las mayores exigencias que imponen cada día las normativas sobre emisiones sonoras y gases de escape en los motores Diesel, hacen necesario el desarrollo de nuevas técnicas. Por lo que se refiere a los sistemas de inyección directa, una de estas soluciones la constituye el sistema de inyección de alta presión por medio de un inyector bomba con mando electrónico, en el que la bomba, el inyector y una válvula electromagnética constituyen una unidad compacta ubicada en la culata del motor y accionada mecánicamente por una leva adicional del árbol de levas y eléctricamente por la unidad de control.
Este sistema es el que emplea el grupo Volkswagen-Audi en sus motores TDI, que tanto éxito les están reportando.
La implantación de este sistema en el motor se basa en la posición del inyector en la culata, de forma que queda posicionado en el centro de la cámara de combustión que forma el pistón.
En este tipo de inyección el inyector está accionado por un balancín que recibe movimiento de forma directa del árbol de levas.
En el cuerpo del inyector se forma la propia cámara de bombeo, a la cual llega el combustible por unos conductos labrados en la culata, desde los que pasa a la zona de alojamiento del inyector saliendo por el conducto de retorno en dirección al depósito.
La estructura de todos los componentes del sistema de mando es especialmente robusta para poder soportar mejor los esfuerzos a los que estarán sometidos en su funcionamiento, debido en gran parte a las grandes presiones de trabajo.
El sistema bomba-inyector presenta frente a los sistemas de inyección convencionales una serie de ventajas, de las cuales destacan:
· Un diseño compacto.
· Una capacidad de alcanzar mayores presiones de trabajo, que en algunos casos alcanzan los 2.000 bares.
· Disponer de una preinyección separada de la inyección principal.
· Una sonoridad de combustión más reducida.
· Emisiones de gases contaminantes más bajas.
Por el contrario, este sistema también presenta algunos inconvenientes, de los cuales los más importantes son:
· Un diseño complejo de la culata.
· Mayor exigencia de trabajo para el árbol de levas.
· Correa dentada sometida a mayores cargas de trabajo.
El esquema de este sistema sería así: el combustible es aspirado del depósito por una bomba de paletas que es arrastrada por el motor, que lo aspira a través de un filtro, impulsándolo a través de otro filtro hacia la canalización de alimentación de los inyectores- bomba, que está labrada en la culata.
El sobrante no inyectado retorna por otra canalización de la culata hacia la bomba de alimentación, o al depósito directamente.
La bomba de alimentación de combustible es del tipo de paletas y generalmente dispone un lado para la impulsión de combustible y el otro se utiliza como bomba de vacío para generar la depresión necesaria para la activación del servofreno y otros dispositivos.
En el interior de la bomba de impulsión del combustible se ubica una válvula limitadora de presión, tarada normalmente a 7 bares, que es, por tanto, la presión de impulsión del gasóleo para alimentar a los inyectores bomba.
Dicha válvula limitadora de presión se encuentra inmediatamente después del filtro.
En el circuito de retorno del combustible se dispone otra válvula limitadora de presión, tarada esta vez a 1 bar y un conducto de by-pass que facilita la purga de aire en caso de vaciado del circuito.
También en el circuito de retorno se ubican el sensor de temperatura del combustible y un radiador para enfriarlo, ya que sale caliente de los inyectores, en los cuales llega a alcanzar temperaturas del orden de 150º C, que se deben reducir a menos de 80º C antes de verter el combustible nuevamente en el depósito.
El inyector bomba está dividido en tres secciones fundamentales, como son la electroválvula de mando, el cuerpo de bombeo y la tobera.
El émbolo de bombeo es accionado en cada ciclo por leva y balancín contra la fuerza de un muelle antagonista que tiende a mantenerlo en su posición de reposo.
En la acción de bombeo se impulse al combustible contenido en la cámara. La tobera es de diseño análogo al de los inyectores convencionales y se abre por presión, inyectando el combustible finamente pulverizado en el cilindro. Generalmente dispone de cuatro a cinco orificios de salida.
La electroválvula está controlada directamente por la central electrónica, que determina las modalidades de inyección en base a la señal de mando.
Actualmente se emplean inyectores-bomba que efectúan la inyección del combustible en dos fases, realizando en primer lugar una preinyección de duración controlada y luego la inyección principal.
En estos inyectores el llenado de la cámara de alta presión se produce cuando el émbolo se mueve hacia arriba por la fuerza del muelle, aumentando el volumen de esta cámara. En estas condiciones, la electroválvula no es alimentada en corriente y se encuentra en posición de reposo, permitiendo el paso de combustible desde el conducto de alimentación hasta la cámara de alta presión.
Cuando en el giro del motor la leva presenta su saliente al balancín, en émbolo comienza su movimiento descendente y el combustible que se encuentra en la cámara de alta presión es empujado al conducto de alimentación en sentido contrario al de entrada.
En un determinado instante, la UCE activa la electroválvula y su aguja apoya en el asiento cortando la salida de combustible hacia el conducto de alimentación. A partir de ese instante aumenta rápidamente la presión en la cámara de impulsión, transmitiéndose a través del conducto lateral hasta la tobera, cuya aguja que da sometida al empuje que tiende a levantarla. Cuando la presión alcanza los 180 bares, se supera la fuerza del muelle de la tobera y comienza la preinyección.
La carrera de levantamiento de la aguja del inyector está limitada en esta fase de inyección por la formación de un colchón hidráulico. Al alcanzar el émbolo amortiguador el estrechamiento realizado en el cuerpo de la tobera, se dificulta enormemente la subida de la aguja y el combustible que está llegando a la tobera no puede ser desalojado con rapidez.
Como consecuencia de esto, la presión aumenta en la cámara de alta presión y se aplica al émbolo de evasión situado por encima del muelle del inyector. Alcanzado un determinado valor de presión, este émbolo se desplaza hacia abajo contra la fuerza del muelle, desalojando un determinado volumen de la cámara de alta presión, que hace decaer de manera repentina la presión en la misma, con lo cual se produce el cierre de la aguja del inyector, finalizando así la preinyección.
Seguidamente se produce la inyección principal, pues el émbolo de bombeo sigue su carrera descendente impulsado por el balancín y la correspondiente leva.
Con este desplazamiento se produce nueva mente un aumento de la presión en la cámara de alta presión y, alcanzados los 300 bares, la aguja del inyector vuelve a levantarse contra la fuerza del muelle, ahora pretensado debido al descenso del émbolo de evasión, lo que determina una presión de comienzo de inyección más elevada que la anterior.
La presión continúa en aumento durante esta fase de inyección superando los 2.000 bares, debido a que el émbolo de bombeo impulsa una cantidad de combustible mayor de la que puede salir por los orificios de la tobera.
El final de la inyección se produce cuando la UCE corta la corriente de alimentación de la electroválvula y ésta se abre, en cuyo instante el combustible encerrado en la cámara de alta presión escapa a través de la electroválvula hacia el conducto de la alimentación.
El consiguiente descenso de la presión en la cámara como consecuencia de la fuga determina el cierre de la aguja del inyector y el retorno del émbolo de evasión a su posición de reposo.
Cada una de las electroválvulas de los inyectores-bomba está conectada a la UCE, que dosifica el combustible en función de la posición del pedal del acelerador, el régimen del motor y la masa de aire aspirado. La duración de los impulsos para las electroválvulas determina el caudal de inyección, que puede ser corregido en función de la temperatura del motor y otros parámetros, para lo cual, la UCE recibe información de diversos sensores, cuya constitución y funcionamiento son similares a los empleados en los otros tipos de inyección con control electrónico.
El avance de la inyección se establece fundamentalmente por el régimen de giro del motor, aunque puede ser corregido en función de la temperatura y condiciones de marcha del motor.
La regulación de la velocidad máxima y el régimen de ralentí se comandan desde la unidad de control.
En la fase de arranque en frío, cuando uno de los tres sensores de temperatura registra una temperatura inferior a 10º C, se activa el módulo de precalentamiento, que alimenta a los calentadores durante un tiempo, que depende de las condiciones de funcionamiento del motor, como en otros sistemas de inyección.
Las señales recibidas en la UCE procedentes del interruptor del pedal del embrague y del freno permiten establecer una ligera reducción del caudal de inyección para evitar tirones del motor en la marcha.
Una importante característica de los sistemas de inyección con control electrónico de los inyectores-bomba es que permiten una corrección selectiva del caudal por cilindro con la que se logra un funcionamiento más suave del motor en ralentí. La UCE reconoce el rendimiento de cada uno de los cilindros a través de la señal de régimen del motor. Tras cada combustión en cada uno de los cilindros, la UCE registra la aceleración sufrida por el cigüeñal y, si detecta diferencias entre ellas, corrige el caudal de inyección convenientemente para igualar el rendimiento de todos los cilindros.
3 Sobrealimentación de un motor Diesel.
En los motores Diesel el sistema más utilizado para realizar su sobrealimentación es el que utiliza un turbocompresor, ya que es un sistema sencillo, fiable y que mejora las cualidades de funcionamiento del motor además de sus prestaciones. Su funcionamiento no difiere al de los usados en los motores de gasolina.
En algunos motores se utilizaron compresores volumétricos, pero fueron desechados por problemas de desarrollo y su mayor complejidad.
El turbocompresor se compone esencialmente por una turbina y un compresor, montados en el mismo eje. La turbina recibe el movimiento de los gases de escape, que se encuentran a elevada temperatura, y que la ponen en rotación. Al mismo tiempo la rueda del compresor comprime el aire que va a ser introducido en la admisión y posteriormente en los cilindros.
La cantidad y la presión del aire que entra es proporcional a la velocidad de rotación.
El turbocompresor presenta en su funcionamiento grandes ventajas, de entre las cuales destacan:
· Incremento notable de la potencia y el par motor, que puede llegar a un 35% más que el mismo motor en versión atmosférica.
Son motores generalmente más silenciosos, aunque a veces se percibe un silbido, procedente del turbo, en las aceleraciones.
Su rendimiento volumétrico es mayor, con lo que las combustiones son más completas, dando como resultado un consumo mucho más bajo a igualdad de potencia.
La combustión es mucho más eficaz y limpia, con lo que se reducen los gases contaminantes.
En algunos motores, se intercalan intercambiadores de calor entre el turbo y el colector de admisión, con el fin de reducir la temperatura del aire de admisión.
Dichos intercambiadores pueden ser del tipo aire/aire, si el aire se refrigera por la circulación de otros aire, o aire/agua, si se refrigera mediante el paso de un líquido.
Para controlar las presiones de trabajo se coloca una válvula limitadora de presión, o waste-gate, cuya misión es controlar la presión mínima y máxima del turbo, para un mejor funcionamiento.
Dicha válvula es controlada por la UCE.
4 CICLO TEORICO DEL MOTOR DIESEL
Entre los ciclos real y teórico Diesel existen, igual que en el caso Otto, diferencias en la forma y en los valores de las presiones y temperaturas. Algunas de estas semejanzas corresponden a las del ciclo Otto; por ejemplo, las debidas a la variación de los calores específicos, a la perdida de calor y al tiempo de abertura de la válvula de escape.
Otras difieren en parte y son originadas por la disociación y la perdida por bombeo. Por último, una es peculiar del motor Diesel, a saber; la referente a la combustión, la cual no se verifica a presión constante en el caso del ciclo real.
a) Combustión a presión constante. Como se ve en el diagrama indicado, en la práctica la combustión se realiza en tales condiciones, que la presión varia durante el proceso, mientras que en el ciclo teórico habíamos supuesto que se mantenía constante. En realidad, una parte de la combustión se lleva a cabo a volumen constante, y otra parte, a presión constante, casi como en el ciclo Otto real. Tan solo en el caso de los motores muy lentos se desarrolla de forma ligeramente aproximada al proceso teórico.
b) Disociación de los productos de la combustión. En el motor de encendido por compresión, la disociación no tiene un efecto tan importante como en el motor de encendido por chispa, por cuanto el exceso de aire y mezcla de los productos de la combustión son tales, que reducen la temperatura máxima y, en consecuencia, también la disociación de dichos productos.
c) Perdida por bombeo. Las perdidas por bombeo son inferiores a las que se producen n ciclo Otto, puesto que no hay estrangulamiento en el aire de aspiración; en los motores de encendido por compresión no existe la válvula mariposa, característica de los motores de encendido por chispa, provistos de carburador. Por ello, la superficie negativa del ciclo Diesel real es menor que la del ciclo Otto.
Todo cuanto llevamos explicando se refiere a los motores de 4 tiempos. En los de 2 tiempos, bastante difundidos entre los de tipo Diesel resultan importantes la perdida por bombeo y la causada por la interrupción de la expansión antes del P.M.I. para dar lugar al escape. Comprendido en la pérdida por bombeo se debe considerar también el trabajo necesario para realizar el barrido del cilindro del cilindro, que a menudo se efectúa por un compresor.
5 CICLO PRÁCTICO DEL MOTOR DIESEL
El ciclo Diesel, a presión constante consta a su vez de una primera fase, o compresión adiabática del aire puro previamente aspirado; una segunda fase, combustión a presión constante; una tercera fase, o expansión adiabática y una cuarta fase, o descenso brusco de la presión.
En la primera fase el aire puro anteriormente aspirado se comprime y adquiere una temperatura suficiente como para provocar el autoencendido del combustible inyectado; en la segunda fase y al principio de la expansión, la combustión se realiza a presión constante, mientras el volumen aumenta. La dilatación de los gases compensa la caída de presión debida a este aumento de volumen; en la tercera fase la expansión se efectúa sin intercambio de calor con las paredes del cilindro y en la cuarta fase la apertura instantánea del escape produce un descenso muy rápido de la presión, mientras el pistón se mantiene en el punto muerto (volumen constante).
En cuanto a su fabricación y elementos que los constituyen, diremos que después de haber desplazado en un tiempo el motor diesel al de gasolina, sobre todo en sus aplicaciones de propulsión de vehículos, usos industriales, navales y agrícolas, por las causas que más adelante expondremos, si bien la fabricación del motor diesel es más cara y alguno de sus dispositivos auxiliares (refrigeración, filtrado de combustible,etc) son de coste más elevado que los de gasolina, hoy día se ha llegado con las grandes producciones en serie a un menor coste , que los iguala casi a los de gasolina, máxime con la incorporación en éstos de las nuevas técnicas de la inyección de gasolina.
El bloque motor es similar en ambos tipos de motores, si bien el dimensionado de los mismos es mayor en el diesel por trabajar éstos bajo cargas mayores. Suelen ser de fundición perlítica y llevar camisas recambiables (generalmente húmedas) con una pestaña de tope en su parte superior (en los Diesel).
Los pistones en estos motores desempeñan múltiples funciones, por lo que se diferencian de los de gasolina en la forma del fondo y en la cabeza, que dependen del sistema de inyección utilizado; en el perfil de la falda, actualmente en óvalo progresivo curvilíneo; en la disposición de los segmentos (en ocasiones alojados en gargantas postizas) y en la altura del eje; su espesor en la cabeza es superior por las presiones y condiciones térmicas a que son sometidos.
También difieren en el árbol de levas en los casos en que el motor diesel esté equipado de inyectores-bomba.
La culata suele diferir bastante en uno y otro caso, ya que los de gasolina suelen ser de una sola pieza y en los diesel acostumbra a disponerse de una culata por cada 3 cilindros, o una individual por cada uno de ellos. La disposición de los conductos de agua es diferente, pues los Diesel deben refrigerar no sólo las cámaras de turbulencia, sino los inyectores. También puede serlo la disposición en la misma de una parte de la cámara de turbulencia, mecanizada en la misma.
Finalmente el sistema de inyección diesel en cualquiera de sus modernos procedimientos de common-rail, inyectores-bomba, control electrónico, etc, constituyen un elemento diferenciante respecto a los de gasolina.
En lo tocante a sus aspectos económico y práctico vemos que los diesel tienen un mejor rendimiento térmico gracias a su elevado grado de compresión y a que su combustión se efectúa con un exceso de aire, pudiendo llegar a un 60% frente a un 45% en algunos de gasolina. Además el poder calorífico del diesel es superior al de la gasolina.
El consumo específico del diesel es inferior, lo que unido al menor precio del gasoil, es un elemento determinante en el transporte de mercancías; sobre todo al ralentí; la relación de consumos es de 1 a 4 , lo que lo hace particularmente adecuado para la distribución (furgonetas).
La duración de la vida del motor es asimismo superior en el diesel, que en el de gasolina (hasta 3 veces) y su valor residual es también mayor.
Otro punto favorable es la facilidad de puesta en marcha a bajas temperaturas, que los gases de escape sean menos tóxicos y que el peligro de incendio sea menor, pues el gasoil es menos volátil que la gasolina y sus vapores necesitan temperaturas de 80ºC para inflamarse, mientras que los de la gasolina lo hacen a 20ºC.
Sin embargo como negativos diremos que tanto el motor Diesel como su equipamiento es más pesado que los motores de gasolina; es más caro de construir, como hemos dicho; su mantenimiento es laborioso.
En general y además, pese a los avances conseguidos, es más ruidoso que el de gasolina.
TEMA 4
CARACTERISTICAS DE LOS MOTORES
1 Rendimiento del motor
El motor de combustión interna es una máquina que transforma energía química mediante un proceso que lo explicamos a continuación:
La energía contenida en el combustible, de origen químico, se transforma en calor mediante la combustión. De este modo, el consiguiente aumento de presión provoca el desplazamiento del pistón, obteniéndose así energía mecánica.
En este proceso no toda la energía del combustible es transformada en trabajo útil. Una buena parte se pierde, por lo que la energía aprovechable que se obtiene es menor a la inicial.
En balance resultante entre la cantidad de energía aportada y la obtenida en una maquina se denomina rendimiento (ç ) y se expresa como porcentaje del trabajo que soporta.
El rendimiento del motor por tanto será mayor, mientras menores sean las perdidas en la transformación de energía química a mecánica.
PERDIDAS DE ENERGIA
Perdidas de calor
Producidas por el sistema de refrigeración y la radiación de calor existente. Otra perdida es la cantidad de calor que evacua a través de los gases de escape.
Perdidas mecánicas
Debido al rozamiento entre las piezas en movimiento, y accionamiento de dispositivos auxiliares, como la bomba de agua, bomba de aceite, etc.
Perdidas químicas
Motivadas por una combustión incompleta.
2 TIPOS DE RENDIMIENTO
En un motor podemos obtener varios tipo de de rendimientos a continuación vamos a ver los siguientes:
- Rendimiento térmico
- Rendimiento mecánico
- Rendimiento efectivo
- Rendimiento volumétrico
Rendimiento térmico
Es una cifra que nos indica el porcentaje de aprovechamiento que un motor realiza sobre el combustible que consume. Se obtiene de dividir la energía obtenida a la salida del cigüeñal de un motor entre la energía que aporta el combustible consumido. Cuanto más se acerque este valor al 100% mayor es el rendimiento térmico obtenido. Una medición aproximada del rendimiento térmico es el consumo específico. El máximo rendimiento térmico se obtiene cerca del régimen de par máximo.
Rendimiento mecánico
El trabajo perdido en la transmisión, desde él embola al arbol motor, se emplea ya en vencer rozamientos y en mover los órganos accesorios del motor.
Funciones accesorias: El movimiento de los mecanismos que las realizan, absorbe necesariamente una parte del trabajo producido por el motor. El generador, las bombas de agua y aceite y el ventilador, restan una potencia al motor nada despreciable.
Sistema de escape: La instalación necesaria para la evaluación al exterior de los gases quemados, requiere un cuidadoso estudio en cuanto a la longitud y sección de paso se refiere, para evitar una resonancia acentuada y una perdida de potencia. La tubería de escape no debe presentar estrechamiento alguno y su sección debe ser suficiente.
Rozamiento: Los rozamientos a vencer son los que más influyen sobre el rendimiento mecanico. Los segmentos, aplicándose como resortes contra las paredes del cilindro, ejercen una presión que no puede ser inferior a cierto valor, si se quieren evitar perdidas de compresión por fugas de gases hacia el cárter entre ellos y las paredes. Se reduce el rozamiento al mínimo engrasando todas lo posible ambas piezas.
El émbolo roza, asimismo, en el interior del cilindro, contra el cual ejerce una fuerte presión debido a determinadas posiciones de la biela. La oblicuidad de esta puede disminuirse en el momento más perjudicial, es decir, durante la carrera de expansión, descentrando convenientemente el motor, como ya se verá.
Los cojinetes de apoyo del cigüeñal y de las propias bielas, producen un rozamiento elevado, que puede ser disminuido grandemente engrasando convenientemente estas uniones.
Rendimiento efectivo
Podemos entender como rendimiento efectivo el balance total de perdidas y el 100% de la energía contenida en el combustible consumido dan lugar al rendimiento efectivo del motor.
Rendimiento volumétrico
Es la relación entre la masa de aire que hay en el cilindro en el punto muerto inferior, y la que podría haber, dado el volumen de la cámara y la presión atmosférica. El rendimiento volumétrico es del 100 % si ambas masas son iguales; es inferior al 100 % si hay menos aire del que podría haber a presión atmosférica; es superior al 100 % si hay más aire del que podría haber a presión atmosférica.
En un motor atmosférico de gasolina, el rendimiento volumétrico es siempre inferior al 100 % cuando el motor no trabaja en carga parcial, porque la mariposa limita la entrada de aire. Si funciona a plena carga, puede llegar al 100 % en un margen de régimen más o menos estrechos. Algunos motores atmosféricos pueden superar el 100 % de rendimiento volumétrico por efecto de la resonancia del aire; es decir, en un cierto intervalo de régimen, están «sobrealimentados por resonancia».
En un motor atmosférico Diesel, el rendimiento volumétrico se acerca al 100 % en todo caso, porque, la entrada de aire no está limitada.
En motores sobrealimentados, gasolina o Diesel, el rendimiento volumétrico puede ser superior al 100 %, porque la presión en el colector de admisión es mayor que la atmosférica.
3 Características principales de los motores
Las principales características que definen las prestaciones que se obtienen en un motor son el par motor, la potencia y el consumo especifico de combustible. Estos parámetros identifican el tipo de moto proporcionando una referencia en cuanto a sus características de funcionamiento. El fabricante suministra estos datos obtenidos mediante ensayos en bancos de potencia.
Par motor
En general, cuanto mayor sea la cilindrada del motor mayor será el par del motor. Un par motor elevado permite una aceleración más fuerte: la sensación de quedarse adherido al asiento es mayor. Por otro lado, un par motor elevado permite que se desplace un peso mayor, motivo por el que los vehículos diesel con frecuencia se emplean para la tracción de caravanas, remolques o cargas grandes.
En los motores diesel, el par motor se obtiene en bajo régimen (entre 1300 y 2400 r.p.m. dependiendo de los vehículos ya que los motores modernos se aproximan a los 1300 r.p.m.). En ese momento se transmite la mayor fuerza a las ruedas. Un par motor fuerte comporta una buena recuperación (no siendo necesario retrogradar) y una buena aceleración.
La fórmula del par motor es una fuerza en función de una distancia.
El par motor se puede comparar con un levantador de pesas: éste levanta un peso enorme hasta la altura de su cabeza. Cuanto mayor sea el peso alzado, más fuerza tendrá el levantador de pesas.
PAR MOTOR=FUERZAxDISTANCIA
Aquí expresamos la fuerza en Newtons y la distancia en metros.
La curva del par motor tiene su máximo en la zona baja del contador de revoluciones y decrece rápidamente en la zona alta del contador de revoluciones. Otro parámetro toma entonces su relevo.
La potencia
La potencia es el trabajo efectuado en un cierto tiempo. Por este motivo, ésta depende del par motor, pero también de la velocidad de rotación del motor. Cuanto más rápido gire el motor, más aumentará la potencia.hasta un límite que, en los motores diesel empieza entre 4000 y 4500 r.p.m. La potencia del motor influye en la velocidad del vehículo.
La potencia puede ser comparada con dos deportistas: el primero levanta 120 kg en 1 minuto. El segundo levanta 120 kg en 30 segundos. En un minuto, el segundo atleta habrá levantado 240 kg, de tal manera que éste será el más potente.
La potencia se expresa en Watios (W) o en caballos según DIN (CV). El par motor se encuentra en metros por Newton y la velocidad en radianes por segundo.
Informativamente, 1 CV DIN = 735.5 W
Consumo especifico de combustible
Es la cantidad de combustible que necesita un motor para suministrar una determinada unidad de potencia por unidad de tiempo. El consumo específico es una forma de expresar el rendimiento del motor, en el sentido que relaciona consumo con prestaciones. Cuanto menor sea el consumo específico de un motor, mejor es su rendimiento.
El consumo específico de un motor en distintas condiciones de trabajo se puede ver un gráfico como el de abajo. En el eje horizontal está el régimen. En el eje vertical se pueden poner variables distintas, pero relacionadas entre sí, como el par o la presión media efectiva. En el ejemplo de abajo, en el eje vertical está la presión media efectiva (en kilopascales, kPa); la presión efectiva máxima en cada régimen se corresponde con la curva de par. Como se puede ver en el gráfico, el valor mínimo de consumo específico de este motor es 210 gramos por cada kilovatio hora (g/kWh). En cualquier punto del área más oscura, el motor alcanza su máximo rendimiento. Fuera de esa área, el consumo aumenta a 215 g/kW/h, aunque hay zonas dentro del área de 215 en las que el motor trabaja peor y sube a 220. Cuanto menor es la carga (es decir, cuanto menos pisa el conductor el acelerador), menos depende el consumo específico del régimen. En ningún gráfico que hayamos visto hasta ahora el máximo rendimiento del motor se consigue a plana carga (ni en Diesel ni en gasolina), si no un poco por debajo.
1 MOTORES DE CUATRO TIEMPOS OTTO Y DIESEL…………3
1 HISTORIA DEL MOTOR…………………………………….……………..3
2 EL MOTOR TERMICO DE COMBUSTION INTERNA…………..5
3 CLASIFICACION DE LOS MOTORES DE
COMBUSTION INTERNA………………………………………………….5
2 EL MOTOR OTTO DE CUATRO TIEMPOS………………………13
1 CARACTERISTICAS DEL MOTOR OTTO ………………………....13
2 CONSTITUCION DEL MOTOR OTTO…………………….………..15
3 CICLO TEORICO DEL MOTOR OTTO DE
CUATRO TIEMPOS……………………………………..…………………29
4 CICLO PRACTICO DEL MOTOR OTTO DE
CUATRO TIEMPOS…………………………………………………………30
3 EL MOTOR DIESEL DE CUATRO TIEMPOS…………………….33
1 CARACTERISTICAS DEL MOTOR DIESEL DE
CUATRO TIEMPOS………………………………………………………….33
2 CONSTITUCION DEL MOTOR DIESEL DE
CUATRO TIEMPOS………………………………………………………….34
3 SOBREALIMENTACION EN UN MOTOR DIESEL……………….54
4 CICLO TEORICO DEL MOTOR DIESEL………………………………55
5 CICLO PRACTICO DEL MOTOR DIESEL…………………………….56
4 CARACTERISTICAS DE LOS MOTORES………………………….58
1 RENDIMIENTO DEL MOTOR………………………………………….58
2 TIPOS DE RENDIMIENTO……………………………………………….59
3 CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LOS
MOTORES……………………………………………………………………..62
TEMA 1
EL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA
1 Historia del motor
El motor de combustión interna se desarrolla de una evolución de la máquina de vapor. La diferencia que tienen es que en el motor de combustión interna el trabajo se obtiene de la mezcla de aire y combustible, mientras que en el motor a vapor se obtiene de la presión del vapor de agua por una combustión externa.
En mayo de 1876 Nikolaus Otto construye el primer motor de cuatro tiempos.
En 1878, el escoses Dugald Clerk construye el primer motor de dos tiempos.
Gottlieb Daimler y Wilhelm Maybach, en 1882 montan su propia compañía, centrando sus esfuerzos en la construcción de un motor de poco peso, alto régimen y que funcione con gasolina, consiguiéndolo en 1886, un coche equipado con ese motor alcanza la velocidad de 11 Km./h en 1889.La Daimler Motor Company se crea en 1890, alcanzando sus motores una enorme reputación, que se ve acrecentada cuando en 1894, en la primera carrera de coches entre París y Rouen, los únicos 15 coches que llegan a la línea de meta de los 102 que habían
tomado la salida, están equipados.
En 1883 el ingeniero alemán Karl Benz crea la Benz & Company. En enero de 1886 crea el que ha sido considerado históricamente como el primer vehículo equipado con motor de combustión interna; es un triciclo equipado con un motor de 4 tiempos de construcción propia, según la patente de Otto; en julio del mismo año comienza su construcción para el público. En 1891 construye su primer automóvil de 4 ruedas.
En Francia, François-René Panhard y Emile Levassor, fundan el 1888 la empresa Panhard & Levassor, que con motores Daimler, comienza a fabricar los primeros autos franceses en 1891. Empiezan pues las construcciones colectivas, aunque artesanales de vehículos; la construcción en serie aún no existe y es el propio inventor el encargado de la construcción e incluso posterior reparación de los automóviles.
En 1892, el alemán Rudolfd Diesel inventa un motor que funciona con combustibles pesadosy no necesita sistema de encendido, que se llamara motor diesel. Despues de 5 años en 1987 se construye el primer de estos motores.
En 1957, el alemán Felix Wankel prueba con éxito el nuevo motor de pistón rotativo, que es conocido con el nombre de su inventor, motor Wankel. Pero el motor era demasiado complicado y por esta razón no tuvo éxito en el mercado automotriz.
En todo el mundo, la industria del automóvil empieza a establecerse.
En Estados Unidos, Henry Ford inicia la historia de esta prestigiosa marca a partir de 1893 cuando construye su primer coche en Detroit, para en 1903 fundar la Ford Motor Company.
En diciembre de 1898, en Billancourt se inicia la historia de otro grande, Renault, de la mano de los hermanos Renault: Marcel, Fernand y Louis.
En el mismo año, los hijos de Adam Opel amplían su fábrica de máquinas de coser y de bicicletas con la fabricación de automóviles.
En 1899, Italia ingresa en el mundo automovilístico al crearse la Fábrica Italiana Automobili Torino (FIAT), a cargo de Giovanni Agnelli.
En 1908, Ford lanza al mercado el legendario Ford T, que representó la popularización del automóvil al reducir sensiblemente los costes de fabricación mediante técnicas como la utilización de la pintura negra (era la que secaba más rápido y permitía reducir el tiempo de fabricación del coche). Aún así, la producción francesa era superior en número durante los primeros años del siglo XX.
Con la entrada de General Motors en el mercado, a base de absorber varias fábricas pequeñas, los Estados Unidos tomarían la cabeza de la producción para no dejarla hasta nuestros días.
Las dos grandes marcas norteamericanas se instalan en Europa y para esa época la hegemonía en cuanto a producción es clara: Estados Unidos, Francia, Gran Bretaña, Alemania e Italia.
A pesar de que Alemania nunca fue el primer productor de automóviles, creó el considerado por muchos automóvil del siglo XX: el Volkswagen Käffer, o Escarabajo (1938), diseñado por Ferdinand Porsche bajo petición del mismísimo Adolf Hitler.
Durante la Segunda Guerra Mundial, la producción se detiene; casi todos los constructores se dedican a la fabricación de material bélico durante esos años.
Concluida la guerra, Ford y General Motors aprovecharon el panorama, ampliamente favorable, para absorber algunos pequeños fabricantes. Los años de la post-guerra se caracterizaron por las desapariciones de legendarias marcas, fusiones y reagrupamientos estratégicos; estas fusiones y absorciones continúan hasta el día de hoy.
En la década del los 80, el mercado oriental, y principalmente el japonés, adquirió tal importancia que el mercado norteamericano especialmente, pero también el europeo, vieron peligrar su hegemonía, y debieron de aprender y adoptar técnicas orientales para continuar en cabeza del mercado. Así aparecen conceptos como la producción just-in-time (producción en masa), o los principios Kaizen, hoy en día aplicados universalmente en el mercado automovilístico.
La última lucha parece centrada en los vehículos híbridos, con motores eléctrico y de explosión a la vez, lucha encabezada de momento por el mercado oriental.
Pero esta historia no acaba aquí; los motores eléctricos cada día son mejores y más fiables; ya se habla de automóviles sin necesidad de conductor, de motores de hidrógeno, y de infinidad de ideas para un futuro, en algunos casos más próximo de lo que pensamos. Y la historia no acaba aquí; el automóvil es un invento muy joven dentro de la historia de la humanidad, pero promete continuar durante muchos años más, puede que con características muy diferentes a las actuales, pero seguirá siendo un auto-móvil.
2 El motor térmico de combustión interna
El motor térmico de combustión interna (Otto), transforma la energía calorífica (explosión) en energía mecánica. Esta combustión se produce dentro de la propia cámara por ello se le denomina motor de combustión.
Hay que tener en cuenta que los motores térmicos de combustión interna deben reunir una serie de cualidades:
- Buen rendimiento, es decir que se transforme en trabajo la mayor parte posible de la energía que produce la combustión.
- Bajo consumo en relación a su potencia, es decir que nos consuma la menos cantidad de combustible, pero que esta sea aprovechada en su mayor cantidad posible.
- Gases de escape poco contaminantes, esta normativa se la está aplicando en la gran mayoría de coches, para evitar las emisiones de CO2 al medio ambiente.
- Fiabilidad y durabilidad.
- Bajo coste de fabricación y mantenimiento.
3 Clasificación de los motores de combustión interna
Los motores de combustión interna se pueden clasificar atendiendo a diferentes aspectos:
Por la forma de iniciar la combustión:
· Motores OTTO.
· Motores DIESEL.
Por el ciclo de trabajo:
· Motores de 2 tiempos.
· Motores de 4 tiempos.
Por el movimiento del pistón.
· Motores de pistón alternativo.
· Motores de pistón rotativo.
Motor Otto
El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos, o también llamado motor de explosión o motor de encendido provocado (MEP). La eficiencia de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración.
En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende del grado de compresión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano.
Consiguen su potencia máxima entre las 5.000 y 7.000 rpm.
La eficiencia media de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.
Motor diesel
En teoría, el ciclo diesel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de los motores diesel tienen también cuatro tiempos, si bien las fases son diferentes de las de los motores de gasolina.
En la primera fase se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda fase, la fase de compresión, el aire se comprime a una fracción de su volumen original, lo cual hace que se caliente hasta unos 440 ºC. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible vaporizado dentro de la cámara de combustión, produciéndose el encendido a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de potencia, la combustión empuja el pistón hacia atrás, trasmitiendo la energía al cigüeñal. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de expulsión.
Algunos motores diesel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible para arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada.
La eficiencia de los motores diesel depende, en general, de los mismos factores que los motores Otto, y es mayor que en los motores de gasolina, llegando a superar el 40%. Este valor se logra con un grado de compresión de 14 a 1, siendo necesaria una mayor robustez, y los motores diesel son, por lo general, más pesados que los motores Otto. Esta desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho de utilizar combustibles más baratos.
Los motores diesel suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min), mientras que los motores Otto trabajan de 2.500 a 5.000 rpm. No obstante, en la actualidad, algunos tipos de motores diesel trabajan a velocidades similares que los motores de gasolina, pero por lo general con mayores cilindradas debido al bajo rendimiento del gasoil respecto a la gasolina.
Motor de cuatro tiempos
El funcionamiento básico de este motor a explosión son los mismos pasos que el motor de 2 tiempos pero con más piezas y más movimientos.
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Admisión
Compresión
Explosión
Escape
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Nota: Nota: en el diseño a la izquierda visto de perfil falta una válvula para hacer más claro el dibujo, Siempre son 2 válvulas, escape y admisión-.
Paso 1: El pistón baja mientras se abre la válvula de admisión y entra aire y combustible Paso 2: El Pistón sube mientras se cierran las válvulas y comprime la mezcla. Paso 3: Se produce la explosión y los gases ejercen presión sobre el pistón. Paso 4: El pistón sube a la cima y se abre la válvula de escape para dejar salir los gases. Como veréis el cilindro no tiene ninguna tobera ya que el escape lo permite una válvula y la admisión otra válvula. El ciclo de apertura y cierre de las válvulas está marcado por los giros del cigüeñal que a su vez mueve con la cadena de distribución el árbol de levas que a su vez presiona el balancín que presiona la válvula para abrirla (por defecto debido al resorte siempre está cerrada en reposoPaso 1: El pistón baja mientras se abre la válvula de admisión y entra aire y combustible Paso 2: El Pistón sube mientras se cierran las válvulas y comprime la mezcla. Paso 3: Se produce la explosión y los gases ejercen presión sobre el pistón. Paso 4: El pistón sube a la cima y se abre la válvula de escape para dejar salir los gases. Como veréis el cilindro no tiene ninguna tobera ya que el escape lo permite una válvula y la admisión otra válvula. El ciclo de apertura y cierre de las válvulas está marcado por los giros del cigüeñal que a su vez mueve con la cadena de distribución el árbol de levas que a su vez presiona el balancín que presiona la válvula para abrirla (por defecto debido al resorte siempre está cerrada en reposo). · El árbol de levas puede estar arriba o abajo en los motores (cabeza o culata). · En los autos el cigüeñal mueve mediante una correa dentada (que está fuera del motor generalmente) al árbol de levas más el ventilador que enfría el agua, más el alternador que suministra la carga a la batería.
Motor de dos tiempos
Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor Otto o diesel func ione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases en lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es menor que la de los motores de cuatro tiempos, pero al necesitar sólo dos tiempos para realizar un ciclo completo, producen más potencia que un motor cuatro tiempos del mismo tamaño.
El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas de cabezal, las válvulas deslizantes u orificios (que quedan expuestos al desplazarse el pistón hacia atrás). En los motores de dos tiempos la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través del orificio de aspiración cuando el pistón está en la posición más alejada del cabezal del cilindro. La primera fase es la compresión, en la que se enciende la carga de mezcla cuando el pistón llega al final de la fase. A continuación, el pistón se desplaza hacia atrás en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases salgan de la cámara.
Motor de pistón alternativo
La característica principal de un motor de alternativo es que transforma la energía térmica en energía mecánica.
Partes de un motor alternativo de combustión interna
La parte estructural fundamental del motor la forman la bancada y el bloque sobre los que van montados los demás elementos del motor.
El pistón va en el cilindro y va unido a la biela mediante un bulón. La biela transmite el movimiento del pistón a la manivela del cigüeñal, el cual está soportado por cojinetes sobre la bancada, transformando el movimiento lineal en rotativo. En la parte superior va la culata y el espacio que queda entre el pistón y la culata es la cámara de combustión. La entrada del fluido (gasolina o gasoil) y la salida de los gases se realizan a través de válvulas que se encuentran en la parte superior de la culata y están sincronizadas mecánicamente.
Principio de funcionamiento
El motor realiza un ciclo operativo. Este puede ser de cuatro tiempos o dos tiempos.
El ciclo de cuatro tiempos completo se realiza en cuatro carreras del pistón.
· Primer tiempo admisión: El pistón desciende desde el punto muerto superior (PMS) haciendo que entre aire y combustible por la válvula de admisión.
· Segundo tiempo compresión: la válvula de admisión se cierra cuando el pistón llega al punto muerto inferior (PMI), comienza a subir de nuevo comprimiendo la carga.
· Tercer tiempo expansión: Antes de que finalice la carrera de compresión se produce la inflamación y proyecta el pistón hacia abajo, produciéndose trabajo.
· Cuarto tiempo escape: Una vez llega al Pise abre la válvula de escape, el pistón asciende expulsando los gases de la combustión.
·
De los cuatro tiempos anteriores el único que realiza trabajo es el tercer tiempo mediante un mecanismo llamado volante de inercia.
El ciclo de dos tiempos completo se realiza en dos carreras de pistón.
· Primer tiempo: Cuando el pistón está en el PMS se produce la inflamación, empujando el pistón y abriendo la lumbrera de escape. A medida que el pistón baja empuja los gases de combustión hacia la lumbrera de escape.
· Segundo tiempo: El pistón comienza a subir desde el PMI entrando la mezcla de aire y combustible y luego cierra las lumbreras de escape. Al subir comprime el fluido.
Existen dos subgrupos de motores, los de encendido por chispa (Ech) y los motores de encendido por compresión (EC).
En los motores de encendido por chispa el combustible se mezcla generalmente con el aire antes de entrar en el cilindro. Anteriormente se solía hacer en un carburador pero últimamente se hace con sistemas de inyección. El encendido de la mezcla se produce por una bujía. El combustible es la gasolina.
En los motores de encendido por compresión solo entra aire y es comprimido fuertemente ya que al inyectar el combustible (cerca del PMS) se debe inflamar directamente. El combustible es el gasoil.
A los dos tipos de motores se les puede sobrealimentar introduciéndoles más aire y combustible del que admiten normalmente.
En el estudio teórico de los motores se realizan análisis termodinámicos elementales y se suele simplificar. Los procesos termodinámicos que tienen lugar según el diagrama son los siguientes. El encendido por chispa se utiliza un ciclo termodinámico llamado ciclo Otto.
· Tramo 1-2. Se realiza la compresión adiabática del fluido de trabajo.
· Tramo 2-3. Absorción instantánea de calor en el momento de la explosión
· Tramo 3-4. Expansión adiabática del pistón
· Tramo 4-1. Extracción instantánea del calor
El ciclo teórico para el motor de encendido por compresiones el ciclo diesel.
· Tramo 1-2. Compresión adiabática, es decir, sin introducción ni extracción de calor.
· Tramo 2-3. Absorción de calor que se realiza manteniendo la presión constante.
· Tramo 3-4. Expansión adiabática.
· Tramo 4-1. Cesión de calor manteniendo el volumen constante.
Motor de pistón rotativo
En la década de 1950, el ingeniero alemán Félix Wankel completó el desarrollo de un motor de combustión interna con un diseño revolucionario, actualmente conocido como Motor Wankel. Utiliza un rotor triangular-lobular dentro de una cámara ovalada, en lugar de un pistón y un cilindro.
La mezcla de combustible y aire es absorbida a través de un orificio de aspiración y queda atrapada entre una de las caras del rotor y la pared de la cámara. La rotación del rotor comprime la mezcla, que se enciende con una bujía. Los gases se expulsan a través de un orificio de expulsión con el movimiento del rotor. El ciclo tiene lugar una vez en cada una de las caras del rotor, produciendo tres fases de potencia en cada giro.
El motor de Wankel es compacto y ligero en comparación con los motores de pistones, por lo que ganó importancia durante la crisis del petróleo en las décadas de 1970 y 1980. Además, funciona casi sin vibraciones y su sencillez mecánica permite una fabricación barata. No requiere mucha refrigeración, y su centro de gravedad bajo aumenta la seguridad en la conducción. No obstante salvo algunos ejemplos prácticos como algunos vehículos Mazda, ha tenido problemas de durabilidad.
TEMA 2
EL MOTOR OTTO DE CUATRO TIEMPOS
1 Características del motor Otto.
El motor Otto de cuatro tiempos pertenece al grupo de motores térmicos de combustión interna, consume una mezcla de aire combustible que ha sido previamente preparada.
Su ciclo d funcionamiento se realiza en cuatro tiempos:
· ADMISION
· COMPRESION
· EXPANSION
· ESCAPE
A continuación les detallamos sobre dichos ciclos de trabajo.
En la fase de admisión, la válvula de admisión se abre y el pistón se desplaza hacia abajo en el cilindro, aspirando la mezcla de combustible y aire. La válvula de admisión se cierra cerca del final de la carrera de admisión y el pistón se mueve hacia arriba del cilindro, comprimiendo la mezcla. Al aproximarse el pistón a la parte superior del cilindro en la carrera de compresión, se enciende la bujía y la mezcla se inflama. Los gases de la combustión se calientan y expansionan con gran rapidez, lo que aumenta la presión en el cilindro, forzando al pistón de nuevo a bajar en lo que se denomina carrera de expansión o motriz. La válvula de escape se abre y forzados los gases por la subida del pistón pasan a través de ella para salir al exterior del cilindro.
CARACTERISTICAS MECANICAS, TERMICAS Y VOLUMETRICAS
Las características esenciales que definen a los motores de explosión de combustión interna son:
a) FORMA DE REALIZAR LA CARBURACION: El llenado de los cilindros se realiza con la mezcla aire-combustible, la cual se prepara en el exterior de los cilindros por medio del carburador, o los sistemas de inyección, para después ser comprimida en el interior de los mismos. Debido a esta forma de carburación los motores necesitan consumir combustibles ligeros y fácilmente vaporizables, para que la mezcla se realice en perfectas condiciones de carburación y para obtener así una rápida combustión.
b) RELACION DE COMPRESION Y POTENCIA: Debido a los combustibles utilizados, la relación de compresión en estos motores no puede ser elevada, ya que está limitada por la temperatura alcanzada por la mezcla durante la compresión en el interior del cilindro, la cual no puede ser superior a la temperatura de inflamación de la mezcla. Estas relaciones de compresión limitan la potencia de estos motores. Sin embargo, la preparación de la mezcla fuera del cilindro, con tiempo suficiente durante la aspiración y compresión para obtener una buena carburación de la misma, permite una rápida combustión, con lo que se puede obtener un elevado número de revoluciones en el motor.
c) FORMA DE REALIZAR LA COMBUSTION: Otra de las características esenciales de estos motores es la forma de realizar su combustión (volumen constante). Esta se produce cuando el embolo se encuentra en el punto de máxima compresión y se realiza de una forma rápida, por capas como si fuera una explosión, pero sin que los gases puedan expansionarse o sea, aumentar su volumen. Esto hace que la presión y la temperatura interna se eleven extraordinariamente al final de la combustión y se alcancen presiones considerables (40 a 70 kgf/cm2) que ejerce un empuje notable sobre el pistón, desplazándolo para realizar el trabajo motriz.
d) FORMA DE ENCENDIDO: Estos motores se caracterizan por la forma de encendido, el cual se produce por ignición de la mezcla a través de una chispa eléctrica, que hace expansionar los gases una vez iniciada la combustión.
DEFINICION DE TERMINOS
· PUNTO MUERTO SUPERIOR: Se define el punto muerto superior (P.M.S.) como la posición que tiene el pistón con respecto al eje central del cigüeñal. Se dice que está en el P.M.S. cuando se encuentra a la máxima distancia del eje de giro del cigüeñal, esta es la posición de desplazamiento máximo, en el sentido ascendente, que puede alcanzar el pistón.
· PUNTO MUERTO INFERIOR: Se dice que el pistón esta en el punto muerto inferior (P.M.I.) cuando en su desplazamiento, se encuentra a la mínima distancia del eje de giro del cigüeñal. En este caso, es la posición de desplazamiento mínimo que puede alcanzar el pistón.
· CARRERA: Se define como carrera del pistón a la distancia recorrida entre el PMS y el PMI, o viceversa, ya que ambos recorridos son iguales.
· CICLO: Se define ciclo como la sucesión de hechos que se repiten de una forma regular. El ciclo del motor alude a una sucesión de hechos repetitivos. (Ciclo de Otto)
· MEZCLA: Se llama mezcla a una carga o masa aire-combustible, que se introduce en el cilindro del motor, y que está preparada para la combustión.
· CILINDRADA: El recorrido (L) que efectúa el embolo entre el PMS y el PMI se denomina carrera, que multiplicada por la superficie (S) del pistón, en función de su diámetro denominado calibre, determina el volumen o cilindrada unitaria (Vu), que corresponde al volumen de la mezcla aspirada durante la admisión:
Vu = ð.D² / 4 . L
Siendo D = diámetro interior del cilindro, Vu = Volumen unitario y L = Carrera
· RELACION DE COMPRESION: La presión final alcanzada por la mezcla en la cámara de combustión está en función de la relación de compresión del motor (Rc), la cual viene determinada por la relación existente entre el volumen total (Vu) alcanzado por la mezcla en el cilindro y el volumen de la cámara de combustión (Vc), es decir:
Rc = (Vu + Vc) / Vc
La relación de compresión es uno de los factores más característicos del motor pues, hasta cierto punto, determina la potencia que es capaz de suministrar.
2 CONSTITUCION DEL MOTOR OTTO
ELEMENTOS COMUNES:
Dentro de los elementos comunes a los dos tipos de motores podemos clasificarlos como elementos fijos o soporte y elementos móviles o dinámicos.
ELEMENTOS FIJOS:
-BLOQUE MOTOR: Es el elemento que constituye el soporte estructural de todo el motor. Es el elemento más voluminoso y pesado del motor en el cual van alojados o acoplados el resto de la gran parte de elementos que componen el motor.
Formado por una serie de orificios los cuales constituyen los denominados cilindros en los cuales se alojaran los pistones. Dependiendo de la forma, disposición y características del bloque así podremos disponer de motores con cilindros en Línea, Horizontales opuestos y en “V”. La disposición en línea es la más clásica y común para la mayoría de los motores actuales. Ya que son motores de cilindradas relativamente medianas-bajas. No ocupan demasiado espacio debido a su pequeña cilindrada. El problema se plantea cuando tratamos de construir motores de elevadas cilindradas y un número elevado de cilindros. En estos casos se nos plantean varios problemas, básicamente constructivos; el primero es que si tratamos de construir un motor con un número de cilindros superior a 4 ó 5, el bloque motor adquiere unas dimensiones exageradamente grandes, dificultando su posterior montaje en el vehículo y la limitación en cuanto al diseño del mismo.
El segundo problema radica en la construcción de un cigüeñal excesivamente largo lo cual nos produce una disminución en la resistencia del material y el consecuente aumento de las probabilidades de rotura o deformación del mismo.
Un cigüeñal tan grande en movimiento almacena una energía cinética excesiva que podría repercutir en el resto de elementos del motor.
En la figura podemos observar un bloque con sus correspondientes camisas.
Para evitar este tipo de inconvenientes se disponen los motores en “V”. Como su propio nombre indica la disposición de los cilindros se realiza en dos mitades dispuestas en uve repartiendo de esta manera los cilindros y el resto de los elementos del motor consiguiendo una optimización de las dimensiones del mismo.
Otro tipo de motores según la disposición de los cilindros son los motores horizontales-opuestos; este tipo de motores es el menos utilizado pero se caracteriza por tener una disposición de los cilindros igual a la de los motores en “V” pero con un desfase de 180º.
El bloque motor debido a los cilindros y una serie de cavidades Internas, se encuentra prácticamente hueco. Por tales cavidades circula el agua del circuito de refrigeración. También posee otra serie de orificios roscados los cuales sirven para la fijación del resto de elementos que van acoplados al bloque; y no debemos olvidar que en el interior del bloque se encuentra un circuito de engrase que comunica con todas las zonas donde apoyan elementos móviles para su perfecta lubricación.
El material empleado para la construcción del bloque es la fundición gris aleada con metales como el níquel y cromo. Este material le proporciona al bloque una elevada resistencia al calor y al desgaste así como una espléndida conductividad térmica.
Dependiendo del tipo de refrigeración utilizada en el motor, podremos clasificar los bloques en;
· Bloques refrigerados por agua
· Bloques refrigerados por aire
BLOQUES REFRIGERADOS POR AIRE
Este tipo de bloques es el menos utilizado debido a su baja eficacia a la hora de refrigerar.
Aunque posee la gran ventaja de ser muy económico.
Este tipo de bloques está constituido por una serie de láminas o nervios practicados en la parte exterior del bloque los cuales poseen una gran superficie de contacto con el aire del exterior; el cual, al ir el vehículo en marcha la corriente de aire que se establece en el motor, enfriando las paredes del bloque y por tanto evacua parte del calor generado.
Este tipo de bloques se emplea básicamente en motores de dos tiempos.
BLOQUES REFRIGERADOS POR AGUA
A diferencia de los anteriores en este tipo de bloques; el calor generado en la combustión y debido al rozamiento de los distintos elementos; es evacuado por una corriente de agua que circula por el interior del bloque la cual va conectada al circuito de refrigeración. Este sistema es el más utilizado debido a su excelente eficacia.
En ocasiones los cilindros donde van alojados los pistones no se practican directamente sobre el mismo bloque sino que se emplean forros o camisas las cuales van insertadas en el propio bloque. Este sistema plantea la enorme ventaja de que en el caso de existir un excesivo desgaste en las paredes del cilindro, la reparación es menos costosa, ya que tendremos que cambiar solamente la camisa y sustituirla por otra nueva. En el caso de ser un bloque sin camisas , el único modo de solventar el problema es rectificando los cilindros y por consiguiente variando las cotas esenciales de los cilindros.
Dentro de la utilización de camisas podremos distinguir dos tipos;
· CAMISAS SECAS: Este tipo de camisas se montan a presión en el interior del cilindro mecanizado en el bloque. Se encuentran en perfecto contacto con la pared del bloque, para que el calor interno pueda transmitirse al circuito de refrigeración.
· CAMISAS HÚMEDAS: El bloque en este caso es totalmente hueco y es la camisa postiza la que forma y cierra la cámara de agua del circuito de refrigeración, el cual queda en contacto directo con la camisa
CULATA
Es la pieza que sirve, entre otras cosas, de cierre a los cilindros por su parte superior. En ella van alojadas, en la mayoría de los casos, las válvulas de admisión y escape. También conforma la cámara de combustión en aquellos motores en los que no posean pistones con cámara incorporada. Sirve como soporte y alojamiento, para los distintos elementos de encendido o inyección según el tipo de motor que se trate.
En motores con árbol de levas en cabeza es decir, con dicho árbol situado en la parte superior de la culata, la culata dispone de una serie de apoyos para albergar al árbol de levas. EN caso de que el motor tenga árbol de levas lateral o en bloque, en la culata s albergará el eje de balancines.
Al igual que el bloque la culata posee una serie de orificios por los cuales circula el agua del circuito de refrigeración y que están comunicados a su vez con los orificios del bloque.
Debido a las condiciones de trabajo que soportan, tienen que ser resistentes a las altas temperaturas y ser buenas conductoras del calor. Para ello se fabrican de aleación ligera; antiguamente se fabricaban del mismo material que el bloque para evitar dificultades en la sujeción debido al coeficiente de dilatación de los materiales.
En culatas con cámara de combustión, éstas pueden ser de diferentes formas según la disposición y forma de los distintos elementos; eligiendo la forma que mejor se adapte al tipo de motor. Así pues podremos diferenciar los siguientes tipos:
· Cámara alargada: Se emplea en motores con válvulas laterales. Presenta una gran superficie interior con zonas separadas del punto de ignición, formando rincones que dan lugar a depósitos de carbonilla que da lugar al autoencendido. Pero tienen la gran ventaja de ser de construcción económica.
· Cámara de bañera y en cuña: Se emplea en culatas con bujías laterales. Posee la gran ventaja de que el recorrido de la chispa es muy corto y limita el exceso de turbulencias en el gas.
· Cámara cilíndrica: Una de las más utilizadas en la actualidad debido a su sencillez de diseño y fácil realización.
· Cámara hemisférica: Es de todas, la que más se aproxima a la forma ideal. Las válvulas se disponen una a cada lado de la cámara y la bujía en el centro. Tiene la enorme desventaja de que necesita doble sistema de distribución, un árbol de levas por cada fila de válvulas.
Para motores diesel existen dos tipos de cámaras; las cuales se clasifican según el tipo de inyección empleada (inyección directa o inyección indirecta).
· Cámara de inyección indirecta o pre cámara de combustión: Este tipo de cámaras se divide en dos partes; una que es la cámara propiamente dicha que la conforma la culata o bien en el propio cilindro, y una cámara de pre combustión alojada en la misma culata. Estas dos cámaras están comunicadas entre sí por medio de unos orificios denominados difusores. Cuando la válvula de admisión se abre parte del aire aspirado entra dentro de la precámara en la cual cuando se comprime lo suficiente se abre el inyector que debido a la elevada temperatura y presión del aire, ésta comienza a combustiones, siguiendo dicha combustión hasta la cámara de combustión principal, donde termina de combustionar por completo toda la mezcla.
Este tipo de cámaras poseen la ventaja de ser más silenciosas y conseguir una combustión más suave y progresiva castigando menos a los elementos como el pistón. Aunque también posee el inconveniente del arranque en frío ya que la cámara debe alcanzar una temperatura de entre 500 y 1000 ºC para poder combustionar la mezcla. Para evitar este problema se emplean resistencias eléctricas denominadas “calentadores” que a la hora de poner el motor en marcha calienta la precámara, permitiendo un óptimo arranque. Existen, en cuanto a tipos de cámaras, una serie de variantes cuyo funcionamiento y disposición es prácticamente el mismo que el citado anteriormente, como por ejemplo; Cámara de turbulencia y Cámara de reserva de aire.
Cámara de inyección directa: Este tipo de cámaras son la base de casi todos los motores diesel que se fabrican en la actualidad. Consta de una única cámara de combustión en la cual se inyecta el combustible a alta presión por medio del inyector el cual, a diferencia de los inyectores utilizados en el otro tipo de inyección, posee varios orificios de salida de combustible. Este sistema posee la ventaja de tener un mejor arranque en frío, y un menor consumo de combustible aportando para características constructivas iguales una mayor potencia. El inconveniente de este tipo de motores es su excesivo ruido. En la actualidad este tipo de motores gracias a las nuevas tecnologías y al descubrimiento de nuevos materiales más resistentes y ligeros, han conseguido suprimir parte de sus inconvenientes; como por ejemplo el elevado ruido, el tiempo de respuesta (reprise), etc...
Un principio este tipo de motores no utilizaba calentadores, pero en la actualidad se incorporan para mejorar el arranque en frío, haciéndose éste casi perfecto.
JUNTA DE LA CULATA
Tanto la culata como el bloque motor van separados entre sí por medio de una junta denominada Junta de la Culata la cual permite una perfecta unión entre ambos elementos y una estanqueidad casi perfecta entre las cavidades de los dos elementos. Construida a base de amianto y metal que la hacen resistente a la temperatura y a los esfuerzos mecánicos.
TAPA DE BALANCINES Y CARTER
Son los dos elementos que cierran al motor uno por la parte de arriba y el otro por la parte de abajo.
- CARTER
Es la pieza que cierra al motor por la parte posterior. Cumple varias misiones; una de ellas es la de proteger a los elementos móviles (cigüeñal), también sirve de recipiente para el aceite de engrase y cumple el cometido de refrigerar dicho aceite. Se construye de chapa embutida y en su parte más baja lleva practicado un orificio de vaciado del aceite de engrase. Existen modelos en los cuales se les practica una serie de orejas o laminaciones que sirven para la mejor refrigeración del aceite del engrase.
Unido al bloque por medio de unos tornillos y una junta de corcho para evitar fugas de aceite.
- TAPA DE BALANCINES
Al igual que el cárter esta tapa sirve de cierre al motor por su parte superior. Construida de chapa embutida cuya misión es la de proteger a los elementos móviles. Unida a la culata por medio de unos tornillos que roscan en unos agujeros ciegos practicados en la culata y una junta de corcho que evita pérdidas de aceite.
COLECTORES DE ADMISIÓN Y ESCAPE:
- COLECTOR DE ADMISIÓN
Es el elemento encargado de hacer llegar lo mejor posible la mezcla aire-gasolina para motores Otto, y el aire para motores diesel y gasolina de inyección directa, al interior de los cilindros. Suele estar construido de aluminio ya que es un elemento que no está sometido a grandes temperaturas ya que los gases que entran son gases frescos. El número de orificios del colector dependerá del número de cilindros del motor, así pues si el motor tiene 4 cilindros, el colector tendrá cuatro orificios.
- COLECTOR DE ESCAPE
Sirve de camino de salida de los gases quemados en la combustión hacia el exterior. Soportan grandes temperaturas por ello que se fabriquen de hierro fundido con estructura perlítica para darle una buena resistencia a las altas temperaturas.
Existen varios tipos de colectores como los de tubos múltiples los cuales se utilizan en motores rápidos.
En ocasiones se disponen los colectores de admisión y escape entrelazados entre sí. Este sistema hace que el motor cuando está frío nos caliente los gases de admisión y evite una excesiva condensación en el arranque en frío.
Ambos colectores van unidos a la culata por medio de un sistema de espárrago y tuerca. Y en medio de los dos se coloca una junta de papel parafinado para el colector de admisión y otra de amianto para el de escape.
ELEMENTOS MOVILES O MOTRICES:
Son los elementos encargados de transformar la energía térmica producida en la combustión en energía mecánica, a través de un sistema de biela - manivela que transforma el movimiento alternativo del pistón en un movimiento giratorio del cigüeñal.
Entre los principales elementos móviles que constituyen el motor de cuatro tiempos podremos hablar de;
· PISTÓN O ÉMBOLO
Es el elemento móvil que se desplaza en el interior de cilindro el cual recibe directamente sobre él el impacto de la combustión de la mezcla. Se divide en dos partes fundamentales; lo que se denomina cabeza del pistón y la otra llamada falda del pistón.
- Cabeza del pistón
Es la parte superior del pistón que se encuentra en contacto directo con la cámara de combustión y que por lo tanto es la parte que se encuentra sometida a un mayor castigo mecánico, térmico y químico. Es esta parte del pistón se encuentran mecanizadas unas ranuras o gargantas las cuales sirven de alojamiento a los segmentos (elementos que estudiaremos posteriormente).
La cabeza del pistón puede llegar a tener varias formas dependiendo del tipo de motor, bien sea por su disposición o por su principio de funcionamiento. Así pues existen pistones con la cabeza plana, los cuales son de uso frecuente en motores con cámara de combustión en culata. Cámara de combustión en pistón; a este tipo de pistones se les practica un alojamiento con unas formas determinadas que sirven de cámara de combustión, lo que nos permite montar culatas completamente planas. Cabeza con deflector; este tipo de pistones se utilizan en motores de dos tiempos para conducir los gases.
- Falda del pistón
Es la parte baja del pistón y la cual posee la misión de servir de guía en su movimiento alternativo Es de dimensiones ligeramente mayores que las de la cabeza del pistón lo cual evita su cabeceo y por lo tanto un desgaste descompensado en el cilindro y en el pistón.
En esta parte se mecaniza un alojamiento para el bulón de unión entre la biela y el pistón. En ocasiones, en esta parte (la falda), se practican unas ranuras en forma de T o de U, las cuales sirven de compensadores térmicos que evitan el aumento de dimensiones del pistón cuando alcanza altas temperaturas.
Debido a las condiciones de trabajo a las que están sometidos los pistones han de construirse de tal manera que sean; Robustos, ligeros, resistentes a las altas temperaturas, resistentes al desgaste, bajo coeficiente de dilatación y gran conductividad térmica. Para conseguir todas estas propiedades se construyen de aleación ligera a base de aluminio - silicio con ligeros contenidos de cobre, magnesio y níquel.
- SEGMENTOS
Como hemos mencionado al estudiar el pistón, estos elementos van alojados en los pistones y se componen por unos anillos elásticos que se encuentran en contacto con las paredes del cilindro. Su misión es la de separar herméticamente el recinto volumétrico generado por el pistón en su desplazamiento; lubricar las pares del cilindro y transmitir el calor que le comunica el pistón a las paredes del cilindro.
El número de segmentos por pistón varía según los motores pero oscilan entre 3 y 6.
Al primer grupo de segmentos se les denomina; segmentos de compresión y son los encargados de realizar un cierre hermético con la parte superior del cilindro. Al primero de estos segmentos se le denomina de fuego.
Posteriormente tenemos los denominados segmentos de engrase, los cuales, como su propio nombre indica, sirven para engrasar las paredes del cilindro. Suelen tener unos orificios por los cuales circula el aceite y que comunican con el interior del pistón.
Al igual que los pistones y debido a sus condiciones de funcionamientos deben de cumplir una serie de condiciones mecánicas y térmicas como por ejemplo; ser buen conductor térmico, resistente a las altas temperaturas y sobre todo, resistente al desgaste.
- BIELA
Es el elemento que sirve de unión entre el pistón y el cigüeñal y por lo tanto, es el que transmite todo el esfuerzo del pistón a las muñequillas del cigüeñal.
La biela se divide en; cabeza, cuerpo y pie.
- La cabeza es la parte de la biela que va acoplada a la muñequilla del cigüeñal. Esta unión se realiza a través de un elemento llamado sombrerete el cual va unido a la cabeza de la biela por medio de dos fijaciones roscadas. Entre medias se colocan unos casquillos antifricción los cuales sirven para evitar el desgaste prematuro entre las superficies en contacto. Estos elementos se denominan sema casquillos de biela o semi cojinetes de biela.
- El cuerpo de la biela es la parte que une el pie con la cabeza y por lo tanto la que transmite el esfuerzo. Sometida a esfuerzos de flexión y compresión posee una sección transversal que varía de formas pero que suelen ser en forma de H la cual proporciona a la biela la suficiente resistencia mecánica para soportar tales esfuerzos.
- El pie de biela en la parte que une se al bulón y que a su vez lo hace con el pistón.
CIGÜEÑAL
Es el elemento que junto con la biela y el pistón realiza la transformación del movimiento alternativo en movimiento rotativo. Transmite también el giro y fuerza motriz a los demás órganos de transmisión.
Constituido por un árbol acodado el cual posee unas muñequillas de apoyo o moyús que descansan sobre los apoyos del bloque motor. El cigüeñal va fijado en sus apoyos, al igual que la cabeza de biela, por unos sombreretes, denominados sombreretes de bancada. Entre medias se colocan unos casquillos denominados semi casquillos de bancada o semi cojinetes de bancada, los cuales tienen la misión de reducir el rozamiento al máximo y evitar el desgaste prematuro entre las piezas en contacto. El número de apoyos de un cigüeñal suele ser, el número de cilindros menos uno.
También posee unos muñones o muñequillas de biela, sobre los que se acoplan las bielas por medio de la cabeza de biela. Siendo el numero de muñones igual al de cilindros.
En los apoyos situados en los extremos del motor, se montan unos retenes que eviten las pérdidas de aceite hacia el exterior, tanto en el lado de la distribución como en el lado del volante.
Posee unos orificios que comunican entre sí y que sirven como conductos para la circulación del aceite de engrase. Estos orificios se encuentran en los apoyos y en los muñones para que lubriquen las piezas que se encuentran sometidas a mayor desgaste.
VOLANTE DE INERCIA
Es el elemento de gran masa que se acopla al cigüeñal y que tiene la misión de almacenar energía cinética para regular el giro del cigüeñal y transmitir esa energía en los puntos muertos (del ciclo).
DISTRIBUCIÓN
La comprenden el conjunto de elementos auxiliares necesarios para el perfecto funcionamiento de los motores. Tiene por misión la de abrir y cerrar las válvulas de admisión y escape en el momento adecuado para el llenado y evacuado perfecto de los gases de admisión y escape.
La distribución está constituida por los siguientes elementos;
- CONJUNTO DE VÁLVULA
Son un conjunto de elementos que abren y cierran la entrada y salida de gases a la cámara de compresión.
- VALVULA
Son el elemento principal de este conjunto. Situadas en el interior de la cámara de combustión son las encargadas de abrir y cerrar los orificios de entrada y salida de gases.
Constituidas por una cabeza de válvula la cual hace el cierre hermético con el orificio de la culata. Suelen estar mecanizadas con un ángulo de inclinación para evitar fugas y permitir un mejor cierre. Esta parte de la válvula apoya en la culata sobre un elemento llamado asiento de válvula.
Unida a la cabeza se encuentra el vástago o cuerpo de válvula cuya misión es la de servir de guía a la válvula en su desplazamiento. Al final del vástago posee unas hendiduras las cuales sirven para fijar el resto de elementos que van acoplados a la válvula.
- MUELLES DE LA VÁLVULA
Es el elemento encargado de mantener la válvula siempre cerrada. Este tipo de muelles se suelen fabricar con carga elástica de tensión gradual, es decir, que su constante de proporcionalidad varía a lo largo de su longitud; el objetivo de este tipo de construcción es el de evitar el rebote del propio muelle y por lo tanto de la válvula, debido al continuo movimiento alternativo. Otra forma de evitar este efecto es colocando dos muelles con distinto sentido de arrollamiento en la espira del muelle.
- ELEMENTOS DE FIJACIÓN
Con objeto de mantener el muelle unido a la válvula se emplean unos elementos de fijación como las cazoletas y los Semiconos. Estos elementos quedan fijados a la válvula gracias a la propia presión que realiza el muelle sobre ellos.
- GUIA DE VÁLVULA
- Es el elemento sobre el cual se desliza el cuerpo de la válvula y el cual se encuentra fijo en la culata. Su misión, como su propio nombre indica, es la de guiar y hacer más suave el movimiento de la válvula.
- ÁRBOL DE LEVAS Y ELEMENTOS DE MANDO
El árbol de levas es el elemento encargado de vencer la fuerza que ejercen los muelles sobre las válvulas a través de los mecanismos de mando para poder abrirlas y cerrarlas en el momento adecuado.
Constituido por un árbol al cual se le han mecanizado una serie de elementos excéntricos denominados levas, que son los encargados de mandar el empuje a través de los elementos de mando hacia las válvulas. Al igual que el cigüeñal posee una serie de apoyos o moyús, los cuales pueden ir alojados o bien el bloque (árbol de levas en bloque), o bien en la culata (árbol de levas en cabeza o en culata), dependiendo del tipo de distribución que tenga el motor. En ocasiones llevan mecanizados uno o dos piñones dentados los cuales sirven para dar movimiento a la bomba de aceite y al distribuidor o delco respectivamente. En motores con bomba de gasolina mecánica, se mecanizaba una leva adicional al árbol de levas la cual accionaba dicha bomba. En la actualidad está en desuso debido a la utilización de bombas eléctricas.
La apertura y cierre de las válvulas debe de estar perfectamente sincronizada con la posición de los pistones. Debido a esto el árbol de levas recibe el movimiento del cigüeñal el cual debe estar perfectamente sincronizado en su movimiento con el del árbol de levas.
Cuando el árbol de levas se encuentra en el bloque, el accionamiento sobre las válvulas se realiza a través de unos elementos de mando constituidos por;
- BARILLA EMPUJADORA
Tiene la misión de transmitir el empuje de la leva hasta el balancín, salvando la distancia que hay entre ellos.
- TAQUÉS
Dependiendo del tipo de distribución, los taqués irán situados o bien en el bloque o en la culata.
Taqués en bloque: Van situados entre la leva y la varilla empujadora.
Taqués en culata: Se colocan cuando el árbol de levas va montado sobre la culata y el acci
onamiento sobre las válvulas es directo (no necesita varilla empujadora). Este tipo se coloca encima de la misma válvula. En la actualidad, en este tipo de montaje, se emplean taqués hidráulicos los cuales poseen la ventaja de mantener en todo momento las cotas de funcionamiento evitando de este modo realizar el llamado reglaje de taqués.
- BALANCINES
Es la palanca que transmite directa o indirectamente el movimiento de la leva a la válvula. Existen dos tipos de balancines;
- BALANCINES BASCULANTES: Empleados en motores que usan varillas empujadoras. Por un extremo recibe el
empuje y por el otro lo transmite, basculando en la parte central.
- BALANCINES OSCILANTES: Este tipo de balancines se emplea en motores con árbol de levas en cabeza. A diferencia del anterior, en este caso, el movimiento lo recibe directamente el balancín en su zona central, basculando en un extremo y transmitiendo el movimiento en el otro.
Los balancines poseen un mecanismo de regulación constituido por un espárrago roscado y una tuerca blocante, el cual sirve para que exista una pequeña holgura entre la válvula y el balancín. Esta cota es necesaria para que en condiciones de funcionamiento normales, al dilatar los materiales por el efecto térmico, no queden excesivamente juntas estas dos piezas y provoquen en estado de reposo de la válvula (cerrada) una ligera apertura de la misma. A este fenómeno se le denomina válvula pisada.
Los balancines oscilan sobre un eje denominado eje de balancines el cual se encuentra situado en la culata. Posee una serie de orificios interiores que sirven para engrasar la zona de basculación del balancín.
- ELEMENTOS DE TRANSMISIÓN
La transmisión del movimiento entre el cigüeñal y el árbol de levas puede realizarse de tres formas distintas;
- POR RUEDA DENTADA: Consiste en comunicar el movimiento a través de unos piñones o ruedas dentadas. En principio se acopla una rueda dentada al cigüeñal y otra al árbol de levas las cuales engranan entre sí transmitiendo el movimiento. En caso de existir una distancia considerable entre ambas se intercala otra rueda dentada entre medias. Este sistema se encuentra en desuso debido al elevado ruido que produce y al gran peso de los piñones que disminuyen la eficacia del motor.
-POR CADENA: Consiste en realizar la transmisión del movimiento a través de una cadena que engrana en dos piñones situados en el cigüeñal y en el árbol de levas. Este sistema, más empleado que el anterior, también ha quedado prácticamente en desuso, ya que es muy ruidoso. Aunque plantea la ventaja de no necesitar mantenimiento.
-POR CORREA DENTADA: Es el sistema más empleado en la actualidad ya que evita los inconvenientes de los otros sistemas, reduciendo considerablemente el ruido y el excesivo peso. Consta de una correa dentada la cual se encarga de transmitir el movimiento. Construida a base de caucho y poliamida con un entramado metálico en su interior. Plantea el inconveniente que hay que sustituirla a un determinado número de kilómetros. Por lo tanto el riesgo de rotura es mayor que en los dos casos anteriores.
ELEMENTOS AUXILIARES DE LOS MOTORES:
Todos los motores están constituidos básicamente por todos los elementos descritos hasta ahora, pero existen otros elementos acoplados al motor y que aunque no afecten directamente al ciclo fundamental de funcionamiento sin ellos sería imposible el funcionamiento del motor.
· CIRCUITO DE ENGRASE
Es el encargado de mantener perfectamente engrasadas todas y cada una de las piezas que se encuentran en contacto con otras y que están sometidas a movimiento. Sus objetivos son;
- Reducir al máximo el rozamiento entre las piezas en contacto para evitar que se calienten y puedan llegar a fundirse provocando el denominado gripaje.
- Refrigerar las piezas del motor.
Constituido principalmente por;
Bomba de aceite
Filtro de aceite
Circuito de engrase
- CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN
Tiene la misión de mantener la temperatura del motor dentro de un rango de temperaturas idóneo para el perfecto funcionamiento del mismo. Consta de los siguientes elementos;
Radiador
Termostato
Circuito
Ventilador
Termocontacto
Baso de expansión
- CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN
Este circuito varía fundamentalmente dependiendo del tipo de motor. De este modo podemos clasificar el circuito de alimentación para un motor Otto y un circuito de alimentación para un motor Diesel. Debido al principio de funcionamiento de ambos motores se emplean sistemas de alimentación completamente diferentes. Aunque en la actualidad y debido al enorme avance tecnológico cada vez estos sistemas se asemejan cada vez más.
Su misión es la de preparar la mezcla necesaria de aire - combustible para el posterior llenado de los cilindros en cada régimen del motor.
PRINCIPALES DIFERENCIAS CONTRUCTIVAS ENTRE LOS MOTORES DIESELY OTTO
Como hemos podido observar en el estudio de sus ciclos teóricos, los motores Diesel y Otto poseen diferencias elementales de funcionamiento, por lo tanto, a la hora de diseñar estos motores existirán diferencias constructivas destacables.
Las principales diferencias se plantean desde el punto de vista de la alimentación del motor.
CONSTITUCIÓN DEL MOTOR OTTO:
Posee un circuito de encendido, el cual se encarga de generar la corriente eléctrica necesaria para transmitírsela a la bujía y que se produzca en ésta la chispa necesaria que haga inflamar la mezcla aire - gasolina.
Existen distintos tipos de circuitos de encendido;
- Circuito de encendido por rúptor o platinos (primera generación).
- Circuito de encendido transistorizado (segunda generación).
- Circuito de encendido electrónico (tercera generación).
- En la actualidad el más utilizado es el de tercera generación.
Constan básicamente de;
- Generador de impulsos (varía en función del tipo de encendido)
- Distribuidor o delco
- Bobina de encendido
- Cables de alta
- Bujías
Este sistema consiste en generar una variación eléctrica de baja intensidad (generador de impulsos), que transmitida a un transformador (bobina de alta), nos induzca una corriente de alta intensidad la cual transmitida a la bujía en el momento adecuado (distribuidor o delco), nos provoque el salto de chispa que nos haga explosionar la mezcla.
GENERADOR DE IMPULSOS
Es el elemento encargado de generar la variación de corriente necesaria que induzca en la bobina una alta tensión. Existen distintos tipos de generadores de impulsos;
Platinos: Utilizados en los encendidos de primera generación, constituido por un sistema completamente mecánico. Formado por un ruptor o platinos los cuales realizan un movimiento de apertura y cierre continuos que provocan tal variación de la señal eléctrica. Situados en el distribuidor reciben el movimiento a través de una leva situada en el eje del delco.
Este sistema debido a su composición mecánica, requiere la instalación de un condensador el cual tiene la misión de evitar que en los contactos de los platinos se produzcan arcos voltaicos que a la larga nos estropearía dichos contactos.
Generador de efecto Alternador: Este sistema es más eficaz y moderno que el anterior. Consiste en incorporar en el distribuidor un pequeño generador de corriente alterna. Cuando el distribuidor gira, este generador de corriente alterna (señal analógica), manda dicha corriente a un módulo electrónico el cuál realiza la misión de tratar esa señal y actuando sobre un transistor de potencia, mande la variación necesaria a la bobina de alta. Como se puede observar, de este modo se elimina cualquier tipo de desgaste mecánico.
Generador de efecto Hall: Sistema muy parecido al anterior, pero en este caso en el distribuidor va montado un generador de impulsos de efecto Hall, el cual emite una señal digital que es recibida por un módulo electrónico. En este caso también eliminamos el desgaste mecánico de piezas.
Captador de punto muerto superior: El sistema más utilizado en la actualidad es el que incorporan los encendidos de tercera generación o electrónicos, que consiste en un captador electromagnético el cual genera una señal eléctrica por inducción. Dicha inducción es provocada por una corona dentada acoplada al volante de inercia del motor la cual informa en todo momento de la posición de los pistones y en que ciclo se encuentran. De este modo la distribución de la chispa se hace más exacta y precisa que en el resto de sistemas.
DISTRIBUIDOR O DELCO
Es el elemento encargado de distribuir la alta tensión que recibe de la bobina, hacia las bujías en el momento preciso.
Constituido por un eje central que recibe el movimiento (generalmente) del árbol de levas, el cual en su extremo posee un dedo que distribuye la alta tensión hacia las bujías.
Debido al ciclo teórico, cuanto mayor es el número de revoluciones, mayor es el ángulo de avance al encendido. Por este motivo se incorpora en el distribuidor dos sistemas de avance al encendido (mecánicos);
Avance centrífugo: Consiste en unos contrapesos acoplados al generador de impulsos los cuales al aumentar el número de revoluciones se desplazan por efecto de la fuerza centrífuga provocando un avance en la señal del generador y por lo tanto un avance en el salto de la chispa.
Avance por depresión: Consiste en una membrana dividida internamente en dos mitades y unida a la base del generador de impulsos. Una de las mitades comunica con el colector de admisión en el cual se produce una depresión la cual aumenta conforme aumentan las revoluciones del motor haciendo variar la presión entre las dos cámaras de la membrana llegando a desplazarlas. Obteniendo el mismo efecto que en caso anterior.
Estos dos sistemas solo son utilizados en encendidos de primera y segunda generación. En los de tercera los avances se consiguen de manera electrónica.
Consta también de una tapa superior la cual sirve de cierre del conjunto y como elemento de unión con los cables de alta.
BOBINA DE ENCENDIDO
Consiste en un transformador eléctrico; el cual transforma la baja tensión generada por el generador de impulsos en alta tensión que pueda provocar la chispa en la bujía.
Consta de dos arroyamientos o bobinas denominadas primario y secundario las cuales se inducen una sobre la otra la corriente.
BUJÍAS Y CABLES DE ALTA
Los cables de alta se encargan de transmitir la corriente de alta
La bujía él la encargada de hacer saltar la chispa en el interior de la cámara de combustión para que se inflame la mezcla.
Constituida por dos electrodos sobre los que se formará el arco voltaico (chispa). Uno de ellos es conectado a masa a través de la rosca que acopla a la bujía en la culata del motor y la otra se encuentra aislada eléctricamente y es la que se encuentra conectada al cable de alta procedente del delco. El cuerpo de la bujía está fabricado de un material cerámico para que pueda soportar las elevadas temperaturas a las que está sometida.
3 CICLO TEORICO DEL MOTOR OTTO DE CUATRO TIEMPOS
En la figura 1 vemos el ciclo teórico de un motor Otto en un diagrama p-V. El motor se caracteriza por aspirar una mezcla aire-combustible (típicamente gasolina dispersa en aire). El motor Otto es un motor alternativo. Esto quiere decir de que se trata de un sistema pistón-cilindro con válvulas de admisión y válvulas de escape.
En los próximos párrafos describiremos el ciclo Otto de 4 tiempos. El ciclo que describiremos inicialmente es el ciclo teóricoEn los próximos párrafos describiremos el ciclo Otto de 4 tiempos. El ciclo que describiremos inicialmente es el ciclo teórico. Posteriormente veremos las diferencias que existen en un ciclo real. Las diferentes evoluciones que componen el ciclo son:
Admisión: evolución 0-1. El pistón se desplaza desde el PMS (punto muerto superior) Al PMI (punto muerto inferior). La válvula de admisión, VA se encuentra abierta. El pistón realiza Una carrera completa. El cilindro se llena con mezcla aire/combustible. Al final de la admisión (en el PMI) Se cierra la VA. El llenado del cilindro requiere un trabajo negativo. Compresión: evolución 1-2. Con las dos válvulas cerradas (VA y válvula de escape, VE), el pistón se Desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. Se comprime la mezcla aire/combustible. En principio esta compresión es adiabática. La compresión requiere trabajo negativo. Encendido: en teoría este es un instante (evolución 2-3). Cuando el pistón llega al PMS, se enciende la chispa en la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión, aumentando la presión de 2 a 3.
Este punto es un punto clave en el comportamiento real del ciclo, lo cual lo veremos más adelante.
Trabajo: evolución 3-4. Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el PMS al PMI. Se realiza una carrera completa. En principio esta evolución es adiabática. La evolución genera trabajo positivo. De hecho es la única evolución del total del ciclo en que se genera trabajo positivo al exterior.
· Ap. Válvula de Escape: evolución 4-1. En teoría esta caída de presión de 4 a 1 es instantánea y ocurre cuando se abre la válvula de escape.
· Escape: evolución 1-0. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa (la VE está abierta y la VA se encuentra cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo cual el trabajo requerido es cero.
Cada carrera completa corresponde a media vuelta del cigüeñal. Por lo tanto para realizar el ciclo completo se requieren dos revoluciones completas en el motor de cuatro tiempos
4 CICLO PRÁCTICO DEL MOTOR OTTO DE CUATRO TIEMPOS
El ciclo de cuatro tiempos descrito anteriormente, llamado teórico, en la práctica no se realiza exactamente como se ha indicado, en cuanto a los momentos de apertura y cierre de las válvulas, existiendo en la realidad un desfase con respecto a los momentos en que el pistón alcanza los puntos muertos. Con este desfase se consigue no solamente un mejor llenado del cilindro y mejor vaciado de los gases quemados, sino que se mejora la potencia y el rendimiento del motor.
El ciclo del motor de cuatro tiempos, en el que la apertura y cierre de las válvulas no coincide con los puntos muertos del pistón, se denomina “Ciclo Práctico” o reglado.
Vamos a ver en qué momento se abren y cierran, en el ciclo práctico, las válvulas de admisión y escape en relación con el momento en que el pistón se encuentra en sus puntos muertos.
Válvula de admisión
En el ciclo teórico se abría en el momento en que el pistón iniciaba, durante el primer tiempo, su descenso desde el P.M.S. al P.M.I.
En el práctico, lo hace un momento antes de alcanzar el P.M.S; existe pues un avance de apertura a la admisión (A.A.A) para aprovechar la inercia que tienen los gases en el colector de admisión y que son aspirados en el cilindro más próximo y que se lanzarán hacia el cilindro interesado.
En cuanto a su cierre, ocurre lo contrario; se retrasa. El cierre se produce cuando el pistón ya ha iniciado la compresión (segundo tiempo); pasado el P.M.I. existe un retraso al cierre de la admisión (R.C.A). Con ello se consigue aumentar el llenado, aprovechando la inercia de los gases.
Válvula de escape
Los desfases de su apertura y cierre, con respecto a los puntos muertos del pistón, son aproximadamente iguales que en las válvulas de admisión.
La apertura de la válvula de escape se produce un momento antes de alcanzar el pistón el P.M.I. después de la explosión, (tercer tiempo); por lo que existe un avance a su apertura (A.A.E). Se consigue obtener más rápidamente el equilibrio entre presiones exterior e interior del cilindro.
Evita las contra-presiones en la subida del pistón.
El cierre se produce un momento después de pasar el pistón por el P.M.S, ya iniciada la admisión (primer tiempo) del ciclo siguiente. Existe pues un retraso en su cierre (R.C.E). Se consigue eliminar completamente los gases quemados, aprovechando así mismo la inercia de los gases en su salida.
Cruce de válvulas o solapo
Como la válvula de admisión se abre antes y la de escape se cierra después del P.M.S. debido al A.A.A y al R.C.E, resulta que ambas válvulas están abiertas a la vez durante un cierto tiempo o giro cigüeñal, llamado CRUCE DE VÁLVULA O SOLAPO.
Los gases quemados a su salida por el conducto de escape y debido a la inercia que llevan, ayudan a entrar a los gases frescos y no se mezclarán debido a que las densidades de los gases frescos y la de los gases quemados son diferentes.
Un motor revolucionado tendrá más ángulo de solapo que otro menos revolucionado.
Momento de inflamación de la mezcla (A.E)
También existe un avance al encendido (A.E) o a la inyección en los diesel. Esta cota de avance al encendido, indica los grados que le faltan al volante en su giro, para que el pistón llegue al P.M.S y salte la chispa en la bujía teniendo en cuenta la duración de la combustión. La combustión se realiza de una forma progresiva, ya que la mezcla arde por capas en los motores de explosión y por otra parte, existe un retardo a la ignición de la combustión en los motores Diesel. El valor de este ángulo, dependerá de las revoluciones de cada motor y en cada momento. Estos ángulos de reglaje son fijados por el fabricante para conseguir el máximo rendimiento.
Estos desfases en la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape, en relación con los puntos muertos del pistón, se conocen con el nombre de “Cotas de Reglaje”, que son fijadas por los fabricantes para cada tipo de motor.
En la , se representa el diagrama de distribución con cotas de reglaje.
Motor de dos tiempos
En los motores de dos tiempos, el ciclo completo se realiza en dos carreras del pistón, correspondientes a una vuelta del cigüeñal.
El motor dispone generalmente de lumbreras, aunque puede tener válvulas.
Estos motores carecen de sistema de distribución.
El engrase se realiza por mezcla de gasolina y aceite en la proporción de un cinco por ciento, aproximadamente.
La refrigeración es por aire sobre todo en los motores de pequeña cilindrada, aunque también la puede ser por líquido.
Los principales inconvenientes de estos motores son:
o Menos rendimiento térmico. Menos potencia en igualdad de cilindrada.
o Lubricación y refrigeración irregular.
o Más ruidos.
o Más posibilidad de gripaje.
o Mayor consumo específico.
o Fácil creación de carbonilla.
TEMA 3
EL MOTOR DIESEL DE CUATRO TIEMPOS
1 Características del motor diesel de cuatro tiempos
El motor Diesel funciona por el principio del autoencendido o autoignición, en el que la mezcla aire-combustible arde por la gran temperatura alcanzada en la cámara de compresión, por lo que no es necesaria la chispa como en los motores de explosión. A continuación se explica el proceso.
En cuanto el combustible frio contacta con el aire que se encuentra a gran temperatura, comienza a elevarse su temperatura, formándose vapor alrededor de cada una de las gotas. El aire circundante se enfría y toma calor de la masa de aire comprimido, transmitiéndolo nuevamente a la gota de combustible que vuelve a calentarse hasta alcanzar su temperatura de inflamación. Cuando esto ocurre, comienza la combustión y el calor producido se pasa a toda la masa de aire y combustible restante, produciéndose su inflamación.
El tiempo que transcurre entre la entrada de las primeras gotas y el inicio de la combustión se llama retardo a la inflamación, el cual representa el tiempo de giro del cigüeñal que transcurre entre el comienzo de la inyección y la inflamación del combustible.
Durante este periodo se está inyectando combustible de forma contínua.
Este fenómeno produce un picado particular, parecido a la detonación en los motores de gasolina, que aumenta a medida que lo hace el retardo a la inflamación.
Para reducir este fenómeno es necesario que la combustión se inicie con el menor intervalo de tiempo respecto a la inyección, por lo que se usa un combustible con un alto grado de cetano así como una buena pulverización del mismo, con relaciones de compresión elevadas y cámaras de alta turbulencia.
Existen dos tipos de cámaras: de inyección directa e inyección indirecta.
a). Cámaras de inyección directa.
La inyección se realiza directamente en el cilindro, con alojamientos especiales en la cabeza del pistón que varían en su forma, para actuar como cámara de turbulencia y ayudar a la vaporización del combustible. La más usual es la de forma toroidal, que es una cavidad circular normalmente simétrica en el centro de la cabeza del pistón, con un pequeño cono en centro y apuntando hacia arriba.
Cualquiera que sea el tipo de cavidad, debe estar adaptada al inyector presente, que se monta en posición vertical o ligeramente inclinada sobre la culata, formando un ángulo preciso.
Dicho inyector contará con varios orificios de vertido del combustible, estando adaptado también al diseño de la cámara de combustión.
Dado que el grado de turbulencia es bajo, las relaciones de compresión son muy elevadas, del orden de 15:1 a 20:1, con lo que se consiguen grandes presiones y temperaturas y que hacen necesaria también una gran presión de la inyección.
Es un motor con poca pérdida de calor a través de las paredes, con lo que los arranques en frio se ven mejorados.
b). Cámaras de inyección indirecta.
En esta disposición la combustión se desarrolla en dos cámaras, una de ellas la de turbulencia que normalmente es esférica, y que desemboca en la principal, que está constituída por el espacio comprendido entre el pistón y la culata.
La cámara de turbulencia representa los dos tercios del volumen total de la cámara de combustión.
En estas cámaras la presión de inyección es menos elevada, ya que la turbulencia creada en la precámara ayuda a la pulverización del combustible.
Esto se traduce en un funcionamiento del motor más suave y con menos sufrimiento para los distintos órganos que lo forman, ya que el paso de la combustión de una cámara a otra hace que la fuerza sobre el pistón se aplique de una forma más progresiva.
Dadas las elevadas compresiones que se alcanzan en estos motores y el gran calor que desarrollan, los componentes que los forman están más reforzados y son más pesados que sus equivalentes de un motor de gasolina, por lo que estos motores son menos revolucionados, pero con una mayor disponibilidad de par motor a pocas revoluciones. Sus sistemas de refrigeración están más estudiados y cuidados que otros motores.
2 Constitución del motor diesel
Sistema de alimentación en los motores Diesel.
Es el encargado de suministrar el combustible necesario para el funcionamiento del motor, pudiéndose diferenciar dos apartados fundamentales:
a). Circuito de alta presión, encargado de impulsar el combustible a una presión determinada para ser introducido en las cámaras de combustión.
b). Circuito de baja presión, encargado de enviar el combustible desde el depósito en que se encuentra almacenado a la bomba de inyección.
El circuito quedaría formado así:
- Depósito de combustible.
- Bomba de alimentación.
- Filtro.
- Bomba de inyección.
- Inyectores.
Este sería el funcionamiento de dicho circuito:
La bomba de aspiración succiona combustible del depósito a través de una rejilla filtrante, que se encuentra en el extremo del tubo de aspiración. Este combustible llega a través de un primer filtro que elimina las impurezas más gruesas que lleva en suspensión el gasóleo. Después la bomba lo mandaría al filtro del combustible y de ahí pasaría a la bomba de inyección, que lo mandaría a los inyectores.
La bomba de alimentación normalmente trabaja con presiones entorno a 1 o 2 Kg/cm2. y en cantidad suficiente, siendo una válvula de descarga la que regula dichas presiones, teniendo una canalización de retorno para el combustible sobrante que va de vuelta al depósito.
Esta bomba suele contar con una pequeña bomba manual de cebado, que usa el mismo circuito y que sirve para purgar y llenar las canalizaciones de combustible.
Si la bomba de inyección es de elementos en línea, la bomba de alimentación normalmente irá acoplada a ella, recibiendo el movimiento del árbol de levas de la propia bomba de inyección.
En este caso la bomba normalmente sería del tipo de pistón con muelle antagonista y rodillo, alojados en un cilindro.
También contaría con válvulas de entrada y salida del combustible.
Si la bomba de inyección fuese rotativa ya incorporaría su propia bomba de alimentación.
La bomba de inyección suministra el combustible necesario a presión a los distintos cilindros, a los que pasa a través de los inyectores, que lo pulverizan.
Desde ellos, el sobrante que no entra en los cilindros se hace retornar por los conductos de rebose.
En el circuito de alta presión, los tubos entre la bomba de inyección y los inyectores se fabrican siempre de acero, a causa de las altas presiones que alcanza el combustible durante el funcionamiento del motor.
Para asegurar el ajuste correcto de cada cilindro y una capacidad de inyección uniforme para todos ellos, los tubos deben tener la misma longitud entre sí, ya que el cambio de longitud altera el punto de inyección de un cilindro respecto a los demás.
El filtrado del combustible.
El petróleo bruto contiene una gran cantidad de impurezas que no se eliminan por completo en el proceso de destilación. Dichas impurezas suelen estar constituidas principalmente por azufre, asfaltos y silicatos, que se presentan en forma de partículas muy duras y cuya densidad les permite mantenerse en el líquido durante cierto tiempo.
Por otra parte, y debido al uso y al paso del tiempo, el depósito de combustible puede almacenar polvo, arenas o partículas metálicas.
Por ello es esencial eliminar dichas suciedades, ya que al pasar por los diversos órganos del sistema de inyección producen una acción de esmerilado que acelera sobremanera el desgaste, con lo cual dichos componentes quedan inutilizados.
He aquí la necesidad de una escrupulosa limpieza del combustible hasta conseguir separar todas las impurezas que lleva consigo, al menos las que sean superiores a una milésima de milímetro.
Los encargados de cumplir esta misión son los filtros de combustible, que se emplazan entre la bomba de alimentación y la de inyección.
El elemento filtrante suele estar constituido por una especie de cartucho de papel poroso de celulosa especial o fieltro, impregnado de una sustancia que normalmente suele ser resina fenólica, que tiene la propiedad de absorber el agua que pueda contener el combustible, procedente de la condensación, que puede atacar a las superficies metálicas del sistema de inyección, oxidándolas y deteriorándolas.
Dada la gran importancia que tiene el sistema de filtrado en un motor Diesel, se hace necesaria la reposición de los cartuchos filtrantes periódicamente, cada 15.000 km aproximadamente.
La disposición del filtro es la siguiente:
El cartucho filtrante se fija a la cabeza del filtro por medio de un tornillo pasante, que se rosca en la cubeta. Este cartucho queda acoplado por la parte superior e inferior por sendos anillos de caucho.
El combustible circula desde la boca de entrada, a través de la materia filtrante, hasta el fondo de la cubeta, desde la cual sube por el conducto central para salir por el conducto superior hacia la salida.
En la cubeta hay un tornillo de vaciado para su limpieza de las impurezas depositadas.
Algunos filtros disponen en su cubeta inferior de un sensor capaz de detectar el agua contenida en ella, que ha sido retenida por la materia filtrante.
Dicho sensor es del tipo de sonda capacitiva, que dispone de dos puntas o electrodos separados y conectados a través de un circuito electrónico a una lámpara de control.
Ya que el agua tiene una densidad mayor que el gasóleo, cuando se acumula lo hace en el fondo, por lo que al detectar los electrodos el cambio de densidad se enciende la lámpara de control
El gasóleo utilizado en los motores de automoción tiene un alto contenido de ceras que pueden cristalizar cuando la temperatura ambiente desciende de -4º C aproximadamente. Dichos cristales obstruyen los conductos de paso del combustible del circuito de alimentación, provocando fallos en el funcionamiento del motor e incluso la imposibilidad de arrancar al mismo.
Esto hace que existan aditivos que se añaden al combustible en invierno, para evitar estos depósitos de cera, aunque a temperaturas extremadamente bajas no pueda evitarse la acumulación de pequeños tapones de cera ( parafinado ).
Por esta razón algunos filtros están dotados de un sistema de caldeo consistente en una resistencia eléctrica que rodea el cartucho filtrante o una placa sumergida en el propio filtro y que calienta el combustible cuando pasa.
En algunas ocasiones el filtro incorpora una pequeña bomba de cebado de pistón, emplazada en la cabeza del filtro, junto a un tornillo de purga situado en el conducto de salida. En otros casos puede ser del tipo membrana y tener una implantación similar a la anterior.
Sistema de inyección.
Para realizar la combustión es necesario inyectar una determinada cantidad de combustible finamente pulverizado en la cámara de combustión, en la cual se encuentra el aire comprimido y caliente. Dicha misión está encomendada a los inyectores, que reciben el combustible de la bomba de inyección.
El combustible debe ser inyectado en la cámara de combustión en forma bien definida, pues el correcto funcionamiento de un motor Diesel depende en gran parte de una inyección correcta. Las condiciones esenciales son:
· Suministrar a cada cilindro y en cada ciclo la cantidad de combustible justa, adecuándola a las condiciones de marcha del motor.
· Iniciar la inyección en el momento preciso, de forma que la combustión se realice de forma correcta y por completo, variando el punto de inyección a medida que el régimen de giro del motor y las condiciones de carga varían
· Pulverizar el combustible, de forma que se reparta en minúsculas gotas para facilitar su inflamación.
· Dar a esas gotas la suficiente capacidad de penetración en la cámara donde se encuentra el aire comprimido.
· Difundir de manera uniforme las partículas de combustible en el aire de la cámara de combustión.
Los elementos encargados de cumplir estas necesidades son la bomba de inyección, que se encarga de dar combustible a cada inyector en el momento oportuno y a la presión requerida, en una cantidad determinada para cada condición de funcionamiento del motor, y los inyectores, que pulverizan el combustible en el interior de las cámaras de combustión de forma uniforme sobre el aire comprimido que las llena.
Los tipos de bomba de inyección empleados en el mundo del automóvil se dividen en dos grupos:
· Bombas de elementos en línea.
· Bombas rotativas.
Bomba de inyección de elementos en línea.
En esta bomba se dispone un elemento de bombeo para cada cilindro, de carrera total constante y de carrera de trabajo variable.
Los elementos de esta bomba se alojan en una carcasa y reciben movimiento del árbol de levas de la propia bomba, a través de un impulsor de rodillo.
Dicho árbol de levas gira a la mitad de vueltas que el cigüeñal, para que se produzca una inyección por cilindro cada dos vueltas del cigüeñal. Cada una de las levas acciona un taqué, que gracias a un rodillo se aplica contra la leva, obligado por un muelle. El empujador a su vez acciona el émbolo en el interior del cilindro, que recibe el gasóleo a través de varias canalizaciones.
Ahora se procederá a explicar cada una de sus partes:
a). Elemento de bombeo: está constituido por un pistón y un cilindro. Cada cilindro está comunicado con la tubería de admisión por medio de unas lumbreras y con el de salida por medio de una válvula, que es mantenida por un muelle tarado.
En su parte superior, el pistón tiene un rebaje que comunica con la cara superior por medio de una rampa helicoidal y una ranura.
El comienzo de la inyección se produce siempre para la misma posición del pistón, pues a medida que va subiendo la presión crece en el interior del cilindro. Cuando esta presión excede la fuerza que hace el muelle, se abre la válvula de retención y el combustible pasa al circuito de inyección.
Mientras el combustible no salga por el inyector, la presión irá subiendo en toda la canalización a medida que el pistón suba, y llegado el momento en que se produzca la apertura del inyector la presión en el interior del cilindro caerá bruscamente, cesando el suministro de combustible.
Con esto se deduce que la cantidad de gasóleo inyectado depende de la carrera del pistón, por lo que modificando dicha carrera se varía la cantidad de combustible a inyectar.
Para modificarla se usa la cremallera de control que al ser movida en un sentido o en otro varía la carrera del pistón, consiguiendo posiciones de suministro parcial, suministro nulo y suministro máximo.
En algunas bombas de inyección se montan unos elementos llamados de agujero único, los cuales disponen en los cilindros de una sola lumbrera, al mismo tiempo que el émbolo sustituye la ranura vertical por un taladro axial y la rampa helicoidal por una sesgada y recta. De todos modos, el funcionamiento es similar al sistema anterior.
b). Válvula de retención: es la encargada de abrir el paso del combustible que sale del cilindro camino del inyector, al presionar sobre su cara inferior.
Tan pronto como la rampa helicoidal del émbolo descubre la lumbrera de comunicación con la galería de alimentación, desciende la presión en la cámara de impulsión produciéndose el cierre en la válvula de retención.
De esta forma consigue mantener una cierta presión residual en la canalización que va al inyector, mejorando una inyección posterior al ser ésta más rápida.
Para cumplir su cometido debe asegurarse una perfecta estanqueidad entre la válvula de retención y su asiento, disponiéndose para este fin una superficie cónica de apoyo en la válvula, que es presionada con fuerza por la acción del muelle antagonista y la presión reinante en la canalización de impulsión hacia el inyector.
c). Cremallera de control: es la encargada de modificar los tiempos de inyección del combustible. Esta cremallera es movida por el pedal del acelerador a través de una palanca y su desplazamiento modifica la posición de la rampa helicoidal de los pistones.
Para transmitir este movimiento usa un sector dentado en cada elemento, que es actuado por la cremallera. La posición que esta toma por la posición del acelerador puede variar por el mando regulador, como se verá más adelante. Una de ellas es la posición de paro, que corta el suministro de combustible a los inyectores.
El recorrido máximo de la cremallera está limitado por un tope ajustable, al que se conoce como tope de emisión de humos y se dispone en la carcasa de la bomba.
d). Árbol de mando: generalmente fabricado en acero al níquel, dispone de tantas levas como cilindros el motor. Dichas levas las tiene labradas.
El resalte de cada una de ellas está mecanizado de tal manera que la secuencia de las inyecciones en los distintos elementos de bombeo se produzca en el orden adecuado.
El árbol de levas se apoya en sus extremos, en dos cojinetes de rodillos o bolas y a él se acoplan el regulador y el variador de avance en el extremo opuesto. A través de este mecanismo recibe movimiento del motor, desde los piñones de la distribución concretamente.
e). Regulador de velocidad: su instalación es necesaria para evitar que el motor sobrepase un nivel máximo de revoluciones, ya que sería peligroso alcanzar ciertos regímenes de giro, sobre todo en los motores Diesel.
En las aplicaciones automovilísticas se emplean los reguladores mecánicos de máxima y de mínima.
La cremallera de control está enlazada a la biela de mando del acelerador por medio de un sistema de palancas, al que se acopla también el mecanismo regulador, emplazado sobre el árbol de mando de la bomba. Este regulador está constituido por unos contrapesos, que debido a la fuerza centrífuga tienden a desplazarse al exterior cuando giran, contra la oposición de los muelles.
Si el motor gira a ralentí, los contrapesos tienden a separase, venciendo la acción del muelle exterior, que se comprime un poco. Inmediatamente después entran en acción los muelles de máxima, que impiden que las masa continúen separándose, manteniéndose en esta posición hasta que se alcanza la velocidad máxima.
Las pequeñas variaciones hacen que las masas se separen o se junten, variando la carrera de los elementos la cremallera y variando a su vez el caudal inyectado, manteniendo un ralentí estable.
La acción de los muelles de velocidad máxima impiden que el giro del motor en ralentí sea excesivo.
Se deduce que el regulador solo actúa con el fin de conseguir un ralentí estable y no sobrepasar un máximo de revoluciones.
f). Variador al avance a la inyección: es un sistema que hace que la bomba comience a inyectar combustible un poco antes del momento indicado, como haría un avance del encendido en los motores de gasolina.
El dispositivo se monta sobre el árbol de mando y actua adelantando el giro de éste al del motor.
Consta de un plato con unos contrapesos que se sujetan al susodicho con unos muelles.
Cuando por la velocidad de giro se produce la separación de las masas, se provoca un desplazamiento angular de la leva de sujeción con respecto al cuerpo del variador. Este desplazamiento está en función directa del régimen de giro del motor y es transmitido al eje de levas de la bomba de inyección, en la cual se produce con esta acción un avance a la inyección.
Al descender la velocidad se vuelven a juntar los contrapesos disminuyendo el avance.
Bomba de inyección rotativa.
Este tipo de bomba comienza a surgir en los años 60, ya que son más adecuadas para motores de pequeña cilindrada y elevado régimen de giro, como los de los turismos, quedando las bombas lineales relegadas a los motores de aplicación industrial o agrícola, o a motores de vehículos pesados.
Este tipo de bomba presenta las siguientes ventajas respecto a la bomba de elementos en línea convencional:
· Menor peso.
· Caudales inyectados rigurosamente iguales para todos los cilindros.
· Velocidad de rotación elevada.
· Menor precio de costo.
· Menor tamaño.
· Mayor facilidad de acoplamiento al motor.
Estas bombas suelen incluir la bomba de alimentación en su cuerpo.
Bomba rotativa Bosch.
Dispone de un solo elemento de impulsión para todos los cilindros del motor. Se procede a detallar su estructura:
Sobre el árbol de mando se dispone la bomba de transferencia, que es del tipo de paletas, que en su giro aspira el combustible desde el depósito, para enviarlo a presión hasta el variador de avance y al interior del cuerpo de bomba. La presión de impulsión está regulada por la válvula, que vierte el combustible sobrante al lado de aspiración de la bomba.
Desde el interior del cuerpo de bomba, el combustible pasa al cuerpo de bombeo a través del conducto que desemboca por debajo de la electroválvula. En este cuerpo, el émbolo somete al combustible a una elevada presión, para hacerlo salir en el momento adecuado hacia el inyector correspondiente, a través de la válvula de retención.
La válvula electromagnética corta la alimentación de combustible hacia el cuerpo de bombeo en la parada del motor.
El movimiento de rotación del émbolo de bombeo se logra por medio de un enlace estriado con el árbol de mando. El desplazamiento del mismo en el interior de la cabeza hidráulica lo proporcionan las levas o salientes del plato, que gira solidario con el eje de mando del émbolo, mientras que los rodillos del plato permanecen quietos.
De esta manera, cada vez que se presenta un saliente al rodillo, es empujado el plato de levas hacia la derecha, contra la acción del muelle, que tiende a aplicarlo contra el rodillo. El acoplamiento estriado permite este deslizamiento.
Con esta transmisión de movimiento, el émbolo se desplaza en el interior de la cabeza hidráulica hacia adelante y hacia atrás, al mismo tiempo que gira en su interior. Con ello se consigue bombear el gasóleo hacia los inyectores, como se verá posteriormente.
El tope de caudal determina el final de la inyección, poniendo en comunicación la cámara de bombeo con el cuerpo de bomba al final del recorrido de compresión del émbolo. Este tope es movido por unas palancas, que son gobernadas por el regulador y la palanca del acelerador.
El regulador centrífugo dispone de unos contrapesos que en función de su desplazamiento por la fuerza centrífuga, determinan la posición del manguito desplazable, que a su vez posiciona la palanca y, con ella, el tope de caudal, determinando así la duración de la inyección y el caudal inyectado. Este sistema está accionado por un piñón, que engrana con otro que forma parte del árbol de mando de la bomba.
El sistema de avance de la inyección es del tipo hidráulico. Dicho avance depende de la presión a la que es enviado el combustible por la bomba de transferencia, que es proporcional al régimen de giro del motor.
En la parte superior de la bomba se encuentra el regulador, que en estas bombas es de tipo centrífugo y que es movido por el piñón del árbol de mando.
El mecanismo regulador actúa por medio de una serie de palancas sobre el tope de regulación, que determina el final de la inyección en el émbolo por medio del vertido del caudal.
Este conjunto se cierra con una tapa, en la que se monta la palanca de mando del acelerador y el tornillo tope de caudal.
El árbol de mando se acopla al motor por medio de un chavetero en el que se monta un piñón que es movido por la correa dentada del sistema de distribución, colocándose la bomba en el bloque motor próxima al sistema. Este acoplamiento se realiza de manera que la bomba gire al mismo régimen que el árbol de levas del motor.
Bomba rotativa CAV.
En estos modelos de bomba rotativa, el rotor distribuidor está dotado de un elemento de bombeo único, compuesto por dos émbolos de carrera opuesta. Un conjunto de rodillo-zapata, movido por el relieve interior de un anillo de levas fijo acciona los émbolos.
El volumen de combustible adecuado a las condiciones de marcha del motor es distribuido a cada uno de los inyectores en el orden preciso y en el instante deseado, por medio de un sistema de orificios taladrados en el rotor y el cabezal hidráulico, dosificado con exactitud a su llegada al dispositivo de bombeo.
La bomba está dotada de un regulador mecánico centrífugo y un variador del inicio de la inyección, que actúan del modo ya conocido en los otros tipos de bomba rotativa.
En la bomba CAV, el elemento de bombeo está situado dentro de un orificio transversal, en un eje rotativo central que actúa como distribuidor y que gira dentro de la cabeza hidráulica.
Los émbolos son accionados por lóbulos situados en el interior de la corona de levas.
La implantación en el motor y el sistema por el que recibe el movimiento del motor es igual al de las bombas rotativas Bosch.
En estas bombas se suele utilizar un regulador de tipo mecánico, accionado por la fuerza centrífuga, que actúa sobre la válvula dosificadora para ajustar con precisión el caudal inyectado.
La fuerza centrífuga actúa sobre los contrapesos, de forma que se separen y desplacen la palanca de control, que es la que actúa sobre la válvula dosificadora para modificar el caudal de gasóleo inyectado.
El sistema que varía el avance de la inyección es igual al empleado en las bombas rotativas Bosch.
Además de estos sistemas, las bombas CAV disponen de otros mecanismos correctores capaces de adecuar convenientemente los caudales de inyección a las distintas fases de funcionamiento del motor Diesel. Entre ellos destacan el sistema de sobrecarga y el de avance con carga ligera.
El primero permite aumentar de forma considerable el caudal en bajas revoluciones del motor, de forma que los arranques en frío se ven mejorados. Esto se consigue aumentando el desplazamiento máximo de los elementos de bombeo mediante el llamado carro de sobrecarga.
El dispositivo de avance con carga ligera tiene por finalidad adecuar el avance a la inyección a las peculiares condiciones de funcionamiento del motor con cargas ligeras y regímenes medios. Este dispositivo está integrado en el sistema convencional de avance y es gobernado por una válvula emplazada en el cabezal hidráulico y activada por la palanca del acelerador, de manera que en las posiciones de ésta para ralentí o carga ligera, permite el paso de la presión de transferencia hacia el dispositivo de avance, activándolo ligeramente para adecuarlo de forma conveniente a estas condiciones de funcionamiento del motor.
Los inyectores.
Para lograr una buena combustión, es necesario que el combustible sea inyectado en el interior del cilindro muy finamente pulverizado, con el objetivo de lograr una mejor y más rápida combustión.
El inyector es el elemento que cumple los requisitos necesarios para conseguir la pulverización del combustible en la medida idónea y distribuirlo uniformemente por la cámara de combustión. Es por eso que sus características dependen del tipo de cámara en que esté montado.
El inyector, cualquiera que sea su tipo, se fija a la cámara de combustión por medio del portainyector, que está formado por un cuerpo al que se acopla el inyector en sí, o como también se le llama, tobera. Éste último lo compone el cuerpo y la aguja.
Una tuerca es la realizada de fijar la unión.
En el interior del cuerpo se aloja la varilla, aplicada contra la aguja por la acción del muelle, cuya fuerza es regulable por medio del tornillo y la contratuerca.
Su funcionamiento es el siguiente: el combustible llega al portainyector por una canalización que llega de la bomba, y pasa al inyector a través de un conducto lateral. El sobrante de combustible circula alrededor de la varilla empujadora, lubricándola, para salir por la canalización que lo lleva al depósito de combustible por el circuito de retorno.
En la parte superior del portainyector se encuentra el sistema de reglaje de la presión de tarado del inyector. Dicha presión puede variarse actuando sobre el tornillo que actúa contra el muelle.
El sistema se encuentra protegido por un tapón.
Debe comprenderse que las superficies de unión del inyector al portainyector deben tener un mecanizado perfecto, pues si no fuese así se producirían fugas de combustible, lo cual reduciría el caudal inyectado y haciendo que el motor funcione de forma defectuosa.
El inyector en sí está formado por dos partes, aguja y cuerpo. Estas dos piezas están apareadas y presentan un juego de acoplamiento del orden de 2 a 4 micras. El cuerpo lleva un taladro en el que se aloja la aguja, que en su parte inferior está provista de dos superficies cónicas, de las cuales una apoya en un asiento formado en el cuerpo y la superior, que es la que recibe el empuje del líquido que provoca el levantamiento de la aguja.
Alrededor del cono se forma una cámara, a la que llega el combustible a presión por un conducto procedente de la bomba de inyección. La salida del combustible se realiza por un orificio.
El portainyector se fija al la culata en la cámara de combustión, por medio de una brida, o bien roscado a ella.
En los dos tipos, el inyector acopla en su alojamiento de la culata con interposición de unas juntas de estanqueidad con forma de arandela, de las cuales una se sitúa en la punta de la tobera haciendo asiento en el alojamiento de la culata, y la otra en el portainyector.
Ambas juntas de estanqueidad deben ser sustituidas cada vez que se desmonte el inyector, ya que de no sustituirse podrían no hacer un acople correcto, por estar deformadas o adaptadas al inyector anterior.
Debido a las diferentes cámaras de combustión utilizadas en los motores Diesel, la forma, fuerza de penetración, y pulverización del chorro de combustible proporcionado por el inyector están adaptados a las condiciones específicas del motor. De esta manera, se distinguen dos tipos esenciales de inyectores:
· De orificios.
· De tetón o espiga.
El de orificios está desarrollado para motores de inyección directa, mientras que el de tetón tiene varias versiones, cada una de las cuales está diseñada para una función concreta, y no funcionará de manera satisfactoria si se emplea en otra aplicación distinta.
Los inyectores de tetón o espiga se utilizan sobre todo en motores de inyección indirecta, es decir, en motores con precámara de inyección. En este tipo de tobera, la aguja está provista en su extremo de un tetón con una forma predeterminada ( cilíndrica o cónica ), que posibilita la formación de un prechorro, de manera que al comienzo de la abertura se deja un pequeño espacio en forma de anillo que deja salir muy poco combustible, haciendo una especie de efecto estrangulador. A medida que se agranda la abertura, por aumento de la presión de inyección, la sección de paso aumenta, hasta que hacia el final de la carrera de la aguja se inyecta la dosis principal de combustible.
En la actualidad, y gracias al avance de los distintos materiales, algunas piezas de los inyectores son realizadas en material plástico, aunque en zonas donde la presión no sea un peligro para su integridad.
También se siguen fabricando inyectores completamente metálicos.
Dispositivo de ayuda al arranque.
Dadas las características de funcionamiento de un motor Diesel, en donde el gasóleo inyectado debe inflamarse al contacto con el aire caliente encerrado en la cámara de combustión, se comprende que en condiciones de motor frío el arranque presente ciertas dificultades, pues en estas condiciones una parte importante de la temperatura alcanzada por el aire en la fase de compresión es evacuada por las paredes de la cámara, empeorando las condiciones para obtener una buena combustión. Por este motivo se han desarrollado los dispositivos de ayuda para el arranque, que consisten en dispones unos calentadores o bujías de precalentado en la cámara de combustión, que se hacen funcionar en condiciones de motor frío.
Las bujías de precalentado se atornillan a la cámara de combustión en alojamientos adecuados de la culata y proporcionan calor adicional al aire allí encerrado durante la compresión.
El elemento calefactor se implanta en la punta del calentador y queda posicionado en su montaje en la zona más apropiada de la cámara de combustión, que es junto al inyector.
En algunos motores se implantan los calentadores en el colector de admisión, calentando el aire que se introduce en el cilindro.
Puede haber varios calentadores en un motor, incluso uno solo ( que estaría en el colector de admisión ), pero la disposición más normal es de uno por cilindro.
Constan de un cuerpo metálico provisto de una rosca, para su acoplamiento a la culata. En el interior del cuerpo se aloja un elemento térmico, en forma de tubo, en cuyo interior se sitúa la resistencia eléctrica de caldeo, a la que se hacer llegar la corriente eléctrica a través de la espiral de conexión, desde el borne de conexión, al que se fija el cable eléctrico por medio de una tuerca. El paso de la corriente eléctrica por la resistencia hace que ésta se ponga incandescente calentando la funda metálica que la rodea, la cual transmita el calor a la cámara de combustión, donde está alojada.
La conexión eléctrica de las bujías de precalentado se realiza a través de una central temporizada, que suministra la energía eléctrica en intervalos bien determinados. Cuando se acciona la llave de contacto, la central permite el paso de corriente hasta los calentadores durante un tiempo aproximado de 30 segundos, antes de efectuarse el arranque, encendiéndose al mismo tiempo la luz testigo en el tablero de instrumentos, que advierte al conductor de que se está realizando el calentamiento previo al arranque. Transcurrido este tiempo, la luz se apaga, indicando al conductor que ya se puede efectuar el arranque.
Posteriormente, ya con el motor en marcha, la central electrónica suministra una corriente pulsatoria a los calentadores, que siguen funcionando todavía a intervalos durante un cierto tiempo, necesario para lograr un rápido calentamiento del motor.
De esta manera se consigue una importante mejora de la combustión del combustible con el motor frío.
Esta segunda fase de funcionamiento se prolonga hasta aproximadamente dos minutos después de haber realizado el arranque del motor.
La caja electrónica de temporización recibe la corriente directamente de la batería, a través de un borne provisto de un fusible, y recibe la señal de activación a través del borne de llegada del motor de arranque.
La temporización que establece esta caja electrónica está determinada por su circuito interno en este caso.
En otras aplicaciones la estrategia de mando de las bujías de precalentado se establece en función de diversos parámetros, como son la temperatura del motor, la temperatura ambiente, las condiciones de carga del motor ...
Control electrónico de la inyección Diesel.
La inyección electrónica Diesel puede ser dividida en tres bloques: los sensores, la unidad de mando y control y los elementos actuadores.
Los sensores registran las condiciones operativas del motor y transforman diversas magnitudes físicas en señales eléctricas. Un sensor integrado directamente en el portainyector capta el comienzo de la inyección registrando el movimiento de la aguja, que reproduce el momento de la inyección.
La presión en el colector de admisión es detectada por un sensor manométrico, que envía la correspondiente señal a la unidad de control, al igual que las de los otros sensores.
El captador de régimen motor y posición es de tipo inductivo, similar al que se dispone en los sistemas de inyección electrónica de gasolina, funcionando de la forma ya conocida.
Para la medida de la masa de aire aspirado se utiliza un caudalímetro, que incorpora una sonda de temperatura cuya señal corrige la del caudalímetro adecuándola en función de la temperatura del aire aspirado.
La temperatura del motor es medida a través de una termistancia emplazada en el bloque motor, en contacto con el líquido de refrigeración.
La posición del pedal del acelerador es detectada por un sensor potenciométrico, que incorpora un interruptor para captar la posición de reposo que sería la que correspondiese al ralentí.
En la bomba de inyección se incorpora una sonda de temperatura del gasóleo y un potenciómetro que detecta el recorrido del tope de regulación de caudal.
Todas las señales de los diferentes sensores son enviadas a la UCE, que es la unidad de control electrónico, estructurada en técnica digital, que contiene varios microprocesadores y unidades de memoria.
En la unidad de control se procesa la información y se calculas las magnitudes de las señales de salida de conformidad con las características almacenadas en la memoria.
Dicha UCE suele estar en el habitáculo de los pasajeros para estar más protegida de los agentes externos.
En ella hay memorizados diferentes campos característicos que actúan en dependencia de diversos parámetros, como la carga del motor, el régimen, la temperatura del motor, caudal de aire...
Los circuitos electrónicos están protegidos contra perturbaciones de la red del vehículo en forma de picos de tensión o interferencias. Cualquier anomalía de funcionamiento detectada queda grabada en la memoria y puede ser leída posteriormente a través del conector de diagnóstico.
En los casos de avería, la UCE establece un funcionamiento en fase degradada del motor que permite circular con el vehículo hasta el taller más próximo.
Desde la UCE se maneja también la caja de precalentado.
Las señales eléctricas de salida de la UCE son transformadas por los distintos actuadores en magnitudes mecánicas.
De los diversos actuadores podemos citar por su importancia la válvula de reciclado de los gases de escape y la válvula reguladora de la presión del turbo, ambas de tipo electromagnético.
En la bomba de inyección se sitúan la válvula de corte de suministro del combustible y los dispositivos electromagnéticos de corrección del avance de la inyección y del caudal de inyección.
Las funciones de regulación de caudal y avance de la inyección pueden ser gobernadas por medios electrónicos, mediante los cuales se optimiza la cantidad de gasóleo inyectada, adaptándola exactamente a las necesidades de la marcha del motor.
La incorporación de estos dispositivos electrónicos a las bombas de inyección de los motores Diesel conlleva una serie de ventajas fundamentales que permiten reducir notablemente los consumos de combustible y los niveles de emisión de gases contaminantes, por cuyas causas se han desarrollado y aplicado masivamente a las bombas de inyección.
El caudal de combustible inyectado influye notablemente sobre el arranque del motor, la potencia y el comportamiento de marcha, así como en la emisión de humos. En la UCE se determina el valor de caudal que debe inyectarse, de acuerdo con los datos memorizados en campos característicos y los valores reales medidos por los distintos sensores. De igual manera se determina el punto de inicio de la inyección.
La precisión del comienzo de la inyección está garantizada por un detector de movimiento de la aguja del inyector que capta el comienzo exacto de la misma directamente en el inyector, enviando su señal a la UCE, que la compara con el inicio de inyección programado en su memoria y genera unos impulsos de control que son enviados al sistema de variador de avance, que corrige el punto de inyección en función de las condiciones de marcha del motor.
Bomba rotativa Bosch con gestión electrónica.
Básicamente es igual a uno del tipo convencional, solo que en este modelo se ha sustituido el grupo regulador mecánico de caudal por un sistema electromecánico que realiza las mismas funciones.
El tope de regulación de caudal es similar a las bombas convencionales y funciona de la misma manera, pero ahora está comandado por una unidad electromagnética capaz de posicionar el tope de regulación adecuadamente en función de la cantidad de combustible que se vaya a inyectar.
Para la variación del punto de inicio de la inyección se dispone de una electroválvula, que comandada desde el calculador electrónico regula la presión de transferencia del combustible que se aplica al variador de avance, mediante el cual se hace variar la posición del anillo de levas y con ello del avance de la inyección.
Esta electroválvula funciona comandada por impulsos eléctricos, cuya relación tiempo abierta / tiempo cerrada determina el caudal de paso del combustible y con ello la presión aplicada al variador de avance.
La unidad de regulación de caudal la constituyen un electroimán fijo y un imán permanente rotativo unido a un eje que en su extremo inferior forma la rótula excéntrica acoplada al tope de regulación de caudal.
Por tanto, regulando adecuadamente la frecuencia de los impulsos enviados desde la UCE, se consigue posicionar convenientemente el tope de caudal para adecuar el suministro de combustible a las necesidades del motor en cada una de las condiciones de funcionamiento del mismo.
Bomba rotativa CAV con gestión electrónica.
En las bombas de inyección rotativa CAV, dada la estructura del elemento único de bombeo, los componentes electrónicos de control presentan una configuración y funcionamiento diferentes, aunque ejecutan las mismas funciones.
Para la regulación de caudal se disponen dos electroválvulas controladas por el calculador electrónico y un captador de la posición axial del rotor, cuya señal es enviada al calculador electrónico, de manera que de acuerdo con ella y otras recibidas de distintos sensores en el motor determina la activación de las electroválvulas de regulación del caudal. El sistema variador de avance está gobernado por otra electroválvula controlada también por el controlador electrónico.
En la misma cámara axial del rotor se ubica el captador de posición del mismo, capaz de detectar la posición de éste y, en consecuencia, el caudal de inyección.
En el variador de avance se dispone otro captador, que en este caso detecta la posición de la leva y, consecuentemente, el avance de la inyección.
En las bombas de inyección CAV se suprime la válvula dosificadora convencional y las funciones de dosificación y bombeo las realiza el propio cabezal hidráulico, para lo cual está constituido por una cabeza hidráulica en la que se aloja el rotor distribuidor, que porta los émbolos de bombeo y las zapatas, las cuales presentan una rampa inclinada, que a su vez se aloja en las rampas del eje de transmisión.
El conjunto queda ensamblado en el anillo de levas de forma que los rodillos sigan el perfil de las levas para producir el movimiento de bombeo de los émbolos de manera similar a las bombas convencionales.
Así pues, la dosificación del caudal de inyección se obtiene por la posición axial del rotor, que permite ajustar la apertura máxima de los émbolos de bombeo, que en todo momento está controlada por las electroválvulas de caudal, las cuales reciben impulsos de control desde la UCE, en función de las condiciones de marcha del motor, detectadas por los diferentes sensores.
La posición axial del rotor es detectada por un captador magnético, que consiste en un núcleo unido al rotor que se ubica en el interior de la bobina, modificando la inductancia de la misma, a través de la cual varía la señal que es enviada a la unidad de control, que de esta manera reconoce la posición axial del rotor y, en consecuencia, el caudal real de inyección.
De acuerdo con las condiciones de funcionamiento del motor detectadas por los diferentes sensores, la UCE determina el caudal a inyectar y activa las electroválvulas para situar el rotor en la posición axial que corresponda. El captador de posición detecta esta situación y envía a la Uce la debida información, que la compara con la requerida y, según la necesidad, aplica una corrección abriendo una de las electroválvulas de caudal durante un tiempo determinado para obtener el desplazamiento requerido.
En los sistemas de inyección CAV con control electrónico, el dispositivo de avance de la inyección presenta una estructura similar al de las bombas convencionales, con la incorporación de una electroválvula de control.
Sensores del sistema.
Para adecuar los caudales y el punto de la inyección a las necesidades de la marcha del motor se disponen diferentes sensores en el motor, cuyas señales son enviadas al calculador electrónico, que las procesa para determinar la magnitud de la corriente de mando del regulador de caudal y la electroválvula de avance de la inyección.
Se utilizan generalmente sensores de posición del pedal del acelerador, régimen motor y posición del pistón en el cilindro, presión en el colector de la admisión, temperatura del refrigerante y del aire de la admisión, caudal de aire de admisión y un sensor capaz de detectar el inicio de la inyección, que se ubica en uno de los inyectores.
En la UCE hay memorizados diferentes campos característicos que determinan el avance y el caudal necesarios para cada una de las condiciones de funcionamiento del motor, dependiendo de diversos parámetros como la carga, el régimen, la temperatura del motor y el caudal de aire aspirado.
Gestión electrónica del motor Diesel.
En los sistemas de inyección Diesel con control electrónico, las condiciones de funcionamiento del motor son registradas por sensores, como se ha mencionado anteriormente, que hacen llegar las correspondientes señales eléctricas a la unidad de control.
Tanto estos medidores como la propia central electrónica forman el sistema de control.
A los captadores mencionados deben añadirse los detectores de posición y sensores
incorporados en la propia bomba de inyección y la electroválvula de paro, que también se conectan a la UCE.
A partir de todas estas señales, la UCE activa los diversos actuadores de la bomba de inyección, la caja de precalentado, la electroválvula EGR, el relé de corte del climatizador, la electroválvula de control de la presión de soplado del turbocompresor, si dispone de ella, ...
La lógica del calculador incluye las funciones de control de la inyección, los contaminantes emitidos, las estrategias de marcha del motor, el antiarranque codificado y la autodiagnosis, memorizando algunas posibles averías.
La cantidad de gasóleo inyectado depende de la UCE. Como magnitudes principales para establecerla se utilizan las señales recibidas del caudalímetro, captador de posición del acelerador y el régimen de giro del motor, pero también otros datos, como la temperatura del motor, la del aire de admisión, ..., son susceptibles de modificar el volumen inyectado.
Todos estos factores son comunicados al dispositivo de mando, que transforma estos datos en impulsos eléctricos para el gobierno de los diversos actuadores.
Con el fin de optimizar el comportamiento de marcha pueden tenerse en cuenta otros factores a la hora de dosificar el combustible, como el instante de la aceleración, la marcha en retención del motor o el corte de inyección a un determinado régimen máximo.
Las oportunas señales son reconocidas por la unidad de control, que en función de ellas modifica la señal de mando para el actuador de caudal y el de avance de la inyección.
Si por cualquier causa se detectaran anomalías en el funcionamiento deberían revisarse los siguientes elementos, de forma preliminar:
· Circuito de arranque en buen estado: batería, cableado y motor de arranque.
· Circuito de precalentamiento y sus cables en buen estado.
· Fusibles correctos.
· Existencia de combustible.
· Calidad del combustible.
· Aceite motor en buen estado y nivel.
· Tuberías de combustible en buen estado, que no tengan roturas que produzcan fugas ni estén obstruídas.
· Inexistencia de tomas de aire.
· Circuito de alimentación de aire estanco.
· Filtro de aire limpio.
· Sistema de escape estanco, sin tomas de aire ni fugas.
· Motor en buen estado mecánico, con una compresión correcta, juego de válvulas, calado de la distribución, punto de la inyección, tarado de inyectores, junta de culata ...
Además en todos los casos debe comprobarse que a cada uno de los sensores le llegue la tensión de mando adecuada.
Después se comprobará que las señales emitidas por la unidad de control electrónico sean las adecuadas.
En el caso de las sondas de temperatura, la tensión de salida debe corresponderse con la especificación, y, en cualquier caso, variar en función de la temperatura, lo cual puede ser comprobado a medida que se calienta el motor.
Sistema bomba-inyector con mando electrónico.
Las mayores exigencias que imponen cada día las normativas sobre emisiones sonoras y gases de escape en los motores Diesel, hacen necesario el desarrollo de nuevas técnicas. Por lo que se refiere a los sistemas de inyección directa, una de estas soluciones la constituye el sistema de inyección de alta presión por medio de un inyector bomba con mando electrónico, en el que la bomba, el inyector y una válvula electromagnética constituyen una unidad compacta ubicada en la culata del motor y accionada mecánicamente por una leva adicional del árbol de levas y eléctricamente por la unidad de control.
Este sistema es el que emplea el grupo Volkswagen-Audi en sus motores TDI, que tanto éxito les están reportando.
La implantación de este sistema en el motor se basa en la posición del inyector en la culata, de forma que queda posicionado en el centro de la cámara de combustión que forma el pistón.
En este tipo de inyección el inyector está accionado por un balancín que recibe movimiento de forma directa del árbol de levas.
En el cuerpo del inyector se forma la propia cámara de bombeo, a la cual llega el combustible por unos conductos labrados en la culata, desde los que pasa a la zona de alojamiento del inyector saliendo por el conducto de retorno en dirección al depósito.
La estructura de todos los componentes del sistema de mando es especialmente robusta para poder soportar mejor los esfuerzos a los que estarán sometidos en su funcionamiento, debido en gran parte a las grandes presiones de trabajo.
El sistema bomba-inyector presenta frente a los sistemas de inyección convencionales una serie de ventajas, de las cuales destacan:
· Un diseño compacto.
· Una capacidad de alcanzar mayores presiones de trabajo, que en algunos casos alcanzan los 2.000 bares.
· Disponer de una preinyección separada de la inyección principal.
· Una sonoridad de combustión más reducida.
· Emisiones de gases contaminantes más bajas.
Por el contrario, este sistema también presenta algunos inconvenientes, de los cuales los más importantes son:
· Un diseño complejo de la culata.
· Mayor exigencia de trabajo para el árbol de levas.
· Correa dentada sometida a mayores cargas de trabajo.
El esquema de este sistema sería así: el combustible es aspirado del depósito por una bomba de paletas que es arrastrada por el motor, que lo aspira a través de un filtro, impulsándolo a través de otro filtro hacia la canalización de alimentación de los inyectores- bomba, que está labrada en la culata.
El sobrante no inyectado retorna por otra canalización de la culata hacia la bomba de alimentación, o al depósito directamente.
La bomba de alimentación de combustible es del tipo de paletas y generalmente dispone un lado para la impulsión de combustible y el otro se utiliza como bomba de vacío para generar la depresión necesaria para la activación del servofreno y otros dispositivos.
En el interior de la bomba de impulsión del combustible se ubica una válvula limitadora de presión, tarada normalmente a 7 bares, que es, por tanto, la presión de impulsión del gasóleo para alimentar a los inyectores bomba.
Dicha válvula limitadora de presión se encuentra inmediatamente después del filtro.
En el circuito de retorno del combustible se dispone otra válvula limitadora de presión, tarada esta vez a 1 bar y un conducto de by-pass que facilita la purga de aire en caso de vaciado del circuito.
También en el circuito de retorno se ubican el sensor de temperatura del combustible y un radiador para enfriarlo, ya que sale caliente de los inyectores, en los cuales llega a alcanzar temperaturas del orden de 150º C, que se deben reducir a menos de 80º C antes de verter el combustible nuevamente en el depósito.
El inyector bomba está dividido en tres secciones fundamentales, como son la electroválvula de mando, el cuerpo de bombeo y la tobera.
El émbolo de bombeo es accionado en cada ciclo por leva y balancín contra la fuerza de un muelle antagonista que tiende a mantenerlo en su posición de reposo.
En la acción de bombeo se impulse al combustible contenido en la cámara. La tobera es de diseño análogo al de los inyectores convencionales y se abre por presión, inyectando el combustible finamente pulverizado en el cilindro. Generalmente dispone de cuatro a cinco orificios de salida.
La electroválvula está controlada directamente por la central electrónica, que determina las modalidades de inyección en base a la señal de mando.
Actualmente se emplean inyectores-bomba que efectúan la inyección del combustible en dos fases, realizando en primer lugar una preinyección de duración controlada y luego la inyección principal.
En estos inyectores el llenado de la cámara de alta presión se produce cuando el émbolo se mueve hacia arriba por la fuerza del muelle, aumentando el volumen de esta cámara. En estas condiciones, la electroválvula no es alimentada en corriente y se encuentra en posición de reposo, permitiendo el paso de combustible desde el conducto de alimentación hasta la cámara de alta presión.
Cuando en el giro del motor la leva presenta su saliente al balancín, en émbolo comienza su movimiento descendente y el combustible que se encuentra en la cámara de alta presión es empujado al conducto de alimentación en sentido contrario al de entrada.
En un determinado instante, la UCE activa la electroválvula y su aguja apoya en el asiento cortando la salida de combustible hacia el conducto de alimentación. A partir de ese instante aumenta rápidamente la presión en la cámara de impulsión, transmitiéndose a través del conducto lateral hasta la tobera, cuya aguja que da sometida al empuje que tiende a levantarla. Cuando la presión alcanza los 180 bares, se supera la fuerza del muelle de la tobera y comienza la preinyección.
La carrera de levantamiento de la aguja del inyector está limitada en esta fase de inyección por la formación de un colchón hidráulico. Al alcanzar el émbolo amortiguador el estrechamiento realizado en el cuerpo de la tobera, se dificulta enormemente la subida de la aguja y el combustible que está llegando a la tobera no puede ser desalojado con rapidez.
Como consecuencia de esto, la presión aumenta en la cámara de alta presión y se aplica al émbolo de evasión situado por encima del muelle del inyector. Alcanzado un determinado valor de presión, este émbolo se desplaza hacia abajo contra la fuerza del muelle, desalojando un determinado volumen de la cámara de alta presión, que hace decaer de manera repentina la presión en la misma, con lo cual se produce el cierre de la aguja del inyector, finalizando así la preinyección.
Seguidamente se produce la inyección principal, pues el émbolo de bombeo sigue su carrera descendente impulsado por el balancín y la correspondiente leva.
Con este desplazamiento se produce nueva mente un aumento de la presión en la cámara de alta presión y, alcanzados los 300 bares, la aguja del inyector vuelve a levantarse contra la fuerza del muelle, ahora pretensado debido al descenso del émbolo de evasión, lo que determina una presión de comienzo de inyección más elevada que la anterior.
La presión continúa en aumento durante esta fase de inyección superando los 2.000 bares, debido a que el émbolo de bombeo impulsa una cantidad de combustible mayor de la que puede salir por los orificios de la tobera.
El final de la inyección se produce cuando la UCE corta la corriente de alimentación de la electroválvula y ésta se abre, en cuyo instante el combustible encerrado en la cámara de alta presión escapa a través de la electroválvula hacia el conducto de la alimentación.
El consiguiente descenso de la presión en la cámara como consecuencia de la fuga determina el cierre de la aguja del inyector y el retorno del émbolo de evasión a su posición de reposo.
Cada una de las electroválvulas de los inyectores-bomba está conectada a la UCE, que dosifica el combustible en función de la posición del pedal del acelerador, el régimen del motor y la masa de aire aspirado. La duración de los impulsos para las electroválvulas determina el caudal de inyección, que puede ser corregido en función de la temperatura del motor y otros parámetros, para lo cual, la UCE recibe información de diversos sensores, cuya constitución y funcionamiento son similares a los empleados en los otros tipos de inyección con control electrónico.
El avance de la inyección se establece fundamentalmente por el régimen de giro del motor, aunque puede ser corregido en función de la temperatura y condiciones de marcha del motor.
La regulación de la velocidad máxima y el régimen de ralentí se comandan desde la unidad de control.
En la fase de arranque en frío, cuando uno de los tres sensores de temperatura registra una temperatura inferior a 10º C, se activa el módulo de precalentamiento, que alimenta a los calentadores durante un tiempo, que depende de las condiciones de funcionamiento del motor, como en otros sistemas de inyección.
Las señales recibidas en la UCE procedentes del interruptor del pedal del embrague y del freno permiten establecer una ligera reducción del caudal de inyección para evitar tirones del motor en la marcha.
Una importante característica de los sistemas de inyección con control electrónico de los inyectores-bomba es que permiten una corrección selectiva del caudal por cilindro con la que se logra un funcionamiento más suave del motor en ralentí. La UCE reconoce el rendimiento de cada uno de los cilindros a través de la señal de régimen del motor. Tras cada combustión en cada uno de los cilindros, la UCE registra la aceleración sufrida por el cigüeñal y, si detecta diferencias entre ellas, corrige el caudal de inyección convenientemente para igualar el rendimiento de todos los cilindros.
3 Sobrealimentación de un motor Diesel.
En los motores Diesel el sistema más utilizado para realizar su sobrealimentación es el que utiliza un turbocompresor, ya que es un sistema sencillo, fiable y que mejora las cualidades de funcionamiento del motor además de sus prestaciones. Su funcionamiento no difiere al de los usados en los motores de gasolina.
En algunos motores se utilizaron compresores volumétricos, pero fueron desechados por problemas de desarrollo y su mayor complejidad.
El turbocompresor se compone esencialmente por una turbina y un compresor, montados en el mismo eje. La turbina recibe el movimiento de los gases de escape, que se encuentran a elevada temperatura, y que la ponen en rotación. Al mismo tiempo la rueda del compresor comprime el aire que va a ser introducido en la admisión y posteriormente en los cilindros.
La cantidad y la presión del aire que entra es proporcional a la velocidad de rotación.
El turbocompresor presenta en su funcionamiento grandes ventajas, de entre las cuales destacan:
· Incremento notable de la potencia y el par motor, que puede llegar a un 35% más que el mismo motor en versión atmosférica.
Son motores generalmente más silenciosos, aunque a veces se percibe un silbido, procedente del turbo, en las aceleraciones.
Su rendimiento volumétrico es mayor, con lo que las combustiones son más completas, dando como resultado un consumo mucho más bajo a igualdad de potencia.
La combustión es mucho más eficaz y limpia, con lo que se reducen los gases contaminantes.
En algunos motores, se intercalan intercambiadores de calor entre el turbo y el colector de admisión, con el fin de reducir la temperatura del aire de admisión.
Dichos intercambiadores pueden ser del tipo aire/aire, si el aire se refrigera por la circulación de otros aire, o aire/agua, si se refrigera mediante el paso de un líquido.
Para controlar las presiones de trabajo se coloca una válvula limitadora de presión, o waste-gate, cuya misión es controlar la presión mínima y máxima del turbo, para un mejor funcionamiento.
Dicha válvula es controlada por la UCE.
4 CICLO TEORICO DEL MOTOR DIESEL
Entre los ciclos real y teórico Diesel existen, igual que en el caso Otto, diferencias en la forma y en los valores de las presiones y temperaturas. Algunas de estas semejanzas corresponden a las del ciclo Otto; por ejemplo, las debidas a la variación de los calores específicos, a la perdida de calor y al tiempo de abertura de la válvula de escape.
Otras difieren en parte y son originadas por la disociación y la perdida por bombeo. Por último, una es peculiar del motor Diesel, a saber; la referente a la combustión, la cual no se verifica a presión constante en el caso del ciclo real.
a) Combustión a presión constante. Como se ve en el diagrama indicado, en la práctica la combustión se realiza en tales condiciones, que la presión varia durante el proceso, mientras que en el ciclo teórico habíamos supuesto que se mantenía constante. En realidad, una parte de la combustión se lleva a cabo a volumen constante, y otra parte, a presión constante, casi como en el ciclo Otto real. Tan solo en el caso de los motores muy lentos se desarrolla de forma ligeramente aproximada al proceso teórico.
b) Disociación de los productos de la combustión. En el motor de encendido por compresión, la disociación no tiene un efecto tan importante como en el motor de encendido por chispa, por cuanto el exceso de aire y mezcla de los productos de la combustión son tales, que reducen la temperatura máxima y, en consecuencia, también la disociación de dichos productos.
c) Perdida por bombeo. Las perdidas por bombeo son inferiores a las que se producen n ciclo Otto, puesto que no hay estrangulamiento en el aire de aspiración; en los motores de encendido por compresión no existe la válvula mariposa, característica de los motores de encendido por chispa, provistos de carburador. Por ello, la superficie negativa del ciclo Diesel real es menor que la del ciclo Otto.
Todo cuanto llevamos explicando se refiere a los motores de 4 tiempos. En los de 2 tiempos, bastante difundidos entre los de tipo Diesel resultan importantes la perdida por bombeo y la causada por la interrupción de la expansión antes del P.M.I. para dar lugar al escape. Comprendido en la pérdida por bombeo se debe considerar también el trabajo necesario para realizar el barrido del cilindro del cilindro, que a menudo se efectúa por un compresor.
5 CICLO PRÁCTICO DEL MOTOR DIESEL
El ciclo Diesel, a presión constante consta a su vez de una primera fase, o compresión adiabática del aire puro previamente aspirado; una segunda fase, combustión a presión constante; una tercera fase, o expansión adiabática y una cuarta fase, o descenso brusco de la presión.
En la primera fase el aire puro anteriormente aspirado se comprime y adquiere una temperatura suficiente como para provocar el autoencendido del combustible inyectado; en la segunda fase y al principio de la expansión, la combustión se realiza a presión constante, mientras el volumen aumenta. La dilatación de los gases compensa la caída de presión debida a este aumento de volumen; en la tercera fase la expansión se efectúa sin intercambio de calor con las paredes del cilindro y en la cuarta fase la apertura instantánea del escape produce un descenso muy rápido de la presión, mientras el pistón se mantiene en el punto muerto (volumen constante).
En cuanto a su fabricación y elementos que los constituyen, diremos que después de haber desplazado en un tiempo el motor diesel al de gasolina, sobre todo en sus aplicaciones de propulsión de vehículos, usos industriales, navales y agrícolas, por las causas que más adelante expondremos, si bien la fabricación del motor diesel es más cara y alguno de sus dispositivos auxiliares (refrigeración, filtrado de combustible,etc) son de coste más elevado que los de gasolina, hoy día se ha llegado con las grandes producciones en serie a un menor coste , que los iguala casi a los de gasolina, máxime con la incorporación en éstos de las nuevas técnicas de la inyección de gasolina.
El bloque motor es similar en ambos tipos de motores, si bien el dimensionado de los mismos es mayor en el diesel por trabajar éstos bajo cargas mayores. Suelen ser de fundición perlítica y llevar camisas recambiables (generalmente húmedas) con una pestaña de tope en su parte superior (en los Diesel).
Los pistones en estos motores desempeñan múltiples funciones, por lo que se diferencian de los de gasolina en la forma del fondo y en la cabeza, que dependen del sistema de inyección utilizado; en el perfil de la falda, actualmente en óvalo progresivo curvilíneo; en la disposición de los segmentos (en ocasiones alojados en gargantas postizas) y en la altura del eje; su espesor en la cabeza es superior por las presiones y condiciones térmicas a que son sometidos.
También difieren en el árbol de levas en los casos en que el motor diesel esté equipado de inyectores-bomba.
La culata suele diferir bastante en uno y otro caso, ya que los de gasolina suelen ser de una sola pieza y en los diesel acostumbra a disponerse de una culata por cada 3 cilindros, o una individual por cada uno de ellos. La disposición de los conductos de agua es diferente, pues los Diesel deben refrigerar no sólo las cámaras de turbulencia, sino los inyectores. También puede serlo la disposición en la misma de una parte de la cámara de turbulencia, mecanizada en la misma.
Finalmente el sistema de inyección diesel en cualquiera de sus modernos procedimientos de common-rail, inyectores-bomba, control electrónico, etc, constituyen un elemento diferenciante respecto a los de gasolina.
En lo tocante a sus aspectos económico y práctico vemos que los diesel tienen un mejor rendimiento térmico gracias a su elevado grado de compresión y a que su combustión se efectúa con un exceso de aire, pudiendo llegar a un 60% frente a un 45% en algunos de gasolina. Además el poder calorífico del diesel es superior al de la gasolina.
El consumo específico del diesel es inferior, lo que unido al menor precio del gasoil, es un elemento determinante en el transporte de mercancías; sobre todo al ralentí; la relación de consumos es de 1 a 4 , lo que lo hace particularmente adecuado para la distribución (furgonetas).
La duración de la vida del motor es asimismo superior en el diesel, que en el de gasolina (hasta 3 veces) y su valor residual es también mayor.
Otro punto favorable es la facilidad de puesta en marcha a bajas temperaturas, que los gases de escape sean menos tóxicos y que el peligro de incendio sea menor, pues el gasoil es menos volátil que la gasolina y sus vapores necesitan temperaturas de 80ºC para inflamarse, mientras que los de la gasolina lo hacen a 20ºC.
Sin embargo como negativos diremos que tanto el motor Diesel como su equipamiento es más pesado que los motores de gasolina; es más caro de construir, como hemos dicho; su mantenimiento es laborioso.
En general y además, pese a los avances conseguidos, es más ruidoso que el de gasolina.
TEMA 4
CARACTERISTICAS DE LOS MOTORES
1 Rendimiento del motor
El motor de combustión interna es una máquina que transforma energía química mediante un proceso que lo explicamos a continuación:
La energía contenida en el combustible, de origen químico, se transforma en calor mediante la combustión. De este modo, el consiguiente aumento de presión provoca el desplazamiento del pistón, obteniéndose así energía mecánica.
En este proceso no toda la energía del combustible es transformada en trabajo útil. Una buena parte se pierde, por lo que la energía aprovechable que se obtiene es menor a la inicial.
En balance resultante entre la cantidad de energía aportada y la obtenida en una maquina se denomina rendimiento (ç ) y se expresa como porcentaje del trabajo que soporta.
El rendimiento del motor por tanto será mayor, mientras menores sean las perdidas en la transformación de energía química a mecánica.
PERDIDAS DE ENERGIA
Perdidas de calor
Producidas por el sistema de refrigeración y la radiación de calor existente. Otra perdida es la cantidad de calor que evacua a través de los gases de escape.
Perdidas mecánicas
Debido al rozamiento entre las piezas en movimiento, y accionamiento de dispositivos auxiliares, como la bomba de agua, bomba de aceite, etc.
Perdidas químicas
Motivadas por una combustión incompleta.
2 TIPOS DE RENDIMIENTO
En un motor podemos obtener varios tipo de de rendimientos a continuación vamos a ver los siguientes:
- Rendimiento térmico
- Rendimiento mecánico
- Rendimiento efectivo
- Rendimiento volumétrico
Rendimiento térmico
Es una cifra que nos indica el porcentaje de aprovechamiento que un motor realiza sobre el combustible que consume. Se obtiene de dividir la energía obtenida a la salida del cigüeñal de un motor entre la energía que aporta el combustible consumido. Cuanto más se acerque este valor al 100% mayor es el rendimiento térmico obtenido. Una medición aproximada del rendimiento térmico es el consumo específico. El máximo rendimiento térmico se obtiene cerca del régimen de par máximo.
Rendimiento mecánico
El trabajo perdido en la transmisión, desde él embola al arbol motor, se emplea ya en vencer rozamientos y en mover los órganos accesorios del motor.
Funciones accesorias: El movimiento de los mecanismos que las realizan, absorbe necesariamente una parte del trabajo producido por el motor. El generador, las bombas de agua y aceite y el ventilador, restan una potencia al motor nada despreciable.
Sistema de escape: La instalación necesaria para la evaluación al exterior de los gases quemados, requiere un cuidadoso estudio en cuanto a la longitud y sección de paso se refiere, para evitar una resonancia acentuada y una perdida de potencia. La tubería de escape no debe presentar estrechamiento alguno y su sección debe ser suficiente.
Rozamiento: Los rozamientos a vencer son los que más influyen sobre el rendimiento mecanico. Los segmentos, aplicándose como resortes contra las paredes del cilindro, ejercen una presión que no puede ser inferior a cierto valor, si se quieren evitar perdidas de compresión por fugas de gases hacia el cárter entre ellos y las paredes. Se reduce el rozamiento al mínimo engrasando todas lo posible ambas piezas.
El émbolo roza, asimismo, en el interior del cilindro, contra el cual ejerce una fuerte presión debido a determinadas posiciones de la biela. La oblicuidad de esta puede disminuirse en el momento más perjudicial, es decir, durante la carrera de expansión, descentrando convenientemente el motor, como ya se verá.
Los cojinetes de apoyo del cigüeñal y de las propias bielas, producen un rozamiento elevado, que puede ser disminuido grandemente engrasando convenientemente estas uniones.
Rendimiento efectivo
Podemos entender como rendimiento efectivo el balance total de perdidas y el 100% de la energía contenida en el combustible consumido dan lugar al rendimiento efectivo del motor.
Rendimiento volumétrico
Es la relación entre la masa de aire que hay en el cilindro en el punto muerto inferior, y la que podría haber, dado el volumen de la cámara y la presión atmosférica. El rendimiento volumétrico es del 100 % si ambas masas son iguales; es inferior al 100 % si hay menos aire del que podría haber a presión atmosférica; es superior al 100 % si hay más aire del que podría haber a presión atmosférica.
En un motor atmosférico de gasolina, el rendimiento volumétrico es siempre inferior al 100 % cuando el motor no trabaja en carga parcial, porque la mariposa limita la entrada de aire. Si funciona a plena carga, puede llegar al 100 % en un margen de régimen más o menos estrechos. Algunos motores atmosféricos pueden superar el 100 % de rendimiento volumétrico por efecto de la resonancia del aire; es decir, en un cierto intervalo de régimen, están «sobrealimentados por resonancia».
En un motor atmosférico Diesel, el rendimiento volumétrico se acerca al 100 % en todo caso, porque, la entrada de aire no está limitada.
En motores sobrealimentados, gasolina o Diesel, el rendimiento volumétrico puede ser superior al 100 %, porque la presión en el colector de admisión es mayor que la atmosférica.
3 Características principales de los motores
Las principales características que definen las prestaciones que se obtienen en un motor son el par motor, la potencia y el consumo especifico de combustible. Estos parámetros identifican el tipo de moto proporcionando una referencia en cuanto a sus características de funcionamiento. El fabricante suministra estos datos obtenidos mediante ensayos en bancos de potencia.
Par motor
En general, cuanto mayor sea la cilindrada del motor mayor será el par del motor. Un par motor elevado permite una aceleración más fuerte: la sensación de quedarse adherido al asiento es mayor. Por otro lado, un par motor elevado permite que se desplace un peso mayor, motivo por el que los vehículos diesel con frecuencia se emplean para la tracción de caravanas, remolques o cargas grandes.
En los motores diesel, el par motor se obtiene en bajo régimen (entre 1300 y 2400 r.p.m. dependiendo de los vehículos ya que los motores modernos se aproximan a los 1300 r.p.m.). En ese momento se transmite la mayor fuerza a las ruedas. Un par motor fuerte comporta una buena recuperación (no siendo necesario retrogradar) y una buena aceleración.
La fórmula del par motor es una fuerza en función de una distancia.
El par motor se puede comparar con un levantador de pesas: éste levanta un peso enorme hasta la altura de su cabeza. Cuanto mayor sea el peso alzado, más fuerza tendrá el levantador de pesas.
PAR MOTOR=FUERZAxDISTANCIA
Aquí expresamos la fuerza en Newtons y la distancia en metros.
La curva del par motor tiene su máximo en la zona baja del contador de revoluciones y decrece rápidamente en la zona alta del contador de revoluciones. Otro parámetro toma entonces su relevo.
La potencia
La potencia es el trabajo efectuado en un cierto tiempo. Por este motivo, ésta depende del par motor, pero también de la velocidad de rotación del motor. Cuanto más rápido gire el motor, más aumentará la potencia.hasta un límite que, en los motores diesel empieza entre 4000 y 4500 r.p.m. La potencia del motor influye en la velocidad del vehículo.
La potencia puede ser comparada con dos deportistas: el primero levanta 120 kg en 1 minuto. El segundo levanta 120 kg en 30 segundos. En un minuto, el segundo atleta habrá levantado 240 kg, de tal manera que éste será el más potente.
La potencia se expresa en Watios (W) o en caballos según DIN (CV). El par motor se encuentra en metros por Newton y la velocidad en radianes por segundo.
Informativamente, 1 CV DIN = 735.5 W
Consumo especifico de combustible
Es la cantidad de combustible que necesita un motor para suministrar una determinada unidad de potencia por unidad de tiempo. El consumo específico es una forma de expresar el rendimiento del motor, en el sentido que relaciona consumo con prestaciones. Cuanto menor sea el consumo específico de un motor, mejor es su rendimiento.
El consumo específico de un motor en distintas condiciones de trabajo se puede ver un gráfico como el de abajo. En el eje horizontal está el régimen. En el eje vertical se pueden poner variables distintas, pero relacionadas entre sí, como el par o la presión media efectiva. En el ejemplo de abajo, en el eje vertical está la presión media efectiva (en kilopascales, kPa); la presión efectiva máxima en cada régimen se corresponde con la curva de par. Como se puede ver en el gráfico, el valor mínimo de consumo específico de este motor es 210 gramos por cada kilovatio hora (g/kWh). En cualquier punto del área más oscura, el motor alcanza su máximo rendimiento. Fuera de esa área, el consumo aumenta a 215 g/kW/h, aunque hay zonas dentro del área de 215 en las que el motor trabaja peor y sube a 220. Cuanto menor es la carga (es decir, cuanto menos pisa el conductor el acelerador), menos depende el consumo específico del régimen. En ningún gráfico que hayamos visto hasta ahora el máximo rendimiento del motor se consigue a plana carga (ni en Diesel ni en gasolina), si no un poco por debajo.