CONTENIDO
1 CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE D E COMBUSTIÓN INTERNA 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
POR SU PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO POR LA DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS POR LA DISPOSICIÓN DE LAS VÁLVULAS POR EL TIPO DE ASPIRACION POR EL TIPO DE LUBRICACIÓN
2 DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIEN FUNCIONAMIENTO TO 2.1 MOTOR ENCENDIDO POR CHISPA 2.1.1 DOS TIEMPOS 2.1.2 CUATRO TIEMPOS 2.2 MOTOR ENCENDIDO POR COMPRESIÓN 2.2.1 DOS TIEMPOS 2.2.2 CUATRO TIEMPOS
3 ESPECIFICACIONES DE MOTORES MOTOR COMERCIAL DE GASOLINA: 3.1 CARRERA DEL PISTÓN 3.2 DIÁMETRO DEL PISTÓN 3.3 NUMERO DE CILINDROS 3.4 ORDEN DE ENCENDIDO 3.5 DESPLAZAMIENTO 3.6 RELACIÓN DE COMPRESIÓN 3.7 PAR MÁXIMO (@ RPM) 1
3.8 POTENCIA MÁXIMA (@ RPM) 3.9 PRESIÓN MEDIA EFECTIVA 3.10 OTRA INFORMACIÓN RELEVANTE, COMO LAS CURVAS DE POTENCIA VS RPM Y PAR VS RPM MOTOR COMERCIAL DIESEL: 3.1 CARRERA DEL PISTÓN 3.2 DIÁMETRO DEL PISTÓN 3.3 NUMERO DE CILINDROS 3.4 ORDEN DE ENCENDIDO 3.5 DESPLAZAMIENTO 3.6 RELACIÓN DE COMPRESIÓN 3.7 PAR MÁXIMO (@ RPM) 3.8 POTENCIA MÁXIMA (@ RPM) 3.9 PRESIÓN MEDIA EFECTIVA 3.10 OTRA INFORMACIÓN RELEVANTE, COMO LAS CURVAS DE POTENCIA P OTENCIA VS RPM Y PAR VS RPM
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1. Clasificación de los Motores de Combustión Interna 1.1 Por su principio de funcionamiento.
Ciclo Otto Un ciclo Otto es Otto es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de encendido por bujía o de explosión. Se representa en un diagrama p-V como en la figura adjunta. Siendo sus fases las siguientes:
Admisión (1). (1). El pistón desciende con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire y combustible) en la cámara. (Expansión a presión constante puesto que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). E-A. Compresión (2). (2). El pistón asciende comprimiendo la mezcla, ambas válvulas permanecen cerradas (Comprensión adiabática). A-B. Combustión. Combustión. Con el pistón en el punto muerto superior, salta la chispa de la bujía, que inicia la combustión de la mezcla a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). B-C. Expansión (3). Debido (3). Debido a la combustión se produce un ascenso brusco de temperatura que empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él, las válvulas continúan cerradas. (Expansión adiabática). C-D. Escape (4). Se (4). Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, desde el punto de vista del balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón se encuentra en el punto muerto inferior, el volumen permanece aproximadamente constante D-A.
Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, A-E, A -E, cerrando el ciclo.
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Para que se produzca un ciclo ha debido haber dos subidas y dos bajadas del pistón, por lo que recibe el nombre de motor de cuatro tiempos y el cigüeñal ha necesitado dar dos vueltas para completar un ciclo. Observando el ciclo Otto ideal, podemos considerar despreciables los procesos de admisión y de escape a presión constante A-E y E-A, puesto que son idénticos en la gráfica y de sentido opuesto, por lo que el calor y el trabajo intercambiados entre ellos se anulan mutuamente.
Ciclo Diesel Un ciclo Diesel es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de encendido por compresión. Se representa en un diagrama p-V como en la figura adjunta. Siendo sus fases las siguientes:
Admisión E-A. El pistón desciende mientras la válvula de admisión permanece abierta, absorbiendo aire a presión constante de la atmósfera. Se representa como una línea horizontal. Compresión A-B. Asciende el pistón estando cerradas las válvulas de admisión y de escape, se produce la comprensión del aire sin intercambio de calor, es decir es una transformación adiabática. Combustión B-C. Un instante antes de que el pistón alcance el PMS y hasta un poco después de que comience la carrera descendente, el inyector introduce gasoil en el cilindro produciéndose la combustión a presión constante durante un instante de tiempo mayor que en el motor de encendido por chispa (es la diferencia más notable con el ciclo de Otto, estudiado anteriormente). Ambas válvulas se mantienen cerradas. Expansión C-D. La reacción química exotérmica producida en la combustión genera energía que impulsa el pistón hacia abajo, aportando trabajo al ciclo, correspondiendo 4
esta transformación a una curva adiabática, las válvulas de admisión y de escape permanecen cerradas.
Escape D-A y A-E. La válvula de escape se abre, el pistón prosigue su movimiento ascendente y va barriendo y expulsando los gases de la combustión, cerrándose el ciclo al producirse una nueva admisión de aire cuando se cierra la válvula de escape, a continuación se abre la de admisión y el pistón continúa su carrera descendente.
Como la cantidad de aire que sale y la que entra en el cilindro es idéntica podemos considerar que es el mismo que ha sufrido un proceso de enfriamiento que se produce en dos fases, cuando alcanza el pistón el PMI, el volumen se mantiene aproximadamente constante y se representa en el diagrama como la isócora D-A, para posteriormente ser expulsado al exterior a presión constante (la de la atmósfera), representándose por la isóbara A-E. Con lo que se cierra el ciclo, tras dos movimientos de subida y bajada del pistón, tras dos vueltas del cigüeñal, que corresponden con los cuatro tiempos del motor. Observando el ciclo Diesel ideal, podemos considerar despreciables los procesos de admisión y de escape a presión constante A-E y E-A, puesto que son idénticos en la gráfica y de sentido opuesto, por lo que el calor y el trabajo intercambiados entre ellos se anulan mutuamente.
Ciclo Brayton El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes:
Admisión. El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina
Compresor. El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B.
Cámara de combustión. En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro B→C.
Turbina. El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D.
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Escape. Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante D→A.
Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamente recircula y solo el calor es cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo del ciclo de Brayton ideal es más aproximado que para los de ciclo abierto.
Motor de turbina de gas de ciclo abierto.
Motor de turbina de gas de ciclo cerrado.
Ciclo Dual Aproximando el proceso de combustión en motores de combustión interna como un proceso de adición de calor a volumen constante o a presión constante es demasiado simple y nada realista. Un enfoque probablemente mejor, pero más complejo sería modelar el proceso de combustión tanto en motores de gasolina como diesel, como una combinación de dos procesos de transferencia de calor, esto es, una parte a volumen constante y otra a presión constante. El ciclo ideal basado en este concepto recibe el nombre de ciclo dual; es un ciclo teórico que se acerca más al funcionamiento real de los motores modernos de ignición por compresión, veamos su diagrama P-V y T-S, que se presenta en la siguiente figura:
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1.2 Por la disposición de los cilindros.
Motores con cilindros en línea. Estos motores tienen dispuestos los cilindros en un solo bloque en posición vertical uno detrás de otro. Estos motores pueden llevar desde 4 hasta 8 cilindros. Los mas generalizados son los de 4 cilindros, ya que en motores de 6 cilindros o mas, la longitud del cigüeñal es demasiado grande, lo que puede producir vibraciones o lo que es peor su deformación o rotura.
Motores con cilindros en "V". Estos motores llevan los cilindros repartidos en dos bloques unidos por una base o bancada y formando un cierto ángulo. Cada bloque lleva igual número de cilindros y todos ellos atacan un cigüeñal único. Esta forma constructiva es ventajosa para un número de cilindros igual o mayor que 6, ya que es más compacta, con lo cual el cigüeñal, al ser más corto, trabaja en mejores condiciones, evitándose deformaciones por flexión y vibraciones torsionales.
Motores con cilindros horizontales opuestos (boxer). Estos motores son una variante particular de los motores en "V". Llevan sus cilindros dispuestos en dos bloques que forman un ángulo de 180º colocados en posición horizontal y en sentidos opuestos que se unen por una base o bancada. Las bielas de cada cilindro atacan a un solo cigüeñal central. Esta disposición tiene la ventaja de reducir la altura de motor. Por eso se aplica a vehículos con espacio 7
lateral suficiente y poca altura disponible, como es el caso de motocicletas de gran potencia, donde se utilizan motores de este tipo de 2 y 4 cilindros. Los de 4 y 6 cilindros se emplean en turismos y los de 8 cilindros en autocares donde, debido a la poca altura que ocupan, se aprovecha al máximo la longitud del chasis, obteniéndose así mayor espacio útil de la carrocería.
Motores con cilindros en "V" pequeña (VR). En estos motores los cilindros se entrecruzan en una "V" estrecha a 15°, dando por resultado un bloque motor más corto que un motor en línea y de construcción más sencilla que un motor en "V". Estos motores solo tienen una culata. Existen motores "VR" de 5 y 6 cilindros.
Motores con cilindros en "W". En estos motores los cilindros se disponen en dos bloques de cilindros "VR" que se unen en una sola bancada inferior donde atacan a un solo cigüeñal. Los cilindros de una fila guardan un ángulo de 15° entre sí, mientras que las dos filas VR se encuentran en un ángulo de la V de 72°.
Numeración de los cilindros. La numeración de los cilindros en todos los casos constructivos viene determinado según la normativa UNE 10 052-72 y la DIN 73 021. Se empieza la numeración de los cilindros del motor por el lado opuesta a la toma de fuerza, es decir al lado contrario del volante motor. En los motores en "V" y en los horizontales (boxer), la numeración de los cilindros comienza también por el lado opuesto del volante de inercia y por el bloque de cilindros situado a la izquierda, enumerando a continuación los cilindros situados en el bloque de la derecha y t ambién en el mismo sentido.
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Sentido de giro del motor Según la normativa DIN 73021 el motor puede girar
Giro a la derecha: en el sentido de las agujas del reloj, visto en el lado opuesto al de entrega de fuerza. En inglés: clockwise (cw). Giro a la izquierda: en el sentido contrario a las agujas del reloj, visto en el lado opuesto al de entrega de fuerza. En inglés: counter clockwise (ccw).
Disposición del cigüeñal y orden de encendido en los motores policilíndricos La disposición de las muñequillas del cigüeñal, o codos de unión de las bielas de cada cilindro con el mismo, está en función del número de cilindros del motor, ya que para cada ciclo de funcionamiento se realizan tantos impulsos motrices (explosiones) como número de cilindros haya. Por tanto, las muñequillas tienen que estar dispuestas de forma tal que los impulsos motrices se equilibren con respecto al círculo de rotación que describe el cigüeñal. En motores de 4 tiempos, como cada ciclo de funcionamiento se realiza en 2 vueltas del cigüeñal que equivale a 720º, la separación de los codos de cigüeñal o distancia entre encendidos, corresponderá a un ángulo de giro determinado por la división de 720º entre el numero de cilindros.
Igualmente, para motores de dos tiempos, donde cada ciclo de funcionamiento se realiza durante una vuelta de cigüeñal que equivale a 360º, las muñequillas deben estar situadas de forma que los encendidos se sucedan con un ángulo o desfase de:
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1.3 Por la disposición de las válvulas
Según la distribución utilizada la forma constructiva de los motores cambia. Hay tres tipos de distribuciones: SV, OHV y OHC. Además se podría incluir la distribución Desmodromica y Variable. El sistema SV no se utiliza desde hace tiempo ya que las válvulas no están colocadas en la culata sino en el bloque motor, lo que provoca que la cámara de compresión tenga que ser mayor y el tamaño de las cabezas de las válvulas se vea limitada. SV (Side Valves) es un sistema de distribución muy sencillo, el primero que se popularizó, y fue el más usado en los motores de gama más baja y media, hasta los años 50. Las válvulas están en el block, y las acciona directamente el árbol de levas.
OHV (OverHead Valve): se distingue por tener el árbol de levas en el bloque motor y las válvulas dispuestas en la culata. La ventaja de este sistema es que la transmisión de movimiento del cigüeñal al árbol de levas se hace directamente por medio de dos piñones o con la interposición de un tercero, también se puede hacer por medio de una cadena de corta longitud. Lo que significa que esta transmisión necesita un mantenimiento nulo o cada muchos km (200.000). La desventaja viene dada por el elevado número de elementos que componen este sistema lo que trae con el tiempo desgastes que provocan fallos en la distribución. * Sistema de fabricación muy sencilla y por lo tanto económica. * Supuso un gran avance en su día respecto a los sistemas de válvulas laterales SV ya que permitió reducir la cámara, elevando la compresión y por tanto el rendimiento termodinámico.
OHC (OverHead Cam) o SOHC (Single OverHead Camshaft) se distinguen por tener el árbol de levas en la culata lo mismo que las válvulas. Es el sistema utilizado hoy en día en todos los coches a diferencia del OHV que se dejo de utilizar al final de la década de los años 80 y principio de los 90. La ventaja de este sistema es que se reduce el número de elementos entre el árbol de levas y la válvula por lo que la apertura y cierre de las válvulas es más preciso. Tiene la desventaja de complicar la transmisión de movimiento del cigüeñal al árbol
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de levas, ya que, se necesitan correas o cadenas de distribución más largas que con los km. tienen más desgaste por lo que necesitan más mantenimiento. DOHC (double overhead camshaft) o “Twin cam engine“ Usa dos árboles de levas, ubicados en la culata, para operar las válvulas de escape y admisión del motor. Se contrapone al motor “single overhead camshaft”, que usa
sólo un árbol de levas. Algunas marcas de coches le dan el nombre de Twin Cam. La principal diferencia entre ambos tipos de motores es que, en el motor DOHC, se usa un árbol de levas para las válvulas de admisión y otro para las de escape; a diferencia de los motores SOHC, en donde el mismo árbol de levas maneja ambos tipos de válvulas. Los motores DOHC tienden a presentar una mayor potencia que los SOHC, aun cuando el resto del motor sea idéntico. Esto se debe a que el hecho de poder manejar por separado las válvulas de admisión y de escape permite configurar de una manera más específica los tiempos de apertura y cierre, y por ende, tener mayor fluidez en la cámara de combustión. Distribución Desmodrómica La palabra “desmodrómico” procede de la fusión de 2 vo ces griegas: “desmos” (vinculo) y “dromos” (carrera). Su significado literal, referido al
movimiento alternativo de las válvulas, es, por consiguiente, el de carrera sujeta a un vínculo, de movimiento no libre sino regulado mecánicamente. El desplazamiento de las válvulas está vinculado, ya que ellas en la práctica están obligadas a cerrarse según un procedimiento mecánico que no concede alternativas. Realmente lo correcto sería decir “sistema de mando de distribución desmodrómico”, pero normalmente se acorta en “distribución desmodrómica” o simplemente (como en las Ducati) “desmo”.
El sistema de mando desmodrómico prevé que el árbol de levas accione ambos movimientos de la válvula, tanto el de apertura como el de cierre. Así el árbol, al girar, primeramente empuja el vástago de la válvula (apertura) y luego tira de él hacia arriba (cierre). De este modo resulta superflua la presencia de los muelles, que efectivamente no existen en los motores con este sistema de mando de distribución. La ventaja fundamental que ofrece el mando desmodrómico es la de permitir al motor trabajar a elevados regímenes de revoluciones. Con el sistema de muelles recuperadores sucede lo contrario, ya que una vez se alcanza un determinado número de revoluciones, siempre más allá del régimen de potencia máxima, es posible que los muelles no estén en condiciones de cumplir idóneamente con su cometido.
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Vamos a considerar el caso de un motor que funcione a 6.000 r.p.m. (revoluciones por minuto). Cada válvula debe abrirse y cerrarse 50 veces cada segundo. En estas condiciones de frecuencia, la inercia de los muelles puede impedir a las espiras distenderse con suficiente rapidez, por lo que las válvulas no consiguen cerrarse a tiempo. En ese momento tiene lugar un fenómeno conocido como “rebote de válvulas”. Esto quiere decir que la válvula “rebota”
contra el empujador y éste contra el árbol de levas, que mientras tanto ha adelantado, lo que conduce a la actuación de fuerzas opuestas motivando la aparición vibraciones, debido a la imposibilidad de los muelles de seguir el ritmo del motor. Cuando las válvulas golpean el árbol de levas, todo el sistema de distribución resulta muy ruidoso (evidente), la potencia se reduce (al no cerrar las válvulas totalmente hay perdida de gases frescos hacia el escape y retorno de gases de escape hacia la admisión), y los muelles llegan a romperse con frecuencia.
Distribución variable Cuanto más rápido gira un motor, más difícil resulta llenar los cilindros, puesto que las válvulas abren y cierran mucho más rapido. Lo ideal es que la válvula de admisión se abra un poco antes del inicio de la carrera de admisión, y la de escape un poco antes de iniciarse la carrera de escape, para ayudar así al vaciado y llenado de los cilindros. El inconveniente proviene de que el momento óptimo de apertura de las válvulas es diferente para cada régimen del motor, por lo que resulta imprescindible sacrificar rendimiento en todos los regímenes de giro para obtener un resultado aceptable también en todos los regímenes de giro. Lo que hace la distribución variable es precisamente cambiar el momento de apertura y cierre de las válvulas en función del régimen del motor. Los sistemas más sofisticados también pueden controlar el t iempo durante el que la válvula permanece abierta. Por ejemplo: El Sistema VVTl-i (Variable Valve Timing & Lift - Intelligent) de Toyota. El sistema VVTl-i controla las siguientes funciones - Control de los tiempos de distribución - Control mediante dos estados de funcionamiento de la alzada de la leva - Control tanto en el árbol de levas de admisión como en el de escape El mecanismo consta de un solo balancín, el cual acciona las dos válvulas de admisión a la vez. Dicho balancín es accionado por dos levas de diferente perfil, uno más suave que el otro. El apoyo del perfil de leva agresivo es un bulón al cual se le permite un cierto desplazamiento mientras no actúe un tope que se acciona hidráulicamente. Cuando el motor funciona a bajas y medias vueltas el tope no está accionado, con lo que el bulón sube y baja, de manera que el perfil de leva agresivo no acciona el balancín, siendo las válvulas accionadas por el perfil de leva suave.
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A altas r.p.m., la unidad de control electrónica acciona la válvula hidráulica, con lo que enclavamiento se acciona bloqueando el bulón, de manera que es ahora el perfil de leva agresivo el que acciona a las válvulas consiguiéndose así un diagrama de distribución propio de un motor rápido.
1.4 Por el tipo de aspiración.
Motores de aspiración natural En estos motores los gases frescos entran en el cilindro inducidos por la succión creada por el propio movimiento del émbolo cuando se desplaza desde el PMS hacia el PMI. El valor medio de la presión en los conductos de admisión de estos motores (presión de admisión) será siempre menor que la presión atmosférica, debido a la caída de presión por fricción en el flujo de aire. Motores sobrealimentados En los motores sobrealimentados se utiliza un compresor para aumentar la presión de admisión por encima de la atmosférica, forzando la entrada de gases frescos al cilindro. El objetivo primero es el de aumentar la densidad del aire en el colector de admisión, de modo que se puede quemar mayor cantidad de combustible o quemar la misma cantidad en mejores condiciones. Como resultado final se puede aumentar la potencia del motor o su rendimiento, o reducir las emisiones en MEC, y en los motores de aviación, lograr que la potencia no varíe cuando se modifican las condiciones atmosféricas, por ejemplo al aumentar la altura de vuelo. El compresor de sobrealimentación es arrastrado mecánicamente a partir del cigüeñal. Como consecuencia del proceso de compresión, la temperatura del aire de admisión 13
aumenta, y con la finalidad de incrementar la masa de aire admitida, es usual añadir entre el compresor y el motor un intercambiador de calor con el fin de enfriar el aire, y aumentar así su densidad. El valor de la presión a la salida del compresor, lo que se conoce como grado de sobrealimentación, está limitada en todos los motores por el esfuerzo mecánico que las piezas son capaces de soportar como consecuencia de las mayores presiones durante el ciclo dentro del cilindro. Además, en el caso de los MEP, una presión excesiva puede hacer aparecer el fenómeno del autoencendido o combustión detonante, teniendo como consecuencia que el grado de sobrealimentación en estos motores sea menor que en los MEC.
1.5 Por el tipo de lubricación.
Hay muchas piezas que rotan en el interior de un motor. Cuando el motor está funcionando, todas estas piezas rotativas generan calor por la fricción que las piezas de metal hacen cuando entran en contacto directo con otras piezas de metal. Como resultado del desgaste y el calor de todo este movimiento y fricción, es fácil para un motor agarrotarse o empezar a dañarse. El equipo de lubricación crea una película de aceite en las piezas de metal en movimiento del motor, aliviando el desgaste y el calor, originando que las piezas roten fácilmente. Las necesidades derivadas de disminuir las emisiones de CO2 (efecto invernadero) y el precio de los combustibles fósiles han traído consigo el desarrollo de una importante línea de investigación:
La disminución del consumo se puede llevar a cabo: Mejorando aspectos termodinámicos del ciclo. Disminuyendo las pérdidas mecánicas.
TIPOS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS
Por fricción o rozamiento: Debidas al rozamiento entre partes móviles (denotadas por R). Por bombeo: Ocasionadas por el proceso de renovación de la carga en motores de 4T (denotadas por B). 14
De accionamiento de auxiliares: Son las pérdidas asociadas al movimiento de aquellos dispositivos arrastrados por el motor: Alternador, bombas, dirección asistida, etc. (denotadas por A).
LA LUBRICACIÓN EN LOS MCIA (requerimientos)
El sistema de lubricación, debe de engrasar las distintas partes del motor y hacer frente a las distintas exigencias que se presentan en cada una de las partes e incluso refrigerar cuando sea necesario. TIPOS DE LUBRICACIÓN: Salpicadura o barboteo Resulta poco eficiente y casi no se usa en la actualidad (en solitario). Consiste en una bomba que lleva el lubricante del cárter a pequeños "depósitos" o hendiduras, y mantiene cierto nivel, Mediante cucharillas y anillos se proyecta aceite del cárter hacia aquellas superficies que se quieren lubricar. De este sistema de engrase se van a aprovechar los demás sistemas en cuanto al engrase de las paredes del cilindro y pistón. A aceite perdido Utilizada en motores pequeños de 2T, la mezcla de combustible arrastra en suspensión aceite. Presenta problemas por contaminación y humo en el escape por el aceite quemado. Sistema mixto En el sistema mixto se emplea el de salpicadura y además la bomba envía el aceite a presión a las bancadas del cigüeñal.
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Sistema a presión Es el sistema de lubricación más usado. El aceite llega impulsado por la bomba a todos los elementos, por medio de unos conductos, excepto al pie de biela, que asegura su engrase por medio de un segmento, que tiene como misión raspar las paredes para que el aceite no pase a la parte superior del pistón y se queme con las explosiones. De esta forma se consigue un engrase más directo. Tampoco engrasa a presión las paredes del cilindro y pistón, que se engrasan por salpicadura. Sistema a presión total Es el sistema más perfeccionado. En él, el aceite llega a presión a todos los puntos de fricción (bancada, pie de biela, árbol de levas, eje de balancines) y de más trabajo del motor, por unos orificios que conectan con la bomba de aceite. Sistema de cárter seco Este sistema se emplea principalmente en motores de competición y aviación, son motores que cambian frecuentemente de posición y por este motivo el aceite no se encuentra siempre en un mismo sitio. Consta de un depósito auxiliar (D), donde se encuentra el aceite que envía una bomba (B). Del depósito sale por acción de la bomba (N), que lo envía a presión total a todos lo órganos de los que rebosa y, que la bomba B vuelve a llevar a depósito (D). Los puntos principales a engrasar en un motor, son:
Paredes de cilindro y pistón. Bancadas del cigüeñal. Pié de biela. Árbol de levas. Eje de balancines. Engranajes de la distribución.
El cárter inferior sirve de depósito al aceite, que ha de engrasar a todos los elementos y en la parte más profunda, lleva una bomba que, movida por un eje engranado al árbol de levas, lo aspira a través de un colador. A la salida de la bomba, el aceite pasa a un filtro donde se refina, y si la presión fuese mayor de la necesaria, se acopla una válvula de descarga.
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Componentes del sistema de lubricación •Cárter: El cárter o charola de aceite cumple la función de almacenar la cantidad de aceite •Bomba de aceite: su función es impulsar el lubricante desde la parte más baja hasta la más
alta del motor. •Manómetro: Se encarga de medir la presión del aceite del circuito en tiempo real. •Filtro de aceite: separa todas las impurezas y suciedad es del aceite para que así los
componentes no tengan ningún inconveniente. •Manocontacto de presión de aceite: este es un interruptor accionado por la presión de aceite. Si la presión del aceite es muy baja la luz se enciende. SISTEMA DE LUBRICACIÓN A PRESIÓN En el circuito de engrase se pueden distinguir 4 partes fundamentales:
Bomba: Suministra la presión al aceite. Conductos de engrase: Por ellos circula el aceite. Filtro: Elimina las impurezas del aceite. Refrigerador: Mantiene la Tª del aceite dentro de unos límites.
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2.Descripción del funcionamiento La combustión en motores alternativos es el proceso de oxidación del combustible por el aire, que provoca la conversión de la energía química que posee el combustible en energía térmica. Este proceso tiene lugar dentro del cilindro, suponiendo un incremento de presión que permite extraer energía mecánica mediante el movimiento del pistón.
2.1
Motor encendido por chispa
Motor de encendido provocado (MEP) Habitualmente formación de la mezcla fuera del cilindro. La combustión se inicia por una causa externa, habitualmente el salto de una chispa. La combustión se realiza sobre una mezcla de aire y combustible homogénea. La relación aire-combustible utilizada está en el entorno de la estequiometria.
En MEP se habla de combustión homogénea o premezclada ya que la mezcla que se encuentra en el cilindro es homogénea: posee en cualquier punto el mismo dosado. El sistema de formación de la mezcla se encuentra fuera de la cámara de combustión. En MEP la combustión normal tiene lugar en el frente de llama que es la superficie que separa la zona fresca de la zona quemada.
PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA COMBUSTIÓN EN MEP Son parámetros característicos: Tiempo de combustión (tC): Es el tiempo que tarda el frente de llama en recorrer la cámara de combustión. A este tiempo se le puede asociar un intervalo angular llamado ángulo de combustión C(°):
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Gradiente de presión (dP/d o dP/dt): Expresa la velocidad con que cambia la presión a lo largo del ciclo (bar/° ó bar/s). Presión máxima de combustión (Pmax): Es el máximo valor de la presión dentro de la cámara de combustión a lo largo del ciclo (bar). El proceso de combustión supone un desarrollo de presión por en cima del desarrollo de presión asociado al motor arrastrado (sin combustión).
La combustión en MEP puede ser: Combustión por avance del frente de llama: La zona quemada trasmite calor al frente de llama, entonces la mezcla que integra el frente se inflama, pasando a engrosar la zona quemada, provocando que avance el frente de manera suave y comprimiendo la mezcla fresca.
Combustión por autoinflamación: La combustión se origina como consecuencia del alto estado térmico (P, T) que adquiere la zona fresca. Es una combustión brusca y rápida. Si la masa de mezcla autoinflamada es grande la autoinflamación es muy perjudicial para el motor hablándose de combustión detonante o picado de bielas. 19
VELOCIDADES DEL FRENTE, DE COMBUSTIÓN Y DE ARRASTRE
Velocidad del frente (CF): Es la velocidad con que el frente de llama barre la cámara de combustión (velocidad absoluta). Velocidad de expansión (CA): Es la parte de la velocidad del frente que es consecuencia de la expansión de la zona quemada contra la zona fresca (velocidad de arrastre). Velocidad de combustión (CC): Es la parte de la velocidad del frente que es consecuencia del trasvase de masa desde la zona fresca a la zona quemada fruto de la combustión (velocidad relativa).
2.1.1
Dos Tiempos
El ciclo de trabajo se completa en dos carreras del pistón, en ellas se ha de realizar todo el proceso de funcionamiento. Primer tiempo -
Final del escape Admisión al cárter Compresión y encendido 20
El pistón comienza su ascenso desde el PMI, mientras, los gases quemados están saliendo por la lumbrera de escape hacia el exterior, barridos por los gases frescos procedentes del cárter. El pistón cierra primeramente la lumbrera de transferencia y esto provoca que se genere una depresión en el cárter que cuando el pistón destape la lumbrera de admisión será la que aspire los gases frescos al interior del cárter. Mientras el pistón sigue subiendo y tapa la lumbrera de escape, apartar de este momento empieza la compresión de la mezcla, antes de que el pistón llegue al PMS salta una chispa en la bujía que es la encargada de realizar la combustión de la mezcla. Segundo tiempo -
Expansión Escape Pre compresión en el cárter Carga del cilindro
Llegado el pistón al PMS, el pistón comienza a descender quedando al poco de empezar este descenso descubierta la lumbrera de escape, mientras el pistón desciende los gases frescos están siendo comprimidos por el pistón en el cárter, que en el momento en que el pistón descubra la lumbrera de transferencia saldrán a presión para así realizar el barrido de los gases de escape.
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2.1.2
Cuatro Tiempos
Primer tiempo Admisión.Al inicio de este tiempo el pistón se encuentra en el PMS. En este momento la válvula de admisión se encuentra abierta y el pistón, en su carrera o movimiento hacia abajo va creando un vacío dentro de la cámara de combustión a medida que alcanza el PMI, ya sea ayudado por el motor de arranque cuando ponemos en marcha el motor, o debido al propio movimiento que por inercia le proporciona el volante una vez que ya se encuentra funcionando. El vacío que crea el pistón en este tiempo, provoca que la mezclaairecombustible que envía el carburador al múltiple de admisión penetre en la cámara de combustión del cilindro a través de la válvula de admisión abierta. Segundo tiempo Compresión. Una vez que el pistón alcanza el PMI, el árbol de leva, que gira sincrónicamente con el cigüeñal y que ha mantenido abierta hasta este momento la válvula de admisión para permitir que la mezcla aire-combustible penetre en el cilindro, la cierra. En ese preciso momento el pistón comienza a subir comprimiendo la mezcla de aire y gasolina que se encuentra dentro del cilindro. Tercer tiempo Explosión. Una vez que el cilindro alcanza el PMS y la mezcla aire-combustible ha alcanzado el máximo de compresión, salta una chispa eléctrica en el electrodo de la bujía, que inflama dicha mezcla y hace que explote. La fuerza de la explosión obliga al pistón a bajar bruscamente y ese movimiento rectilíneo se transmite por medio de la biela al cigüeñal, donde se convierte en movimiento giratorio y trabajo útil. Cuarto tiempo Escape. El pistón, que se encuentra ahora de nuevo en el PMI después de ocurrido el tiempo de explosión, comienza a subir. El árbol de leva, que se mantiene girando sincrónicamente con el cigüeñal abre en ese momento la válvula de escape y los gases acumulados dentro del cilindro, producidos por la explosión, son arrastrados por el movimiento hacia arriba del pistón, atraviesan la válvula de escape y salen hacia la atmósfera por un tubo conectado al múltiple de escape.
De esta forma se completan los cuatro tiempos del motor, que continuarán efectuándose ininterrumpidamente en cada uno de los cilindros.
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2.2
Motor encendido por compresión
Motor de encendido por compresión (MEC) El motor admite aire sin combustible inyectándose combustible (chorro) al final de la carrera de compresión. La mezcla se autoinflama como consecuencia de la propia compresión. La combustión se desarrolla sobre una mezcla heterogénea. Siempre trabajan con mezclas con exceso de aire.
Combustión por autoinflamación La mezcla fresca se inflama por sí misma por estar sometida a altas presiones y temperaturas que son ocasionadas como consecuencia de la compresión sufrida por la mezcla fresca. Es una combustión rápida y brusca ("descontrolada"). Habitualmente, la combustión por autoinflamación en MEP se ve precedida por la combustión normal, ya que al avanzar el frente de llama como consecuencia de la combustión normal se produce la compresión de la zona fresca. Se podría hablar así de un % de combustión normal y un % de combustión por autoinflamación.
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La combustión por autoinflamación es casi instantánea, mucho más rápida que la combustión normal, provocando elevados gradientes de presión, con aparición de ondas de presión a menudo audibles, hablándose entonces de detonación o picado de bielas.
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La detonación es un fenómeno muy peligroso, ya que las vibraciones inducen mayor transmisión de calor a través de las paredes, pudiendo destruir el motor si el fenómeno es intenso y se mantiene de manera prolongada. Para que la mezcla se autoinflame es necesario que se den una serie de prerreacciones químicas. Estos fenómenos requieren un tiempo que se denomina tiempo de retraso o inducción, éste es menor cuanto mayores son la presión y la temperatura. Transcurrido el tiempo de retraso si la combustión normal no ha concluido se producirá la autoinflamación. La intensidad de la detonación está muy ligada a la masa de mezcla que sufre la autoinflamación. Esta viene caracterizada fundamentalmente por el % de mezcla que se autoinflama y por el grado de carga del motor. La detonación es un fenómeno que limita las prestaciones del motor: obliga a veces a mantener avances a la combustión menores a los que dan la máxima potencia en unas condiciones de funcionamiento dadas.
Los motores actuales llevan acelerómetros que en caso de detectar detonación informan al sistema de ignición para disminuir el avance al encendido, preservándose así la vida del motor.
COMBUSTIÓN EN MEC El combustible es inyectado en el interior de la cámara de combustión al final de la carrera de compresión. Tan pronto como se inyecta el combustible, se forman las primeras gotas que se evaporan y mezclan con el aire, y debido a las altas P y T empiezan las prerreacciones químicas que van a
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dar lugar después de un cierto tiempo (llamado tiempo de retraso) a la aparición de llama por autoinflamación.
La localización del punto donde se inicia la combustión es aleatoria, no dependiendo la inflamación de la mezcla de un aporte exterior de calor como ocurría en MEP (encendido provocado), sino que se trata de un fenómeno de autoinflamación que es consecuencia del elevado estado térmico (P,T) que existe en la cámara en las cercanías del PMS (encendido por compresión). El desarrollo de la combustión en MEC depende fundamentalmente de las condiciones locales de dosado y temperatura de cada punto de la cámara de combustión. La llama suele aparecer cuando la distribución del aire y combustible no es todavía homogénea, por lo que coexisten los procesos de formación de la mezcla y de combustión. La duración de la combustión es mayor en MEC que en MEP. El proceso de combustión está íntimamente ligado a la distribución del combustible en el aire, por lo que es necesario: Buenas características del sistema de inyección. Elevada turbulencia en la cámara de combustión.
El diseño de la cámara de combustión en MEC tiene una gran importancia, ya que además de favorecer la correcta combustión, tiene también la misión de propiciar la formación de una mezcla adecuada. Se distinguen dos tipos fundamentales de cámaras: Cámara abierta (inyección directa). El papel principal en la distribución de combustible lo juega el sistema de inyección. Cámara dividida (inyección indirecta). El papel principal lo juega la turbulencia obtenida con geometrías complejas de la cámara de combustión.
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Las relaciones de compresión tienen valores entre 12 y 23. Tienen que ser mayores que un cierto valor para garantizar el arranque en frío.
2.2.1
Dos Tiempos
El diesel de dos tiempos se usa en propulsión marina, por su sencillez mecánica y bajo consumo. Son de gran cilindrada y desarrollan potencias superiores a 35000 KW., giran lentamente entre 80 200 rpm. , Por lo que hay tiempo para realizar un buen barrido. La presión necesaria para introducir el aire en el cilindro es proporcionada por un turbocompresor, en lugar de realizarse a través del cárter. En los diesel no existe perdida de combustible por el escape debido a que solo se inyecta aire. Ciclo de trabajo Este ciclo difiere en algunos aspectos respecto al motor Otto, en la manera de realizar el barrido, además de las diferencias en la alimentación y la forma de realizar la combustión. Primer tiempo: -Final del barrido -Compresión e inyección
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Partiendo del PMI. , El pistón comienza a subir mientras se realiza la última fase del barrido. Se cierra las lumbreras de admisión y escape, y el aire contenido en cilindro se comprime, momentos antes de que el pistón llegue PMS. Se produce la eyección del combustible que se inflama al contacto con el aire caliente comprimido en la cámara de combustión. Segundo tiempo: -Expansión -Escape -Llenado de cilindro En el PMS la presión originada en la combustión es aplicada sobre la camisa del pistón que comienza a descender en expansión. Se descubre la lumbrera de escape descargando la presión y, a continuación la de admisión que permite la entrada de aire impulsado por la bomba, con una presión de 11.4 bar. Este aire realiza el barrido en el cilindro, obligando a salir a los gases quemados por la lumbrera de escape y expulsando parte de este aire que suministra la bomba con el fin de asegurar un buen barrido, que se prolonga hasta que, al subir el pistón, cierra la lumbrera.
Particularidades constructivas La mayoría de estos motores usan como bomba de barrido un turbocompresor accionado por los gases de escape, haciéndose necesarios intercoolers. En la entrada de las lumbreras de admisión se disponen laminas, que permanecen cerradas siempre que la presión interior sea superior a la admisión, una vez expulsado los gases de escape, comienza a entrar el aire de barrido dirigido por la inclinación de las lumbreras. Parte del aire frío es expulsado por la lumbrera de escape, este efecto tiene como objetivo eliminar totalmente los gases quemados y refrigerar. 28
Los elementos móviles son voluminosos y muy pesados, lo cual requiere un régimen de giro muy lento, que se mantiene constante, por lo que se dispone de unas condiciones favorables para realizar la evacuación de los gases quemados y un buen llenado. El consumo especifico de estos motores es muy bajo y la potencia efectiva muy elevada.
2.2.2
Cuatro Tiempos
PRIMER TIEMPO: ADMISIÓN -
El pistón desciende del PMS al PMI. La válvula de admisión se abre en el PMS. El cilindro se llena de aire. En el PMI se cierra la válvula de admisión. El cigüeñal ha dado media vuelta (180º). El pistón ha realizado una carrera.
SEGUNDO TIEMPO: COMPRESIÓN -
El pistón asciende hacia el PMS. Las dos válvulas se encuentran cerradas. Se produce una gran elevación de presión y temperatura (600ºC), que permite la auto inflamación del carburante. Al alcanzar el pistón el PMS, termina este tiempo. El cigüeñal ha dado media vuelta (180º) El pistón ha realizado una carrera.
TERCER TIEMPO: COMBUSTIÓN-EXPANSIÓN -
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-
El pistón se encuentra en el PMS, momento en el que se inyecta el carburante finalmente pulverizado, que, al contacto con el aire caliente, arde de forma espontánea, quemándose durante todo el tiempo que dure la inyección, durando más tiempo la combustión que en un motor de explosión. Las dos válvulas permanecen cerradas. El pistón, debido a la fuerza de expansión de los gases, es empujado violentamente hacia el PMI. En este tiempo es donde se realiza el trabajo y se denomina también "tiempo motor". El cigüeñal ha dado meida vuelta (180º). El pistón ha realizado una carrera.
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CUARTO TIEMPO: ESCAPE -
El pistón asciende desde el PMI al PMS. La válvula de escape se abre en el PMI. Se realiza el vaciado del cilindro de gases quemados, empujados por el pistón en su recorrido ascendente. Al llegar al PMS, la válvula de escape se cierra. El cigüeñal ha dado media vuelta (180º). El pistón ha realizado una carrera.
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COMPARACIÓN MEP Y MEC Comparando el diagrama de presiones de un MEC con el de un MEP, se observan las siguientes diferencias: Las presiones máximas de combustión son mayores en los MEC. El gradiente de presión es mayor en los MEC, lo que les da parte del ruido característico que los diferencian de los MEP. El ángulo de avance a la inyección es menor que el avance al encendido. El ángulo de combustión en MEC es mayor como consecuencia de que el proceso de combustión se prolonga durante parte importante de la carrera de expansión.
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3.
Especificaciones de Motores
MOTOR DIESEL NISSAN PATHFINDER Motor 2.5 dCi (YD25) 3.1 Carrera del Pistón 3.2 Diámetro del Pistón 3.3 Número de Cilindros 3.4 Orden de Encendido 3.5 Desplazamiento 3.6 Relación de Compresión 3.7 Par Máximo (@RPM) 3.8 Potencia Máxima (@RPM) 3.9 Presión Media Efectiva 3.10 Otra información relevante. Curvas de Potencia vs RPM y Par vs RPM
100 mm 89 mm 4 linea 1-3-4-2 2.488 lt 16.5:1 450 N.m @ 2000 rpm 187 hp @ 4000 rpm
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MOTOR GASOLINA DUCATI MONSTER 900 3.1 Carrera del Pistón 3.2 Diámetro del Pistón 3.3 Número de Cilindros 3.4 Orden de Encendido 3.5 Desplazamiento 3.6 Relación de Compresión 3.7 Par Máximo (@RPM) 3.8 Potencia Máxima (@RPM) 3.9 Presión Media Efectiva 3.10 Otra información relevante. Curvas de Potencia vs RPM y Par vs RPM
68 mm 92 mm 2 L-Twin (90°) 1-2 904 9.2:1 79 N.m @ 6500 rpm 53.655 @ 7250 rpm 10.98 bar
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BIBLIOGRAFIA Miralles de Imperial, J. Bombas de Inyección Diesel. Ed. CEAC, 1980 Muñoz, M., Payri, F. Motores de Combustión Interna Alternativos. Servicio Publicaciones E.T.S. Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica Madrid, 1994.Cap.16: Formación de la Mezcla en los MEC. Inyección de Combustible (pp. 425-445). Ciclo otto http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4932/html/2_motor_de_cuatro _tiempos_ciclo_de_otto.html Ciclo Diesel http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4932/html/3_motor_de_cuatro _tiempos_ciclo_diesel.html Ciclo Brayton http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Brayton Ciclo Dual http://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/05/tema-iii-ciclos-de-potencia-de-gasaire-cerrados21.pdf
Disposición de los cilindros http://www.aficionadosalamecanica.net/motor-arquitectura.htm
Distribución de Valvulas http://sapolander.wordpress.com/valvulas-en-motores-de-cuatro-tiempos/ http://www.aficionadosalamecanica.net/distribucion_variable-vvtl-i.htm Lubricación http://www.ecured.cu/index.php/Sistemas_de_lubricaci%C3%B3n_(Motores_de_combusti%C 3%B3n_interna) MOTOR DIESEL NISSAN 34
