MOTORES. CATERPILLAR
Carlos Jopia Baeza Instructor Técnico Sr. Finning - Chile
Los cuatro sistemas básicos que trabajan en un Motor
Conceptos Básicos del Ciclo de Cuatro Tiempos de un Motor.
CONJUNTO DE VOLANTE
El conjunto de Volante consta de lo siguiente: 1.- Volante 2.- Corona ( Cercha ) 3.- Caja de Volante. El volante está empernado a la parte tracera del cigüeñal. El cigüeñal hace girar el volante durante el tiempo de trabajo, el volante Mantiene el cigüeñal girando de manera uniforme durante los tiempos de admisión. Compresión y escape. El Volante realiza tres funciones: 1.-Almacena energá para ganar momento entre tiempos de combustión 2.- Hace que la velocidad del cigüeñal sea uniforme. 3Transmite potencia a una máquina, Convertidor, Generador etc.
Proceso de la Combustión
Ciclo del Motor de Cuatro Válvulas por Cilindro
TIPOS DE CAMISAS DE CILINDROS
Las camisas húmedas disponen de sellos anulares para sellar la camisa del agua e impedir fugas de refrigerante. Las camisas secas se usan a menudo para reparar O encamisar motores de calibre matriz en caso de que falle un cilindro. Las camisas se llaman secas porque se ajustan contra las paredes existentes del calibre Del cilindro en el bloque del motor.
Partes de un Pistón
El pistón, que transmite la fuerza de la combustión, está compuesto por Muchas piezas: 1.- Cabeza – Contine la cámara de combustión 2.- Ranuras y resalto de los anillos- de compresión y de control de aceite. 3.- Orificio del pasador de biela- contiene un pasador que conecta el pistón con la biela. 4.- Anillo de retención- mantiene el pasador de biela dentro del orificio.
ESTILO DE LOS PISTONES
Hay dos estilos de pistones que están relacionados con el sistema de Combustible y el diseño de la camara de combustión. Los pistones de precombustión tienen un cayo termico en la cabeza. Los pistones de inyección directa no tienen cayo termico, y el sistema no usa bujías incandecentes.
PARTES DE UNA BIELA
Las bielas conectan el pistón con el cigüeñal. Una biela consta de varias piezas. 1.- Agujero del pie de biela 2.- Buje del pasador 3.- Vástago 4.- Tapa 5.- Pernos y tuerca de biela 6.- Cojinetes de biela
PARTES PRINCIPALES DE UN CIGÜEÑAL.
El cigüeñal transforma el movimiento alternativo del pistón en un movimiento Giratorio usado para efectuar trabajo. El cigüeñal consta de muchas piezas. 1.- Muñones de cojinetes de biela 2.- Contrapesos 3.- Muñones de cojinetes de bancada 4.- Nervadura. Los cigueñales para los motores en linea generalmente sólo tienen un muñon De cojinetes de biela por cada cilindro. Mientras que los motores en “V” comparten un solo muñón de cojinetes de biela Entre dos cilindros.
MUÑONES DE COJINETES DE BIELA
Los muñones de los cojinetes de biela determinan la posicoón de los pistones. Cuando los muñones están arriba, los pistones están en el punto muerto superior Cuando los muñones están abajo, los pistones están en el punto muerto inferior El orden de encendido del motor determina el momento en que cada muñón de Cojinete de biela llega al punto merto superior. El cigüeñal dispone de orificios para hacer llegar el aceite desde los cojinetes de Bancada a los cojinetes de Biela. Los cigueñales usan cojinetes de bancada para sujetar el cigüeñal en el bloque. Los cojinetes de bancadas están alineados entre si.
LUBRICACIÓN DE LOS COJINETES Y CONTROL DEL JUEGO AXIAL
Las mitades superiores de los cojinetes de bancadas tienen un orificio de lubricación Y normalmente una ranura, de modo que el aceite lubricante se alimente continuamente continuamente por el orificio de engrase del muñon del cojinete de Bancada. Los cojinetes de bancada de empuje reducen al mínimo el movimiento hacia delante Y hacia atrás del cigüeñal, controlando el juego axial. Hay dos tipos de cojinetes de bancadas de empuje 1.- Los cojinetes de casquillo dividido constan de dos piezas. 2.- Los cojinetes de empuje con pestaña son sólo una pieza.
TIPOS DE AMORTIGUADORES DE VIBRACIONES
Existen dos diseños básicos de amortiguadores de vibraciones: Amortiguadores de goma y Amortiguadores viscoso. Los amortiguadores de vibraciones de goma ( Izquierda ) usan goma densa para Absorber las vibraciones. Los amortiguadores viscoso ( derecha ) usan aceite pesado para absorber las vibraciones En la parte delantera del cigüeñal puede haber un amortiguador de vibraciones. Los amortiguadores controlan las vibraciones de torsión o giro del cigüeñal. Un amortiguador se asemeja a un volante mas pequeño que está encajado a Presión o empernado a la parte delantera del cigüeñal.
ÁRBOL DE LEVAS
La finalidad del árbol de levas es controlar la operación de las válvulas de Admisión y escape. Las válvulas de admisión las controla el camón –1- y las de escape el camón -2Son operadas por lóbulos separados para cada cilindro. Algunos ejes de levas tienen tres lóbulos El tercer lóbulo controla la inyección de combustible, que operan los inyectores Estos controlan el momento en que se inyecta el combustible en el cilindro. Los lóbulos constan de tres partes principales: 1.- Circulo de la base 2.- Rampas 3.- Puntas
COMPONENTES DEL MOTOR
Conjunto de Block, Culata, Tren de Engranajes.. El conjunto de bloque es donde se produce la potencia. El bloque del motor es la estructura que soporta todos los componentes del motor. Los cilindros son agujeros en el bloque del motor. Efectúan una serie de tareas: 1.- Contiene los Pistones 2.- Forman las cámaras de combustión. 3.- Disipan el calor de los Pistones. Los bloques de motor tienen diseños diferente. Los motores en linea tienen todos Los cilindros en fila. Los motores en “V” separan los cilindros en dos filas, y el Bloque tiene forma de “V”. Los bloque son normalmente de hierro colado gris. Los conductos de Lubricante Y refrigerante, forman parte integral del bloque.
ANILLOS DE PISTONES
Cada uno de los pistones tiene dos o más anillos que encajan en ranuras en el pistón Tienen tres funciones pricipales: 1.- Sellan la cámara de combustión. 2.- Controlan la lubricación de las paredes de los cilindros. 3.- Enfrian el pistón transfiriendo el calor generado por la combustión. Hay dos tipos de anillos de pistón: 1.-Anillos de Compresión 2.-Anillo de Cntrol de Aceite. Los anillos de compresión sellan la parte inferior de la cámara de combustión Impidiendo que los gases de combustión se fuguen por los pistones. Detrás del anillo de control de aceite hay un resorte de expansión que permite Mantener una pelicula uniforme de aceite en la pared del cilindro. Todos los anillos tienen una superficie endurecida para prolongar la duración De los anillos.
CONJUNTO DE CULATA Y TREN DE VÁLVULAS
1.- Culata 2.- Tapa de Válvulas 3.- Puente 4.- Conjunto de resorte de válvula 5.- Guia de válvula 6.- Casquillo de válvula 7.- Válvula 8.- Conjunto de Balancines. La culata es un conjunto de fundición separada que sella la parte superior del block Del motor y contiene: El tren de válvulas, inyectores, o Camara de precombustión. Ciertos componentes del sistema de combustible, refrigeración,lubricación y aire. La cula ta está asentada en la parte superior del block, con empaquetadura y placa Espaciadora, fijada con pernos o esparragos.
TREN DE ENGRANAJES DE DISTRIBUCIÓN.
El tren de engranajes sincroniza todos los componentes del motor de modo que Trabajen sincronizados en cada tiempo del ciclo del motor. El conjunto del tren de engranajes, es una serie de engranajes que transfieren La potencia del motor a una serie de componentes principales
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
El sistema de enfriamiento de un motor sirva para mantener la temperatura de Un motor a un nivel adecuado. El calor siempre se desplaza de un punto de origen caliente a un punto de destino mas frio. El punto de destino puede ser metal, liquido o aire. La clave es la diferencia de temperatura relativas entre dos puntos. Todos los componentes del sistema de refrigeración desempeñan una función en la transferencia termica.
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO.
Los componentes principales de un sistema de Enfriamiento son: 1.- Bomba de agua 2.- Enfriador de aceite 3.- Conductos que atraviesan el bloque del motor y culata 4.- Caja de termostato. 5.- Radiador. 6.- Tapa de presión 7.- Mangueras y tuberías de conexión Normalmente el sistema cuenta con un ventilador, el cual con el flujo De aire ayuda a dicipar el calor, los ventiladores pueden ser de dos tipos Sopladores y succionsdores
VÁLVULA DE PRESIÓN
Al calentarse el refrigerante sube la presión interna, al llegar al valor especificado, la válvula de presión abre y descarga aire al exterior, manteniendo, la presión interna en el sistema.
Al enfriarse el sistema , se pierde la presión y aparese la depresión, al ser superio la presión atmosferica, se abre la otra parte de la válvula y permite el paso de aire al bote superior.
INGREDIENTES DEL REFRIGERANTE
El refrigerante es una mescla de Agua, Anticongelante y Acondicionador Cada elemento tiene una finalidad distinta y junto protegen al motor de Recalentamiento, Congelamiento y la Corrosión. El agua es el ingrediente principal de todos los refrigerantes debido a que transfiere calor mejor que cualquier otro elemento. El agua presenta varias desventajas como refrigerante: 1.- Hierve con facilidad. 2.- Se congela. 3.- Es muy corrosiva para los metales. Se añaden anticongelante y acondicionador para corregir dichas deficiencias. Se usa anticongelante para aumentar el punto de ebullición y desminuor El punto de congelamiento del agua. El acondicionador impide la corroción, revistiendo todos los componentes del sistema de enfriamiento. El revestimiento fino impide que el agua y la eroción por cavitación ataquen el metal.
SISTEMA DE LUBRICACIÓN
El sistema de lubricación consta de: 1.- Un colector o sumidero de aceite ( Carter ) 2.- Una campana de succión.
3.- Bomba de aceite. 4.- Válvula de alivio. 5.- Filtro de acete con válvula de derivación 6.- Enfriador de aceite motor con válvula de derivación. 7.- Multiple principal de aceite. 8.- Surtidores de enfriamiento de pistones (Eyectores ) 9.- respiradero del carter
FLUJO DE ACEITE EN EL MOTOR
Desde el colector el aceite trancita por la rejilla de la campana de succión Hacia la bomba de aceite y esta genera un flujo que lo envia al motor, atraves del enfriador de aceite que elimina el calor de este y pasa a los Filtros, donde se limpia de todas las impuresas que pueda tener. El enfriador y los filtros tienen válvulas de derivación las cuales trabajan Por presión, cuando el aceite está muy frio o presentan una restricción por suciedades, las válvulas abren y permiten el paso de aceite sucio, para no causar daños irreparables en el motor. Desde los filtros el aceite pasa al multiple principal y se reparte en el interior del motor por todas sus canalizaciones, dandele prioridad a la refrigeración y lubricación del turbo y a todas las partes moviles como cigüeñal , eje de levas. Engranajes etc.
SURTIDORES DE ENFRIAMIENTO DE LOS PISTONES.
Surtidores o Eyectores de aceite. Tienen la finalidad de pulverizar aceite en la parte inferior de cada pistón para refrigerarlos. Tambien cumplen con la finalidad de ayudar a la lubricación de las paredes de los cilindros.
En este otro caso el aceite salpica atraves de los cojinetes de biela hacia la parte inferior de los pistones.
ACEITE DE LUBRICACIÓN
Los motores requieren de aceite adecuado, de la viscocidad adecuada y de una cantidad adecuada para poder operar bien. El aceite debe de cumplir cinco funciones en el motor.
1.- Lubricar. 2.- Enfriar 3.- Limpiar. 4.-Amortiguar 5.-Sellar. Esto lo debe de hacer en una variedad de condiciones de operación. El aceite debe de circular y lubricar en climas frios y poder resistir el calor sin diluirse ni descomponerse.
ADITIVOS DE ACEITE MAS COMUNES
RESPIRADERO DEL CARTER
Los respiraderos del carter ventean los gases de la combustión que se fugan por los anillos de los pistones. Esto mantiene presiones estables dentro del carter. Los respiraderos a menudo están montados encima del motor. Esto iguala la presión dentro del carter del motor con la presión en el exterior y deja que el aceite se drene de vuelta al carter. Es muy importante mantener los respiraderos limpios, si estos se llegan a tapar por suciedades, aumentara la presión en el interior del motor lo que probocara abundantes filtraciones y rotura de sellos y empaquetaduras.
SISTEMA DE ADMISIÓN Y ESCAPE DE AIRE
El sistema de admisión y escape de aire es muy importante en el trabajo de un motor. Especialmente en su rendimiento.
La entrega de potencia de un motor está relacionado directamente con la relación de AIRE / COMBUSTIBLE. Cualquiera de estos elementos que falle, altera directamente la potencia del motor.
COMPONENTE DEL SISTEMA DE ADMISIÓN Y ESCAPE
1.- Pre-filtro de aire 2.- Filtro de aire-primario y de seguridad 3.- Turbo alimentador 4.- Multiple de admisión 5.- Enfriador de aire 6.- Multiple de escape 7.- Tubo de escape 8.- Silenciador.-
PRE-FILTRO O ANTE FILTRO
El pre-filtro elimina los contaminantes mas pesados y mas grandes que se encuentren suspendidos en el aire. El aire limpio es critico para obtener un rendimiento optimo del motor. La suciedad acumulada en el ante filtro, probocará la saturación de los filtros principales, con los cocecuentes daños al motor. Periodicamente se le debe de hacer manteción a los pre-filtros. El aire sale del pre-filtro y entra al filtro primario y de este al segundario, para ir a alimentar al turbo, El manual de servicio indica las manteciones adecuadas a efectuar en los filtros de aire.
TURBO ALIMENTADOR
El turbo consta de dos partes principales: El lado de admisión o del rodete compresor. El lado de escape o turbina. Los gases de escape son la fuerza motriz que hace girar al turbo, los cuales provienen al evacuarse los gases de la combustión. Al girar la turbina transmite su movimiento a traves del eje al compreso y este por su construcción succiona aire el cual comprime y lo introduce al motor, directamente o a traves de un enfriador de aire, dependiendo de la potencia que deba entregar el motor.
VÁLVULA DE DERIVACIÓN DE GASES DE ESCAPE.
Una válvula de derivación se usa en algunos motores para controlar la presión de refuerzo. Cuando la presión de refuerzo tiende a aumentar por sobre lo especificado, la válvula de derivación se abre y permite derivar los gases de escape para que no pasen por la turbina y salgan directamente por el tubo de escape y asi al bajar las revoluciones el turbo, baja la presión de refuerzo y por conciguiente la potencia del motor, esto lo mantine trabajando siempre sobre las noemas especificadas. Manteniendo la relación de Aire / Combustible, siempre en optimas condiciones de trabajo,
ENFRIADOR DE AIRE
Los turbo compresores, al comprimir el aire de suministro al motor lo calientan alrededor de 300°F el aire caliente es menos denso y como se necesita mayor cantidad de aire para el rendimiento optimo del motor es necesario enfriarlo. para esto se usa un enfriador de aire Pos-enfriador o “after cooler” al pasar el aire caliente atraves de el, le quita el calor dejandolo mas denso y con esto logramos meter mas aire comprimido a cada cilindro del motor, y poder mejorar su rendimiento. Los Pos-enfriadores se llaman así porque enfrian el aire despues de atravesar el turbo. Ciertos pos-enfriadores se encuentran ubicados entre el turbo y el multiple de admisión y otros se encuentran en el interior del multiple de admisión.
TIPOS DE SISTEMA DE ADMISIÓN DE AIRE
Sistema de aspiración natural
N.A. Sistema Turbo Alimentado
T
Sistema Turbo Alimentado Pos-enfriado
T.A
SISTEMA DE COMBUSTIBLE
Hay distintos tipos de sistema de combustible que se usan en los motores. Caterpillar. 1.-Sistema con Bomba Inyectora. Bombas Forjadas Bombas Compactas Scroll Bombas Nuw Scroll. 2.-Sistema con Inyectores bomba . a.- Mecanico- ( MUI ) b.- Electronico (accionado Mecánicamente MEUI ) c.-Electronico (accionado Hidraulicamente HEUI )
COMPONENTES DEL SISTEMA DE COMBUSTIBLE.
1.- Estanque de Combustible. 2.- Filtros. 3.- Bomba de Transferencia. 4.- Bomba Inyectora. 5.- Regulador o Gobernador. 6.- Mecanismo de Avance de Sincronización. 7.- Control de Relación Aire/Combustible. 8.- Tuberia de Combustible de Alta Presión. 9.- Tuberia de Combustible de Baja Presión. 10.-Inyectores. 11.-Tuberia de Retorno.
ESTANQUE DE COMBUSTIBLE
El estanque de combustible almacena el petroleo de suministro para el motor. Los estanques pueden ser de distinta forma y tamaño. Y pueden estar ubicados en distintos lugares, dependiendo su aplicación. Lo que hay que tener presente es que los estanques al ser construidos de metal, estan sometidos a la condensación de agua. Por tal motivo todos los estanques, se deben drenar todos los dias O cada 10 horas, para eliminar el agua presente en el estanque, al no eliminar el agua esta entrara al sistema de inyección causando severos daños por oxidación a los distintos componentes, en los elementos bombantes, este daño es irreparable.
FINALIDAD DEL SISTEMA DE COMBUSTIBLE.
La cantidad de combustible que consume un motor está relacionada directamente con la cantidad de aire y la potencia a entregar. En general, cuando mas combustible llegue a un motor, mayor será el par motor disponible en el volante. El sistema de combustible suministra combustible limpio, en el momento adecuado y en la cantidad adecuada, para satisfacer la demanda de potencia. Los componentes del sistema de combustible hacen corresponder el suministro de combustible con la demanda de potencia del motor, alterando la cantidad de combustible inyectada, y el momento de la inyección. Estas funciones son controladas por la bomba inyectora. y un gobernador, o por un modulo de control electronico
FLUJO DEL COMBUSTIBLE
El combustible empieza a circular al girar la llave de contacto para arrancar el motor. Al girar la llave, se activa un solenoide que permite la circulación de combustible de la bomba de transferencia a la bomba inyectora. La bomba de transferencia extrae combustible desde el estanque a través del filtro primario de combustible, que es el encargado de eliminar todas las particulas grandes. La bomba de transferencia suministra flujo por la parte de baja presión del sistema de combustible. La finalidad principal de la bomba de transferencia de combustible es mantener un suministro adecuado de combustible limpio en la bomba inyectora o en los inyectores bomba. El filtro de combustible principal o secundario, este filtro elimina particulas y contaminantes diminutos del combustible, que pueden dañar los elementos bombantes y los inyectores. Los filtros finales se encuentran ubicados entre la bomba de transferencia y la caja de la bomba inyectora.
BOMBA DE CEBADO
La mayoria de los filtros de combustible disponen de una bomba de cebado de combustible en la base. Se puede usar la bomba de cebar el sistema si se hecho alguna reparación que causo que entrara aire al sistema. Despues de un cambio de filtros, se debe de usar la bomba de cebado, para poder drenar todo el aire del sistema. No olvidar que los filtros de combustible siempre se deben de instalar secos solamente se debe de lubricar su sello de ajuste, y se deben de llenar con la bomba de cebado.
BOMBA INYECTORA
El combustible sale del filtro final y pasa a la canalización de combustible dentro de la caja de la bomba inyectora. Los elementos bombantes someten el combustible a presión. La bomba inyectora está ubicada por lo general cerca de la parte delantera del motor, ya que debe de ser impulsada por los engranajes de distribución. En los sistemas con bomba inyectoras, las tuberias de combustible de alta presión hechas de acero conectan los elementos bombantes con los inyectores. Los inyectores se encuentran ubicados en la culata.
INYECTORES
Los inyectores disponen de válvulas que se abren cuando la presión de combustible es lo suficientemente alta. Cuando abre la válvula el combustible se atomiza y se pulveriza en la camara de combustión. Al final de la inyección se produce iuna caida rapida de presión que cierra la válvula
Se dispone de mas combustible en la caja de la bomba inyectora que la que puede usar el motor.
La Tuberia de Returno 1.-Dirige el exceso de combustible de vuelta al estanque. 2.-Elimina el aire del sistema. 3.-Enfria el combustible, manteniendolo en movimiento.
SISTEMA DE PARADA
Todos los sistemas de combustibles disponen de métodos de Eléctronicos o Manuales para cortar el suministro de combustible
INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE
Momento en que se produce la inyección de combustible. En motores diesel el combustible se inyecta en la carrera de compresión Antes de que el piston llegue al punto muerto superior. El principio básico de inyección de combustible, es que se debe de inyectar la cantidad justa en el momento apropiado, para poder satisfacer la demanda de potencia. El combustible requiere tiempo para quemarse, esto se denomina: 1.- “Ventana de quemado” y se mide en grados de giro del cigüeñal los grados de giro significan el número de grados que gira el cigüeñal durante la inyección del combustible. 2.- “Punto inicial de inyección” La ventana de quemado se define por el punto inicial de la inyección o sincronización. 3.- “Duración de la inyección” Se mide en grados de giro del cigüeñal.
BOMBA INYECTORA
COMIENZO DE LA INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE
DURACIÓN DE LA INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE
CREMALLERA DE CONTROL DE COMBUSTIBLE
El movimiento de la cremallera hace girar los embolos de modo que el espiral pueda controlar el suministro de combustible, (1) manteniendo la lumbrera cerrada hay mas tiempo de la inyección A medida que disminuye la demanda de combustible la cremallera se mueve hacia la posición de conte de combustible ( 2 ) y las lumbreras se abren
PICISIÓN DEL ESPIRAL O ELICOIDE
REGULADORES MECÁNICOS
Funcionamiento de los reguladores mecánicos. Los reguladores mecánicos usan un sistema de pesas y resortes para mover la cremallera de control. Los resortes siempre tratan de mover la cremallera a la posición de maximo combustible. Las pesas o contrapesos, siempre trataran de mover la cremallera a la posición de corte de combustible. Cuando las fuerzas se equilibran, el motor opera a unas R:P:M. estables.
El suministro de combustible afecta directamente la velocidad del motor y la potencia producida. El mayor suministro de combustible aumenta la potencia del motor. Los reguladores o gobernadores regulan el suministro de combustible para controlar la velocidad del motor entre un ajuste de bajas rpm. Y un ajuste de altas rpm. Llamado normalmente: Velocidad baja y alta en vacio respectivamente. Los reguladores están montados normalmente en la parte trasera o superior de la bomba inyectora.
CONTROL DE LA RELACIÓN DE AIRE Y COMBUSTIBLE
El sistema de combustible no puede operar aislado de los otros sistemas del motor. En particular, el sistema de admición y escape de aire es critico. El combustible no se quema completamente a menos que haya suficiente aire. El control de relación aire combustible asegura que haya la cantidad apropiada de combustible inyectado para la cantidad de aire presente en el cilindro. Detecta la presión de refuerzo y anulará la acción del regulador para impedir que se inyecte un exceso de combustible. Esto puede ayudar a controlar las emiciónes y mejorar la eficiencia del combustible. El Control de Relación Aire Combustible, se encuentra montado en el regulador.
SISTEMAS DE INYECCIÓN ELECTRONICOS
En un sistema M:E:U:I: la cremallera, el regulador mecánico, el avance de sincronización y el control de relación de aire combustible son reemplazados por el modulo de contrpol electronico E.C.M. Y varios sensores y solenoides. Todas las funciones realizadas por las unidades mecánicas se controlan eléctronicamente, dando una mayor precisión y fiabilidad. El ECM. Detecta la velocidad y la carga del motor y ajusta automaticamente la sicrinización y la duracion en la entrega de combustible. VENTAJAS DE LA INYECCIÓN ELECTRONICA. 1.- Mayores presiones de inyección. 2.- Rociado uniforme. 3.- Mejor atomización del combustible. 4.- Mejor combustión. 5.- Mayor eficiencia del combustible. 6.- Menores emiciones. 7.- Mayor fiabilidad.
SISTEMA DE ADMICIÓN Y ESCAPE DE AIRE MOTOR - 3412
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN MOTOR - 3412
SISTEMA DE LUBRICACIÓN MOTOR - 3412
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE. MOTOR - 3412
