Proyecto de Motores de Combustion Interna (3) (1)

Termodinámica II

Facultad de Ingeniería Industrial

Universidad Laica Eloy Alfaro de Manabí

Proyecto de Termodinámica 2 Tema: Ciclo de motor de combustión interna (Otto) Integrantes:  Alvarado Jennifer  Jaramillo Víctor  María Fernanda

 Veléz Fabricio

 Zambrano Kerly

Semestre: 5 “A “

Docente: Ing. Juan Luis Rodríguez

Termodinámica II

INDICE 1. Portada 2. Introducción 3. Justificación 4. Objetivos 1 capítulo I  historia del motor de combustión interna  motor de combustión interna (ciclo Otto)  avances en el rendimiento 2 capitulo II  diagrama de un motor ciclo Otto  ciclo Otto teórico  partes del motor de combustión interna y funcionamiento comparación de clases de motores 2 marcas diferentes 3 capitulo III  daños ecológicos Medidas a largo plazo



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Introducción Desde que se dieron los primeros indicios de la aplicación de motores de combustión interna, a la época actual, vemos que el desarrollo se ha venido centrando en el perfeccionamiento de las factorías para producir más y mejores motores, e igualmente se ha venido desarrollando paralelamente materiales, lubricantes, procesos de fabricación e igualmente modificaciones al funcionamiento debemos analizar el funcionamiento del ciclo Otto y el porqué de su majestuosa eficiencia en 40%. El diseño realizado por el Señor FEDERICO AUGUSTO OTTO ya tiene más de 143 años y se ha depurado a tal punto que se ha llegado al límite de los rendimientos mecánico y cualitativo; todo esto producto de ingeniosos destellos creativos y muchísimas horas de labor. Aun así el rendimiento orgánico del conjunto apenas si alcanza un incipiente cuarenta por ciento. Claro que recordando el quince por ciento de rendimiento de la majestuosa maquina a vapor, notamos un gran avance. Es una de las maquinas más utilizadas en la actualidad y de las cuales se sabe que es una de las causante de los daños ambientales por su consumo de petróleo. Vamos a estudiar cómo está constituido, cuáles son sus partes fundamentales y saber por qué es considerada una de las maquinas con el mayor rendimiento posible, tendremos una comparación de dos motores y saber su cuál es su óptimo funcionamiento



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Justificación El presente proyecto integrador se ha determinado como objeto en el estudio del motor de combustión interna ya que en la actualidad se ha podido Observar diferentes y diseñados a pedido del cliente si desea fuerza o velocidad. Estudiaremos el ciclo Otto y lo aplicaremos en nuestro programa cyclepad y en el termograf De parte de los investigadores existe motivación, interés, el tiempo requerido y los recursos necesarios para desarrollar el estudio; Por otra parte, desde el punto de vista metodológico está investigación genera más conocimientos prácticos de dicha cátedra Cabe recalcar que a través de este proyecto de investigación nos permite conocer el funcionamiento de dichos motores de combustión interna ya que es un campo abierto en el cual es muy útil factible conocer el funcionamiento y los procesos que intervienen en ellos.



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Objetivos  Objetivo generales: Conocer los funcionamientos y los elementos integrados en el motor de combustión interna especificando en el ciclo “Otto” aplicando en el programa cyclepad.

 Objetivos especificos Evaluar la caracterización de un ciclo Otto, Conocer los procesos que interviene en el mismo Mencionar las partes del motor de combustión describiendo su Conocer a los agentes que intervienen en proceso de funcionamiento Calcular los datos en el programa cyclepad y termograf Conocer el impacto ambiental provocado por los motores de combustión interna



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Capítulo I Historia del motor de combustión interna Los orígenes de los motores son muy remotos. Especialmente si se consideran los inicios o precedentes de algunos elementos constitutivos de los motores, imprescindibles para su funcionamiento como tales. Considerados como máquinas completas y funcionales, y productoras de energía mecánica, hay algunos ejemplos de motores antes del siglo XIX. A partir de la producción comercial de petróleo a mediados del siglo XIX (1850) las mejoras e innovaciones fueron muy importantes. A finales de ese siglo había una multitud de variedades de motores usados en todo tipo de aplicaciones. A pesar de los problemas asociados (energéticas, dependencia, contaminación del aire, aumento de los niveles de CO2,...) son todavía imprescindibles y se fabrican según diseños muy diferentes y una gama muy amplia de potencias que va desde pocos vatios hasta miles de Kw  Prehistoria. El pistón de fuego se usaba en el Sureste de Asia y en las islas del Pacífico para encender el fuego, aprovechando la compresión adiabática del aire en un cilindro de madera y un pistón  1772: Antoine Laurent Lavoisier determina la composición del aire atmosférico, explicando que era una mezcla de oxígeno y de nitrógeno ("azote" en francés que dio "ázoe" en castellano). La mayoría de motores de combustión funcionan con atmosférico  1780: Alessandro Volta inventa una pistola d aire Semestre: 5 “A “


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 e juguete que dispara un tapón de corcho por la explosión de una mezcla de aire e hidrógeno inflamada por una chispa eléctrica.  1856: El italiano Pietro Benini construye un prototipo de motor con una potencia de 5 CV.

Motor de combustión interna

Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de una cámara de combustión. Su nombre se debe a que dicha combustión se produce dentro de la máquina en sí misma, a diferencia de por ejemplo, la máquina de vapor.

Tipos principales  Alternativos. • El motor de explosión ciclo Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor Convencional de gasolina. • El motor diésel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo.



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• La turbina de gas.  El motor rotatorio.  El Ciclo Atkinson.

Motor convencional del tipo Otto El motor convencional del tipo Otto es un motor de tipo alternativo de cuatro tiempos (4T), aunque en fuera borda y vehículos de dos ruedas hasta una cierta cilindrada se utilizó mucho el motor de dos tiempos (2T). El rendimiento térmico de los motores Otto moderno se ve limitado por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción, la refrigeración y falta de constancia en las condiciones de funcionamiento. La termodinámica nos dice que el rendimiento de un motor alternativo depende en primera aproximación del grado de compresión. Esta relación 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 para evitar el fenómeno de la detonación, que puede producir graves daños en el motor. La eficiencia o rendimiento medio 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. Semestre: 5 “A “


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Avances en el rendimiento de los motores de combustión interna ciclo Otto Motores con sistema VVT-i: La distribución dgvte válvulas variable es un sistema que hace variar el tiempo de apertura y cierre 66vrTX NV breve TX de las válvulas de admisión de aire (o escape de gases) en un motor de combustión interna alternativo, especialmente de Semestre: 5 “A “


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ciclo Otto, en función de las condiciones de régimen y de carga motor con objeto de optimizar el proceso de renovación de la carga. El objetivo final es mejorar el rendimiento volumétrico en todas las circunstancias, sin recurrir a dispositivos de sobrealimentación. Un motor equipado con un sistema de sincronización variable de válvulas se libera de esta restricción, lo que permite que se mejore el rendimiento en el rango de funcionamiento del motor. En las zonas de bajas rpm, un cruce reducido favorece un ralentí estable y unas emisiones de gases más bajas

Sistema de inyección directa gasolina: La inyección directa de la gasolina posibilita una definición exacta de los intervalos de alimentación del carburante en cada ciclo de trabajo de los pistones así como un preciso control del tiempo que se necesita para preparar la mezcla de aire y combustible. En unas condiciones de carga parcial del Semestre: 5 “A “


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motor, el combustible es inyectado muy cerca de la bujía y con una determinada turbulencia cilíndrica (efecto tumble) al final de la fase de compresión mientras el pistón se está desplazando hacia su punto muerto superior. Está concentrada carga de mezcla puede ser explosionada aunque el motor se encuentre en esos momentos en una fase de trabajo con un determinado exceso de aire (1/12.4). Su grado de efectividad termodinámica es correspondientemente más alto. Comparado con un sistema de inyección en el colector de admisión (MPI) se obtienen unas importantes ventajas de consumo de combustible merced a la eliminación de la citada estrangulación



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Capitulo II Diagrama y descripción de un ciclo Otto Un ciclo Otto ideal es una aproximación teórica al comportamiento de un motor de explosión. Las fases de operación de este motor son las siguientes:

Admisión (1) El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como la

Compresión (2) El pistón sube comprimiendo la mezcla. Dada la velocidad del proceso se supone que la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores Semestre: 5 “A “ Juan Luis Rodríguez

Docente: Ing.

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Combustión Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar). Esto se representa por una isocora B→C. Este paso es claramente

Expansión (3) La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible

Escape (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, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y Semestre: 5 “A “ Docente: Ing. Juan Luis Rodríguez

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Partes del motor de combustión interna y funcionamiento CULATA DEL MOTOR Con el nombre de culata se conoce a la parte superior del motor. Sirve, entre otras cosas, de cierre a los cilindros por su parte superior. En ella van alojadas, las válvulas de admisión y escape, las bujías (en los OTTO), el árbol de levas y los conductos de admisión de aire y gasolina y de escape. Es la encargada de soportar las explosiones originadas en la cámara de combustión. Está unida firmemente al bloque por tornillos. Entre ambas piezas se coloca una “junta de culata” garantizando así un sellaje entre el bloque y la culata hermética, está hecha de aluminio con alineación de otros materiales EL BLOQUE DEL MOTOR Es la estructura básica del motor y parte más grande del motor. Contiene los cilindros donde los pistones suben y bajan, conductos por donde pasa el líquido refrigerante y otros conductos independientes por donde circula el lubricante. Generalmente el bloque está construido en aleaciones de acero o aluminio La forma del bloque depende de cómo se vayan a colocar los pistones en los cilindros



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TAPA DE MOTOR: Esta es para en algunas, en esta tienen una tapa cual se deposita el aceite cuando aceite:

LA

CABEZA

DEL

una pieza de plástico tapar la cabeza del motor más chica con tosca en la se realiza un cambio de

CIGUEÑAL: El cigüeñal es una parte pesada que va en la parte baja del bloque antes del Carter, este lo hacen girar las bielas con los pistones, este cuando se hace una reparación en la que es necesario bajarlo, no se debe de acostar porque de ser así se enchueca

RETEN DE CIGUEÑAL: El retén de cigüeñal es un tipo cople el cual sella la parte Semestre: 5 “A “


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circular que sale del bloque para girar del lado de la distribución

BANCADAS: Las bancadas son piezas que tiene una parte en forma de medio círculo las cuales retienen al cigüeñal, están en un cierto número dependiendo del motor

BIELAS: Las bielas son metales los cuales van sujetados con un seguro o bulón a los pistones para que al subir y bajar le den el movimiento al cigüeñal (estas van sujetas al cigüeñal a la vez que van sujetas a los pistones, están con tornillos) están para que embonen con el cigüeñal tienen sus tapas las cuales rodean a las partes del cigüeñal para que estén las bielas sujetas al Cigüela, estas tapas tiene unos especies de anillos que van alrededor de las tapas llamados metales



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PISTONES: Los pistones es una pieza metálica cilíndrica la cual sube y baja con las bielas para formar el ciclo Otto (admisión, compresión, explosión y escape) en el cual tiene 2 fases que es punto muerto superior (cuando está arriba el pistón ) y punto muerto inferior ( cuando está abajo el pistón ) . De este hay de varios tipos como cóncavo, semiplano y plano, por lo regular el plano son de modificaciones para mejorar la compresión, aunque no a todos los motores les queda. El pistón cuenta con varias partes la falda del pistón y los anillos, tiene tres anillos, el de aceite, el anillo superior de compresión y el segundo anillo de compresión



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CILINDROS: El número de cilindros varia en cuanto 1,2,3,4,5,6,8,10,12 y su tamaño igual varia por ejemplo un motor de 6 en línea o 6 en v, un motor de 4 en línea, y su tamaño dependiendo del caballaje. Por esta parte pasa el pisto y es quemado el combustible con el aire

CAMISAS: Las camisas son la cavidad por donde pasa el líquido refrigerante ya sea agua o anticongelante, esto es así para enfriar el motor, de estas hay dos tipos de camisas secas las cuales están de una forma cubierta y solo con un orificio y pasa por dentro de una forma individual, o de camisas húmedas por las cuales están de forma junta como se ve en la primera imagen y de la segunda imagen es de camisas secas:

BOMBA DE ACEITE: La bomba de aceite es la que se encarga de bombear el aceite para que pase por el motor, esta consta de una tipo elipse que está adentro de la bomba y por fuera una coladera chica para impedir el paso de las basuras grandes: Semestre: 5 “A “


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FILTRO DE ACEITE: El filtro de aceite es el que limpia el aceite para evitar que este recorra el motor con basura u otros, pero es difícil que el aceite se mantenga así porque recordemos que pasa por todo el motor:

BOMBA DE AGUA: La bomba de agua es para bombear el líquido refrigerante ya sea agua o anticongelante para que este pueda recorrer el motor y así mismo enfriarlo, está en su interior tiene una pequeña elipse la cual es la que impulsa el líquido refrigerante, lo que la impulsa a esta es la banda de impulsión:



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BANDA DE IMPULSION: Banda de impulsión es una banda que no tiene diente de engrane como la de distribución si no que tiene rayas que embonan con la polea de impulsión, esta banda es para que tenga movimiento a su vez el moto ventilador y la bomba de agua:

MOTO VENTILADOR: El moto ventilador es un motor pequeño que le da movimiento a la banda de impulsión y esta a su vez a la bomba de agua (como la banda de distribución tiene su tensor al igual que esta):



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DISTRIBUIDOR: El distribuidor trae las bobinas para que de este estén conectados los cables de las bujías y de los cables a las bujías para que pueda ser posible dar el chispazo para que queme el combustible y el aire que están en la cámara de combustión:

ALTERNADOR: El alternador es un mecanismo que tienen los motores de combustión interna que es capaz de generar energía eléctrica con energía mecánica, además de que mantiene cargada la batería del automóvil

BOLANTE ESTATICO O DE CREMALLERA: El volante estático o de cremallera es un volante el cual hace girar al cigüeñal, este es parte de la marcha o el encendido, este volante cuando jira hace que el cigüeñal se mueva y así empieza a través de la banda de distribución empieza a moverse las válvulas y así empieza a funcionar todo y enciende el motor Semestre: 5 “A “


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CARTER DEL MOTOR Es la parte donde se deposita el aceite para lubricar todas las partes del motor. Normalmente esto lo hace de dos formas:

TENSOR En cuanto a este el tensor lo tienen por las poleas de distribución este como lo dice su nombre solo es para tensar la banda de distribución para que quede justa y pueda a ver movimiento de la banda:

FILTRO DE GASOLINA: Este lo incluyo aquí aunque en alguna modelo varia, por ejemplo el filtro de gasolina está en el tanque de la gasolina, pero algunos lo traen por el motor, este es encargado de Semestre: 5 “A “


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filtrar y así mismo limpiar la gasolina, de este hay varios tipos por ejemplo el filtro de alto flujo. Cuando se hace la afinación este es lavado o cambiado:

EL CARBURADOR La gasolina que entra dentro de los cilindros tiene que entrar con aire para que se produzca la combustión. Recuerda que sin oxígeno no es posible la combustión. Este oxigeno lo cogemos del aire Pero.... ¿Quién hace la mezcla de gasolina y aire? pues el carburador. Este componente mezcla la gasolina y el aire en una proporción aproximada de 1:10000 1 parte de gasolina por 10.000 de aire. El aire entra del exterior con impurezas, es por eso que antes de entrar en los cilindros los limpiemos mediante el Filtro del aire. Encima del carburador va el filtro del aire, elemento que sirve para que el aire que va a entrar en el carburador (y posteriormente al cilindro) no lleve impurezas.

OJO Los motores de inyección no usan el carburador. Inyectan (pulverizan) la gasolina dentro del cilindro mediante unos inyectores electrónicos, de tal forma que solo se inyecta la cantidad justa de gasolina que se necesita, logrando así un Semestre: 5 “A “


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menor consumo de combustible. La bomba de la gasolina envía la gasolina del depósito al carburador, o a los inyectores al presionar el pedal del acelerador.

EL ÁRBOL DE LEVAS Un árbol de levas es un mecanismo formado por un eje en el que se colocan distintas levas. Las levas presionan las válvulas para que se abran o cierren, dependiendo del tiempo del motor en que se encuentren, en el momento oportuno. Los muelles suelen mantener cerradas las válvulas. Cuando aprieta la leva la válvula se abre.

FILTRO

DE

AIRE:

El filtro de aire es para filtrar el aire y limpiarlo de impurezas como basuras pequeñas este filtro es prácticamente para que el aire que va a ser admitido este limpio y así no entre basura a la cámara de combustión: Semestre: 5 “A “


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BALANCINES: Los balancines son metales curvos los cuales son los que mueven a las válvulas y puedan subir y bajar para que sea admitido el aire a la cámara de combustión junto con la gasolina:

BUSOS: Los buzos complementan son metales de forma cilíndrica el cual se tiene que calibrar y van en una cavidad para el funcionamiento de la cabeza del motor en cuanto a las válvulas:



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VALVULAS: Esta es un metal el cual está formado para tapar , hay de dos tipos: ADMISION: La de admisión, como lo dice su nombre admite aire a la cámara de combustión, esta para que no se fugue el aire tiene un movimiento recto en el cual baja para admitir y sube para cerrar, esto lo hace porque cuenta con un resorte y para que no se salga con seguros ESCAPE: Al igual que la de admisión cuenta con lo mismo, solo que esta sube para que se escapen los gases de la cámara de combustión y sierra para que al admitir no se escape nada:

INYECTORES: Los inyectores son los que se encargan de subministrar o inyectar el combustible ya sea gasolina (esta es inyectada en chorro) o el Diésel ( este es inyectado como más gaseoso o en aerosol ) claro tienen sus diferencias, por ejemplo el motor a diésel no usa bujías. Estos están sujetados y de cierto modo alineado con un tubo llamado flauta de inyectores:



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BUJIAS: Las bujías son las que dan el chispazo para que explote el combustible y el aire que está alojado en la cámara de combustión , estas se tiene que cambiar en la afinación que se le debe de hacer a un auto cada seis meses, estas funcionan con el distribuidor, que tiene la bovina o bovinas ( esto varía en cada auto ) de ahí van las bujías con los cables de las bujías por los cuales pasa la corriente con la cual la utiliza la bujía para dar el chispazo y eso es lo que hace que se queme el combustible, en el caso del motor a diésel no tiene bujías, el combustible se quema por que los pistones son más grandes, por la fuerza y el gran calor que lleva ( debemos de recordar que para que explote el diésel se tiene que calentar no es igual que la gasolina )

CABLES DE BUJIAS: Los cables de las bujías son por los que pasa la corriente que ocupan las bujías para dar el chispazo y quemar el combustible con el aire que está alojado en la cámara de combustión, los cuales están aislados a parte de plástico con otros materiales: Semestre: 5 “A “


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EL MOTOR DE ARRANQUE Otro componente eléctrico importante es el Motor de arranque: motor eléctrico que mueve los pistones para que pueda iniciarse el arranque del motor (en el arranque). Este motor coge la energía eléctrica de la batería y solo se utiliza en el arranque del motor.

REFRIGERACIÓN DEL MOTOR POR AGUA Refrigeración por agua. En este caso el aire refrigera el agua. Por un lado entra aire por la parte delantera cuando el vehículo está en marcha, y por otro lado el ventilador lo refrigera siempre (incluso parado el coche). Esta refrigeración es un complemento de la lubricación con aceite. Refrigera las camisas de los cilindros.



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LOS

4

TIEMPOS

DEL

MOTOR

DE

COMBUSTIÓN

El movimiento de los pistones por el interior del cilindro se divide en 4 tiempos diferentes y cada uno de ellos con una misión.

- Primer Tiempo Admisión: entra la mezcla de gasolina y aire. Baja el pistón. - Segundo Tiempo Compresión-ignición: se comprime la Semestre: 5 “A “


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mezcla al subir el pistón. Explota por la chispa de una bujía (los de gasolina) o por comprimirlo mucho (diesel). - Tercer Tiempo Expansión: fuertemente el pistón,

la

explosión hace bajar produciendo trabajo.

- Cuarto Tiempo Escape: al subir el pistón por inercia manda los gases de la explosión al exterior (por el tubo de escape). El pistón sube y baja por los cilindros y se trata de un émbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos. Los pistones se colocan en el interior del cilindro. A través de la articulación de biela y cigüeñal, su movimiento alternativo se transforma en rotativo en EL CIGUEÑAL.



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Diferencia entre motores medio ambientales



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