DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA A GASOLINA G ASOLINA (BLOQUE Y PISTONES)
UNIDAD 2. Alojamientos del bloque y pistones El bloque es quizá una de las partes más importantes del motor, ya que aloja varios elementos que hacen posible el proceso de combustión interna. Entre ellos, el pistón, pieza indispensable para que cumpla con su funcionamiento básico. Igualmente, el eje de levas que permite que las válvulas ubicadas en la culata realicen su trabajo.
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TABLA DE CONTENIDO
ALOJAMIENTO DEL EJE DE LEVAS ............................................................................................... 3 ALOJAMIENTO PARA LOS EJES BALANCEADORES .................................................................... 4 PERNOS Y ESPÁRRAGOS PARA LA CULATA............................................................................... 5 BLOQUE DEL MOTOR CON VARIOS CILINDROS ......................................................................... 6 EL PISTÓN ....................................................................................................................................... 7 Diseño básico ................................................................................................................................... 8 Estructura de los pistones ............................................................................................................... 10 FORMAS DEL PISTÓN .................................................................................................................. 11 Pistón de cabeza plana.................................................................................................................. 12 Pistón de cabeza convexa .............................................................................................................. 13 Pistón de cabeza cóncava .............................................................................................................. 14 Pistón de alto rendimiento .............................................................................................................. 14 ESFUERZOS DEL PISTÓN............................................................................................................ 16 INNOVACIÓN EN PISTONES ........................................................................................................ 17 Otras innovaciones ......................................................................................................................... 18 APLICACIONES DE PISTONES ESPECIALES.............................................................................. 19 WEBGRAFÍA .................................................................................................................................. 20 IMÁGENES ..................................................................................................................................... 20 CRÉDITOS ..................................................................................................................................... 22
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ALOJAMIENTO DEL EJE DE LEVAS Durante la dinámica de girar a altas revoluciones, cada uno de los alojamientos que se encuentran en el eje de levas deberá cumplir con dos características básicas. Por una parte, estar completamente cilíndrica y por otra, mantener una superficie exacta para que cada cojinete pueda apoyarse y girar en él cabalmente. Así mismo, quien revise y repare el motor deberá examinar la redondez tanto de los orificios básicos, usando como referencia las medidas y posiciones de inicio, final e interior; como con los cojinetes montados. Sobre éstos últimos, las medidas resultantes permitirán dejar la respectiva holgura entre ellos, para la película de aceite lubricante.
Imagen 1: La ubicación donde van alojados los ejes de levas, deben permitir el correcto giro.
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ALOJAMIENTO PARA LOS EJES BALANCEADORES Otra función que cumple el bloque del motor es alojar a los ejes balanceadores. En nuevas versiones no necesariamente es así; incluso, se encuentran ubicados en un cuerpo separado, instalado generalmente debajo del eje cigüeñal. Los ejes balanceadores se encargan de reducir las vibraciones y desbalanceos que se producen en el conjunto móvil del motor. Es decir en piezas como el cigüeñal, las bielas, los pistones, el volate de inercia y la polea delantera del cigüeñal con su ‘dámper’ (amortiguador de vibraciones), de ahí su importancia. Conformados por dos ejes que tienen unos pesos excéntricos y que rotan uno en dirección opuesto al otro, para que cada uno se encargue de ‘recoger’ los desequilibrios que se producen con el trabajo de los elementos, correspondientes al conjunto móvil del motor. Estos ejes montados en el mismo bloque son impulsados generalmente por la misma correa dentada o cadena del sistema de distribución del motor, necesitándose de un sistema que invierta el giro de uno de ellos por medio de piñones.
Imagen 2: Dentro de los alojamientos que tiene el bloque del motor, se encuentran los ejes balanceadores, piezas fundamentales para la reducción de vibraciones en el conjunto móvil.
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PERNOS Y ESPÁRRAGOS PARA LA CULATA Los pernos y espárragos son piezas metálicas que sirven para unir una o varias partes de cualquier maquinaria. Para este caso, la superficie plana superior del bloque de cilindros sirve para unirse con el cabezote o culata y entre ambas superficies pone el empaque necesario, el mismo que realiza el sellado hermético. Ahora bien, alrededor de los cilindros, el bloque dispone de las cámaras de circulación del refrigerante; esta deberá atravesar hasta la culata por medio de los conductos del empaque. Además de estas cámaras, el bloque necesita de unos orificios por los cuales sube la presión del aceite, el cual resulta imprescindible para lubricar a las válvulas, guías, propulsores, ejes de levas y balancines, cuando estos últimos elementos están alojados en la culata. Finalmente, el bloque dispondrá de orificios roscados en los cuales se atornillarán los pernos de ajuste de la culata, o simplemente servirán de alojamiento para atornillar a los espárragos, los cuales remplazan a los pernos de ajuste. Esta superficie plana deberá ser comprobada durante la reparación del motor y deberá ser rectificada cuando el técnico ha encontrado una deformación mayor a la tolerable.
Imagen 3: En las fijaciones semipermanentes de la culata, como de la tapa de las válvulas se utilizan espárragos y pernos de acuerdo con el grado de torque requerido para la fijación.
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BLOQUE DEL MOTOR CON VARIOS CILINDROS Hasta este punto del curso, podría afirmarse que se ha revisado todo cuanto tiene que ver con la estructura del bloque del motor. Tanto los materiales de los cuales están construidos, los elementos que debe alojar, así como los pistones que deben deslizarse dentro de los cilindros cuando forman parte de su misma fundición o se utilizan postizos o camisas, como el eje cigüeñal, eje de levas, ejes balanceadores, entre otras piezas no menos importantes. Como ocurre con la bomba de agua o aceite; éstas últimas, son parte del sistema de enfriamiento y lubricación y que también son alojados estratégicamente en el mismo bloque del motor. Luego, conviene precisar que cada fabricante según las especificaciones de su propio diseño, de la tecnología que quiere aplicar en sus motores y de la potencia que desea obtener, instalará en el vehículo un motor de menor o mayor cilindraje y cantidad de cilindros. En ese sentido, el bloque puede diseñarse para motores de un solo cilindro, varios en línea, opuestos, antagónicos (b óxer) o en forma de ‘V’, como se observa en la imagen.
Imagen 4. Es necesario conocer la distribución y la cantidad de cilindros que va a tener motor para poder diseñar el bloque.
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EL PISTÓN El pistón tiene la misión de formar la cámara de combustión entre el cilindro y el cabezote de una forma elástica; debe recibir en su cabeza la fuerza de la expansión de los gases generada por la combustión de la mezcla y a su vez, entregar esta fuerza lineal mientras se desplaza dentro del cilindro, por medio de la biela hacia el eje cigüeñal; éste último convierte tal movimiento en uno circular. Adicionalmente, el pistón transmite la alta temperatura de la combustión que recibe directamente sobre su cabeza, en conjunto con los anillos o aros hasta las paredes del cilindro; de allí la transfiere hasta el medio refrigerante. Así pues, el pistón es el elemento del motor de combustión expuesto a mayores esfuerzos en su funcionamiento. De ahí son es tan especial el proceso y las características para su construcción.
Imagen 5. El pistón es considerado el corazón del motor, está compuesto de varios elementos indispensables para su trabajo.
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DISEÑO BÁSICO En los motores modernos, no sólo se puede disponer de un eje de levas, sino que se puede instalar dos en cada culata. Es decir, un eje para las válvulas de admisión y otro eje para las válvulas de escape. Por ejemplo, un motor moderno de seis cilindros en V’ , al tener dos culatas, una para cada lado de cilindros, puede disponer de un eje de levas de admisión y otro de escape en cada culata. Lo que quiere decir que tendrá cuatro ejes de levas en el motor. Cuando el eje de levas está alojado en el mismo cabezote o culata, la forma de empujar a las válvulas puede diferir, de acuerdo con el sistema que ha sido utilizado y el diseño particular del motor. Verbi gracia, las válvulas pueden ser empujadas a través de palancas basculantes, las cuales tienen un apoyo fijo o calibrable, en el cua l ‘pivotean’, presionando la leva en la parte media de la palanca. El otro extremo de esta palanca presiona a la válvula. En este caso, la longitud de la palanca basculante y la posición del eje de levas con respecto a esta palanca influyen en el recorrido de las válvulas, además, por supuesto, de la altura total de la leva.
Imagen 6. Conforman de manera general el diseño del pistón, la biela y la cabeza del pistón, que trabajan en un sentido rectilíneo.
La forma cilíndrica de la cabeza está diseñada para compensar la mayor dilatación posible, ocasionada por la alta temperatura recibida. Cuando el pistón está frío, es decir cuando inicia el funcionamiento el motor, este sector del pistón tendrá una mayor holgura con respecto a las paredes del cilindro y con el incremento de la temperatura hasta llegar a su temperatura ideal de trabajo, la dilatación de este sector obligará al pistón a llegar a una medida mayor, momento en el cual la holgura entre cilindro y pistón será la ideal y suficiente para deslizarse dentro del cilindro sin rozar o remorderse. Índice
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Luego de la cabeza, desde el sector de los anillos hasta la falda, el pistón se vuelve cónico, ya que la parte superior recibirá mayor temperatura que la parte de la falda, y por ello la dilatación será mayor en la parte superior (menor diámetro) y será menor en la parte de la falda (mayor diámetro). Finalmente, alrededor del alojamiento del pasador o bulón el pistón será ovalado, ya que la dilatación será mucho mayor donde existe mayor cantidad de material y será menor con menos material. Resumiendo, estas diferencias en sus diámetros y en sus formas, permitirán que la dilatación del pistón lo convierta en un elemento completamente cilíndrico cuando ha llegado a su temperatura ideal de trabajo, deslizándose suavemente dentro de las paredes del cilindro.
Imagen 7. Al momento de comenzar la combustión por las altas temperaturas que se generan en el cilindro, el pistón se vuelve cónico; para compensarlo, la parte superior del pistón tiene un diámetro menor que su falda.
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ESTRUCTURA DE LOS PISTONES Los pistones cumplen con distintos diseños y medidas, así como en cada una de sus secciones. De manera que en sector de la cabeza, dispone de bastante material para soportar tanto las altas presiones, como temperaturas de la combustión. Con relación del sector de los anillos, también existirá suficiente material para que se alojen. En el área que sirve de alojamiento al pasador o bulón dispondrá entonces de una gran cantidad de material, ya que sobre él deberá apoyarse para transmitir la fuerza de empuje hasta el pasador y a su vez a la biela. Resulta entonces, que de acuerdo a la aleación del pistón, todas y cada una de sus partes podrá tener diferentes dilataciones; por lo que cada fabricante realiza pruebas con aleaciones varias para encontrar el mejor resultado de su motor. Otro factor importante, que se debe tener en cuenta es la forma de la cabeza del pistón. Ya que, también se considerará sus medidas iniciales, relacionando con la cantidad de dilatación que se producirá para llegar a la medida final del pistón.
Imagen 8. El pistón tiene para cada elemento que lo compone de unas medidas exactas. Esto es, para compensar las dilataciones debido al calor del motor en su funcionamiento.
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FORMAS DEL PISTÓN Cuando el motor ha adquirido su temperatura normal de trabajo, el pistón mantendrá una forma cilíndrica perfecta; esto, debido a que la dilatación desigual de sus partes producida por la mayor o menor cantidad de material, así como por las diferentes temperaturas que reciben, cambiarán a la forma original que tenía cuando estaba frío. Por todas estas razones anotadas, un motor debe trabajar a las temperaturas definidas por el constructor, ya que al hacerlo a unas muy bajas, no llegará aún a su mayor dilatación; quedando muy holgado con respecto al cilindro, lo que ocasiona un desgaste prematuro y fuga de compresión del motor; así como golpeteo con el cilindro por la excesiva holgura. En cambio, cuando el pistón llega a una temperatura superior a la de trabajo, su dilatación será mayor a la que se ha calculado, pudiendo fácilmente llegar a remorderse en el cilindro, rayándose y por supuesto con él, los anillos y el mismo pistón. En el corte del pistón, los diferentes espesores de sus paredes, y cada una de ellas ha sido cuidadosamente diseñada para cumplir una determinada función y además llegar a una cierta medida debido a su dilatación.
Imagen 9. Debido a las temperaturas y al performance que pueda tener el motor, existen distintos tipos de pistones que pueden ser utilizados en el motor.
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PISTÓN DE CABEZA PLANA La cabeza de un pistón podrá ser distinto, según la forma que tenga la cámara de combustión y la relación de compresión, que ha sido trazada para el motor donde será instalado. De manera que, será plana, convexa o proyectada hacia la cámara de combustión; si es hacía abajo, podrá ser cóncava o proyectada en esa dirección. Para el caso, un pistón con su cabeza plana, que es el diseño más común utilizado en los motores a gasolina, con un índice de compresión medio, puede tener aproximadamente entre 8:1 hasta 9:1. En los motores con pistones de cabeza plana, la cámara de combustión está formada dentro de la culata; aunque parte de la cámara puede estar formada dentro de la misma cabeza del pistón y en algunos casos, se debe trabajar en ella para dejar la holgura necesaria que evite que se golpeen las válvulas. Este tipo de pistón también es muy apropiado para cambiar la relación de compresión del motor original, reduciendo o aumentando su cabeza, sin necesidad de realizar costosas inversiones o diseños muy complejos. Por ejemplo, se podrán instalar pistones de menor relación de compresión cuando se ha hecho necesario rebajar la superficie de la culata o bloque del motor, manteniendo la relación original.
Imagen 10. En los motores con pistones de cabeza plana, la cámara de combustión está formada dentro de la culata.
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PISTÓN DE CABEZA CONVEXA Cuando el pistón se ha diseñado para motores de alta compresión, se intenta ocupar la cámara de combustión del cabezote, con la cabeza proyectada convexa, en lugar de pistones de cabezas planas. En este caso, la cabeza tiene generalmente una forma semiesférica y su menor o mayor proyección dependerá del menor o mayor índice de compresión que se desea conseguir. Esta forma de cabeza inicialmente se creía que era la más apropiada, para permitir además de un alto índice de compresión, una gran eficiencia de la combustión dentro de la cámara; pero no necesariamente ha sido así, ya que otros diseños mejor estudiados y elaborados son aquellos que dan esta eficiencia de la combustión y del flujo de los gases dentro de la cámara formada entre el pistón y el cabezote. Este tipo de cabezas de pistones más bien ha sido mayormente utilizado en motores de dos ciclos o dos tiempos, ayudando a evitar el desperdicio de los gases frescos y mejorar con el barrido.
Imagen 11. En motores de cuatro ciclos es necesario trabajar dos o cuatro huellas sobre la cabeza, que sirven para evitar que las válvulas topen contra su cabeza durante el funcionamiento del motor.
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PISTÓN DE CABEZA CÓNCAVA Cuando se necesita diseñar motores con menor relación o índice de compresión, o también cuando se quiere aprovechar de mejor manera el flujo de los gases de admisión, así como los gases de escape combustionados, se utiliza un pistón con una cámara trabajada dentro de su cabeza, es decir con una cavidad cóncava muy bien lograda. Este diseño, permite bajar el índice de compresión del motor, ya que se suma el volumen de la cámara de combustión con el volumen que ocupa la cámara dentro de la cabeza del pistón. Para dar mayor eficiencia al flujo de los gases que ingresan al cilindro y para producir una pequeña turbulencia, la cual ayuda notablemente en el proceso de mezcla de las moléculas del combustible con el aire aspirado, y también para distribuir esta mezcla de forma homogénea dentro de la cámara de combustión; el trabajo logrado en pistón debe tener un diseño muy bien estudiado, convirtiéndolo en un pistón de alto rendimiento.
Imagen 12. Vista de un pistón con un trabajo de varias cavidades que forman turbulencias a los gases de entrada y a los gases de salida, así como para la bujía de encendido.
PISTÓN DE ALTO RENDIMIENTO Cada día las nuevas tecnologías aplicadas al motor permiten mejorar los diseños de cada una de sus partes. Entre una de las más importantes podemos nombrar a los pistones del motor, los cuales realiza un trabajo muy importante, además de las funciones que ya hemos analizado anteriormente. Índice
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Al tener una proyección convexa hacia la cámara de combustión, se logra un índice o relación mayor de compresión mayor, y la forma de su cabeza ayuda con un mejor flujo de los gases y mezcla dentro de la cámara de combustión. Cuando el pistón de alta compresión debe ingresar en la cámara del cabezote, existe el peligro de que las válvulas choquen con su cabeza, de tal manera que se trabaja en su superficie superior, formando unas cavidades de la forma y dirección del desplazamiento de la cabeza de las válvulas. De esta manera se consiguen altos índices de compresión y un mejor flujo, logrando adicionalmente una gran eficiencia del motor. Podemos observar los diseños de las cabezas del pistón y las huellas para las válvulas.
Imagen 13. La cabeza del pistón es especial por sus cavidades; estas están diseñadas para lograr un máximo rendimiento, compresión y menor flujo, mejorando considerablemente el performance del motor.
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ESFUERZOS DEL PISTÓN Otros procedimiento que se utiliza para evitar esta exagerada dilatación y con ello tratar de mantener al pistón cilíndrico y redondo dentro del cilindro, es realizar cortes longitudinales y transversales’ que se practicaban al inicio de su construcción; corte que servía para compensar la dilatación, ya que permitía dilatar al cuerpo, llegando finalmente a su forma redonda y cilíndrica.
Imagen 14. Debido a las altas temperaturas a la que es sometido el pistón durante su trabajo, en algunos casos es necesario en el diseño, crear un corte para compensar la dilatación por calor.
Otro procedimiento utilizado y es el más moderno, es alojando en la fundición del material del pistón a láminas o ‘flejes’ de compensación de dilatación, los cuales, al estar construidos de acero, logran ‘sostener’ la dilatación de algunas partes del pistón.
Imagen 15. Durante la fabricación del pistón en su cuerpo se instalan laminillas para compensar la dilatación de esta pieza, debido al calor en el trabajo del motor.
La construcción del pistón ha sido un tema de mucha importancia en los motores de combustión interna, por lo que cada día se ha ido innovando materiales y procedimientos, buscando mejorar sus características, durabilidad y sobre todo para que sean capaces de soportar las altas temperaturas y los grandes esfuerzos de trabajo. Índice
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INNOVACIÓN EN PISTONES Entre las innovaciones que se han ido generando, se pueden mencionar a los pistones forjados, los cuales, a diferencia de los pistones fundidos de aleaciones, son adicionalmente "prensados o forjados". Tienen la gran ventaja de tener a todas las moléculas de su material mejor comprimidas, pudiendo ser construidos de manera más compacta y consecuentemente más livianos, pudiendo resistir mayores temperaturas de funcionamiento. También se utilizan protecciones de materiales cerámicos, materiales que están localizados en las partes expuestas a un mayor esfuerzo, como en la cabeza del pistón y en la misma falda. Entre las mejoras también podemos mencionar baños protectores en las paredes del pistón, con lo cual se evita en su inicio de funcionamiento, un agarrotamiento contra las paredes del cilindro. Uno de los procedimientos utilizados es el procedimiento Stannal, el cual se trata de meter en un baño de sal estañosa, es decir un baño de Estaño, o un baño de Plomo ( procedimiento Plumbal ), en el cual el baño permite un mejor deslizamiento del pistón en el cilindro. Este sistema último resiste un mayor punto de fusión, con 327 Grados Celsius, comparativamente con los 232 Grados del Estaño. Un último procedimiento es el Grafal , el cual utiliza al grafito como una capa muy fina, material que posee una acción protectora de alta calidad.
Imagen 16. Los nuevos materiales usados en la fabricación de pistones permiten volverlos más livianos y soportar mayores temperaturas.
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OTRAS INNOVACIONES Estos procedimientos y otros utilizados c omo la ‘oxidación electrolítica’ de la falda del pistón, suministra una elevada resistencia a la abrasión; pero no ayuda con mejor deslizamiento, por lo que a veces se utiliza un "cobreado" o una fina capa de cromo, formas utilizadas para dar una alta resistencia mecánica. El "embutir" un material más resistente, dentro de la fundición centrifugada de aleaciones de Aluminio, como anillos de fundición gris en el alojamiento de los rines o anillos del pistón, incrementan su vida útil, ya que los anillos no consiguen dañar mayormente su alojamiento durante su esforzado trabajo, especialmente con las altas temperaturas y presiones durante la combustión. En resumen, los tratamientos y procedimientos de ayuda para lubricarlos o ayudar en su dureza, durabilidad y resistencia, dependen del fabricante, quien piensa en todos estos factores para su diseño y luego de probarlo debidamente, lo instalan en sus modernos motores.
Imagen 17. Para evitar el desgaste y darle mayor fuerza a la pieza, los pistones son sometidos a procesos electro químicos, para aumentar su vida útil de trabajo .
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APLICACIONES DE PISTONES ESPECIALES Estos pistones especiales eran utilizados inicialmente sólo en motores especiales y en vehículos de competencias, ya que como conocemos, estos motores realmente están siendo esforzados a los límites máximos de temperatura, fricciones, alta compresión y regímenes de revoluciones elevados. Estas competencias automovilísticas han servido como laboratorio de pruebas, para demostrar que las modificaciones del motor, en este caso de estos pistones, y luego de los grandes resultados logrados, pueden aplicarse también a los motores de vehículos en serie. Estas pruebas realizadas no solamente se realizan en motores a gasolina, sino especialmente en nuestros días en los motores diésel; ya que estos últimos son los nuevos motores que se están aplicando en los vehículos modernos. Estos motores se han convertido inclusive en más eficientes que los mismos motores a gasolina, porque tienen menores consumos, producen menos contaminación y sobre todo porque su nueva tecnología los convierte en motores muy potentes.
Imagen 18. La tecnología usada en los vehículos de competencia, ha migrado a los automóviles de serie, permitiendo el uso de pistones que optimizan y dan mayor torque al vehículo.
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WEBGRAFÍA Taller virtual.com, partes constitutivas de un motor a gasolina. 1 de febrero de 2009. Disponible en http://www.tallervirtual.com/2009/01/02/partes-constitutivas-de-un-motor-agasolina-ultima-parte/ Motosportzone. 22 de abril de 2011. Disponible en http://motorsportengineering.blogspot.com/2011/04/vehicle-design-piston-design-101.html Electriauto, diseño de pistones. 25 de febrero de 203. Disponible http://www.electriauto.com/mecanica/motor-de-combustion-interna/pistones/
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http://k38.kn3.net/BE40CEDA1.jpg Índice
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http://www.fixmotor.unlugar.com/piston2_2.jpg
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CRÉDITOS Experto Temático Carlos Edwin Abello Rubiano
Asesora Pedagógica Yiced Pulido Cabezas
Editora Paola Vargas Arias
Equipo de Diseño Lina Marcela García López Dalys Ortegón Caicedo Nazly María Victoria Díaz Vera
Equipo de Programación Luis Fernando Amórtegui García Charles Richar Torres Moreno Carlos Andrés Orjuela Lasso
Líder de Línea Julián Andrés Mora Gómez
Líderes de Proyecto Carlos Fernando Cometa Hortua Juan Pablo Vale Echeverry
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