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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
1.5 PRINCIPALES COMPONENTES DEL MOTOR.
Figura 28. Principales componentes del motor.
Fuente: http://tinyurl.com/6egkx3s
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Un motor está constituido por un cilindro, en cuyo interior se desliza un pistón. La
parte superior del cilindro está cerrada por la culata, pieza que contiene la bujía
(MICH) o el inyector (MIC), las válvulas de admisión y escape. En la figura 28, se
observa un despiece del motor con sus principales partes.
El pistón va unido, por medio de la biela al cigüeñal el cual permite transformar el
movimiento alternativo en movimiento rotativo. La mezcla (aire – gasolina o
gasóleo), que constituye el combustible del motor, es introducida al cilindro a
través de la válvula de admisión, mientras los gases expulsados salen por la
válvula de escape.
La apertura y cierre de ambas válvulas dependen del sistema de distribución,
compuesto por el eje excéntrico o árbol de levas, los empujadores o tanques, las
varillas los balancines y los muelles de las propias válvulas. El árbol de levas está
conectado al cigüeñal mediante el sistema de distribución (piñones, cadena
dentada) de distribución y gira con relación de 1:2 respecto al cigüeñal, es decir
por cada dos vueltas de cigüeñal el árbol de levas da una. Las características
constructivas del sistema de distribución varían para cada motor según el
fabricante.
El BLOQUE (fig. 29), es el elemento constitutivo del motor más voluminoso y
pesado. Su función es dar soporte a todo el conjunto móvil de piezas dentro del
motor. Soporta las camisas de los cilindros y contiene los conductos que permiten
la circulación del agua de enfriamiento alrededor de las camisas. Sin embargo,
algunos bloques tienen conductos integrales para su enfriamiento y para la
circulación del aceite lubricante y del aire (en los motores 2 tiempos).
Para comprender el proceso de fabricación del bloque véase:
http://www.youtube.com/watch?v=4V9-ZeQIFFg
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Figura 29. Bloque para motores a) 6V y b) 4 en línea de cuatro tiempos.
a) b)Fuente: http://tinyurl.com/3qf5tmb Fuente: http://tinyurl.com/62awxq3
El CILINDRO es el hueco por el que el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo
(fig. 30). En la mayor parte de los casos, el bloque del cilindro se hace de hierro
fundido, que es relativamente barato, se puede trabajar fácilmente y tiene gran
fortaleza mecánica. Sus inconvenientes son que es pesado y bastante quebradizo.
También se pueden fabricar cilindros de aleación ligera
El aluminio, por ejemplo, es menos pesado y quebradizo, y dispersa mejor el calor,
pero es mucho más blando y necesita que las paredes de los cilindros tengan
forros o camisas de acero y además resulta más caro. Los bloques de hierro
fundido suelen tener sus cilindros directamente vaciados como parte del propio
bloque, pero también se utilizan en ellos camisas de acero.
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Figura 30. Camisas, pistón, anillos y bulón.
Fuente: http://tinyurl.com/6hgbvy5.
Los PISTONES están hechos de Aluminio en los motores pequeños y de Acero
fundido en motores grandes de baja velocidad. Ambos pistones sellan el cilindro y
Figura 31. Despiece del pistón.1
1 Extraída de A-PUNTO, Fichero practico del automóvil, editorial SARPE, 1982.
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transmiten la presión generada por los gases productos de la combustión al codo
del cigüeñal por medio de la biela. En la figura 31, se observa los elementos que
componen el conjunto biela – pistón.
El BULÓN del pistón es usualmente hueco para reducir su peso, es el elemento
de unión entre la biela y el pistón (fig. 31). El movimiento oscilatorio de la biela
produce una fuerza oscilatoria en la falda del pistón (la región debajo de los anillos
del pistón). El pistón está ajustado con anillos los cuales se ubican en unas
ranuras en la cabeza del pistón para evitar fugas de gas y hacer control del flujo
de aceite.
La biela, que usualmente de de Acero o aleación forzada, está unida al pistón por
medio de un bulón de Acero a través del pie de biela. La combustión depende de
la geometría de la cabeza del pistón como se muestra en la figura 32.
Para comprender el proceso de fabricación del bloque véase:
http://www.youtube.com/watch?v=4V9-ZeQIFFg
Figura 32. Pistones de diferentes configuraciones.
Fuente: http://tinyurl.com/3ceuwo4.
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Figura 33. Biela. (a) Acero Forjado, (b) Aluminio.
Fuente: http://tinyurl.com/6b8skoe.
Las BIELAS se encargan de convertir el movimiento rectilíneo del pistón en
movimiento rotatorio al centro del cigüeñal por medio de los muñones de biela.
Están fabricadas en aleaciones muy resistentes debido a que reciben gran presión
por el empuje del pistón, también se fabrican de acero forjado (fig. 33a),
aleaciones o aluminio (fig. 33b), en motores pequeños. La figura 34 indica un
despiece total del conjunto cilindro – pistón – anillos – bulón y biela.
Figura 34. Despiece conjunto biela – pistón.2
2 HEYWOOD, John B. Internal combustion engine fundamentals, Mc Graw Hill1988.
a) b)
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El CIGÜEÑAL está constituido por un eje con semiejes excéntricos, sobre los que
se apoyan las bielas (fig.35), está enlazado a los conjuntos de pistones y a la
transmisión, convierte el movimiento vertical de los pistones en movimiento
giratorio, que se puede transmitir a las ruedas por diversos procedimientos.
Además de transmitir ese movimiento, el cigüeñal cumple otras varias funciones;
entre éstas se hayan hacer girar el árbol de levas, la polea del ventilador y el
engranaje del volante que enlaza con el motor de arranque.
Figura 35. Despiece de un cigüeñal.3
3 Extraída de A-PUNTO, Fichero practico del automóvil, editorial SARPE, 1982.
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El cigüeñal internamente tiene canales para lubricar los casquetes de la biela y
bancada. El cigüeñal tiene un conjunto de paletas que se emplea para “salpicar” el
aceite del cárter y balancear el eje para que no vibre mientras está girando.
Se fabrican por lo general en Hierro forjado aunque existen de fundición modular
aceptados normalmente en motores de automóvil. Mientras que los propios
cigüeñales se hacen de aleaciones de acero duras, usualmente acero al níquel-
cromo-molibdeno, y los gorrones de los codos están especialmente endurecidos,
los cojinetes se hacen de un metal más blando. Esto quiere decir que la parte más
barata y más fácil de sustituir se desgasta antes.
Las VÁLVULAS mostradas en la son usadas normalmente en los motores de
cuatro tiempos. Las válvulas (fig. 36), son de Acero aleado forjado; el enfriamiento
de la válvula de escape que operar cerca de los 700°C puede ser implementada
pero usando un eje de válvula hueco parcialmente inyectado con Sodio que a
través de la evaporación y condensación lleva calor de la cabeza de la válvula a la
base refrigerada. Los motores modernos de encendido por chispa tienen
localizadas las válvulas en la parte superior del conjunto (a veces llamadas
válvulas en cabeza o configuración de cabeza).
El vástago de la válvula se desliza sobre una guía de fundición, que suaviza el
rozamiento y atenúa el desgaste debido al funcionamiento de la válvula (fig. 36).
Dicha guía se monta a presión en la culata. La holgura entre la cola de la válvula y
su guía debe ser el adecuado a fin de impedir que pase aceite a la cámara de
combustión a través de ambos. En algunas ocasiones se dispone un retén en
forma de anillo de caucho, emplazado en la guía de la válvula. El muelle descansa
en la culata sobre el platillo y por su extremo opuesto apoya en este, que a su vez
aloja a las chavetas, que forman el sistema de fijación de la cola de la válvula.
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Figura 36. Válvulas y sus empaques.
Fuente: http://tinyurl.com/62ya3qv
Los asientos de válvula se fabrican en la actualidad de aleaciones especiales de
acero, capaces de soportar las elevadas temperaturas a que estarán sometidos.
En algunas ocasiones se recubre de estelita (aleación de cobalto, tungsteno y
cromo) la superficie de apoyo con la válvula. Las válvulas se abren desplazándose
hacia el interior de la cámara de combustión, con lo que se favorece la
estanqueidad, dado que la presión de los gases tiende a cerrarlas. La forma de la
cabeza de la válvula y su acoplamiento al asiento se realizan de manera que, en
consonancia con la alzada, se permita una gran sección de paso al gas y una
orientación adecuada que frene lo menos posible su velocidad. Esta es la razón
por la que el asiento forma generalmente un ángulo de 45° con el plano de la
cabeza de la válvula. La unión de ésta al vástago se redondea siguiendo la forma
más idónea para el recorrido del gas. Con el mismo objeto se adapta el colector a
la cámara de combustión con la inclinación más propicia.
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Figura 37. Configuración de las válvulas.4
Un EJE DE LEVAS (fig. 38), se fabrica de Acero fundido o Acero forjado con una
leva por válvula es usado para abrirlas y cerrarlas. Las superficies de las válvulas
están endurecidas para obtener una vida útil adecuada. En los motores de cuatro
tiempos, los ejes de levas giran a la mitad de velocidad que el cigüeñal.
Figura 38. Árbol de levas y sistema de distribución árbol – válvulas.
Fuente: http://tinyurl.com/3gpfc53 Fuente: http://tinyurl.com/6chtyzs
4 HEYWOOD, John B. Internal combustion engine fundamentals, Mc Graw Hill1988.
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Los árboles de levas tienen diferentes disposiciones en el motor, los más usados
en motores es el montaje sobre la culata (Over Head Valves) (fig. 39 b), doble
árbol de levas (fig. 39 a), para mayores requerimientos de potencia en motores de
cilindros en V; también existen árbol de levas sobre el bloque en motores de gran
tamaño y de inercias considerables, ubicadas de esta manera para disminuir el
impacto del peso del árbol sobre los elementos del mecanismo biela – pistón y
lograr un mejor aprovechamiento de la transmisión con el cigüeñal.
Figura 39. Disposición del Árbol de levas: a) DOHV (Double Over Head Valves) b)
OHV (Over Head Valves).
a) b)
Fuente: http://tinyurl.com/67rdjfo Fuente: http://tinyurl.com/3uuz9un.
La CULATA (Fig.40), tapa los cilindros y está hecha de hierro fundido o aluminio.
Esta debe ser fuerte y rígida, para distribuir las fuerzas que los gases ejercen
sobre ella, a través del bloque del motor, lo más uniformemente posible y de alta
conductividad térmica logrando que el calor de la combustión sea evacuado al
exterior, evitándose la formación de puntos calientes que pueden ocasionar la
detonación. La culata contiene la bujía en los motores de encendido por chispa o
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el inyector de combustible en los motores de encendido por compresión, y parte
del mecanismo de válvulas en los motores con válvulas en la culata.
Figura 40. Culata o cabeza de cilindros.
Fuente: http://tinyurl.com/6cxha9p
La culata se manufactura con sistemas evacuadores de calor alrededor de las
cámaras de combustión para producir el debido enfriamiento ya sea ductos para
agua o aletas de refrigeración dentro de una corriente de aire fresco para la
transferencia térmica.
El CÁRTER (Fig.41), es el elemento que cierra al bloque por la parte inferior, su
forma cóncava actúa aporta la capacidad de funcionar como depósito para el
aceite del motor. Con el objeto de evitar el oleaje del aceite, que suelen disponer
en el cárter de chapas que frenan el desplazamiento del mismo, especialmente en
el sentido de la marcha.
Normalmente el cárter se fabrica por estampación a partir de chapa de acero, con
aleaciones ligeras de aluminio que sin aportar demasiado peso, y debido a su
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buena conductibilidad térmica, disipan una gran cantidad de calor, a lo que
contribuye en muchos casos la presencia de aletas de refrigeración. El empleo de
este material presenta la ventaja añadida de que disminuye el nivel acústico del
motor.
Figura 41. Cárter con aletas para motores VAG 1.8T 20VT
Fuente: http://tinyurl.com/3naokzd
1.6 SISTEMAS AUXILIARES DE LOS MOTORES ALTERNATIVOS
Para su funcionamiento el motor debe controlar ciertas variables que permiten el
óptimo desarrollo de cada elemento que compone el motor.
Es necesario comprender los sistemas que permiten mantener una temperatura de
operación sobre el rango permisible, como se logra eliminar y transportar el calor
producto de la combustión en el pistón y disminuir al mínimo los desgastes por
fricción en los elementos cinemáticos del mismo. Además, el sistema de
distribución mecánica, el sistema de arranque, el mecanismo que permita la
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admisión y escape del combustible y los gases productos de la combustión, los
principales componentes y actualidades.
También es de suma importancia conocer los sistemas de alimentación del
combustible, diseñados para controlar el consumo, las emisiones contaminantes y
control en las variaciones de carga del motor.
El SISTEMA DE LUBRICACIÓN a presión dosifica la circulación de aceite entre
los diferentes elementos cinemáticos, permitiendo su movimiento con facilidad y
suavidad sobre la marcha del motor.
Para reducir el rozamiento en los acoplamientos metálicos móviles se interpone
entre ambas superficies, una fina película de aceite, de tal manera, que forme una
cuña de aceite que mantenga separada e impida el contacto entre sí. También, el
aceite funciona como medio de transporte para liberar el calor producto de las
altas temperaturas generadas sobre los elementos que producen el movimiento
alternativo.
En la mayoría de los motores el aceite se encuentra alojado en el cárter, es
succionado por una bomba rotativa (fig. 42), la cual lo impulsa hacia el filtro de
aceite eliminando impurezas y luego se lanza a presión hacia los casquetes
axiales del cigüeñal, al muñón de biela, los cojinetes, apoyos, al bulón del pie de la
leva, los engranajes de transmisión; también se suministra lubricación a cada
pistón y a su cilindro correspondiente.
Esta presión debe ser la correcta para que el aceite llegue a los puntos a
engrasar, no conviene que sea excesiva, ya que aparte de ser un gasto
innecesario llegaría a producir depósitos carbonosos en los cilindros y las válvulas.
Luego el aceite usado se dirige hacia un intercambiador de calor5 (permite
5 Se incorpora un radiador para el aceite para motores de alto cilindraje y potencia. (Diesel).
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mantener la temperatura del aceite en los rangos admisibles de lubricación), se
recolecta o descarga en el cárter para repetir el ciclo (cárter húmedo).
Figura 42. Sistema de lubricación por cárter húmedo.
Fuente: http://tinyurl.com/3weuhwf.
En los sistemas de cárter seco, la mayor parte del aceite está contenida en un
depósito separado. El aceite que cae del motor al cárter vuelve a aquel depósito
por medio de una segunda bomba auxiliar, y desde él la bomba principal impulsa
al aceite por el conducto principal de lubricación del motor. Es usada en
automóviles de carreras, Ralley y aviones. En la figura 43, se presenta el sistema
de alimentación Porshe 911 GT3 por cárter.
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Figura 43. Motor Porshe 911 GT3, con cárter seco.
Fuente: http://tinyurl.com/6gd6bvs
La bomba (fig. 44), recibe el movimiento del árbol de levas y, por tanto, su
velocidad de funcionamiento está de acuerdo con la velocidad de giro del motor. Si
el motor gira deprisa, también lo hará la bomba y, por tanto, enviará más aceite a
las conducciones de lubricación.
Figura 44. Bomba de rotores excéntricos. a) Despiece del rotor, b) En corte.
a) b)Fuente: http://tinyurl.com/6aplvnr
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Si el aceite está frío, ofrecerá dificultad a pasar por las canalizaciones,
produciendo un aumento de presión en las tuberías, superior a la normal, que
traerá consigo mayor trabajo para la bomba y un aumento de deterioro de aceite.
Para mantener la presión adecuada existe la válvula limitadora o válvula de
descarga, que tiene por misión descargar las tuberías de lubricación del aceite
sobrante cuando hay un exceso de presión limitando esta presión máxima de
funcionamiento. Normalmente la válvula de alivio está incorporada en la bomba de
aceite.
El elemento filtrante del aceite es cilíndrico y está contenido en un bote metálico
atornillado al lado del bloque del motor. Una varilla y un muelle dentro del bote
fijan con firmeza el elemento filtrante a la cabeza del filtro.
Figura 45. El tipo de filtro de aceite deflujo total suministra aceite limpio alconducto principal. Es el filtro que secoloca en la mayoría de los automóvilesactuales. 6
Figura 46. El filtro de derivación(“bypass”) envía aceite limpio de vueltaal cárter y un restrictor, evita el filtrarparte del flujo de aceite impulsado porla bomba.
Los filtros de aceite de flujo total (fig. 45), este tipo de filtro se acopla entre la
bomba de aceite y el conducto principal, filtrando todo el aceite que se envía al
6 Extraída de A-PUNTO, Fichero practico del automóvil, editorial SARPE, 1982.
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motor. El elemento filtrante no debe ser tan fino como para restringir el flujo de
aceite, debido a que produciría una sobrepresión en el sistema (estado
deteriorado), por ello es necesario colocar un bypass en la carcasa del filtro, de
manera que se disponga de un circuito alternativo para el aceite de engrase.
Los filtros de desvío de aceite (fig. 46), utiliza una materia filtrante más fina que un
filtro de flujo total, pero filtra solamente una parte del aceite que envía la bomba. El
filtro se instala en un circuito de desvío, que devuelve el aceite filtrado al cárter.
Sin embargo, debido a que una parte del aceite está siendo filtrada
continuamente, éste se mantiene limpio razonablemente. También, el filtro debe
ofrecer la suficiente resistencia al flujo del aceite para mantener la presión del
sistema de lubricación.
En los motores generalmente se disponen dos filtros, uno en el suministro y otro
en la parte de alta presión del sistema de lubricación, inmediatamente después de
la bomba de aceite. Normalmente, el pequeño filtro del cárter se denomina
“colador”, ya que su paso o trama es relativamente grande para reducir al mínimo
el riesgo de estrangular el efecto de succión. El colador sólo puede atrapar las
partículas de mayor grosor y es principalmente el filtro de aceite de alta presión el
que conserva el aceite limpio.
Los sistemas de lubricación de última generación, son instalados en vehículos de
altas prestaciones y de competencia, añadiendo por ejemplo más puntos de
succión en el cárter y mediante gestión electrónica aumentar el caudal de aceite
antes de que el motor produzca una alta aceleración para que ya esté prelubricado
antes de llegar a ese régimen.
En el mercado existen algunos vehículos que incorporan una pequeña bomba
auxiliar eléctrica de aceite, la cual se activa antes de arrancar el vehículo envían
aceite a la parte superior del motor y a aquellas zonas en las que con el vehículo
parado hay deficiencia del mismo garantizando una suavidad plena en el arranque
y favoreciendo el ahorro de carga eléctrica procedente de la batería para mover el
motor de arranque.
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La finalidad del SISTEMA DE ENFRIAMIENTO (fig. 47) es mantener el motor a su
temperatura de funcionamiento más eficiente a todas las velocidades y en todas
las condiciones. Durante la combustión, las temperaturas son altas y se genera
una gran cantidad de calor. Alrededor del 25% del calor se utiliza para efectuar
trabajo útil, 31% se disipa con los gases de escape y 33% se absorbe en el
sistema de enfriamiento. El resto del calor se utiliza para vencer la fricción del
motor.
Parte del calor de las cámaras de combustión lo absorben las paredes de los
cilindros, culatas de cilindros y pistones. Éstos a su vez deben ser enfriados por
algún medio a fin de que las temperaturas no se vuelvan excesivas. La
temperatura en la pared de los cilindros no debe subir por arriba de 300°C.
Figura 47. Sistema de refrigeración.
Fuente: http://tinyurl.com/6y547t
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Las temperaturas más altas hacen que se desintegre la película de aceite y pierda
sus propiedades lubricantes: sin embargo, es deseable que el motor funcione a
una temperatura lo más cercana, hasta donde sea posible, a los límites impuestos
por las propiedades del aceite. Si se disipa demasiado calor a través de las
paredes y de la culata de los cilindros, se reduciría la eficiencia térmica del motor.
Dado que el motor es muy poco eficiente cuando está frío, el sistema de
enfriamiento incluye componentes que evitan el enfriamiento normal durante el
periodo de calentamiento. Estos componentes permiten que las piezas del motor
alcancen con rapidez su temperatura de funcionamiento y reducen el ineficiente
periodo de funcionamiento en frío.
Por tanto, el sistema de enfriamiento hace bajar la temperatura con rapidez
cuando el motor está caliente y sólo permite enfriamiento lento o no lo permite
durante el periodo de calentamiento y cuando el motor está frío.
Para motores de mayor tamaño se utiliza un sistema de refrigeración que consiste
en hacer circular agua a presión por el interior del bloque y la culata. Para extraer
a su vez el calor del agua una vez recorrido el interior del motor, se emplea un
radiador externo compuesto por tubos y aletas de enfriamiento. En los vehículos
antiguos, las aspas del ventilador de radiador y la bomba que impulsa en
circulación el agua se movían juntamente con el cigüeñal por medio de una correa.
Actualmente se emplean ventiladores con motores eléctricos, el cual comienza a
funcionar automáticamente cuando el termostato se lo indique.
La bomba de agua, es una bomba centrífuga accionada por el motor mediante una
correa, la capacidad de la misma debe ser suficiente para proporcionar la
circulación del líquido refrigerante por el circuito de refrigeración, transportando el
calor sobrante hacia el exterior, el flujo del líquido refrigerante regresa a la bomba
de agua a través del desviador cuando está cerrado el termostato y por el radiador
cuando el termostato está abierto.
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Figura 48. La bomba de agua (izquierda) impulsa agua hacia el bloque del motor.
A la derecha, un ventilador con embrague fluido. Cuando la temperatura del aire
que pasa por el radiador sube, la espiral bimetálica se dilata y abre la válvula de
control. Entra más fluido dentro de la cámara del rotor, el embrague agarra con
más fuerza y el ventilador gira con más rapidez. Al enfriarse el motor, la velocidad
disminuye. 7
Los motores refrigerados por agua (fig. 47), tienen canales que atraviesan el
bloque alrededor del cilindro y en ellos circula continuamente agua, que hace
pasar el calor desde el motor a la atmósfera por el intermedio de un radiador.
Los bloques de cilindros que no tienen camisa tienen las cámaras de agua
alrededor de los huecos de los cilindros con sólo el metal suficiente entre unas y
otros para resistir las presiones que se crean en el interior de los cilindros. En los
motores que tienen camisas, por el contrario, las cámaras de agua pueden entrar
7 Extraída de A-PUNTO, Fichero practico del automóvil, editorial SARPE, 1982.
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en contacto con ellas (camisas húmedas) o puede que haya una pared de metal
entre la camisa y la cámara de agua (camisas secas) (fig. 49).
Figura 49. Las camisas de los cilindros son de dos tipos: húmedas y secas. Las
húmedas son adyacentes a las cámaras de agua, mientras que las secas no lo
son. 8
El radiador (fig. 50), es un dispositivo para contener una gran cantidad de agua en
íntimo contacto con un volumen considerable de aire, con el fin que el calor resulte
transferido del agua al aire. Constructivamente, un radiador está formado por dos
compartimientos, totalmente aislados uno del otro.
El termostato tiene por finalidad lograr que el motor llegue a su temperatura
normal de funcionamiento lo más rápidamente posible y además regular el paso
del agua hacia el radiador, según temperatura, cuando el motor está frío el
termostato está cerrado, (no deja pasar el agua al radiador) motor caliente, el
termostato está abierto.
8 Extraida de A PUNTO Fichero Práctico Del Automóvil 1983 SARPE ediciones, España
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Figura 50. Un radiador típico (izquierda), con su vía de agua. A la derecha, corte
de los paneles de dos tipos de radiador. El tipo tubular (arriba) es actualmente
menos común que el celular (abajo), pero durante muchos años fue el dominante.9
En la actualidad el ventilador que logra forzar el aire a pasar por el radiador es
alimentado por un motor eléctrico, en los modelos antiguos se montaba una
transmisión mecánica al cigüeñal para producir dicho efecto.
Para motores a condiciones climáticas bajo 0⁰C, es necesario añadir al agua
sustancias anticongelantes que eviten la expansión que sufre ésta al congelarse.
Existen sistemas de refrigeración constituidos por una cámara de expansión que
comunica con el exterior mediante una válvula de seguridad y cuando el vapor de
agua se enfría y condensa por diferencia de presión, vuelve al radiador (fig. 51).
El sistema por refrigeración es de uso común en motores de motocicletas como en
aviones, además de motores de bajo rango de potencias (fig. 52).
9 Extraida de A PUNTO Fichero Práctico Del Automóvil 1983 SARPE ediciones, España
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Figura 51. El termostato de cera se contrae cuando el agua está fría y cierra las
válvulas. Cuando el motor funciona, el agua se calienta, el termostato se dilata y
vuelve a abrir la válvula. Su operación es gradual según la velocidad del motor.10
Entre los sistemas más utilizados se encuentra el propio aire atmosférico o el tiro
de aire forzado que se obtiene con la ayuda de un ventilador. Se emplean para
motores que desarrollan poca potencia como las motocicletas y vehículos
pequeños.
Figura 52. Refrigeración por aire.
Fuente: http://tinyurl.com/6d2wzua
10 Extraida de A PUNTO Fichero Práctico Del Automóvil 1983 SARPE ediciones, España
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El SISTEMA DE ADMISIÓN es el encargado de suministrar el flujo de aire o
mezcla (carburador) a la velocidad adecuada al pistón, para aprovechar al máximo
el llenado del mismo y lograr una mejor combustión del motor. El sistema lo
componen el filtro de aire, la mariposa de aceleración y el múltiple de admisión
(fig. 53).
Figura 53. Múltiple de admisión tradicional.
Fuente: http://tinyurl.com/3tqvfw7.
El sistema de admisión variable ( múltiple de flujo variable) se utiliza para mejorar
la entrada de aire a los cilindros en dependencia del régimen al que se encuentre
el motor, mejorando directamente el par motor a esos regímenes y en
consecuencia las prestaciones de motor (fig. 54)
Los colectores de admisión convencionales no disponen de la flexibilidad, con la
que cuentan los colectores de admisión variable, para adaptarse a los distintos
regímenes del motor. Con los colectores de admisión convencionales se consigue
un par motor elevado a un numero de revoluciones bajo o una potencia elevada
para un numero de revoluciones alto, pero no se consigue las dos condiciones a la
vez, por eso la necesidad de un sistema eficaz para todos los regímenes de
funcionamiento del motor.
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Figura 54. Colector de admisión variable Porsche
Fuente: http://tinyurl.com/4xtfcul
El aire necesario para la combustión en el motor fluye a través del colector de
admisión hasta la válvula de admisión. Los sistemas de inyección de combustible
modernos para motores de gasolina inyectan el combustible en el colector de
admisión justo antes de la válvula de admisión.
Figura 55. Sistema de admisión variable.
Fuente: http://tinyurl.com/4xtfcul
La longitud del colector de admisión está sujeta a demandas variables − y de
hecho contradictorias − en diferentes estados de marcha, a fin de asegurar la
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mayor tasa posible de afluencia de aire a cualquier régimen de revoluciones del
motor y proporcionar una buena carga de los cilindros (fig. 55).
Mientras que, a bajas revoluciones, el par debe suministrarse lo más rápidamente
posible − lo ideal para ello es un colector de admisión corto −, la potencia máxima
a regímenes elevados requiere colectores de admisión largos. El colector de
admisión variable presenta un sistema de aletas controlado electrónicamente para
satisfacer ambas demandas, canalizando el aire por el colector de admisión corto
a regímenes bajos y por la sección larga a regímenes elevados. En la figura 56, se
observa el circuito que rige la admisión variable
Figura 56. Circuito electróneumático del sistema de admisión variable
Fuente: http://tinyurl.com/4xtfcul
En los motores de 4 válvulas por cilindro, tenemos 2 válvulas de admisión, por lo
que podemos utilizar en vez de un conducto de admisión por cada cilindro, 2
conductos, uno para cada válvula de admisión. Uno de los conductos estará
controlado por una válvula mariposa, para cortarlo a bajas r.p.m. y abrirlo a altas
r.p.m. Para poder funcionar con un inyector por cilindro, se realiza una pequeña
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abertura en la pared de separación entre ambos conductos justo antes de llegar a
las válvulas de admisión.
En algunos círculos se defiende el pulido a espejo de los colectores eliminando
totalmente su rugosidad. Sin embargo en otros se argumenta que un primer pulido
dejando el colector más refinado es suficiente, y se consiguen los mismos
resultados que con el pulido a espejo.
La base de esta argumentación es que la película de aceitosa que se forma en el
interior del colector, funciona como un pulido a espejo, anulando la ligera
rugosidad que podamos dejar y disipando las ventajas de un trabajo más afinado.
Esto se ha demostrado en competencias deportivas donde los más mínimos
cambios afectan la potencia y la puesta punto del motor.
Algunos sistemas de admisión tienen depósitos extra (puertos de vacio), para
activar P.C.V, la purga del canister, la purga de EGR, en el campo de camperos la
activación del 4x4, sistemas que funcionan por vacio.
Un sistema de filtrado (fig. 57), efectivo provee al motor aire limpio con una
restricción mínima, separando del aire los materiales finos como el polvo, arenas,
etc. También debe permitir la operación del motor por un período de tiempo
razonable antes de requerir servicio.
El SISTEMA DE ESCAPE permite la evacuación a gran velocidad de los gases de
escape hacia el exterior. Sin embargo éste sistema está en cambio permanente
debido a las exigencias ambientales que actualmente legislan los MICH y MIC.
El colector de escape (fig. 58), se fabrica en fundición de hierro para que soporte
las altas temperaturas de los gases de escape
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Figura 57. Filtro de aire.
Fuente: http://tinyurl.com/6bw2k7y
Figura 58. Colector de escape y sonda Lamba.
Fuente: http://tinyurl.com/3quperz
El en múltiple de escape también, al igual que en múltiple de admisión, se han
preocupado por lograr que las distancias recorridas por los gases antes de
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Figura 57. Filtro de aire.
Fuente: http://tinyurl.com/6bw2k7y
Figura 58. Colector de escape y sonda Lamba.
Fuente: http://tinyurl.com/3quperz
El en múltiple de escape también, al igual que en múltiple de admisión, se han
preocupado por lograr que las distancias recorridas por los gases antes de
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Figura 57. Filtro de aire.
Fuente: http://tinyurl.com/6bw2k7y
Figura 58. Colector de escape y sonda Lamba.
Fuente: http://tinyurl.com/3quperz
El en múltiple de escape también, al igual que en múltiple de admisión, se han
preocupado por lograr que las distancias recorridas por los gases antes de
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encontrar el punto en común sean iguales. Ello se explica por las contrapresiones
que se ejercen sobre los pistones, si las distancias son diferentes existe un
desbalanceo en los pistones del motor. Ésta tecnología se conoce como Múltiples
de escape armónicos.
El turbocompresor es una combinación de turbina y compresor (fig. 59), utiliza la
energía disponible de los gases de escape para lograr la compresión del flujo de
entrada. Son usados en motores Diesel para incrementar la máxima potencia que
puede obtenerse de un motor con un desplazamiento determinado.
Figura 59. Vista isométrica del conjunto turbina-compresor.
Fuente: http://tinyurl.com/5vvdcqp
El trabajo transferido por ciclo por cada pistón, el cual controla la potencia
entregada por el motor, depende de la cantidad de combustible quemado por ciclo
en cada cilindro.
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Esto a su vez depende de la cantidad de aire fresco que inducido en cada ciclo.
Incrementando la densidad del aire antes de entrar al motor se incrementa la
máxima potencia que un motor de un desplazamiento dado puede entregar. La
figura 60, muestra un turbocargador utilizado en motores a gasolina.
Figura 60. Turbocargador: a) Vista general, b) compresor.
a) b)
Fuente: http://tinyurl.com/3v9fbrf
El flujo de aire pasa a través del compresor, el intercooler11, al sistema de
alimentación luego por la válvula de admisión al cilindro. La presión del aire al
entrar a la cámara de combustión está alrededor de 100Kpa por encima de la
presión atmosférica. El flujo de salida a través de la válvula de escape conduce la
turbina que a su vez proporciona la potencia al compresor (fig. 61).
11 Sistema de enfriamiento sobre el aire después de la compresión accionada por el turbocompresor.
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Figura 61. Vista isométrica del conjunto turbina-compresor (funcionamiento).
Fuente: http://tinyurl.com/3dp364p
El turbocargador de geometría variable (TGV), (Fig. 62) permite orientar los
alabes de la turbina según sea el estado de carga del motor. Para conseguir la
máxima compresión del aire a bajas r.p.m. deben cerrarse los alabes ya que
disminuyendo la sección entre ellos, aumenta la velocidad de los gases de escape
que inciden con mayor fuerza sobre las paletas del rodete de la turbina.
Cuando el motor aumenta de r.p.m y aumenta la presión de soplado en el colector
de admisión, la cápsula neumática lo detecta a través de un tubo conectado
directamente al colector de admisión y lo transforma en un movimiento que
empuja el sistema de mando de los alabes para que estos se muevan a una
posición de apertura que hace disminuir la velocidad de los gases de escape que
inciden sobre la turbina.
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Figura 61. Vista isométrica del conjunto turbina-compresor (funcionamiento).
Fuente: http://tinyurl.com/3dp364p
El turbocargador de geometría variable (TGV), (Fig. 62) permite orientar los
alabes de la turbina según sea el estado de carga del motor. Para conseguir la
máxima compresión del aire a bajas r.p.m. deben cerrarse los alabes ya que
disminuyendo la sección entre ellos, aumenta la velocidad de los gases de escape
que inciden con mayor fuerza sobre las paletas del rodete de la turbina.
Cuando el motor aumenta de r.p.m y aumenta la presión de soplado en el colector
de admisión, la cápsula neumática lo detecta a través de un tubo conectado
directamente al colector de admisión y lo transforma en un movimiento que
empuja el sistema de mando de los alabes para que estos se muevan a una
posición de apertura que hace disminuir la velocidad de los gases de escape que
inciden sobre la turbina.
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Figura 61. Vista isométrica del conjunto turbina-compresor (funcionamiento).
Fuente: http://tinyurl.com/3dp364p
El turbocargador de geometría variable (TGV), (Fig. 62) permite orientar los
alabes de la turbina según sea el estado de carga del motor. Para conseguir la
máxima compresión del aire a bajas r.p.m. deben cerrarse los alabes ya que
disminuyendo la sección entre ellos, aumenta la velocidad de los gases de escape
que inciden con mayor fuerza sobre las paletas del rodete de la turbina.
Cuando el motor aumenta de r.p.m y aumenta la presión de soplado en el colector
de admisión, la cápsula neumática lo detecta a través de un tubo conectado
directamente al colector de admisión y lo transforma en un movimiento que
empuja el sistema de mando de los alabes para que estos se muevan a una
posición de apertura que hace disminuir la velocidad de los gases de escape que
inciden sobre la turbina.
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Figura 62. Turbocompresor de geometría variable.
Fuente: http://tinyurl.com/5sqpghq
Una válvula de By-pass (Wastegate) controla el flujo de escape en la turbina,
derivando parte de éste cuando se presenta algún aumento brusco de presión en
la misma. Con este sistema se logro implementar la sobrealimentación a motores
de gasolina.
Los elementos catalíticos (fig. 63), que se usan son metales preciosos como el
rodio, el platino, etc; que se colocan en un sustrato cerámico de celdillas situados
en el escape, de este modo los gases al pasar por estas celdillas entran en
contacto con los catalizadores y gracias a ellos se acelera enormemente las
reacciones de oxidación. El panel de celdillas lo que hace es que todo el gas pase
por pequeños conductos de manera que todo el gas así repartido entra en
contacto con el catalizador.
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Figura 63. Catalizador del sistema DENOXTRONIC – BOSH.
Fuente: http://tinyurl.com/3rqnx9n
Para cumplir los futuros valores de emisiones límite, ya no es suficiente con aplicar
modificaciones técnicas sobre la combustión en el interior de los motores para
reducirlas. Por ejemplo, bajar el ajuste en el comienzo de inyección en sentido de
retardo, elimina los óxidos de nitrógeno pero al mismo tiempo por el contrario,
eleva la emisión de partículas y el consumo de combustible. Precisamente en el
servicio de los vehículos industriales, con una alta prestación en kilómetros, esto
último conllevaría una rápida elevación de los costes de explotación y con
respecto a la emisión de partículas, aunque ya se desarrollan filtros para minimizar
este componente, todavía no está disponible esta técnica para su introducción en
la fabricación en serie en el área del vehículo industrial.
Para alcanzar la exigida reducción en las emisiones y al mismo tiempo reducir el
consumo de combustible son necesarios los sistemas de tratamiento posterior de
los gases de escape (fig. 64).
La Reducción Catalítica Selectiva - SCR, es una tecnología de control post-
combustión, basadas en la reducción química de los óxidos de nitrógeno (NOx) a
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nitrógeno molecular (N2) y vapor de agua (H2O). El uso de un catalizador permite
que este proceso ocurra a unas temperaturas relativamente bajas.
El AdBlue es una solución del 32,5% de urea (amoníaco) en agua destilada. La
sustancia activa del aditivo AdBlue, la urea, se fabrica industrialmente a partir del
gas natural calentando el carbamato amónico, que se obtiene a su vez haciendo
reaccionar a presión el amoníaco y el anhídrido carbónico, es una sustancia
estable y no tóxica que carece de restricciones en cuanto a su almacenamiento o
transporte.
Figura 64. Sistema DENOXTRONIC – BOSH.
Fuente: http://tinyurl.com/3r8ales
El proceso se realiza como sigue: un agente reductor basado en el nitrógeno tal
como el amoníaco o la urea (AdBlue), es inyectado dentro del gas de
poscombustión. El reactivo reacciona selectivamente con el gas de combustión
NOx (óxidos de nitrógeno) dentro de un rango específico de temperatura, y en la
presencia del catalizador y oxígeno, para reducir al NOx en nitrógeno molecular
(N2) y vapor de agua (H2O).
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Un filtro previo filtra primero las partículas más grandes que son mayores a 100
μm. El filtrado fino se realiza, a continuación, a través del elemento filtrante, que
retiene el 95 por ciento de las partículas que son mayores a 10 μm. Sólo después
de ese filtrado riguroso, el “AdBlue” llega al módulo de dosificación que se ocupa
de medir la cantidad exacta que se va a inyectar en el flujo de gases de escape.
El sistema DENOXTRONIC – BOSH cumple con las especificaciones de
emisiones aprobadas con la norma EURO V.
Los silenciadores (fig. 65), están previstos para amortiguar el ruido del escape
reduciendo gradualmente la presión de los gases de escape conforme son
expulsados de los cilindros en los motores de combustión interna y de turbinas a
gas.
Figura 65. Silenciadores.
Fuente: http://tinyurl.com/6z4lpgl
El silenciador, convierte esta energía de la onda de sonido en calor, haciéndola
pasar por diversas cámaras con reflectores y tubos en forma de laberintos
perforados con diferentes tamaños.
El SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN es el conjunto de elementos que regulan la
apertura y cierre de válvulas en el momento oportuno y a su vez la entrada de la
mezcla, (gases frescos) y la salida de los gases residuales de los cilindros, en el
momento adecuado después de producirse la combustión.
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Figura 66. Diferentes sistemas de distribución: a) por cadena, b) por banda
dentada
a) b)
Fuente: http://tinyurl.com/64n635x
En la figura 66a, se observa la distribución por cadena, se utilizan piñones con
huecos en forma de semicírculo (cigüeñal-árbol de levas) a los que se acoplan los
rodillos de los eslabones de la cadena.
En estos montajes se pueden utilizar cadenas simples, dobles o triples, el sistema
de mando por cadena consiste en realizar la unión de los dos piñones (cigüeñal
árbol de levas) por medio de una cadena dotada de un tensor. Este tensor puede
ser de tipo mecánico o hidráulico. Su lubricación es necesaria y se realiza por
medio del aceite del propio motor. En cuanto al ruido, es menor que el de piñones,
pero aún lo es más que el de correa dentada.
El sistema de banda dentada (fig. 66b), es más utilizado actualmente y presenta
una serie de ventajas frente a las demás:
- Menos ruidosa.
- No necesita engrase.
- Puede situarse en el exterior del bloque.
- Menos costosa.
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- Más fácil de sustituir.
Sin embargo, tiene la dificultad de ser menos resistente y duradera, porque
necesita un mantenimiento más periódico. Los distintos componentes de una
correa de distribución son:
El dorso de la correa, el cabo de tracción, el lecho, el dentado y el tejido protector.
El dorso de la correa y también los dientes son de materiales de gran calidad
sobre una base de policloropreno. Estos se adhieren de forma excelente al cabo
de tracción y al tejido protector. Las correas de distribución necesitan tener una
gran resistencia a la tracción. Unos cabos de fibra de vidrio, en forma de tornillo,
cumplen esta exigencia de forma óptima.
Las correas han de estar tensadas correctamente ya que de estarlo
insuficientemente, podrían dar lugar al salto de un diente y provocar una avería.
La distribución variable permite cambiar el momento de apertura y cierre de las
válvulas en función del régimen del motor. Los sistemas más sofisticados también
pueden controlar el tiempo durante el que la válvula permanece abierta.
Para una mejor comprensión véase:
http://www.youtube.com/watch?v=MYflBZHV_wo
Cuanto más rápido gira un motor, más difícil resulta llenar los cilindros, puesto que
las válvulas abren y cierran mucho más deprisa. 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 (fig. 67). El inconveniente proviene 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.
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Figura 67. Diagrama del cruce de válvulas.
Fuente: http://tinyurl.com/67cab5s
En un motor de cuatro tiempos las válvulas de admisión y escape no se abren y
cierran justo en el momento en que el pistón se encuentra en el punto muerto
superior (P.M.S.) o en el punto muerto inferior (P.M.I.), tal como se explica en el
funcionamiento teórico de un motor (fig. 67b). En realidad la válvula de admisión
su apertura comienza antes de que el pistón alcance el P.M.S. Esto permite
beneficiarse de la inercia de los gases aspirados y conseguir llenar más el cilindro
así como limpiar los gases quemados y se denomina Avance a la Apertura de la
Admisión (A.A.A).
Cuando el pistón llega al P.M.I. en su carrera descendente, la inercia de los gases
que están entrando en el cilindro sigue introduciéndolos aún cuando el pistón ya
inicia su ascenso en la carrera de compresión. Por ello, si la válvula de admisión
se cerrara exactamente en el P.M.I., los volúmenes serian constantes, limitando la
potencia producida por el motor.
Conviene, cerrar la válvula de admisión en plena carrera ascendente de
compresión y lograr un mejor llenado; se conoce por Retardo al Cierre de
Admisión (R.C.A.).
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La válvula de escape tampoco se abre en el P.M.I. exactamente, uno poco antes;
su proceso de apertura no es de una forma instantánea, si al iniciar el pistón su
carrera ascendente de escape no estuviera parcialmente abierta la válvula de
escape, se originarían fenómenos de choque por los gases procedentes de la
combustión. Este adelanto se llama Avance a la Apertura del Escape (A.A.E.).
Cuando el pistón alcanza nuevamente el P.M.S. después de su carrera
ascendente de escape, los gases continúan saliendo del cilindro, por lo que
conviene cerrar la válvula de escape un poco después que el pistón haya vencido
el P.M.S., de esta manera, se facilita la total evacuación de los gases quemados,
con lo que el cilindro queda más limpio y por tanto tiene una mejor calidad la
mezcla. Esto es lo que llamamos Retardo al Cierre del Escape (R.C.E.).
Al instante en que las válvulas de admisión y escape permanecen abiertas se
denomina cruce de válvulas. Estos avances y retardos expuestos anteriormente se
miden en grados y vienen especificados en los manuales de cada motor. Se
representan mediante un diagrama donde se completan los giros pertenecientes a
todo el ciclo.
El SISTEMA DE ENCENDIDO generalmente se define al sistema necesario e
independiente capaz de producir el encendido de la mezcla de combustible y aire
dentro del cilindro en los motores de gasolina o LPG, conocidos también como
motores de encendido por chispa, ya que en el motor Diesel la propia naturaleza
de la formación de la mezcla produce su auto-encendido.
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Figura 67. Sistema de encendido convencional (con platinos).
Fuente: http://tinyurl.com/6goeowr
El encendido por magneto suele ser utilizado en motores aeronáuticos mientras
que el encendido por batería y bobina es clásico en motores de automóvil, aunque
en estos últimos está siendo desplazado por el encendido electrónico.
En los motores de gasolina resulta necesario producir una chispa entre dos
electrodos separados en el interior del cilindro en el momento justo y con la
potencia necesaria para iniciar la combustión.
En un motor (ciclo otto) con sistema de encendido convencional, la bujía
necesita de una tensión (voltaje) que está entre 8.000 a 15.000 voltios (8 - 15 kV),
para producir la chispa.
El sistema de encendido convencional ( fig. 67), consta de la llave de encendido
(1), batería(2), bobina (3), Distribuidor (4), cables (5) y bujías (6).
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Esta tensión depende de muchos factores, como:
• Desgaste de las bujías (apertura de los electrodos).
• Resistencia de los cables de encendido.
• Resistencia del rotor del distribuidor.
• Distancia entre la salida de alta tensión del rotor y los terminales de la tapa del
distribuidor.
• Punto de encendido (tiempo del motor).
• Compresión de los cilindros.
• Mezcla aire/combustible.
• Temperatura del motor.
El sistema de encendido electrónico (fig. 68), consta de la llave de encendido
(1), batería (2), unidad de comando (3), pre-resistencia (4), bobina (5), distribuidor
(6) y bujía (7).
En los actuales sistemas de inyección electrónica de gasolina se combinan con un
encendido electrónico integral aprovechando muchos de los sensores que les son
comunes y la propia unidad de control (UCE) para gobernar ambos sistemas.
El encendido electrónico posee muchas ventajas sobre el sistema de platino:
• No utiliza platino y condensador, que son los principales causantes del desajuste
del sistema de encendido.
• Mantiene la tensión de encendido siempre constante, garantizando más potencia
de la chispa en altas revoluciones.
• Mantiene el punto de encendido (tiempo del motor) siempre ajustado.
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Figura 68. Sistema de encendido electrónico.
Fuente: http://tinyurl.com/6goeowr
El SISTEMA DE ARRANQUE tiene por finalidad girar al motor con una fuente
externa que le permita vencer la resistencia inicial de los componentes
cinemáticos, al ponerse en marcha. Pueden ser para motores de dos o cuatro
tiempos.
El arrancador consume gran cantidad de corriente al transformarla en energía
mecánica para dar movimiento al cigüeñal y vencer la enorme resistencia que
opone la mezcla al comprimirse en la cámara de combustión.
El arranque por aire comprimido se usa para algunos grandes motores en los que
la potencia necesaria hace difícil el uso del arranque eléctrico debido a las
altísimas corrientes necesarias, y en algunos vehículos especiales adaptados para
funcionar a muy bajas temperaturas donde las baterías como acumuladores no
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pueden utilizarse. También en estos grandes motores el proceso de arranque es
más complejo y por lo general, deben hacerse girar hasta que se lubriquen las
partes internas antes de someterlos al funcionamiento por ellos mismos.
El arranque por motor de combustión auxiliar se usa en algunas máquinas de la
construcción que usan motores Diesel. Estas máquinas pueden prescindir de las
baterías de acumuladores y así ser más adaptables a condiciones climáticas de
fríos severos. Usan un pequeño motor de gasolina que se arranca por el método
manual o con motor eléctrico, este a su vez acciona el motor principal a través de
un acoplamiento de engranajes desplazables. Estos pequeños motores pueden
hacer girar por largo tiempo al motor principal para permitir la lubricación antes de
la puesta en marcha.
También existen automotores que no poseen el sistema de arranque incorporado
en el motor, son elementos externos y accionan el motor justo al momento de
iniciar su operación. Un ejemplo son los automóviles de la F1.
En un MICH, El sistema de arranque está compuesto por:
La Batería
El alternador
El motor eléctrico.
El principio de funcionamiento se basa en inducir una corriente sobre un motor
eléctrico (fig. 69), en el cual es forzado a girar. Esta capacidad se logra a
expensas de sobrecargar eléctricamente las partes constituyentes ya que el
tiempo de funcionamiento es muy breve, por tal motivo no debe mantenerse en
acción por largo tiempo, so pena de terminar averiado por sobrecalentamiento. El
consumo de electricidad durante el arranque es elevado (hasta 1000 Amp para
grandes motores de combustión), de manera tal que también la batería funciona
en un régimen muy severo durante este proceso
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Figura 69. Despiece de un motor eléctrico de arranque.
Fuente: http://tinyurl.com/6ktdg5u
La transmisión de la rotación desde el motor de arranque al motor de combustión
se realiza a través de engranajes. Un pequeño engrane deslizante está acoplado
al eje del motor de arranque, este engrane es desplazado sobre estrías por el relé
a través de una horquilla pivotante, de manera que se acopla a un engrane mayor
que rodea el volante del cigüeñal del motor haciéndolo girar.
Este engrane funciona a través de un mecanismo de rueda libre, de manera que
el torque del motor de arranque se trasmita al engrane del cigüeñal, pero una vez
que el motor de combustión se ponga en marcha, no pueda arrastrar al motor de
arranque.
Cuando el motor de combustión se ha puesto en marcha y el conductor suelta la
llave de encendido, se corta la alimentación eléctrica a la bobina del relé y el
muelle de recuperación retira el núcleo cortando la alimentación con electricidad y
desacoplando ambos engranes.
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El SISTEMA DE ALIMENTACIÓN tiene por objeto extraer el combustible del
depósito y conducirlo a los cilindros en las mejores condiciones, para que la
combustión se realice correctamente. Se realiza por métodos físicos que ocurren
dentro de un dispositivo, el cual posee un conjunto de mecanismos que nos
permitirán administrar la dosis aproximadamente adecuada a los pistones en el
momento que lo requiera.
En todos los sistemas de alimentación por presión, es necesaria una bomba de
combustible para enviar éste desde el depósito luego pasa por un filtro que retiene
las partículas sólidas que pudiera contener el líquido, hasta otra bomba de mayor
presión de salida (motores Diesel) o hasta los inyectores de gasolina (inyección
electrónica MICH).
En Motores a gasolina antiguos, la mezcla del aire-combustible se realizaba en
un solo elemento, el carburador.
El objetivo del carburador (Fig. 70), es conseguir la mezcla de aire-gasolina en la
proporción adecuada según las condiciones de funcionamiento del automóvil. El
funcionamiento del carburador se basa en el efecto venturi que provoca que toda
corriente de aire que pasa por una canalización, genere una depresión (succión)
que se aprovecha para arrastrar el combustible proporcionado por el propio
carburador. La depresión creada dependerá de la velocidad de entrada del aire
que será mayor cuanto menor sea la sección de paso de las canalizaciones.
Si dentro de la canalización tenemos un estrechamiento (venturi) para aumentar la
velocidad del aire y en ese mismo punto se coloca un surtidor comunicado a una
cuba con combustible a nivel constante, la depresión que se provoca en ese punto
producirá la salida del combustible por la boca del surtidor que se mezclara con el
aire que pase en ese momento por el estrechamiento, siendo arrastrado hacia el
interior de los cilindros del motor.
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Figura 70. Despiece del carburador Motorcraft.12
En la figura 71, se observa el funcionamiento del motor. Cuando el pistón realiza
su recorrido descendente en el tiempo de admisión se provoca un vacío en la
cámara de combustión, por lo que la presión absoluta en la misma será muy
inferior a la atmosférica; es decir habrá una gran depresión.
12 Extraida de A PUNTO Fichero Práctico Del Automóvil 1983 SARPE ediciones, España
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Figura 71. Funcionamiento de un carburador.
Fuente: http://tinyurl.com/63xf8pu
Esta depresión se transmitirá a través de la tubería de admisión al carburador y
hacía el exterior, lo que motivará la entrada en funcionamiento del carburador
proporcionando gasolina que se mezclara con el aire que entra debido a la
depresión, formando la mezcla de aire-combustible que después se quemara en el
interior de la cámara de combustión del motor.
La depresión se transmitirá tanto mejor cuanto menos obstáculos encuentre en su
camino. Si la mariposa del carburador está cerrada, ésta actuará como una pared
respecto a la misma, por lo que encima de ella la depresión será muy pequeña, es
decir, la presión será prácticamente igual a la atmosférica.
A medida que se va abriendo la mariposa, la depresión se transmite a la zona del
difusor, disminuyendo la misma en la zona por debajo de la mariposa.
Si aumentamos la sección de paso (abriendo la mariposa), el caudal de aire que
pasará será mayor y la depresión en el difusor será también mayor por lo que
arrastrara mas gasolina del surtidor hacia los cilindros.
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Los carburadores actualmente no tienen gran impacto en la industria
automovilística, debido a la implementación de sistemas electrónicos de inyección.
Sin embargo, el carburador es muy útil para motores de bajas cilindradas, como
motores de herramientas domesticas (podadoras), o en motores de altísima
potencia estacionarios, donde sus rangos de las velocidades de operación son
muy cortos o constante. En dichos casos el carburador mantiene vigencia y
aplicabilidad.
Actualmente los MICH el proceso de alimentación, la mezcla se prepara por medio
de la inyección de combustible en el colector de admisión (indirecta) o dentro
del cilindro (directa), se suministra por medio de inyectores electrónicos.
Esta tendencia se explica por las ventajas que supone la inyección de combustible
en relación con las exigencias de potencia, consumo, comportamiento de marcha,
así como de limitación de elementos contaminantes en los gases de escape. Las
razones de estas ventajas residen en el hecho de que la inyección permite una
dosificación muy precisa del combustible en función de los estados de marcha y
de carga del motor; teniendo en cuenta así mismo el medio ambiente, controlando
la dosificación de tal forma que el contenido de elementos nocivos en los gases de
escape sea mínimo. Además, asignando una electroválvula o inyector a cada
cilindro se consigue una mejor distribución de la mezcla.
También permite la supresión del carburador; dar forma a los conductos de
admisión, permitiendo corrientes aerodinámicamente favorables, mejorando el
llenado de los cilindros, con lo cual, favorecemos el par motor y la potencia. En la
figura 72, se indica el cambio de tecnología para un MICH sobre el sistema de
mezcla aire – combustible en el tiempo.
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Figura 72. Variación del sistema de alimentación en el tiempo.
Fuente: http://tinyurl.com/3cggqfn
Algunas de las ventajas obtenidas por la inyección son:
Consumo reducido
Mayor potencia
Minimizar las concentraciones de los gases contaminantes.
Tiempos más cortos y mayor aceleración en el arranque en frio y la fase de
calentamiento
La alimentación por inyección en MICH presenta dos rangos específicos de
trabajo:
Mezcla estratificada: El motor es alimentado con una mezcla poco
enriquecida cuando el vehículo se desplaza en unas condiciones de carga
parcial. Para poder conseguir una mezcla pobre para alimentar el motor
éste debe ser alimentado de forma estratificada.
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La mezcla de aire y combustible se concentra en torno a la bujía ubicada en una
estratégica posición central en las cámaras de combustión, en cuyas zonas
periféricas se acumula prácticamente sólo una capa de aire. La positiva
característica de economía de consumo es también una consecuencia de la
disminuida dispersión de calor. El aire concentrado de la manera comentada en la
periferia del espacio de combustión mientras se produce la explosión de la mezcla
en la zona central de la cámara proporciona una especie de aislamiento térmico
(fig. 73).
Figura 73. Secuencia de la inyección estratificada.
Fuente: http://tinyurl.com/6zwcabm
Con esta estratificación específica de la carga, el valor Lambda en el área de
combustión oscila entre 1,5 y 3. De este modo la inyección directa de gasolina
alcanza en el campo de carga parcial el mayor ahorro de combustible frente a los
inyecciones convencionales: en marcha de ralentí incluso un 40%. Cuando el
motor trabaja con mezcla estratificada en la carrera de admisión solo entra aire en
los cilindros. Durante la carrera de compresión se inyecta el combustible y salta la
chispa en la bujía.
Mezcla homogénea: El motor es alimentado con una mezcla uniforme en
los regímenes más elevados (cuando se exige potencia al motor).
La inyección es adaptada de forma automática y el combustible no es inyectado
en las fases de compresión sino en las de admisión. Unas determinadas leyes de
la termodinámica imponen, no obstante, un aumento del llenado de los cilindros y
una disminución de la temperatura de compresión en estas condiciones. Estos
ajustes tienen unos efectos secundarios también muy positivos que se manifiestan
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en forma de unos elevados valores de potencia y par motor. Con mezcla
homogénea el combustible se inyecta durante la carrera de admisión para crear un
efecto de refrigeración. El inyector de alta presión cambia la forma de funcionar en
este modo para alimentar el combustible mediante un chorro largo en forma de
cono, con objeto de conseguir una dispersión en el cilindro (fig. 74).
Figura 74. Secuencia de la inyección homogénea.
Fuente: http://tinyurl.com/3un96mz
El efecto de refrigeración evita las detonaciones o combustión espontánea en el
cilindro que pueden producirse cuando el motor tiene una relación de compresión
alta y con un elevado calentamiento.
MOTRONIC MED 7 - Inyección Directa de Gasolina
El funcionamiento del sistema Monotronic corresponde a la figura 75.
Con la bomba de alta presión se suministra al tubo distribuidor de combustible
(acumulador de presión). Empalmes hidráulicos unen el tubo distribuidor de
combustible con válvulas de alta presión de accionamiento electromagnético. Un
circuito regulador cerrado compuesto por sensor de presión de combustible,
valvula reguladora de presión y unidad de mando electrónica (ECU), regula la
presión del sistema hidráulico individualmente en todos los puntos de servicio.
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Figura 75. Sistema MONOTRONIC MED 713.
Medidor de masa de aire con sensor de temperatura(1), depósito de carbón
activo(2), válvula de purga de aire del depósito(3), bomba de alta presión(4),
válvula reguladora de presión(5), distribuidor de combustible(6), bobina de
encendido(7), Modulo de aceleración(8), dispositivo estrangulador(9), válvula de
retroalimentación de gases de escape(10), Sensor de presión del tubo de
admisión(11), sensor de alta presión(12), válvula de inyección de alta presión(13),
sensor de picado(14), sensor de temperatura del motor(15), sonda lambda
LSU(16), sonda lambda LSF(17), catalizador NOx(18), Unidad de mando
electrónico ECU(19), interfaz para diagnostico (20), lámpara de diagnóstico(21),
Bloqueo electrónico de arranque(22), CAN(23), módulo transportador para bomba
de alimentación(24), sensor de velocidad(25).
La presión de inyección, el comienzo de la inyección y la duración de la inyección
puede elegirse libremente para cualquier punto de servicio del motor, dentro de los
límites predefinidos. La geometría del chorro de inyección se adapta a las
13 Adaptado del Aula Virtual – capitulo 8 (formación de mezcla en MICH)
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exigencias del respectivo motor. Mediante la adaptación del caudal de
combustible, del llenado de aire y del ángulo de encendido, el control del motor
mantiene constante el par motor conforme al requerimiento de carga, al producirse
un cambio de servicio (servicio homogéneo, servicio estratificado).
El margen de carga parcial inferior con una mezcla muy pobre (λ>1) y carga
estratificada directa, en funcionamiento sin estrangulación; el margen de
revoluciones aprovechable es limitado y se reduce las pérdidas de cambio de
carga al suprimir la estrangulación. El mando del rendimiento se efectúa por medio
del combustible.
En el servicio homogéneo (λ=1), es útil en el margen total de revoluciones y carga.
La potencia es regulada por el llenado y el encendido.
En el servicio homogéneo (λ>1), la cantidad de combustible es menor (excedente
de aire) respecto al servicio homogéneo (λ=1). La potencia es regulada por el
combustible.
Los sistema de alimentación para MIC, han variado en el tiempo y tienen notables
diferencias con los MICH. Se recopila dos sistemas de inyección para Motores de
Ignición por Compresión (MIC).
En los motores diesel la alimentación se realiza introduciendo por separado, en el
interior de los cilindros, el aire que en el tiempo de compresión alcanza los 600º C,
y el combustible que se inyecta a alta presión, los cuales se mezclan en el interior
de la cámara de combustión, donde se produce la combustión de esta mezcla.
El combustible se toma del depósito, pasa por el separador combustible/ agua,
luego se calienta el combustible que es impulsado por la bomba de alimentación;
pasa por el filtro de combustible y llega a la bomba inyectora que aumenta la
presión del combustible y posteriormente al inyector. El sistema de baja se
considera desde el depósito de combustible hasta la bomba de inyección, el
sistema de alta por su parte, lo compone la bomba de inyección hasta el conjunto
de inyectores.
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El sistema con bomba en línea, (fig. 77a) se emplea una bomba de unidades
múltiples con un elemento de bombeo para cada inyector. El combustible a alta
presión que viene de la bomba hace que la aguja del inyector se levante de su
asiento para inyectar el combustible en la cámara de combustión. En el diagrama
(Fig. 76), la bomba elevadora (2) succiona el combustible del tanque y lo envía a
través del filtro (1) hasta la bomba de inyección (6). En el momento correcto, el
elemento de bombeo envía combustible a alta presión al inyector que lo atomiza
en la cámara de combustión en el cilindro del motor.
Figura 76. Sistema de inyección14. a) bomba en línea, b) bomba tipo distribuidor
Figura 77. Bombas de inyección: a) bomba en línea, b) bomba tipo distribuidor.
14 Adaptado de: MAY, Ed. Mecánica para Motores Diesel. Madrid: Mc Graw Hill, 1999.
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a) b)
Fuente: http://tinyurl.com/3wsrz9q
El sistema con bomba tipo distribuidor (fig. 77b), es básicamente similar al de
la bomba en línea, pero se emplea bomba del tipo de distribuidor. Tiene un solo
elemento de bombeo y un mecanismo para distribuir el combustible a alta presión
a los inyectores; éstos, a su vez, atomizan el combustible en las cámaras de
combustión. Un pequeño excedente de combustible pasa por los inyectores y
retorna al tanque, igual que en el sistema en línea, los inyectores operan por el
combustible a alta presión enviado desde la bomba de inyección (fig. 76b).
El sistema PT, indica la relación directa entre la cantidad de combustible que se
inyecta en las cámaras de combustión con la presión y con el periodo de tiempo
durante el cual el combustible entra al inyector (presión – tiempo). Este sistema se
emplea en los motores Cummis. El árbol de levas acciona el inyector mediante
una varilla de empuje y un balancín (fig. 78c). Este sistema, a veces, se llama
inyección mecánica para diferenciarlo de los sistemas con bomba de inyección en
línea y de tipo distribuidor en los que sólo hay inyección a presión. En el sistema
PT se acciona un émbolo con un impulsor dentro del inyector para introducir el
combustible en la cámara de combustión. Según el diagrama, una bomba de
engranes que es parte de la bomba de combustible (fig. 78c) (8), succiona el
combustible del tanque a través del filtro (1); después se entrega al inyector a una
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presión baja y se inyecta por acción mecánica en la cámara de combustión a una
presión mucho más alta. El exceso de combustible en los inyectores retorna al
tanque.
Figura 78. Sistema de inyección15. c) PT, d) inyector-bomba.
El sistema (Inyector – bomba), o inyectores unitarios (fig. 79); por cada cilindro
del motor se monta una unidad en la culata que es accionada directamente por un
empujador o indirectamente por un balancín. Dispone de una presión de inyección
superior a la proporcionada por las bombas de inyección en línea y rotativas, esto
es debido a que no dispone de tuberías de alta presión. Debido a la elevada
presión de inyección se consigue una importante reducción de emisiones
contaminantes.
Figura 79. Inyector bomba. a) Disposición en el motor, b) vista en corte.
15 Adaptado de: MAY, Ed. Mecánica para Motores Diesel. Madrid: Mc Graw Hill, 1999.
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a) b)
Fuente: http://tinyurl.com/3hwgnrp Fuente: http://tinyurl.com/42rhs8p
El inyector se acciona desde el árbol de levas por medio de una varilla de empuje
y un balancín (fig. 78d), la bomba elevadora (2) succiona el combustible del
tanque. Pasa por el filtro primario, luego por la bomba, el filtro secundario y llega al
inyector (5). En el momento preciso se acciona el inyector desde el árbol de levas
para aumentar la presión del combustible y entregarlo en la cantidad correcta a las
cámaras de combustión. En ese sistema, el combustible circula en forma continua
por los conductos en la culata de cilindros, para llegar a los inyectores y retornar el
excedente al tanque.
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a) b)
Fuente: http://tinyurl.com/3hwgnrp Fuente: http://tinyurl.com/42rhs8p
El inyector se acciona desde el árbol de levas por medio de una varilla de empuje
y un balancín (fig. 78d), la bomba elevadora (2) succiona el combustible del
tanque. Pasa por el filtro primario, luego por la bomba, el filtro secundario y llega al
inyector (5). En el momento preciso se acciona el inyector desde el árbol de levas
para aumentar la presión del combustible y entregarlo en la cantidad correcta a las
cámaras de combustión. En ese sistema, el combustible circula en forma continua
por los conductos en la culata de cilindros, para llegar a los inyectores y retornar el
excedente al tanque.
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a) b)
Fuente: http://tinyurl.com/3hwgnrp Fuente: http://tinyurl.com/42rhs8p
El inyector se acciona desde el árbol de levas por medio de una varilla de empuje
y un balancín (fig. 78d), la bomba elevadora (2) succiona el combustible del
tanque. Pasa por el filtro primario, luego por la bomba, el filtro secundario y llega al
inyector (5). En el momento preciso se acciona el inyector desde el árbol de levas
para aumentar la presión del combustible y entregarlo en la cantidad correcta a las
cámaras de combustión. En ese sistema, el combustible circula en forma continua
por los conductos en la culata de cilindros, para llegar a los inyectores y retornar el
excedente al tanque.
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El sistema de inyección de acumulador "Common Rail" ofrece una flexibilidad
destacadamente mayor para la adaptación del sistema de inyección al
funcionamiento motor, en comparación con los sistemas propulsados por levas
(bombas rotativas). Esto es debido a que están separadas la generación de
presión y la inyección. La presión de inyección se genera independientemente del
régimen del motor y del caudal de inyección (fig. 80).
Figura 80. Sistema Common Rail.
Fuente: http://tinyurl.com/3r5ksvt
El combustible para la inyección está a disposición en el acumulador de
combustible de alta presión "Rail". El conductor preestablece el caudal de
inyección, la unidad de control electrónica (ECU) calcula a partir de campos
característicos programados, el momento de inyección y la presión de inyección,
el inyector (unidad de inyección) realiza las funciones en cada cilindro del motor, a
través de una electroválvula controlada.
En la figura 81, se indica la disposición de los componentes de este sistema de la
marca BOSCH, en la que se aprecian las señales de entrada de los sensores y la
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salida de la unidad electrónica hacia las electroválvulas y bomba, presión de
inyección la suministra la bomba individual arrastrada por el motor. Esta presión se
comunica por medio de una tubería rígida a una rampa o regleta situada en la
culata del motor y a la cual van unidos los inyectores. Los inyectores son el núcleo
del sistema y están controlados por válvulas electromagnéticas. El proceso de
inyección se inicia por medio de un impulso del modulo de control dirigido a dichas
válvulas. La cantidad inyectada depende tanto de tiempo de abertura de la tobera
de inyección como también de la presión del sistema que es generada por la
bomba.
Figura 81. Disposición de los elementos del sistema Common Rail.
Fuente: http://tinyurl.com/3r5ksvt