Motor
diésel
El motor diésel es un
motor térmico que tiene combustión interna alternativo que se produce por el auto encendido del combustible debido a altas temperaturas derivadas de la
compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo
del diésel. Se diferencia del motor de gasolina.
Historia
El motor
diésel fue inventado en el año 1893, por el ingeniero alemán Rudolf Diesel,
empleado de la firma MAN, que por aquellos años ya estaba en la producción de
motores y vehículos de carga.
Rudolf
Diesel estudiaba los motores de alto rendimiento térmico, con el uso de
combustibles alternativos en los motores de combustión interna. Su invento le
costó muy caro, por culpa de un accidente que le provocó lesiones a él y a sus
colaboradores y que casi le costó la vida porque uno de sus motores
experimentales explotó.
Durante
años Diesel trabajó para poder utilizar otros combustibles diferentes a la
gasolina, basados en principios de los motores de compresión sin ignición por
chispa, cuyos orígenes se remontan a la máquina de vapor y que poseen una mayor
prestación. Así fue como a finales del siglo XIX, en el año 1897, MAN produjo
el primer motor conforme los estudios de Rudolf Diesel, encontrando para su
funcionamiento, un combustible poco volátil, que por aquellos años era muy
utilizado, el aceite liviano, más conocido como fuel oil que se utilizaba para
alumbrar las lámparas de la calle.
Constitución
El motor
diésel de cuatro tiempos está formado básicamente de las mismas piezas que un
motor de gasolina, algunas de las cuales son:
Aro de pistón
Un aro
de pistón es un aro de metal con una abertura que calza en una ranura que
recorre la superficie exterior de un pistón en un motor recíproco tal como un
motor de combustión interna o una turbina de vapor.
Las tres
funciones principales de los aros de los pistones en motores con movimiento
recíproco son:
- Sellar la cámara de
combustión/expansión.
- Colaborar en la
transferencia de calor desde el pistón a la pared del cilindro.
- Regular el consumo de aceite
del motor.1 2
El huelgo
entre el aro del pistón y el agujero del cilindro es de unas pocas milésimas de
centímetro.
Bloque del motor
El bloque
del motor, bloque motor, bloque de cilindros o monoblock
es una pieza fundida en hierro o aluminio que aloja los cilindros de un motor
de combustión interna así como los soportes de apoyo del cigüeñal. El diámetro
de los cilindros, junto con la carrera del pistón, determina la cilindrada del
motor.
Funciones
La
función del bloque es alojar el tren alternativo, formado por el cigüeñal, las
bielas y los pistones. En el caso de un motor por refrigeración líquida, la más
frecuente, en el interior del bloque existen también cavidades formadas en el
molde a través de las cuales circula el agua de enfriamiento, así como otras
tubulares para el aceite de lubricación cuyo filtro también está generalmente
fijo a la estructura del bloque.
Cuando el
árbol de levas no va montado en la culata (como es el caso del motor OHV)
existe un alojamiento con apoyos para el árbol de levas de las válvulas.
El bloque
tiene conexiones y aperturas a través de las cuales varios dispositivos
adicionales son controlados a través de la rotación del cigüeñal, como puede
ser la bomba de agua, bomba de combustible, bomba de aceite y distribuidor (en
los vehículos que los poseen).
Material
Los
materiales más usados son el hierro fundido y el aluminio, este último más
ligero y con mejores propiedades disipadoras, pero de precio más elevado.
Resistiendo
peor al roce de los pistones, los bloques de aluminio tienen los cilindros
normalmente revestidos con camisas de acero.1
El
material del que son construidos los bloques tiene que permitir el moldeado de
todas las aperturas y pasajes indispensables, así como también soportar los
elevados esfuerzos de tracción de la culata durante la combustión, y alojar a
las camisas de cilindro por donde se deslizan los pistones. Asimismo van
sujetas al bloque las tapas de los apoyos del cigüeñal, también llamadas apoyos
de bancada. Además, tiene que tener apoyos del cigüeñal reforzados.
Culata
La culata,
tapa de cilindros, cabeza del motor o tapa del bloque de
cilindros es la parte superior de un motor de combustión interna que
permite el cierre de las cámaras de combustión.
Son
varias las explosiones que se han dado con las configuraciones de la culata,
según el tipo de motor, siendo la más sencilla la del motor de dos tiempos
refrigerado por aire (Fig. 4 culata Morini de un scooter) en la que
literalmente es la tapa del cilindro atravesada por el orificio roscado para la
bujía y que por una de sus caras tiene las aletas de refrigeración que buscan
una mayor superficie de contacto con el elemento refrigerante que es el aire.
Los
motores antiguos refrigerados por agua pero con válvulas en el bloque, son
también sencillamente la tapa de los cilindros conformando la cámara de
combustión, presentando la diferencia de ser una pieza de fundición hueca que
en su interior conduce el elemento refrigerante que es el agua. las cabezas de
los motores son muy diferentes en cuanto a material a comparación del
monobloque.
Posteriormente,
para aumentar la eficiencia del motor, los diseñadores fueron ubicando en la
culata las válvulas y el tren de balancines que las accionan para permitir la
entrada y salida de gases a la cámara de combustión y en consecuencia también
los orificios o lumbreras de conducción de dichos gases. Más recientemente se
desplazaron los ejes de levas desde el bloque para configurar el componente
complejo de hoy en día.
Si el
motor de combustión interna es de encendido provocado (motor Otto), lleva
orificios roscados donde se sitúan las bujías. En caso de ser de encendido por
compresión (motor diésel) en su lugar lleva los orificios para los inyectores.
La culata
se construye en hierro fundido, aluminio o en aleación ligera y se une al
bloque motor mediante tornillos y una junta: la junta de culata. Se construye
con estos elementos porque el sistema de enfriamiento debe ser rápido, y estos
elementos se enfrían rápidamente.
Cuando la
culata está dañada emite un sonido parecido a un golpeteo ligero y un poco
fuerte en la cabeza. No son los busos ni las punterías. Cuando el motor está
con los niveles correctos de aceite, los busos y punterías emiten un sonido
parecido a un golpeteo continuo pero muy ligero y silencioso.
Cigüeñal
Un cigüeñal
o TPM1 es un eje acodado, con codos y contrapesos presente en ciertas
máquinas que, aplicando el principio del mecanismo de biela - manivela,
transforma el movimiento rectilíneo alternativo en circular uniforme y
viceversa. En los motores de automóviles el extremo de la biela opuesta al
bulón del pistón (cabeza de biela) conecta con la muñequilla, la cual junto con
la fuerza ejercida por el pistón sobre el otro extremo (pie de biela) genera el
par motor instantáneo. El cigueñal va sujeto en los apoyos, siendo el eje que
une los apoyos el eje del motor.
Normalmente
se fabrican de aleaciones capaces de soportar los esfuerzos a los que se ven
sometidos y pueden tener perforaciones y conductos para el paso de lubricante.
Sin embargo, estas aleaciones no pueden superar una dureza a 40 Rockwell
"C" (40 RHC), debido a que cuanto más dura es la aleación más frágil
se convierte la pieza y se podría llegar a romper debido a las grandes fuerzas
a las que está sometida. Hay diferentes tipos de cigüeñales; los hay que tienen
un apoyo cada dos muñequillas y los hay con un apoyo entre cada muñequilla.
Por
ejemplo, para el motor de automóvil más usual, el de cuatro cilindros en línea,
los hay de tres apoyos (hoy ya en desuso), y de cinco apoyos, el más común
actualmente.
En otras
disposiciones como motores en V o bien horizontales opuestos (boxer)
puede variar esta regla, dependiendo del número de cilindros que tenga el
motor. El cigüeñal es también el eje del motor con el funcionamiento del pistón
y gradualmente se usa así en los automóviles con motor de combustión interna
actuales.
Volante de inercia
| En mecánica, un volante de inercia o volante motor es un elemento totalmente pasivo, que únicamente aporta al sistema una inercia adicional de modo que le permite almacenar energía cinética. Este volante continúa su movimiento por inercia cuando cesa el par motor que lo propulsa. De esta forma, el volante de inercia se opone a las aceleraciones bruscas en un movimiento rotativo. Así se consiguen reducir las fluctuaciones de velocidad angular. Es decir, se utiliza el volante para suavizar el flujo de energía entre una fuente de potencia y su carga. En la actualidad numerosas líneas de investigación están abiertas a la búsqueda de nuevas aplicaciones de los volantes. Algunos ejemplos de dichos usos son: |
- Absorber la energía de
frenado de un vehículo, de modo que se reutilice posteriormente en su
aceleración (KERS).
- Como dispositivos para
suavizar el funcionamiento de instalaciones generadoras de energía
eléctrica mediante energía eólica y energía fotovoltaica, así como de
diversas aplicaciones eléctricas industriales.
- En los ferrocarriles eléctricos que usan desde hace mucho tiempo un sistema de freno regenerativo que alimenta la energía extraída del frenado nuevamente a las líneas de potencia; con los nuevos materiales y diseños se logran mayores rendimientos en tales fines.
Introducción
A modo de
breve introducción, veamos qué aspecto presenta la fórmula de la energía
almacenada en un rotor como energía cinética, o, más concretamente, como
energía rotacional:
donde es
la velocidad angular, y es el momento de inercia de la masa sobre el
eje de rotación.
Veamos
ahora unos pocos ejemplos de momentos de inercia que nos pueden ser de utilidad
a la hora de realizar sencillos cálculos para sistemas simplificados:
- El momento de inercia para
un cilindro sólido es: ,
- para un cilindro de pared
delgada: ,
- y para un cilindro de pared
no-delgada: .
- y para un cilindro con eje
de rotación perpendicular a la generatriz pasando por el centro de la
longitud:
donde m
denota la masa, r denota el radio y L denota la longitud del
cilindro.
Pistón
Función
Su
función principal es la de constituir la pared móvil de la cámara de
combustión, transmitiendo la energía de los gases de la combustión a la biela
mediante un movimiento alternativo dentro del cilindro. Dicho movimiento se
copia en el pie de biela, pero se transforma a lo largo de la biela hasta
llegar a su cabeza apretada al muñón del cigüeñal, en donde dicha energía se ve
utilizada al movilizar dicho cigüeñal. De esta forma el pistón hace de guía al
pie de biela en su movimiento alternativo.
Nomenclatura de las partes del pistón
- Cabeza: Parte superior del
pistón cuya cara superior (Cielo) está en contacto permanente con todas
las fases del fluido: Admisión, compresión, combustión y consecuente
expansión y escape. Para permitir las dilataciones producidas por el
aumento de temperatura la cabeza es de menor tamaño, alcanzando su menor
diámetro en el cielo. Según sean las necesidades del motor, la parte
superior puede adoptar diversas formas
- Cielo: Superficie superior
de la cabeza contra la cual ejercen presión los gases de la combustión.
Puede ser plana, cóncava, convexa, tener labrados conductos toroidales,
deflectores para crear turbulencia, etc. Generalmente posee menor diámetro
que el extremo inferior del pistón debido a que se tiene que prever que al
estar en contacto con las temperaturas más altas de todo el motor va a
existir una cierta dilatación en el pistón, consistente en un cierto
ensanchamiento en su sector superior -es decir, en su cabeza- y por esta
razón el pistón adopta una forma tronco cónica con su menor diámetro en su
superficie superior.
- Alojamiento porta-aros: Son
canales asignados a lo largo de la circunferencia del pistón, destinados a
alojar los anillos. Los canales para los anillos rasca-aceite poseen
orificios en el fondo para permitir el paso del aceite lubricante.
- Paredes entre canaletas: las
partes de la región de los anillos que separan dos canales entre sí.
- Falda o pollera: Parte del
pistón comprendida entre el centro del orificio del perno y el extremo
inferior del pistón. Forma una superficie de deslizamiento y guía al
pistón dentro del cilindro. Las faldas son de hierro fundido, y se la une
a la corona mediante soldaduras o por embutimiento. En motores Diesel las
faldas pueden formar una sola pieza con la cabeza, y en motores grandes se
suelen usar faldas no integrales. Las faldas del pistón suelen ser de tipo
planas o lisas, acanaladas o partidas o también del tipo arrugado. Esto
sirve para contrarrestar la dilatación o para mejorar la lubricación. Las
faldas o ranuras permitan la expansión del metal sin aumento de diámetro.
Una particularidad interesante de las faldas arrugadas es que tienen
microfisuras en las cuales se transporta aceite, lo cual mejora
considerablemente la lubricación y por ende alarga el tiempo de vida útil
del pistón. El juego entre la falda y la superficie del cilindro debe ser
los más reducido posible para evitar el cabeceo del pistón. Para facilitar
el deslizamiento y agarrotamiento del pistón en muchas faldas se coloca
una protección que consta de una capa de metales antifricción tales como
plomo, cadmio, zinc o estaño.
- Orificio para perno del
pistón: es el orificio situado en la falda que aloja al perno, los pernos
del pistón son piezas cilíndricas de acero al carbono, tratadas
térmicamente que sirven de articulación entre el pistón y la biela. Cuando
el perno está libre tanto en el pistón como en la biela, se debe evitar el
desplazamiento axial (Es decir, hacia los costados) del mismo, para lo
cual se realizan unas ranuras en el borde de cada orificio y en dichas
ranuras de montan anillos elásticos que constituyen un tope al movimiento
axial del perno.
- Perno del pistón: Es un
pasador tubular construido en acero al 10% de carbono. Tiene tres formas
posibles de fijación entre el pistón y la biela:
- Fijo a la biela y loco en el
pistón: En este tipo de anclaje el pasador del pistón queda fijo (Sin
movimiento radial respecto del pie de biela) en la biela y libre en el
pistón. Este tipo de anclaje permite al pistón bascular sobre el pasador,
para que pueda adoptar en su desplazamiento las posiciones adecuadas con
respecto a la biela.
- Loco en la biela y fijo en
el pistón: En este anclaje el perno queda fijo al pistón mediante una
chaveta o tornillo pasador, mediante la biela bascula libremente sobre el perno.
La unión biela-perno se realiza mediante un cojinete antifricción.
- Loco tanto en la biela como
en el pistón: En este tipo de anclaje el perno queda libre tanto respecto
del pistón como de la biela, con lo cual ambos elementos bascular
libremente teniendo además la ventaja adicional de repartir las cargas y
dismiuir el desgaste por rozamiento. El perno se monta en el pistón en
frío con una ligera presión de modo que al dilatarse queda libre.
- Aros o segmentos: Son piezas
circulares que se adaptan a la circunferencia del émbolo o pistón a una
ranura practicada en el cuerpo del mismo y cumplen determinadas funciones,
entre las cuales se cuentan asegurar la hermeticidad de la cámara de
combustión, transmitir calor a las paredes del cilindro, y controlar la
lubricación de las paredes internas de dicho cilindro.
Descripción
El pistón
es una pieza metálica tronco cónica compuesta por tres partes que son: la
cabeza, el cuerpo y la pollera o falda. La parte superior o cabeza es la parte
más reforzada del mismo ya que se encarga de recibir el empuje de la expansión
de los gases dentro del cilindro durante el desarrollo del ciclo.Los pasadores
de pistón están hechos de aluminio. Se trata de un émbolo que se ajusta al
interior de las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos
o anillos. Efectúa un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa
el cilindro a modificar su presión y volumen o transformando en movimiento el
cambio de presión y volumen del fluido. Entre las características que debe
reunir se cuentan:
- Capacidad de soportar las
condiciones extremas a las que se ven expuestos.
- Debe ser ligero para no
transmitir excesivas inercias que aumenten las vibraciones del motor.
- Capacidad de dotar de
perfecta estanqueidad al cilindro para así evitar una eventual fuga de
gases.
A través
de la articulación de biela y cigüeñal, su movimiento alternativo se transforma
en rotativo en este último.
Puede
formar parte de bombas, compresores y motores. Se construye normalmente en
aleación de aluminio.
Los
pistones de motores de combustión interna tienen que soportar grandes
temperaturas y presiones, además de velocidades y aceleraciones muy altas.
Debido a estos se escogen aleaciones que tengan un peso específico bajo para
disminuir la energía cinética que se genera en los desplazamientos. También
tienen que soportar los esfuerzos producidos por las velocidades y
dilataciones.
Materiales de construcción
El pistón
debe ser diseñado de forma tal que permita una buena propagación del calor,
para evitar las altas tensiones moleculares provocadas por altas temperaturas
en diferentes capas del material, caso contrario una mala distribución del
calor ocasiona dilataciones desiguales en distintas partes del pistón
ocasionando así roturas del mismo. Es común el uso de cabezas de acero fundido
en motores de gran potencia, manteniendo el cuerpo cilíndrico de hierro
fundido.
Generalmente
para la construcción del pistón se emplea la fundición de grano fino, pero
cuando es necesario fabricarlo en dos o más partes se usa el fondo de acero
fundido para resistir mejor las tensiones producidas por el calor. Los pistones
se construyen en una gran variedad de materiales siendo los más comunes:
- Hierro fundido.
- Aleación de níquel y hierro
fundido.
- Aleación de acero y aleación
de aluminio.
Aleación
de níquel y hierro fundido:
Se
utiliza aleación de hierro al 64% y níquel al 36% con muy poco carbono y algo
de cromo. El coeficiente de dilatación de esta combinación es prácticamente
nulo, con lo cual se consigue limitar la dilatación del pistón.
Fundición:
Se
utiliza en motores pequeños. Poseen la ventaja de tener elevada resistencia
mecánica y gran capacidad para trabajar en fricción.
Pistones
de hierro colado:
Se
desgastan menos y pueden utilizarse con menos holgura debido a que se expanden
menos que los de aluminio.
Pistones
de aluminio:
Son mucho
más ligeros y tienen un alto coeficiente de transmisión de temperatura. Por
ende requieren menos agua de refrigeración que los émbolos de fundición.
Pistones
de hierro común:
Utilizados
en motores de combustión de baja y media velocidad, este material aumenta la
elasticidad a prueba de deformación permanente y resistencias al desgaste, es
preferible a las aleaciones livianas, ya que permite emplear espacios nocivos
menores en los pistones, lo cual constituye un detalle valioso tratándose de
motores grandes que funcionan con carga variable.
Fabricación
Básicamente
existen dos procesos para la fabricación de los pistones: Estos pueden ser:
- Fundidos
- Forjados
Dependiendo
de la cantidad necesaria a producir y especialmente de los esfuerzos, temperaturas,
presiones, etc. a los que estarán sometidos (sea un motor diésel, de gasolina ,
de competición, etc.) se elige uno u otro método. Los pistones forjados tienen
mayor resistencia mecánica. Luego llevan mecanizados varios que son los que
determinan la forma final del pistón. Estos mecanizados son hechos con un CNC.
- Mecanizado del alojamiento
del perno o bulón de pistón: se mecaniza el alojamiento del perno, como
este perno estará girando cuando el motor esté en funcionamiento por lo
que debe quedar una superficie de buena calidad y rugosidad sin rayaduras.
Estos son dos orificios ubicados en paredes opuestas del pistón. Estos
agujeros deben ser concéntricos (tener la misma línea de eje) y esta línea
debe ser paralela a la línea de eje del muñón del cigüeñal ya que si así
no fuese al funcionar el motor la biela se “agarra” con el perno. Para que
este perno no se salga y raye el cilindro se colocan seguros seeger
al final de los alojamientos realizados, entonces se debe realizar las
cavidades para poner los seguros.
- Mecanizado del alojamiento
de los aros: Se debe realizar la cavidad para poder poner los aros. Para
montar el conjunto pistón – aros dentro del cilindro los aros se
comprimen, por lo tanto la profundidad del alojamiento de los aros debe
ser tal que todo el aro quede oculto en el pistón. En el alojamiento del aro
“rasca aceite” se realiza un orificio pasante para que el aceite que se
saca del cilindro vaya hacia adentro del pistón y luego se lo direcciona
hacia el perno, para poder mantenerlo lubricado.
- Mecanizado de la cabeza del
pistón: de acuerdo al diseño del motor la cabeza puede no ser plana. Puede
tener vaciados para mejorar la homogeneidad de la mezcla en la admisión,
vaciados para mejorar la combustión y en los motores donde la compresión
es alta se realizan vaciados para que al abrir las válvulas no golpeen al
pistón. Se debe eliminar cualquier canto vivo.
- Mecanizado exterior: Al hacer un corte al pistón que pase por la línea de eje del perno y al hacer otro corte que sea perpendicular a la línea del perno puede verse que el pistón no tiene la misma cantidad de material en todas sus paredes, es decir, que por donde pasa el eje la pared del pistón tiene más cantidad de material. Por lo tanto al aumentar la temperatura el pistón dilata de forma desigual quedando con una forma ovalada lo cual puede causar fugas o hacer que el pistón “se agarre” en el cilindro. Para que no pase esto se realiza un mecanizado exterior el cual le da una forma ovalada para que cuando dilate quede de forma cilíndrica. Este mecanizado es de solo algunas milésimas en las paredes por donde no pasa el perno y por lo tanto es imperceptible a simple vista.
Árbol de levas
Un árbol
de levas es un mecanismo formado por un eje en el que se colocan distintas
levas, que pueden tener distintas formas y tamaños y estar orientadas de diferente
manera, para activar diferentes mecanismos a intervalos repetitivos, como por
ejemplo unas válvulas, es decir constituye un temporizador mecánico cíclico,
también denominado Programador mecánico.
En un
motor controla la apertura y el cierre de las válvulas de admisión y escape,
para desplazar las válvulas de sus asientos se utilizan una serie de levas,
tantas como válvulas tenga el motor. Dichas levas van mecanizadas en un eje,
con el correspondiente ángulo de desfase para efectuar la apertura de los distintos
cilindros, según el orden de funcionamiento establecido.
Descripción
El árbol
de levas consta de un eje que posee una serie de elementos, entre los cuales se
cuentan los camones o levas ya citados, los cuales son prominencias del árbol
con un tramo curvilíneo (Llamado "cresta" del camón) que es el que
actúa sobre el taqué. Además de las levas, el árbol de levas lleva mecanizados
una serie de muñones de apoyo sobre los que gira, cuyo número varía en función
del esfuerzo a transmitir. Sobre el mismo árbol, sobre todo en motores
antiguos, va situada una excéntrica para el accionamiento de la bomba de
combustible, y el piñón de arrastre para el mando del distribuidor de encendido
en los motores de gasolina. ya que el árbol de levas es un mecanismo de entrada
y salida de gases mediante válvulas.
El árbol
gira sobre cojinetes de fricción o bien sobre taladros de apoyo practicados
directamente sobre el material de la culata. Está lubricado mediante el
circuito de lubricación, a través de conductos que llegan a cada uno de los
apoyos. Los árboles de levas se fabrican en una sola pieza de hierro fundido o
de acero forjado, debe tener gran resistencia a la torsión y al desgaste, para
ello, se le da un tratamiento de templado. El desgaste del árbol de levas puede
suponer una modificación del diagrama de distribución, redundando en una disminución
del rendimiento del motor.
Aplicación
Los usos
de los árboles de levas son muy variados, como en molinos, telares,
sistemas de distribución de agua o martillos hidráulicos, aunque su aplicación
más desarrollada es la relacionada con el motor de combustión interna
alternativo, en los que se encarga de regular tanto la carrera de apertura y el
cierre de las válvulas, como la duración de esta fase de apertura, permitiendo
la renovación de la carga en las fases de admisión y escape de gases en los cilindros.
Su
fabricación puede ser en procesos de fundición (casting Iron), forja, árboles
ensamblados, suelen someterse a acabados superficiales de tratamientos
térmicos, Austemperizado, cementado por citar algunos. Que sirven para
endurecer la superficie del árbol pero no su núcleo, y posteriormente son
maquinados para dar los acabados finales y la precisión requerida.
Funcionamiento
Dependiendo
de la colocación del árbol de levas y la distribución de estas, accionarán
directamente las válvulas a través de una varilla como en la primera época de
los motores Otto, sistema SV o lo harán mediante un sistema de varillas, taqués
y balancines, es el sistema OHV. Posteriormente, sobre todo desde la aparición
de los motores diésel, el árbol de levas ha pasado a la culata, es el llamado
sistema SOHC.
En el
pasado, cuando los motores no eran tan fiables como hoy, esto resultaba
problemático, pero en los modernos motores de 4 tiempos diésel o gasolina, el
sistema de levas "elevado", donde el árbol de levas está en la culata,
es lo más común.
Algunos
motores usan un árbol de levas para las válvulas de admisión y otro para las de
escape; esto es conocido como dual overhead camshaft o doble árbol de
levas a la cabeza DOHC. Así, los motores en V pueden tener 4 árboles de levas.
El sistema DOHC permite entre otras cosas montar 2 válvulas de escape y 2 de
admisión, en los 4 cilindros es lo que se llama "16 válvulas".
Aunque se
aplican en otros mecanismos, su uso más popular se relaciona con los motores de
combustión interna, en los cuales permite regular la apertura y el cierre de
las válvulas, algo que nada más y nada menos facilita el ingreso y salida de
gases en los cilindros.
Localización del árbol de levas y disposición de
las válvulas en el cilindro
Los
sistemas de distribución se pueden clasificar dependiendo de la localización
del árbol de levas. Hasta la década de 1980 los motores tenían una
configuración del árbol de levas ubicado en el bloque motor. En la actualidad,
prácticamente todos los motores poseen el árbol de levas montado en la tapa de
cilindro. Las válvulas pueden ir dispuestas de varias maneras respecto del
cilindro, pero hay dos ubicaciones principales: laterales o en la culata.
- Sistema SV: También deniminado "de
válvulas laterales". En este sistema la válvula se ubica en una
posición lateral al cilindro, es decir, está alojada en el bloque. El
mando de esta válvula se efectúa con el árbol de levas situado en el
bloque motor. Este sistema de distribución no se utiliza desde hace tiempo
por dos inconvenientes principales: Obliga a que la cámara de compresión
tenga que ser mayor, y el tamaño de las cabezas de las válvulas se vea
limitado por el poco espacio de que dispone.
- Sistema OHV: Se distingue por poseer el
árbol de levas en el bloque motor (Generalmente en el sector inferior) y
las válvulas dispuestas en la culata. En este sistema la transmisión de
movimiento del cigueñal al árbol de levas se hace directamente por medio
de dos piñones o con la interposición de un tercero, también se puede
hacer por medio de una cadena de corta longitud. La ventaja de este
sistema es que la transmisión de movimiento entre el cigueñal y el eje de
camones necesita un mantenimiento nulo o cada muchos kilómetros. La
desventaja viene dada por el elevado número de elementos que componen este
sistema para compensar la distancia existente entre el árbol de levas y
las válvulas. Este inconveniente influye sobre todo a altas revoluciones
del motor, lo cual supone un límite en el número de revoluciones que estos
motores pueden llegar a alcanzar. Este sistema se ve muy influenciado por
la temperatura del motor, lo que hace necesario una holgura considerable
en los taqués.
- Sistema OHC: Se distingue por tener el
árbol de levas en la culata al igual que las válvulas. Es el sistema más
utilizado en la actualidad en todos los automóviles. La ventaja de este
sistema es que se reduce considerablemente el número de elementos entre el
árbol de levas de levas y las válvulas por lo que la apertura y el cierre
de las válvulas es más precisa. Esto trae consigo que los motores puedan
alcanzar mayor número de revoluciones. Tiene la desventaja de complicar la
transmisión de movimiento del cigueñal, ya que se necesitan correas o
cadenas de distribución de mayor longitud, que con el uso se van
desgastando en mayor medida, necesitando más mantenimiento. Este sistema
es en general más caro y complejo pero resulta mucho más efectivo y se
obtiene un mayor rendimiento del motor.
Dentro
del sistema OHC existen dos variantes:
- SOHC: Está compuesto por un
sólo árbol de levas que acciona las válvulas de admisión y escape.
- DOHC: Está compuesto por dos
árboles de levas, uno accionando las válvulas de admisión y el otro
accionando las de escape.
Válvula
Según el
diccionario de la Real Academia, una válvula es un Mecanismo que
regula el flujo de la comunicación entre dos partes de una máquina o sistema.
Sin embargo las tres acepciones siguientes se refieren a mecanismo que dejan
pasar un fluido en un sentido y lo impiden en el contrario (incluido el llamado
fluido eléctrico). En la industria, a menudo se refiere la palabra a estos
últimas acepciones, pero en el lenguaje, ha tomado en muchas ocasiones el
sentido de la primera acepción. De este modo, podría definirse una válvula
como un dispositivo mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la
circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre,
cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.
La
válvula es uno de los instrumentos de control más esenciales en la industria.
Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y
desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases,
desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde
unos milímetros hasta los 90 m o más de diámetro (aunque en tamaños grandes
suelen llamarse compuertas). Pueden trabajar con presiones que van desde el
vacío hasta más de 140 MPa (megapascales) y temperaturas desde las criogénicas
hasta 1100 K (kelvin). En algunas instalaciones se requiere un sellado
absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen importancia.
La
palabra flujo expresa el movimiento de un fluido. Para la cantidad total de
fluido que pasa por una sección determinada de un conducto por unidad de
tiempo, en castellano se emplea la palabra caudal.
Llaves
Una
confusión frecuente en el idioma consiste en mezclar la idea de válvula con la
de llave. A partir de la definición dada al principio, esta confusión es
perfectamente normal, pero conviene distinguir que llave (o más precisamente,
llave de paso) suele referirse a mecanismos que permiten abrir, cerrar o
regular el flujo de un fluido, concretamente líquidos y gases con caudales
relativamente reducidos (normalmente en instalaciones de la edificación).
Cuando se trata de fluidos con grandes caudales (agua o aire) estas llaves
se llaman compuertas hidráulicas.
Clasificación de válvulas atendiendo a sus usos
- Válvulas industriales.
- Válvula de asiento.
- Válvula de camisa.
- Válvula hidráulica, caso particular
de válvulas industriales.
- Llave o válvula de paso,
caso de válvulas en instalaciones de edificios residenciales (tanto para
agua, como para gases combustibles).
- Válvula multivía,
dispositivo que funciona en circuitos hidráulicos, diviendo o mezclando
fluidos de distintas procedencias, generalmente para modificar su
temperatura.
- Válvula de seguridad, para
casos de exceso de presión, por avería o por expansión térmica.
- Válvula antirretorno o válvula
de retención, usada para evitar que un fluido se mueva en sentido no
deseado a lo largo de una tubería.
- Válvula rotatoria, usada en
los instrumentos de viento-metal.
- Válvulas del corazón.
Por
analogía se denominan también válvulas los dispositivos que regulan el paso de
electrones en determinadas circunstancias:
- Válvulas termoiónicas.
Cárter
El cárter
es una de las piezas fundamentales de una máquina, especialmente de un motor.
Técnicamente, el cárter es una caja metálica que aloja los mecanismos
operativos del motor . Es el elemento que cierra el bloque, de forma estanca,
por la parte inferior, y que cumple adicionalmente con la función de actuar
como depósito para el aceite del motor. Simultáneamente, este aceite se
refrigera al ceder el calor exterior.
Normalmente
el cárter se fabrica por estampación a partir de chapa de acero. su forma
cóncava aporta la capacidad de almacenaje de aceite necesaria para cada motor,
cantidad que se comprueba verificando el nivel mediante una varilla o sonda con
sus correspondientes marcas. Con el objeto de evitar el olejae del aceite, que
suelen disponer en el cárter de chapas que frenan el desplazamiento del mismo,
especialmente en el sentido de la marcha.
El cárter
también se fabrica con aleaciones ligeras de aluminio que sin aportar demasiado
peso, y debido a su 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.
El cárter
está fijado al bloque motor mediante tornillos con interposición de una junta
de estanqueidad, y en el parte inferior del mismo está situado el tapón roscado
que permite su drenaje. Las juntas de estanqueidad se fabrican de corcho o
materiales sintéticos, pero existe una tendencia a la aplicación de juntas
líquidas o masillas sellantes que polimerizan en poco tiempo en contacto con el
aire. Este tipo de juntas exigen una adecuada limpieza antes de su aplicación.
En ocasiones, el cárter se atornilla conjuntamente al bloque motor y al cambio
de marchas, lo que aporta una rigidez suplementaria al conjunto cambio-motor.
Caso del motor alternativo
En este
caso la palabra cárter se usa para diferenciarlo del bloque del motor ,
que es el elemento esencial del motor. El cárter aloja al tren alternativo
constituido por cigüeñal, pistón, y biela, cierra al bloque por la parte del
cigüeñal, la opuesta a la culata, y tradicionalmente su función es, además de
cerrar el bloque y aislarlo del exterior (aunque teóricamente podría funcionar
sin él), cumplir con la importantísima misión de albergar el aceite de
lubricación del motor.
En
ciertos diseños, con objeto de aumentar la rigidez del motor, evitando
vibraciones (diésel potentes o motores con el bloque de aleación de aluminio )
y a la vez reducir el peso del mismo, la fabricación del cárter se realiza con
aleaciones de aluminio o magnesio. En tal caso los apoyos del cigueñal van
integrados en él. En este caso el cárter de aceite como lo hemos visto en el
párrafo anterior se fija a este "cárter de bancada".
De tal
modo que el cárter en este tipo constructivo, puede estar formado por 2 partes
diferentes:
- Cárter superior, cárter
intermedio o cárter del cigüeñal: parte del cárter, que es estructural con el
bloque , y que está en contacto directo con el mismo , y más concretamente
con el conjunto cilindros - cigüeñal. . A esta pieza se une el bloque de
los cilindros, y lleva integrados los cojinetes de bancada o apoyos del
cigueñal que son de acero integrados en el aluminio, sobre los que gira el
cigüeñal, que queda sujeto más rígidamente que en el caso anterior.
Esta
pieza recibe por tanto toda la fuerza de los cilindros y a su vez, la fuerza
del cigüeñal, que transforma el movimiento rectilíneo de los cilindros en
giratorio. De la rigidez del cárter superior, depende la eficacia del motor.
Para garantizar esta rigidez, los nuevos diseños tienden a considerar una sola
pieza estructural el bloque de cilindros, apoyos del cigueñal y cárter
superior.
- Cárter inferior o cárter de
aceite:
parte no estructural, y como su propio nombre indica, es la parte inferior
de la carcasa del cárter, y se encuentra fijada mediante tornillos
especiales al cárter superior. Actúa a modo de bandeja donde cae el
aceite. Y es que el cárter inferior tiene una función primordial: contener
el aceite para la lubricación del motor, y conseguir su óptimo
funcionamiento. El lubricante se deposita en el cárter inferior, y desde
allí es aspirado por la bomba de lubricación, para ser directamente
bombeado de nuevo a todas las piezas del motor que requieren engrase a
presión,especialmente los apoyos del cigueñal . En otros casos el cárter
es mucho más reducido , y el aceite se recoge mediante succión a un
pequeño depósito independiente, desde donde se bombea igualmente al motor.
Esta última modalidad se denomina cárter seco, evitando en los casos
de fuerzas de inercia elevadas (motores de competición, motores de
aviación) que la bomba de lubricación se quede descebada, poniendo en
peligro la lubricación.
Bomba inyectora
La Bomba
inyectora es un dispositivo capaz de elevar la presión de un fluido,
generalmente presente en los sistemas de Inyección de combustiblle como el
gasoil (Motores Diesel) o más raramente gasolina (Motores Otto), hasta un nivel
lo bastante elevado como para que al ser inyectado en el motor esté lo
suficientemente pulverizado, condición imprescindible para su inflamación
espontánea (fundamento del ciclo del Motor diésel, gracias a la elevada
Temperatura de autocombustión. Además distribuyen el combustible a los
diferentes cilindros en función del orden de funcionamiento de los mismos (ej.
1-3-4-2 en los 4 cilindros). Básicamente han existido dos tipos de bombas para
diésel y gasolina (estas últimas ya desaparecidas al aparecer la Inyección
electrónica ). Estos dos tipos son: las bombas en línea y las bombas rotativas.
Funcionamiento
Esta
bomba inyectora de la cual vemos un ejemplo en su versión rotativa de la casa
Bosch en la figura de la derecha, recibe el movimiento desde el motor
generalmente a través de un accionamiento como la distribución, de forma tal
que gira sincronizada con él, y a la mitad de revoluciones en un motor de 4
tiempos.
La
presión se regula mediante un tornillo y no tiene circuito eléctrico.
Internamente
tiene un émbolo ajustado con gran precisión (2 micras) que tiene dos
movimientos simultáneos: rotativo para distribuir, y axial para comprimir el
gasóleo.
La
regulación de caudal de gasoil se hace mediante una corredera anular que abre
la descarga del émbolo de presión más o menos tarde, en función de la posición
del pedal acelerador y del régimen motor en ese momento. Al abrirse la descarga
la presión en el inyector cae por debajo de la presión de apertura del muelle
del mismo, terminándose la inyección.
En el
caso de las bombas en línea, las más antiguas cronológicamente, existe un
émbolo de caudal para cada cilindro. Los émbolos son accionados mediante un
árbol de levas interno de la bomba, en el orden de encendido del motor. En este
caso el caudal se regula mediante el giro simultáneo de los émbolos mediante la
acción de una cremallera, con lo cual queda descubierto el canal de descarga de
presión antes o después, dosificando al inyector igual que en la bomba
rotativa.
Tiene la
desventaja con respecto a otros tipos de bombas que es más pesada, voluminosa y
que no puede girar a altas revoluciones, no obstante es la más utilizada en los
motores Diesel de equipos pesados y camiones de carga cuyos motores no son muy
rápidos, por su robustez, vida útil y estabilidad. En el gráfico pueden
apreciarse también los tubos que salen de la bomba hacia los inyectores.
Todos los
pistones se alimentan de un conducto común elaborado en el cuerpo de la bomba,
presurizado con combustible por la bomba circuladora.
Inyector
Un inyector
es un dispositivo utilizado para bombear fluidos utilizando el efecto Venturi.
Utiliza un fluido a alta presión que sale por una boquilla a alta velocidad y
baja presión convirtiendo su energía potencial en energía cinética. En esta
zona de baja presión se mezcla con el fluido que se quiere bombear y le imparte
energía cinética (velocidad). A continuación ambos fluidos mezclados entran por
otra boquilla donde la energía cinética vuelve a convertirse en potencial,
disminuyendo la velocidad y aumentando la presión. El fluido bombeado puede ser
o líquido o gaseoso y, en algunos casos puede llevar sólidos en suspensión. En
todos los casos el fluido propulsor y el bombeado salen totalmente mezclados a
la salida del inyector. Una de las aplicaciones más frecuentes del inyector es
en la Inyección de combustible en los motores termodinámicos.
Historia
El
inyector fue inventado por el francés Henri Giffard en 1858 y se utilizó
originalmente para inyectar agua en las calderas de vapor. En este caso el
fluido a alta presión es el vapor de la caldera que sale a alta velocidad por
la boquilla y se mezcla con agua lo que produce su condensación. El chorro
resultante de agua tiene energía cinética suficiente para entrar en la caldera.
Usos
Aparte
del ya indicado para calderas de vapor, se utilizan bombas de inyector para
bombear diesel que podrían dañar otro tipo de bombas. También se usan
inyectores para hacer disoluciones ya que los fluidos se mezclan muy
eficientemente en el inyector. Como ejemplo se puede citar la carbonatación de
bebidas carbónicas donde la bebida sin carbónico se inyecta a alta presión y
arrastra el gas carbónico que se disuelve inmediatamente por lo que a la salida
del inyector se obtiene bebida ya carbonatada.
Ducto común motor
El
sistema de common-rail o conducto común es un sistema de inyección de
combustible electrónica para motores diésel en el que el gasóleo es aspirado
directamente del depósito de combustible a unconducto común a todos los
inyectores y enviado a alta presión al cilindro. Este sistema fue desarrollado
por el fabricante de automóviles italiano Fiat y por Bosch.
Es esencialmente igual a
la inyección multipunto de un motor de gasolina, en la que también hay un
conducto común para todos los inyectores, con la diferencia de que en los
motores diésel se trabaja a una presión mucho más alta.FUNCIONAMIENTO
El gasóleo almacenado en el depósito de combustible a baja presión es aspirado
por una bomba de transferencia y enviado a un conducto común a todos los
inyectores. Una segunda bomba dealta presión inyecta el combustible a entre
1500 y 1600 bares al cilindro.
La bomba de transferencia puede ir montada en la propia bomba de alta presión o
accionada por el mecanismo de distribución.El conducto común es una tubería o
"rampa" de la que parte una ramificación de tuberías para cada
inyector de cada cilindro.
La principal ventaja de este sistema es que nos permite
controlarelectronicamente el suministro de combustible permitiéndonos así realizar
hasta 5 pre-inyecciones antes de la inyección principal con lo que conseguimos
preparar la mezcla para una óptima combustión. Estogenera un nivel sonoro mucho
más bajo y un mejor rendimiento del motor.
Bomba de Transferencia
La bomba de transferencia es el elemento del sistema de alimentación que cumple con la función de enviar permanentemente y a una presión determinada, combustible a la bombainyectora, para cualquier régimen de velocidad del motor.
Tipos:
Según su diseño y características de funcionamiento, las bombas de
transferencia más utilizadas en motores diesel, se clasifican enlos siguientes
tipos:
• de diafragma
• de pistón
• de engranaje
• de paletas
• de rotor
Todas estas bombas son del tipo aspirante impelente, lo cual significa que tienen
capacidad para succionarel combustible desde el tanque o depósito y enviarlo al
exterior a una determinada presión.
B. BOMBA DE TRANSFERENCIA DE DIAFRAGMA (FIG. 23)
Este tipo de bomba, está compuesta fundamentalmente porun cuerpo inferior y un
cuerpo superior, que atornillados entre sí, aprisionan en sus bordes el
diafragma, elemento encargado de producir el vacío necesario para que el
combustible penetre a la bombay de enviarlo a una determinada presión, al
exterior.
Bomba de transferencia de pistón.
Toberas
Las
Toberas Bosch aseguran un rendimiento óptimo del motor.
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Las
toberas son un componente crítico del sistema de inyección. Hoy en día los
motores diesel están equipados con sistemas de alto rendimiento que requieren
una tobera que atomice el combustible bajo presiones extremas. Por esa razón
las toberas Bosch son vitales en asegurar una perfecta combustión, emisiones
reducidas y economía de combustible para un rendimiento adecuado del motor.
Las toberas Bosch son diseñadas para cumplir con las demandas de los motores de
hoy en día. Casa tobera es 100% nueva y diseñada con una exacta precisión y
durabilidad, para entregar un servicio confiable, duradero y consistente.
Bujías de
El las
máquinas, en ocasiones es necesario calentar previamente ciertas partes antes
de poner la máquina en marcha, lo mas común es calentar el aceite de
lubricación o de los dispositivos hidráulicos. Esto se logra casi siempre a
través de calentadores eléctricos termostatados acoplados a las partes en
cuestión. Para el interés de esta página estos dispositivos son calentadores
eléctricos y no bujías de precalentamiento.
Las bujías de precalentamiento o bujías incandescentes son dispositivos dotados de una resistencia eléctrica y accionados desde la llave del encendido, que se utilizan para facilitar el arranque en frío de los motores de combustión interna, especialmente los Diesel. |
Estas
bujías sirven para producir un punto incandescente (o muy caliente) dentro de
la cámara de combustión, que es alcanzado por el aerosol del combustible
inyectado. Al entrar en contacto parte del aerosol con la zona caliente de la
bujía de precalentamiento, el combustible se
Una vez producido el arranque, y unos segundos después, se retira la corriente
eléctrica de la bujía al no ser necesaria su función ya que la cámara de
combustión se ha calentado como para producir la auto inflamación del
combustible sin ayuda.
Debido a la naturaleza de las cámaras de inyección directa, estas bujías de
precalentamiento comúnmente no son necesarias en los motores provistos de este
tipo de cámara, mientras que en los motores con inyección separada se
convierten en un dispositivo indispensable para garantizar un arranque seguro
en todas condiciones.
Hay dos tipos básicos de bujías de precalentamiento:
- De resistencia eléctrica
desnuda utilizadas tradicionalmente.
- De resistencia eléctrica protegida
que se han introducido mas recientemente.
Principio de funcionamiento
Un motor
diésel funciona mediante la ignición (encendido) del combustible al ser
inyectado muy pulverizado y con alta presión en una cámara (o precámara, en el
caso de inyección indirecta) de combustión que contiene aire a una temperatura
superior a la temperatura de auto combustión, sin necesidad de chispa como en
los motores de gasolina. Ésta es la llamada auto inflamación .
La
temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que
se produce en el segundo tiempo del motor, la compresión. El combustible se
inyecta en la parte superior de la cámara de combustión a gran presión desde
unos orificios muy pequeños que presenta el inyector de forma que se atomiza y
se mezcla con el aire a alta temperatura y presión (entre 700 y 900 °C).
Como resultado, la mezcla se inflama muy rápidamente. Esta combustión ocasiona
que el gas contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo.
Esta
expansión, a diferencia del motor de gasolina es adiabática generando un
movimiento rectilíneo a través de la carrera del pistón . La biela transmite
este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento
rectilíneo alternativo del pistón en un movimiento de rotación.
Para que
se produzca la auto inflamación es necesario alcanzar la temperatura de
inflamación espontánea del gasóleo. En frío es necesario pre-calentar el
gasóleo o emplear combustibles más pesados que los empleados en el motor de
gasolina, empleándose la fracción de destilación del petróleo fluctuando entre
los 220 °C y 350 °C, que recibe la denominación de gasóleo o gasoil
en inglés.
Ventajas y desventajas
Comparados
con los motores a gasolina, la principal ventaja de los motores diésel es su
bajo costo de operación, debido al precio del combustible que necesita para
funcionar (DIESEL 2). existe una creciente demanda del mercado por motores de
este tipo, especialmente en el área de turismo, desde la década de 1990, (en
muchos países europeos ya supera la mitad), Actualmente en los vehículos
pequeños se está utilizando el sistema common-rail . Este sistema brinda
una gran ventaja, ya que se consigue un menor consumo de combustible, mejorando
las prestaciones del mismo; menor ruido (característico de estos motores) y una
menor emisión de gases contaminantes.[cita requerida]
Las
desventajas iniciales de estos motores (principalmente valor de adquisición,
costos de mantenimiento, ruido y menos prestaciones) se están reduciendo debido
a mejoras tecnológicas que se han hecho con el tiempo, en su diseño original
sobre todo en inyección electrónica de combustible y mejoras en sistema de
alimentación de aire forzado con accesorios como el turbocompresor.El uso de
una precámara para los motores de automóviles, se consiguen prestaciones
semejantes a las de los motores de gasolina, pero se presenta el inconveniente de
incremento del consumo de combustible, con lo que la principal ventaja de estos
motores prácticamente desaparece. Durante los ultimos años el precio del
combustible ha superado a la gasolina común por al aumento de la demanda. Este
hecho ha generado quejas de los consumidores de gasóleo, como es el caso de
transportistas, agricultores o pescadores.
Aplicaciones
- Maquinaria agrícola de
cuatro tiempos (tractores, cosechadoras)
- Propulsión ferroviaria 2T
- Propulsión marina de cuatro
tiempos hasta una cierta potencia, a partir de ahí dos tiempos
- Vehículos de propulsión a
oruga
- Automóviles y camiones
(cuatro tiempos)
- Grupos generadores de
energía eléctrica (centrales eléctricas y de emergencia)
- Accionamiento industrial
(bombas, compresores, etc., especialmente de emergencia)
- Propulsión aérea
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