En todo motor se pueden distinguir, en cuanto a su trabajo, todas sus piezas, en móviles y fijas, según estén afectadas de movimiento o no. Como piezas fijas importantes .citaremos la bancada, carter, bastidores o columnas para apoyo de los cilindros, los cilindros, camisas de los cilindros, culatas, corredera, etc.
Siendo las piezas móviles los émbolos, crucetas y bielas (trenes alternativos), eje de cigüeñales, volante, ejes de levas o camones, etc.
El émbolo es la pieza móvil encargada de transformar la fuerza expansiva de los gases de la combustión, en un movimiento rectilíneo alternativo. Este movimiento alternativo, a través del vástago y biela, es conducido al eje cigüeñal donde, a su vez, es transformado en circular continuo que será el que nosotros aprovecharemos.
Se comprende pues, la gran importancia de este elemento que, aparte de lo reseñado, ha de estar dispuesto de forma tal, que pueda llevar el aire al interior del cilindro, en unas condiciones de presión y temperatura en las que pueda desarrollarse el proceso de la combustión.
Durante la fase de la combustión la temperatura desarrollada es muy alta y el émbolo ha de ser capaz de soportarla, aún estando sometido a las altas tensiones que esta temperatura origina.
Con ello vemos que un émbolo, debe ser estanco sobre las superficies de la camisa del cilindro, entre las que se desliza, para que eleve la compresión a los límites debidos, y también, evitar la fuga de los gases de la combustión, debiendo además absorber y propagar el calor que tome su parte superior, con facilidad.
Las dimensiones del émbolo son ligeramente inferiores a las de la camisa en las que se mueve, con el fin de que deslice sin rozamientos, pero para darle la estanqueidad necesaria y que el aire o los gases no escapen entre él y las paredes de la camisa, se abren en su superficie lateral una serie de ranuras de forma cuadrada, en las que se colocan unos aros o anillos de hierro fundido, cortados, a de que su libre elasticidad permita colocarlos en sus respectivas cajeras, al tiempo que queden adaptados a las paredes de la camisa. Estos anillos se designan con el nombre de aros de estanqueidad, y más comúnmente por aros (figura 20).
Figura 20 Aros de estanqueidad
Los aros son, como hemos dicho] de hierro fundido no muy duro, ya que al estar rozando constantemente con las paredes de la camisa, es-preferible que se desgasten ellos, que no la propia camisa, pieza ésta más cara y de más difícil sustitución, Se construyen los aros normalmente de sección cuadrada, siendo su ancho el 1/40 del diámetro del cilindro.
Su corte puede ser de diversas formas siendo las más comunes la oblicua o en "S", llamadas así porque, en el primer caso, su corte es inclinado (figura 21) y en el segundo forma la "S” (figura 22), teniendo todos ellos por misión dar más estanqueidad a la cámara de
combustión, En las cajeras, estos cortes deben quedar situados en generatrices opuestas del émbolo, nunca en fila vertical (figura 23), para que los gases que escapen a través de ellos estén obligados a recorrer un camino en zigzag, haciendo más difícil su fuga, Algunos émbolos, para evitar el que los aros puedan girar llegando a coincidir las bocas, llevan en sus cajeras unos pequeños pivotes rascados o puestos a presión, aunque estos pivotes, en la práctica no suelen dar el resultado apetecidos, pues si bien evitan el movimiento del aro, el algunas ocasiones, causan roturas en la superficie del propio émbolo, con sus graves inconvenientes.
Figura 21
Aros con corte oblicuo y apertura de bocas
El número de aros que suele llevar un émbolo suele variar con su tamaño y según el constructor, siendo lo normal el colocar cuatro de ellos en émbolos de pequeño diámetro y pudiendo llegar hasta ocho en los mayores. Entre dos aros consecutivos debe quedar como mínimo un espacio igual al ancho de uno de ellos.
Figura 22
Aros con corte en “S” en su sección sobre la cajera con el pivote 1, para evitar su giro
Al colocarlos en el émbolo se procura que el primer aro de arriba quede lo más alejado posible de su borde superior, a fin de protegerlo de los gases de la combustión. Así, antes de llegar a él los gases se ven obligados a pasar por un espacio anular estrecho formado entre las superficies del émbolo y la camisa que estarán refrigerados. De esta forma, los gases
tendrán un notable descenso de temperatura consiguiéndose con ello atenuar los efectos de corrosión sobre el aro y su cajera, al tiempo que se protege la elasticidad del aro.
Figura 23
Aros mal colocados. Los gases (G) pueden escapar fácilmente a través de los huelgos para dilatación de los aros al estar todos en la misma posición.
Antes de poner los aros a un embolo hay que comprobar bien los huelgos. Para ello se coloca el aro dentro de la camisa (tenemos el émbolo desmontado), procurando que entre sus bocas quede una abertura que dependerá del diámetro del émbolo así como su tipo de corte. Este huelgo o abertura tiene por objeto que el aro, con la temperatura que alcanza durante su trabajo, pueda dilatarse libremente sin llegar a agarrotarse. También el aro ha de quedar libre en su cajera para que pueda moverse con libertad y adaptarse al la superficie de la camisa, pero sin llegar a tener huelgo vertical sobre la mis a cajera, pues en este caso el movimiento alternativo del émbolo pronto originaría su rotura con las consecuencias de un anormal funcionamiento.
Para calcular los huelgos que habremos de dar a los aros, tanto de aberturas como vertical en la cajera, tenemos dos fórmulas prácticas de aplicación general, suponiendo siempre que el motor se encuentre a la temperatura ambiente y no la que lleva durante su marcha.
Así pues, el huelgo o abertura que debe quedar entre sus bocas, siendo D el diámetro del émbolo en milímetros, es: HUELGO = 0'00628 D, milímetros.
Mientras que el huelgo vertical que deberá tener en su cajera nos vendrá expresado por otra fórmula, en la que D también representa el diámetro en milímetros del émbolo: HUELGO = 0'0002 D. Algunos tipos de motores llevan, además de los aros de estanqueidad, otros aros de una aleación de cobre que suelen ir embutidos en unas cajeras, sin ser elásticos. Caso de recalentarse el émbolo por un anormal funcionamiento se produce la dilatación del cobre, y el aro, al deslizarse roza sobre la camisa produciendo un ruido característico con el que advierte de la anomalía que se está produciendo.
Al estar en contacto con los gases de la combustión que se desarrolla a tan alta temperatura, la parte superior del émbolo se calienta considerablemente, por lo que su forma ha de ser tal, que permita una rápida propagación del calor, evitando así que en sus materiales se creen tensiones perjudiciales que pronto ocasionarían su rotura. Todos los constructores intentan solucionar este inconveniente haciendo que el calor se reparta uniformemente a través de todo el émbolo, haciéndose, con este fin, múltiples experimentos y ensayos para llegar a conocer cuál sería la forma mejor que podría dársele, con objeto de evitar las averías que en ellos se presentan, especialmente sus grietas y roturas. El émbolo ha de ser resistente por los esfuerzos a que está sometido, pero en oposición a este detalle, es conveniente que sea lo más ligero posible, para, sin tener que recargarlo de material, atenuar con ello el efecto perjudicial de las fuerzas de inercia que crea su masa con el movimiento.
El material empleado para su construcción, debe ser resistente tanto al calor como a los esfuerzos que ha de soportar, empleándose el hierro de fundición perlítica cuando se trate de émbolos construidos de una sola pieza. En el caso de no ser enterizos lo normal es construir su cabeza o parte superior de una aleación de acero especial, de alta resistencia calorífica, y la parte inferior, o sea la faldilla donde van colocados los aros, bien de fundición perlítica o simplemente de hierro fundido. Diremos que, según el tamaño de los émbolos, suelen construirse enterizos o bien en piezas. Es corriente que los que llegan a desarrollar los 125 caballos de potencia, se construyan de una sola pieza, pero al sobrepasar esta cantidad se construyan ya de dos o más piezas.
Hoy día también suelen construirse los émbolos de diversas aleaciones en las que entra el aluminio y el cobre, intentándose con ello, que al tiempo que siguen siendo resistentes y pueden soportar todos los esfuerzos de su trabajo, sean mucho más ligeros eliminando, en parte, los inconvenientes de las fuerzas de la inercia.
Según el tipo de motor existen varias formas y tamaños de émbolos. Podemos decir que su longitud será suficiente con tal de que en ella podamos situar los aros a sus distancias normales y teniendo en cuenta la separación del primer aro a la parte superior del émbolo.
O sea que pueden ser relativamente cortos y así ocurre en los motores de cuatro tiempos; pero en los de dos tiempos, en los que la entrada del aire de barrido se efectúa por lumbreras
Figura 24
Tren alternativo de un motor Diesel marino Sulzer
situadas en la parte inferior de la camisa, el émbolo ha de ser de gran longitud con objeto de que, aun estando en su punto muerto alto, su faldilla siga tapando las lumbreras para que el aire no pase al escape permitiendo tan sólo su entrada al interior del cilindro cuando, en su descenso, abre estas lumbreras, tal es el caso del motor Sulzer. Es claro que en este caso, la gran longitud de la faldilla no precisa ser tan resistente como la cabeza sobre la que van colocados los aros, sino de un espesor reducido evitando así peso al émbolo. En la figura 24 puede ver el lector un émbolo de un motor Diesel marino SULZER de dos tiempos.
Si el motor aún siendo de dos tiempos tiene el sistema de barrido por ", válvulas en la cabeza, como los tipos Burmeister o Gotaverken, en este caso el émbolo es de poca longitud, al igual que en motores de cuatro tiempos, ya que entonces no precisa estar cerrando las lumbreras de la entrada del aire, cuando se encuentra en la zona alta del cilindro por estar todas ellas situadas en una cámara de aire común; ahora bien, al descender el émbolo, al igual que en los otros casos, es su canto superior el que descubre las lumbreras permitiendo el paso del aire al interior del cilindro. Un tipo de émbolo corto puede verlo el lector el la figura 25, perteneciente a un motor Diesel de dos tiempos de la firma MTM. Fabricado con licencia de la casa danesa BURMEISTER-WAIN.
En cuanto a su diámetro hemos dicho que suele ser ligeramente inferiores al de la camisa, evitando así rozamientos sobre ella, adoptando en su cabeza, y a partir desde el primer aro, la forma ligeramente cónica para evitar también que esta superficie, a tan alta temperatura, pueda estar en contacto con la misma camisa.
Existe una fórmula práctica que nos da el huelgo que debe quedar entre la camisa y el émbolo y en la que representamos por D, el diámetro del mismo en milímetros. Considerando que el motor está a temperatura normal tendremos: HUELGO=O'OOO75 D milímetros.
También la cabeza es decir la superficie superior del émbolo, es corriente que sea distinta de un tipo de motor a otro, y mientras en unos son planas completamente, en otros son algo esféricas, bien cóncavas o convexas.
Figura 25
Embolo de un motor Maquinista Terrestre y Marítima (M.T.M.)
Esta variedad de formas, además de dar la resistencia necesaria, tiene por objeto crear una adecuada cámara de combustión en la que el combustible pueda repartirse por igual a través de toda la masa gaseosa, quemándose lo más perfectamente posible. También, en el sistema de dos tiempos, sirve para guiar el aire de barrido dándole un movimiento con el que pueda arrastrar todos los gases que hubiera en el cilindro, del ciclo anterior, y permitiendo así una mayor entrada de aire puro.
Figura 26
Embolo mostrando sus dos aros rascadores de aceite
En el émbolo tenemos un movimiento alternativo que se transmite al cigüeñal, como dijimos, a través de vástagos y bielas. Según la clase de conexión que una al émbolo con el cigüeñal, tendremos dos tipos de émbolos que darán motivo para una nueva clasificación general de los motores en dos series, motores de émbolo buzo y motores con cruceta.
En los primeros, los émbolos llamados de "tronco”, van conectados directamente al cigüeñal por la biela. En este caso, la faldilla que es la encargada de transmitir el esfuerzo, está dispuesta de forma que pueda alojar en ella, el bulón sobre el que habrá de conectarse la biela. Dicho bulón es de acero de la mejor calidad, debiendo ajustar perfectamente en los orificios en que va colocado, y con el fin de darle la máxima seguridad, está dotado de tornillos prisioneros o arandelas de fijación que impiden el que pueda moverse de su alojamiento.
Se procura que el bulón quede hacia la parte baja de la faldilla para protegerlo del calor que alcanza la zona alta del émbolo, teniendo en cuenta que sobre él ha de girar el cojinete del pie de la biela.
Los émbolos de tronco suelen construirse de mayor longitud que los destinados a motores con cruceta. Es debido, a que en este caso las camisas han de servir de guía al émbolo, que al carecer ahora de la cruceta, todos los esfuerzos perjudiciales que se originan con la oblicuidad de la barra de conexión (biela), deben ser absorbidos por el propio émbolo que a su vez los transmite a la camisa, y así, al darles mayor longitud se reduce la presión unitaria que puedan ejercer en sus deslizamientos con lo que se protegen dichas camisas. A título de información diremos que se acostumbra a dar una longitud igual al doble de su diámetro.
Además de los aros de estanqueidad, los émbolos de tronco llevan dos nuevos aros llamados rascadores, que van situados uno por encima y el otro por debajo del bulón. Estos aros tienen su superficie exterior ligera- mente cónica y su misión es arrastrar al cárter el aceite que llega hasta las camisas, bien para su engrase, o el que es lanzado por el chapoteo del cigüeñal evitando que pase a la cámara de combustión (figura 26).
En los motores con cruceta, los émbolos presentan, en su parte baja, una superficie plana, generalmente circular, a la que se adapta el vástago que ahora va firmemente unido al émbolo mediante una serie de tornillos o espárragos y a través del cual transmitimos el esfuerzo recibido. Tanto el vástago como la superficie del émbolo a la que va unido, llevan pivotes guías para no variar su posición caso de tener que desarmarle.
En su extremo inferior va afirmado a la cruceta (a la que atraviesa) terminando en una zona tronco-cónica, con una espiga rascada en la que va la tuerca que sirve de amarre.
El vástago es normalmente construido de acero, y en algunos tipos de motores es hueco, aprovechándose esta circunstancia para la llegada y salida del líquido refrigerante a la cabeza del émbolo (tal es el caso del motor BURMEISTER).
Hay motores (él Sulzer del ejemplo de la figura 24), en el que, aún siendo de cruceta, se ha suprimido el vástago siendo en este caso sustituido por el mismo émbolo que, debido a su gran longitud (hablamos del motor de dos tiempos), se apoya directamente sobre la cruceta, transmitiendo el esfuerzo a través de la faldilla, como ocurría con los motores de tronco, pero ahora el émbolo va guiado por la propia cruceta.
De la comparación de un motor de émbolo buzo, con otro dotado de cruceta, vemos que en los primeros, al ir conectados directamente con la biela, les ha sido suprimido el vástago con la consiguiente reducción de su altura. Esta circunstancia les hace propicios para instalaciones de poca altura, y así en la propulsión de buques de poco calado, tales como los destinados a la navegación por ríos, o los ferry-boats, en los que el motor queda todo bajo cubierta (también en submarinos), hacen que este tipo de motores sean de gran aplicación.
No sólo en la propulsión se aplican estos motores ya que, por regla general, todos los aparatos auxiliares, grupos electrógenos por ejemplo, son movidos por motores de émbolo buzo.
Si bien presentan la ventaja ya dicha de la reducción de la altura, diremos como inconvenientes que al tener que ser guiados por la camisa las fuerzas perjudiciales que se crean con el cambio de dirección de la biela, hacen que el émbolo vaya rozando siempre sobre dicha camisa originando unos desgastes transversales de mayor consideración que en los del tipo de cruceta, en los que, como veremos, la fuerza perjudicial es absorbida por las correderas guías de la misma cruceta. Este inconveniente es el que tratábamos de eliminar cuando hablábamos de la mayor longitud que se da a un émbolo de tronco.
En pequeñas y medianas potencias, hasta alcanzar los 350 caballos por cilindro, se emplean casi generalmente los motores de tronco, pero de aquí en adelante se ha impuesto el motor de cruceta. El motor con cruceta es por su construcción de una mayor robustez, y siendo
cada día mayores las potencias que se necesitan para la propulsión de los buques, hacen que sea el más utilizado comúnmente.
Decíamos que, por estar en contacto con los gases de la combustión, la cabeza del émbolo tomaba una temperatura considerable, por lo que debía estar dispuesta para propagar todo el calor. Cuando los émbolos son de pequeño diámetro, de hasta unos 300 milímetros, entonces el calor adquirido se propaga fácilmente, perdiéndose a través de sus faldillas y las paredes de la camisa, ya que éstas se hallan refrigeradas y lo absorben, por lo que no precisan de medio alguno de enfriamiento. Pero a medida que se va aumentando el diámetro, el calor necesita más tiempo para propagarse desde el centro del émbolo a los bordes y a su faldilla, lo que en vez de descender, motiva un aumento progresivo, no pudiendo ya confiar su enfriamiento, a la sola propagación. De aquí nace la necesidad de robar este calor, protegiendo al émbolo para que siga desarrollando su normal funcionamiento, y ello se consigue a base de refrigerarlo.
Se consigue esto, haciendo circular una corriente de líquido refrigerante por el interior del émbolo. El líquido usado, por regla general, es el aceite, y también en algunos casos el agua dulce. En un principio se usó el agua de mar, habiéndose descartado su empleo, por los inconvenientes que reporta, tales como son la formación de capas de sal en el interior de la cabeza y sobre todas las superficies calientes con las que está en contacto, dificultando con ello la refrigeración, siendo causa de frecuentes y graves averías (roturas de émbolo). Además caso de existir alguna pérdida de esta agua en el circuito interior del motor, por