MÓDULO XVI
MOTORES DE PISTÓN
ÍNDICE
TEMA 1……….PÁG. 3 Fundamentos de los motores de combustión interna alternativos
TEMA 2………PÁG. 24 Elementos constructivos de los motores de combustión interna alternativos TEMA 3………PÁG. 70
Ciclos termodinámicos de los motores de combustión interna alternativos. TEMA 4………PÁG. 90
Ensayo de motores de combustión interna alternativos.
TEMA 5………..PÁG. 136 Renovación de la carga en los motores de cuatro tiempos. Rendimiento volumétrico.
TEMA 6……….PÁG. 167 Problemas de motores de combustión interna alternativos
TEMA 7……….PÁG. 212 Sistemas de formación de la mezcla en motores de gasolina.
TEMA 8……….PÁG. 260 La combustión en los motores de encendido por compresión.
TEMA 9……….PÁG. 280 Combustibles
TEMA 10………...PÁG. 295 Combustión en los MEP
TEMA 12 ………. PÁG. 314 Prueba de motores
TEMA 13 ………. PÁG. 322 Instalación del grupo motopropulsor
TEMA 14 ………. PÁG. 358 Almacenamiento y conservación del motor
TEMA i
Fundamentos de los motores de combustión
interna alternativos.
Este tema sirve de introducción para el resto de la materia, dedicada a los
motores de combustión interna alternativos (MCIA). En él, se encuadran y
se clasifican dichos motores atendiendo a ciertos aspectos de diseño, se
comentan sus campos de aplicación, se definen parámetros geométricos y
operativos que los caracterizan: cilindrada, potencia, rendimiento, etc. y se
establecen los aspectos que diferencian a los motores de encendido
provocado (MEP) de los motores de encendido por compresión (MEC). La
decadencia de la máquina de vapor y el bajo desarrollo de los motores
alternativos de combustión externa provoca que la denominación "motores
alternativos" haga referencia, por defecto, a los de combustión interna.
I.- INTRODUCCIÓN.
2.- ENCUADRE Y CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ALTERNATIVOS.
2.1.- Encuadre en el ámbito de los motores térmicos.
2.2.- Clasificación atendiendo al modo en que se realiza el ciclo. 2.3.- Clasificación atendiendo al proceso de combustión.
2.4.- Clasificación atendiendo al tipo de admisión. 2.5.- Clasificación atendiendo al tipo de refrigeración.
2.6.- Clasificación atendiendo al número y disposición de los cilindros.
3.- PARÁMETROS FUNDAMENTALES DE LOS MOTORES ALTERNATIVOS:
3.1.- Parámetros geométricos y cinemáticos. 3.2.- Parámetros operativos.
4.1.- Lugar de formación de la mezcla. 4.2.- Regulación de la carga.
4.3.- Naturaleza del combustible utilizado. 4.4.- Dosado de funcionamiento
4.5. - Potencia específica y rendimiento
1- Introducción.
Los motores de combustión interna alternativos son, tal y como se deduce de su propio nombre motores en los que, por un lado, se produce la combustión en el seno del fluido motor y, por otro lado el movimiento del elemento que obtiene la energía de la combustión es alternativo.
Si bien los primeros diseños de este tipo de motores datan de principios del s.XIX, el primero que tuvo cierta relevancia fue el del francés R. Lenoir en 1860. Este motor (Ilustr.1.1), fuertemente inspirado en las máquinas de vapor de la época, usaba una mezcla de aire y gas de hulla que se inflamaba sin compresión previa mediante la
chispa eléctrica que producía una bobina. Su rendimiento era, aproximadamente, del
5%, muy inferior al de las máquinas de vapor de la época. Este hecho se debía principalmente a la ausencia de una carrera de compresión previa, y a la baja relación de expansión utilizada. La influencia de la relación de compresión sobre el rendimiento del ciclo sólo se comprende al efectuar su estudio termodinámico y hubo que esperar hasta 1862 para que el francés Beau de Rochas describiese 1os principios básicos de la combustión a volumen constante. Pese a este bajo rendimiento, se construyeron 500 motores de este tipo en Francia e Inglaterra con potencias entre 1 y 3 kW y un régimen que rondaba las 110 r/min.
Los orígenes de los motores con compresión previa de la mezcla antes de la combustión se pueden situar en las ideas de F. Million que, en 1861, presentó una patente en la que describía un motor con citada característica. Se desconoce si este motor llegó o no a construirse. En el mismo año, Beau de Rochas y G. Schmidt también señalaron las ventajas de realizar dicho proceso de compresión previo con vistas a mejorar el rendimiento de los motores alternativos.
A pesar de los diseños de motores alternativos descritos hasta ahora y de otros muchos no mencionados, la máquina de vapor ó, incluso, los coches de caballos eran aun los motores más utilizados. Esta situación cambió en 1876 gracias a Otto al diseñar
el primer motor de cuatro tiempos de la historia (Ilustr.1.2). El motor de cuatro
tiempos realiza las cuatro fases de funcionamiento de un motor a lo largo de cuatro carreras del pistón:
admisión de la carga fresca - aire o aire + combustible- (1a carrera), compresión de la misma (2a carrera), combustión y expansión de la carga (3a carrera) y, por último,
escape o expulsión de los gases quemados (4a carrera). Así, un ciclo completo de trabajo necesita dos revoluciones del motor.
En 1878 el escocés D. Clerk presenta el primer motor de gas de "dos tiempos" de la historia. Este motor posee dos cilindros horizontales. En uno de dichos cilindros se realizan los procesos de admisión y compresión y en el otro los de expansión y escape
(Ilustr. 1.3). De este modo, un ciclo de trabajo se puede realizar en una revolución del
motor.
En el posterior desarrollo de los motores de dos tiempos merece la pena destacar el diseño de J. Day que, en 1891, patentó un motor de dos tiempos con tres lumbreras que constituye el primer antecedente de los motores de dos tiempos de barrido por
tipo de motor (Ilustr. 1.5). Se trataba de un motor de cuatro tiempos en el que la combustión se iniciaba al inyectar combustible líquido al final de la carrera de compresión provocando, así, la autoinflamación de la mezcla. La elevada relación de
compresión utilizada le permitió alcanzar un rendimiento del 26,2%, superando con
creces los mejores rendimientos alcanzados por otros motores de la época. La baja calidad de los combustibles de la época ocasionaba problemas de detonación que limitaba, de forma importante, la relación de compresión en los motores de gas y en los de gasolina.
El motor diesel se presenta desde sus inicios como un competidor de la máquina de vapor más serio que el motor de Otto. No obstante, el tamaño excesivo de estos motores en su primera etapa los hace inservibles para la automoción. Con la aparición del motor Diesel se completó el desarrollo básico de los motores de combustión interna alternativos en cuanto a su concepción mecánica.
Puede afirmarse que desde el punto de vista puramente mecánico los motores
actuales no tienen ningún dispositivo que pudiera asombrar a los ingenieros de principios de siglo. La evolución de los combustibles marcó de manera notable el
desarrollo de los motores. Junto con la mejora del rendimiento, otros factores que han condicionado el diseño de los motores de combustión interna alternativos son: la reducción de las emisiones contaminantes y de las emisiones acústicas.
2.- Encuadre y clasificación de los motores alternativos.
2.1.- Encuadre en el ámbito de los motores térmicos.
En capítulos anteriores se vio que las dos grandes familias que se pueden establecer dentro del conjunto de los motores térmicos son:
Los motores de combustión externa: En ellos se genera el estado térmico en un
fluido que no es el fluido motor y se transmite a él a través de una pared.
Los motores de combustión interna: En ellos se genera el estado térmico directamente
Se vio como las características de los motores venían fuertemente condicionadas por esta diferenciación anterior. Además, también se estudió que los motores de combustión interna podían, a su vez, clasificarse en:
- Motores a reacción: La energía mecánica obtenida es un flujo de gases con
elevada velocidad.
- Motores rotativos: La energía mecánica obtenida se saca a través de un eje y el órgano transformador de energía térmica en mecánica tiene movimiento rotativo.
- Motores alternativos: Se diferencian de los anteriores en que el órgano transformador de energía térmica en mecánica tiene movimiento alternativo.
Es precisamente éste último grupo de motores el que se tratará en los capítulos sucesivos. No obstante, éstos pueden, a su vez, clasificarse atendiendo a los diferentes criterios que a continuación se indican.
2.2.- Clasificación atendiendo al modo en que se realiza el ciclo.
Atendiendo a este criterio existen en la actualidad dos tipos de motores claramente diferenciados: los motores de cuatro tiempos (4T) y los motores de dos tiempos (2T).
Los motores de cuatro tiempos reciben este nombre pues para realizar el ciclo completo, el pistón debe recorrer cuatro carreras. Se denomina carrera al trayecto cubierto por el pistón entre dos puntos muertos consecutivos. Así, el motor deberá girar 720°, esto es, dos revoluciones, para completar el ciclo.
Los motores de dos tiempos reciben este nombre porque para realizar el ciclo completo, el pistón debe recorrer dos carreras. Así, el motor deberá girar 360°, esto es, una rotación, para completar el ciclo.
A continuación se expone brevemente el fundamento operativo de cada uno de estos motores:
Motores de cuatro tiempos:
Estos motores utilizan cada una de las carreras del pistón para realizar cada una de las fases del ciclo (ilustr. 2.1). Antes de comenzar con la explicación del ciclo parece conveniente definir ciertos conceptos:
Punto muerto: Posición del pistón en que su velocidad es nula. Será superior
(PMS) o inferior (PMI) dependiendo de que tenga lugar en la parte superior o inferior del cilindro respectivamente.
Válvula:Dispositivo que controla la entrada y salida de gases del cilindro. Puede ser de admisión o de escape dependiendo de que sirva para introducir o expulsar los gases respectivamente.
1ª Carrera: Carrera de admisión:
La válvula de admisión se encuentra abierta, la de escape cerrada y el pistón desciende por el cilindro hacia el punto muerto inferior. La depresión generada por el pistón al separarse de su punto muerto superior provoca la entrada de carga fresca (aire o aire + combustible) al cilindro a través de válvula de admisión y procedente del sistema de admisión. (Proceso (1) en las Ilustrs. 2,1 y 2.2),
2ª Carrera: Carrera de compresión:
La válvula de admisión se encuentra cerrada, la válvula de escape cerrada y el pistón asciende por e1 cilindro desde el punto muerto inferior al superior. Al estar la cámara de combustión cerrada, el movimiento ascendente del pistón hace aumentar la presión de la carga que se encuentra en su interior. (Proceso 2 en las Ilustrs. 2.1 y 2.2).
3a Carrera: Carrera de combustión - expansión:
La válvula de admisión se encuentra cerrada, la válvula de escape cerrada y el pistón desciende por el cilindro desde el punto muerto superior al inferior. En las proximidades del punto muerto superior se quema el combustible provocando un aumento de la presión y realizando un esfuerzo importante sobre el pistón. El movimiento descendente del pistón provoca que los gases quemados vayan
expansionándose y, en definitiva, la producción de un trabajo mecánico. Esta es la única carrera en la que se produce trabajo. (Proceso 3 en las Ilustrs. 2.1 y 2.2).
4a Carrera: Carrera de escape:
La válvula de admisión se encuentra cerrada, la válvula de escape abierta y el pistón asciende por el cilindro desde el punto muerto inferior al superior. La elevada presión que todavía reina en el cilindro y el movimiento ascendente del pistón provocan la salida de los gases quemados a través de la válvula hacia el sistema de escape.
(Proceso 3 en las Ilustrs. 2.1 y 2.2).
El hecho de que los motores trabajen a una elevada velocidad de giro provoca que aparezcan efectos de inercia importantes en los flujos de admisión y escape. Para que dichos efectos no entorpezcan la renovación de la carga (llenado de carga fresca y expulsión de los gases quemados), las válvulas de admisión y escape deberán, en realidad, abrir antes y cerrar después de los puntos muertos comentados. Más adelante, se insistirá más en este aspecto. En la ilustración 2.2 se muestran los diagramas de distribución de un ciclo teórico y de uno real. En ellos, las abreviaturas tienen el siguiente significado:
AAA: Avance a la Apertura de la Admisión (Ángulo girado entre la apertura de la
admisión y el PMS).
AAE: Avance a la Apertura del Escape (Ángulo que gira el motor entre la apertura del
escape y el PMI).
RCA: Retraso al Cierre de la Admisión (Ángulo girado desde el PMI hasta el cierre de
la admisión).
RCE: Retraso al Cierre del Escape (Ángulo que gira el motor desde el PMS hasta el
Giro comprendido entre el cierre y la apertura de la lumbrera de escape (CE →AE):
Inicialmente: las lumbreras de escape, transferencia y admisión se encuentran cerradas y el pistón asciende por el cilindro.
- En la cámara de combustión: al estar cerradas las lumbreras de escape y transferencia y al estar ascendiendo el pistón, está teniendo lugar el proceso de compresión. Poco antes de que el pistón llegue al PMS se producirá el encendido de la mezcla o el inicio de la inyección de modo que comenzará la combustión. Cuando el pistón comienza su carrera descendente, comenzará la fase de expansión. La carrera de expansión continuará hasta que la lumbrera de escape quede descubierta por el pistón, momento en que comenzará la fase de escape
(Ver proceso 1 en la Ilustr. 2.5).- En el cárter: inicialmente la lumbrera de
admisión se encuentra cerrada pero al ir subiendo el pistón llega un momento en el que se abre. A partir de este momento, al estar abierta la lumbrera de admisión y al estar ascendiendo el pistón, se está generando una depresión en el cárter que succiona la carga fresca de la admisión. Cuando el pistón desciende llega un momento en el que se cierra la lumbrera de admisión dejando atrapada la carga fresca en el cárter (Ver proceso 2 en la Ilustr. 2.5). Al estar cerrada la lumbrera de transferencia, conforme va descendiendo el pistón la carga fresca contenida en el cárter se va comprimiendo (Ver proceso 3 en la Ilustr. 2.5).
Giro comprendido entre la apertura y el cierre de la lumbrera de escape (AE' a CE):
Inicialmente: la lumbrera de escape se encuentra abierta, las de transferencia y admisión, cerradas y el pistón desciende por el cilindro.
- En la cámara de combustión: al estar cerradas las lumbreras de transferencia, los gases de escape salen por la lumbrera de escape haciendo caer rápidamente la presión en el interior del cilindro. Como el pistón se dirige hacia el PMI, llega un momento en el que se descubre la lumbrera de transferencia. En este momento la presión en el cilindro es inferior a la presión en el cárter y por ello comienza la entrada de carga fresca al interior de la cámara de combustión. La geometría de las lumbreras, del pistón y del cilindro hacen que la carga fresca vaya "barriendo" los gases quemados que quedan en la cámara. Este proceso continúa durante la carrera descendente del pistón y durante la carrera ascendente hasta que se cierra la lumbrera de transferencia. Poco más tarde, se cierra la lumbrera de escape y vuelve a repetirse el ciclo. (Ver procesos 4 y 5 en la Ilustr. 2.5).
- En el cárter: al estar inicialmente cerradas la lumbrera de admisión y las de
transferencia, y al estar descendiendo el pistón, continúa comprimiéndose la carga fresca encerrada en el cárter (Ver proceso 3 en la Ilustr. 2.5). Al ir descendiendo el pistón llega un momento en el que se abre la lumbrera de transferencia. En ese momento la carga atrapada en el cárter escapa hacia la cámara de combustión. Este proceso perdurará prácticamente hasta que, debido al movimiento ascendente del pistón, se cierre la lumbrera de transferencia. A partir de ese momento, al estar el cárter cerrado, el movimiento ascendente del pistón provocará un vació que posteriormente contribuirá a la entrada de carga fresca cuando, posteriormente, abra la lumbrera de admisión.
Dentro de los motores de barrido por cárter es común lo que se denomina
"admisión por láminas ".
Esto consiste en controlar la entrada de gases al cárter, en lugar de con la superficie del pistón, mediante unas láminas que funcionan a modo de válvula antirretorno. No obstante, el principio general de funcionamiento en este tipo de motores es similar al anteriormente descrito salvo que la entrada de gases al cárter permanecerá abierta siempre y cuando la presión del cárter sea inferior a la del ambiente.
Cuando se utiliza el "barrido forzado", más común en grandes motores industriales, la entrada de la carga a la cámara de combustión viene forzada, en lugar de por el cárter del motor, por una soplante exterior. En este tipo de motores no se precisa que el cárter sea estanco, cosa que sí es necesaria en los primeros.
Al igual que en los motores de cuatro tiempos, la combustión no es instantánea y por ello en los motores reales existe un avance para el encendido, en los MEP, o para la
- El diagrama Presión -Ángulo de giro del cigüeñal (p-α) o Presión - Tiempo
(p-t).
El diagrama Presión - Volumen de la cámara de combustión (p-V), también llamado diagrama del indicador.
- Clasificación atendiendo al proceso de combustión.
Atendiendo a este criterio existen en la actualidad dos tipos de motores claramente diferenciados: motores de encendido provocado y los motores de encendido por compresión. No obstante, durante últimos años están teniendo lugar una serie de desarrollos tecnológicos con previsible viabilidad que no encajan completamente en ninguno de estos grupos.
Los motores sobrealimentados son aquellos en los que existe algún dispositivo que eleva la presión de la carga fresca que entra al motor. Cuando dicho dispositivo es un turbocompresor accionado por una turbina que aprovecha la energía de los gases de escape se trata de un motor turbosobrealimentado, comúnmente denominado "motor turbo". Como caso particular dentro de este grupo indicar que, en la actualidad, se están desarrollando con buenas perspectivas turbocompresores accionados eléctricamente. Cuando el compresor es volumétrico y se acciona mecánicamente desde el cigüeñal se trata de un "motor sobrealimentado mecánicamente". Cada uno de estos tipos de sobrealimentación tiene una serie de ventajas e inconvenientes frente a los otros.
2.5.- Clasificación atendiendo al tipo de refrigeración.
El sistema de refrigeración garantiza que la temperatura en ciertas partes del motor no se eleve por encima de ciertos límites admisibles. Los dos tipos de refrigeración utilizados para este cometido son: la refrigeración por aire y la refrigeración por líquido (Ilustr. 2. 7).
En la refrigeración por aire, el calor se cede directamente al aire ambiente. Es por ello que también es conocida como refrigeración directa. Este sistema es poco eficiente debido al bajo coeficiente de transmisión de calor entre la 9 pared y el aire. Para solventar esta limitación es preciso colocar aletas en diferentes partes del motor que aumenten la superficie de transmisión y, en definitiva, la capacidad de refrigeración. Por ello, no es el tipo de refrigeración adecuado para motores con cargas térmicas importantes.
En la refrigeración líquida, generalmente por agua o agua aditivada, el calor de refrigeración se cede a un líquido. Si este líquido es el ambiente se denomina, al igual que antes, refrigeración directa. Si la cesión de calor al ambiente tiene lugar en un intercambiador agua - aire, se denominará refrigeración indirecta. Este sistema de refrigeración es el más efectivo debido al alto coeficiente de transmisión entre una pared y un líquido. Este tipo de refrigeración se hace necesario en motores con cargas térmicas importantes. En el caso de refrigeración indirecta se necesita, además de la bomba que provoca la circulación del refrigerante por las diferentes partes del motor, un intercambiador de calor agua-aire y un ventilador que haga pasar al aire a través del intercambiador.
2.6.- Clasificación atendiendo al número y disposición de los cilindros.
Los motores se pueden clasificar atendiendo al número de cilindros (1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 12, 16, etc.) y a la disposición constructiva de los mismos. Las disposiciones más habituales son:
- En línea: cuando todos los cilindros se encuentran uno a continuación del otro. - En V: Cuando existen dos filas de cilindros que forman entre sí un cierto
2.6.1.-Refrigeración del motor de aviación
Como decíamos cualquier motor genera una gran cantidad de calor, por ello es necesario utilizar algún procedimiento de refrigeración para mantener la temperatura dentro de los márgenes adecuados.
Aire Frio.
En la actualidad, el sistema de refrigeración utiliza la corriente de aire procedente de la hélice.
Esta corriente es dirigida por medio de deflectores (baffles) hacia los cilindros y las demás zonas del motor que lo necesiten, de forma que puedan refrigerarse convenientemente.
Esta refrigeración es posible gracias a les aberturas que la cubierta del motor tiene en su parte frontal.
Hay que tener en cuenta, que con bajas temperaturas, en un descenso prolongado, etc., el motor puede igualmente no tener siempre una temperatura óptima de funcionamiento. Por ello, se recurre al empleo de aletas o persianas.
Estas aletas o persianas están situadas en la zona inferior de la cubierta del motor.
Cilindros.
El cilindro por la función que realiza, es el elemento del motor que más necesita disipar el calor generado por la combustión, por ello, el cilindro esta equipado de una gran cantidad de aletas o deflectores de refrigeración, fundamentalmente en la culata. Esto es debido a que es en esa zona del cilindro donde está la cámara de combustión y es donde se genera la mayor parte del calor.
3. Parámetros fundamentales de los motores alternativos.
Existen una serie de parámetros que serán definidos a continuación y cuyo conocimiento es necesario para caracterizar y evaluar los diferentes motores existentes. El manejo de estos parámetros permitirá resolver muchos de los problemas relativos a este tipo de motores. Al tratarse de definiciones sumamente simples, es más que conveniente memorizarlos para poder resolver problemas con soltura.
3.1.- Parámetros geométricos y cinemáticos.
Los parámetros geométricos y cinemáticos derivan de la geometría del cilindro, de la cámara de combustión, de la del sistema biela manivela y de la velocidad de giro. Afectan de forma importante al comportamiento del motor y los más representativos se relacionan a continuación:
- Diámetro del cilindro (D): Directamente relacionado con el tamaño del motor. Puede tener valores comprendidos entre unos milímetros, en maquetas, hasta más de un metro en motores estacionarios o marinos. Los valores habituales en automoción están comprendidos entre 70 y 160 mm.
- Área del pistón (Ap): Área de la sección transversal del pistón. Responde a la
ecuación:
- Carrera (S): Distancia recorrida por el pistón entre dos puntos muertos consecutivos. En los motores de 2T también se puede definir la carrera efectiva
(S') como la distancia recorrida por el pistón entre el cierre del escape y el PMS.
- Cilindrada unitaria (VD): Volumen desplazado por el pistón a lo largo de una
carrera. Responde a la ecuación:
- Número de cilindros (z): Número de cilindros de que dispone el motor completo. Existen motores que cuentan incluso con 20 cilindros.
- Cilindrada total (VT): Volumen desplazado por todos los cilindros del motor a
lo largo de una carrera. Responde a la siguiente expresión:
- Velocidad de giro (n): Número de vueltas que realiza el motor en la unidad de tiempo. Su valor máximo va desde unas 50 r/min en algunos motores estacionarios y marinos, hasta casi 20000 r/min en pequeños motores deportivos. Los valores habituales en automoción están comprendidos entre 1500 y 12000 r/min.
- Velocidad lineal media del pistón (cm): Tal y como indica el propio nombre,
es la velocidad media de deslizamiento del pistón sobre el cilindro.
El valor máximo de este parámetro queda limitado por la posibilidad de mantener una lubricación adecuada entre cilindro y pistón y por los problemas
Relación carrera diámetro (S/D): Cociente muy relacionado con la potencia
específica de un motor. A igualdad de cilindrada y velocidad lineal media del pistón, la potencia efectiva aumenta de forma lineal con el inverso de dicho parámetro. Tiene valores comprendidos entre 0.6 para los motores de carácter deportivo y 3 para los motores muy grandes. En motores de tamaño medio, su valor ronda la unidad.
Volumen final de compresión (V): Volumen de la cámara de combustión
cuando el pistón se encuentra en su punto muerto superior.
Relación de compresión volumétrica geométrica (r): Es el cociente entre el
volumen de la cámara de combustión cuando el pistón se encuentra en el PMI y cuando el pistón se encuentra en el PMS.
El valor que toma este parámetro es fijo para cada motor. No obstante, se están desarrollando motores que tienen la posibilidad de variar su valor en función de las condiciones operativas. Los MEC de inyección indirecta (IDI) son los que utilizan valores más altos de relación de compresión, entre 18 y 23. Los MEC de inyección directa (DI) tienen valores algo inferiores, entre 13 y 20. Por último, los MEP tienen limitado este parámetro por problemas de autoinflamación del combustible. Valores en torno a 10 son habituales aunque los motores de inyección directa, los de relación de compresión variable o los de gas natural pueden alcanzar valores superiores a 13. Cuando se trata de un motor de 2T, se puede definir también la relación de compresión volumétrica efectiva
(r'). En este último caso, se considera el volumen de la cámara de combustión en
el instante del cierre del escape, en lugar del existente cuando el pistón se encuentra en el PMI.
3.2.- Parámetros operativos.
Estos parámetros se determinan a partir de las prestaciones y consumos del motor y van a permitir evaluar un motor o compararlo con otro desde un punto de vista cualitativo y/o cuantitativo. A continuación se mencionan los más frecuentes:
- Dosado absoluto (F): Cociente entre los gastos másicos de combustible y aire en un motor. Cuando dicha relación es la estequiométrica, el dosado recibe el apellido de
- Relación aire-combustible (A) o coeficiente lambda (λ): Relación existente entre el
gasto másico de aire y combustible de un motor, esto es, el inverso del dosado absoluto.
- Trabajo indicado (Wi): Trabajo desarrollado por los gases de la cámara de
combustión a lo largo de las carreras de compresión y expansión. En el diagrama p-V, más conocido como diagrama del indicador (Ilustr. 3.1) se corresponde con el área positiva y se obtiene por integración:
- Trabajo de bombeo (Wb): Trabajo consumido por el motor durante las carreras de
admisión y escape para renovar la carga (introducir la carga fresca y expulsar los gases quemados). En el diagrama del indicador (Ilustr. 3.1) se corresponde con el área negativa, y su valor se obtiene por integración:
-Trabajo de pérdidas mecánicas (Wpm): Trabajo empleado por el motor para vencer los
rozamientos, renovar la carga (trabajo de bombeo) y accionar ciertos elementos auxiliares.
- Potencia indicada (Ne): Potencia mecánica producida por los gases en la cámara de
combustión durante las carreras de compresión y expansión. En definitiva, es el cociente entre el trabajo indicado y el tiempo empleado en producirlo, un ciclo completo del motor, esto es, una vuelta para los motores de 2T (i=1) y dos para los de 4T (i=2).
- Potencia efectiva (Ne): Potencia neta obtenida en el eje del motor.
- Potencia de pérdidas mecánicas (Npm): Parte de la potencia indicada que el motor
emplea en: vencer las pérdidas de fricción, renovar la carga del motor y accionar ciertos elementos auxiliares, fundamentales para el funcionamiento del motor.
- Par indicado (Mi): Cociente entre la potencia indicada y la velocidad angular del
motor. Definiciones análogas tienen el par efectivo (Me) y el par de pérdidas mecánicas
(Mpm).
A la vista de la ecuación anterior se comprueba que la presión media indicada es proporcional al par indicado del motor.
Definiciones análogas tienen la presión media efectiva (pme) y la presión media
de pérdidas mecánicas (pmpm). Se puede comprobar fácilmente que: Ne = Ni - Npm
pme = pmi – pmpm
Los valores habituales de pme en los motores actuales se encuentran entre 1 y 2 MPa.
- Rendimiento indicado (η¡): Cociente entre la potencia indicada del motor y la
potencia térmica disponible en el combustible consumido, considerando su poder calorífico inferior:
Una definición análoga tiene el rendimiento efectivo (ηe) cuyo valor en algunos
de los modernos MEC puede alcanzar el 50% y en los MEP el 40%.
- Rendimiento mecánico (ηm): Cociente entre la potencia efectiva y la indicada del
motor y, en consecuencia, entre los rendimientos efectivo e indicado del mismo:
Su valor a plena carga puede estar comprendido entre 0.8 y 0.9.
Consumo específico indicado de combustible (gif): Relación entre el gasto másico de
combustible y la potencia indicada. Definición análoga tiene el consumo específico
efectivo de combustible (gef):
Los valores óptimos de este parámetro oscilan entre los 180 g/kWh (50 mg/J) para algunos MEC y los 240 g/kWh (67 mg/J) en algunos MEP.
4.- Diferencias entre los motores de encendido provocado (MEP) y de
encendido por compresión (MEC).
El hecho de que la principal clasificación de los motores alternativos atienda al tipo de combustión que en ellos tenga lugar hace que se insista en las diferencias más destacables entre estos dos grupos de motores.
4.1.- Lugar de formación de la mezcla.
La combustión que tiene lugar en los MEC no precisa de una mezcla de aire y combustible homogénea. Esto, unido a las propiedades del combustible utilizado, obliga a introducir el combustible en la cámara de combustión durante el proceso de compresión, en las proximidades del PMS. Cuando la cámara de combustión se divide en dos partes comunicadas por un pequeño canal, el motor se denomina de inyección
indirecta. En caso de no existir dicha división se denomina de inyección directa.
Los MEP requieren una mezcla homogénea de aire y de combustible para que se propague adecuadamente la combustión. Esto obliga a preparar la mezcla con la suficiente antelación. Habitualmente, se introduce el combustible en el colector de
admisión junto a la válvula de admisión. No obstante, actualmente se tiende a
introducirlo en el interior de la cámara de combustión con la antelación suficiente que permita la preparación adecuada de la mezcla. Esto es, durante la carrera de admisión, a cargas o velocidades elevadas, o durante la de compresión, a cargas y velocidades bajas. Los motores que siguen esta ley se conocen como motores de
inyección directa.
4.2.- Regulación de la carga.
La potencia efectiva de un motor depende del rendimiento efectivo, del gasto másico de combustible y de su poder calorífico.Para regular la carga de un motor sólo se
puede actuar libremente sobre el gasto másico de combustible, aunque se puede hacer de dos formas diferentes:
Los MEC mantienen básicamente constante el gasto másico de aire y actúan directamente sobre la riqueza de la mezcla inyectando más o menos cantidad de
combustible.
motor y supone un serio inconveniente para el rendimiento del motor a cargas reducidas.
Los MEP de inyección directa tienen la posibilidad de trabajar con un rango de
dosados relativamente amplio y, por ello, la regulación de la carga combina los dos
tipos de regulación anteriormente comentados procurando evitar el segundo tipo, en la
medida de lo posible.
4.3.- Naturaleza del combustible utilizado.
Los MEP requieren una mezclahomogénea para que la combustión se propague de forma adecuada. Esto exige que el combustible sea lo suficientemente volátil para que la vaporización se complete en el tiempo disponible para ello. Por otro lado, cuando se introduce durante la carrera de admisión, debe soportar las elevadas presiones y temperaturas del proceso de compresión sin autoinflamarse por lo que su resistencia a
la autoinflamación debe ser elevada. Este último aspecto difiere en los motores de
carga homogénea y encendido por compresión. Se precisan, en consecuencia.
hidrocarburos ramificados de cadena corta.
Los MEC, por el contrario, no requieren una mezcla homogénea para su proceso de combustión por lo que no precisan de una volatilidad tan elevada como los MEP. Por otro lado, el proceso de combustión se basa en la autoinflamación de combustible y, en consecuencia, debe tratarse de un combustible muy autoinflamable. Las elevadas presiones de inyección de este tipo de motores hace que los equipos de inyección trabajen con tolerancias más reducidas que aconsejan unas propiedades lubricantes del
combustible. Por todo ello, se recurre a hidrocarburos lineales de cadena larga.
4.4.- Dosado de funcionamiento.
El proceso de combustión de los MEP exige la propagación adecuada del frente de llama a través de la mezcla. Para ello, la composición de la mezcla debe ser próxima a la estequiométrica, pues es en estas condiciones donde dicha propagación presenta menos problemas. Así, estos motores se verán obligados a trabajar con dosados próximos a los estequiométricos, esto es, FR ≈ 1.
Resulta algo diferente el caso de los MEP-DI en los que, a pesar de que la combustión también se propaga por frente de llama, son capaces de crear dentro de la cámara de combustión dos zonas bien definidas: una de mezcla rica (FR>1) y otra sin
apenas combustible. La combustión tiene lugar únicamente, como es lógico, en la zona que contiene combustible y de esta forma puede trabajar con mezclas globalmente pobres sin que aparezcan problemas de propagación de la llama. Estos motores pueden trabajar con dosados globales comprendidos en el margen 0.4 ≤ FR ≤ 1.1.
En el caso de los MEC la reacción de combustión tiene lugar por la elevada presión y temperatura reinantes en la cámara de combustión. Por ello, el único requerimiento para que dicha reacción tenga lugar es que exista aire disponible para poder reaccionar con el combustible. Al tratarse de una mezcla heterogénea, la dificultad de encontrar aire por parte del combustible limita el valor superior del dosado
consiguiente formación de humo negro y temperaturas inadmisibles en ciertas partes del motor.
En el caso de los MEC que trabajan con carga homogénea, todavía en fase de desarrollo, la necesidad de provocar la autoinflamación de un combustible que en principio es resistente a la auto inflamación exige un dosado mínimo por debajo del cual no tiene lugar dicha reacción. No obstante, trabajan con mezcla pobre (FR < 1).
4.5.- Potencia específica y rendimiento.
Tradicionalmente los MEP han gozado de una potencia específica muy superior a los MEC. No obstante, la proliferación de la turbosobrealimentación y la sustancial mejora que han sufrido las tecnologías aplicadas en estos últimos, ha supuesto una considerable reducción en la diferencia de potencia específica entre ambos tipos de motores. En los MEP convencionales la potencia específica está en el entorno de los 50 kW/dm3 pero algunos motores deportivos pueden alcanzar los 750 kW/dm3. En los
MEC el abanico es más amplio al igual que su rango de utilización y oscila entre los 8
kW/dm3 en grandes motores y los 50 kW/dm3 en turismos.
En cuanto al rendimiento, los MEC tienen valores en torno a un 20% superiores a los MEP homólogos. Los modernos motores MEP-DI pretenden recortar estas diferencias.
5.- Campos de aplicación de los motores alternativos.
El gran desarrollo que los motores de combustión interna alternativos han tenido durante el s. XX ha hecho de ellos los motores térmicos más versátiles. Con la excepción de las aplicaciones espaciales donde resultan inútiles por necesitar aire para funcionar, han estado presentes en todos los campos donde se han necesitado una fuente de potencia. Esta versatilidad se debe a los siguientes motivos:
- Capacidad para utilizar diferentes tipos de combustibles (líquidos, gaseosos o, incluso, sólidos).
- Rendimiento aceptable y, en muchas ocasiones, superior al de otros motores térmicos (30% - 50%).
- Amplio rango de potencias máximas (50W - 100 MW).
- Funcionamiento más que aceptable a cargas parciales en cuanto a fiabilidad, suavidad y rendimiento.
- Disposiciones constructivas variadas que permiten adaptar el motor a los usos
más diversos.
Actualmente, los motores de combustión interna alternativos tienen dos grandes
campos de aplicación: 1.- Propulsión de vehículos:
- Propulsión marina: Han desplazado a la turbina de vapor y a la de gas en la mayoría de las aplicaciones civiles aunque en ciertas aplicaciones militares no interesa su uso.
- Propulsión aérea: Su aplicación es reducida, sólo en aviones muy pequeños tiene algo de interés.
2.- Aplicaciones estacionarias:
- Generación de energía eléctrica: Sólo para pequeños grupos portátiles, en
cogeneración, y en centrales térmicas de pequeña potencia.
- Accionamiento industrial y agrícola (compresores, bombas, motosierras, etc.). En propulsión terrestre, las turbinas de gas pueden presentar cierta competencia a los alternativos si llegan a desarrollarse adecuadamente los vehículos de motor
híbrido (combustión - eléctrico) ya que en ellos es posible su funcionamiento a régimen
y carga prácticamente constantes.
En propulsión marina, la turbina de gas sólo tiene interés para aquellos casos en que se precise una alta potencia específica (embarcaciones militares, lanchas rápidas, etc.) y la turbina de vapor, para aquellos en los que sea interesante la utilización de
energía nuclear (rompehielos, submarinos, etc.).
En generación de energía eléctrica, las turbinas de gas libran una fuerte lucha con los alternativos en el terreno de la cogeneración. En centrales térmicas, su uso es muy reducido y debe estar justificado.
Tema ii
Elementos constructivos de los motores de
combustión interna alternativos.
1.- INTRODUCCIÓN.
2.- LA BANCADA Y EL BLOQUE DE CILINDROS. 3.- LA CULATA. 4.- EL PISTÓN. . 5.- LOS SEGMENTOS. 6.- EL BULÓN. 7.- LA BIELA. 8.- EL CIGÜEÑAL. 9.- LOS COJINETES. 10.- LA DISTRIBUCIÓN. 10.1.- Definición y funciones.
10.2.- Factores que influyen en el diseño de la distribución. 10.3.- Componentes. 10.3.1.- Árbol de levas. 10.3.2.- Empujadores o taques. 10.3.3.- Varillas. 10.3.4.- Balancines. 10.3.5.- Válvulas.
10.3.6.- Tapas de muelles y semiconos. 10.3.7.- Asientos de válvula.
10.3.8.- Guías de válvula. 10.3.9.- Muelles.
1. INTRODUCCIÓN.
Los motores de combustión interna alternativos transforman en trabajo la energía térmica procedente de la combustión de un combustible a través del movimiento alternativo de un órgano llamado pistón. La relación entre este motor y la turbina de gas es análoga a la existente entre la máquina de vapor y la turbina de vapor. Esta analogía podría inducir a pensar que se trata de una solución técnica obsoleta. No obstante, el grado de perfeccionamiento en el diseño y ejecución de sus componentes hace que siga siendo la solución más ventajosa para muchas aplicaciones. Sus elevados rendimientos y potencias específicas, así como su mejor adaptación a distintas condiciones de trabajo y de funcionamiento (carga y velocidad), les permite encontrar aplicación en campos tan diversos como la propulsión marina, la aviación, la automoción y la tracción ferroviaria.
Este capítulo tratará aspectos relativos a la finalidad, características constructivas y condicionantes del diseño de los órganos constitutivos del motor más importantes (Ilustr. II. 1.1).
La conversión de la energía asociada al combustible en energía térmica se realiza en la cámara de combustión. Allí, la presión originada por la combustión actúa sobre el pistón provocando su movimiento rectilíneo. Éste, por medio de la biela, transmitirá el movimiento y el esfuerzo al cigüeñal, que se ocupa de transformar el movimiento rectilíneo en circular. A través del eje del cigüeñal, el motor transmitirá su potencia al exterior mediante un movimiento rotativo. Es decir, transmitirá un par motor a una velocidad de giro dada (Ne = Me x ω).
(Ilustr. II. 1.2). Por este motivo los elementos que forman el motor pueden dividirse en
fijos y móviles. Los elementos fijos son el bloque y la culata (cierre superior de la cámara de combustión). Por otra parte los elementos móviles son el sistema pistón-biela-cigüeñal .y la distribución, esta última formada por los órganos que colaboran a la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape. Existen también elementos auxiliares que no son clasificables según este criterio: los aros de pistón o segmentos y los cojinetes que llevan los órganos con movimiento relativo.
Naturalmente, el MCIA lleva muchos otros elementos auxiliares indispensables para su funcionamiento. A pesar de ello, este capítulo se centrará en los anteriormente mencionados por ser los intervienen directamente en el proceso de transformación de energía térmica en mecánica.
2. LA BANCADA Y EL BLOQUE DE CILINDROS.
2.1. Funciones y partes en las que se divide.
El bloque de cilindros y/o la bancada (Ilustr. II.2.1) es el elemento estructural que soporta los elementos alternativos y giratorios del motor y, en consecuencia, sirve de punto de aplicación de las fuerzas originadas por la combustión. Además, sirve de anclaje de componentes periféricos del motor e integra parte de los circuitos de refrigeración y lubricación.
Salvo en el caso de grandes motores, los cilindros y la bancada superior se encuentran integrados en una misma pieza, formando lo que habitualmente se conoce
1. Bloque de cilindros: Estructura rígida que soporta a los cilindros.
2. Bancada: Estructura rígida que soporta al cigüeñal. A su vez, se divide en dos partes:
a) Bancada superior: Unida rígidamente al bloque de cilindros forma la parte superior del alojamiento del cigüeñal. En motores no excesivamente grandes
transmite los esfuerzos del motor hacia el bastidor dónde vaya sustentado.
b) Bancada inferior: Constituye la parte inferior del alojamiento del cigüeñal.
2.2. Esfuerzos que actúan sobre el bloque y factores que influyen en su diseño.
El diseño del bloque debe perseguir la obtención de una estructura rígida capaz de soportar los esfuerzos que actúen sobre él con el mínimo de deformaciones y utilizando la menor cantidad posible de material. Para ello, el espesor debe ser mayor en aquellas direcciones en las que actúen las principales fuerzas y menor en el resto de las paredes. Los esfuerzos más importantes que actúan sobre el bloque son:
Los derivados de la presión de combustión.
Los derivados de la de inercia de los elementos móviles.
Los de origen térmico, derivados del gradiente térmico y de la dilatación impedida.
La consideración de los esfuerzos a los que está sometido el bloque tiene una importancia capital en el diseño del mismo y encontrar el espesor de material idóneo es difícil. Los espesores grandes favorecen la resistencia a los esfuerzos mecánicos derivados de la presión de combustión y de las inercias de los elementos móviles asociados al bloque. Sin embargo, los espesores pequeños ayudan a minimizar las tensiones térmicas. Habrá que buscar siempre una solución de compromiso.
Las distintas alternativas de ejecución del bloque vendrán dadas por el tipo de motor que se desee realizar y habrá que tener en cuenta un gran número de condicionantes y factores a la hora de su diseño. Entre otros, estos factores pueden ser los siguientes:
1.- Configuración del motor.
El número y disposición de los cilindros de un motor suelen estar condicionados por el tamaño del habitáculo disponible, por los requerimientos de suavidad de la marcha, por el coste de fabricación y/o por la resistencia mecánica del cigüeñal. En lo que al número de cilindros respecta, cuanto mayor sea, más suave será el funcionamiento del motor pero mayor su coste. Por lo que se refiere a la disposición de los cilindros, algunas de las más usuales son (Ilustr. II.2.2):
En línea: Es la disposición más sencilla y económica. Tiene gran suavidad de funcionamiento aunque cuando el número de cilindros es elevado, el diseño del cigüeñal se complica por las vibraciones torsionales.
y su funcionamiento es menos suave salvo en el caso de V-1200 o en el motor
"Bóxer.
Estrella: Reduce la longitud del bloque al máximo. Muy utilizado antiguamente en aviación.
2.- Tipo de refrigeración.
Para mantener las propiedades mecánicas del material de los cilindros es preciso refrigerarlos. Dependiendo del motor y de su aplicación, esta refrigeración podrá llevarse a cabo utilizando dos tipos de fluido refrigerante:
Aire: El pequeño coeficiente de película existente entre el aire y el cilindro hace que sólo sea aplicable a motores no demasiado cargados térmicamente. Para aumentar la transmisión de calor se aumenta la velocidad del aire con una soplante y se aumenta la superficie de contacto utilizando aletas de refrigeración (Ilustr. II.2.3). El ruido producido por las aletas y por la soplante y/o el tamaño de las aletas pueden hacer inviable este sistema en multitud de aplicaciones.
importantes agravados con las vibraciones del motor. El líquido utilizado habitualmente es una mezcla de agua y etilenglicol.
3.- Tipo de camisa.
La camisa es la parte del bloque que se encuentra directamente en contacto con el pistón haciendo de cierre lateral de la cámara de combustión. El uso de los distintos tipos de camisas existentes (integrales, secas o húmedas) estará condicionado por sus diferentes cualidades (Ilustr. II.2.4). Los motores sin camisa o, lo que es lo mismo, con
camisas integrales son aquellos en los que el pistón desliza por el propio bloque de
cilindros. Las camisas secas son unos cilindros de pequeño espesor que se interponen entre el pistón y el bloque de cilindros. Este tipo de camisas tiene unas extraordinarias propiedades mecánicas para el deslizamiento pero no tienen ninguna responsabilidad estructural. Finalmente, las camisas húmedas son aquellas en las que el fluido refrigerante circula directamente por su parte exterior, de ahí su nombre. Su espesor es mayor que el de las secas pues tiene que soportar las tensiones generadas por la combustión.
El uso de los distintos tipos de camisas estará condicionado por algunos de los factores que a continuación se relacionan:
Longitud del bloque: Los bloques sin camisa son más cortos y los de camisa húmeda más largos.
Vida total del motor: La utilización de camisas resulta especialmente interesante en aquellas aplicaciones que, por su elevado grado de utilización, la vida del motor debe ser mucho mayor que la de la superficie del cilindro. Así, en los motores industriales la instalación de camisas es una solución habitual, cosa que no ocurre en los motores de los turismos.
Coste de utilización: El coste de adquisición de un bloque de cilindros con camisas es superior al de otro sin ellas y el de un bloque de camisas secas superior al de camisas húmedas. Esto se debe a que los motores con camisa
montadas, mientras que las camisas húmedas no. El coste de sustitución de las camisas secas será, por el mismo motivo, mayor que el de las húmedas aunque la vida de las secas pueda ser mayor. En consecuencia, el coste total de utilización vendrá condicionado por la vida del motor, por la vida de las camisas y por el coste de las revisiones.
4.- Tipo de distribución.
Cuando el árbol de levas va colocado en la parte lateral del bloque deben ubicarse los conductos de engrase, los pasos de las varillas y el alojamiento del propio árbol de levas. Si va colocado en la culata, el diseño del bloque se simplifica.
5.- Materiales.
El material utilizado en la construcción del bloque vendrá condicionado por aspectos tales como el tamaño, el peso, el coste, la rigidez, la emisión de ruido, etc. Existen tres posibilidades de fabricación:
Fundición de acero: Se utiliza por su elevada rigidez, bajo precio, baja emisión de ruido y posibilidad de adoptar formas complejas. El elevado peso, principal inconveniente de esta solución constructiva, puede hacerlo no apto para ciertas aplicaciones.
Aleación ligera: Mejor que el de acero fundido por su menor peso, su mayor conductividad térmica y la mejor adaptación al pistón cuando éste es del mismo material. Sin embargo, son mayor es su coste y su emisión sonora.
Chapa soldada: La posibilidad de construir una pieza por fundición tiene un límite de tamaño. Por ello, ésta será la única solución constructiva para los grandes motores estacionarios y marinos.
3. LA CULATA.
3.1 Funciones y generalidades.
La culata es el elemento que cierra la cámara de combustión por su parte superior. Aloja los conductos de admisión (pipas de admisión) (1), de escape (pipas de
escape), de refrigeración (2) y de engrase, algunos de los componentes de la
La culata es una de las partes del motor cuyo diseño es más difícil debido a: <& La propia complejidad geométrica.
La carga mecánica que debe soportar a causa de la presión de la cámara de combustión.
La carga térmica: Gradiente térmico existente a causa de la presencia de la propia cámara de combustión y de los conductos de admisión, escape, refrigeración y engrase.
3.2.- Factores que influyen en el diseño de la culata.
A continuación se analizan algunos de los factores más importantes que condicionan el diseño de la culata.
Las elevadas exigencias de los motores modernos obligan a mejorar los procesos de renovación de la carga y de combustión. Para ello, en multitud de ocasiones se recurre al aumento del número de válvulas por cilindro, a pesar de que el uso de una válvula para la admisión y otra para el escape (Ilustr. II. 3.2) sigue siendo acertada para motores con unas exigencias no muy elevadas. No obstante, tendrá ocasión de comprobarse que el interés de los motores multiválvula (Ilustr. II.3.1 v II.3.3) va mucho más allá del simple incremento del área de paso. A continuación se enuncian algunas de las ventajas e inconvenientes más importantes de su uso.
Mayor área de paso y, por ello, mejor renovación de la carga. Este efecto se hace más patente cuando las válvulas están inclinadas.
El puente de válvulas se encuentra situado en una zona menos cargada térmicamente.
El inyector o la bujía pueden colocarse verticalmente en el centro de la cámara de combustión con las ventajas que ello implica por la mayor simetría del proceso de combustión.
Las distintas pipas de admisión pueden generar distinto tipo de turbulencia en la cámara de combustión. Controlando el flujo por cada una de ellas es posible modificar la turbulencia en función de las condiciones operativas, aspecto vital en los MEP de inyección directa.
El aumento del número de pipas de admisión y escape y la mayor complejidad del sistema de distribución dificultan su diseño y su fabricación y, en consecuencia, su coste es más alto.
La adopción de un sistema u otro dependerá del tipo de motor que se esté diseñando. La tendencia actual es hacia los motores multiválvula, que a altas revoluciones consiguen mantener un rendimiento muy superior a los de dos válvulas por cilindro. Lo más usual es montar cuatro válvulas por cilindro: dos de admisión y dos de escape. Sin embargo, también se recurre a las tres válvulas por cilindro, dos de admisión y una de escape.
2.- Número de cilindros cubiertos.
Cuando el diámetro del cilindro de un motor es inferior a 100 mm resulta habitual el empleo de culatas de una única pieza (enterizas - Ilustr. II.3.2). Sin embargo, para motores mayores y, en consecuencia, con mayor diámetro de cilindro, el uso de culatas partidas o culatines individuales (Ilustr. II. 3.4) presenta ciertas ventajas desde el punto de vista del diseño. La adopción de una u otra solución va a depender de los requerimientos del propio motor y del balance de las ventajas e inconvenientes que ello conlleva. Algunas de las ventajas e inconvenientes más importantes al reducir el número de cilindros cubiertos por la culata se enuncian a continuación:
El sellado entre culata y bloque mejora.
Las cargas térmicas son menores.
La fundición es más sencilla.
Es posible normalizar los culatines y hacerlos aptos para diferentes motores.
La distancia entre cilindros aumenta.
El peso y el coste del motor y de la culata aumentan.
El árbol de levas en cabeza hace necesario el uso de culatas enterizas.
Las conexiones entre los conductos de refrigeración y engrase deben realizarse por el exterior.
En resumen, las culatas enterizas son soluciones baratas aptas para ser aplicadas en pequeños motores de gran serie pero que pierden parte de su interés en motores industriales. Una solución intermedia muy usada es el empleo de culatas partidas que cubren 2 ó 3 cilindros simultáneamente.
3.- Tipo de cámara de combustión
La cámara de combustión del motor marca profundas diferencias entre las culatas de distintos motores (Ilustr. II. 3.5). Los MEC de inyección indirecta (MEC IDI) llevan la precámara labrada en la culata mientras que los MEC de inyección directa
(MEC DI) no. Este hecho hace que la culata de los primeros presente dificultades de
diseño añadidas. Los MEP suelen llevar labrada en la culata la cámara de combustión aunque al tratarse de cámaras abiertas no complica su diseño. En este tipo de motores también existe la posibilidad de que la cámara vaya labrada en el pistón (“System
Porsche”).
4.- Forma y disposición de los conductos de admisión y escape.
La disposición de los colectores de admisión y escape en la culata determina el tipo de flujo que el fluido tiene en el motor dotándole de ciertas ventajas e inconvenientes (Ilustr. II.3.6). Existen dos formas posibles:
a) Flujo Paralelo: Los colectores de admisión y de escape se encuentran en el
mismo lado.
b) Flujo Cruzado: Los colectores de admisión y de escape se encuentran en
El flujo paralelo incrementa las tensiones térmicas por la alternancia de zonas frías y calientes y empeora el rendimiento volumétrico por la transferencia de calor entre los colectores. Por otra parte, tiene la ventaja de tener libre uno de los lados de la culata para la colocación de otros elementos y accesorios.
La forma de los conductos, especialmente los de admisión (Ilustr. II.3.7), condiciona también el diseño de la culata. En función del tipo de motor existen distintos tipos de conductos:
a) Direccionales: Utilizados en la admisión de los MEP y de los MEC-IDI, tienen un coeficiente de gasto elevado y no generan torbellino (swirl) en el flujo de admisión.
b) Helicoidales: Utilizados en la admisión de los MEC-DI, generan torbellino
(swirl) en el flujo de admisión. Tienen un coeficiente de gasto bajo a causa del
aumento de la fricción y de la reducción del área efectiva de paso.
c) De escape: En los conductos de escape, aún a costa de sacrificar su coeficiente de gasto, se alarga la guía para mejorar la refrigeración de la válvula. Las velocidades admisibles son superiores a las de las pipas de admisión.
5.- Tipo de distribución.
Cuando el árbol de levas se coloca en la culata, generalmente en su parte superior, deben ubicarse sus apoyos y cojinetes y nuevos conductos de engrase (Ilustr.
II.3.8).
6.- Tipo de refrigeración.
La refrigeración de la culata es uno de los factores que influyen de forma más importante en su diseño por ser éste uno de los elementos del motor que se ve sometido a mayores cargas térmicas. Las opciones existentes en cuanto al tipo de refrigeración son, al igual que para el bloque, la refrigeración líquida y la refrigeración por aire. La refrigeración debe evacuar el calor de las zonas más calientes, en especial:
El puente de válvulas.
Los conductos de escape.
La zona del inyector en los MEC.
La garganta de la precámara de los MEC-IDI.
La refrigeración por aire (Ilustr. II. 2.3.) tiene serias limitaciones para motores con elevada carga térmica. La menor efectividad de este sistema obliga a utilizar aletas de refrigeración de aluminio.
La refrigeración líquida (Ilustr. II. 3.1) es más efectiva y resulta más adecuada para motores con altas exigencias pero complica el diseño geométrico de la culata al utilizar galerías por las que debe circular el refrigerante. Es importante evitar la formación de remansos en la circulación del refrigerante, ya que en estos puntos podrían formarse burbujas de vapor que reducirían drásticamente la transmisión de calor y ocasionarían aumentos locales de temperatura.
mecánicas pero son perjudiciales frente a las tensiones térmicas. Habrá que buscar una solución de compromiso.
6.1.- Indicador de alta temperatura del cilindro (indicador de Temperatura de Culata)
Para controlar la temperatura de la culata, algunos aviones están equipados con un instrumento en cabina que muestra en todo momento la temperatura producida. Este indicador, toma la temperatura de dos formas, dependiendo del constructor:
Puede tomarse de cada uno de los cilindros y dar una indicación ponderada (media)
O por medio de un sensor de temperatura en el cilindro que el fabricante considera critico o más desfavorecido.
7.- Materiales.
El material empleado en la fabricación de la culata debe poseer alta resistencia, bajo coeficiente de dilatación y buena conductividad térmica. Su precio y su peso son también factores a tener en cuenta. La fundición gris y las aleaciones de aluminio son los materiales empleados de forma más habitual. En los MEC resulta habitual el uso de la fundición de hierro. En los MEP se hace más necesario el empleo del aluminio para mejorar la refrigeración de la cámara de combustión y evitar la autoinflamación.
8.- Sistema de lubricación en los motores de aviación
La función de un sistema de lubricación es proporcionar un fluido lubricante, aceite, al motor a determinada presión y en suficiente cantidad, para conseguir:
Reducir el rozamiento entre las piezas metálicas del motor.
Rellenar imperfecciones internas de forma que siempre exista contacto entre superficies lubricadas (reducir igualmente el rozamiento)
Disminuir el calor generado en las zonas más calientes del motor, absorbiendo parte del calor.
Proteger de oxido y corrosión al motor.-> Por medio de aditivos
En los motores de aviación, de combustión interna de cuatro tiempos, el método de lubricación que se emplea es la adición de aceite lubricante al motor.
Existen dos métodos de lubricación:
Por cárter húmedo (más utilizado en aviación ligera )
Por cárter seco.
En los motores de cárter húmedo, el aceite se aloja en el propio cárter del motor. En los motores de cárter seco, el aceite se aloja en depósitos externos y es necesario el uso de una bomba de recuperación para conducir el aceite al depósito. ( Se usan en motores "de estrella")
8.1.-Requisitos de la bomba de aceite y filtro de aceite.
Como la bomba de aceite es accionada por el motor, a mayor velocidad de giro de motor, corresponderá mayor velocidad de giro de la bomba, lo que significa un mayor caudal de aceite y con ello una mayor presión.
Para evitar los excesos de presión, las bombas de aceite utilizan una válvula de alivio de presión, que retorna el aceite sobrante al cárter.
El filtro de aceite forma parte del circuito de engrase del motor. Este filtro permite limpiar el aceite filtrando los contaminantes, impurezas. etc.
Para evitar que el sistema de lubricacion pueda quedar bloqueado, en el caso de obstrucción del filtro de aceite, existe una válvula de derivación ( bypass ) que evita este filtro y pasa el aceite al circuito para evitar que el motor se quede sin lubricar.
Hay que tener en cuenta que en este caso, el aceite no iría filtrado, por lo que sería un aceite sucio el que circularía. por lo que habría que cambiar el filtro lo antes posible.
8.2.- Calidades y grados de aceite.
Hay tres tipos de aceite:
1. Aceite Mineral. Derivado del petróleo.
La principal característica de estos aceites es el haber logrado que por aditivos dispersantes, las impurezas pierdan Ia capacidad de adherirse unas a otras. Para ello, las partículas son dotadas de propiedades electroestáticas que provocan que las impurezas se mantengan en suspensión hasta que son atrapadas por el filtro.
2. Aceite Sintético.
El aceite sintético hace que el lubricante que ha permanecido adherido a las piezas del motor durante más tiempo, permita el arranque con muy bajas temperaturas y en aviones que lleven tiempo sin operar.
Este aceite se degrada menos que el aceite mineral, por lo que es posible su utilización durante más tiempo.
Tiene el inconveniente de resblandecer la goma y los materiales relacionados con el caucho.
3. Aceite Semisintético.
Combinación de los anteriores.
Esta gradación está relacionada con una serie de características físicas y químicas que exigen a cada uno de ellos, tales como viscosidad, punto de inflamación, punto de fluidez. etc.
8.4.-Control de la temperatura y de la presión del aceite.
EI control de ambos parámetros se realiza mediante instrumentos de cabina. La temperatura del aceite se mide, normalmente, por medio de un sensor eléctrico colocado a la entrada del aceite en el motor.
El control de la presión de aceite, se efectúa a la salida de la bomba de aceite. Esta presión se mide en Libras por pulgada cuadrada ( psi ).
8.5.- Métodos de enfriamiento del aceite.
Parte del calor generado por la combustión es absorbido por el aceite, pero es necesario un sistema completo de refrigeración.
Normalmente el sistema de refrigeración de aceite consta de las siguientes partes:
Un radiador de aceite en el que el aceite cede calor al paso del aire fresco por el mismo.
Una válvula reguladora de flujo ( termostática ), que regule el caudal de aire en todo momento en función de la temperatura adquirida.
Una válvula limitadora de presión, para impedir el paso del aceite con muy baja temperatura.
Un sistema de regulación ( persianas o aletas ) del caudal de aire que incide sobre el radiador de aceite.
8.5. Reconocimiento del mal funcionamiento del sistema de enfriamiento del aceite.
Si se producen oscilaciones anormalmente altas o bajas en los indicadores de presión y temperatura del aceite, se puede producir un fallo en este sistema.
Hay que comprobar si las persianas del motor están abiertas, incrementar la velocidad y reducir la potencia del motor. Chequear Presiones y Temperaturas,
Si el fallo continua es recomendable aterrizar lo antes posible.
4. EL PISTÓN
4.1 Definición, funciones y partes.
El pistón es el órgano del motor de combustión interna alternativo que actúa de cierre móvil inferior de la cámara de combustión desplazándose por el interior del cilindro. Sus funciones fundamentales son:
