Capítulo 1. ¿Qué es un motor?
1. ¿Qué es un Motor? ... 2. Tipos de Motores ... 3. Diagrama de Motor ... 4. Fuerza Expansiva & Fuerza de Inercia ... 5. Motor Recíproco ... 6. Carreras de Admision & Escape ... 7. Carreras de Compresión & Combustión . 8. Estructura del Motor ... 9. Motor Diesel ... 10. Motor de Combustión Interna ... 11. Motor de Explosión pobre ...
Capítulo 2. Bloque de cilindros y componentes móviles 1. Bloque de cilindros ... 2. Cilindro ... 3. Camara de Agua ... 4. Pistón ... 5. Anillos de pistón ... 6. Biela ... 7. Eje Cigueñal ... 8. Cuerpo del cigueñal ... 9. Bancada ... 10. Volante ... 11. Eje de balanceo, balance para la fuerza
de inercia secundaria ...
Capítulo 3. Culata
1. Culata ... 2. Leva & eje de levas ... 3. Accionamiento del eje de levas ... 4. Válvulas de Admisión & Escape ... 5. Sistema de accionamiento de Válvulas .. 6. Sincronización de Válvulas ... 7. Sincronización Variable de Válvulas ... 8. Malfuncionamiento de válvula ... 9. Sobre revoluciones & Zona roja ...
Capítulo 4. Sistema de Admisión
1. Aumento de eficiencia volumétrica ... 2. Efecto de Inercia de Entrada & Efecto de pulsación ... 3. Sistema de Admisión Variable ... 4. Sistema de Admisión ... 5. Válvula de la mariposa & Multiple de Admisión ...
Capítulo 5. Sistema de escape
1. Sistema de Escape ... 2. Efecto de inercia de escape & Efecto de pulsacion ... 3. Componentes del gas de escape ... 4. Relación aire combustible & Componentes de escape ... 5. Sistema de Purificación de escape ... 6. Dispositivo de recirculación del gas de escape (Blow-by)...
Capítulo 6. Cargador
1. Tipos de cargadores ... 2. Turbocargador ... 3. Presión de refuerzo & Relación de Compresión ... 4. Turbo Lag ... 5. Sistema de sobrecarga & Calor ... 6. Supercargador...
Capítulo 7. Sistema de Lubricación
1. Función del aceite en el motor ... 2. Métodos de Lubricación ... 3. Componentes del sistema de lubricación 4. Aceite de Motor ...
Capítulo 8. Sistema de refrigeración
1. Sistema de refrigeración ... 2. Radiador... 3. Refrigeración de la culata ... 4. Sobrecalentamiento ...
Capítulo 9. Sistema de Combustible
1. Carburador ... 2. Sistema mecánico de Inyección de combustible. ... 3. Sistema electronico de inyección de combustible ... 4. Sistema de suministro de combustible ...
Capítulo 10. Sistema de encendido
1. Encendido tipo punto ... 2. Encendido total con transistor ... 3. Encendido sin distribuidor ... 4. Bujía ...
Capítulo 11. Combustión y cámara de combustión
1. Proceso de Combustión ... 2. Relación A/F & Velocidad de la llama ... 3. Tiempo de encendido ... 4. Efecto de turbulencia ... 5. Detonación ... 6. Combustión anormal ... 7. Forma de la cámara de combustión ... 8. Válvula de admisión-escape & Camara de combustión ... 9. Pistón & Cámara de combustión ...
Capítulo 12. Desempeño. Consumo de combustible, ruido y vibración.
1. Desempeño requerido ... 2. ¿Qué es Potencia? ... 3. Método de representación de Potencia .. 4. ¿Qué es el Torque? ... 5. Aumento de potencia ... 6. Potencia & Relación C/D ... 7. Potencia & Relación de Compresión ... 8. Incremento de potencia en altas rpm ... 9. Característica transiente & Respuesta ... 10. Disposición de cilindros & Rendimiento 11. Relación de consumo de combustible .. 12. Potencia & Eficiencia de combustible ... 13. Eficiencia de combustible del vehículo . 14. Vibración del motor ... 15. Ruidos en el motor ...
Capítulo 1.
¿Qué es un motor?
1. ¿Qué es un motor?
Este libro presenta el motor del automóvil especialmente el motor a gasolina.
Sin embargo, es muy difícil definir el motor, es decir, ¿qué es un motor? En conceptos generales, el motor es el mecanismo que convierte continuamente la energía de las fuentes naturales como el fuego, el viento o materiales eléctricos en energía. Hay muchos tipos de energía y ellas son conducidas de diferentes maneras.
Por lo tanto, podemos definir el motor a gasolina, como un tipo de mecanismo de combustión, en otras palabras, es el mecanismo que cambia el calor adquirido por la combustión de gasolina en fuerza mecánica para mover los vehículos.
¿Cómo el la energía del calor convertida en energía mecánica? Por ejemplo, una botella u olla. Cuando se calientan, la tapa se mueve con un sonido.
El calor adquirido desde el gas o la energía
eléctrica hace hervir el agua de modo que el vapor de agua levanta la tapa de la botella o la olla.
Hay una cosa importante. La fuerza de movimiento no proviene de la energía del calor, sino que del aire caliente o vapor por el trabajo del calor.
Estos medios son necesarios para el cambio de energía. Este medio es el fluido de trabajo en terminología tecnológica. El fluido para el trabajo del motor a gasolina es el aire que ingresa al motor y luego es convertido en combustión y escape.
El procedimiento para transformar el combustible en energía mecánica dentro del motor del vehículo sera explicado en las siguientes secciones.
En este proceso, el fluido de trabajo es el aire. Si no hay fluido de trabajo, la transformación de la energía no debería producirse.
Por el contrario, piense sobre la transformación de la energía mecánica en la energía de calor. En el vehículo, se representa con el sistema de frenos. El principio de calor es la fricción que proviene al frotar o friccionar los dos materiales. Podemos calentar nuestras manos, frotándolas, es decir, la fuerza de movimiento (frotación) puede transformarse fácilmente en energía calórica (manos calientes). Esta vez, no hay fluido de trabajo. La fuerza es cambiada por calor directamente.
Sin embargo, cuando la energía del calor es transformada en energía mecánica, debe existir un fluido de trabajo. Siendo el medio para la transformación de la energía, habrá mucha pérdida de calor que puede ser transformada en energía mecánica, la eficiencia, es un factor importante en el motor.
2. Tipos de motores
Hay muchos tipos de motores.
Los motores pueden ser clasificados por el número de cilindros, por la disposición de los cilindros o por la forma de instalación en el vehículo etc. Como usted sabe, el motor produce la fuerza de conducción por el movimiento recíproco del pistón dentro del cilindro de manera que la Potencia esta determinada por el número de cilindros.
Por lo tanto, el motor es clasificado principalmente por el número de cilindros. Los vehículos comerciales son clasificados en 2, 3, 4, 5, 6, 8, y 12 cilindros. Más cilindros implican mayor desplazamiento de volúmen. De acuerdo a la disposición, hay tres tipos incluyendo los de tipo en línea con disposición en serie, el tipo V con disposición en forma de V y el de tipo opuesto en el cual se enfrentan entre sí.
De acuerdo al tipo de instalación del motor, hay dos tipos, uno es a lo largo, y el otro a lo ancho. Cuando los motores están dispuestos a lo largo se llaman del tipo longitudinal, cuando los motores están a lo ancho de les llama transversales.
Combustible
Combustión
Generación de calor
Expansión del aire
Generación de presión
Tipo tranversal Tipo longitudinal Por ejemplo, el auto tipo FR que tiene el motor en la parte delantera y que dirige las ruedas traseras tiene el motor instalado en forma longitudinal. La razón es que el eje propulsor que transmite la fuerza del manejo a las ruedas traseras debe ser instalado por debajo del piso. En el caso del auto tipo FF, en autos más pequeños, tiene el motor en la parte delantera y dirige las ruedas delanteras, el motor es montado tranversal porque el eje de rotación del motor debe estar paralelo. Sin embargo, cuando el auto tipo FF tiene un motor de 6 cilindros, si el motor es en linea y esta instalado en dirección trancersal, entonces el ancho del auto es demasiado grande. Por lo tanto, en este caso, la mejor disposicon de motor para este tipo de instalacion el el de tipo V. De esta manera, considerados con el volumen de desplazamiento y el tipo de vehículos, el tipo de disposicion del motor y el tipo de instalación, se selecciona para una mejor combinación en el diseño.
3. Diagrama del Motor
FF: Motor delantero, tracción delantera FR: motor delantero tracción trasera MR: motor central, tracción trasera RR: Motor trasero, tracción trasera
Es posible suponer que el motor sera instalado
en la parte delantera del auto. Sin embargo todos los vehículos no tienen el motor en la parte delantera. En 1770, con el origen del auto, el motor de auto a vapor de Cugnot estaba colocado en el extremo delantero da la carroceria. En 1885, el primer auto equipado con motor a gasolina, el motor del auto Daimler estaba localizado debajo del asiento y delante del eje de las ruedas traseras.
En la historia, muchas investigaciones han sido realizadas para encontrar la mejor posición para instalar el motor. En 1891, el auto FR (motor delantero con traccion trasera) era frances. El tipo FR significa que el motor estaba instalado en el lado delantero y las ruedas delanteras eran las que traccionaban. Después de eso, el diagrama de este auto pasaría a ser el montaje de motor estandar. Hasta ahora, el auto de pasajeros más grande y los autos deportivos aceptan este tipo. La característica típica del auto tipo FR es que el motor esta delante de la cabina, el control de la dirección es en las ruedas delanteras y la traccion en las ruedas traseras de modo que la operación y la carga del peso están divididas igualmente entre el lado trasero y el lado delantero y la traccion del movimiento y la conveniencia del pasajero están balanceadas tanto como la vibración y el ruido que son menores que en otros tipos. En el diagrama de un auto relativamente pequeño, ha habido dos grandes desarrollos por cerca de cien años. El primero es el Volkswagen en 1936 teniendo el motor en el lado posterior para conducir las ruedas traseras.
Después de la Segunda Guerra Mundial, este tipo estaba liderando el diseño por todo el mundo en el flujo de autos de pasajeros de motor trasero de conducción trasera tipo (RR). El segundo es el Mini de Inglaterra en el año 1959. El Mini instalaba el motor delantero y tracción delantera tipo (FF) que tenía el motor a lo ancho en la parte delantera para la conducción de las ruedas delanteras. Hoy en
día, este tipo es aplicado tanto a los autos pequeños como a los sedanes de tamaño mediano.
El auto tipo FF tiene el motor y los mecanismos de conducción en la parte delantera de manera que no se debe aplicar al auto cuyo peso se concentra en el lado delantero. El problema con esto es que no es fácil guíar el auto. Sin embargo tiene el espacio interno y el maletero relativamente grande, y la seguridad es mayor comparada con otros tipos. Por lo tanto es el mejor diseño como disposición en autos utilitarios.
El tipo de conducción trasera y con el motor en el medio (MR) está enfocado en el rendimiento más que en la conveniencia del
pasajero de manera que es principalmente aplicado a los autos deportivos. Cuando las partes principales del motor están localizados en el lado delantero más que el tipo de rueda trasera, se llama del tipo de instalacion al medio. Cuando las partes principales son localizadas en el lado trasero, se le llama del tipo con el motor trasero.
Disposición del Motor & Características del Vehículo Item
Proyección Frontal Posición en la Cabina
Proyección Trasera Espacio para la Cabina
Altura desde el piso Espacio para el maletero
Distribución de Peso
Rendimiento del sistema
Aplicación de vehículos FF Largo Frontal pequeño Corto Ancho Bajo Ancho Frontal -Tendencia al Sub-viraje -Buena conducción en línea recta -Buena conducción en camino resbaladizo FR Largo Trasero pequeño Largo Medio Alto Medio Frontal pequeño -Dirección estable -Con tracción relativamente alta MR Corto Frontal Corto Pequeño Medio Pequeño Central -Buena capacidad de retorno -Con alta tracción
RR Corto Frontal Largo Medio Medio Pequeño Central -Alta tracción -Tendencia al sobre viraje
4. Fuerza de Expansión y Fuerza de Inercia Casi todos los motores a gasolina de los vehículos comerciales son motores recíprocos excepto el motor rotatorio en el cual el principio de trabajo es diferente. La palabra reciproco proviene de reciprocidad. La reciprococidad es el movimiento mecánico de ir y venir de manera que el motor recíproco es el mecanismo que transforma el movimiento recíproco en movimiento de rotación usando el giro el cual es el mecanismo que tiene forma prominente y hundida.
La vista de la sección transversal del motor reciproco muestra que hay un pistón recíproco que se mueve en el cilindro en la parte
superior, hay un cigueñal en la parte inferior, el pistón y el cigueñal están conectados por la biela.
El motor a gasolina usa el aire como medio de fluido de trabajo para transformar la energía calórica en energía mecánica. El aire es mezclado con la gasolina pulverizada en el cilindro. Cuando la mezcla de aire y gasolina son comprimidas usando el pistón y combustionados, entonces el gas presionará el pistón. La fuerza de expansión que presiona el pistón conducirá el pistón.
Esta vez, excepto por la fuerza de expansión, existe una fuerza de inercia la cual estamos considerando. Esta fuerza es más bien extraña porque se genera sin intención; sin embargo, esta fuerza es seguida en la parte móvil del motor en forma natural. Por lo tanto puede afectar al rendimiento del motor o puede ser la fuente de la vibración o ruido.
Considerando el movimiento recíproco del pistón, el pistón comienza a moverse desde el estado de detención en la posición más alta de la carrera, tiene la maxima velocidad en mitad de la carrera. Despues de eso la velocidad se reduce y se detiene en la posición más baja de la carrera y luego regresa a la posición más alta nuevamente. Durante el desarrollo de
estos movimientos, las fuerzas de inercia serán generadas cuando cambia la velocidad de los movimientos. Por ejemplo, desde la posición más alta del pistón hacia la mitad de la carrera, hay una fuerza de inercia ascendente, después hay una fuerza de inercia descendente desde la mitad de la carrera hacia la posición más baja del pistón. Cuando esta fuerza de inercia produce resonancia con las otras fuerzas de inercia desde los otros pistones, podría haber vibraciones o ruidos.
5. Motor recíproco
Los motores recíprocos son clasificados en dos tipos, el de 2 tiempos y el de 4 tiempos. Despues de haber sido desarrollado por Daimler de Alemania en 1883, el tipo de 4 tiempos, el cual completo su sistema estandar en 1900, es el más usado de los vehículos. El principio del motor recíproco es que la mezcla de aire y gasolina son inyectadas
dentro del cilindro, la mezcla es quemada usando la chispa eléctrica que provoca la combustion, la fuerza de la explosion conduce al pistón en movimiento recíproco, y el movimiento recíproco es cambiado al movimiento de rotación en el eje cigüeñal.
Funcionamiento del motor de 4 tiempos:
Cuando el pistón está en la posición más alta, la válvula de admisión se abre. Mientras el pistón esta bajando, la mezcla de aire y combustible se inyecta dentro del cilindro hasta que la válvula de admisión se cierra [Tiempo de Admisión]. En seguida, el pistón se moverá hacia arriba para comprimir la mezcla del gas [Tiempo de Compresión]. Luego, la mezcla comprimida de gas se quemará por el encendido eléctrico [Tiempo de Combustión]. El gas quemado que tiene alta presión y alta temperatura, presionará el pistón hacia abajo. En este momento, se abre la válvula de escape para expulsar el gas quemado [Tiempo de Escape]. Estos tiempos se repiten continuamente.
Entre estos 4 tiempos, sólo en el tiempo de combustión, el motor produce la energía para el trabajo. Por lo tanto, habrá necesidad de fuerzas adicionales, para ingresar y sacar el gas en el tiempo de admisión y de escape, y para comprimir la mezcla en la carrera de compresión. Para hacerlo se instala un volante en el eje cigüeñal para hacer que estas fuerzas adicionales usen la fuerza de inercia para asegurar el movimiento de rotación continuo.
El motor de 2 tiempos comprime durante las
dos carreras. Durante la operación este motor realiza los cuatro tiempos, admisión, compresión, combustión y escape como el motor de 4 tiempos, pero solo en dos carreras.
Compresión y Expansión
Escape y Admisión
Sin embargo, Antes y después de que el pistón este ubicado en la posición más alta, las
operaciones de compresión y de combustión son desarrolladas, antes y después de que el pistón esté ubicado en la posición más baja, la operación de escape y admisión se desarrollan al mismo tiempo. Por lo tanto, a través de dos tiempos, se realiza un ciclo de trabajo completo del motor. El motor de 4 tiempos ejecuta el tiempo de combustión en un tiempo por dos giros del eje cigüeñal, pero el motor de dos tiempos ejecuta la carrera de combustión en cada giro del eje cigüeñal. Por lo tanto, el de dos tiempos es más rápido.
Expulsión Gases
Adicionalmente, no tiene válvulas de admision y escape de manera que tiene una estructura simple y de bajo costo. Sin embargo, este mérito puede ser un defecto.
El gas de escape es expulsado por el ingreso de nuevas mezclas de gas cuando el pistón se localiza en la posición más baja. Por lo tanto, algunas nuevas mezclas se mezclarán y los gases de la combustión sin quemar serán expulsados. Produce contaminacion del aire y alto consumo de combustible.
6. Tiempos de Admisión & Escape
Este contenido se enfoca en la explicación del motor de gasolina de 4 tiempos, el tipo más usado.
Para comprender los 4 tiempos, admisión, compresión, combustión y escape, es útil referirse a los dibujos, el diagrama indicador (diagrama P-V) que muestra el proceso de las operaciones del motor.
Parece un poco complicado, pero es fácil entender solo mirando los dibujos.
El diagrama indicado es un gráfico que consiste en un eje horizontal que representa el volúmen de la cámara. Al extremo izquierdo del gráfico, C y F, el pistón esta localizado en la posición más alta del cilindro, y en los extremos derechos del gráfico, G y H, el pistón es localizado en la posición más baja del cilindro.
Comparando las líneas del gráfico con los cuatro tiempos, la línea de A-B es el tiempo de admisión, B-C es el tiempo de compresión, C-D es el tiempo de combustión y D-E es el tiempo de escape.
De hecho, el ciclo de las carreras o tiempos es comenzar por el tiempo de admisión. Para entender la operación del motor, es fácil empezar por el tiempo de escape. Para aspirar más aire como sea posible, el motor usa también la fuerza de la salida del gas de escape hacia el exterior del motor a través del puerto de escape.
La carrera de escape empuja el gas de la combustión hacia el exterior de la cámara de combustión por el movimiento del pistón desde la posición más baja hasta la posición más alta cuando se haya abierto la válvula de escape. En principio, se cree que la válvula de escape se abrirá cuando el pistón esté alcanzando la posición más baja.
Carrera de Escape
Sin embargo, realmente, la válvula de escape se abre antes de que el pistón alcance la posición más baja, es decir, en la posición D del dibujo. Permaneciendo la fuerza de presión del gas quemado, el escape del gas de la combustion es más efectivo abriendo la válvula de escape en avance. Después, el pistón empujará el resto del gas usado completamente para terminar la carrera de escape.
En la carrera de admisión, la válvula de admisión, se abre y el pistón baja desde la posición más alta hacia la posición más baja de modo que la mezcla de gas de combustible y el aire son aspirados hacia adentro del cilindro desde el puerto de admisión. Esta vez, la válvula de admisión se abrirá justo antes de que el pistón alcance la posición más alta, es decir, en E del dibujo. Haciéndolo de este
modo la operación se mejora en cierta forma porque la fuerza de escape del gas producto de la combustion succionará los gases de admisión.
Carrera de Admisión
De la misma manera, la válvula de admisión se cerrará cuando el pistón está en B. De esa forma, mayor cantidad de mezcla será aspirada en el cilindro por la fuerza de inercia del gas de admisión. La aspiración de aire hacia el interior del motor es realizada por la diferencia de la presión de aire. Cuando el pistón baja, la presión de aire en el cilindro es más baja que la presión externa al cilindro, de modo que el aire alrededor de la válvula de admisión será aspirado al cilindro. El tiempo de apertura de la válvula es diferente de la posición de la carrera para aspirar tanto aire como sea posible.
7. Tiempos de Compresión y Combustión En la carrera de compresión, las mezclas de gas son comprimidas por el pistón, de manera que la presión y temperatura se incrementan por la compresión adiabática. Por lo tanto, la gasolina es vaporizada por el calor comprimido del aire, listo para la combustión. La gasolina pulverizada inyectada en el cilindro con el aire es vaporizado en estado de gas por la compresión adiabática. Entonces está listo para ser quemado fácilmente. Este espacio para la combustión es llamado cámara de combustión.
La razón por la que es dificil arrancar el motor en invierno se debe a que es difícil que la gasolina se evapore. Para solucionar este problema, un método es mezclar más gasolina con aire. Otro problema es que; cuando la gasolina es vaporizada, el calor ambiental es usado para la vaporización, de manera que la temperatura de la cámara de algún modo disminuye. Puede decrecer la eficiencia de la combustión del motor. Para evitar que baje la eficiencia del motor, la cantidad de la gasolina se reduce. Sin embargo, al hacerlo así, la temperatura de la cámara es tan alta que la combustión puede ser desarrollada previa al encendido, de manera se la llama combustión anormal.
El hecho más importante de la carrera de admisión a la carrera de compresión es el flujo de las mezclas de gasolina y aire. No es adecuado que el flujo sea demasiado poderoso para ser encendido. Las pequeñas partículas de gasolina deben ser mezcladas con aire. Por lo tanto, hay muchas investigaciones de fabricantes y desarrollo de la forma del puerto de entrada y la proporción de las mezclas de manera que la fuerza y el modelo del flujo de mezcla son mantenidas hasta que la carrera de combustión consiga la mejor eficiencia del motor.
Carrera de Compresión
Cuando se produce la carrera de compresión, el pistón alcanza la posición más alta. Cuando el pistón está en C en el dibujo, El encendido se producirá por la chispa eléctrica generada en la bujía. El tiempo para producir la chispa es muy importante. La mezcla no se quema totalmente en el tiempo de encendido, pero la combustión comienza desde el encendido. Por lo que se necesita algún intervalo de tiempo entre el tiempo de encendido y el tiempo para la máxima presión de la cámara.
Carrera de Combustión
El tiempo de encendido es determinado considerando que la combustión se completará entre la posición más alta y la de la mitad de la cámara de combustión. Además, la velocidad de combustión es proporcional a la velocidad de rotación del motor de manera que el tiempo de encendido debería ser ajustado con la velocidad del motor.
Comenzando la combustión, las mezclas evaporizadas son quemadas en un breve tiempo por lo que la presión y la temperatura son incrementadas. En este tiempo el gas expandido por la combustión presionará al pistón. Esta fuerza de presión debería ser lo más fuerte posible. El periodo de tiempo de combustión es preferible que sea breve para fortalecer la fuerza. Si el periodo de tiempo para la combustión es más largo, entonces la fuerza de combustión no está llevando la presión al pistón sino que está siguiendo al pistón. Por lo tanto la eficiencia del motor es la peor. El periodo de tiempo combustión es afectado por el flujo las mezclas definidas por el tamaño y forma de la cámara de combustión y el componente de la mezcla y así sucesivamente.
8. Estructura del Motor
El motor a gasolina es una máquina complicada que comprende distintas partes. Miremos como está estructurado el motor. El motor es similar a un edificio de tres pisos. El primer piso es el carter de aceite que incluye el eje cigüeñal, este transforma el movimiento recíproco en movimiento giratorio. El segundo piso es el bloque de cilindros que incluye el cilindro en el cual un pistón se está moviendo con movimiento recíproco. El tercer piso es la
culata de cilindros.
En esta estructura, los componentes que se mueven en la primera y segunda parte se les llamana partes móviles, estas incluye el pistón, el eje cigüeñal y la biela.
En la tercera parte, hay válvulas que controlan la admisión y escape de los gases de admisión y escape, y el eje de levas que acciona las válvulas. Estos se llaman el sistema de la
culata.
Sobre la culata, está el multiple de admisión que envia gasolina y aire al cilindro y el múltiple de escape que saca el gas quemado. Estos son llamados el sistema de admisión –
escape. El múltiple consta de “Many” y de
“Fold”, es decir mucho materiales combinados. En realidad, hay muchos tubos de cañerías que distribuyen el aire y la gasolina hacia cada cilindro o que juntan los gases de escape en un solo lugar.
Está el sistema de combustible que incluye la bomba de combustible que toma la gasolina desde el estanque de combustible hacia el carburador o inyector de combustible para hacer la mezcla aire combustible.
Está el sistema de lubricación que incluye la bomba de lubricante que suministra el aceite para reducir las fricciones y el filtro de aceite para filtrar el aceite.
También está el sistema de refrigeración que incluye el radiador y la bomba de agua para mantener la temperatura del motor en forma adecuada.
Para el funcionamiento del motor, se necesita la energía eléctrica. Hay dispositivos
eléctricos que incluyen el encendido de la
bujía, el alternador que genera la energía eléctrica y el motor de partida que suministra el movimiento inicial al motor.
Además, están los sistemas auxiliares tales como la bomba de aceite para la dirección hidráulica, el compresor de aire acondicionado,
etc.
9. Motor Diesel
El motor diesel tiene forma y estructura similar al motor a gasolina. El punto diferente es el método de encendido. El motor a gasolina enciende la mezcla de combustible con la chispa eléctrica. Por el contrario, en el motor diesel el combustible es inyectado dentro del aire comprimido que tiene alta temperatura. Cuando el aire es comprimido, la temperatura del aire es incrementada. El motor a gasolina comprime la mezcla de gas de combustible hasta 1/10 del volumen inicial.
El motor diesel comprime aire alrededor de 1/20 del volumen inicial para aumentar la temperatura del aire sobre 600℃, e inyecta el combustible comprimido con más de 100 atmosferas a través de la bomba de inyección durante 1 a 2 ms. La potencia será controlada por la cantidad de mezcla de aire combustible inyectada para el motor a gasolina. Por otro lado, la potencia del motor diesel puede ser controlada por la cantidad combustible inyectado sin controlar el aire (cantidad fija de aire).
Para quemar el combustible perfectamente aumentando la temperatura del aire, la relación de compresión aumentará. Sin embargo, al hacerlo así, el poder de expansión aumentará también. Por lo tanto, el motor debería ser más robusto para soportar el aumento de la fuerza. Además, es necesaria una alta calidad de combustible para ser inyectado por la bomba. Entonces el motor es más pesado y el costo es más alto. De modo que el motor diesel no es el más adecuado para aplicar al auto de pasajeros.
En el motor diesel, debido a que la cantidad de volumen de aire aspirado es constante, la carga que se aplica al motor es relativamente
liviana. Cuando la cantidad de combustible es pequeña a baja velocidad, el combustible sera quemado casi perfectamente. Sin embargo, con mayor carga, el motor diesel necesita más cantidad de combustible de manera que la cantidad de aire es respectivamente pequeña. Por lo tanto, puede escapar un poco de humo negro.
En el motor a gasolina, el encendido es ejecutado por la chispa eléctrica de manera que el período de tiempo de la combustión es muy corto. Sin embargo, en el motor diesel, el combustible diesel es rociado dentro del aire comprimido, de manera que necesita algún periodo de tiempo para ser evaporizado. Por lo tanto, la velocidad máxima del motor está limitada a ser relativamente más baja y la respuesta será más baja que en el motor a gasolina.
Comparado con el motor a gasolina, las fuerzas de expansión y de inercia de las partes móviles son mayores de modo que hay ruido más alto y más vibración. Tiene la ventaja de fácil mantención por no tener partes delicadas tales como el sistema de encendido y la buena eficiencia del combustible de manera que es usado para propósitos comerciales o de negocios más que para autos de pasajeros.
10. Motor de Combustión Interna
La fuerza del motor a gasolina de 4 tiempos, como el de combustión interna, cambia de acuerdo a las rpm (Revoluciones por minuto) del motor comparado con el motor eléctrico o el motor a vapor. De manera que, es imposible conducir con revoluciones más bajas que cierto valor específico. Por lo tanto, se deben incorporar el embrague y la transmisión cuando el motor a gasolina es utilizado en vehículos.
Para el motor de 4 tiempos, usando las 4 carreras, la fuerza del movimiento se produce quemando la mezcla de aire y combustible en el cilindro. Es muy diferente con el motor
eléctrico usado en vehículos eléctricos que pueden arrancar sólo aplicando la energía eléctrica. Si las mezclas no se suministran al cilindro en condición de ralentí, el motor no puede continuar funcionando. Para que el motor pueda estar funcionando continuamente cuando el vehículo está detenido, el mecanismo para conectar o desconectar la fuerza del movimiento del motor, por lo que debe incorporar un sistema de embrague. En general, los vehículos necesitan más potencia cuando es arrancado o acelerado, pero cuando se maneja a velocidad constante, no necesitan mayor energía. Para el motor eléctrico, hay potencia cuando gira a bajas rpm, y cuando las rpm aumentan, la salida podría ser más baja. Por lo tanto, el motor eléctrico puede ser aplicado en vehículos sin ningún mecanismo de transmisión.
Sin embargo, para el motor gasolina, la energía es determinada de acuerdo a las rpm del motor. El rango de rpm esta limitado dentro de ciertos rangos. Por ejemplo, las rpm del motor a gasolina estan alrededor de 700∼7000 revoluciones por minuto, y las rpm para obtener la máxima fuerza (torque) esta alrededor de 4000 revoluciones. Por lo tanto, cuando los vehículos están funcionando dentro de varios rangos de velocidades, es necesario controlar la velocidad incorporando la transmisión entre el motor y las ruedas. A simple vista el motor puede ser la mejor máquina para los vehículos. El factor importante es el combustible, la fuente de energía. La gasolina es fácil de guardar durante la operación del motor, pero es difícil para el motor almacenar energía eléctrica efectivamente.
Para desarrollar los vehículos eléctricos, es esencial desarrollar baterías que tengan alta eficiencia para cargar y mantener cargadas las baterías. Muchas compañías están tratando de desarrollar el método para mantener baterías recargables. Aún cuando el
rendimiento básico ha sido probado en laboratorios, el costo de fabricación es muy alto. Sin embargo se han sugerido algunas patentes y tecnologías para utilizarlas.
11. Motor de combustión pobre
El sistema de purificación de escape usando los catalíticos de 3 vías tiene la característica de mantener la relación real de aire combustible ideal para desarrollar la oxidación y reducción de los componentes peligrosos simultáneamente. Para hacerlo así, la purificación del gas de escape será limitada, y la cantidad de combustible usado para el motor es decidida por el estado de conducción del motor. Por lo tanto, el motor no puede ser desarrollado para obtener más fuerza de conducción con menos cantidad de combustible.
El sistema de combustión limpia es desarrollado para fortalecer la eficiencia de combustible con buena purificación del gas de escape. Fortalecer la eficiencia es más importante para el futuro. El motor de combustión limpia es una de las tecnologías públicas más atractivas.
Con relación A/F alta, se reduce la gasolina en la mezcla, al igual que los tres elementos más dañinos, monóxido de carbono, hidrocarburos y oxido nitroso. El oxigeno es más usado que el combustible, de manera que la cantidad de monóxido de carbono será menor o la mayor parte del monóxido de carbono será transformado en dióxido de carbono, gas que no es peligroso. El hidrocarburo también se quemará completamente y transformado en dióxido de carbono y agua. Ahora
consideraremos solo el último, el oxido de nitroso. Si la relación A/F es alta, entonces la temperatura aumentará por la cantidad de oxigeno y la cantidad del oxido nitroso aumentará. Con una relación de aire combustible de alrededor de 16, se maximizará el óxido nitroso. Si la relación A/F es más alta que 16, entonces la temperatura de combustión bajará de modo que el torque también bajará. Si la relación A/F es más y más alta, la combustión no es estable, y el torque es muy inestable, finalmente la combustión no se realizará.
Los fabricantes estan enfocados en las variaciones del torque de acuerdo con la combustión limpia. Adaptando un sensor de presión de combustión que detecta la presión de combustible en el cilindro, el motor es operado con la relación A/F justo antes de se produzca la variación de torque. Por lo tanto, ellos pueden hacer la próxima generación de motores de combustion limpia con bajo consumo de combustible y menos cantidad de oxido nitroso. En ese sistema, la combustión limpia es desarrollada en condiciones en las cuales la conducción no está obstaculizada por un torque bajo con baja carga. Cuando el vehículo está acelerando o con alta carga, la combustión se produce con la relación teórica de A/F y el gas de escape es purificado por el catalizador de 3 vías. Muchos fabricantes continúan investigando para fortalecer el consumo de combustible enfocándose en el sistema de admisión y la cámara de combustión con una relación de A/F de 16∼20. Muchos motores nuevos que satisfacen este requisito de combustión y que tienen menos problemas de gas de escape se están mostrando gradualmente.
Capítulo 2.
Bloque de Cilindros & Partes
Móviles
1. Bloque de cilindros
El bloque de cilindros es la pieza básica del motor. Está fabricado de hierro forjado o aluminio. Comprende el cilindro en el cual el pistón se estará moviendo recíprocamente, la camisa de agua para la circulación del agua de refrigeración manteniendo la temperatura del cilindro, y el eje cigüeñal instalado en la parte baja.
El rol del cilindro es guiar el movimiento recíproco del pistón soportando la fuerza y la alta temperatura de la combustión de las mezclas, para enfriar apropiadamente el cilindro y para soportar el eje cigüeñal. Como base del motor, debería tener suficiente fuerza para soportar todas las piezas instaladas en el motor.
Con estos propósitos, el cilindro es fabricado generalmente de hierro forjado porque el hierro es fácil de ser procesado mecánicamente y tiene la característica de buena resistencia contra al desgaste y la corrosión.
Recientemente, en vez del hierro forjado, la aleación de aluminio es más conocida. El aluminio es más liviano y disipa el calor con más facilidad que el acero, por lo que es
considerado como el material ideal para el motor. No es fácil aplicar el aluminio al motor porque tiene diferente coeficiente expansión al calor que el acero, se utiliza como material principal de las otras piezas, pero es complicado para diseñar las estructuras del motor. Además es más caro que el acero. Para los autos de pasajeros, el peso del motor es alrededor de 10∼15% del peso total del auto. El 15∼20% del peso del motor proviene del bloque de cilindros. Es importante que sea liviano manteniendo la resistencia tanto como sea posible. Por lo tanto el esqueleto de la estructura del bloque de cilindros tiene distintos espesores, es decir, el espesor es mayor en la parte donde se aplica más fuerza pesada o tiene mayor posibilidad de deformación y el espesor es el menor de las otras piezas. Para diseñar el bloque de cilindros que considera estos factores, el análisis de la estructura es desarrollada por el método de elemento finito en el cual el motor es dividido en celdas rectangulares o triangulares y que cada elemento es establecido en ecuaciones simultáneas para calcular por análisis numérico usando el computador.
En el lado del bloque de cilindros, debería haber una camisa de agua para la circulación del agua de refrigeración de modo que debe ser cuidadosamente fabricada por lo complicado de la estructura. Para evitar que se quiebre en el punto de cuello de botella de diferente espesor o para fortalecer la resistencia contra el desgaste. Debería ser tratado con calor.
2. Camisa de cilindros
El muro interno del bloque de cilindros es la cara de fricción con el pistón con aceite lubricante entre ambos. Por lo tanto, satisface los requisitos estrictos de endurecimiento a alta temperatura y de desgaste, los cambios de dimensión por el coeficiente de expansión
de calor estarán dentro de la tolerancia, y que no será adhesiva con otra por la alta temperatura.
Generalmente cuando el material del bloque es el acero, esta pieza es hecha puliendo el cilindro de hierro forjado, llamándose del tipo sin camisa. Cuando el material del bloque es de aluminio forjado, la pared interior del cilindro que tiene una camisa hecha de hierro forjado para evitar el desgaste de la pared lateral. La camisa es lo que está adherido dentro del cilindro. La camisa del cilindro puede ser fabricado junto con el bloque de cilindros o en forma separada y unidos después con el cilindro.
Para el bloque de cilindros de aluminio, se usa el hierro forjado. Es más pesado que la aleación de aluminio a la vez que tiene la relación de transmisión de calor más baja que el aluminio. Por lo tanto, para el motor de carrera o para altas exigencias, se fabrica una camisa especial de aleación de silicio especial basada en el aluminio o se utiliza un tratamiento especial sobre las superficies aluminio.
Estas camisas especiales son caras y difíciles de fabricar. Además existen algunas pruebas para desarrollar en el cilindro sin camisa con el bloque de cilindros de aleación de aluminio. Aun cuando el cilindro sin camisa es más caro, el motor puede ser más barato y compacto de manera que es principalmente aceptado por los motores de alto rendimiento.
La holgura entre la camisa del cilindro y el pistón dependen del material. Cuando la camisa es de hierro forjado y el pistón es de aluminio, considerando que la proporción de
expansión del calor del aluminio es casi el doble de la del acero de manera que la holgura se reducirá a alta temperatura del motor, la holgura será de 30∼40 micras (0.03∼0.04mm) a temperatura ambiente. Si la camisa y el pistón son de aluminio, entonces la holgura será de 10 micras porque no hay diferencia de la expansión de calor entre ellos. El entorno de la camisa del cilindro está formado como un paso para el agua para refrigeración, cámara de agua, para mantener la temperatura del motor en un valor determinado absorbiendo la energía calórica que proviene de la energía remanente de la combustión.
3. Cámara de Agua
Cuando se forja el motor, el cilindro es rodeado por el núcleo hecho de arena para formar espacios vacíos. Estos espacios son las cámaras de agua para dejar circular el agua refrigerante y bajar la temperatura de la culata y el cilindro a una adecuada temperatura de operación. El agua que circula en el interior de la cámara de agua va hacia el motor desde el puerto de salida del radiador enfriando el agua caliente. El agua fluye desde la parte inferior del motor hacia la parte superior del motor. Después de enfriarse la culata, el agua caliente es sacada desde el motor y va hacia el puerto de entrada superior del radiador. Durante la circulación dentro de la cámara de agua, es importante enfriar a cada cilindro de igual forma. El diseño de la cámara de agua es enfocado sobre el método de flujo para esparcir el agua ligeramente sobre todas las piezas con el menor volumen de agua posible. El agua caliente es enfriada en el radiador y entonces regresa a la cámara de agua de nuevo. En invierno, el agua caliente selectivamente fluye adentro de otro radiador para calentar el habitáculo de pasajeros.
Generalmente, la cámara de agua está rodeando completamente al cilindro. Para reducir la longitud del paso a lo largo de la disposición del cilindro, la cámara de agua está rodeando el lado exterior del cilindro de manera que el agua no fluye en el espacio adyacente a los cilindros. Este tipo se conoce como el tipo de los siameses, algunas porciones de la camisa que rodean cada cilindro son sumergidas en un solo cuerpo. La camisa convencional es llamada la del tipo de camisa completa.
Para los motores que tienen una camisa, es dividido en dos tipos ya sea que el agua esté en contacto o no con la camisa. Cuando la camisa del cilindro es rodeado por la pared del bloque de cilindros de modo que la parte externa de la camisa no puede encontrarse con el agua de refrigeración, se le llama tipo de camisa seca. Cuando la mayoría de las porciones de la camisa se contacta con el agua fría directamente, se le llama del tipo humeda.
La camisa del tipo humeda tiene mejor rendimiento de enfriamiento. Debe estar sellado con un o’ring entre la camisa y el bloque para evitar la fuga de agua fría. En KIA, la mayoría de los motores que tienen camisas, son del tipo secas porque la KIA no tiene problemas que provengan del calor adhesivo del motor, no obstante nos preocupamos de la pérdida de agua enfriada.
4. Pistón
El pistón se mueve dentro del cilindro recíprocamente y transmite una fuerza de 3~4 toneladas (5 toneladas para el motor diesel) de acuerdo con la combustión de la mezcla de combustible la que tiene una temperatura de 2000°C en la carrera de combustión hacia la biela. Lo primero que debe considerarse en el diseño del pistón es que éste debe fabricarse de materiales livianos para reducir la fuerza de inercia del movimiento recíproco. El próximo punto es que su material debe tener la fuerza necesaria para resistir la fuerza de combustión. Y luego el material del pistón deberá tener buena captación del calor y no deformarse por la alta temperatura.
Al principio, el aluminio o la aleación del aluminio pueden considerarse para alivianar y
fortalecer. Entonces, para fortalecer la resistencia al calor y para evitar que cambie de dimensión, el tratamiento del calor debe ser realizado.
La parte superior del pistón es llamada la cabeza del pistón o corona del pistón. Es una parte muy importante que forma la cámara de combustión con la culata. Para fortalecer la eficiencia de la combustión de la mezcla de combustible instantáneamente, la forma de la cabeza del pistón debe ser plana. Para mejorar la relación de compresión, la mitad de la porción debe estar levantada o hay algunas posiciones de partes rebajadas, el fresado para las válvulas de admisión y de escape es para evitar tocar el pistón. La porción inferior del pistón es el faldón que estabiliza el movimiento recíproco del pistón. Algunas porciones delanteras del faldón parecen cortadas debido al peso para balanceo que pasa por estas áreas cuando el pistón baja. Hay una holgura entre el pistón y el cilindro. Esta holgura se sella con el anillo del pistón. Cuando el pistón se mueve en forma recíproca algunas partes del faldón pueden tocar la pared del cilindro. Para reducir este contacto, la forma del faldón debe ser cambiada. La longitud más corta del faldón tiene menos ruidos de fricción con el pistón y con menor peso. Sin embargo, es preferible que al diseñar el faldón esté balanceado con el tamaño del pistón
El pistón está conectado a la biela con el pasador de pistón. De manera que las fuerzas más grandes son aplicadas a este pasador. Como el pasador de pistón tiene estructura de un hueco cilíndrico, el diámetro externo más grande, del mismo peso, es la mayor presión contra la fuerza de deformación. Sin embargo, cuando el diámetro del pasador de pistón es agrandado, la cabeza del pasador de pistón también debe agrandarse. Por lo tanto, la altura de compresión, la longitud desde el pasador hacia la cabeza del pistón, también es alargada de manera que el peso del motor es
mayor. Así, el diámetro debería ser diseñado considerando el balance con el tamaño del pistón
5. Anillos de pistón
Las principales funciones del anillo del pistón, la rueda de acero que rodea parte de la cabeza del pistón, son evitar la pérdida de gas a través del sellado entre el pistón y el cilindro, para evitar que queden restos del aceite lubricante en la cámara de combustión cuando el aceite baja por las paredes del cilindro y para evitar que se transmita el calor del pistón al cilindro.
Generalmente el pistón consta de tres anillos. Los dos anillos que están cerca de la cabeza son llamados anillos de compresión. El anillo que está cerca del faldón es retén. El anillo superior de los anillos de compresión es usado para sellar el gas, el retén es usado para remover el aceite lubricante, y el segundo anillo de los anillos de comprensión es usado para sellar y controlar el espesor de la película de aceite lubricante.
Algunos pistones tienen dos anillos, el anillo de compresión y el anillo de aceite. En este caso, los roles de los anillos son de alguna forma perdidos, pero la eficiencia puede ser fortalecida reduciendo la pérdida de fuerza de fricción entre el anillo del pistón y la pared del cilindro. Algunos autos de carrera aceptan el sistema de dos anillos para acortar la altura del
pistón y reducir el peso del motor.
El anillo de compresión está hecho de acero de resorte con hierro forjado y la superficie debe ser tratada con calor para reducir la fricción y fortalecer la lubricación del pistón. Para insertar el anillo en la porción con muesca y asegurar la fuerza de tensión para la compresión del cilindro, una porción del anillo debe estar abierta. Esta porción abierta se llama espacio del extremo. El gas quemado tiene un poco de perdida a través de este espacio. El gas perdido es regresado a la cámara de combustión por el sistema Blow-by evitando las perdidas.
La porción con ranura del pistón para los anillos de compresión es ligeramente más grande que el ancho de los anillos. Cuando el pistón se mueve hacia arriba o hacia abajo, los anillos están rotando para evitar que el espacio del extremo de los tres anillos se alinien. Si los anillos no tienen no tienen tensión suficiente, los anillos se agitan dentro de las ranuras a alta velocidad del motor de manera que no puede sellarse el gas apropiadamente.
La sección transversal del retén tiene forma de una C invertida. Los aceites que se juntan en los anillos son devueltos hacia el interior del pistón a través del orificio localizado en la parte inferior del anillo en forma de “C” invertida. Cuando el motor tiene alta velocidad, el anillo no puede juntar el aceite solamente con la fuerza de tensión, entonces un resorte adicional, el expansor, deberá ser conectado para reforzar la fuerza de compresión del anillo hacia el cilindro.
6. Biela
La biela es la pieza que conecta el pistón y eje cigüeñal. Transfiere el movimiento recíproco en movimiento de rotación. La biela se mueve en forma muy compleja con movimiento de balanceo sobre el pasador del pistón y el movimiento lineal hacia arriba y hacia abajo. De manera que se produce el peso de balanceo para controlar la fuerza de inercia generada por movimientos complicados.
La relación de contribución del peso de la biela a la fuerza de inercia es alrededor de 2 a 1 en movimiento recíproco. Para alivianar la carga al cojinete y la vibración reduciendo la fuerza de inercia, la biela debe ser lo más liviana posible. Sin embargo, debe tener la fuerza suficiente para transmitir la fuerza de combustión al eje cigüeñal.
La biela esta fabricada de acero especial forjado o fundido. El forjado es preferentemente usado para asegurar la fuerza. Para los autos de carrera, se utilizan de aleación de titanio, el que es liviano y muy resistente pero con alto costo.
Las bielas pueden ser divididas en dos tipos de acuerdo a la forma seccional transversal del vástago: el tipo I y el tipo H.
Si la fuerza es la misma, entonces el tipo I es más liviano que el tipo H. Por lo tanto los autos comunes aceptan el tipo I. El tipo H tiene estructura más poderosa contra la fuerza de deformación hacia la dirección del eje del pasador.
Como la biela es más larga, la vibración lateral es menor. La razón es que; considerando la fuerza aplicada al pistón en la rotación del cigüeñal dividida en dirección lateral y longitudinal, la biela más larga puede reducir la relación de la fuerza a la dirección lateral que la biela más corta de manera que la vibración y la fricción también se pueden reducir. Sin embargo, si la biela es demasiado larga, el peso del motor es mayor de modo que no se prefiere. Generalmente la longitud desde el centro del pasador del pistón al pasador del cigüeñal, es alrededor de dos veces la longitud del la carrera.
La porción del extremo de la biela en el lado del pistón es llamado el extremo pequeño, y la porción del extremo en el lado del cigüeñal se le llama el extremo grande. El extremo pequeño es conectado al pistón con el pasador del pistón, y el grande es conectado a la muñequilla del cigüeñal insertando el cojinete.
7. El eje cigüeñal
El cigüeñal transforma el movimiento recíproco en movimiento rotacional como se ha mencionado hasta ahora. En los primeros tiempos de la historia del vehículo, el motor se arrancaba con una manivela. Después el motor eléctrico fue usado para dar partida al motor, hasta los años 50 algunos autos tenían una manivela en la parte delantera del motor como mecanismo de emergencia en caso de mal funcionamiento del motor.
El eje cigüeñal conecta cada manivela con cada cilindro. El apoyo del eje principal se llama bancada del cigüeñal y la parte que conecta al extremo grande de la biela se llama muñequilla del cigüeñal. Por otra parte, la conexión del extremo pequeño de la biela con el pistón es llamada pasador de pistón. La conexión que une la bancada del cigüeñal y la muñequilla de cigüeñal se llama brazo del cigüeñal. El sector formado por el péndulo en la parte delantera del brazo del cigüeñal se llama el peso del balanceo o peso de equilibrio.
La razón de la forma del peso de balanceo extendiéndose desde el centro (raíz) hacia la porción circunferencial (porción externa) es que puede tener más fuerza de inercia cuando gira sobre la parte de la raíz; aún cuando el peso de balanceo tiene la misma densidad de peso. En el motor recíproco, el pistón presiona la bancada del cigüeñal con la biela en la carrera de combustión. El eje cigüeñal es afectado por el efecto de doblado y la fuerza de distorsión. Por lo tanto, la bancada del cigüeñal tendrá la fuerza suficiente para resistir estas fuerzas por lo que está fabricado de acero forjado. Para los motores de alto rendimiento en los autos de carrera, el acero forjado se usa más para resistir la fuerza. Para el vehículo general o de propósitos comerciales, el acero fundido es usado debido a que el proceso de forjado es más caro. Aún cuando el acero fundido resiste menos fuerza que el acero forjado, no es un punto tan crítico porque es posible fabricar el peso de balaceo en forma precisa.
El peso de balanceo equilibra las fuerzas entre el movimiento recíproco del pistón y el movimiento de rotación del cigüeñal. Simplemente piense, balancear el peso es hacer coincidir las fuerzas de inercia del pistón y el peso de balanceo en relación de 1:1. El peso de balanceo debería ser pequeño en lo posible dentro de los requerimientos de rango de carga de la bancada para reducir el peso del cigüeñal.
8. Cuerpo del cigüeñal
El cuerpo del cigüeñal es la parte que cubre desde el cilindro en el bloque hasta el eje cigüeñal.
En el cuerpo del cigüeñal, hay varios mecanismos auxiliares tales como el alternador (generador de corriente alterna), para producir energía eléctrica, el compresor de aire acondicionado y la bomba de aceite para la dirección hidráulica Y los soportes del montaje del motor que sostienen el motor al chasís del vehículo también están conectados al cuerpo del cigüeñal. Como la caja del cigüeñal es parte del bloque de cilindros, siempre vibra por el movimiento recíproco del pistón y el movimiento del eje cigüeñal. Por lo tanto, el material del eje cigüeñal debería satisfacer los requisitos de la resistencia contra la fuerza de choque y la vibración. Los tipos de caja de cigüeñales están divididos en dos tipos de acuerdo al rango de cubierta sobre el eje cigüeñal, el de tipo medio faldón y el de tipo faldón profundo Y los soportes del montaje del motor que sostienen el motor al chasís del vehículo también están conectados al cuerpo del cigüeñal. En el tipo faldón profundo, la caja del cigüeñal cubre la tapa de cojinete.
Debido a que el tipo de medio faldón tiene una longitud corta, es posible que el bloque sea
liviano. Sin embargo, la fuerza conjunta será más débil que el tipo de faldón profundo, porque el área que se une es pequeña cuando la transmisión es conectada al motor. Es fácil de que se produzca algunas vibraciones de modo que es necesario ser apoyado por los soportes. Además, el espacio para adjuntar los dispositivos auxiliares será más pequeño. Para asegurar el cigüeñal al bloque de cilindros y reforzar la fuerza del bloque, un dispositivo de apoyo podría ser formado con el cojinete del cigüeñal en la parte inferior del cárter del motor. Según el tipo de dispositivo, están el tipo estructura de escala y el tipo de viga de cojinete.
En la parte inferior del bloque de cilindros, existe también un depósito de aceite. Este es para juntar el aceite, completando el rol de lubricación y refrigeración. Está fabricado de una hoja de acero prensada y está conectada por una cubierta de caucho como la cubierta superior. Es fácil que el depósito de aceite haga ruidos de modo que está fabricado con una placa hecha de acero resistente a la vibración. La placa de acero está fabricada para insertar una placa de resina entre las dos placas de acero para evitar que vibre.
9. Cojinetes (Cojinete principal)
El cojinete ayuda a la rotación suave del eje y soporta al eje de rotación. Hay varios tipos de
cojinetes, incluyendo el cojinete plano que sostiene el eje con el lado más ancho y plano, y el cojinete de bolas o rodillos. Generalmente, para el cigüeñal del motor, es más usado el cojinete plano.
La razón por la cual el tipo de cojinete de rodillos no es aplicado al cigüeñal es que la carga puede ser concentrada en los puntos de contacto de la bola o el rodillo en un punto o línea fija. En el cojinete plano la carga es aplicada sobre el lado lubricado, el área de contacto es más grande que el cojinete de rodillo o de bola de modo que el cojinete plano puede soportar mayores fuerzas.
El cojinete liso también se le denomina como cojinete de deslizamiento, el eje se desliza sobre el cojinete con el aceite lubricante. Incluso si se le aplica con mucho cuidado y con precisión a la superficie del cuerpo sólido de metal, una capa de superficie lisa de todas formas tendría cierta aspereza. Por lo tanto, cuando los dos cuerpos sólidos se ponen en contacto directamente, ellos deberían desgastarse.
El aceite lubricante que ingresa entre el cojinete liso y el eje puede convertir la superficie rugosa de estos dos cuerpos sólidos en una superficie suave. Los dos cuerpos sólidos no se contactan directamente aún cuando estén conectados.
El espesor de la película de aceite, es decir el espacio con el cojinete, es cambiado por la carga o la expansión de calor. Cuando es muy pequeño, se le puede adherir calor de fricción. De otra manera, cuando es muy grande, puede producir vibraciones y ruido.
El cojinete es fabricado soldando la aleación que tiene poco peso y buena resistencia a la fatiga, como son el cobre o el aluminio, sobre la superficie con una base especial de metal como el plomo. El cojinete tiene agujeros y un
surco de aceite para suministrar el aceite lubricante y lubricar la porción de contacto entre la biela y la bancada del cigüeñal y entre el cigüeñal y el cárter del motor. El cojinete de manivela, el eje rotatorio del cigüeñal, es conectado a la parte inferior del bloque de cilindros por la tapa del cojinete con el cojinete liso. Para el motor en serie, este cojinete debería estar conectado en el lado delantero y el lado trasero del cilindro. Si es de 4 cilindros, tiene 5 cojinetes y si es de 6 cilindros, tiene 7 cojinetes, es decir, es llamado de 5 cojinetes y de 7 cojinetes respectivamente. Ciertos motores de modelos antiguos podrían tener la estructura de 3 cojinetes. Este tipo no es usado porque es fácil que se doble el cigüeñal y también porque produce vibraciones.
10. Volante
El volante está incorporado en el lado de la transmisión del cigüeñal para mantener la rotación pareja usando la fuerza de inercia y reduciendo la irregularidad de la fuerza rotatoria. El cigüeñal gira dos veces por cada tiempo de combustión. En las otras carreras, la fuerza invertida direccional será necesaria para la compresión, la admisión y el escape. Si no hay volante, entonces la fuerza rotatoria del cigüeñal se reduce en estas carreras. Por lo tanto, cuando los intervalos de cada carrera de combustión sean largos como los del estado de ralentí, el motor podría detenerse. Alrededor del volante se instala una corona dentada para hacer girar el cigüeñal a traves del piñon del motor de arranque. El disco de embrague puede conectarse al lado plano del volante mediante una placa para transmitir la fuerza motriz a la transmisión.
La magnitud del torque de rotación es calculada multiplicando la magnitud de la fuerza por la distancia entre el centro del eje al punto en el cual la fuerza es aplicada. La magnitud de la fuerza es proporcional a la masa de inercia de modo que si el volante es pesado y el diámetro externo es grande, o si la parte externa es pesada, entonces la fuerza del volante podría ser grande.
En el motor convencional, la mitad de la masa de inercia total es distribuida en el volante. Por lo tanto, cuando la rotación del motor es baja o cuando el motor convencional está en estado de ralentí, la masa de inercia del volante debe ser grande para hacer girar el motor regularmente. Sin embargo, con la masa de inercia grande del volante, la rotación del motor no puede cambiarse fácilmente. Es difícil aumentar la rotación del motor presionando el acelerador, o frenar el giro del motor soltando el acelerador. Es decir la respuesta de motor será deficiente. De manera que la eficiencia del combustible también será la peor.
Algunos motores usan el 30% de torque generado por el motor para aumentar la rotación del motor mismo, cuando se acelera en un cambio de baja velocidad. El tamaño y el peso del volante son decididos según el propósito del vehículo. Por ejemplo, el motor para el auto de carrera usa uno de tamaño pequeño, y él auto para la familia usa uno de tamaño grande. Para objetivos generales, el volante está fabricado de hierro fundido, y para objetivos especiales como el auto de carrera, está fabricado con cortes en el material de
acero que tiene más fuerza.
11. Eje de equilibrio o compensador para la fuerza de inercia secundaria
El pistón, la biela y el cigueñal producen la fuerza de inercia según el movimiento recíproco y rotatorio. Por esta razón, si el motor de un cilindro no tiene el peso contrario para equilibrar entre la fuerza de inercia y el peso del pistón, la biela y el cigueñal, entonces el motor puede vibrar demasiado y desestabilizarse.
Para el motor de 4 cilindros en serie, los 4 pistones están conectados al eje cigüeñal apareándose el primero con el cuarto, y el segundo con el tercero, frente a frente entre sí. Cuando el cigüeñal gira, las fuerzas de inercia son compensadas de modo que el peso contrario puede que no se necesite.
En la estructura de movimiento real del sistema de manivela de pistón del motor de 4 cilindros, la fuerza de inercia no será compensada. Esto proviene de la estructura en la cual el pistón en el movimiento recíproco, es conectado al cigüeñal en el movimiento rotatorio con la biela. Por ejemplo, en la rotación de mitad del cigüeñal cuando el pistón se mueve desde el punto más alto (PMS, punto muerto superior) al punto más bajo (PMI, punto muerto inferior), el pistón tiene la velocidad máxima cerca del punto más alto de la carrera más que a la mitad de ella. La rotación del cigueñal es regular de modo que la fuerza de inercia de la manivela de cada cilindro (la fuerza de inercia primaria) es fácilmente balanceada. Sin embargo, la fuerza de inercia del pistón no lo es. Por ejemplo, la fuerza de inercia superior generada cuando el primero y cuarto pistón se mueven desde el punto más alto hacia el punto más bajo es más grande que la fuerza de inercia inferior generada cuando los segundos y terceros pistones se mueven desde el punto más bajo al punto más alto.
Representando esta relación en el gráfico con la fuerza de inercia en el eje vertical y el ángulo de rotación del cigüeñal en el eje horizontal, cuando la fuerza de inercia superior del primer y cuarto pistón es el valor máximo, la fuerza de inercia inferior del segundo y tercer pistón es de valor mínimo, y viceversa después que el cigüeñal gira 180°. De esta relación, sabemos que la fuerza de inercia es generada con la proporción de 2 veces por una rotación del cigüeñal. Esta fuerza de inercia es denominada fuerza de inercia secundaria. Es fácil que se produzca cuando el motor está en estado ralentí.
El motor de cuatro cilindros es equipado generalmente en el auto de pasajeros pequeño. Para conveniencia de los pasajeros, un eje de balanceo, es un eje de equilibrio que tiene la forma de la mitad de un círculo en la vista de corte transversal, se conecta a ambos lados del motor para reducir la vibración de la
fuerza de inercia secundaria. Este eje de equilibrio o balanceo está diseñado para girar al doble de velocidad en dirección inversa al cigüeñal. La fuerza de inercia adicional generada desde el eje de equilibrio compensará la vibración de la fuerza de inercia secundaria.
Capítulo 3.
Culata
1. Culata
La culata está instalada sobre el bloque de cilindros con un sello para evitar que se escape el gas quemado. La parte inferior de la culata es también el piso de la cámara de combustión. Por lo tanto, la forma de la culata muy es complicada. La parte en forma de caja rectangular localizada en la parte superior, tiene el sistema de conducción de válvulas que aspira la mezcla de combustible hacia el motor y arroja el gas quemado, y el conector de encendido de modo que la forma y la operación de esta parte pueda además decidir además del funcionamiento de motor, la combustión de la mezcla de combustible. La estructura de la culata varía según el tipo de motor. La mayoría de las culatas tienen la típica estructura así.
En la parte superior, hay un sistema conductor de válvulas en cual el puerto de admisión que aspira la mezcla de combustible en la cámara de combustión y puerto de escape que saca el gas quemado en la dirección longitudinal. Dentro de la culata, hay una cámara de agua que hace circular el agua fría desde el bloque de cilindros.
La cámara de combustión es una parte muy importante para decidir sobre el rendimiento del motor. Entonces la forma y el tamaño son factores importantes. Si la cámara de combustión es grande, el intervalo de tiempo para quemar la mezcla de combustible es largo, aún cuando la mezcla pueda ser suficientemente comprimida. Entonces no se puede asegurar más potencia. Por lo tanto, es preferible que la cámara de combustión sea compacta.
Además, la forma de la cámara de combustión debe tener la menor cantidad de superficies desiguales para realzar la combustión de las mezclas. Si la forma de la cámara de combustión es complicada, entonces el calor de la combustión fácilmente se perderá porque la superficie de la cámara es demasiado grande sobre el volumen, por lo tanto, la fuerza que presiona el pistón será inferior.
El puerto de admisión es también la parte importante, porque el flujo de la mezcla de entrada esta definido por el tamaño y la forma. Considerando sólo el flujo, la superficie interna más lisa es mejor para reducir la resistencia contra el flujo y la forma directa de puerto es el mejor. Sin embargo, la forma del puerto es provechosa para la aspiración de la mezcla en el cilindro para formar un flujo agitado y para ser quemado en la carrera de combustión tanto como sea posible.
La cámara de agua absorberá el calor restante que queda después de la combustión hasta que termine la carrera de escape tan rápido como sea posible para evitar que aumente la temperatura de las próximas mezclas de aspiración. Especialmente, alrededor de las partes que tienen alta posibilidad de aumentar la temperatura tales como la válvula de escape y la bujía que debe ser enfriado principalmente para impedir que se produzca un problema por el exceso de calor. En la culata, está el cojinete para sujetar el sistema de conducción
