UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ESTUDIO Y ADAPTACIÓN DEL MOTOR PARA UN VEHÍCULO
DE RALLY
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
LUIS ANDRÉS BENALCÁZAR HERRERA
DIRECTOR: ING. ALEXANDER PERALVO M.Sc.
DECLARACIÓN
Yo, LUIS ANDRÉS BENALCÁZAR HERRERA, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ Luis Andrés Benalcázar Herrera
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Estudio y adaptación del motor para un vehículo de rally”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Luis Andrés Benalcázar Herrera, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.
Ing. Alexander Peralvo M.Sc. DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Deseo dedicar con todo mi amor y todo mi corazón la realización
y la ejecución de esta proyecto a toda mi familia, por apoyarme
incondicionalmente a lo largo de todos estos años de formación
personal y académica; especialmente a mis Padres y a mis
Abuelitos…
¡Gracias por todo, esto es por ustedes y para ustedes; a mi Mami
Anita, a mi Papi Marco, Y a Mis Coquitos!
A mi amada esposa Carolina, que con su amor, su sabiduría y su
paciencia, ha sido el pilar fundamental de mi crecimiento
espiritual, personal y profesional, y me ha permitido llegar a esta
etapa de mi vida en la que juntos cumplimos otra meta más de las
muchas que llegarán…
AGRADECIMIENTO
Agradezco en primer lugar a Mi Padre Celestial y a su Hijo Jesucristo por haberme otorgado el tiempo, los dones, la sabiduría y las bendiciones
necesarias para la realización y la terminación de este proyecto.
Agradezco también a todos los profesores que me enseñaron y me educaron a largo de estos años; agradezco sus consejos, ha sido un honor y un orgullo el haber sido su estudiante; su legado continuara.
Agradezco a todas las personas e instituciones que me permitieron complementar mi formación académica y profesional; sus enseñanzas, experiencias y consejos me han permitido culminar con éxito mis estudios superiores.
Deseo agradecer de manera especial a mis Mejores Amigos por haber compartido conmigo todos estos años de experiencias; gracias por estar ahí cuando más los necesite y por permitirme ser su Amigo.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CEDULA DE IDENTIDAD: 1717461584
APELLIDO Y NOMBRES: Benalcázar Herrera Luis Andrés
DIRECCIÓN: Alma Lojana, Calle F, Casa S2-442
EMAIL: lbenalcazar.ingautomotriz@gmail.com
TELÉFONO FIJO: 2087238
TELÉFONO MÓVIL: 0995360685
DATOS DE LA OBRA
TÍTULO: Estudio y adaptación del motor para
un vehículo de rally
AUTOR O AUTORES: Benalcázar Herrera Luis Andrés FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
20/10/2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. Alexander Peralvo, M.Sc.
PROGRAMA:
Pregrado Posgrado
TÍTULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras Para iniciar el proceso de trucaje y
preparación del motor G10 del vehículo Suzuki Forza I, se identificó los elementos móviles que fueron reemplazados, mediante los cuales se determinó también los trabajos específicos de rectificación que se realizaron en los elementos fijos del motor. El diámetro de los pistones, que cambió de 73 mm a 76.5 mm, y las características del árbol de levas fueron las especificaciones mecánicas más importantes para lograr el aumento de potencia requerido en el motor que le permitieron ser apto técnicamente, bajo reglamentos de la FEDAK para competencias de rally a nivel nacional. El block de cilindros se
rectificó y se adaptó camisas de motor diésel que permitieron la instalación de los nuevos pistones; así mismo, se concluyó que el cabezote no requirió ser rectificado ya que produciría un aumento de temperatura excesivo afectando al rendimiento del motor con lo que el sistema de refrigeración que se adaptó no sería suficiente para mantener estable dicha temperatura. Los parámetros técnicos específicos del motor se calcularon en su etapa estándar y final, teniendo en cuenta la dimensión del diámetro de los pistones y se estableció que la cilindrada total inicial fue de 966.82 cc y la relación de compresión alcanzada fue de 8.59:1; en la etapa final los cálculos demostraron que la cilindrada total final del motor alcanzó 1061.76 cc y la relación de compresión aumentó hasta 9.33:1. El reemplazo de árbol de levas estándar por uno de competencia, logró que el régimen de desplazamiento de las válvulas, que también se reemplazaron por aquellas del motor G16 del vehículo Suzuki Vitara 1.6, aumente de 4.5 mm hasta 6.8 mm, lo cual permitió calcular también las dimensiones del Header que se adaptó al sistema de escape del motor para mejorar la distribución y la velocidad de salida de los gases. Finalmente, el cálculo de la potencia inicial y final que entregó el motor en todo el proceso de modificación y preparación, demostró que esta aumentó de 49,59 HP hasta 52,17 HP en un régimen de 6150 RPM, valores que se comprobaron con las curvas obtenidas en la prueba que se ejecutó en el dinamómetro.
ABSTRACT: To initiate the preparation process of
allowed to calculate the Header dimensions, which was adapted to engine’s exhaust system to improve the distribution and velocity of the exhaust gases. Finally, the calculation of the initial and final power developed by this engine at the whole modification and preparation process, demonstrated its increase from 49.59 HP to 52.17 HP at 6150 engine RPM, these values were checked with the lines obtained from the executed tests on dynamometer.
KEYWORDS: Power boost, engine performance, cylinder displacement, compression ratio, Header.
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
f: __________________________________________ BENALCÁZAR HERRERA LUIS ANDRÉS
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, BENALCÁZAR HERRERA LUIS ANDRÉS, CI 171746158-4 autor del proyecto titulado:
“ESTUDIO Y ADAPTACIÓN DEL MOTOR PARA UN VEHÍCULO DE RALLY” previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 20 de octubre del 2016
f:__________________________________________ BENALCÁZAR HERRERA LUIS ANDRÉS
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... XVIII
ABSTRACT ... XIX
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 4
2.1. MOTORDECOMBUSTIÓNINTERNA ... 4
2.2. ELEMENTOSFIJOSDELMCI ... 4
2.2.1. CULATA O CABEZOTE ... 5
2.2.2. EMPAQUE O JUNTA DE LA CULATA ... 6
2.2.3. BLOQUE DE MOTOR ... 8
2.2.4. LOS CILINDROS ... 9
2.2.5. COLECTORES O MÚLTIPLES ... 10
2.2.5.1. Colector o múltiple de admisión ... 11
2.2.5.2. Colector o múltiple de escape ... 11
2.3. ELEMENTOS MÓVILES DEL MCI ... 12
2.3.1. EJE O ÁRBOL DE LEVAS ... 12
2.3.2. VÁLVULAS ... 16
ii
2.3.2.2. Problema de temperatura ... 19
2.3.2.3. Cabeza de la válvula ... 19
2.3.2.4. Vástago ... 20
2.3.2.5. Asientos de válvula ... 21
2.3.2.6. Muelles de válvula ... 21
2.3.2.7. Copela del muelle de válvula ... 22
2.3.2.8. Guías de válvula ... 22
2.3.2.9. Accionamiento de las válvulas ... 23
2.3.2.10. Sistema de distribución OHC ... 24
2.3.3. BALANCINES ... 24
2.3.4. EJE DE BALANCINES ... 25
2.3.5. MANDO DESMODRÓNICO ... 26
2.3.6. PISTONES O ÉMBOLOS ... 27
2.3.6.1. Segmentos o rines del pistón ... 29
2.3.6.2. Bulón o pasador del émbolo. ... 31
2.3.7. LA BIELA ... 32
2.3.8. EL CIGÜEÑAL... 33
2.3.8.1. Equilibrado del cigüeñal ... 35
2.3.9. CASQUETES O COJINETES ... 36
2.3.10. VOLANTE DE INERCIA ... 39
iii
2.4.1. REGLAMENTO TÉCNICO DE CIRCUITOS ... 40
2.4.1.1. Objetivo ... 40
2.4.1.2. Generalidades ... 40
2.4.1.3. Sistema de escape ... 41
2.4.1.4. Combustible ... 41
2.4.1.5. Disposiciones complementarias ... 41
2.4.1.6. Relación Peso-Potencia ... 41
2.4.1.7. Restrictores ... 42
2.4.1.8. Hermeticidad del ducto de admisión ... 42
2.4.1.9. Categoría TN: Turismo Nacional ... 43
2.4.1.10. Categoría TE: Turismo Especial ... 44
2.4.1.11. Otros elementos de seguridad ... 45
2.4.1.12. Tanque y tapa del combustible ... 45
2.4.1.13. Recuperador de aceite ... 46
3. METODOLOGÍA ... 47
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 52
4.1. SELECCIÓNDELMOTORPARAPREPARACIÓN YTRUCAJE ... 52
iv 4.3. IDENTIFICACIÓN DE LOS PARÁMETROS TÉCNICOS
INICIALES DEL MOTOR SUZUKI G-10 ... 54
4.4. IDENTIFICACIÓNDEELEMENTOSDELMOTORG10 PARACAMBIOYTRUCAJE ... 55
4.5. MEDICIÓNDEPIEZASYELEMENTOSESTÁNDAR(STD) ... 56
4.5.1. DIÁMETRO DE PISTONES ESTÁNDAR ... 56
4.5.2. LONGITUD DE LA CARRERA DEL PISTÓN ... 57
4.5.3. VOLUMEN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN ... 58
4.6. CÁLCULODELOSPARÁMETROSINICIALESDEL MOTOR G10 STD ... 58
4.6.1. TRANSFORMACIÓN DE DIMENSIONES Y MAGNITUDES ... 58
4.6.2. CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS INICIALES DEL MOTOR G10 ... 62
4.6.2.1. Cilindrada unitaria (Vu) ... 62
4.6.2.2. Cilindrada Total (Vh) ... 63
4.6.2.3. Relación de compresión (Rc) ... 64
4.6.3. COMPARACIÓN ENTRE DATOS TÉCNICOS ESTÁNDAR ESTABLECIDOS Y CALCULADOS ... 69
4.7. CAMBIO, MODIFICACIÓN Y PREPARACIÓN DE PIEZAS Y ELEMENTOS DEL MOTOR G10 ... 71
v
4.7.2. RECTIFICACIÓN Y PREPARACIÓN DEL CABEZOTE ... 73
4.7.2.1. Rectificación y preparación de toberas de admisión ... 74
4.7.2.2. Rectificación y preparación de toberas de escape ... 76
4.7.3. REEMPLAZO DE VÁLVULAS Y MUELLES: ADMISIÓN Y ESCAPE ... 78
4.7.3.1. Válvulas y muelles de admisión y escape STD originales ... 78
4.7.3.2. Válvulas y muelles de motor Suzuki Vitara 1.6 (Motor G16-A) ... 80
4.7.4. RECTIFICACIÓN Y PREPARACIÓN DE ASIENTOS DE VÁLVULA ... 82
4.7.5. REEMPLAZO DEL ÁRBOL DE LEVAS STD POR EL DE COMPETENCIA ... 83
4.7.6. REEMPLAZO DE LOS BRAZOS DE BIELA ... 86
4.7.7. DIÁMETRO DE LAS GARGANTAS DEL CARBURADOR ... 87
4.8. CÁLCULOS DE PARÁMETROS TÉCNICOS DEL MOTOR MODIFICADOS ... 88
4.8.1. DIÁMETRO FINAL DEL PISTÓN PREPARADO (Df) ... 89
4.8.2. CÁLCULO DE LA CILINDRADA UNITARIA FINAL (Vuᵳ) ... 89
4.8.3. CÁLCULO DE LA CILINDRADA TOTAL FINAL (Vhᵳ) ... 90
4.8.4. VOLUMEN FINAL DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN ... 91
vi 4.9. COMPARACIÓN FINAL ENTRE PARÁMETROS INICIALES
Y PREPARADOS DEL MOTOR ... 93
4.9.1. CÁLCULOS DE LAS LONGITUDES ESPECÍFICAS DEL HEADER ... 93
4.9.1.1. Longitud del tubo primario... 94
4.9.1.2. Diámetro del tubo primario ... 96
4.9.1.3. Diámetro de tubo secundario ... 97
4.9.2. ADAPTACIÓN DEL HEADER A MEDIDA ... 98
4.10. CÁLCULO FINAL DE LA POTENCIA REAL OTORGADA POR EL MOTOR... 99
4.10.1. REPRESENTACIÓN DE LA CURVA DE POTENCIA REAL .. 101
4.10.2. POTENCIA INICIAL VS POTENCIA FINAL (REAL)... 102
4.11. PRUEBAS EN EL DINAMÓMETRO DEL MOTOR G10 ... 102
4.11.1. PRUEBA INICIAL DEL MOTOR G10 ... 103
4.11.2. PRUEBA FINAL DEL MOTOR G10 ... 103
4.12. CÁLCULODELARELACIÓNPESOPOTENCIA(FEDAK) ... 104
4.12.1. ESTABLECIMIENTO DE CATEGORÍAS APTAS PARA COMPETENCIA ... 105
4.13. ESTADOYCONDICIÓNFINALDELMOTORG10 ... 108
4.14. ADAPTACIÓN DE SISTEMAS COMPLEMENTARIOS ... 109
vii 4.14.1.1. Elementos del sistema adaptado de
encendido del motor ... 111
4.14.2. SISTEMA ADAPTADO DE REFRIGERACIÓN DEL MOTOR ... 112
4.14.2.1. Funcionamiento del sistema adaptado de refrigeración .. 113
4.14.3. SISTEMA ADAPATADO DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE ... 114
4.14.4. MANTEMIMIENTO ... 115
4.14.4.1. Sistemas auxiliares de mantenimiento y control ... 116
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 118
5.1. CONCLUSIONES ... 118
5.2. RECOMENDACIONES ... 119
NOMENCLATURA O GLOSÁRIO ... 120
BIBLIOGRAFÍA ... 121
viii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Estándar de desgaste de los cilindros. ... 10
Tabla 2. Perfil de levas ... 14
Tabla 3. Ventajas y desventajas de la correa dentada de distribución. ... 15
Tabla 4. Holgura entre guías y válvulas de admisión y escape. ... 23
Tabla 5. Funciones y cualidades de un pistón. ... 27
Tabla 6. Partes principales y fundamentales de un pistón. ... 28
Tabla 7. Propiedades constructivas de un cojinete ... 37
Tabla 8. Categorías FEDAK correspondientes a Rally. ... 40
Tabla 9. Pesos Categoría TN ... 43
Tabla 10. Pesos Categoría TE ... 44
Tabla 11. Capacidad máxima de combustible por categorías. ... 46
Tabla 12. Características y piezas adaptables de motores de serie G ... 52
Tabla 13. Costos de reparación y trucaje del motor G10 ... 53
Tabla 14. Identificación del vehículo. ... 55
Tabla 15. Equivalencias de magnitudes simplificadas a magnitudes básicas del SI. ... 59
Tabla 16. Comparación de dimensiones y magnitudes entre procedimiento de cálculo y aplicación de factores de conversión. ... 61
ix Tabla 18. Datos alternos para el cálculo de la relación de compresión. ... 65
Tabla 19. Comparación de la Relación de Compresión calculada por
diferentes métodos. ... 66
Tabla 20. Datos técnicos iniciales para el cálculo de la potencia del
motor. ... 67
Tabla 21. Datos técnicos calculados y definitivos para determinar la potencia del motor. ... 67
Tabla 22. Variables determinantes para el esquema de potencia inicial del motor. ... 68
Tabla 23. Comparación de datos técnicos estándar y datos calculados. .... 69
Tabla 24. Índice de variación de datos técnicos STD. ... 70
Tabla 25. Rango de aptitud (permisibilidad) del estado actual del motor. ... 71
Tabla 26. Dimensión final del diámetro de las toberas de admisión. ... 75
Tabla 27. Dimensiones finales de las toberas de escape. ... 77
Tabla 28. Dimensiones y parámetros STD de válvulas de admisión y escape (motor G-10). ... 78
Tabla 29. Dimensiones y parámetros STD de muelles de válvulas (Motor G-10). ... 79
Tabla 30. Defecto máximo de perpendicularidad respecto a la válvula. (Motor G-10). ... 79
Tabla 31. Dimensiones y parámetros de válvulas de admisión y
x Tabla 32. Dimensiones y parámetros de guías de válvula.
(Motor G16-A). ... 80
Tabla 33. Dimensiones y parámetros de los asientos de válvula. (Motor G16-A). ... 81
Tabla 34. Dimensiones y parámetros técnicos de muelles de válvula. (Motor G16-A). ... 81
Tabla 35. Comparación entre diámetro inicial y diámetro final de los asientos de válvula. ... 83
Tabla 36. Parámetros técnicos del árbol de levas original del Motor G-10. ... 84
Tabla 37. Parámetros técnicos del eje de levas (6 válvulas) preparado. ... 85
Tabla 38. Comparación final entre eje de levas STD y eje de levas preparado. ... 85
Tabla 39. Diámetros de shiglores iniciales y finales. ... 87
Tabla 40. Datos para el cálculo de la cilindrada unitaria final ... 90
Tabla 41. Datos para el cálculo de la cilindrada total final. ... 90
Tabla 42. Datos para el cálculo de la relación de compresión final. ... 92
Tabla 43. Índice de variación de cálculos iniciales (Motor STD) y finales (Motor preparado). ... 93
Tabla 44. Datos para el cálculo de la longitud del tubo primario del Header. ... 95
xi Tabla 46. Datos para el cálculo del diámetro del tubo secundario del Header. ... 97
Tabla 47. Dimensiones finales para la fabricación del Header. ... 98
Tabla 48. Comparación entre torque inicial (Motor STD) y el torque final (Motor Preparado) ... 100
Tabla 49. Parámetros finales de la Potencia Real otorgada por el Motor. ... 101
Tabla 50. Comparación final de la presión de compresión inicial y final del motor G10 ... 108
Tabla 51. Mantenimiento preventivo del motor preparado. ... 116
xii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA Figura 1. Elementos fijos del MCI ... 5
Figura 2. Cabezote de un MCI. ... 6
Figura 3. Junta de la culata. ... 7
Figura 4. Esfuerzos ejercidos sobre la junta. ... 7
Figura 5. Bloque del motor. ... 8
Figura 6. Camisa húmeda y camisa seca. ... 9
Figura 7. Disposición de múltiples de admisión y escape. ... 10
Figura 8. Disposición e instalación del múltiple de admisión. ... 11
Figura 9. Colector de escape con tubos múltiples para altas
revoluciones. ... 12
Figura 10. Eje de levas y elementos. ... 13
Figura 11. Elementos de la leva. ... 14
Figura 12. Sistema básico de distribución. ... 15
Figura 13. Distribución por correa dentada. ... 15
Figura 14. Forma constructiva de la correa dentada de distribución. ... 16
Figura 15. Forma constructiva de la válvula. ... 17
Figura 16. Diagrama de una válvula hueca con relleno de sodio. ... 18
Figura 17. Temperaturas alcanzadas en una válvula de escape. ... 19
xiii Figura 19. Sistema de distribución OHC montada en un motor
Chrysler. ... 24
Figura 20. Despiece de un balancín. ... 25
Figura 21. Formas de accionamiento de un balancín. ... 25
Figura 22. Despiece del eje de balancines en diferentes montajes. ... 26
Figura 23. Ejemplos de mandos desmodrónicos. ... 27
Figura 24. Holgura entre pistón-cilindro y, forma de evacuación de calor. ... 28
Figura 25. Elementos de un pistón. ... 29
Figura 26. Forma de las puntas de los rines y juegos axial y radial. ... 30
Figura 27. Disposición y forma de los segmentos en el pistón. ... 30
Figura 28. Pasador o bulón fijo. ... 31
Figura 29. Pasador o bulón libre. ... 31
Figura 30. Pasador o bulón semiflotante. ... 32
Figura 31. Anatomía y despiece de una biela. ... 33
Figura 32. Secciones de un cigüeñal. ... 34
Figura 33. Equilibrio estático y dinámico del cigüeñal respecto a su eje. ... 36
Figura 34. Ubicación de cojinetes en el conjunto pistón-biela-cigüeñal. ... 36
Figura 35. Partes de un cojinete ... 37
Figura 36. Materiales de construcción de un cojinete. ... 38
xiv Figura 38. Semicojinetes ... 38
Figura 39. Semicojinetes axiales. ... 39
Figura 40. Disposición y elementos del volante de inercia. ... 39
Figura 41. Estado inicial del motor G10. ... 54
Figura 42. Estado inicial general del vehículo Suzuki Forza I. ... 54
Figura 43. Diámetro Inicial (Do) del pistón STD. ... 56
Figura 44. Pistón original (STD) de motor Suzuki G10. ... 57
Figura 45. Carrera (s) del cilindro. ... 57
Figura 46. Representación de la medida de la cámara de
combustión STD. ... 58
Figura 47. Esquema gráfico de la relación de compresión. ... 65
Figura 48. Esquema grafico de la potencia inicial del motor. ... 69
Figura 49. Rectificación y preparación de cilindros. ... 72
Figura 50. Camisa de cilindro para motor diésel. ... 72
Figura 51. Adaptación y estado final de bloque de cilindros. ... 73
Figura 52. Dimensiones milimétricas de la tobera de admisión. ... 74
Figura 53. Estado inicial de las toberas de admisión y trazado de
rectificación. ... 75
Figura 54. Estado y preparación final de las toberas de admisión. ... 75
xv Figura 56. Estado inicial de las toberas de escape y trazado de la superficie de rectificación. ... 77
Figura 57. Estado y preparación final de las toberas de escape. ... 77
Figura 58. Determinación del defecto máximo de perpendicularidad del muelle. ... 79
Figura 59. Mecanizado de los asientos de válvulas de admisión y escape. (Motor G-10). ... 82
Figura 60. Ilustración de distribuciones para diferentes aplicaciones. ... 83
Figura 61. Eje de levas (6 válvulas) de competencia. ... 84
Figura 62. Esquema comparativo entre: a) distribución STD y, b) distribución preparada. ... 85
Figura 63. Diagrama comparativo entre: a) bielas STD del Motor G10, y b) biela Motor G13. ... 86
Figura 64. Diagramas de shiglores originales: a) gasolina, y b) aire. ... 87
Figura 65. Diferencia de diámetro entre: a) shiglor original y, b) shiglor de competencia. ... 88
Figura 66. Comparación física entre: a) pistón STD Motor G-10 y, b) pistón Mitsubishi 4G65. ... 88
Figura 67. Diámetro final (preparado) de Motor Mitsubishi 4G-65. ... 89
Figura 68. Medición final del volumen de la cámara de combustión. ... 91
Figura 69. Múltiple de escape original del Motor G-10. ... 94
Figura 70. Representación de las dimensiones del Header. ... 94
xvi Figura 72. Adaptación final del Header en el motor G10 preparado. ... 99
Figura 73. Representación de la curva de potencia final otorgada por el Motor. ... 101
Figura 74. Comparación final: Potencia Inicial vs Potencia Final Real. ... 102
Figura 75. Prueba inicial con dinamómetro. ... 103
Figura 76. Prueba final del motor G10 en el dinamómetro. ... 104
Figura 77. Montaje final motor G10 ... 109
Figura 78. Presentación final del vehículo Suzuki Forza I. ... 109
Figura 79. Tablero de mandos modificado. ... 110
Figura 80. Elementos del sistema de encendido del motor. ... 111
Figura 81. Componentes del sistema de refrigeración adaptado. ... 113
Figura 82. Activación del sistema de refrigeración complementario según medida de manómetro. ... 114
Figura 83. Sistema auxiliar de alimentación de combustible activado. ... 115
xvii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA Anexo 1
Sistema de encendido del motor G10 del vehículo Suzuki Forza I ... 124
Anexo 2
Reglaje y emisiones del motor G10 del vehículo Suzuki Forza I ... 125
Anexo 3
Bujías de encendido y sistema de alimentación de combustible del motor G10 del vehículo Suzuki Forza I ... 128
Anexo 4
Mantenimiento, reglajes y capacidades de lubricantes del motor G10 del vehículo Suzuki Forza I ... 129
Anexo 5
Pares de apriete del motor G10 del vehículo Suzuki Forza I ... 130
Anexo 6
Arranque y carga del motor G10 del vehículo Suzuki Forza I ... 131
Anexo 7
Prueba inicial del motor G10 en dinamómetro. ... 132
Anexo 8
xviii
RESUMEN
xix
ABSTRACT
1
1. INTRODUCCIÓN
En el proceso de desarrollo investigativo y académico la carrera de Ingeniería Automotriz de la Universidad Tecnológica Equinoccial está buscando introducirse de manera activa y permanente en el entorno deportivo profesional automovilístico competitivo, para lo cual hace algunos semestres se contó con la participación de un vehículo HYUNDAI i10 con motor modificado para competencias en pista, el mismo que representó externa y parcialmente a la universidad en competencia en el Autódromo Internacional de Yaguarcocha. Tomando en cuenta el requerimiento de la universidad de ampliar sus áreas de aplicación en los aspectos investigativos y académicos sobre la modificación del conjunto del sistema motor para el entorno de las competencias automotrices nacionales, se aportará a este avance desarrollando la modificación técnica y reglamentaria del motor de un vehículo SUZUKI FORZA I, el mismo que será apto para competencias de Rally y que representará de manera activa y constante a la institución en dichas competencias; así mismo, servirá para el futuro estudio y desarrollo de nuevas tecnologías a implementarse en el mencionado motor preparado del vehículo mediante la participación de los docentes y estudiantes de las futuras generaciones de la carrera de Ingeniería Automotriz de la UTE.
2 conocimiento académico, técnico y práctico para desarrollar nuevas tecnologías en la modificación de dicho sistema según el reglamento vigente, y mejorar de manera continua el desenvolvimiento de dicho motor en competencia y convertirse en un referente académico, investigativo y tecnológico.
Ya en el nuevo siglo, entre los años 2007 y 2010 específicamente, los vehículos de la categoría World Rally Car incorporaron a sus funcionalidades novedosas tecnologías en el ámbito de la transmisión. Los modelos Citroën C4 WRC y Ford Focus RS WRC compitieron con una caja de cambios secuencial con accionamiento por levas ubicadas detrás del volante, que les permitía realizar el cambio de marchas con eficiencia y rapidez.
Finalmente, las nuevas y mejoradas tecnologías implementadas en las competencias de Rally incluyen luces inteligente de tipo led, que ya se ha aplicado a los modelos de serie, las cuales detectan el ambiente donde se encuentra para evaluar y determinar la cantidad de luz que el auto debe emitir sin que el piloto tenga que accionarlas y se probaron por primera vez en el vehículo de competencia Ford Fiesta R2 en el Rally de Valls en 2013. También se han hecho investigaciones y avances para implementar motores híbridos de competencia, en donde Citroën fue pionera en desarrollar un proyecto con un modelo Hibrido, combinando un motor de gasolina de alto rendimiento con una batería de litio. Otros de los avances en este ámbito es la investigación de combustibles alternos a los derivados del petróleo, tales como el alcohol derivado de la caña de azúcar que ya se están usando en vehículos Fiat 147 en el Rally de Brasil. Otro combustible alterno que ya se utilizó en competencia es el gas, el cual fue probado en 2014 por el piloto italiano Giandomenico Basso, el cual venció en una prueba en su país con una versión del Ford Fiesta R5 propulsado por este combustible.
3 circuitos destinados a dichas competencias, no debe ser usado para demostraciones o competencias en pista asfaltada, así mismo, para ser trasladado hasta el lugar de la competencia se debe transportar sobre una plataforma, ya que no está autorizado a circular en las calles de ninguna provincia del País. No se debe ejecutar ningún trabajo de modificación o rectificación en el motor de este vehículo bajo ningún concepto, sin previa autorización o consulta al ejecutor de este trabajo, así mismo, se debe seguir obligatoriamente las directrices y tiempos establecidos para el
mantenimiento del motor, mencionados en el desarrollo de este proyecto. Para cumplir y lograr los objetivos de este proyecto se debe realizar el
4
2. MARCO TEÓRICO
2.1. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
“Se denomina motor de combustión interna o MCI, porque realiza trabajo en el interior de la cámara cerrada mediante la aportación del calor producido al quemarse el combustible. Es una maquina capaz de transformar energía térmica en energía mecánica”. (Martínez, 2012). “La ignición del combustible se realiza por la mezcla aire-gasolina que se produce al interior de la cámara de combustión creando un aumento de presión, la cual es aprovechada en el conjunto cilindro-pistón”. (Rondón N. , 2012). “El pistón es el elemento móvil que transmite la fuerza ejercida por la presión en un movimiento lineal a la biela, que interactuando con el cigüeñal es transformado en movimiento circular consiguiendo un par”. (Santander, 2010).
Este MCI de tres cilindros es una maquina capaz de transformar la energía térmica, proporcionada por la ignición de combustible en el interior de la cámara de combustión gracias a la mezcla estequiométrica aire-gasolina, en energía mecánica que se transporta desde los pistones que transforman esta energía en movimiento lineal debido a su desplazamiento vertical dentro de los cilindros en el bloque del motor; las bielas reciben este movimiento de los pistones y lo transmiten a su vez al cigüeñal, que finalmente transforma dicho movimiento lineal en movimiento rotativo o giratorio que es el necesario para desarrollar todas las funciones del motor.
2.2. ELEMENTOS FIJOS DEL MCI
“En este grupo están encuadrados aquellos elementos estáticos necesarios para el funcionamiento del motor. Forman el armazón del motor y de los cilindros, en cuyo interior tiene lugar el proceso de combustión”. (Salazar, Elementos fijos del motor, 2015).
5 Estos elementos alojan y sostienen a los elementos móviles que se desplazan en su interior, permitiendo que desarrollen sus funciones sin limitaciones técnicas y acoplándose entre sí. Además, componen la estructura externa del motor otorgándole rigidez y sostenibilidad complementándose el uno al otro, como se observa en la figura 1.
Figura 1. Elementos fijos del MCI (Quehuarucho, 2014).
2.2.1. CULATA O CABEZOTE
“Es una pieza que se fabrica de aluminio y aleaciones, con el objetivo fundamental de reducir el peso neto de todo el conjunto motor y mejorar la conductividad térmica; se ubica sobre el bloque del motor y desarrolla múltiples funciones”. (Martínez, 2012). Estas son:
Delimitar todo el espacio de la cámara combustión.
Delimitar los conductos de admisión de aire al motor y de escape de gases de combustión.
Alojar el eje (árbol) de levas y permitir su colocación adecuada para el funcionamiento.
Alojar las válvulas y permitir que funcionen correctamente.
Aloja las bujías.
Brindar máxima rigidez al sistema.
6 Técnicamente, el cabezote sella la parte superior de los cilindros permitiendo que el proceso de combustión se realice de forma correcta, lo que hará que soporte grandes esfuerzos mecánicos y térmicos, por lo que se requiere un selle perfectamente hermético con el bloque de cilindros. Por esto es indispensable que cumpla con varios requisitos, como se muestra en la figura 2:
Debe ser lo más compacta posible (es decir que la relación superficie-volumen sea lo más pequeña posible), con esto se obtendrá un proceso de combustión más estable y perdidas térmicas mínimas lo que permitirá tener presiones máximas en el cilindro.
“Tener el punto de encendido lo más centrado posible (menor distancia a recorrer en el frente de llama), con lo que se gana en velocidad de combustión.
Tener el punto más alejado de la bujía en la zona más fría (disminuyendo el riesgo de picado y autoencendido).
Poder contener válvulas del diámetro lo más grande posible (mejora de la potencia a alto régimen)”. (Martínez, 2012).
Figura 2. Cabezote de un MCI. (Sanchez)
2.2.2. EMPAQUE O JUNTA DE LA CULATA
7 del cabezote bajo todas las condiciones de trabajo del motor, además de mantener estancos tanto hacia el interior como al exterior los diferentes fluidos que circulan por el cabezote (refrigerante, aceite del motor, gases de combustión). La figura 3 muestra la estructura de una junta.
Figura 3. Junta de la culata. (Martínez, 2012).
El lado de la junta que está expuesto a la carga térmica más elevada es aquel que esta hacia la cámara de combustión, lo que implica que este debe estar constituido por una chapa metálica. Uno de los materiales metálicos que brinda gran resistencia a las altas temperaturas es el amianto; este se utiliza en toda la superficie de la mencionada junta y es impregnada además con grafito, esto para evitar que se suelde con las piezas metálicas que une. Para aumentar la presión superficial que puede resistir la junta se realiza sobre ella serigrafiados superficiales, a parte del revestimiento superficial completo que posee; además, se puede ribetear con metales o con elastómeros alrededor de los orificios de paso de aceite. La figura 4 representa el esquema de las cargas que soporta un empaque.
8 2.2.3. BLOQUE DE MOTOR
“El bloque del motor o también llamado bloque de cilindros es la pieza solida de mayor dimensión y volumen del motor, y generalmente su material de fabricación es de hierro fundido con aleaciones de cromo, níquel o molibdeno”. (Martínez, 2012). Este bloque se fabrica de aleaciones ligeras de aluminio con el propósito de reducir su peso neto y mejorar la conductibilidad térmica. Las características de rigidez que debe poseer este bloque son indispensables ya que tiene que resistir y distribuir de manera ideal la fuerza producida por el proceso de combustión, debe resistir y evitar la corrosión que se pudiera presentar, y debe evacuar por proceso físico de conducción parte del calor generado sobre sí mismo.
Esta pieza es la más importante de todo el conjunto motor ya que es el elemento base donde se apoyan todas las otras; aloja a los cilindros y los asientos o bancadas que sirven de apoyo al cigüeñal. También, en la parte interna alojan cavidades tubulares por la cuales circulará el líquido refrigerante y el aceite de lubricación.
La instalación específica de este bloque se localiza bajo el cabezote y sobre el cárter, formando así un solo cuerpo; también se encuentra suspendido sobre el bastidor o chasis del vehículo, fijado en su parte superior por soportes. En la figura 5 se puede apreciar el bloque y todos sus componentes.
9 2.2.4. LOS CILINDROS
“Los cilindros son las cavidades cilíndricas en las cuales los pistones se desplazan de manera rectilínea y vertical entre el punto muerto superior o PMS y el punto muerto inferior o PMI”. (Santander, 2010). La superficie interna está permanentemente expuesta a un continuo rozamiento y sometida a fuertes presiones, por lo cual, requiere que esta se encuentre perfectamente alisada; además se someten a un revestimiento de cromo en sus paredes para aumentar la dureza y la resistencia a la corrosión.
La mayoría de cilindros son mecanizados de manera directa en el bloque del motor, pero existe también cilindros que se pueden remover con facilidad con el principal objetivo de agilizar el mantenimiento frente al desgaste que sufren por el rozamiento con los anillos del pistón; estos cilindros especiales se conocen también como camisas, las cuales están representadas en la figura 6.
Figura 6. Camisa húmeda y camisa seca. (Santander, 2010).
Las características constructivas que deben poseer los cilindros, sean estos labrados en el mismo bloque del motor o desmontables son:
Resistencia al desgaste.
Resistencia superficial.
Bajo coeficiente de rozamiento.
Cualidades lubricantes.
Conductibilidad térmica.
10 ovalado y con conicidad de mayor diámetro en la parte superior del cilindro, ocasionado por la presión de los rines del pistón. Otros factores que influyen directamente en el desgaste son la temperatura del funcionamiento del motor, la eficiencia de la lubricación, el tipo de lubricante y la cantidad de abrasivos que este contenga, el combustible empleado, detonaciones por preencendido, y la manera de conducción. La tabla 1 muestra el rango máximo permitido de desgaste en los cilindros.
Tabla 1. Estándar de desgaste de los cilindros.
Diámetro interior Conicidad
Cilindro nuevo 0,038 mm 0,024 mm
Cilindro con desgaste 0,127 mm, máximo 0,254 mm, máximo (Santander, 2010).
2.2.5. COLECTORES O MÚLTIPLES
“Los colectores son los elementos que canalizan, dirigen y transportan los gases tanto de admisión como de escape que se producen en el funcionamiento normal del motor”. (Santander, 2010). Estos múltiples se acoplan en las secciones laterales de la culata correspondientemente mediante pernos o espárragos y con juntas metálicas que ayudan a la resistencia y distribución del calor generado por la temperatura de funcionamiento. En la figura 7 se aprecia la instalación de los múltiples de admisión y escape respecto al cabezote.
11 2.2.5.1. Colector o múltiple de admisión
“El múltiple de admisión es el encargado de canalizar los gases frescos hacia el interior de la culata a las válvulas, y sirve de soporte para el carburador”. (Martínez, 2012). Se fabrica de aleaciones de aluminio y de plástico para reducir el peso neto del motor, y están diseñados para que su diámetro interior y la distancia hacia cada uno de los cilindros sean correspondientes e ideales. Las vibraciones a las que está expuesto el múltiple de admisión afectan de manera directa a su rendimiento volumétrico, es decir, a la potencia máxima que el motor puede alcanzar, y es por esto que su acabado superficial es muy importante para no generar pérdidas de carga respecto a la mezcla estequiométrica. En la figura 8 se puede apreciar la posición del múltiple de admisión respecto al carburador.
Figura 8. Disposición e instalación del múltiple de admisión. (Martínez, 2012).
2.2.5.2. Colector o múltiple de escape
12 En motores de altas revoluciones, se instala colectores de escape con tubos de acero independientes más largos y con diseño, disposición y forma múltiple para mejorar y acelerar la salida de los gases de combustión, como los que se indican en la figura 9.
Figura 9. Colector de escape con tubos múltiples para altas revoluciones. (Martínez, 2012).
2.3. ELEMENTOS MÓVILES DEL MCI
“El grupo de elementos motrices se encarga de transformar la energía térmica, desarrollada en el interior del cilindro, en energía mecánica, a través de un sistema biela-manivela que transforma el movimiento alternativo del émbolo en movimiento de rotación del cigüeñal”. (Meganeboy, 2014).
Todos los elementos móviles funcionan complementariamente unos a otros para permitir el desarrollo y el rendimiento ideal del motor, sin que se generen fallos o averías recurrentes, con el objetivo principal que el motor entregue la potencia requerida en cada condición a la que se ve expuesto; estos elementos necesitan un mantenimiento preventivo periódico para prolongar la vida útil del motor.
2.3.1. EJE O ÁRBOL DE LEVAS
13 Para realizar su trabajo posee salientes excéntricos mecanizados sobre su eje que se denominan levas, las mismas que se encuentran desfasadas entre si y se encargan de regular todo el ciclo de funcionamiento, efectuando el empuje necesario a las válvulas para abrirlas y cerrarlas. También posee tres puntos de apoyo como mínimo, dependiendo estos de su longitud y que tienen la finalidad de sujetar y permitir el giro del eje, además evitan flexiones y vibraciones que se podrían generar; posee también un plato de anclaje en uno de sus extremos que sirve para asentar y apoyar el piñón conducido.
Dependiendo del ciclo y el emplazamiento en el que trabajará el árbol de levas, lleva tallado sobre si un engranaje que permite sincronizar su giro con el de la bomba de aceite y con el distribuidor de encendido; también pueden incorporar una leva excéntrica adicional que proporciona el movimiento o giro de una bomba mecánica del sistema de alimentación, tal como se muestra en la figura 10.
Figura 10. Eje de levas y elementos. (Martínez, 2012).
El material que se emplea para la fabricación del árbol de levas es una aleación de hierro fundido; además es un elemento constructivo de una sola pieza ya que se funde en moldes. “Se fabrica mediante un proceso de forja y luego es sometido a acabados superficiales como el cementado, que le da fortaleza sin llegar a endurecer su núcleo.” (Rondón N. , 2012).
14
“Un tramo circular correspondiente al periodo de cierre de la válvula que forma parte del llamado circulo base.
Los flancos, que son los que producen el levantamiento y bajado de la válvula.
La cresta, que es la parte donde se desarrolla la máxima apertura de la válvula.” (Martínez, 2012).
Figura 11. Elementos de la leva. (Martínez, 2012).
La tabla 2 describe los diferentes perfiles que posee una leva y las funciones que estas ejecutan para aportar al funcionamiento y desarrollo del motor.
Tabla 2. Perfil de levas
Perfil de flancos convexos Perfil de flancos planos
Permite tener aceleraciones más suaves, tanto positivas como negativas. El periodo de máxima apertura es corto.
Brinda mayores aceleraciones con fases de apertura y cierre que tienen menos duración, lo que implica una posición de máxima alzada de mayor tiempo.
(Martínez, 2012).
15
Figura 12. Sistema básico de distribución. (Martínez, 2012).
Para conseguir el funcionamiento ideal del sistema de distribución es necesario sincronizar el giro del cigüeñal con el del árbol de levas ubicado en el cabezote, incorporando entre ambos una correa dentada o banda de distribución. Para lograr esto, los piñones instalados en ambos ejes disponen de marcas que permiten conseguir este objetivo. La figura 13 muestra un sistema distribución accionado por correa dentada.
Figura 13. Distribución por correa dentada. (Martínez, 2012).
La tabla 3 expone las ventajas y desventajas que aporta un sistema de distribución accionado por correa dentada.
Tabla 3. Ventajas y desventajas de la correa dentada de distribución.
Ventajas Desventajas
- Genera poco ruido.
- No necesita ser engrasada.
- Puede ubicarse en el exterior del bloque de cilindros.
- Su costo es más bajo.
- Mantenimiento más accesible y fácil.
- Es menos resistente y duradera en cuanto a tiempo de uso (vida útil). - Necesita mantenimiento periódico con
16 La estructura constructiva de la correa de distribución es muy importante para que logre realizar la transmisión de movimiento entre ambos ejes y que logre su objetivo el mayor tiempo posible sin romperse (hasta 80000 Km, como máximo); esta estructura se indica en la figura 14.
Figura 14. Forma constructiva de la correa dentada de distribución. (Martínez, 2012).
1. Dorso de la correa. 2. Cabo de tracción. 3. El lecho.
4. El dentado.
5. El tejido protector.
“El dorso de la correa (1) y también los dientes (4) son de materiales de gran calidad sobre una base de policloropreno. Estos se adhieren de forma excelente al cabo de tracción (2) y al tejido protector.” (Martínez, 2012). Estas correas deben poseer una resistencia a la tracción muy grande, para esto, incorporan cabos de fibra de vidrio en forma de tornillo que cumplen con esta función de manera eficiente. De manera complementaria, al instalarse en la distribución debe estar tensada de forma precisa y correcta, ya que al existir una falla en la tensión de la misma puede generar el salto de un diente de los engranajes y provocar graves averías a todo el sistema de distribución.
2.3.2. VÁLVULAS
17 Las válvulas del motor cumplen la función de abrir y cerrar los conductos que comunican al interior de la cámara de combustión con los colectores de admisión y escape respectivamente; también sellan herméticamente la mencionada cámara en la fase de compresión y explosión en el funcionamiento del motor, hasta el instante en que la válvula de escape se abra.
La forma constructiva de una válvula posee varios elementos que se complementan unos a otros y que forman un solo cuerpo. La figura 15 presenta estas partes, las cuales son:
Una cabeza que lleva mecanizada toda su periferia con una inclinación conocida como ángulo, la que permite el cierre hermético de la misma sobre el orifico de la culata.
Un vástago cilíndrico y alargado conocido como cola, unido a la mencionada cabeza el cual cumple con algunas funciones, las cuales son:
- Guiar a la válvula en su desplazamiento.
- Centrar la cabeza de la misma en su asiento; y,
- Evacuar el calor que se genera en el proceso de combustión.
Unas ranuras en la parte superior del vástago que permiten anclar y retener todo el cuerpo de la válvula en su posición sobre la culata.
Figura 15. Forma constructiva de la válvula. (Martínez, 2012).
2.3.2.1. Construcción de la válvula
18 relativamente fría, lo que la mantiene por un tiempo más prolongado limpia y fresca, aun cuando esta se expone también a la alta temperatura producida en la cámara de combustión en el tiempo de explosión.
Por otra parte, la válvula de escape está siempre expuesta a la temperatura mencionada antes y además a las altas temperaturas de los gases de combustión en el tiempo de escape; por esta condición, dichas válvulas se construyen de aleaciones especiales con propiedades físicas y metalúrgicas que son capaces de resistir condiciones tales como:
La exposición momentánea de la válvula y su asiento a la temperatura de combustión, que alcanza alrededor de los 3800 °F.
“Recibir el ataque corrosivo de la carga ardiente del combustible y con frecuencia la llama retardada causada al abrirse la válvula de escape”. (Santander, 2010).
Soportar durante su desarrollo en el funcionamiento del motor los esfuerzos generados por la tensión del resorte y la fuerza de inercia que se produce a altas revoluciones.
Generalmente, las válvulas se construyen con aceros aleados que tienen gran resistencia mecánica a las altas temperaturas, así como también a la oxidación y la corrosión; estas aleaciones varían dependiendo si se trata de la válvula de admisión o de escape, específicamente.
Para mejorar el proceso de refrigeración algunas válvulas construyen con un vástago hueco relleno con sodio, esto para dispersar el calor de manera más eficiente, esta estructura se indica en la figura 16:
19 2.3.2.2. Problema de temperatura
“Las temperaturas que se generan en el proceso de combustión son muy elevadas y las válvulas están expuestas directamente a esta condición en cada ciclo de trabajo del motor”. (Martínez, 2012). La válvula de escape es la que recibe en mayor grado los gases más calientes generados en dicho proceso, los cuales están el orden de los 800 °C; por otra parte, la válvula de admisión recibe gases con temperaturas de hasta 500 °C. Otro factor a considerar para las condiciones adversas a la que están expuestas las válvulas es el aumento de presión.
Las válvulas se fabrican de aceros con aleaciones que le otorgan resistencia térmica y mecánica. Las válvulas de escape se fabrican de acero inoxidable con aleación de cromo-silicio o cromo-níquel-manganeso; por otra parte, las válvulas de admisión se fabrican de acero templable con aleación de níquel-cromo o níquel-cromo-níquel-silicio. En la figura 17 se muestra las temperaturas a las que está expuesta una válvula en funcionamiento normal.
Figura 17. Temperaturas alcanzadas en una válvula de escape. (Martínez, 2012).
“Los gases calientes que salen de la válvula durante el tiempo de escape chocan con la cabeza y la porción superior del vástago, aumentando su temperatura. Las válvulas que no son enfriadas adecuadamente se corroen rápidamente por acción del calor.” (Santander, 2010).
2.3.2.3. Cabeza de la válvula
20 constantes producidos en todo el proceso de funcionamiento, generados por la acción alterna de subir y bajar de la misma válvula y la tensión del resorte”. (Rondón N. , 2012), (Martínez, 2012). La cabeza de la válvula de escape es la que está directamente expuesta a la acción de todos los esfuerzos físicos y químicos del proceso de combustión del motor, en especial a los gases extremadamente calientes; así mismo a la llama que pasa por ella, y también en el asiento de la válvula durante todo el tiempo de escape.
El proceso de enfriamiento de las válvulas de admisión se produce el entrar en contacto su cabeza con el asiento y el vástago con la guía, además de que en el instante de la combustión se encuentra en contacto con las paredes de la culata; en adición, se enfría al ponerse en contacto con la mezcla de aire y combustible que llega relativamente fría, cuando esta pasa por la lumbrera u orificio y no está en contacto con su asiento. Además, el diámetro o tamaño de la cabeza de las válvulas es la variable que influye de manera directa en la porción de superficie expuesta a la temperatura generada; es debido a esto que las válvulas de escape se construyen de un diámetro menor en comparación con las válvulas de admisión.
La determinación del ancho de la cara de las válvulas varía en función de cada motor, así mismo como el radio de envoltura en el punto de unión del vástago con la cabeza, esto debido al perfil de cada diseño que permitirá la entrada y salida de los gases de manera ideal.
2.3.2.4. Vástago
21 Las diferencias principales de cada modelo se encuentran en características específicas tales como:
El diámetro.
La longitud.
Extremo o cola ranurada o rebajada; y,
El tipo de seguro utilizado.
2.3.2.5. Asientos de válvula
“El asiento de la válvula es la superficie de la culata en donde se apoya la válvula al cerrarse en los diferentes ciclos del motor; además, el mencionado asiento forma un ángulo correspondiente al plano de la cabeza de la válvula”. (Santander, 2010). Cabe señalar que este ángulo está determinado por el fabricante de manera específica en cada motor, debido al régimen específico de cada marca.
La fabricación de los asientos de válvulas se realiza específicamente de dos maneras:
En las culatas que se construyen de hierro fundido, se realiza mecanizándolos directamente en la misma; y,
En las culatas de aleaciones ligeras, que son las más utilizadas en la actualidad, los asientos de válvulas son postizos.
Para montar estos asientos de válvulas postizos se utiliza ajuste forzado, es decir: la superficie de la culata donde se introducirá el asiento se calienta a una temperatura determinada, y al mismo tiempo el asiento se enfría con hielo seco; este proceso permitirá que por el fenómeno de contracción el asiento entre sin causar problemas a sí mismo o a la culata, y cuando ambas partes alcancen el equilibrio térmico se acoplen adecuadamente y no generen fallos posteriores.
2.3.2.6. Muelles de válvula
22 la necesidad o la carga que resistirán”. (Martínez, 2012). Existen dos maneras específicas de montar los muelles, estas son:
Utilizando muelles simples, que poseen carga elástica de tensión gradual; y,
Muelles dobles, que tienen la finalidad de evitar el efecto de rebote en motores de altas revoluciones, que se podrían generar por movimientos vibratorios debido a una excesiva elasticidad.
Estos resortes han ido evolucionando y se han ido desarrollando a través del tiempo con el objetivo fundamental de optimizar su funcionamiento y mejorar dos condiciones específicas que se producían, estas son: evitar su rotura y reducir hasta eliminar el traqueteo de las válvulas.
El efecto específico que produce roturas de los resortes es la generación de vibraciones. Para reducir dicho fenómeno y el ruido que produce, se cambió el diámetro y la reparación de las espiras obteniendo un funcionamiento que es mucho más silencioso y de mayor duración, alargando la vida útil del sistema.
2.3.2.7. Copela del muelle de válvula
Para conseguir de manera efectiva el selle hermético de las válvulas, el muelle debe estar comprimido y sujeto correctamente en la parte alta de la misma, es decir, en la cola.
En esta sección de la válvula se encuentran las ranuras que ayudan a fijar las copelas de tope mediante dos semiconos.
2.3.2.8. Guías de válvula
23 Existen motores en los cuales las guías de válvula no son nada más que agujeros simples en la culata dentro de los cuales el vástago se desplaza de arriba hacia abajo. Para montarlas se utiliza ajuste forzado permitiendo una holgura o juego entre la misma guía y el vástago debido a la dilatación que experimentan, considerando que la válvula de escape tendrá un rango mayor de dilatación por la temperatura a la que está expuesta; el orden de holgura comprendido para cada válvula se indica en la tabla 4:
Tabla 4. Holgura entre guías y válvulas de admisión y escape.
Válvula Holgura (mm)
Válvula de admisión 0,004 a 0,007 Válvula de escape 0,007 a 0,01
En la parte superior de la guía suele colocarse un retenedor, esto con el objetivo de regular el paso de aceite al interior de la misma evitando que se generen fugas hacia el interior de la cámara de compresión. La figura 18 presenta el esquema de las partes y el montaje de las válvulas.
Figura 18. Esquemas de las partes de una válvula. (Santander, 2010), (Martínez, 2012).
2.3.2.9. Accionamiento de las válvulas
24 serie de elementos que dependerán en forma y disposición según el tipo de distribución utilizada.” (Martínez, 2012).
La ejecución y desarrollo normal de su funcionamiento dependerá exclusivamente de la posición que tengan las válvulas respecto a la situación del eje de levas en el motor; esto genera que existan varios sistemas de distribución, a saber los sistemas: SV, OHC Y DOHC.
2.3.2.10. Sistema de distribución OHC
“El sistema de distribución OHC o sistema con árbol de levas único al cabezote, por sus siglas en inglés (Over Head Camshaft), lleva el árbol de levas en la culata, prácticamente en contacto con las válvulas”. (Rondón N. , 2012). Al tener esta disposición, el árbol de levas acciona las válvulas con menos elementos generando menos inercia, brindando al motor más potencia que aquel que posee varillas empujadoras.
En su mayoría, este sistema acciona las válvulas con intervención directa del árbol de levas; una interpone taqués entre dicho árbol y las válvulas, y la otra mediante balancines acodados de igual manera, como se indica en la figura 19:
Figura 19. Sistema de distribución OHC montada en un motor Chrysler. (Martínez, 2012).
2.3.3. BALANCINES
25 En motores donde se instala balancines de brazo corto, estos tienen un agujero en su extremo para acoplar el tornillo de ajuste, el cual tiene la punta esférica que cabe en la copilla del extremo superior de la varilla de empuje; en otros modelos de motores, en el extremo del brazo corto del balancín existe una cavidad en la cual se ajusta el extremo superior redondeado de la varilla de empuje. “En ambos casos el extremo del brazo largo del balancín descansa normalmente sobre el extremo del vástago de la válvula del motor. El balancín ajusta suavemente en su eje.” (Santander, 2010). La figura 20 muestra el esquema del despiece de un balancín.
Figura 20. Despiece de un balancín. (Martínez, 2012).
Específicamente, existen dos maneras en las cuales el balancín acciona la válvula: una de ellas es impulsarla desde al árbol de levas, y la otra forma es mediante la varilla de empuje. Este proceso se logra mediante la oscilación del balancín alrededor de un eje hueco, por el cual circula aceite a presión en su interior; estas formas de accionamiento se muestran en la figura 21.
Figura 21. Formas de accionamiento de un balancín. (Martínez, 2012).
2.3.4. EJE DE BALANCINES
26 vástagos de las válvulas, así como la colocación de pernos y soportes para el mismo eje”. (Martínez, 2012).
El funcionamiento ideal del eje de balancines cumple dos funciones: sostener en su posición a los balancines y, conducir el aceite lubricante para las piezas. De esta manera, permite que por su interior circule aceite que permite lubricar de manera constante a los balancines y direcciona dicho aceite hacia los vástagos de las válvulas. El despiece y la estructura del eje de balancines se indican en la figura 22.
Figura 22. Despiece del eje de balancines en diferentes montajes. (Martínez, 2012).
2.3.5. MANDO DESMODRÓNICO
“El mando desmodrónico es un sistema característico del funcionamiento de las válvulas mediante el árbol de levas, el cual acciona el conjunto de válvulas de manera mecánica con el objetivo particular de evitar las diferentes perturbaciones o fenómenos que puedan suscitarse en motores que trabajan a altas revoluciones”. (Martínez, 2012), (Rondón N. , 2012). Tal es el caso de motores de vehículos de competencia los cuales se desarrollan por encima de las 8000 RPM, en los que el accionamiento de los muelles o resortes puede darse con lentitud.
27
Figura 23. Ejemplos de mandos desmodrónicos. (Martínez, 2012).
2.3.6. PISTONES O ÉMBOLOS
El pistón es un elemento móvil de motor que se desplaza en el interior del cilindro, transmitiendo este movimiento rectilíneo alternativo al cigüeñal por medio de la biela.
La parte superior de la cabeza del pistón se acopla dentro del cilindro del motor con dirección a la cámara de combustión. “Sobre dicho extremo actúa la fuerza de expansión de la combustión de la mezcla aire-combustible, para empujar el pistón hacia abajo, dentro del cilindro en el tiempo de expansión.” (Santander, 2010). La sección inferior del pistón es abierta con el fin de acoplar la biela mediante el pasador, permitiendo así el oscilamiento de la misma. Además tiene el fin de disminuir el peso neto del pistón, servir de guía para el extremo superior de la biela, y portar los anillos o rines. La tabla 5 presenta las características específicas de un pistón.
Tabla 5. Funciones y cualidades de un pistón.
Funciones Cualidades
Transmitir a la biela la fuerza de los gases (hasta 75 bares).
Fabricado a precisión para mantenerse ajustado dentro del cilindro.
Asegurar la estanqueidad de gases y lubricante.
Rango mínimo de dilatación en temperatura normal de funcionamiento.
Absorber la mayor cantidad posible de calor producido por la combustión.
Material con peso neto mínimo para alcanzar mayores velocidades de desplazamiento. Evacuar el calor de la combustión hacia las
paredes del cilindro.
Resistencia máxima al desgaste y a los agentes corrosivos de combustibles y lubricantes.
28 “En los motores actuales, los pistones alcanzan altas velocidades de desplazamiento, por esto se fabrican de aleaciones ligeras a base de aluminio y silicio con ligeros contenidos de cobre, níquel y magnesio, con la finalidad de reducir su peso neto”. (Rondón N. , 2012).
El silicio reduce el coeficiente de dilatación y la densidad del pistón, mejora su conductibilidad y aumenta la resistencia a la rotura. Además, para mejorar su índice de rozamiento se recubre con un tratamiento térmico con una ligera capa de plomo, estaño o grafito; y para aumentar su resistencia térmica, en su cabeza se coloca un tratamiento con cerámica.
Considerando el índice de dilatación que sufre cada metal debido a la acción del calor y la necesidad de circulación del lubricante, el pistón se ajusta con holgura entre él y las paredes del cilindro, como indica la figura 24.
Figura 24. Holgura entre pistón-cilindro y, forma de evacuación de calor. (Santander, 2010).
La tabla 6 describe las partes principales de la forma constructiva que constituyen un pistón:
Tabla 6. Partes principales y fundamentales de un pistón.
Partes Sección Descripción
Cabeza
Corona Sección cerrada y superior del pistón. Zona de anillos Ranuras de alojamiento de los segmentos. Espacios interlunares Rebordes entre ranuras de los anillos.
Falda
29 La figura 25 presenta la construcción y las partes fundamentales de un pistón.
Figura 25. Elementos de un pistón. (Santander, 2010).
2.3.6.1. Segmentos o rines del pistón
30 Cuando estos rines ya se han comprimido en el pistón, la separación entre sus puntas debe poseer la tolerancia que permita su dilatación. Para lograr este objetivo hay tres formas específicas de construcción de las mismas considerando el juego lateral o axial y de fondo o radial para que no exista agarrotamiento. La figura 26 representa estas holguras.
Figura 26. Forma de las puntas de los rines y juegos axial y radial. (Martínez, 2012).
“El segmento o rin de compresión es el encargado de evitar el efecto blowby, fenómeno de regresión del esfuerzo de explosión y compresión producido en la cámara de combustión hacia el cárter”. (Santander, 2010). Se expande debido a la presión de los gases de combustión y su propia tensión. Generalmente, este se colocan en las dos primeras ranuras desde la cabeza del pistón; el superior o segmento de fuego se acopla más cercano a las altas temperaturas de la combustión, y el inferior o segmento rascador se coloca para regular la cantidad de aceite que llega a los segmentos de compresión. El segmento o rin de engrase elimina el exceso de lubricante de las paredes del cilindro y lo transporta por su periferia al interior del pistón por medio de sus orificios. Este segmento se acopla en la última ranura para los anillos desde la cabeza del mencionado pistón. La instalación de estos rines se presenta en la figura 27.
31 2.3.6.2. Bulón o pasador del émbolo.
“El bulón es el elemento encargado de mantener unida la biela al pistón; se construye hueco para reducir el peso neto del pistón y se monta con un juego que permite el movimiento pendular de la biela”. (Martínez, 2012). Se fabrica de acero cementado capaz de resistir los esfuerzos de flexión y cizallamiento generados por el pistón, y transmitirlos a la biela, además dispone de buenas propiedades antifricción.
Para evitar que este pasador se desplace lateralmente y ralle las paredes del cilindro, existen tres instalaciones específicas a saber:
“Pasador fijo: se afianza al pistón con un esparrago o tornillo de presión.” (Santander, 2010). Las partes y la estructura de este pasador se muestran en la figura 28.
Figura 28. Pasador o bulón fijo. (Santander, 2010), (Martínez, 2012).
Pasador libre: se sujeta en cada extremo por medio de pines de presión y gira libremente con pistón y biela. Se comprime para instalarlo y al expandirse se aloja en una ranura circular que evita su salida. El esquema completo de este pasador se presenta en la figura 29.
