Estructura del motor de explosin

ndice del curso

El motor trmico de combustin interna est formado bsicamente por una serie de elementos estticos y dinmicos, clasificados, en funcin de la misin que cumplen dentro del motor, en tres grupos esenciales, que seran:

Elementos fijos En este grupo estn encuadrados aquellos elementos estticos necesarios para el funcionamiento del motor. Forman el armazn del motor y de los cilindros, en cuyo interior tiene lugar el proceso de combustin.

Bloque motor El bloque constituye el cuerpo estructural donde se alojan y sujetan todos los dems componentes del motor. La forma y disposicin del bloque est adaptada al tipo de motor correspondiente, segn sea de cilindros en "lnea", horizontales opuestos o en "V". El bloque motor contiene los cilindros, los apoyos del cigeal y la culata, las canalizaciones de refrigeracin y engrase etc.

Bloque con refrigeracin por agua Los motores refrigerados por agua llevan situados en el interior del bloque unos huecos y canalizaciones, denominadas "camisas de agua", que rodean a los cilindros y a travs de los cuales circula el agua de refrigeracin.

Bloque con refrigeracin por aire En los motores enfriados por aire, para que la refrigeracin se realice en las debidas condiciones en toda la periferia del cilindro, es preciso que stos sean independientes, por lo que esta disposicin se emplea generalmente para motores monocilindricos. Para conseguir la refrigeracin se dispone alrededor del bloque una serie de aletas que aumentan la superficie radiante y eliminan mejor el calor interno.

Bloque de motor de dos tiempos En pequeos motores de dos tiempos, debido a su sistema de alimentacin y escape por lumbreras laterales situadas en el cilindro, no es preciso hacer la culata desmontable. Se fabrican generalmente de un solo cuerpo, del tipo monoblock, con lo que resultan ms compactos y evitan puntos de unin entre sus elementos.

En otros casos, en los motores de 2 tiempos la culata si est separada del bloque como podemos ver en le figura inferior.

Fabricacin del bloque Los bloques se fabrican de una sola pieza y completamente huecos para eliminar peso muerto en el motor. Todos los cilindros van dispuestos en uno o dos bloques, segn el tipo de motor, unidos por su bancada, formando as un cuerpo nico. Esta disposicin de un solo bloque tiene la ventaja de dar mayor rigidez al conjunto, simplifica la refrigeracin del motor y facilita el proceso de fabricacin. El material empleado en la fabricacin de los bloques es, generalmente, fundicin de hierro con estructura perltica, aleado con pequeas proporciones de cromo y nquel, que proporcionan una gran resistencia al desgaste y proteccin a la corrosin. Este material adems resiste muy bien las altas temperaturas que tiene que soportar. En la fabricacin de bloques se emplean tambin las aleaciones ligeras a base de aluminio-silicio, que tienen las ventajas de su menor peso y gran conductibilidad trmica, con lo que se mejora la refrigeracin. Estas caractersticas permiten aumentar el grado de compresin en los motores de gasolina, con lo que se obtiene una mayor potencia til y un menor peso especfico para una misma cilindrada.

Formacin de los cilindros El orificio circular que sirve de cilindro puede practicarse sobre el propio material del bloque, o bien puede obtenerse ajustando en este unas piezas postizas en forma de tubo llamadas "camisas". Estas piezas se fabrican independientemente y se montan sobre el bloque con un buen ajuste. Segn el procedimiento empleado para obtener los cilindros hay que distinguir tres clases de bloques:

Bloque integral Los cilindros se mecanizan sobre el propio material del bloque. Para ello, el orificio destinado a formar el cilindro se obtienen en bruto, de fundicin, con la sobremedida necesaria para el mandrilado Este tipo de bloque es muy utilizado en la actualidad.

Bloque con camisas Las camisas son unos cilindros desmontables que se acoplan al bloque motor. Tienen la ventaja de que se pueden fabricar de materiales distintos al del bloque motor, por lo que pueden ser ms resistentes al desgaste y ms eficientes a la hora de evacuar el calor. En caso de avera o desgaste de los cilindros pueden ser sustituidas las camisas sin que el bloque motor se vea afectado. Las superficies interiores de las camisas se obtienen por mecanizado de precisin, rectificado y pulido. A continuacin, reciben un tratamiento superficial, que en muchos casos es un cromado con el fin de reducir el desgaste de segmentos y cilindros, estando controlado es proceso de forma que resulte una superficie finamente porosa capaz de retener el lubricantes.

Hay dos tipos de camisas en los bloques:

Camisas secas: se llaman camisas "secas" por qu no estn en contacto directo con el lquido de refrigeracin Camisas hmedas: se llaman camisas "hmedas" por qu estn en contacto directo con el lquido refrigerante

Camisas secas Estas camisas van montadas a presin, en perfecto contacto con la pared del bloque, para que el calor interno puede transmitirse al circuito de refrigeracin. Estas camisas se fabrican de materiales ms resistentes que los del bloque por lo que pueden utilizarse en motores que soporten mayores presiones internas como son los motores Diesel. Las camisas se montan en el bloque a presin por medio de una prensa, de esta forma se consigue que queden fijas sobre el bloque sin que puedan moverse. Las camisas secas pueden ser con pestaa de asiento y sin pestaa.

Camisas hmedas Las camisas hmedas son unos cilindros independientes que se acoplan al bloque que es completamente hueco. Se ajustan al bloque por medio de unas juntas de estanqueidad, para evitar que el agua pase al crter de aceite. Estas camisas sobresalen ligeramente del plano superior del bloque de forma que quedan fijadas una vez que se aprieta la culata.

Esta disposicin del motor ofrece una mejor refrigeracin del motor, y se emplea generalmente en motores de gran potencia, donde se necesita una mayor evacuacin de calor. Tiene el inconveniente de su mayor costo de fabricacin y una cierta dificultad de montaje, ya que, al estar la camisa en contacto directo con el lquido de refrigeracin, existe el riesgo de que se produzcan fugas a travs de las juntas de estanqueidad.

La culata Es la pieza que sirve de cierre de los cilindros, formndose generalmente en ella las cmaras de combustin. En la culata se instalan las vlvulas de admisin y escape, los colectores de admisin y escape, los balancines, el rbol de levas, tambin los elementos de encendido o inyeccin, segn el tipo de motor de que se trate. Adems de las cmaras de combustin la culata tiene cmara para el lquido de refrigeracin y conductos para los gases de escape y aire de admisin.

Culata para motor de cuatro tiempos Debido a los esfuerzos a que est sometido y a las altas temperaturas que tiene que soportar, este elemento es una de las piezas ms delicadas y de difcil diseo del motor. La cantidad de huecos y orificios de paso que posee pueden hacer que su estructura quede debilitada. Se fabrica hueca para que pueda circular por su interior el agua de refrigeracin. Todo ello hace muy difcil a la hora de proyectar una culata, fijar matemticamente sus dimensiones y espesores de material, los cuales deben adaptarse a las caractersticas del motor, con un espesor en sus paredes lo ms uniforme posible para evitar desequilibrios trmicos en la misma, lo cual originaria la aparicin de grietas en la estructura. Las zonas de la culata que soportan ms calor son: la cmara de combustin y el conducto de salida de los gases quemados. Por tanto, se debe estudiar con detalle la correcta circulacin del lquido de refrigeracin, para que todo el conjunto quede trmicamente equilibrado.

Culata para motores de dos tiempos Esta culata es ms simple que la de cuatro tiempos, ya que solo necesita un orificio para instalar la buja o inyector. Resulta an ms sencilla si la refrigeracin se realiza por aire. No obstante, la refrigeracin de esta culata es de suma importancia, ya que, al producirse en ella las combustiones con mayor rapidez, se dispone de menos tiempo para la evacuacin del calor interno. Por esta razn su material alcanza mayor temperatura lmite durante su funcionamiento. Estas culatas utilizan materiales de aleacin ligera como el aluminio y tienen una serie de aletas externas que ayudan a la evacuacin del calor del motor.

Material de las culatas El material para la fabricacin de las culatas es:

Aleacin de aluminio: la culata se construye de aleacin de aluminio, silicio y magnesio. Sus principales cualidades son una buena resistencia, peso reducido y gran transferencia de calor, lo que permite alcanzar rpidamente la temperatura de funcionamiento y facilita la refrigeracin. Estas culatas son ms caras de fabricar y son ms frgiles porque sufren mayores deformaciones. Pero tienen la ventaja de su menor peso y su mayor capacidad de refrigeracin del motor. Estas caractersticas hacen que las culatas de este tipo sean la ms utilizadas actualmente. Se pueden montar tanto en motores con bloque de fundicin como de aleacin de aluminio.

Hierro fundido: la culata se construye con una aleacin de hierro, cromo y nquel, que la hacen ms resistente y menos propensa a las deformaciones. Estas culatas admiten un mayor par de apriete y es ms resistente a las deformaciones y tiene la desventaja de su mayor peso y su menor capacidad de refrigeracin del motor.

Montaje de la culata Una de las caractersticas a tener en cuenta de las culatas es su amarre al bloque motor, ya que, al estar sometida a la fuerza de empuje de los gases de la combustin, tiende a separarse del bloque. Por esta razn, el sistema de amarre y el nmero ms conveniente de puntos de unin, se estudia cuidadosamente, as como la calidad y dimensiones de los esprragos empleados para ello. El nmero de puntos de amarre depende de las dimensiones de la culata ya que si se emplean muchos esprragos, mayor es el nmero de agujeros que hay que practicar en la misma, lo que debilita su estructura y aumenta las dificultades de moldeado. Por otra parte se disminuye el peligro de flexin y la dilatacin de la misma, al ser menor la separacin entre puntos de amarre, asegurando as el cierre estanco de los cilindros. El par de apriete establecido para cada culata viene indicado por el fabricante en funcin de la presin interna y del material empleado en su fabricacin. Este par de apriete se logra con el empleo de llaves dinamomtricas. Se debe seguir el orden de apriete establecido por el fabricante, comenzando normalmente por el centro y terminando por los extremos.

Formas y caractersticas de las cmaras de combustin Una caracterstica importante de las culatas es el tipo de cmaras de combustin que llevan mecanizadas. La cmara de combustin es el espacio que existe entre la cabeza del pintn en el PMS y las diferentes formas que se mecanizan en la culata. En la cmara de combustin se comprime la mezcla o el aire en su grado mximo. La cmara de combustin se construye principalmente en la culata, y en ella se alojan las vlvulas de admisin y escape y la buja o el inyector dependiendo del motor sea Otto o Diesel.

Cmaras de combustin para motores Otto En los motores de gasolina los mejores resultados se obtienen con una forma de cmara semiesfrica; pero debido a la disposicin y dimensionado de las vlvulas, cuyo asiento debe ser plano, la configuracin de la cmara se aleja de su forma ideal.

Las diferentes formas de la cmara de combustin pueden ser:

Cmara de baera y en cua Se emplean generalmente con las vlvulas situadas en la culata y la buja situada lateralmente, lo cual facilita el acceso a este elemento. Tienen la ventaja de que el recorrido de la chispa es muy corto y de limitar el acceso de turbulencia en el gas, producindose, a la entrada de gases, un soplado sobre la cabeza del mbolo que reduce el picado. La cmara en forma de cua tiene las vlvulas colocadas en paralelo, lo que simplifica su sistema de mando. La cmara en forma de baera tiene una configuracin que facilita un gran alzado de vlvulas y tambin se simplifica el sistema de mando.

Cmara hemisfrica Es la ms parecida a la forma ideal, las vlvulas se disponen una a cada lado de la cmara y la buja en el centro. Esta disposicin favorece la combustin y acorta la llama desde la buja a la cabeza del mbolo. Este tipo de cmara se emplea mucho actualmente, ya que permite utilizar vlvulas de mayor seccin o bien situar ms vlvulas para la admisin y escape (3, 4 y hasta 5 vlvulas).

Cmara cilndrica Esta cmara es muy utilizada por su sencillez de diseo y fcil fabricacin, lo cual abarata el costo de la culata.

Cmara de combustin en motores de inyeccin directa La cmara en estos motores desempea un papel muy importante ya que en algunas fases de su funcionamiento se utilizan mezclas pobres. Los pistones en estos motores utilizan unos deflectores en su cabeza (figura inferior), cuya forma orienta convenientemente el torbellino del gas de manera que se concentra una mezcla rica en torno a la buja y por otra parte tenemos una mezcla pobre en la periferia.

Cmaras de combustin para motores Diesel En el funcionamiento de los motores Diesel, la combustin se realiza comprimiendo solamente el aire de admisin e inyectando a continuacin el combustible, el cual, al contacto con el aire caliente, se inflama y produce la combustin. Esta inflamacin no es instantnea sino que se produce cuando la temperatura del mismo se comunica al lquido. Es decir, que si el aire esta en reposo, las primeras gotas de combustible enfran el aire circundante, lo cual retrasa la combustin. Por otra parte, la combustin en estos motores no se realiza en un frente nico, como ocurre en los motores Otto, sino en diferentes puntos a la vez y se transmite a toda la mezcla. Si todos estos puntos de aire, en el interior de la cmara, no estn a la misma temperatura se produce un efecto de picado, al no inflamarse la mezcla homogneamente. Para tener una combustin ptima en los motores Diesel es necesario tener una relacin de compresin alta y conseguir que el aire de admisin adquiera una turbulencia para que el calor se transmita por igual en todos los puntos de la cmara.

La turbulencia del aire dentro del cilindro se consigue dando a la cmara de combustin la forma ms adecuada. Segn la disposicin adoptada, existen los siguientes tipos de cmaras:

Cmaras de inyeccin directa En este sistema el combustible es inyectado directamente en la cmara de combustin a travs de varios orificios del inyector. Al chocar el combustible contra la cabeza del mbolo, que es la zona ms caliente, se consigue una mejor mezcla y varios puntos simultneos de ignicin. La cmara de combustin est constituida en la cabeza del mbolo y la turbulencia se consigue dando a esta cmara una forma toroidal. Durante la admisin entra el aire con una inclinacin adecuada e incide lateralmente en la cmara y, siguiendo la forma de la misma, crea un torbellino en el centro que sube hasta chocar contra la culata y se une al que sigue entrando para formar el torbellino trico. El torbellino, durante la compresin, aumenta de velocidad, consiguiendo as mantener el aire en movimiento y su temperatura homognea en toda la cmara. Este sistema, al tener menor superficie de cmara de contacto con el circuito de refrigeracin, proporciona una mayor temperatura interna, lo cual facilita el arranque en fro y supone un menor consumo de combustible. El rendimiento del motor es ms elevado ya que se produce una combustin completa.

Cmaras de inyeccin indirecta Este tipo de motores utilizan una cmara de combustin principal y otra auxiliar. La inyeccin de combustible se realiza en el pre cmara o cmara auxiliar que est unida a la principal por un estrechamiento, cuya funcin es provocar una gran turbulencia del aire y el combustible inyectado. La cmara auxiliar se fabrica de acero especial y va montada de manera postiza sobre la culata. La relacin de compresin es ms alta que en los motores de inyeccin directa del orden de 18 - 22/1. El uso de cmara auxiliar suaviza el funcionamiento del motor Diesel y como desventaja tiene que aumentar el consumo de combustible. El arranque en fro del motor es ms difcil por lo que se utilizan sistemas de precalentamiento de la cmara auxiliar.

Cmara de pre combustin La cmara de combustin est dividida en dos partes; una en la propia cmara del cilindro y la otra en una antecmara o cmara auxiliar. Ambas cmaras se comunican entre s a travs de unos finos orificios, llamado difusores. Durante la compresin casi todo el aire pasa de la cmara principal a la antecmara a travs de los difusores y adquiere gran velocidad debido a la estrechez de los orificios. Una vez que se inyecta el combustible se produce la combustin en contacto con el aire caliente, de modo que se crea una sobrepresin que expulsa los gases inflamados a travs de los orificios calibrados a gran velocidad. Esto provoca una turbulencia en la cmara principal que hace posible una combustin progresiva.

Cmara de turbulencia Esta configuracin se compone de una cmara auxiliar de forma casi esfrica anexa a la cmara de combustin principal, que tiene casi el 50% del volumen de la compresin total. La cmara auxiliar est conectada con la principal por una canal que desemboca tangencialmente orientado hacia el centro del pistn. En la cmara auxiliar estn ubicadas tambin el inyector y la buja de incandescencia. En la cmara de turbulencia se produce en el tiempo de compresin una fuerte turbulencia, en la cual el combustible es inyectado sobre el aire caliente que provoca la combustin total en el interior de la cmara auxiliar. La violencia de la expansin de los gases en la combustin es frenada por el canal tangencial, con lo que se consigue una expansin suave y progresiva. Los motores con cmara de turbulencia son los ms utilizados en los motores Diesel para automviles. Esto fue as hasta la aparicin de los motores de inyeccin directa que son los ms utilizados actualmente.

Colectores de admisin y escape Estos elementos van situados lateralmente en la culata y, como su nombre indica, son los conductos por los cuales entran las gases frescos al interior del cilindro y salen al exterior los gases quemados.

Colector de admisin El colector de admisin suele fabricarse de aluminio, ya que al no estar expuesto a las elevadas temperaturas del motor no sufre apenas dilataciones, reduciendo as el peso del mismo. La principal caractersticas de este colector, es su perfecto diseo en cuanto a distribucin y dimetro interior, a fin de que la mezcla o aire de admisin llegue sin prdidas de carga a cada uno de los cilindros. Para que esto se cumple la longitud de los tubos debe ser lo ms corto posible y equidistante del carburador o en sistemas de inyeccin monopunto, con una superficie interior perfectamente lisa, para evitar retenciones de la mezcla durante la admisin.

Para favorecer el arranque en fro evitando que el combustible se condense en las paredes, se utilizan sistemas de calentamiento situados en los colectores por debajo de la mariposa de gases. Estos sistemas pueden aprovechar el calor del agua de refrigeracin o bien utilizar una resistencia elctrica de calentamiento. En sistemas de inyeccin multipunto, los colectores se pueden optimizar mejor, ya que cada cilindro tiene su inyector al lado de la vlvulas de admisin, por lo que podemos dar una longitud a los tubos de admisin lo ms ptimo a las caractersticas del motor (cilindrada, n r.p.m.). En este tipo de motores se pueden utilizar sistemas de admisin variable que pueden variar la longitud de los tubos del colector de admisin o bien utilizar tubos divididos que se utilizan parcialmente o en su totalidad utilizando mariposas de paso.

En motores Diesel se utilizan colectores como los utilizados en los sistemas de inyeccin multipunto ya que tienen un inyector por cada cilindro independientemente del sistema de inyeccin utilizado. En estos motores se buscan colectores de admisin que consigan una elevada turbulencia de aire en el interior del cilindro.

Colector de escape Se fabrican de hierro fundido con estructuras perltica, ya que tiene que soportar altas temperaturas y presiones durante la salida de los gases. Como en el caso del colector de admisin, debe estar diseado para evitar toda contrapresin en el interior del cilindro y facilitar la salida rpida de los gases. Existen varios modelos que se adaptan a cada tipo de motor. Se emplea el sistema de tubos mltiples en los motores de altas prestaciones.

Disposicin de los colectores en el motor Los colectores se sitan uno a cada lado de la culata, lo cual favorece el arrastre de gases quemados debido al flujo de entrada de los gases frescos de admisin. Otras veces, ambos colectores se colocan en el mismo lado de la culata, con lo cual el calor de los gases de escape se transmite al colector de admisin. Esta disposicin favorece la perfecta carburacin de la mezcla en los motores Otto y evita la condensacin de los gases en el colector de admisin en tiempo fro.

Juntas en el motor En todo acoplamiento de elementos fijos se interpone una junta de unin, la cual hace de cierre estanco entre ellos. El material empleado para cada tipo de junta debe ser el adecuado a la funcin que tiene que cumplir y a la posicin que ocupa en el motor, ya que algunas de estas juntas han de soportar elevadas presiones y temperaturas. La junta ms importante del motor es la junta culata, por las duras condiciones en las que tiene que trabajar y por su enorme importancia en el normal funcionamiento del motor.

Las juntas en general utilizadas en el automvil estn fabricadas en materiales como papel, corcho, caucho, metal o la combinacin de alguno de ellos (juntas de acero recubiertas de elastmeros). Atendiendo a su aplicacin, pueden dividirse en juntas de culata, juntas de sellado de crteres de aceite, colectores de admisin y escape, bomba de agua, bomba de aceite, etc.

Junta culata La junta de culata es la junta plana sometida a las mayores exigencias de trabajo en el interior de un motor. Tiene la funcin de sellar las cmaras de combustin, los conductos de refrigerante y lubricante, y los agujeros de los tornillos entre s. Dependiendo del diseo del motor, una junta de culata consta de varias lminas de acero. As por ejemplo, los motores Diesel de elevada carga de funcionamiento precisan de unas juntas de culata con un diseo constructivo mucho mayor que los motores Otto de escasa potencia y poca carga.

Las prestaciones de las juntas culatas deben resistir todo tipo de requerimiento qumico, fsico y estructural de los motores y deben ser construidas con una elevada resistencia a: los gases de combustin y a diversos fluidos agresivos, las altas temperaturas y rpidas variaciones trmicas de hasta 240C, y las altas presiones de combustin extremadamente variables y puntuales de hasta 120 bar en motores Otto y ms de 200 bar en los motores Diesel, por citar algunos datos.

Datos para elegir la junta culata Para elegir el tipo de junta culata que montaremos sobre el motor hay una serie de datos que hay que tener en cuenta. Uno de los datos es la distancia entre la superficie del pistn (C) en el punto muerto superior (PMS) y la superficie de separacin del bloque motor. Otro dato importante es el espesor de la junta que viene determinado por el "nmero de entalladuras" o muescas.