motores_mantenimiento_de_vehÃculos_autopropul

S. Sanz

moMantenimiento de vehculos autopropulsados

motores

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Edicin: Javier Ablanque Diseo de cubierta: Estudio Grfico Juan de la Mata Fotocomposicin, maquetacin y realizacin de grficos: J.B. Estudio Grfico y Editorial, S. L. Fotografas: Audi, BMW, Bosch, Citron, Estebn Jos Domnguez, Fiat Auto Espaa, S. A., Ford, Hiunday, Honda, Julin Ferrer, Km77.com, Lancia, Mazda Corporation, Mercedes, Mitsubishi, Opel, Peugeot, Porsche Ibrica, S. A., Renault, Saab, Seat, Tecner, Toyota, Volkswagen, Yamaha, autor y archivo Editex Preimpresin: Jos Ciria Produccin editorial: Francisco Antn Direccin editorial: Carlos Rodrguez

Editorial Editex, S. A. ha puesto todos los medios a su alcance para reconocer en citas y referencias los eventuales derechos de terceros y cumplir todos los requisitos establecidos por la Ley de Propiedad Intelectual. Por las posibles omisiones o errores, se excusa anticipadamente y est dispuesta a introducir las correcciones precisas en posteriores ediciones o reimpresiones de esta obra.

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El presente material didctico ha sido creado por iniciativa y bajo la coordinacin de Editorial Editex, S. A., conforme a su propio proyecto editorial. Santiago Sanz Acebes Editorial Editex, S. A. Va Dos Castillas, 33. C.E. tica 7, edificio 3, planta 3, oficina B 28224 Pozuelo de Alarcn (Madrid) ISBN: 978-84-9771-479-2 Depsito Legal: M-29511-2007 Imprime: Melsa Ctra. Fuenlabrada-Pinto, km 21,800 28320 Pinto (Madrid) Impreso en Espaa - Printed in SpainQueda prohibida, salvo excepcin prevista en la Ley, cualquier forma de reproduccin, distribucin, comunicacin pblica y transformacin de esta obra sin contar con autorizacin de los titulares de propiedad intelectual. La infraccin de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (arts. 270 y sigs. del Cdigo Penal). El Centro Espaol de Derechos Reprogrficos (www.cedro.org) vela por el respeto de los citados derechos.

NDICE

BLOQUE I. Motores de cuatro tiempos Otto y Diesel1. El motor de combustin interna . . . .81 Historia del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 2 El motor trmico de combustin interna . . . . .11 3 Clasificacin de los motores de combustin interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 Para practicar: Identificar diferentes tipos de motores . . . . . . . . .15 Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . .16

3 Ciclo de trabajo del motor Diesel . . . . . . . . . .47 4 Compresin y combustin . . . . . . . . . . . . . . . .52 5 Intercambio de gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55 6 Sobrealimentacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56

7 Tipos de motores Diesel de cuatro tiempos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57 8 Comparacin entre motores Diesel y Otto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 Para practicar: Desmontaje de un motor Diesel . . . . . . . . . . . . . .61 Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . .62

4. Caractersticas de los motores . . . . .64 2. El motor Otto de cuatro tiempos . . . . . . . . . . . . . . .181 Caractersticas del motor Otto . . . . . . . . . . . . .20 3 Caractersticas principales de los motores . . . .70 2 Constitucin del motor Otto . . . . . . . . . . . . . . .22 4 Curvas caractersticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75 3 Funcionamiento del motor trmico de combustin interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 4 Motores Otto de cuatro tiempos . . . . . . . . . . .36 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38 Para practicar: Clculo de la cilindrada de un motor . . . . . . . . . .39 Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . .40 5 Obtencin de las curvas caractersticas . . . . . .79 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86 Para practicar: Dibujar las curvas caractersticas de un motor . . . .87 Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . .88 1 Rendimiento del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66 2 Tipos de rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67

3. El motor Diesel de cuatro tiempos . . . . . . . . . . . . . . .421 Caractersticas del motor Diesel . . . . . . . . . . . .44 2 Constitucin del motor Diesel . . . . . . . . . . . . .46

5. Disposicin de los cilindros en el motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .901 Motores policilndricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92 2 Disposicin de los cilindros . . . . . . . . . . . . . . . .93 3 Nmero de cilindros y orden de encendido . .95

4 Formas del cigeal y tiempos de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96 5 Constitucin del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 Para practicar: Ciclo de trabajo de un motor de cuatro tiempos . . . . . . . . . . . . .101 Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . .102

3 Desmontaje de la culata y sus componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125 4 Comprobacin de la culata 5 Rectificado de la culata . . . . . . . . . . . . . .128

. . . . . . . . . . . . . . . . .129

Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 Para practicar: Comprobacin del plano de culata . . . . . . . . . .133

Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . .134

BLOQUE II. Estudio y verificacin de los componentes del motor6. La culata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1041 Descripcin de la culata . . . . . . . . . . . . . . . . .106 2 Tipos de culata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108

8. El sistema de distribucin . . . . . . . .1361 El sistema de distribucin . . . . . . . . . . . . . . . .138 2 Disposiciones de la distribucin . . . . . . . . . . .138 3 Mando de la distribucin . . . . . . . . . . . . . . . .140 4 Vlvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144 5 rbol de levas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151 6 Elementos intermedios . . . . . . . . . . . . . . . . . .153 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158 Para practicar: Determinar el diagrama de distribucin del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . .159 Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . .160

3 Cmara de combustin . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 4 Colectores de admisin y escape . . . . . . . . . .114 5 Junta de culata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116 Para practicar: Clculo de la relacin de compresin en un motor Diesel de inyeccin directa . . . . . .117 Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . .118

9. Sistemas para mejorar la carga del cilindro . . . . . . . . . . . . .1621 Rendimiento volumtrico . . . . . . . . . . . . . . . .164 2 Distribucin multivlvulas . . . . . . . . . . . . . . .165

7. Desmontaje y comprobacin de la culata . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1201 Normas generales sobre las prcticas . . . . . .122 2 Extraccin del grupo motopropulsor . . . . . .123

3 Admisin variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167 4 Sistema de distribucin variable . . . . . . . . . .169 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176Y

Para practicar: Funcionamiento del sistema de admisin variable ACAV de Citron

3 Pistn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .228 . . . . . . .177 4 Biela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234 5 Cigeal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .236 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .240


10. Comprobacin de la distribucin . . . . . . . . . . . . .1801 Anomalas en la distribucin . . . . . . . . . . . . .182 2 Comprobacin de los componentes de la distribucin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182 3 Proceso de montaje de la culata . . . . . . . . . .192 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197 Para practicar: Comprobacin de las vlvulas . . . . . . . . . . . . . . .199 Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . .200

Para practicar: Dimensiones de un pistn . . . . . . . . . . . . . . . . . .241 Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . .242

13. Comprobacin de pistn, biela, cigeal y bloque . . . . . . . .2441 Averas y consecuencias . . . . . . . . . . . . . . . . .246 2 Desmontaje de pistones, bielas y cigeal . .249 3 Comprobacin de pistones, bielas, cigeal y bloque . . . . . . . . . . . . . . . .252 4 Montaje del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .263

11. Verificacin y puesta a punto de la distribucin . . . . . . . . . . . . .2021 Calado de la distribucin . . . . . . . . . . . . . . . .204 2 Sustitucin de una correa dentada . . . . . . . .208 3 Comprobacin de las cotas de distribucin .210

Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .266 Para practicar: Sustitucin de los cojinetes de bancada . . . . . . .269 Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . .270

4 Reglaje de vlvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .212 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216 Para practicar: Cambio de una correa de distribucin . . . . . . . .217 Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . .218

BLOQUE III. Sistemas de lubricacin y refrigeracin14. El sistema de lubricacin . . . . . . .2721 Lubricacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .274 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .275 . . . . . . . . .281 2 Aceite de motor

12. Bloque motor y tren alternativo . .2201 Transmisin de fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . . .222 2 Bloque motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225

3 Sistema de lubricacin del motor

Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .292

Para practicar: Circuito de engrase a presin . . . . . . . . . . . . . . .293 Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . .294

Para practicar: Comprobaciones en el circuito de refrigeracin

. . . . . . . . . . . . . .341


15. Comprobacin del sistema de lubricacin . . . . . . . . . . . . . . . .2961 Mantenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .298 2 Comprobacin del sistema de lubricacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .301 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .304 Para practicar: Prueba de la presin en el circuito de engrase

BLOQUE IV. Motores de dos tiempos y motores rotativos18. El motor de dos tiempos . . . . . . .3441 Caractersticas principales . . . . . . . . . . . . . . . .346 2 El motor Otto de dos tiempos . . . . . . . . . . . .346

. . . . . . . . . . . . . . . . . .305

3 Principales componentes del motor de dos tiempos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .355 4 El motor Diesel de dos tiempos . . . . . . . . . . .359 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .362


16. El sistema de refrigeracin . . . . .3081 Funcin de la refrigeracin . . . . . . . . . . . . . .310 2 Refrigeracin por aire 3 Refrigeracin por agua . . . . . . . . . . . . . . . . . .311 . . . . . . . . . . . . . . . . .313

Para practicar: Montaje del cigeal en un motor de dos tiempos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .363 Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . .364

Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .326 Para practicar: Circuito de refrigeracin . . . . . . . . . . . . . . . . . .327

19. El motor rotativo Wankel . . . . . .3661 Caractersticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .368 2 Constitucin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .368


3 Funcionamiento del motor rotativo . . . . . . .372 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .376

17. Comprobacin del sistema de refrigeracin . . . . . . . . . . . . . .3301 Averas en la refrigeracin . . . . . . . . . . . . . .332 2 Comprobaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333 Actividades finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .340

Para practicar: Caractersticas del motor rotativo Wankel . . . . .377 Evala tus conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . .378

Anexo: El vehculo hbrido

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CMO SE USA ESTE LIBROCada una de las 19 unidades que contiene este libro comienza con una breve presentacin que anticipa el contenido. Tambin se incluyen unas cuestiones iniciales para que evales tus conocimientos previos, un ndice secuencial de los contenidos tratados en la unidad y los objetivos que debes alcanzar al finalizar la misma.

A continuacin se desarrollan los contenidos exponiendo de manera organizada los conceptos y procedimientos que permitan conseguir los objetivos fijados. Las unidades de contenido terico se complementan con otras de carcter prctico en las que se desarrollan los procesos de comprobacin y diagnstico de los componentes del motor. Se han incluido numerosas imgenes que hacen ms fcil la comprensin del texto

A lo largo de las unidades didcticas encontrars actividades resueltas que consisten en problemas planteados y desarrollados y que muestran cmo se realizan ciertos clculos necesarios para aclarar los conceptos tratados con anterioridad.

motoresAl trmino de cada unidad se proponen las actividades finales, dirigidas a fijar los conocimientos esenciales de la unidad y diferenciadas en dos tipos: actividades de ampliacin y de taller. Las actividades de ampliacin se pueden resolver una vez realizada la lectura de la unidad, mientras que las actividades de taller, al ser prcticas, se deben realizar con ayuda de los materiales y herramientas necesarios.

En el apartado para practicar se presenta el desarrollo de un caso prctico, en el que se describen las operaciones que se realizan, se detallan las herramientas y el material necesario, y se incluyen fotografas que ilustran los pasos a seguir.

En evala tus conocimientos, el alumno puede autoevaluarse mediante un test en el que se plantean las cuestiones fundamentales de la unidad. Seguidamente, la seccin en resumen presenta el conjunto de los contenidos de la unidad didctica resumidos y organizados. Para finalizar se incluye amplia con donde se propone la consulta de pginas de internet, publicaciones en papel y digitales, con las que podrs ampliar tus conocimientos.

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Unidad 1

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El motor de combustin interna

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para empezar...El motor de combustin interna hace posible la transformacin de calor en trabajo mecnico. El primer motor de estas caractersticas se construy en 1863, consuma gas de alumbrado y tan slo era capaz de aprovechar el 3 % de la energa de la combustin. Desde entonces este motor no ha dejado de evolucionar, aunque sus principios bsicos de funcionamiento se mantienen en la actualidad. Hoy equipa a todo tipo de vehculos autopropulsados: Automviles y motocicletas. Camiones y autocares. Maquinaria agrcola y de obras pblicas. Locomotoras, barcos y pequeos aviones. Adems de otras mltiples aplicaciones: Generadores elctricos, compresores, motobombas, cortacspedes, motosierras, etc.

... vamos a conocer1. Historia del motor 2. El motor trmico de combustin interna 3. Clasificacin de los motores de combustin interna PARA PRACTICAR Identificar diferentes tipos de motores

qu sabes de...1. Quin construy el primer motor de cuatro tiempos? 2. Qu transformacin de energas realiza un motor trmico? 3. Qu se entiende por motor de combustin interna? 4. Cmo se pueden clasificar los motores de combustin interna?

y al finalizar...

Conocers brevemente la historia del motor trmico de combustin interna. Clasificars los diferentes tipos de motores de combustin interna.Y

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Unidad 1

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1. Historia del motorEl motor de combustin interna se desarrolla como una evolucin de la mquina de vapor. En este motor el trabajo se obtiene por la combustin interna de una mezcla de aire y combustible, a diferencia de la mquina de vapor, que aprovecha la presin del vapor de agua que se produce por una combustin externa. El primer motor de combustin interna fue construido por el francs Etienne Lenoir en 1863. Este motor fue mejorado notablemente por el alemn Nikolaus Otto que, en 1876, invent el primer motor que funcionaba con el ciclo de cuatro tiempos. En su honor este motor de explosin se denomina motor Otto. En 1878, el escocs Dugald Clerk construye el primer motor de dos tiempos. En 1885, Daimler monta sobre un vehculo de dos ruedas un motor de gasolina de alta velocidad desarrollado por el ingeniero Maybach. Esta es la primera motocicleta del mundo. En 1886, Karl Benz construye el primer automvil de tres ruedas. Ese mismo ao Daimler aplica el motor de Maybach sobre un carruaje de cuatro ruedas. La historia del automvil haba comenzado. En 1892, el alemn Rudolf Diesel inventa un motor que funciona con combustibles pesados y no necesita sistema de encendido, que se llamar motor Diesel. Cinco aos despus, en 1897, se construye el primero de estos motores. Ser aplicado en un camin por primera vez en el ao 1923, aunque ya en 1912 se haba montado en una locomotora. En 1904 se fabrica en Barcelona el primer automvil de la marca La HispanoSuiza. Est equipado con un motor de cuatro cilindros y 20 CV de potencia. En 1957, el alemn Felix Wankel prueba con xito un nuevo motor de pistn rotativo que es conocido con el nombre de su inventor, motor Wankel.

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Figura 1.1. Motor Otto de 1899.

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Figura 1.2. Automvil construido por Benz en 1886.


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2. El motor trmico de combustin internaSe denomina as al motor que transforma la energa trmica en energa mecnica mediante la combustin de una mezcla de aire y carburante que se quema interiormente generando un trabajo mecnico. Los motores trmicos de combustin interna empleados en automocin deben reunir una serie de cualidades: Buen rendimiento, es decir, que transforme en trabajo buena parte de la energa que produce la combustin. Bajo consumo con relacin a su potencia. Gases de escape poco contaminantes. Fiabilidad y durabilidad. Bajo coste de fabricacin y mantenimiento.

3. Clasificacin de los motores de combustin internaLos motores de combustin interna se pueden clasificar atendiendo a diferentes aspectos: Por la forma de iniciar la combustin: Motores Otto. Motores Diesel. Por el ciclo de trabajo: Motores de 4 tiempos. Motores de 2 tiempos. Por el movimiento del pistn: Motores de pistn alternativo. Motores de pistn rotativo.

Audi

c Figura 1.3. Motor Otto de seis cilindros en V.

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Unidad 1

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3.1. Motor OttoTambin llamado motor de explosin o motor de encendido provocado (MEP). Consume generalmente una mezcla de aire y gasolina que se prepara en el exterior de la cmara de combustin. La mezcla se inflama por una chispa elctrica que proporciona un sistema de encendido externo. Soporta presiones moderadas, por lo que sus componentes son ligeros y pueden alcanzar un alto nmero de revoluciones. Consiguen su potencia mxima entre 5.000 y 7.000 revoluciones por minuto (rpm). Su volumen unitario oscila entre 250 y 500 cm3 por cilindro.

3.2. Motor DieselTambin llamado motor de encendido por compresin (MEC). Consume combustibles pesados como el gasleo. La mezcla se realiza en el interior de la cmara de combustin, y se inflama al inyectar el combustible sobre el aire calentado por la fuerte compresin. Toyota

Las presiones que se producen son muy elevadas y sus componentes han de ser robustos y pesados por lo que el nmero de revoluciones queda limitado.a

Figura 1.4. Motor Diesel.

Los Diesel rpidos pueden alcanzar las 5.500 rpm. La cilindrada unitaria est entre 400 y 600 cm3 por cilindro. Se emplean en automviles y vehculos industriales ligeros. Los Diesel lentos giran entre 900 y 2.000 rpm. Tienen un volumen de hasta 2 litros por cilindro. Se montan en camiones, autobuses, locomotoras, barcos y maquinaria pesada.

3.3. Motor de cuatro tiemposPuede ser Diesel o de explosin (Otto). Su ciclo de trabajo se desarrolla en cuatro tiempos admisin, compresin, expansin y escape durante dos vueltas completas de cigeal. El intercambio de gases es controlado por vlvulas que abren y cierran los conductos de admisin y escape.

3.4. Motor de dos tiemposExisten motores de dos tiempos Otto y Diesel. En este motor los procesos de carga, compresin, combustin y expulsin de los gases se realiza en dos carreras del pistn, o sea, en una vuelta de cigeal. El intercambio de gases se realiza por medio de lumbreras controladas por el pistn en su desplazamiento. Los motores Otto de dos tiempos equipan las motocicletas de pequea cilindrada, hasta 350 cm3.


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Los Diesel de dos tiempos de grandes cilindradas se usan como propulsin marina y giran entre 80 y 200 rpm.

3.5. Motores de pistn alternativoEstos motores transmiten el trabajo mediante pistones, que se desplazan con un movimiento lineal alternativo, y es transformado en movimiento de rotacin mediante un sistema de biela-manivela. Nmero de cilindros usados habitualmente: Motocicletas Automviles Camiones ........... ........... ........... de 1 a 4. de 2 a 6 en lnea y de 6 a 8 en V. de 4 a 6 en lnea y de 6 a 12 en V.

3.6. Motor de pistn rotativoTambin conocido como motor Wankel. El movimiento rotativo se genera directamente en un pistn de seccin triangular que gira dentro de una carcasa formando tres cmaras. Funciona siguiendo el ciclo de cuatro tiempos de un motor Otto. No posee vlvulas ya que la admisin y el escape se realiza por lumbreras. Su empleo actual en automocin es muy limitado.

Mazdaa

Figura 1.5. Mazda Rx8 con motor de pistn rotativo. Y

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Unidad 1

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ACTIVIDADES FINALESAMPLIACIN1. En qu aos se empezaron a construir los primeros motores de combustin interna? 2. Cita todas las clases de motores que conozcas. 3. Qu aplicaciones tiene el motor de combustin interna adems de los automviles? 4. Cuntas vueltas gira el cigeal de un motor de cuatro tiempos en cada ciclo y cuntas un motor de dos tiempos? 5. Cmo se pueden clasificar los motores por el ciclo de trabajo que desarrollan? Y por la forma de iniciar la combustin? 6. Qu cilindradas unitarias se usan en los motores Otto? 7. Qu tipo de motor Diesel se utiliza en los vehculos pesados? 8. Investiga en qu marca y modelo de automvil se monta actualmente un motor rotativo. 9. Busca informacin en revistas, libros o en Internet y describe brevemente el tipo de motor que se utiliza en cada uno de los siguientes casos: Motores para locomotoras. Motores para grandes embarcaciones. Motores para pequeos aviones. Motores para motosierras. Motores para embarcaciones fueraborda.


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PARA PRACTICARHERRAMIENTAS

Identificar diferentes tipos de motoresOBJETIVOExaminar y clasificar los motores que hay en el taller.

Diferentes motores Documentacin tcnica

DESARROLLO1. Se seleccionan varios motores del taller con caractersticas diferentes, como por ejemplo los siguientes, y se toma de la documentacin tcnica algunos datos que nos permitan clasificar cada motor: Motor Otto de cuatro tiempos. 4 cilindros en lnea. 1.360 cm3 de cilindrada. Relacin de compresin 9,3 / 1. Potencia mxima 75 CV a 5.800 rpm. Motor Diesel de cuatro tiempos. Inyeccin directa. 4 cilindros en lnea. Cilindrada 1.870 cm3. Relacin de compresin 19 / 1. Potencia mxima 120 CV a 4.000 rpm. Motor Diesel de cuatro tiempos. Inyeccin indirecta. 4 cilindros en lnea. Cilindrada 1.902 cm3. Relacin de compresin 23 / 1. Potencia mxima 69 CV a 4.600 rpm. Motor Otto de dos tiempos refrigerado por aire. Un solo cilindro de 50 cm3. Relacin de compresin 8 / 1.

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Figura 1.6. Motor Otto.

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Unidad 1

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EVALA TUS CONOCIMIENTOS1 Quin construy en 1876 el primer motor que funcionaba con el ciclo de cuatro tiempos? a) Rudolf Diesel. b) Nikolaus Otto. c) Karl Benz. d) Dugald Clerk.

2 En qu ao se instala por primera vez en un camin un motor Diesel? a) En 1878. b) En 1885. c) En 1912. d) En 1923.

3 Qu cualidades deben reunir los motores de combustin interna empleados en automocin? a) Buen rendimiento, bajo consumo y poca contaminacin. b) Fiabilidad y durabilidad. 4 Cmo se clasifican los motores por la forma de iniciar la combustin? a) En Otto y Diesel. b) En cuatro tiempos y dos tiempos. 5 Qu otro nombre recibe el motor Diesel? a) Motor turbodiesel. b) Motor Otto. c) Motor de encendido por compresin. d) Motor de inyeccin. c) En rotativos y alternativos. d) En turboalimentados y atmosfricos. c) Bajo coste de fabricacin y mantenimiento. d) Todas las respuestas anteriores son correctas.

6 Qu volumen unitario suele emplearse en los motores Diesel rpidos? a) Entre 250 y 500 cm3. b) Entre 400 y 600 cm3. 7 El motor Otto de dos tiempos: a) Posee lumbreras y sistemas de encendido. b) Tiene vlvulas y sistema de encendido. c) Realiza el encendido por compresin. d) No tiene ni sistema de encendido ni vlvulas. c) Entre 500 y 1.000 cm3. d) Entre 600 y 2.000 cm3.

8 A qu nmero de revoluciones consiguen su potencia mxima los Diesel lentos? a) Entre 900 y 2.000 rpm. b) Entre 3.000 y 4.000 rpm. c) Entre 4.000 y 5.000 rpm. d) Entre 5.000 y 7.000 rpm.


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EN RESUMENHISTORIA DEL MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA

Nombres y fechas ms importantes en la historia del motor

Cualidades que deben reunir los motores trmicos de combustin interna

Clasificacin de los motores de combustin interna

Nikolaus Otto, motor de explosin de cuatro tiempos (1876) Dugald Clerk, motor de dos tiempos (1878) Rudolf Diesel, motor Diesel (1892) Felix Wankel, motor rotativo (1957)

Buen rendimiento Bajo consumo Poco contaminante Fiabilidad Bajo coste

Por el tipo de encendido Por el ciclo de trabajo Por el movimiento del pistn

AMPLA CON EVOLUCION@ Grupo Fiat. CD-ROM Electromecnica Motores - tema 1 Clasificacin de los motores. www. elalmanaque.com/motor/historia.htm

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El motor Otto de cuatro tiempos

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para empezar...El motor de ciclo Otto aspira una mezcla de aire y combustible por el descenso del pistn. Cuando este asciende, comprime la mezcla en la cmara de combustin, que es inflamada mediante el salto de una chispa en la buja. La combustin provoca un fuerte aumento de presin que empuja el pistn en su carrera descendente, obtenindose un trabajo mecnico. El ascenso del pistn expulsa los gases quemados, completndose el ciclo de 4 tiempos en dos vueltas de cigeal.

... vamos a conocer1. Caractersticas del motor Otto 2. Constitucin del motor Otto 3. Funcionamiento del motor trmico de combustin interna 4. Motores Otto de cuatro tiempos PARA PRACTICAR Clculo de la cilindrada de un motor

qu sabes de...1. Que tipo de mezcla de aire y combustible consumen los motores Otto? 2. Cmo se produce el encendido? 3. Qu es la relacin de compresin? 4. Qu se entiende por intercambio de gases? 5. Por qu son necesarias las cotas de distribucin? 6. Qu es el rendimiento trmico?

y al finalizar... Conocers las caractersticas y funcionamiento de los motores Otto de cuatro tiempos. Analizars los ciclos tericos y prcticos de los motores Otto de cuatro tiempos. Sabrs interpretar los diagramas de trabajo del motor Otto. Comprenders los procesos de intercambio de gases y de combustin en los motores Otto.Y

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1. Caractersticas del motor OttoEl motor Otto de cuatro tiempos pertenece al grupo de motores trmicos de combustin interna (figura 2.1). Consume una mezcla de aire y combustible que ha sido previamente preparada. Dispone de un sistema de encendido elctrico, cuya chispa inflama la mezcla que se encuentra comprimida en la cmara de combustin. Los procesos de admisin de la mezcla y posterior expulsin de los gases quemados estn controlados por las vlvulas, que abren y cierran los conductos correspondientes mandados por el sistema de distribucin. Su ciclo de funcionamiento se realiza en cuatro tiempos: Admisin de una mezcla de aire y combustible. Compresin de la misma. Encendido, combustin y expansin. Escape de los gases quemados. Cada uno de estos cuatro tiempos se realiza en una carrera del pistn, equivalente a media vuelta de cigeal (180). Por tanto, el ciclo se completa en dos vueltas de cigeal (720).

rbol de levas Vlvula

Buja Cilindro Pistn

Biela

d Figura 2.1. Motor Otto de cuatro tiempos.

Cigeal

1.1. CombustibleComo combustible se usa generalmente la gasolina. Este derivado del petrleo tiene una densidad de 0,71 a 0,76 kg/L a 15 C y posee un alto poder calorfico, aproximadamente 44.000 kJ/kg (10.400 kcal por cada kg de gasolina).


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Es muy voltil luego se gasifica con facilidad, lo que favorece la unin con el oxgeno del aire para formar la mezcla. La volatilidad mejora a medida que aumenta la temperatura, por esta razn, con frecuencia se dispone un sistema calefactor en el colector de admisin. Otra caracterstica importante de la gasolina es el ndice de octano, que define su poder antidetonante, es decir, la temperatura que puede alcanzar cuando se comprime sin que llegue a autoencenderse. A medida que aumenta el ndice de octano, disminuye el riesgo de autoencendido. El autoencendido se produce cuando el combustible se inflama de forma espontnea, independientemente del encendido por chispa. Este fenmeno resulta perjudicial para el motor por producirse de forma incontrolada. El grado de compresin a que puede ser sometida la mezcla dentro del cilindro, y por tanto la relacin de compresin, est en funcin de la resistencia antidetonante del combustible empleado.

Gas licuado del petrleo (GLP) Otro combustible de uso minoritario en los motores Otto es el gas licuado del petrleo (GLP), formado por una mezcla de gas butano, propano y propileno, que se encuentra en estado gaseoso a la presin atmosfrica. Posee unas cualidades muy similares a las de la gasolina.

1.2. Preparacin de la mezclaEl combustible ha de mezclarse con el aire, ya que este aporta el oxgeno necesario para realizar la combustin; los dos elementos se combinan en una proporcin aproximada de 1 kg de gasolina por cada 14,7 kg de aire. La unin debe ser lo mas homognea posible, es decir, la gasolina vaporizada debe distribuirse uniformemente en el aire para garantizar una combustin completa. La proporcin puede variar entre una mezcla pobre de mximo rendimiento (18/1), y una rica de mxima potencia (12,5/1). La mezcla se realiza antes de introducirla en el cilindro; su homogeneidad mejora durante el proceso de admisin y, ya dentro del cilindro, durante la compresin. El sistema de inyeccin de gasolina dosifica y pulveriza el combustible mezclndolo con el aire que est pasando a gran velocidad por el colector de admisin (figura 2.2). Los modernos sistemas de inyeccin electrnica de gasolina sustituyen al carburador, que est dejando de ser usado por su falta de precisin para dosificar el combustible. Por tanto, la mezcla se realiza en el conducto de admisin y es arrastrada al interior del cilindro durante el proceso de admisin para despus ser comprimida.Buja

Inyector

Mezcla airecombustiblea

Figura 2.2. Formacin de la mezcla aire-combustible.

1.3. EncendidoLa combustin se inicia al final de la compresin por el salto de una chispa elctrica en la buja que proporciona el sistema de encendido en el instante adecuado, es decir, momentos antes de que el pistn llegue a su punto muerto superior (PMS). Este efecto se conoce como avance del encendido, y es necesario para compensar el tiempo que la llama tarda en propagarse y generar una alta presin. La presin mxima de combustin debe de aplicarse sobre la cabeza del pistn cuando este ha superado el PMS.

1.4. Regulacin de la cargaSegn las necesidades se regula la cantidad de mezcla admitida en el motor, pero manteniendo aproximadamente la misma proporcin. La regulacin se efecta mediante una mariposa de gases, dispuesta en el colector de admisin, que es mandada por el pedal acelerador. A medida que la mariposa se abre permite el paso de una mayor cantidad de mezcla, aumentando as la energa obtenida en la combustin.Y

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2. Constitucin del motor OttoEl motor Otto est formado (figura 2.3) por un pistn o mbolo de movimiento alternativo y un sistema de biela y cigeal, encargado de transformar el movimiento lineal del pistn en movimiento de rotacin. El pistn se desplaza dentro del cilindro (figura 2.4); la estanqueidad entre estos dos elementos est asegurada por unos anillos elsticos, que se montan en el pistn, llamados segmentos.Buja Cilindro Pistn Biela Bloque Vlvulas Culata Cmara de combustin Segmentos Pistn Biela Cmara de refrigeracin

Cigeal Cigeal Crtera Figura 2.3. Mecanismo de pistn, biela y cigeal. a

Figura 2.4. Constitucin del motor Otto.

En la parte superior del cilindro se forma la cmara de combustin donde se comprime y se quema la mezcla, en su interior se disponen las vlvulas de admisin y escape y la buja de encendido. La parte central constituye el armazn del motor y se denomina bloque, en su parte superior se fija la culata y la inferior queda cerrada por el crter.

2.1. Desplazamiento del pistnTomando como referencia el plano de la cabeza del pistn (figura 2.5), los puntos donde este cambia de sentido en su movimiento alternativo se denominan punto muerto superior (PMS) y punto muerto inferior (PMI).Calibre PMS Carrera Desplazamiento del pistn PMI Calibre

Carrera

Calibre Carrera

a

Figura 2.5. Desplazamiento del pistn.


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La carrera es la distancia que recorre el pistn entre estos dos puntos. El volumen del cilindro es el espacio que se genera cuando el pistn se desplaza desde el PMS al PMI. Est, por tanto, en funcin de la carrera y del dimetro del cilindro. D2 Vu = L 4 Vu = volumen unitario D = dimetro del cilindro L = carrera Para calcular la cilindrada total (V) bastar multiplicar el volumen unitario por el nmero total de cilindros (N). V = Vu NPMS

2.2. Relacin de compresinAl final de la admisin, (figura 2.6) cuando el pistn se encuentra en el PMI, el gas ocupa todo el volumen del interior del cilindro (Vu + Vc). Cuando el pistn se sita en el PMS, el gas se comprime ocupando nicamente el volumen de la cmara de combustin (Vc). La relacin existente entre estos dos volmenes se denomina relacin de compresin, y de ella dependen la presin y la temperatura final de compresin. Vu + Vc Rc = Vc Rc = relacin de compresin Vu = volumen unitario Vc = volumen de la cmara de combustinPMI

Volumen de la cmara de combustin (Vc) Volumen del cilindro (Vu)

Relacin de compresin =a

Vu + Vc Vc

Figura 2.6. Relacin de compresin.

ACTIVIDADES RESUELTASUn motor de cuatro cilindros tiene una carrera de 92 mm y un dimetro de 83 mm, el volumen de la cmara de combustin es de 57 cm3. Calcula la cilindrada total y la relacin de compresin. Solucin: D2 8,32 Vu = L = 9,2 = 497,5 cm3 4 4 V = 497,5 4 = 1.990 cm3 Vu +Vc 497,5 + 57 Rc = = = 9,7/1 57 VcY

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Foco caliente

Q1M

3. Funcionamiento del motor trmico de combustin internaW

Q2Foco froa Figura 2.7. Transformacin de calor en trabajo.

Un motor trmico es una mquina que transforma energa trmica en energa mecnica mediante un proceso de intercambio de calor entre dos focos a diferente temperatura (figura 2.7). El foco de mayor temperatura aporta una cantidad de calor (Q1), parte de este calor es transformado en trabajo (W), el resto es cedido al foco fro (Q2). El calor aportado al sistema (Q1) es positivo, el calor cedido (Q2) no es transformado en trabajo y por tanto es de signo negativo. El trabajo total (W) es igual al calor absorbido menos el calor cedido: W = Q1 Q2 . No es posible transformar en su totalidad el calor en trabajo, ya que es imprescindible disipar cierta cantidad de calor como parte del ciclo de funcionamiento. En un motor trmico de combustin interna el calor se obtiene de la combustin de una mezcla de aire y combustible, que eleva fuertemente la temperatura en el interior del cilindro (foco caliente). Una gran parte se transforma en trabajo durante la expansin de los gases. El calor restante que no ha sido transformado es expulsado al exterior, de forma que el medio ambiente acta como foco fro. El motor queda preparado para admitir una nueva carga de gas y comenzar un nuevo ciclo. En un motor se obtiene trabajo de forma continua debido a que realiza ciclos termodinmicos que se repiten constantemente. La transferencia de calor entre dos elementos a diferente temperatura se establece siempre en el mismo sentido, del ms caliente al ms fro, si se pretende invertir este sentido es necesario aportar un trabajo. Esto ocurre en la fase previa a la combustin, los gases son comprimidos con el fin de aumentar su temperatura. Para realizar la compresin el volante de inercia cede parte de su energa cintica que es transformada en calor.

3.1. Ciclo terico del motor Otto de cuatro tiemposLos procesos que en la prctica se producen durante el desarrollo del ciclo son muy complejos. Para facilitar su comprensin se recurre a los ciclos tericos que ayudan a conocer los procesos reales. Se supone que cada fase del ciclo terico se desarrolla en condiciones ideales y por tanto se obtiene el mximo trabajo. Esto permite introducir las mejoras necesarias sobre el ciclo real para que se aproxime al terico lo mximo posible . Un ciclo de trabajo requiere cuatro operaciones diferentes: admisin, compresin expansin y escape (figura 2.9), cada una de ellas se realiza en una carrera del pistn, equivalente a media vuelta de cigeal. Por tanto, el ciclo se completa en dos revoluciones del motor (figura 2.8). En cada carrera el pistn se desplaza entre el PMS y el PMI alternativamente. Este movimiento lineal es transformado en rotacin mediante el mecanismo de biela y cigeal. El control de la entrada y salida de los gases en el cilindro se efecta mediante vlvulas cuya apertura y cierre est sincronizada con el movimiento del pistn. De los cuatro tiempos de que consta el ciclo solamente la combustin y expansin de de los gases aporta trabajo, el impulso que recibe el pistn es recogido por el volante de inercia que, debido a su masa, es capaz de almacenar cierta cantidad de energa cintica devolvindola despus para realizar los otros tres tiempos.

PMS Escape Admisin

Compresin PMIa

Expansin

Figura 2.8. Ciclo terico de cuatro tiempos.

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Transformaciones termodinmicas El desarrollo de un ciclo en el interior del cilindro comprende una serie de transformaciones que dan lugar a variaciones en el volumen, la presin y la temperatura de los gases. A continuacin se definen las transformaciones tericas que intervienen en el ciclo. Transformacin iscora o a volumen constante Proceso de transformacin que sucede sin que haya variacin en el volumen. Si la temperatura de un gas aumenta mientras se mantiene su volumen constante, su presin tambin aumenta proporcionalmente (figura 2.10). Suponiendo que el calor de la combustin se aporta de forma instantnea el volumen no varia, ya que no hay movimiento del pistn.p VA = VBB

El motor Otto realiza la combustin tericamente a volumen constante. Transformacin isbara o a presin constante Este tipo de transformacin se produce si a pesar de variar el volumen se mantiene constante la presin (figura 2.11).

A

Cuando el avance del pistn aumenta el volumen, el calor de la combustin se aporta progresivamente para mantener constante la presin en el cilindro. El motor Diesel realiza la combustin tericamente a presin constante.V

a Figura 2.10. Iscora o a volumen constante.

Transformacin adiabtica Una transformacin adiabtica es aquella que se realiza mientras el sistema se mantiene trmicamente aislado de su entorno. Los tiempos de compresin y expansin son adiabticos en el caso de que no exista intercambio de calor a travs de las paredes del cilindro. Transformacin isoterma o a temperatura constante

p

pA = pB

A

B

Manteniendo constante la temperatura del gas dentro del cilindro, el volumen y la presin varan en relacin inversamente proporcional (figura 2.12). En un motor con relacin de compresin 10 a 1, el pistn comprime el gas a la dcima parte de su volumen inicial, la presin crecer proporcionalmente hacindose 10 veces mayor (figura 2.13). P1 V2 = ; P2 V1 P1= Presin inicial P2= Presin final P1 V1 = P2 V2

Va Figura 2.11. Isbara o presin constante.

pA

TA = TB

V1= Volumen inicial V2= Volumen final

Condiciones iniciales: P1= 1 bar V1= 500 cm3 Condiciones finales con una Rc de 10 / 1B

500 V2 = = 50 cm3 10V

a

Figura 2.12. Isoterma o a temperatura constante.

P1 V1 1 500 P2 = = = 10 bar 50 V2


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V1 = 500 cm3 p1 = 1 barPMI

PMS

V2 = 50 cm3 p2 = 10 bar

c

Figura 2.13. Presin y volumen a temperatura constante.

Diagrama del ciclo terico El diagrama de trabajo o diagrama presin volumen (p-V), es la representacin grfica de los valores que va tomando la presin y el volumen a lo largo de las cuatro carreras que efecta el pistn en un ciclo de trabajo terico (figura 2.14).p p34

p2 p1 pa

3 5 1 2 V

PMS

PMI

Figura 2.14. Diagrama terico del ciclo Otto.c

Admisin: 1-2. La vlvula de admisin se abre y el pistn desciende desde el PMS al PMI. El cilindro se llena con gases frescos a la presin atmosfrica (isobara 1-2). La vlvula de admisin se cierra cuando el pistn llega al PMI. Compresin: 23. Con las vlvulas de admisin y escape cerradas, el pistn se desplaza del PMI al PMS y la mezcla aire/combustible queda comprimida (p2). El aumento de presin eleva la temperatura de la mezcla. Esta compresin se supone adiabtica y requiere un trabajo negativo. Combustin: 3-4. En el PMS se produce el encendido, la combustin inmediata de los gases provoca una fuerte subida de la presin (p3). La aportacin de calor es instantnea, sin movimiento del pistn. Combustin a volumen constante (iscora 3-4). Expansin: 4-5. Las dos vlvulas continan cerradas, la alta presin hace que el pistn se desplace del PMS al PMI generando un trabajo positivo. Esta carrera se supone adiabtica.Y

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Principio de escape: 5-2. En el PMI se abre la vlvula de escape, la presin (P1) desciende instantneamente hasta la presin atmosfrica (Pa). Esta cada de la presin (5-2) supone tambin la inmediata evacuacin del calor que no ha sido convertido en trabajo durante la expansin. La sustraccin de calor en teora es iscora (a volumen constante). Expulsin de los gases: 2-1. El pistn se desplaza desde el PMI al PMS expulsando los gases quemados a una presin igual a la atmosfrica (isobara 2-1). La vlvula de escape se cierra cuando el pistn llega al PMS.Q1 Aportacin de calor a volumen constante (iscora 3 - 4) Q2 Sustraccin de calor a volumen constante (iscora 5 - 2)

p4

Combustin iscora

Expansin adibtica

Compresin adiabtica

Q1

Admisin y escape a presin atmosfrica

3 5

Apertura del escape iscora

Q21 2

VPMSa

PMI

Figura 2.15. Evoluciones tericas del diagrama de trabajo.

El ciclo terico se desarrolla bajo los supuestos siguientes (figura 2.15): La carrera de admisin (1-2) y la de escape (2-1) se realizan en teora, ambas a presin atmosfrica. El trabajo requerido se considera nulo. La carrera de compresin (2-3) y la de expansin (4-5) se suponen adiabticas. Es decir, sin prdidas ni ganancia de calor. La aportacin de calor (Q1) mediante la combustin (3-4) y la sustraccin de calor (Q2) en la apertura de la vlvula de escape (5-2) se suponen iscoras. Es decir, la presin vara de forma instantnea (tiempo 0),mientras el volumen permanece constante. El trabajo total desarrollado en este ciclo terico es igual al trabajo positivo obtenido durante la expansin, menos el trabajo aportado para realizar la compresin. Est representado en el diagrama (figura 2.14) por la superficie cerrada (2-3-4-5-2). En estas condiciones el trabajo obtenido en el ciclo terico es superior al que se obtiene en el funcionamiento real del motor.


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3.2. Ciclo prctico del motor Otto de cuatro tiemposEl diagrama de trabajo terico se calcula suponiendo que el motor trabaja en condiciones ideales, es decir, tanto la aportacin como la sustraccin de calor se hacen de forma instantnea, y no existe intercambio de calor con el exterior. El funcionamiento real del motor presenta importantes diferencias con el terico (figura 2.16).p (bar)40p3AE AAE pa p1 Avance al encendido Avance a la aprertura de escape Presin atmosfrica Presin cuando abre la vlvula de escape Presin de compresin Presin mxima de combustin

4

30 20p2 p1 pa

p2 p3

10

3 1 AE PMSVu

5 6 2

VAAE PMI

1-2 2-3 3-4 4-5 5-6-1

Admisin Compresin Combustin Expansin Escape

a

Figura 2.16. Diagrama real del ciclo Otto.

Diagrama del ciclo real Admisin: 1-2. La vlvula de admisin se abre y el pistn desciende. El llenado se realiza a una presin inferior a la atmosfrica debido a las prdidas de carga en el conducto de admisin. El gas slo comenzar a entrar cuando el desplazamiento del pistn ha creado la depresin suficiente, esta depresin se mantiene durante la carrera de admisin debido a la resistencia que el gas encuentra a su paso por el filtro, los conductos y la vlvula (la cantidad de mezcla admitida es inferior a la terica). Con el fin de aprovechar la inercia del gas y mejorar el llenado, la vlvula de admisin se abre con antelacin, antes de que el pistn llegue al PMS, y se cierra con retraso, despus del PMI. Compresin: 2-3. Con las dos vlvulas cerradas, el pistn asciende comprimiendo la mezcla. La compresin no es adiabtica ya que parte del calor producido en la compresin es absorbido por el circuito de refrigeracin, reduciendo la presin final (p2). El encendido se produce en el punto 3 antes de que el pistn llegue al PMS, para compensar el tiempo de combustin (AE). Combustin: 3-4. Una vez iniciada la combustin en el punto 3, esta se propaga de forma muy rpida pero no instantnea. La combustin no se realiza a volumen constante ya que el pistn efecta un pequeo recorrido (3-4) superando el PMS. El incremento de volumen hace que la presin mxima de combustin (p3) sea inferior a la terica. Expansin: 4-5. El pistn desciende en la carrera de trabajo, esta carrera no es adiabtica ya que parte del calor es evacuado al sistema de refrigeracin. Esta prdida de calor adems de una menor presin de combustin hace que el trabajo til obtenido sea menor al terico.Y

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Principio de escape: 5-6. La vlvula de escape se abre en el punto 5, antes de que el pistn llegue al PMI. Este avance en la apertura del escape (AAE) es necesario porque el descenso de la presin (p1) no es instantneo, sino que se necesita cierto tiempo durante el cual el pistn hace el recorrido (5-6). La cada de la presin residual y por tanto la sustraccin de calor no se realiza a volumen constante (no iscora). Expulsin de los gases: 6-1. En el PMI la presin ya ha descendido lo suficiente y el pistn sube expulsando los gases quemados. Durante la carrera ascendente se mantiene una presin ligeramente superior a la atmosfrica debido a que el paso de los gases hacia el exterior encuentra cierta resistencia en el conducto de escape, el silenciador y el catalizador. La vlvula de escape se cierra despus de que el pistn haya pasado el PMS, con el fin de aprovechar la velocidad de salida de los gases y mejorar su evacuacin. Comparacin de diagramas terico y prctico Comparando la superficie de trabajo til obtenida en el diagrama real con el diagrama terico, se pueden apreciar las prdidas que se producen en el funcionamiento real del motor (figura 2.17).pA A Prdidas de tiempo en la combustin B Prdidas de calor C Prdidas de AAE D Prdidas por bombeo E Prdidas de carga T Trabajo til obtenido B A AAE

Prdidas por bombeo La carga y evacuacin de los gases en el cilindro se realiza gracias al trabajo de bombeo que efecta el pistn. En la admisin la presin permanece por debajo de la atmosfrica, y en el escape es superior. Este bombeo supone un trabajo negativo en el diagrama prctico, representado por la superficie (D). Prdidas de carga en el cilindro El llenado del cilindro nunca es completo, en consecuencia, la presin de compresin es menor a la terica. Superficie E. Prdidas de calor La compresin y la expansin se suponen adiabticas en el ciclo terico, en la prctica parte del calor es evacuado al circuito de refrigeracin a travs de las paredes del cilindro, lo que conlleva una prdida de presin. En el diagrama la superficie (B), representa la diferencia con el ciclo terico, donde existe mayor rendimiento al no tenerse en cuenta estas prdidas de calor.

E p.a. D PMSa

C

VPMI

Figura 2.17. Prdidas en el diagrama de trabajo.

Prdidas de tiempo en la combustin En teora la combustin es iscora, se realiza a volumen constante. Realmente no es as ya que la combustin requiere tiempo hasta alcanzar la mxima presin, en este tiempo el pistn se desplaza causando una variacin de volumen que origina la prdida de las superficies (A), en el ciclo prctico. Prdidas por el AAE El avance a la apertura del escape, provoca un rpido descenso de presin antes de que el pistn llegue al PMI, lo cual supone una prdida de energa que deja de transformarse en trabajo til. En el diagrama la superficie (C).

3.3. Compresin y combustinLa energa que aporta el volante de inercia para realizar la compresin se transforma en calor que es absorbido por la mezcla de aire y combustible. A medida que aumenta el grado de compresin se obtiene un mayor aprovechamiento de la


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energa trmica del combustible, esto es debido a que la mayor temperatura mejora las condiciones de la mezcla en cuanto a gasificacin, consiguindose una combustin ms completa. Por otro lado, se reduce el volumen de la cmara de combustin hacindose ms compacta, por lo que hay menos prdidas de calor y los gases quemados se evacuan con mayor rapidez. El rendimiento trmico del motor, en funcin de su relacin de compresin, puede calcularse mediante la siguiente expresin: 1 t = 1 Rc 1 t = Rendimiento trmico Rc = Relacin de compresin = Coeficiente de modificacin de los gases, cuyo valor es 1,33 para motores Otto400 600 C 8 15 bar 2.000 3.000 C 30 50 bar 1.300 1.600 C 4 5 bar Presin 60 125 C 0,9 bar

Compresin

Combustin Escape Admisin 180 270 360

0

90

180

270

360

90

La relacin de compresin usada en los motores Otto oscila entre 8 /1 y 11 / 1. Para valores superiores existe riesgo de autoencendido ya que el gas comprimido puede superar los 500 C. El autoencendido aparece cuando la mezcla se inflama por s sola debido a un exceso de temperatura, independientemente del encendido elctrico. Este fenmeno resulta muy perjudicial ya que somete a los rganos del motor (pistn, biela y cigeal) a fuertes cargas trmicas y mecnicas que pueden llegar a producir graves averas. La resistencia al autoencendido de la gasolina la determina su ndice de octano, cuanto mayor es este ndice tanto mayor es su poder antidetonante, pudindose utilizar relaciones de compresin mas altas.

a Figura 2.18. Solicitaciones de presin y temperatura en el motor Otto.

ACTIVIDADES RESUELTASQu rendimiento trmico se obtiene en un motor que tiene una relacin de compresin de 10 a 1? Solucin: 1 1 t = 1 = 1 = 0,53 ; 1 RC 100,33

t = 53%

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Avance del encendido La combustin de los gases no se produce de forma instantnea, se requiere un tiempo para alcanzar la mxima presin, como consecuencia, el encendido debe iniciarse con un cierto avance respecto a la posicin de PMS del pistn (figura 2.19) con el fin de que este reciba el mximo impulso inmediatamente despus de pasar el PMS (figura 2.20). El avance del encendido es dinmico, es decir, el sistema adapta el avance entre, aproximadamente 5 y 40 antes del PMS, en funcin de la velocidad de giro y de la carga del motor. A medida que aumenta la velocidad del pistn el encendido se produce con mayor antelacin.

PMS AE

p (bar)

40

Grados de giro del cigeal AE Avance del encendido 1 Curva de presin de combustin normal 2 Desarrollo irregular de la combustin

PMS AE

30

1 2

20

10 AE PMIa Figura 2.19. Posicin del pistn en el momento del encendido. a

180

120

60

0

60

120

180

Figura 2.20. Desarrollo de la presin de combustin.

Combustin Al final de la compresin, la mezcla ha adquirido suficiente temperatura y se encuentra preparada para la combustin. La inflamacin de la mezcla se inicia a travs de una chispa elctrica que salta entre los electrodos de la buja. Las partculas ms prximas a la chispa comienzan a arder, a partir de este punto de encendido, la combustin se propaga formando un frente de llama que avanza muy rpidamente quemndose por capas, de tal forma que la presin mxima se alcanza momentos despus de que comience la combustin. La combustin de la mezcla eleva fuertemente la temperatura dentro de la cmara de combustin (unos 2.000 C), con el consiguiente aumento de presin (unos 40 bar). Esta presin se aplica sobre la superficie de la cabeza del pistn en su descenso producindose la expansin de los gases dentro del cilindro. En este momento se produce la transformacin de la energa calorfica obtenida en la combustin, en trabajo mecnico, que el pistn transmite al cigeal mediante la biela, obtenindose la rotacin del motor.


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3.4. Intercambio de gasesEl intercambio de los gases comprende los procesos de admisin de la mezcla en el cilindro y expulsin de los gases quemados. El rendimiento del motor depende en gran medida de que este proceso se realice eficazmente. Los residuos de la combustin deben ser evacuados en su totalidad para llenar el cilindro con mezcla fresca que ser quemada nuevamente. Los motores Otto giran con elevado nmero de revoluciones. El intercambio de gases debe realizarse en un tiempo muy corto, por lo que es necesario optimizar el proceso considerando los efectos de la inercia a que est sometida la masa gaseosa. Si se realiza la apertura y cierre de vlvulas coincidiendo con los puntos muertos del pistn, como ocurre en el ciclo terico, solamente permanecen abiertas un ngulo de 180 y el intercambio de gases es deficiente. Cuando el pistn comienza a descender el gas es absorbido hacia el interior del cilindro, pero la inercia hace que tarde un tiempo en reaccionar. Si la vlvula de admisin comienza a abrirse con antelacin estar totalmente abierta cuando el pistn supere el PMS y el gas se mover con mayor rapidez. Una vez que ha adquirido energa cintica, si se cierra la vlvula en el PMI, el gas chocar contra ella, si por el contrario se mantiene la vlvula abierta, la masa gaseosa seguir entrando por inercia aun cuando ya no exista vaco en el interior del cilindro. Con el aumento en el ngulo de apertura de las vlvulas se consigue mejorar el llenado de los cilindros. Diagrama de distribucin En el diagrama de distribucin (figura 2.21) se representan los puntos de apertura y cierre de las vlvulas, as como los ngulos totales que permanecen abiertas. Tambin se representa el avance del encendido (AE). Los ngulos o cotas de distribucin se miden en grados de giro de cigeal respecto de los puntos muertos superior e inferior. Son las siguientes: Avance a la apertura del escape (AAE). Antes del PMI. Retraso al cierre del escape (RCE). Despus del PMS. Avance a la apertura de admisin (AAA). Antes del PMS. Retraso al cierre de admisin (RCA). Despus del PMI. Avance a la apertura del escape (AAE) El pistn desciende en el tiempo de expansin. La vlvula de escape se abre antes de que el pistn llegue al PMI, en este momento la presin dentro del cilindro es de 3 a 4 bar, esta presin provoca que los gases salgan a gran velocidad. La presin interna disminuye rpidamente, lo que facilita la carrera ascendente del pistn que barre los gases a unos 0,2 bar por encima de la presin atmosfrica. Avance a la apertura de admisin (AAA) El pistn asciende en el tiempo de escape. La vlvula de admisin se abre unos grados antes de que el pistn llegue al PMS, cuando an permanece abierta la vlvula de escape. De esta forma se aprovecha la velocidad de salida de los gases de escape, que arrastran a los gases frescos situados en el conducto de admisin, hacia el interior del cilindro. Cuando el pistn comienza a bajar, la vlvula de admisin ya est abierta casi por completo.Y

PMS AE AAA RCEin

Com pre s Esc a

Exn nsi pa

pe

Admi si n

RC

A

AAEPMI

a Figura 2.21. Diagrama de distribucin.

34

Unidad 2

Y

VA

VE

VA

VE

VA

VE

VA

VE

PMS

PMS

PMS

PMS

PMI

PMI

PMI

PMI

Aspiracina

Compresin

Trabajo

Escape

Figura 2.22. Ciclo prctico del motor Otto de cuatro tiempos.

Retraso al cierre del escape (RCE) La vlvula de escape se cierra despus de que el pistn haya pasado el PMS, cuando ya est abierta la vlvula de admisin y el pistn ha comenzado su carrera descendente. Aun as, los gases siguen saliendo debido a la inercia adquirida por la velocidad, consiguiendo un buen barrido de los gases residuales. El ngulo durante el cual las dos vlvulas permanecen abiertas se denomina cruce de vlvulas. Retraso al cierre de admisin (RCA) El pistn desciende en admisin, la vlvula se cierra despus de que el pistn haya pasado el PMI. La gran velocidad que adquiere el fluido en la admisin hace que por inercia contine entrando el gas, a pesar de que el pistn haya comenzado a subir, consiguindose una notable mejora en el llenado del cilindro. Cuando se cierra la vlvula de admisin comienza la compresin.

b

Figura 2.23. Cruce de vlvulas.

Cruce de vlvulas El cruce de vlvulas se produce entre el AAA y el RCE. Al final del escape los gases que han adquirido inercia continan saliendo a cierta velocidad (figura 2.23) sin embargo, el pistn decelera rpidamente al llegar al PMS. Esta diferencia de velocidades provoca un ligero vaco dentro del cilindro, si en este momento se abre la vlvula de admisin comenzarn a entrar los gases frescos, mejorando el llenado del cilindro. Los ngulos que permanecen abiertas las vlvulas simultneamente y por tanto el valor del cruce, dependen de las caractersticas del motor, pero sobre todo del nmero de revoluciones al que desarrolla su mxima potencia.

Vlvula de admisin

Vlvula de escape


35

A medida que aumenta el nmero de revoluciones del motor, el tiempo disponible parar realizar el intercambio de los gases es menor, por lo que se hace necesario aumentar los ngulos de apertura de las vlvulas.C ru c e

C ru c eAA

15 17

A

RC

E

AA

A

10

RC

E

9

E scape

E scape

A d m is i n

A d m is i n

53

49

50

55

PMI

PMI B. Cruce de vlvulas = 19

A. Cruce de vlvulas = 32a

Figura 2.24. ngulo de cruce de vlvulas en funcin del tipo de motor.

En los motores rpidos de alto rendimiento se dispone un amplio ngulo de cruce de vlvulas con el fin de proporcionar el tiempo suficiente para un buen llenado a altas revoluciones (figura 2.24 A). Los motores lentos necesitan menos cruce, ya que disponen de tiempo suficiente para efectuar una buena carga (figura 2.24 B). Un cruce excesivo en estos motores dara lugar a prdidas de gases frescos por la vlvula de escape. Las vlvulas son mandadas por el sistema de distribucin a travs de un rbol de levas que gira sincronizado con el cigeal. La posicin de las levas sobre el rbol determina los momentos de apertura y cierre de las vlvulas y por tanto los ngulos del diagrama. Las cotas o ngulos de distribucin se establecen para cada motor mediante ensayos y pruebas, y su valor puede variar por la existencia de dispositivos como admisin variable o turbocompresor. Los sistemas de distribucin variable adaptan los ngulos del diagrama en funcin de las condiciones de carga y la velocidad del motor para obtener un alto par con revoluciones medias y alta potencia con regmenes elevados.VALORES MEDIOS DE LAS COTAS DE DISTRIBUCIN EN MOTORES OTTO ADMISIN Avance 0 - 15 Retraso 40 - 60 Avance 40 - 60 ESCAPE Retraso 0 - 20 0 - 35Y

CRUCE

36

Unidad 2

Y

4. Motores Otto de cuatro tiemposLos motores Otto convencionales trabajan con una mezcla formada por 14,7 partes de aire por cada parte de combustible (esta mezcla se denomina estequiomtrica). Adems es necesario que la mezcla sea homognea, es decir, que en todo su volumen la proporcin de mezcla sea la misma. El combustible se inyecta delante de la vlvula de admisin (inyeccin indirecta) con una presin de 3 a 3,5 bares y se mezcla con el aire que est pasando por el tubo de admisin (figura 2.25), dentro del cilindro se forma un flujo turbulento que favorece la formacin de una mezcla homognea (figura 2.26). La mezcla se puede enriquecer o empobrecer ligeramente para adaptarla a las condiciones de funcionamiento del motor.Vlvula Inyector

Conducto de admisin Mezcla aire-combustibled

Figura 2.25. Inyeccin indirecta.

El motor Otto de inyeccin directaLa inyeccin directa en los motores Otto es una tcnica que actualmente emplean muchos fabricantes debido a que permite trabajar con carga estratificada y mezcla pobre, este mtodo reduce el consumo y los gases de escape son menos contaminantes. El combustible es inyectado en el interior del cilindro con una presin que puede oscilar entre 30 y 100 bares. Este motor tiene dos modos de funcionamiento que se diferencian por el tipo de mezcla que se utiliza en cada uno de ellos. Modo estratificado pobre. La inyeccin se produce en la carrera de compresin. Modo homogneo. La inyeccin se produce en la carrera de admisin.

Aire

a

Figura 2.26. Flujo turbulento.

a

Figura 2.27. Flujo giratorio.

38

Unidad 2

Y

ACTIVIDADES FINALESAMPLIACIN1. Describe el ciclo terico de funcionamiento en un motor Otto de cuatro tiempos 2. En qu momento se produce el encendido? 3. Por qu es necesario el avance del encendido? 4. Cul es la frmula para calcular el volumen unitario? 5. Si se aumenta el volumen del cilindro y se mantiene el de la cmara de combustin, qu ocurre con la relacin de compresin? 6. Durante la compresin, qu relacin existe entre el volumen y la temperatura del gas? 7. Por qu es necesario el AAE? 8. Qu se consigue con el RCA? 9. Entre qu dos cotas se produce el cruce de vlvulas? 10. Por qu los motores muy revolucionados necesitan un mayor cruce de vlvulas? 11. Cul es la causa que limita la relacin de compresin en los motores Otto? 12. Explica cmo se realiza la transformacin de la energa calorfica en trabajo. 13. En el motor Otto, la combustin tiende a realizarse a volumen constante o a presin constante? 14. Qu representa el diagrama de trabajo? 15. Un motor tiene las siguientes cotas de distribucin: AAA - 12 RCA - 48 AAE - 50 RCE - 10 Dibuja el diagrama de distribucin y calcula los ngulos que mantienen abiertas las vlvulas de admisin y escape. 16. En un motor de 6 cilindros la carrera del pistn es de 82 mm y el dimetro del cilindro de 80 mm. La cmara de combustin tiene un volumen de 53 cm3. Calcula la cilindrada del motor y la relacin de compresin. 17. Dibuja el diagrama de trabajo real de un motor Otto sealando los siguientes puntos: Presin mxima de compresin. Momento de encendido. Presin mxima de combustin. AAE. Volumen correspondiente a la presin mxima.


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PARA PRACTICARHERRAMIENTAS

Clculo de la cilindrada de un motorOBJETIVOMedir un cilindro, calcular el volumen unitario y la cilindrada total.

Equipo de herramientas de taller Calibre

Material Motor Otto

DESARROLLO1. Se desmonta el mando de la distribucin, la culata y la junta de culata en un motor de 4 cilindros. 2. Se gira el cigeal a travs del volante motor hasta colocar un cilindro en el PMI. 3. Se mide con la sonda de un calibre la distancia entre la cabeza del pistn y el plano superior del bloque (83 mm). 4. Se coloca el pistn en el PMS y se vuelve a tomar la medida 1,5 mm. La resta de ambas medidas ser la carrera. 83 1,5 = 81,5 mm = 8,15 cm. 5. Se mide el dimetro del cilindro con el calibre. 80 mm = 8 cm. 6. Se calcula el volumen del cilindro. U D2 U 82 Vu = L = 8,15 = 409,45 cm3 4 4 7. Se calcula la cilindrada total. V = 409,45 4 = 1.637 cm3

a

Figura 2.31. Medicin del calibre.

a

Figura 2.32. Medicin de la carrera.

Y

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Unidad 2

Y

EVALA TUS CONOCIMIENTOS1 Por qu motivo es necesario mezclar el combustible con el aire? a) Para llenar el volumen del cilindro. b) Para refrigerar el cilindro. c) Para que el motor consuma menos. d) Porque aporta el oxgeno necesario para la combustin.

2 Cmo se denomina a la distancia entre el PMS y el PMI? a) Calibre. b) Carrera. c) Volumen unitario. d) Cilindrada.

3 La relacin de compresin compara el volumen de la cmara de combustin con: a) El volumen unitario. b) La cilindrada total. c) El volumen del cilindro ms el volumen de la cmara. d) El volumen de admisin. 4 Que se entiende por adiabtico? a) Presin constante. b) Temperatura constante. 5 En qu momento se produce el encendido? a) Cuando el pistn comienza a bajar en expansin. b) En el PMS. c) Cuando el pistn sube en compresin. d) Despus del cruce de vlvulas. c) Sin intercambio de calor. d) Volumen constante.

6 Qu cota se utiliza para aprovechar la inercia que adquiere el gas de admisin? a) RCE. b) AAA. c) AAE. d) RCA.

7 Cmo se comportan la presin y el volumen dentro del cilindro en el tiempo de expansin? a) El volumen y la presin aumentan. b) El volumen y la presin disminuyen. c) El volumen aumenta y la presin disminuye. d) El volumen disminuye y la presin aumenta.

8 Qu tipo de prdidas de energa se producen en el funcionamiento del motor? a) Prdidas de calor. b) Prdidas por el AAE. c) Prdidas por el tiempo empleado en la combustin. d) Todas las respuestas anteriores son correctas.


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EN RESUMENEL MOTOR OTTO DE CUATRO TIEMPOS

Caractersticas

Ciclo de funcionamiento

Transformacin de calor en trabajo

Preparacin previa de una mezcla de aire y combustible Intercambio de gases controlado por vlvulas Mariposa de gases en la admisin para regular la carga Encendido mediante chispa elctrica Dos vueltas de cigeal por ciclo

Ciclo terico Ciclo prctico Diagramas de trabajo Prdidas en el diagrama de trabajo

Grado de compresin de la mezcla Momento de encendido Desarrollo de la combustin

Medidas importantes del motor

Llenado y evacuacin de gases

Carrera y calibre Volumen del cilindro Relacin de compresin

Puntos de apertura y cierre de vlvulas Cruce de vlvulas Diagrama de distribucin

AMPLA CON Programa autodidctico 279 VW-AUDI. Motor de 2,0 ltr. /110 kW con inyeccin directa de gasolina (FSI). EVOLUCION@ Grupo Fiat. CD-ROM ElectromecnicaMotores-tema 1-Termodinmica. Formacin multimedia VW. Motores Otto 1. Introduccin. www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/ www.k-wz.de

43

para empezar...El funcionamiento del motor Diesel se diferencia esencialmente del motor Otto en la forma de realizar la mezcla, en el modo de producirse el encendido y en el desarrollo de la combustin. En este tipo de motor la mezcla se lleva a cabo en el interior del cilindro y la combustin se inicia por autoencendido. Se necesitan dos vueltas de cigeal para realizar los cuatro tiempos del ciclo de funcionamiento.

... vamos a conocer1. Caractersticas del motor Diesel 2. Constitucin del motor Diesel 3. Ciclo de trabajo del motor Diesel 4. Compresin y combustin 5. Intercambio de gases 6. Sobrealimentacin 7. Tipos de motores Diesel de cuatro tiempos 8. Comparacin entre motores Diesel y Otto PARA PRACTICAR Desmontaje de un motor Diesel

qu sabes de...1. Dnde se prepara la mezcla en un motor Diesel? 2. Cmo se produce el encendido? 3. Por qu se necesitan relaciones de compresin altas? 4. Cmo se desarrolla la combustin? 5. Qu ventajas tiene la sobrealimentacin en los motores Diesel? 6. Qu diferencias existen entre los motores Otto y Diesel?

y al finalizar... Conocers las caractersticas y el funcionamiento de los motores Diesel de cuatro tiempos. Comprenders el proceso de combustin en los motores Diesel. Sabrs interpretar y analizar los diagramas terico y real en los motores Diesel. Sabrs establecer las diferencias de funcionamiento entre los motores Otto y Diesel.Y

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Unidad 3

Y

1. Caractersticas del motor DieselEs un motor trmico de combustin interna que funciona siguiendo el ciclo Diesel.Inyector

En la admisin se introduce nicamente aire, que se mezcla con el combustible dentro del cilindro. Dispone de un sistema de inyeccin que introduce el combustible pulverizado en la cmara de combustin. La inflamacin se obtiene por contacto con el aire, que ha adquirido una alta temperatura debido a la fuerte compresin. Su ciclo de funcionamiento se realiza en cuatro tiempos:

Cmara de combustin

Admisin de aire puro. Compresin. Inyeccin, combustin y expansin. Escape de los gases quemados. Igual que el motor Otto, el ciclo de cuatro tiempos se desarrolla en dos vueltas de cigeal.

a


1.1. CombustibleEl motor Diesel consume generalmente gasleo: un carburante que se obtiene por destilacin del petrleo, tiene una densidad de 0,81 a 0,85 kg/L a 15 C y un poder calorfico de unos 42.000 kJ/kg (10.000 kcal/kg). Debe estar exento de agua e impurezas para proteger el sistema de inyeccin. El gasleo tiene que inflamarse rpidamente al tomar contacto con el aire comprimido en el momento de ser inyectado, por tanto, debe tener una temperatura de inflamacin baja. Su facilidad de inflamacin se mide por el ndice de cetano, cuanto mayor es este, menor ser la temperatura necesaria para inflamarlo. La viscosidad de este combustible aumenta con las bajas temperaturas. Cuando se superan los 25 C bajo cero, presenta dificultades a su paso por filtros y conductos del sistema de inyeccin, hacindose muy difcil el arranque en fro. En algunos motores destinados a climas fros, se dispone de un sistema calentador en el filtro de combustible. Tambin se emplea actualmente el biodisel, un combustible que se obtiene de diferentes aceites vegetales.

1.2. Formacin de la mezclaEl aire se mezcla con el combustible dentro del cilindro al final de la compresin. El sistema de inyeccin proporciona la presin necesaria para que el inyector introduzca el combustible, finamente pulverizado, en la cmara de combustin (figura 3.1). Debido al poco tiempo disponible para formar la mezcla, es preciso que el aire comprimido tenga una alta temperatura para facilitar la gasificacin del combustible. Adems, es necesario que adquiera una gran turbulencia para que se mezcle con la mayor cantidad posible de aire, de forma que cada gota de combustible est rodeada por el oxgeno suficiente para quemarse.

El motor Diesel de cuatro tiempos

45

No es necesario mantener una proporcin en la mezcla, sino que se precisa un exceso de aire con el fin de lograr una combustin completa. La cantidad mxima de combustible queda limitada por la formacin de humos negros en el escape, cuando la cantidad de aire es insuficiente. La formacin de la mezcla depende esencialmente del tipo de cmara de combustin empleada en el motor: Motores de inyeccin directa, en los que la turbulencia del aire es relativamente baja (figura 3.2). En estos motores la formacin de la mezcla depende principalmente del sistema de inyeccin que proporciona altas presiones, con buena penetracin del combustible en el aire, distribuyndose uniformemente. Se emplea un inyector de varios orificios. Motores con cmara auxiliar o de inyeccin indirecta (figura 3.3), en los que se consiguen altas turbulencias debido a la combustin parcial que tiene lugar en la precmara y que se propaga a gran velocidad a travs de estrechos conductos. En este caso la presin de inyeccin es menor, emplendose inyectores de un solo orificio.

a Figura 3.2. Turbulencia en un Diesel de inyeccin directa.

a Figura 3.3. Turbulencia en la precmara de combustin de un motor Diesel de inyeccin indirecta.

1.3. EncendidoEl combustible es inyectado al final de la compresin y se enciende porque el aire comprimido est a una temperatura suficientemente alta como para provocar el inicio de la combustin (superior a 500 C). El encendido se produce antes de que el pistn llegue al PMS. Desde el comienzo de la inyeccin hasta que empieza a inflamarse el combustible, ya mezclado con el aire, transcurre un tiempo llamado retraso del encendido. Este retraso ha de ser compensado con un avance a la inyeccin. En los motores con cmara auxiliar son necesarias bujas de calentamiento para facilitar el arranque en fro.

1.4. Carga del cilindroEl llenado de aire del cilindro en un motor Diesel ha de ser siempre el mximo posible, ya que el exceso de aire facilita una combustin completa. No existe mariposa de gases y el colector de admisin no presenta ninguna estrangulacin en el paso de aire. La regulacin de la carga del motor se consigue variando la cantidad de combustible inyectado mediante el pedal acelerador, que acta sobre elemento dosificador del sistema de inyeccin.Y

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Unidad 3

Y

2. Constitucin del motor DieselLa estructura bsica del motor Diesel es muy similar a la del motor Otto. Las principales diferencias se pueden encontrar en el sistema de inyeccin y en la forma de las cmaras de combustin (figura 3.4). Los dems elementos constructivos presentan unas caractersticas que se adaptan a sus duras condiciones de trabajo. Es un motor que desarrolla altas presiones en la compresin y en la combustin, alcanzando temperaturas muy elevadas, por lo que sus piezas han de ser robustas y con unos precisos ajustes. Como consecuencia, el motor Diesel es ms pesado y tiene un mayor coste de fabricacin. Los pistones se construyen reforzados en diferentes zonas y con unas caractersticas especficas. El alojamiento del buln, encargado de transmitir la fuerza a la biela, es ms resistente. Se incorporan anillos de acero en la ranura del segmento superior para soportar las altas temperaturas. La dilatacin trmica se regulariza de forma muy precisa mediante la insercin de placas de acero. Los pistones generalmente se refrigeran por medio de surtidores de aceite. Otros elementos que se refuerzan convenientemente en el motor Diesel son: el cigeal, las bielas, los soportes de bancada y los cojinetes de friccin. Tambin los sistemas de refrigeracin y engrase se adecuan a las mayores exigencias de este tipo de motor.

a

Figura 3.4. Constitucin de un motor Diesel.

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Unidad 3

Y

Una vez terminada la inyeccin el pistn contina descendiendo hasta el PMI producindose la expansin de los gases. Esta es la carrera motriz, la nica que aporta trabajo al ciclo. 4 Tiempo. Escape La vlvula de escape se abre en el PMI, la presin residual existente dentro del cilindro expulsa los gases quemados, la presin y la temperatura bajan rpidamente. El resto de estos gases son barridos por el pistn en su ascenso. Cuando el pistn llega al PMS la vlvula de escape se cierra. El pistn desciende en admisin y el ciclo se repite. Diagrama del ciclo terico del motor Diesel El diagrama de trabajo permite seguir la evolucin de la presin y el volumen dentro del cilindro en el transcurso de los cuatro tiempos del ciclo terico del motor Diesel. Admisin: 1-2. En el PMS la vlvula de admisin se abre y el pistn desciende en admisin (figura 3.6) el cilindro se llena con aire a la presin atmosfrica (isbara). En el PMI se cierra la vlvula de admisin.

p2

3

pa

1

2

pa

2

PMSa

PMIa

PMSFigura 3.7. Compresin.

PMI

Figura 3.6. Admisin de aire.

Compresin: 23. Las vlvulas de admisin y escape estn cerradas (figura 3.7), el cilindro se encuentra lleno de aire a presin atmosfrica (pa), el pistn se desplaza del PMI al PMS, el aire queda comprimido a la presin (p2). Debido a que slo se comprime aire es posible obtener presiones muy elevadas. El aumento de presin eleva la temperatura del aire (adiabtica 2-3). La compresin requiere un aporte de energa (trabajo negativo). Combustin: 3-4. El pistn se encuentra en el PMS (figura 3.8), comienza la inyeccin y simultneamente la combustin. El calor liberado durante la combustin es aportado mientras el pistn desciende, de manera que la presin se mantiene constante (isbara 3-4).


49

p2

3

4

p2

3

4

p1 pa pa

5

PMSa

PMIa

PMSFigura 3.9. Expansin.

PMI

Figura 3.8. Combustin.

Expansin: 4-5. En el punto 4 ha terminado la combustin (figura 3.9), el pistn contina descendiendo y la presin pasa de p2 a p1. La expansin de los gases genera un trabajo positivo. Esta carrera se supone adiabtica. Principio de escape: 5-6. El interior del cilindro se encuentra a la presin ( p1) el pistn est en el PMI y se abre la vlvula de escape (figura 3.10), la presin desciende instantneamente hasta la presin atmosfrica (pa). El calor residual que no ha sido convertido en trabajo se evacua al exterior. La sustraccin de calor (56) en teora es iscora (a volumen constante). Expulsin de los gases: 6-1. El pistn se desplaza desde el PMI al PMS expulsando los gases quemados, la presin atmosfrica se mantiene durante toda la carrera (isbara 6-1). La vlvula de escape se cierra cuando el pistn llega al PMS.

p1 pa1

5 6

Vea

PMS

PMI

Figura 3.10. Escape.

Las carreras de admisin y de escape en teora se realizan ambas a presin atmosfrica y no intervienen en el rendimiento del ciclo. La carrera de compresin (2-3) y la de expansin (4-5) se suponen adiabticas, es decir, sin intercambio de calor.Y

50

Unidad 3

Y

La aportacin de calor (Q1) mediante la combustin (3-4) se realiza a presin constante. La sustraccin de calor (Q2) en la apertura de la vlvula de escape (5-2) se supone iscora. Es decir, la presin vara de forma instantnea, mientras el volumen permanece constante.Combustin isbara 3 4

p

Q1 Aportacin de calor a presin constante (isbara 3-4) Q2 Sustraccin de calor a volumen constante (iscora 5-2)

Q1

Compresin adiabtica

Expansin adiabtica Admisin y escape a presin atmosfrica Apertura del escape iscora 5

pa

1 2

Q2

Va

Figura 3.11. Evoluciones tericas del diagrama de trabajo Diesel.

p2 p1

4

Combustin 5 a presin constante Combustin a volumen constante

El ciclo Diesel hasta aqu estudiado es til slo para motores muy lentos, para los motores destinados a vehculos de traccin se ha creado un ciclo Diesel mixto cuyo funcionamiento es ms adecuado para motores rpidos. La caracterstica principal del ciclo mixto es que el aporte de calor Q1 se realiza en dos fases (figura 3.12). Combustin a volumen constante (iscora 3-4). La inyeccin en el punto 3 inflama el combustible y la presin aumenta instantneamente.

Q13

p3 pa1

6 2 PMS

Q2 V

Combustin a presin constante (isbara 4-5). El pistn comienza a descender, aumenta el volumen y la presin se mantiene constante hasta el punto 5. El pistn realiza slo un pequeo recorrido durante la combustin (4-5). Esto permite que los motores Diesel de ciclo mixto puedan funcionar con regmenes elevados.

PMI

a

Figura 3.12. Ciclo terico Diesel mixto.

3.2. Ciclo prctico del motor Diesel de cuatro tiemposEl ciclo prctico del motor Diesel describe el proceso real de funcionamiento del motor, las condiciones en las que se desarrolla este ciclo presentan importantes diferencias con el terico y se representan en el diagrama del ciclo real (figura 3.13).


51

Diagrama del ciclo real Admisin: 1-2. Cuando el pistn pasa por el PMS la vlvula de admisin ya est abierta debido al avance de la apertura de admisin. El pistn desciende hasta el PMI manteniendo una presin por debajo de la atmosfrica en el interior del cilindro, debido a las prdidas de carga. Cuando comienza a subir, la vlvula de admisin an permanece abierta un instante con el fin de aprovechar la velocidad de entrada que ha adquirido el aire. Superado el PMI la vlvula se cierra y comienza la compresin.

p2

4

p1 AI p3 pa1

3

5

6 2

1-2 2-3 3 3-4 4-5 5-6-1 pa p1 p2 p3

V VuPMS

AA EPMI

Admisin Compresin Inyeccin Combustin Expansin Escape Presin atmosfrica Presin de compresin Presin de combustin Presin en el principio de escape AI Avance de la inyeccin AAE Avance a la apertura del escapec Figura 3.13. Diagrama real del ci-

clo Diesel.

Compresin: 23. Las dos vlvulas estn cerradas, el pistn asciende comprimiendo el aire que se encuentra dentro del cilindro hasta la presin (p1). La compresin no es adiabtica, existe intercambio de calor a travs de las paredes del cilindro. Inyeccin y combustin: 3-4. La inyeccin comienza en el punto 3, cuando el pistn sube en compresin. El incremento de presin no es instantneo, se necesita tiempo para que se inicie la combustin y se libere el calor. Este tiempo se compensa adelantando el momento de la inyeccin (AI). En una primera fase se produce una subida muy rpida de la presin pero no se realiza a volumen constante ya que el pistn efecta un pequeo recorrido desde el punto 3 hasta el PMS. En una segunda fase el pistn comienza a descender, la combustin contina hasta el punto 4, en este recorrido la presin no se mantiene constante. Expansin: 4-5. El pistn desciende en la carrera de trabajo, esta carrera no es adiabtica ya que parte del calor es evacuado al sistema de refrigeracin a travs de las paredes del cilindro. La carrera de expansin termina en el punto 5, cuando se abre la vlvula de escape, antes de que el pistn llegue al PMI. Principio de escape: 5-6. En el punto 5 el interior del cilindro se encuentra a la presin (p3), para evacuar esta presin residual se hace necesario un avance en la apertura del escape (AAE). Durante este tiempo el pistn hace el recorrido (5-6). La cada de la presin y por tanto la sustraccin de calor no se realiza a volumen constante (no iscora). Expulsin de los gases: 6-1. La presin ya ha descendido en el interior del cilindro y el pistn comienza a subir desde el PMI; los gases quemados son expulsados al exterior mientras se mantiene una presin ligeramente superior a la atmosfrica. La vlvula de escape se cierra despus de que el pistn haya pasado el PMS, con el fin de aprovechar la velocidad de salida de los gases y mejorar su evacuacin.Y

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Unidad 3

Y

El ciclo prctico tiene un rendimiento menor que el terico debido a las prdidas que se producen en el funcionamiento real del motor. Las causas son muy similares a las que se estudiaron en los motores Otto.p pt prAA Prdidas durante la combustin B Prdidas de calor C Prdidas por AAE D Prdidas por bombeo E Prdidas de carga T Trabajo til obtenido pt Presin mxima terica pr Presin mxima real

B T E

pad

C

Figura 3.14. Prdidas en el diagrama de trabajo.

PMS

D

PMI

V

Prdidas por bombeo (D) debidas al trabajo negativo que supone la carga y evacuacin de los gases en el cilindro. Prdidas causadas por el desplazamiento del pistn durante la combustin (A). Prdidas por la evacuacin de calor al sistema de refrigeracin (B). Prdidas por el tiempo empleado en la evacuacin de calor en la apertura del escape (C). Prdidas de presin por el llenado defectuoso en admisin (E).

4. Compresin y combustinEl rendimiento que se obtiene en el motor Diesel est en funcin de la eficacia con que realiza la transformacin de la energa propia de los motores trmicos, de calor en trabajo. En esta transformacin los factores que influyen de manera ms decisiva son: la relacin de compresin, la presin y temperatura que se alcanzan en la combustin y la forma en que esta se desarrolla.

4.1. CompresinEl combustible se inflama por contacto con el aire caliente, lo que requiere un alto grado de compresin para elevar suficientemente la temperatura. En el motor Diesel se comprime slo aire por lo que admite niveles altos de compresin, esto supone un aumento de temperatura que mejora las condiciones para realizar la mezcla ya que el aire transmite mayor cantidad de calor al combustible cuando es inyectado, y por tanto la inflamacin es ms rpida y la combustin ms completa.

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Unidad 3

Y

4.2. Combustinpbar 75 Fase 2 Fase 1 50 Inyeccin B D C Compresin sin combustin

El combustible es inyectado en la cmara de combustin, donde la presin y temperatura son muy altas, pero no se inflama instantneamente, sino que antes tiene que mezclarse con el aire y adquirir la temperatura suficiente. Las condiciones necesarias para conseguir una combustin completa son: Alta temperatura al final de la compresin. Gran turbulencia en el aire comprimido. Buena pulverizacin del combustible inyectado. Suficiente oxgeno para quemar todo el combustible inyectado.

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A

Fase 3 40 20 20

El proceso de combustin (figura 3.16) se puede dividir en tres fases para su estudio.

a Figura 3.16. Desarrollo de la combustin.

Fase 1. El comienzo de la inyeccin se produce con cierto avance respecto del PMS. Las primeras gotas de combustible introducidas (A) se 40 60 calientan, se vaporizan y reaccionan con el oxgeno del aire comenzando a arder, esta combustin inicial eleva la temperatura lo suficiente para gasificar el combustible que continua entrando pero an no se ha inflamado. Durante cierto tiempo se acumula una cantidad de combustible que se encuentra bien mezclada con el aire. Entonces se produce la combustin (B). El tiempo que transcurre entre el principio de la inyeccin y el encendido de la mezcla acumulada se denomina retraso del encendido (AB). Fase 2. Se quema la parte de combustible acumulada durante el retraso (C), la velocidad de combustin es muy alta, producindose una brusca subida de presin (70 a 90 bar). Este es el origen del ruido y la marcha dura caracterstica de los motores Diesel. La incidencia de este efecto sobre el funcionamiento del motor depender del tiempo de retraso del encendido. Si el retraso es grande, tambin lo es la acumulacin de combustible, y el resultado de su brusca combustin se dejar notar con mayor intensidad.

Inyector

El retraso del encendido se reduce usando un combustible de fcil autoencendido, con el ndice de cetano adecuado. Regulando el caudal de inyeccin, para evitar que se acumule mucha cantidad de combustible al principio. Con una alta turbulencia en el aire comprimido y una adecuada presin de inyeccin. Proporcionando una o varias preinyecciones antes de la inyeccin principal. Fase 3. La temperatura ahora es muy alta dentro del cilindro, la inyeccin contina y el combustible, que sigue entrando, se mezcla con el resto del oxgeno y se quema progresivamente hasta el final de la inyeccin (D), a partir de este momento se quema la ltima cantidad de combustible inyectado finalizando la combustin. La velocidad de combustin depender de las caractersticas de la inyeccin como el caudal, la presin y la forma del chorro. El avance a la inyeccin compensa el retraso del encendido, de tal forma que cuando la combustin genere los mximos valores de presin, el pistn se encuentre en las proximidades del PMS, comenzando a descender. El sistema regula el momento de la inyeccin en funcin del nmero de revoluciones y la carga del motor.

Figura 3.17. Inyeccin del combustible.a

El motor Diesel obtiene un buen rendimiento con un bajo consumo debido a su alta relacin de compresin, y a las elevadas presiones obtenidas en la combustin, logrando un mejor aprovechamiento de la energa trmica del combustible.


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5. Intercambio de gasesIgual que los motores Otto, los Diesel disponen de las cotas de distribucin cuyo fin es mejorar el llenado de los cilindros y la evacuacin de los gases residuales de la combustin, los gases quemados no contien

motores_mantenimiento_de_vehÃculos_autopropul

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