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COLEGIO NACIONAL TÉCNICO VICENTE ROCAFUERTEAREA DE ELECTROMECÁNICA AUTOMOTRIZ

MODULO DE MOTORES Y SUS SISTEMAS AUXILIARES 3º B-C 2014-2015

Estructura del motor de explosión l motor térmico de combustión interna está formado básicamente por una serie de elementos estáticos y dinámicos, clasificados, en función de la misión que cumplen dentro del motor, en tres grupos esenciales,

que serían: E

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Elementos fijos

En este grupo están encuadrados aquellos elementos estáticos necesarios para el funcionamiento del motor. Forman el armazón del motor y de los cilindros, en cuyo interior tiene lugar el proceso de combustión.

Bloque motor

El bloque constituye el cuerpo estructural donde se alojan y sujetan todos los demás componentes del motor.La forma y disposición del bloque está adaptada al tipo de motor correspondiente, según sea de cilindros en "linea", horizontales opuestos o en "V".El bloque motor contiene los cilindros, los apoyos del cigüeñal y la culata, las canalizaciones de refrigeración y engrase etc.

Bloque con refrigeración 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 través de los cuales circula el agua de refrigeración.




Bloque con refrigeración por aire

En los motores enfriados por aire, para que la refrigeración se realice en las debidas condiciones en toda la periferia del cilindro, es preciso que éstos sean independientes, por lo que esta disposición se emplea generalmente para motores monocilindricos.Para conseguir la refrigeración 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 pequeños motores de dos tiempos, debido a su sistema de alimentación 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 más compactos y evitan puntos de unión entre sus elementos.




Fabricación 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, según el tipo de motor, unidos por su bancada, formando así un cuerpo único.Esta disposición de un solo bloque tiene la ventaja de dar mayor rigidez al conjunto, simplifica la refrigeración del motor y facilita el proceso de fabricación.El material empleado en la fabricación de los bloques es, generalmente, fundición de hierro con estructura perlítica, aleado con pequeñas proporciones de cromo y níquel, que proporcionan una gran resistencia al desgaste y protección a la corrosión. Este material además resiste muy bien las altas temperaturas que tiene que soportar.En la fabricación de bloques se emplean también las aleaciones ligeras a base de aluminio-silicio, que tienen las ventajas de su menor peso y gran conductibilidad térmica, con lo que se mejora la refrigeración. Estas características permiten aumentar el grado de compresión en los motores de gasolina, con lo que se obtiene una mayor potencia útil y un menor peso especifico para una misma cilindrada.

Formación 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.




Según 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 fundición, con la sobremedida necesaria para el mandrinado 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 mas resistentes al desgaste y mas eficientes a la hora de evacuar el calor. En caso de avería 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 precisión, rectificado y pulido. A continuación, 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" porque no están en contacto directo con el líquido de refrigeración

Camisas húmedas : se llaman camisas "húmedas" porque están en contacto directo con el líquido refrigerante

Camisas secas

Estas camisas van montadas a presión, en perfecto contacto con la pared del bloque, para que el calor interno puede transmitirse al circuito de refrigeración. Estas camisas se fabrican de materiales mas 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 presión 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 pestaña de asiento y sin pestaña.




Camisas húmedas

Las camisas húmedas 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 cárter de aceite. Estas camisas sobresalen ligeramente del plano superior del bloque de forma que quedan fijadas una vez que se aprieta la culata.

Esta disposición del motor ofrece una mejor refrigeración del motor, y se emplea generalmente en motores de gran potencia, donde se necesita una mayor evacuación de calor. Tiene el inconveniente de su mayor costo de fabricación y una cierta dificultad de montaje, ya que, al estar la camisa en contacto directo con el liquido de refrigeración, existe el riesgo de que se produzcan fugas a través de las juntas de estanqueidad.




La culata

Es la pieza que sirve de cierre de los cilindros, formándose generalmente en ella las cámaras de combustión. En la culata se instalan las válvulas de admisión y escape, los colectores de admisión y escape, los balancines, el árbol de levas, también los elementos de encendido o inyección, según el tipo de motor de que se trate. Además de las cámaras de combustión la culata tiene cámara para el líquido de refrigeración y conductos para los gases de escape y aire de admisión.

Culata del motor




Culata para motor de cuatro tiempos

Debido a los esfuerzos a que está sometido y a las altas temperaturas que tiene que soportar, este elemento es una de las piezas mas delicadas y de difícil diseño 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 refrigeración.Todo ello hace muy difícil a la hora de proyectar una culata, fijar matemáticamente sus dimensiones y espesores de material, los cuales deben adaptarse a las características del motor, con un espesor en sus paredes lo mas uniforme posible para evitar desequilibrios térmicos en la misma, lo cual originaria la aparición de grietas en la estructura.Las zonas de la culata que soportan más calor son: la cámara de combustión y el conducto de salida de los gases quemados. Por tanto, se debe estudiar con detalle la correcta circulación del liquido de refrigeración, para que todo el conjunto quede térmicamente equilibrado.




Culata para motores de dos tiempos

Esta culata es mas simple que la de cuatro tiempos, ya que solo necesita un orificio para instalar la bujía o inyector. Resulta aún mas sencilla si la refrigeración se realiza por aire.No obstante, la refrigeración 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 evacuación del calor interno. Por esta razón su material alcanza mayor temperatura limite durante su funcionamiento. Estas culatas utilizan materiales de aleación ligera como el aluminio y tienen una serie de aletas externas que ayudan a la evacuación del calor del motor.

Material de las culatas

El material para la fabricación de las culatas es:

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




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

Montaje de la culata

Una de las características 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 combustión, tiende a separarse del bloque. Por esta razón, el sistema de amarre y el número más conveniente de puntos de unión, se estudia cuidadosamente, así como la calidad y dimensiones de los espárragos empleados para ello.El número de puntos de amarre depende de las dimensiones de la culata ya que si se emplean muchos espárragos, mayor es el número 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 flexión y la dilatación de la misma, al ser menor la separación entre puntos de amarre, asegurando así el cierre estanco de los cilindros.El par de apriete establecido para cada culata viene indicado por el fabricante en función de la presión interna y del material empleado en su fabricación. Este par de apriete se logra con el empleo de llaves dinamométricas. Se debe seguir el orden de apriete establecido por el fabricante, comenzando normalmente por el centro y terminando por los extremos.




Formas y características de las cámaras de combustión

Una característica importante de las culatas es el tipo de cámaras de combustión que llevan mecanizadas. La cámara de combustión es el espacio que existe entre la cabeza del pintón en el PMS y las diferentes formas que se mecanizan en la culata. En la cámara de combustión se comprime la mezcla o el aire en su grado máximo.La cámara de combustión se construye principalmente en la culata, y en ella se alojan las válvulas de admisión y escape y la bujía o el inyector dependiendo del motor sea Otto o Diesel.

Cámaras de combustión para motores Otto

En los motores de gasolina los mejores resultados se obtienen con una forma de cámara semiesférica; pero debido a la disposición y dimensionado de las válvulas, cuyo asiento debe ser plano, la configuración de la cámara se aleja de su forma ideal.

Las diferentes formas de la cámara de combustión pueden ser:

Cámara de bañera y en cuña

Se emplean generalmente con las válvulas situadas en la culata y la bujía 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, produciendose, a la entrada de gases, un soplado sobre la cabeza del émbolo que reduce el picado.La cámara en forma de cuña tiene las válvulas colocadas en paralelo, lo que simplifica su sistema de mando.La cámara en forma de bañera tiene una configuración que facilita un gran alzado de válvulas y también se simplifica el sistema de mando.

Cámara hemisférica

Es la mas parecida a la forma ideal, las válvulas se disponen una a cada lado de la cámara y la bujía en el centro. Esta disposición favorece la combustión y acorta la llama desde la bujía a la cabeza del émbolo.Este tipo de cámara se emplea mucho actualmente, ya que permite utilizar válvulas de mayor sección o bien situar mas válvulas para la admisión y escape (3, 4 y hasta 5 válvulas).

Cámara cilíndrica

Esta cámara es muy utilizada por su sencillez de diseño y fácil fabricación, lo cual abarata el costo de la culata.

Cámara de combustión en motores de inyección directa

La cámara en estos motores desempeña un papel muy importante ya que en alguna fase 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 bujía y por otra parte tenemos una mezcla pobre en la periferia.




Colectores de admisión 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 admisión

El colector de admisión suele fabricarse de aluminio, ya que al no estar expuesto a las elevadas temperaturas del motor no sufre apenas dilataciones, reduciendo así el peso del mismo.La principal características de este colector, es su perfecto diseño en cuanto a distribución y diámetro interior, a fin de que la mezcla o aire de admisión llegue sin perdidas de carga a cada uno de los cilindros. Para que esto se cumple la longitud de los tubos debe ser lo mas corto posible y equidistante del carburador o en sistemas de inyección monopunto, con una superficie interior perfectamente lisa, para evitar retenciones de la mezcla durante la admisión.




Para favorecer el arranque en frío 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 refrigeración o bien utilizar una resistencia eléctrica de calentamiento.En sistemas de inyección multipunto, los colectores se pueden optimizar mejor, ya que cada cilindro tiene su inyector al lado de la válvulas de admisión, por lo que podemos dar una longitud a los tubos de admisión lo mas optimo a las características del motor (cilindrada, nº r.p.m.). En este tipo de motores se pueden utilizar sistemas de admisión variable que pueden variar la longitud de los tubos del colector de admisión 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 inyección multipunto ya que tienen un inyector por cada cilindro independientemente del sistema de inyección utilizado. En estos motores se buscan colectores de admisión que consigan una elevada turbulencia de aire en el interior del cilindro.




Colector de escape

Se fabrican de hierro fundido con estructuras perlítica, ya que tiene que soportar altas temperaturas y presiones durante la salida de los gases. Como en el caso del colector de admisión, debe estar diseñado para evitar toda contrapresión en el interior del cilindro y facilitar la salida rápida de los gases.Existen varios modelos que se adaptan a cada tipo de motor. Se emplea el sistema de tubos múltiples en los motores de altas prestaciones.




Disposición de los colectores en el motor

Los colectores se sitúan 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 admisión.Otras veces, ambos colectores se colocan en el mismo lado de la culata, con lo cual el calor de los gases de escape se transmiten al colector de admisión. Esta disposición favorece la perfecta carburación de la mezcla en los motores Otto y evita la condensación de los gases en el colector de admisión en tiempo frío.

Juntas en el motor

En todo acoplamiento de elementos fijos se interpone una junta de unión, la cual hace de cierre estanco entre ellos. El material empleado para cada tipo de junta debe ser el adecuado a la función que tiene que cumplir y a la posición que ocupa en el motor, ya que algunas de estas juntas han de soportar elevadas presiones y temperaturas. La junta mas 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 automóvil están fabricadas en materiales como papel, corcho, caucho, metal o la combinación de alguno de ellos (juntas de acero recubiertas de elastómeros).Atendiendo a su aplicación, pueden dividirse en juntas de culata, juntas de




sellado de cárteres de aceite, colectores de admisión y escape, bomba de agua, bomba de aceite, etc.

Junta de la culata

La junta de culata es la junta plana sometida a las mayores exigencias de trabajo en el interior de un motor. Tiene la función de sellar las cámaras de combustión, los conductos de refrigerante y lubricante, y los agujeros de los tornillos entre sí.Dependiendo del diseño del motor, una junta de culata consta de varias láminas de acero. Así por ejemplo, los motores Diesel de elevada carga de funcionamiento precisan de unas juntas de culata con un diseño 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 químico, físico y estructural de los motores y deben ser construidas con una elevada resistencia a: los gases de combustión y a diversos fluidos agresivos, las altas temperaturas y rápidas variaciones térmicas de hasta 240ºC, y las altas presiones de combustión extremadamente variables y puntuales de hasta 120 bar en motores Otto y más 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 pistón (C) en el punto muerto superior (PMS) y la superficie de separación del bloque motor. Otro dato importante es el espesor de la junta que viene determinado por el "número de entalladuras" o muescas.




Cárter

Motor de aviación antiguo, se aprecia el cárter en negro y el bloque motor y culata en rojo

El cárter es una de las piezas fundamentales de una máquina, especialmente de un motor. Técnicamente, el cárter es una caja metálica que aloja los mecanismos operativos del motor . Es el elemento que cierra el bloque, de forma estanca, por la parte inferior, y que cumple adicionalmente con la función de actuar como depósito para el aceite del motor. Simultáneamente, este aceite se refrigera al ceder el calor exterior.

Normalmente el cárter se fabrica por estampación a partir de chapa de acero. su forma cóncava aporta la capacidad de almacenaje de aceite necesaria para cada motor, cantidad que se comprueba verificando el nivel mediante una varilla o sonda con sus correspondientes marcas. Con el objeto de evitar el olejae del aceite, que suelen disponer en el cárter de chapas que frenan el desplazamiento del mismo, especialmente en el sentido de la marcha.

El cárter también se fabrica con aleaciones ligeras de aluminio que sin aportar demasiado peso, y debido a su buena conductibilidad térmica, disipan una gran cantidad de calor, a lo que contribuye en muchos casos la presencia de aletas


http://commons.wikimedia.org/wiki/File:GypsyMinor_engine.jpg



de refrigeración. El empleo de este material presenta la ventaja añadida de que disminuye el nivel acústico del motor.

El cárter está fijado al bloque motor mediante tornillos con interposición de una junta de estanqueidad, y en el parte inferior del mismo está situado el tapón roscado que permite su drenaje. Las juntas de estanqueidad se fabrican de corcho o materiales sintéticos, pero existe una tendencia a la aplicación de juntas líquidas o masillas sellantes que polimerizan en poco tiempo en contacto con el aire. Este tipo de juntas exigen una adecuada limpieza antes de su aplicación. En ocasiones, el cárter se atornilla conjuntamente al bloque motor y al cambio de marchas, lo que aporta una rigidez suplementaria al conjunto cambio-motor.

Caso del motor alternativo

En este caso la palabra cárter se usa para diferenciarlo del bloque del motor , que es el elemento esencial del motor. El cárter aloja al tren alternativo constituido por cigüeñal, pistón, y biela, cierra al bloque por la parte del cigüeñal, la opuesta a la culata, y tradicionalmente su función es, además de cerrar el bloque y aislarlo del exterior (aunque teóricamente podría funcionar sin él), cumplir con la importantísima misión de albergar el aceite de lubricación del motor.

En ciertos diseños, con objeto de aumentar la rigidez del motor, evitando vibraciones (diésel potentes o motores con el bloque de aleación de aluminio ) y a la vez reducir el peso del mismo, la fabricación del cárter se realiza con aleaciones de aluminio o magnesio. En tal caso los apoyos del cigueñal van integrados en él. En este caso el cárter de aceite como lo hemos visto en el párrafo anterior se fija a este "cárter de bancada".

Cárter estructural de aleación, de una Benelli "Sei"


http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Benelli_Sei_Engine.jpg



De tal modo que el cárter en este tipo constructivo, puede estar formado por 2 partes diferentes:

Cárter superior, cárter intermedio o cárter del cigüeñal: parte del cárter, que es estructural con el bloque , y que está en contacto directo con el mismo , y más concretamente con el conjunto cilindros - cigüeñal. . A esta pieza se une el bloque de los cilindros, y lleva integrados los cojinetes de bancada o apoyos del cigueñal que son de acero integrados en el aluminio, sobre los que gira el cigüeñal, que queda sujeto más rígidamente que en el caso anterior.

Esta pieza recibe por tanto toda la fuerza de los cilindros y a su vez, la fuerza del cigüeñal, que transforma el movimiento rectilíneo de los cilindros en giratorio. De la rigidez del cárter superior, depende la eficacia del motor. Para garantizar esta rigidez, los nuevos diseños tienden a considerar una sola pieza estructural el bloque de cilindros, apoyos del cigueñal y cárter superior.

Cárter (en negro, abajo) y bloque motor seccionado (en gris) de un motor antiguo de automóvil

Cárter inferior o cárter de aceite: parte no estructural, y como su propio nombre indica, es la parte inferior de la carcasa del cárter, y se encuentra fijada mediante tornillos especiales al cárter superior. Actúa a modo de bandeja donde cae el aceite. Y es que el cárter inferior tiene una función primordial: contener el aceite para la lubricación del motor, y conseguir su óptimo funcionamiento. El lubricante se deposita en el cárter inferior, y desde allí es aspirado por la bomba de lubricación, para ser directamente bombeado de nuevo a todas las piezas del motor que requieren engrase a presión,especialmente los apoyos del cigueñal . En otros casos el cárter es mucho más reducido , y el aceite se recoge mediante succión a un pequeño depósito independiente, desde donde se bombea igualmente al motor. Esta última modalidad se denomina cárter seco, evitando en los casos de fuerzas de inercia elevadas (motores de competición, motores de aviación) que la bomba de lubricación se quede descebada, poniendo en peligro la lubricación.


http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Viertaktmotor01.jpg



Carter de acero del motor

Tapa de válvulas del motor

La función de la tapa de válvula es tapar el sistema de balancines o árbol de Leva y que no se pierda el aceite que manda la bomba para lubrificar y la tapa de distribución si es de un motor antiguo es para proteger la cadena y evitar la pérdida de aceite que engrasa la cadena y si es un motor moderno con distribución por correa solo es para evitar que algún elemento se introduzca en la correa y salte de punto normalmente esta es una simple tapa de plástico, también puede ser aluminio o fabricada de chapa de acero, además posee un orificio para el llenados del aceite y para el montaje se debe considerar el material de la junta para seleccionar el pegamento adecuado en cada de requerirlo.




Tapa de culata y su junta

Junta de tapa de válvulas de caucho


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