Motores Térmicos: Elementos y Funciones

Introducción a los Motores Térmicos

• Los motores transforman la energía química del combustible en energía mecánica.
• Los elementos constructivos del motor se mantienen similares, aunque han evolucionado en forma, materiales y tecnología.
• Los elementos del motor se clasifican en: estructurales o fijos, motrices y mecanismos o circuitos auxiliares.

Elementos Estructurales o Fijos

• Bloque motor: pieza principal que alberga los cilindros y el sistema de refrigeración.
• Culata: tapa del bloque que alberga el árbol de levas, válvulas y la cámara de combustión.
• Tapa de balancines: cubre el árbol de levas y los mecanismos de accionamiento de válvulas.
• Cárter: contenedor de aceite lubricante.

Elementos Motrices

• Pistones:
  • Se desplazan dentro de los cilindros, impulsados por la explosión.
  • Contienen los anillos de compresión y de aceite.
• Segmentos:
  • Anillos ubicados en el pistón que sellan la cámara de combustión.
  • El segmento de compresión superior llamado "segmento de fuego" es responsable de la compresión y el sellado.
• Bulones: conectan el pistón a la biela.
• Bielas:
  • Conectan el pistón al cigüeñal.
  • Transfieren la fuerza de la combustión al cigüeñal.
• Cigüeñal:
  • Convierte el movimiento lineal del pistón en movimiento rotatorio.
  • Se encuentra en el bloque motor.
• Casquillos de bancada:
  • Recubrimientos de los cojinetes del cigüeñal.
  • Reducen el roce y desgaste.
• Casquillos de biela:
  • Recubrimientos de los cojinetes de la biela.
  • Reducen el roce y desgaste.

Mecanismos y Circuitos Auxiliares

• Distribución:
  • Sistema que controla la entrada de aire y la salida de gases de escape.
  • Incluye válvulas de admisión y escape, árbol de levas y mecanismos de accionamiento.
  • Las válvulas de admisión se abren en el PMS y se cierran en el PMI.
  • Las válvulas de escape se abren en el PMI y se cierran en el PMS.
• Circuito de engrase:
  • Sistema que lubrica las partes móviles del motor.
  • Incluye bomba de aceite, filtro de aceite y conductos de aceite.
  • La válvula by-pass del filtro de aceite permite la circulación de aceite en caso de obstrucción del filtro.
• Circuito de refrigeración:
  • Sistema que regula la temperatura del motor.
  • Incluye bomba de agua, radiador, termostato y depósito de expansión.

Materiales

• El aluminio es un material ligero que se utiliza en la fabricación de motores.
• La fundición de hierro es otro material que se utiliza en la fabricación de motores.
• Las válvulas de escape se fabrican con aleaciones resistentes al calor.

Reducción del Roce

• Los casquillos de bancada y biela reducen el roce entre las piezas metálicas.
• La superficie de trabajo de las bielas se ha ido adaptando a diferentes tipos de motores.

Características del Par motor

• El par motor se define como el producto de la fuerza por la distancia.
• Se genera un par cuando se aplica la fuerza de la combustión sobre la muñequilla del cigüeñal.
• Las bielas deben ser robustas pero ligeras para soportar los esfuerzos mecánicos.

Funcionamiento de las Válvulas

• El árbol de levas accionan las válvulas a través de taqués y balancines.
• El avance en la apertura de admisión y el retraso en el cierre de escape permiten el llenado del cilindro y el vaciado de los gases de escape.

Válvulas

• Las válvulas están sometidas a altas presiones, temperaturas y desgaste.
• La cabeza de la válvula cierra los conductos y el vástago se guía en su movimiento.
• Las válvulas deben ser resistentes al calor, la corrosión y el desgaste.

Sistema de Refrigeración

• El circuito de refrigeración mantiene el motor a una temperatura óptima.
• El termostato regula el flujo de refrigerante hacia el radiador.
• El depósito de expansión permite la expansión del refrigerante cuando se calienta.

Bloque del motor

• El bloque del motor está fijado a la carrocería a través de silentblocks que absorben las vibraciones del motor.
• Tiene orificios llamados cilindros que alojan y guían los pistones.
• Los cilindros sirven como recipiente para la mezcla aire-combustible y como cámara de expansión de la misma.
• La culata se asienta sobre la superficie superior del bloque, con una junta de culata para asegurar la estanqueidad entre las piezas.
• La unión entre el bloque y la culata se realiza con tornillos de culata que deben ser muy fuertes para soportar las grandes presiones de la combustión.
• El cigüeñal se aloja en la bancada del bloque, con casquillos de fricción.
• Los bloques suelen estar fabricados en fundición de hierro o en aleación ligera de aluminio, siendo estos últimos más ligeros y con mayor disipación térmica.

Culata

• La culata es la pieza que cierra la parte superior del bloque.
• La culata y el bloque están unidos por superficies planas, una junta de culata y pernos roscados.
• La culata contiene las cámaras de combustión, parte de los colectores de admisión y escape, conductos para el refrigerante y lubricante, bujías o bujías de precalentamiento, inyectores, orificios para tornillos y espárragos, así como zonas para acoplarse a otros elementos.
• La culata es un elemento costoso de fabricar, debido a los esfuerzos que soporta, causados por las altas temperaturas y presiones.
• Existen culatas para motores diésel y de gasolina, siendo la principal diferencia la forma de la cámara de combustión.
• En los motores diésel, la culata es plana y la cámara se encuentra en el pistón o en una precámara que comunica con el cilindro a través de un pequeño orificio.
• En los motores de gasolina, la cámara suele estar en la culata, con formas como la de bañera, cuña, hemisféricas, Heron, etc.

Cárter

• El cárter se compone de dos piezas: una superior de aluminio para refrigeración y una inferior de chapa para evitar fugas de aceite.

Tren alternativo

• El tren alternativo está formado por los elementos móviles del motor, encargados de transformar la energía química del combustible en energía mecánica.
• Sus piezas son: pistón, segmentos, bulón, biela, cigüeñal y volante motor.
• El pistón se desplaza en un movimiento lineal alternativo dentro del cilindro, impulsado por la combustión y por la energía almacenada en el volante motor.
• El movimiento del pistón se transmite al cigüeñal mediante el bulón y la biela.
• El movimiento lineal alternativo del pistón se transforma en movimiento de rotación del cigüeñal, que es el que se utiliza para producir trabajo.

Válvulas

• Las válvulas de admisión se abren en el PMS y se cierran en el PMI, permitiendo el paso de gases frescos al cilindro.
• El número de válvulas de admisión varía de una a tres por cilindro.
• Las válvulas de escape se abren en el PMI y se cierran en el PMS, permitiendo la salida de gases quemados.
• Suele haber una o dos válvulas de escape por cilindro.
• En la práctica, las válvulas tienen un avance en la apertura y un retraso en el cierre, creando un periodo de cruce de válvulas, donde ambas válvulas permanecen parcialmente abiertas para mejorar el llenado y vaciado del cilindro.

Árbol de levas

• El árbol de levas tiene levas que al girar abren o cierran las válvulas venciendo sus resortes.
• El cierre de las válvulas se produce al desaparecer la leva.
• La apertura de las válvulas se realiza a través de taqués y, a veces, balancines.
• Las válvulas se alojan a presión dentro de unas guías postizas en la culata, y cierran los colectores sobre unos asientos postizos.

Refrigeración

• Parte del calor generado en la combustión se utiliza para mover el pistón, pero el resto debe ser evacuado para evitar dilataciones, fricciones, deformaciones y fusiones de materiales.
• Existen dos tipos de refrigeración: por aire y por líquido.
• En la refrigeración por aire, el calor se disipa a través de aletas, pero el motor es difícil de mantener a una temperatura estable y suele trabajar a temperaturas más altas.
• En la refrigeración por líquido, el calor se disipa a través de un líquido refrigerante y un radiador, que también tiene aletas para aumentar la superficie de contacto.
• Un circuito de refrigeración por líquido consta de un radiador, un termostato, una bomba de accionamiento mecánico, un ventilador y un radiador de la calefacción.

Bloque Motor

• La bancada puede fabricarse con sombreretes individuales o con una tapa de bancada o semicárter.
• Los bloques de aleación de aluminio a menudo usan semicárteres.
• El cigüeñal recibe el movimiento alternativo de los pistones a través de las bielas y gira para transmitir movimiento.
• El bloque sirve para anclar mecanismos auxiliares (distribución, refrigeración, engrase).
• El bloque transporta fluidos a través de orificios mecanizados.
• El bloque se atornilla a la caja de cambios.
• Los bloques deben ser resistentes estructuralmente, resistir al desgaste y tener la capacidad de evacuar bien el calor.
• Los bloques se clasifican según la fabricación de los cilindros:
  • Bloques con camisas integrales: Las camisas se mecanizan directamente en el bloque.
  • Bloques con camisas secas: Las camisas son postizas y se insertan en el bloque a presión. La camisa no toca el circuito de refrigeración.
  • Bloques con camisas húmedas: Las camisas (postizas) no van a presión y tocan el sistema de refrigeración.
• La mayoría de los bloques se fabrican en fundición de hierro (gris) o en aleación de aluminio. Las de aluminio son más ligeras, disipan mejor el calor, pero son menos resistentes.

Culata

• Cierra la parte superior del bloque.
• Se sujeta al bloque mediante una junta de culata (con características especiales) y pernos roscados.
• La culata aloja:
  • Cámaras de combustión.
  • Parte de los colectores de admisión y escape.
  • Válvulas (admisión y escape), balancines, taqués, árboles de levas y elementos de distribución.
  • Conductos para refrigerante y lubricante.
  • Bujías o bujías de precalentamiento.
  • Inyectores.
  • Orificios para tornillos de culata y espárragos.
  • Zonas planas para otros elementos.
• La culata es costosa de fabricar.
• La culata y su junta son de los elementos más afectados por las altas presiones y temperaturas.
• Las culatas para motores diésel y gasolina difieren principalmente en la forma de la cámara de combustión:
  • Los motores diésel tienen una culata plana con una cámara hecha en el pistón o en una precámara.
  • Los motores de gasolina tienen la cámara en la culata, con formas como bañera, cuña, hemisféricas, Heron.

Volante Bimasa

• Tiene una masa primaria y una masa secundaria, las cuales actúan como aislamiento contra vibraciones.
• Reduce las vibraciones que producen el motor a través de los mecanismos de biela y manivela.

Mecanismos y Circuitos Auxiliares

• Los mecanismos y circuitos auxiliares son esenciales para el funcionamiento del motor.
• Se encuentran:
  • La distribución: Regula la entrada de la mezcla de combustible y la salida de gases quemados.
  • El circuito de engrase: Lubrica y refrigera las partes móviles para reducir el desgaste.
  • El circuito de refrigeración: Disipa el calor generado en la combustión y el rozamiento para evitar dilataciones y gripajes.

Mecanismo de Distribución

• Regula la apertura y cierre de las válvulas sincronizadas para los tiempos del ciclo del motor.
• Incluye un árbol de levas que gira a la mitad de las revoluciones del cigüeñal y abre y cierra las válvulas de admisión y escape de manera sincronizada.
• Utiliza taqués, varillas, balancines, eje de balancines, etc.
• El árbol de levas puede estar en el bloque o en la culata.
• Se acciona desde el cigüeñal por medio de:
  • Correa de distribución: Silenciosa, pero requiere mantenimiento.
  • Cadena de distribución: Ruidoso, requiere engrase y menos mantenimiento que la correa.
  • Cascada de engranajes: El más fiable, pero ruidoso, consume más potencia y requiere poco mantenimiento.
• Las válvulas de admisión abren al PMS (punto muerto superior) y se cierran al PMI (punto muerto inferior), permitiendo el paso de la mezcla fresca.
• Las válvulas de escape abren al PMI y cierran al PMS, permitiendo la salida de gases quemados.
• En la práctica, las válvulas tienen un avance en la apertura y retraso en el cierre para mejorar el llenado del cilindro y vaciado de los gases.

Árbol de Levas

• Tiene levas que abren y cierran las válvulas venciendo los muelles.
• El cierre se produce cuando desaparece la leva.
• La apertura a veces se hace con taqués y balancines (si el árbol está en el bloque, se usan varillas)
• Las válvulas se alojan a presión en guías postizas en la culata, más duras que esta.
• Cierran los colectores sobre asientos postizos más duros que la culata.

Circuito de Refrigeración

• Disipa el calor del motor para evitar sobrecalentamiento.
• El circuito consta de:
  • Depósito de expansión: Almacena líquido refrigerante.
  • Bomba de líquido refrigerante: Circula el líquido refrigerante a través del circuito.
  • Termostato: Regula la temperatura del líquido refrigerante abriendo y cerrando el paso al conducto de retorno del radiador.
  • Transmisor de temperatura: Detecta la temperatura del líquido refrigerante.
  • Radiador: Enfría el líquido refrigerante.
  • Colector de distribución del líquido refrigerante: Distribuye el refrigerante entre los cilindros, la culata y el bloque.
  • Intercambiador de calor de la calefacción: Calienta el aire del habitáculo.

Materiales del Bloque del Motor

• Los bloques de motor se fabrican principalmente de fundición de hierro (también llamada fundición gris) o de aleaciones de aluminio.
• Las aleaciones de aluminio son más ligeras, disipan el calor de manera más eficiente y son menos resistentes que la fundición de hierro.

Culata

• La culata es la pieza que cierra el bloque de motor superiormente.
• La culata y el bloque se unen mediante una junta (junta de culata) que debe ser de alta calidad para asegurar la estanqueidad.
• La culata alberga:
  • Cámaras de combustión.
  • Colectores de admisión y escape.
  • Válvulas, balancines, taqués, árboles de levas y otros elementos de la distribución.
  • Conductos para el paso del refrigerante y el lubricante.
  • Bujías o bujías de precalentamiento.
  • Inyectores.
  • Agujeros para los tornillos y espárragos de la culata.
  • Zonas planas para conectar otros componentes del motor.
• La culata y su junta son los elementos más propensos a fallos debido a las altas presiones y temperaturas que soportan.
• Tipos de culatas:
  • Motores diésel: Culatas planas, con la cámara de combustión en el pistón o en una precámara.
  • Motores de gasolina: Culatas con cámara de combustión integrada, con diferentes formas (bañera, cuña, hemisférica, Heron).

Cárter

• En los motores de gasolina, el cárter se compone de dos piezas:
  • Pieza superior de aluminio para refrigerar.
  • Pieza inferior de chapa metálica para evitar fugas de aceite.

Tren Alternativo

• El tren alternativo está formado por los elementos móviles del motor.
• Transforma la energía química del combustible en energía mecánica.
• Contiene:
  • Pistón.
  • Segmentos.
  • Bulón.
  • Biela.
  • Cigüeñal.
  • Volante motor.
• El movimiento del pistón es lineal alternativo, bajando por la combustión y subiendo impulsado por el volante motor.
• La biela transmite el movimiento del pistón al cigüeñal.
• El volante motor almacena energía de las carreras de trabajo y la libera en las carreras que no producen trabajo - esto ayuda a mantener la velocidad del motor constante
• El movimiento lineal del pistón se transforma en movimiento de rotación del cigüeñal.
• Los volantes bimasa se utilizan para amortiguar las vibraciones del motor.

Volante Motor

• El volante motor almacena energía cinética de las carreras de trabajo y la cede en las carreras de no trabajo.
• Tiene la función de alojar en su perímetro una corona que se conecta al piñón del motor de arranque.
• También suele llevar otra corona dentada para el sensor de revoluciones del motor, empleado en el sistema de encendido e inyección.
• En los automóviles, el conjunto del embrague se fija al volante motor.

Árbol de Levas

• El árbol de levas está sometido a fuerzas de torsión, altas revoluciones y desgaste.
• Los apoyos del árbol de levas se lubrican a presión.
• El árbol de levas tiene una polea para su accionamiento por el cigüeñal y puede llevar otra polea para accionar la bomba de vacío del servofreno u otros componentes.

Válvulas

• Las válvulas deben tener alta resistencia mecánica y alta conductividad térmica.
• Las válvulas están sometidas a:
  • Altas presiones de combustión.
  • Altas temperaturas.
  • Corrosión y desgaste, ya que están mal lubricadas.
  • Deformaciones por el golpeo constante al abrir y cerrar.
• Las válvulas están compuestas de:
  • Cabeza: Realiza el cierre de los conductos.
  • Vástago: Guía el movimiento alternativo de la válvula.
  • Asiento: Mecanizado en la cabeza de la válvula con un ángulo de 45°.

Materiales del Sistema de Distribución

• Árbol de levas:
  • Fundición de hierro, acero forjado, con tratamientos térmicos y químicos.
• Válvulas:
  • Acero.
  • Las válvulas de escape suelen ser de aleaciones especiales por su resistencia a la temperatura y su capacidad para disipar el calor.
• Muelles:
  • Acero al carbono con silicio para mayor elasticidad y resistencia.
• Guías:
  • Fundición de hierro con buena conductividad térmica y resistencia al desgaste.
• Asientos de válvulas:
  • Fundición de hierro con aleaciones para soportar el golpeo y disipar el calor.
• Taqués:
  • Fundición de hierro con tratamientos de dureza.
• Balancines:
  • Fundición de hierro o estampados en chapa de acero.

Circuito de Engrase

• El circuito de engrase minimiza los rozamientos dentro del motor, lo que disminuye el aumento de temperatura.
• Los rozamientos se pueden reducir mediante:
  • Piezas de distintos materiales con bajo coeficiente de fricción (no es suficiente).
  • Interposición de una película de lubricante.
• El circuito proporciona una capa fina de lubricante bajo presión entre las piezas metálicas.

Ciclo teórico de funcionamiento de un motor Otto

• El ciclo Otto se compone de cuatro tiempos: admisión, compresión, trabajo y escape.
• La admisión comienza cuando el pistón se desplaza del punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI).
• La válvula de admisión se abre, permitiendo la entrada de la mezcla de aire y combustible en el cilindro.
• La compresión se produce cuando el pistón se desplaza del PMI al PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible.
• Las válvulas de admisión y escape se cierran durante este tiempo.
• La temperatura de la mezcla aumenta durante la compresión debido al calor cedido por las paredes del cilindro.
• En el punto final de la compresión, la mezcla alcanza su máxima presión justo antes del PMS.
• El tiempo de explosión comienza con la chispa que provoca el encendido y la combustión rápida de la mezcla.
• La combustión de la mezcla aumenta la presión dentro del cilindro, impulsando al pistón hacia el PMI.
• El tiempo de escape empieza antes de que el pistón termine su carrera de trabajo.
• La válvula de escape se abre permitiendo que los gases quemados salgan del cilindro.
• La válvula de escape se cierra un poco después del PMS, creando una succión que ayuda a expulsar los gases restantes.
• El cruce de válvulas se refiere al momento en que ambas válvulas (admisión y escape) están abiertas.
• Los gases de escape crean una succión que ayuda a barrer los gases residuales durante el cruce de válvulas, mejorando el rendimiento del motor.

Diagramas de trabajo

• El trabajo realizado por el motor puede representarse en un diagrama con el volumen en el eje horizontal y la presión en el eje vertical.
• El ciclo Otto teórico incluye las siguientes fases:
  • Admisión: La mezcla entra al cilindro a presión atmosférica.
  • Compresión: La mezcla se comprime sin pérdida de calor.
  • Explosión: La mezcla se quema a volumen constante, aumentando la presión.
  • Expansión: El pistón se mueve por la presión interna, trabajando.
  • Escape espontáneo: Los gases se liberan a causa de la diferencia de presión.
  • Escape: El pistón barre los gases residuales.
• El diagrama del trabajo real muestra las diferencias con el ciclo teórico, incluyendo el llenado incompleto del cilindro en la admisión.

Este cuestionario explora los componentes y el funcionamiento de los motores térmicos. Aprenderás sobre los elementos estructurales, motrices y sus respectivas funciones dentro del motor. Ideal para estudiantes de ingeniería mecánica y entusiastas del automovilismo.