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Motores Secundino Escudero Jesús González Juan Luis Rivas Alejandro Suárez ÍNDICE Unidad 1 - Introducción a los motores y su clasificación 8 1 >> Introducción a los motores 9...

Motores Secundino Escudero Jesús González Juan Luis Rivas Alejandro Suárez ÍNDICE Unidad 1 - Introducción a los motores y su clasificación 8 1 >> Introducción a los motores 9 2 >> Clasificación de los motores en función de la energía que transforman 10 3 >> Motores eléctricos 11 4 >> Motores térmicos de combustión 12 4.1 > Motores de combustión externa (MCE) 12 4.2 > Motores de combustión interna (MCI) 13 5 >> Motores de combustión interna alternativos 15 5.1 > Clasificación según el proceso de combustión 15 5.2 > Clasificación según el número de carreras en el ciclo de trabajo 16 5.3 > Clasificación según el tipo de refrigeración 17 5.4 > Clasificación según el número y disposición de los cilindros 17 5.5 > Clasificación según el tipo de combustible utilizado 18 5.6 > Clasificación según la presión de admisión 18 Unidad 2 - Elementos constructivos del motor térmico 24 1 >> Introducción a los motores térmicos 25 2 >> Elementos estructurales o fijos del motor 26 2.1 > Bloque motor 26 2.2 > Culata 27 2.3 > Tapa de culata o de balancines 28 2.4 > Cárter 28 3 >> Tren alternativo 29 3.1 > Pistón o émbolo 29 3.2 > Segmentos 30 3.3 > Bulón 31 3.4 > Bielas 31 3.5 > Cigüeñal 32 3.6 > Casquillos de fricción o semicojinetes 33 3.7 > Volante motor 34 4 >> Mecanismos y circuitos auxiliares 35 4.1 > Mecanismo de la distribución 35 4.2 > Circuito de engrase 37 4.3 > Circuito de refrigeración 37 Unidad 3 - Extracción del motor. Herramientas y medidas de seguridad 42 1 >> Normas generales para la extracción del motor 43 2 >> Herramientas utilizadas para la extracción del motor 46 2.1 > Las llaves del mecánico 46 2.2 > Los alicates 47 2.3 > Los destornilladores 48 2.4 > Herramientas para golpear 49 2.5 > Herramientas especiales para la extracción y montaje del motor 50 3 >> Disposición del motor en el vehículo 53 3.1 > Ubicación del motor 53 3.2 > Clasificación de los vehículos por la ubicación del motor y la transmisión 54 4 >> Medidas de seguridad para la extracción del motor 56  ÍNDICE Unidad 4 – Motor de explosión otto de cuatro tiempos 62 1 >> Ciclo otto de cuatro tiempos 63 1.1 > Ciclo teórico de funcionamiento 63 1.2 > Ciclo práctico: diagrama de la distribución 66 2 >> Diagramas de trabajo 68 2.1 > Diagrama teórico de trabajo 68 2.2 > Diagrama real de trabajo 68 2.3 > Rendimiento 69 3 >> Modo de encendido 70 Unidad 5 – Motor alternativo de combustión diésel 76 1 >> Ciclo diésel de cuatro tiempos 77 1.1 > Ciclo teórico de funcionamiento 77 1.2 > Diagrama de la distribución 79 1.3 > Diferencias entre motores otto y diésel 80 2 >> Diagramas de trabajo 81 2.1 > Diagrama teórico de trabajo 81 2.2 > Diagrama real de trabajo 81 2.3 > Rendimiento 82 Unidad 6 – Características de los motores 88 1 >> Características de los motores térmicos 89 1.1 > Cilindrada 89 1.2 > Relación de compresión 90 1.3 > Par motor 91 1.4 > Potencia 92 1.5 > Consumo específico 94 1.6 > Rendimiento 95 1.7 > Curvas características 96 1.8 > Elasticidad 97 2 >> Disposición y número de cilindros 99 2.1 > Clasificación por la disposición de los cilindros 99 2.2 > Clasificación por el número de cilindros 100 Unidad 7 – La culata. Verificación y controles 110 1 >> Introducción al estudio de la culata 111 2 >> Tipos de culatas 112 3 >> Fabricación de la culata 113 4 >> Combustión y cámaras de combustión 114 4.1 > Combustión en los MEP 114 4.2 > Combustión en los MEC 118 5 >> Tornillos de culata 122 6 >> Junta de culata 124 7 >> Averías en las culatas y sus juntas 125 8 >> Verificaciones en una culata 127 9 >> Reparaciones de una culata 132 ÍNDICE Unidad 8 - El bloque motor 138 1 >> El bloque motor 139 1.1 > Clasificación de los bloques 140 1.2 > Características de los bloques 140 1.3 > Fabricación del bloque 141 1.4 > La bancada 141 1.5 > Los cilindros 142 1.6 > Fabricación o montaje de los cilindros en el bloque motor 143 1.7 > Conductos y orificios en el bloque 145 2 >> Características de los cilindros 146 2.1 > Dimensiones del cilindro 146 2.2 > Espesor de la pared en los cilindros 146 2.3 > Condiciones óptimas de los cilindros 147 2.4 > Alteraciones en el cilindro por desgaste 148 2.5 > Efectos de las averías en los cilindros 148 3 >> Averías del motor imputables al bloque 149 4 >> Verificación y reparación del bloque 150 4.1 > Verificación 150 4.2 > Rectificado de cilindros 150 5 >> Máquinas de rectificado del bloque 154 Unidad 9 - El tren alternativo. Verificación y controles 160 1 >> El volante de inercia 161 1.1 > Características del volante de inercia 161 1.2 > Proceso de control 161 2 >> El cigüeñal 162 2.1 > Formas constructivas del cigüeñal 162 2.2 > Equilibrado del cigüeñal 162 2.3 > Proceso de control del cigüeñal 163 3 >> La biela 164 4 >> Casquillos de biela y cigüeñal 165 5 >> Montaje biela–pistón 167 6 >> Los pistones 168 6.1 > Tipos de pistones en cuanto a su trabajo 168 6.2 > Tipos de pistones en cuanto a su forma constructiva 169 6.3 > Verificación y diagnosis de los pistones 170 6.4 > Deterioros en los pistones 171 7 >> Los segmentos 172 7.1 > Formas constructivas de los segmentos 172 7.2 > El trabajo de los diferentes segmentos 173 7.3 > Comprobación de anomalías en los segmentos 174 Unidad 10 - Sistemas de distribución 180 1 >> Introducción al estudio del sistema de distribución 181 1.1 > Distribución OHV 182 1.2 > Distribución OHC o SOHC 183 1.3 > Distribución DOHC 183  ÍNDICE 2 >> Sistemas de mando de la distribución 184 2.1 > Transmisión mediante piñones 184 2.2 > Transmisión por cadena 185 2.3 > Transmisión por correa dentada 185 3 >> Componentes de la distribución 186 3.1 > Árbol de levas 186 3.2 > Válvulas 187 3.3 > Taqués 189 3.4 > Varillas empujadoras 191 3.5 > Balancines 192 3.6 > Muelles de válvula 192 Unidad 11 - Verificación y control en sistemas de distribución 198 1 >> Sistemas de distribución y sus averías 199 1.1 > Falta de estanqueidad en las válvulas 199 1.2 > Desfase en el mecanismo de sincronización de la distribución 199 1.3 > Ruidos de distribución 200 1.4 > Fatiga y desgaste de los elementos de la distribución 200 2 >> Mantenimiento en los sistemas de distribución 201 2.1 > Sustitución de la correa de distribución 201 2.2 > Tensado de la cadena de distribución 206 2.3 > Reglaje de válvulas 206 3 >> Verificaciones en los sistemas de distribución 212 4 >> Reparaciones en los sistemas de distribución 222 Unidad 12 - Mejora del rendimiento volumétrico de los motores 230 1 >> Introducción a la mejora del Rv 231 2 >> Colectores de geometría variable 233 3 >> Distribuciones multiválvulas 236 4 >> Distribuciones variables 237 4.1 > Variadores de fase del árbol de levas 237 4.2 > Variadores de alzada de las válvulas 243 5 >> Sobrealimentación 249 5.1 > Turbocompresores 249 5.2 > Compresores volumétricos 253 Unidad 13 - Motores rápidos de motocicletas. Motores de dos y cuatro tiempos 262 1 >> Antecedentes y clasificación de los motores de dos tiempos 263 2 >> Constitución del motor de dos tiempos 264 2.1 > Elementos fijos 264 2.2 > Elementos móviles 268 ÍNDICE 3 >> Funcionamiento de los motores de dos tiempos 272 3.1 > Ciclos teórico y práctico de los motores de dos tiempos 273 3.2 > Desventajas más importantes del motor de dos tiempos 278 4 >> Refrigeración y engrase 279 4.1 > Refrigeración 279 4.2 > Lubricación 279 5 >> Verificaciones del motor de dos tiempos 280 6 >> Estudio del motor de cuatro tiempos para motocicletas 283 Unidad 14 - Sistemas de lubricación y aceites 290 1 >> Características de la lubricación 291 2 >> Lubricantes 292 2.1 > Características de un lubricante 293 2.2 > Aditivos 296 2.3 > Especificaciones de calidad 297 3 >> Tipos de lubricación 303 3.1 > Engrase directo a través del combustible 303 3.2 > Lubricación por barboteo 303 3.3 > Lubricación forzada por presión 304 4 >> Elementos de un circuito de lubricación 308 4.1 > Cárter 308 4.2 > Bomba de aceite 308 4.3 > Refrigerador de aceite 310 4.4 > Filtro de aceite 311 4.5 > Manocontacto de presión o presocontacto 313 4.6 > Canalizaciones de aceite 313 4.7 > Sistema de ventilación del cárter 313 4.8 > Equipo para prolongar los intervalos de mantenimiento 314 5 >> Averías en los circuitos de lubricación 316 Unidad 15 - Sistemas de refrigeración 322 1 >> Objetivo de la refrigeración 323 1.1 > Límite de temperatura en los elementos del motor 323 1.2 > Calor que debemos evacuar del motor 324 2 >> Clasificación de los sistemas de refrigeración 325 2.1 > Refrigeración directa por aire 325 2.2 > Refrigeración indirecta por líquido 326 2.3 > Refrigeración mixta 327 3 >> Elementos del sistema de refrigeración presurizado 328 3.1 > El radiador 328 3.2 > Los manguitos 330 3.3 > La bomba 330 3.4 > Los conductos internos 331 3.5 > El termostato 332  ÍNDICE 3.6 > El depósito de expansión 334 3.7 > El ventilador 335 3.8 > Poleas y correas 337 3.9 > Dispositivos de control: indicador de temperatura 340 3.10 > Tapones de protección del bloque y culata contra la congelación 340 3.11 > El líquido refrigerante 341 3.12 > Elementos asociados al circuito de refrigeración 342 4 >> Nuevos elementos del sistema de refrigeración 343 4.1 > Bomba de agua desconectable 343 4.2 > Sistema de refrigeración regulado electrónicamente 343 5 >> Averías del sistema de refrigeración 346 Unidad 16 - Motores rotativos 352 1 >> Inicio de los motores rotativos 353 2 >> Estudio del motor wankel 354 2.1 > Constitución del motor wankel 354 2.2 > Funcionamiento 355 2.3 > Características de los motores wankel 357 2.4 > Ventajas e inconvenientes de los motores wankel 358 Unidad 17 - Motores diésel en vehículos industriales y maquinaria 364 1 >> Nacimiento del motor diésel pesado 365 2 >> Misión del motor térmico industrial 366 2.1 > Clasificación de los motores diésel pesados 366 3 >> Elementos constructivos del motor diésel industrial 371 3.1 > Elementos fijos 372 3.2 > Elementos móviles 375 3.3 > El sistema de distribución 380 4 >> El sistema de lubricación en el motor diésel pesado 382 5 >> El sistema de refrigeración en el motor diésel pesado 383 6 >> La sobrealimentación del motor diésel industrial 384 Unidad 18 - Motores híbridos 390 1 >> Vehículos eléctricos 391 1.1 > Vehículo eléctrico con baterías (VEB) 391 1.2 > Vehículos eléctricos con pila de combustible (VEPC) 392 1.3 > Vehículos eléctricos híbridos (VEH) 393 2 >> Almacenamiento de energía 396 2.1 > Baterías 396 2.2 > Volantes de inercia (VI) 397 2.3 > Supercondensadores (SC) 397 3 >> Control de los motores eléctricos 398 3.1 > Motores de corriente continua 398 3.2 > Motores de corriente alterna 399 4 >> Diagnóstico de averías 400  1 u n i d a d Introducción a los motores y su clasificación SUMARIO  Clasificación de los motores en función de la energía  Motores eléctricos  Motores térmicos  Motores de combustión interna alternativos OBJETIVOS ·· Identificar los diferentes tipos de energía que se pueden usar para la generación de energía mecánica. ·· Conocer las tipologías de máquinas motoras que existen. ·· Saber distinguir las principales ventajas e inconvenientes que aporta cada tipo de motor. ·· Conocer en detalle la clasificación de los motores de combustión interna alternativos. Unidad 1 - Introducción a los motores y su clasificación 9 1 >> Introducción a los motores En la actualidad, los coches en nada se asemejan al triciclo con el que nacía el primer automóvil. Lo cierto es que han evolucionado de un modo impa- rable hasta llegar a ser elementos casi imprescindibles en la sociedad actual. La aparición del motor supuso una enorme revolución para la industria, y esto, junto con la evolución del comercio a lo largo de la historia, ha ido revolucionando los transportes por tierra, mar y aire, dando un impulso decisivo a la motorización de todo tipo de vehículos. Este desarrollo ha pro- vocado que el uso de los motores se generalice para todos los usos indus- triales. No obstante, no se puede olvidar que las máquinas de vapor, los reacto- res, etc., también son motores de mucha importancia en la industria, pero de escasa aplicación en el transporte para automoción a día de hoy. En la primera mitad del siglo XIX, la necesidad de resolver dos problemas concretos provocó el nacimiento del motor de explosión: – La máquina de vapor no se adaptaba bien para el transporte ligero. – El coche de caballos era lento y pesado. Desde 1950 hasta hoy, la evolución está regida tanto por la integración de todos los elementos en un volumen único, como por la optimización de los sistemas de seguridad activa y pasiva, incluidas las modernas líneas aero- dinámicas y las altísimas tecnologías utilizadas en los modernos motores. Al realizar el diseño de los vehículos actuales, no solo se tiene en cuenta la tecnología de sus motores, también se le da mucha importancia a la segu- ridad integral. En este sentido, es de destacar el cuidadoso diseño de la carrocería, en la que los exhaustivos estudios de laboratorio y pruebas de choque dan como resultado vehículos cada vez más seguros. La máxima tecnología desarrollada en los motores da como resultado un excelente rendimiento y un bajo consumo, tanto en los motores de gaso- Tecnología de Fórmula 1 lina como en los diésel: motores de aleación ligera, culatas de cuatro vál- Un aspecto destacado en la evolución vulas, inyección directa, bobina de encendido por cilindro, control de deto- del automóvil es el desarrollo de nuevos nación, gestión electrónica del motor por bus CAN, etc. materiales más ligeros y resistentes, y el control realizado a través de la electró- nica. Este permite un ajuste de las con- diciones del motor mucho más eficien- te. En este sentido, el mundo de la competición ha supuesto un magnífico campo de pruebas para la evolución de los automóviles en general y de los moto- res en particular. 1.1. Coche de Fórmula 1. 10 2 >> Clasificación de los motores en función de la energía que transforman Un motor es toda máquina capaz de transformar cualquier tipo de energía en energía mecánica. La energía mecánica obtenida a través de los motores se puede aprovechar de muchas maneras, entre ellas, en la propulsión de los vehículos. Los moto- res se pueden clasificar dependiendo del tipo de energía que transforman en energía mecánica. Las energías más utilizadas son: Energía química Energía mecánica Energía nuclear Energía mecánica Energía eléctrica Energía térmica De todas las máquinas motoras que existen en la actualidad, las que mayor interés tienen para las aplicaciones en automoción son aquellas que trans- Vocabulario forman las energías térmica y eléctrica en energía mecánica. Motores híbridos: combinación de Los motores que transforman la energía eléctrica en mecánica se han dos o más motores diferentes, general- desarrollado e incorporado al mercado automovilístico durante los últimos mente un motor eléctrico y otro térmico. años, dando lugar a los modernos motores eléctricos e híbridos, y se espe- ra que la tecnología continúe evolucionando. Los motores térmicos son los que tienen mayor trascendencia para la auto- moción, y en especial, los motores de ciclo otto y diésel. El resto de los que aparecen en la siguiente clasificación tienen un uso muy restringido. Rotativo Otto Alternativo Volumétrica de pistones Diésel Combustión Orbital interna Turbina de gas Continua MOTORES Reactor TÉRMICOS Rotativo Volumétrica Combustión Alternativo externa Continua Turbina de vapor Los motores eléctricos tienen un uso más extendido en automoción gra- cias a la aparición de los vehículos híbridos. Unidad 1 - Introducción a los motores y su clasificación 11 3 >> Motores eléctricos Los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en ener- gía mecánica o movimiento. Los motores eléctricos están muy desarrollados en todas las ramas de la indus- tria, por lo que su implantación en automóviles no supondría un problema técnico si se dispusiese de un sistema de almacenamiento y generación de electricidad en el propio vehículo, que le diera suficiente autonomía. Máquina síncrona Este hecho es claramente visible en los trenes, cuyo medio de propulsión Las máquinas síncronas son de corrien- ha cambiado de los antiguos motores diésel a las modernas máquinas eléc- te alterna pero el rotor se alimenta con tricas, gracias a que disponen de alimentación eléctrica ininterrumpida y corriente continua o con imanes perma- de infinita autonomía, salvo cortes en el suministro eléctrico. nentes. El alternador de un coche es una máquina síncrona como la mayoría Los motores eléctricos se pueden clasificar en: de las máquinas generadoras de elec- tricidad. – Motores de corriente continua (CC) (figuras 1.2, 1.3 y 1.4). – Motores de corriente alterna (CA). I I C D E F C D E F A M B A B M A M B I I E E E 1.4. Motor con excitación compuesta o 1.2. Motor con excitación paralelo. 1.3. Motor con excitación serie. mixta. Antiguamente, los motores de corriente alterna se usaban en pocas apli- P(V) caciones, debido a la dificultad que presentaban para la regulación de la 10 velocidad. Por otro lado, los motores de corriente continua eran muy pesa- 0 dos y caros, y necesitaban mucho mantenimiento. –10 Durante los últimos años y gracias a los avances tecnológicos y al desarro- –20 llo de la electrónica de potencia aplicada a los elementos de consumo 0 0,5 1 1,5 t(s) como los motores, se ha conseguido un funcionamiento aceptable de los motores de corriente alterna para regímenes de velocidad variable. Este 1.5. Formas de onda de la CA y la CC. hecho es de especial importancia, ya que los motores de corriente alterna son, en comparación con los de corriente continua, más baratos, su fabri- cación es más sencilla, pues se componen de un número menor de piezas y requieren menos mantenimiento. Por todo ello, los motores de corrien- Ventaja de la corriente alterna te alterna son más fiables. El gran uso de la corriente alterna se Si se llegase a conseguir menor peso en las baterías y mayor autonomía, debe fundamentalmente a que se gene- los motores eléctricos pueden llegar a ser grandes competidores de los ra y transporta más fácilmente que la motores alternativos en vehículos ligeros. corriente continua. 12 4 >> Motores térmicos de combustión Los motores térmicos queman combustible para aprovechar la energía liberada en forma de calor y transformarla en energía mecánica o movimiento. Debido al auge de los vehículos, al desarrollo industrial del siglo XX y al gran número de aplicaciones diferentes para las que pueden ser usados, A Motor alternativo hay una gran diversidad de motores térmicos. Todos estos tipos de moto- B Turbina res se pueden incluir en dos grandes grupos: C Motor rotativo – Motores de combustión externa. D Motor cohete – Motores de combustión interna. A B A B Gases quemados Gases quemados C D Combustible Aire Aire 1.6. Motores de combustión externa: alternativo de vapor y turbina 1.7. Motores de combustión interna: alternativo, rotativo, turbina de de vapor. gas y motor cohete. 4.1 > Motores de combustión externa (MCE) En los motores de combustión externa se quema el combustible en el interior de una cámara, y el calor desprendido se aprovecha para calentar otro fluido que realizará el trabajo. La combustión en estos motores no se produce dentro del fluido que realiza el trabajo. Los motores de combustión externa se caracterizan por ser muy pesados, voluminosos y por tener un elevado rendimiento. A este tipo de motores pertenecen las turbinas de vapor de las grandes centrales termoeléctricas y las antiguas máquinas de vapor, entre otros. 1.8. Turbina de vapor para producir electricidad. Unidad 1 - Introducción a los motores y su clasificación 13 Técnica Construcción de un motor casero de combustión externa ·· Un ejemplo casero de motor de combustión externa consiste en calentar agua en una olla a presión con llama, dejando la válvula abierta y aprovechar el vapor que sale de esta para mover una pequeña turbina, similar a la de los turbo de los vehículos. Se puede aprovechar el movimiento que se obtiene en el eje para producir electricidad, mover una cinta, etc. Los fluidos que intervienen en este caso son: – El fluido quemado, que es el aire más el combustible. – El fluido que realiza el trabajo, que en este caso es el vapor de agua. 4.2 > Motores de combustión interna (MCI) En los motores de combustión interna el fluido que realiza el tra- bajo es el mismo en el que se ha producido la combustión. Hay un gran variedad de motores de esta clase, pero se pueden subdividir en: – Motores de flujo continuo: reactores. – Motores volumétricos de combustión interna. Motores de flujo continuo: reactores Los motores de flujo continuo son aquellos en los que la combustión se produce en el interior de una cámara de modo continuo median- te, por ejemplo, la existencia de una llama siempre encendida. Este tipo de motores se usan principalmente en aviación y para generar electricidad. Su uso en automoción no es habitual, salvo en aplicaciones específicas, por las siguientes razones: – Son muy caros de desarrollar tecnológicamente debido a que los mate- riales, en algunas zonas de la máquina, están sometidos a temperatu- ras muy altas y grandes esfuerzos mecánicos. – No son útiles para potencias menores de 500 kW. – No se adaptan a grandes cambios de velocidad, par, etc. 1.9. Turborreactor. 14 Motores volumétricos de combustión interna En los motores volumétricos de combustión interna el trabajo es realizado por un fluido que actúa sobre elementos móviles que ocupan un volumen variable, siempre acotado por un valor máxi- mo y otro mínimo. Existen dos grandes grupos: – Motores alternativos. El pistón se mueve linealmente en el interior de un cilindro y transforma su movimiento lineal en rotativo mediante un mecanismo biela-manivela (figura 1.10). – Motores rotativos. Tienen órganos principales con movimiento rotato- rio y sin cambio en el sentido del mismo (figura 1.11). 1.10. Motor alternativo. 1.11. Motor rotativo. A diferencia de los motores de flujo continuo, en los motores alternativos la combustión se produce a intervalos de tiempo. Las ventajas e inconvenientes de los motores rotativos, frente a los alter- nativos, se resumen en la siguiente tabla: Ventajas de los rotativos Inconvenientes de los rotativos – Tamaño reducido para igual – Problemas para controlar las emisiones potencia. de escape. – Producen menos vibraciones. – Elevados costes de producción. – No hay cambios en el sentido – Problemas de estanqueidad que de giro, por lo que los esfuerzos derivan en un elevado mantenimiento. mecánicos son menores. – Elevado consumo de aceite. Los cuatro inconvenientes enumerados, junto con el desarrollo tecnológi- co de los motores alternativos, hacen que el uso de los rotativos no esté generalizado; pero no por eso hay que olvidar las importantes ventajas de los rotativos frente a los alternativos. Los motores rotativos usados en la actualidad en automoción son moto- res rotativos wankel. Unidad 1 - Introducción a los motores y su clasificación 15 5 >> Motores de combustión interna alternativos Los motores alternativos son los motores de combustión interna con más aplicaciones debido a que son muy versátiles, abarcan potencias desde 0,1 kW a 32 MW, tienen un rendimiento bastan- te aceptable y pueden usar combustibles de alto poder calorífico. Este tipo de motores son los más importantes en automoción, fundamen- talmente, porque usan combustibles líquidos con alto poder calorífico, lo que les otorga una gran autonomía. Su uso está muy generalizado. Aunque se usan en automoción, también se les da otros múltiples usos, como muestra la siguiente tabla: Automoción Otros usos – Transporte por carretera. – Generación de energía eléctrica. – Maquinaria agrícola y de obras. – Accionamiento industrial: bombas, – Trenes y barcos. compresores, cintas transportadoras, – Pequeños aviones. etc. 1.13. Motor de combustión interna alternativo para la generación de 1.12. Motor de barco. electricidad. A continuación se van a presentar una gran variedad de máquinas, todas ellas alternativas de combustión interna, pero que tienen particularidades importantes. Vocabulario Se presentan clasificadas en función de distintos criterios. Autonomía: distancia o tiempo que un 5.1 > Clasificación según el proceso de combustión vehículo puede estar funcionando sin Hay, principalmente, dos formas de provocar la combustión en los moto- repostar. res de combustión interna alternativos: Poder calorífico: energía liberada por unidad de masa. – Motores de encendido provocado (MEP) o motores otto. Son moto- res donde al final de la compresión se tiene una mezcla de aire y com- bustible, y donde el proceso de combustión se inicia por una causa externa (generalmente una chispa), y se propaga por un frente de llama a toda la cámara de combustión. 16 1.14. Motor de ciclo otto. 1.15. Motor de ciclo diésel. – Motores de encendido por compresión (MEC) o motores diésel. El flui- do introducido, generalmente es aire, tras ser fuertemente comprimido alcanza unas condiciones de presión y temperatura, para que, cuando se inyecte el combustible, este se autoinflame. 5.2 > Clasificación según el número de carreras en el ciclo de trabajo Los ciclos termodinámicos en motores de combustión interna alternativos Vocabulario otto y diésel se pueden realizar en dos o en cuatro carreras del pistón. rpm: revoluciones por minuto. Motores alternativos de cuatro tiempos rps: revoluciones por segundo. Los motores alternativos de cuatro tiempos realizan un ciclo de trabajo por cada cuatro carreras del pistón y, por tanto, cada dos revoluciones o vueltas del cigüeñal (figuras 4.1 y 4.4). Durante las cuatro carreras del cilindro el motor realiza el siguiente proceso: – Primer tiempo o admisión. Equivalencias entre rpm y – Segundo tiempo o compresión. hertzios – Tercer tiempo o expansión. – Cuarto tiempo o escape. 60 rpm = 1 rps = 1 Hz Motores alternativos de dos tiempos En los motores alternativos de dos tiempos el ciclo de trabajo se realiza cada dos carreras del pistón y, por tanto, en una revolu- ción o vuelta de cigüeñal (figuras 13.31 y 13.32). Su uso se justifica en motores de pequeña potencia por su sencillez cons- tructiva y, por tanto, por su valor más económico. Estos motores suelen ser de ciclo otto. En cambio, la configuración típica para grandes potencias es como la del motor diésel de dos tiempos trabajando a bajas revoluciones. Esta solución se adop- ta debido a que el peso de un motor de igual potencia de cuatro tiempos sería muy elevado. La complejidad de estos motores, parece a priori, que debería ser menor por el hecho de ser de dos tiempos, pero la realidad es que debi- do a la gran potencia que pueden desarrollar y a su posible tamaño, estos motores pueden ser muy complejos, incluso más que los de cuatro tiempos. Unidad 1 - Introducción a los motores y su clasificación 17 5.3 > Clasificación según el tipo de refrigeración La refrigeración de los motores es necesaria para mantener den- tro de unos márgenes aceptables los límites de temperatura de los materiales, el engrase de las piezas y las dilataciones térmicas. A medida que aumenta la cilindrada del motor, este se calienta más y, por tanto, necesita sistemas más efi- cientes de disipación del calor. Atendiendo a este criterio, los motores pueden estar: – Refrigerados por líquido. El calor sobrante se trans- mite al líquido refrigerante. Este líquido es transpor- tado a través de unas tuberías a un intercambiador de calor o radiador, desde donde se expulsa al exte- rior. – Refrigerados por aire. Se inyecta aire en la superficie exterior del cilindro, o en el bloque. El cilindro es ale- teado con el fin de aumentar la superficie de contacto del aire con el metal, y para que el proceso de refrige- ración sea más eficiente. La inyección del aire puede ser:  Natural. Por ejemplo, en motocicletas o aviones, 1.16. Bloque de motor refrigerado por aire. debido al movimiento del vehículo.  Forzada. Mediante un ventilador que fuerza el paso de aire. Hay que tener en cuenta que un motor con un cilindro de 1 000 cm3 se calien- ta más que otro con cuatro cilindros de 250 cm3, ya que las superficies de Potencia específica intercambio de calor son menores en las versiones de menos cilindros. Se trata de la relación entre la poten- 5.4 > Clasificación según el número y disposición cia del motor y su peso o volumen. En de los cilindros automoción interesa que sea lo más alta posible, es decir, se tratan de conseguir Los motores policilíndricos, es decir, aquellos que tienen más de un cilin- motores muy potentes que pesen y ocu- dro, también se pueden clasificar en función de las diferentes disposicio- pen poco volumen. nes de esos cilindros. Se mide en kW/kg o en kW/litro. En línea En V CLASIFICACIÓN En oposición o boxer DE LOS MOTORES SEGÚN LA DISPOSICIÓN En W DE LOS CILINDROS En H En estrella simple o doble Vocabulario Los motores en línea no pueden ser muy largos, y están limitados por la longitud máxima del motor, y por problemas asociados a vibraciones tor- Torsión: esfuerzo que aparece en un sionales. Las disposiciones de los cilindros más usadas en automoción son eje, cuando se intenta girar un extremo los motores en línea, motores en V y horizontales opuestos (boxer). con respecto al otro. 18 5.5 > Clasificación según el tipo de combustible utilizado En función del combustible consumido, los motores pueden clasificarse en: Líquido refrigerante – Motores de combustible gaseoso. En estos motores, el combustible que- mado es un gas. La ventaja principal de estos motores es que contaminan No es adecuado decir que un motor está menos, debido a que la mezcla es homogénea, y a que usan combustibles refrigerado por agua, pues el líquido de refrigeración de todos los motores es muy puros. Los gases más utilizados son propano, butano, GLP, éter, etc. una composición de varias sustancias, y – Motores de combustible líquido. El combustible líquido tiene la ven- que por supuesto, tiene mejores propie- taja de que se almacena en menor volumen y tiene un alto poder calo- dades que el agua. rífico. La facilidad de almacenamiento para obtener un alto poder calo- rífico, por unidad de volumen, hace que estos combustibles sean los más usados. Los combustibles líquidos cuyo uso está más extendido son la gasolina, el gasóleo, el queroseno, el etanol y el fuel oil pesado. De especial interés, debido a los problemas con el efecto invernadero, son los biocombustibles, los cuales se obtienen de diferentes productos vege- tales como: caña de azúcar, remolacha, maíz, colza, girasol, etc. Estos com- bustibles tienen menor poder calorífico, pero son menos contaminantes que los procedentes del petróleo. 5.6 > Clasificación según la presión de admisión Por último, los motores alternativos pueden clasificarse en función de la presión de admisión del aire aspirado en: – De aspiración natural o atmosférica. La presión en el colector de admi- sión es la atmosférica o aún menor, debido a la estrangulación que se produce para la regulación de la carga. – Sobrealimentado. La presión en el colector de admisión es superior a la atmosférica. El aumento de presión se consigue con un compresor. El uso de un turbocompresor (figura 1.18), que aproveche la energía resi- dual de los gases de escape, mejora el rendimiento global del motor, por lo que su uso está muy extendido. Compresor Turbina Vocabulario GLP: gas licuado del petróleo. Residuo de motores de hidrógeno El hidrógeno es un combustible cuyo resi- duo después de la combustión es prin- cipalmente agua. 1.17. Turbocompresor. Unidad 1 - Introducción a los motores y su clasificación 19 Actividades finales 1·· Enumera los combustibles que se pueden usar en motores de combustión interna. 2·· ¿Por qué es más caro un motor diésel que otro de gasolina a igualdad de potencia? 3·· ¿Por qué ha descendido el uso de motores alternativos en aviación? 4·· ¿Qué tipo de motor usarías para un avión de aeromodelismo? 5·· ¿Por qué no es conveniente estar mucho tiempo parado y con el motor en marcha en un vehículo refrigerado por aire? 6·· Investiga el rendimiento de un motor diésel y otro eléctrico de 73,5 kW de potencia. ¿Cuál tiene mayor rendi- miento? ¿Por qué se usa más el diésel en automoción? 7·· Busca en Internet, un modelo de motor real para cada uno de los tipos según la disposición de los cilindros e indica el vehículo o aplicación para la que se usó. 8·· Encuentra motores reales que cumplan las siguientes características: – Motor alternativo diésel, con tres cilindros y cuatro tiempos. – Motor alternativo diésel, de un cilindro y cuatro tiempos. – Motor rotativo que no sea el wankel. – Motor de combustión interna, gasolina, de un cilindro y cuatro tiempos. – Motor alternativo de cinco cilindros en V y de doce cilindros en W. – Los motores de combustión interna alternativos más grandes y más pequeños del mundo y su aplicación. – Motor alternativo y reactor acoplados. – Motor alternativo de hidrógeno. a) ¿Qué tipo de motor te parece más complejo y difícil de fabricar? b) ¿Cuál crees que necesitaría mejores materiales? c) Para el mayor y menor motor alternativo, rellena una tabla como la siguiente y comenta los resultados con tus compañeros: Motor más grande Motor más pequeño Denominación Denominación Potencia específica en kW/kg Relación carrera/diámetro (L/D) Número de Cilindros rpm para máxima potencia Relación de compresión Presión media efectiva (bar) Rendimiento Consumo específico (g/kWh) Regulación de la carga 20 Caso final Clasificación de los motores ·· Con los datos que se aportan, ¿cuál podría ser el uso idóneo de los siguientes motores? Consulta la página de la Revista de Electromecánica de esta unidad. Solución ·· Motor 1 Datos Respuesta Potencia 40 kW Potencia específica en 4 kW/kg N.º de cilindros 2 Se trata de un motor de gasolina por la relación de compresión. Podría ser de una moto o de un rpm para máxima potencia 10 000 coche de competición, pero descartamos este últi- Relación de compresión 9,5:1 mo por tener únicamente dos cilindros. Además el consumo y potencia específica son elevados, por Relación carrera/diámetro (L/D) 0,6 lo que es fácil que se trate de un motor de 2 tiem- Velocidad media del pistón pos de competición. Rendimiento 22% Consumo específico 330 g/kWh Motor 2 Datos Respuesta Potencia 45 kW Potencia específica en 0,2 kW/kg N.º de cilindros – En este caso se aportan pocos datos, pero sufi- rpm para máxima potencia 2 850 cientes para saber que se tiene que tratar de un motor eléctrico, porque son los únicos que tienen Relación de compresión – un rendimiento del orden del 88%. Las máquinas Relación carrera/diámetro (L/D) – térmicas no superan el 60%, y los motores para Velocidad media del pistón – automoción raramente pasan del 45%. Rendimiento 88% Consumo específico – Motor 3 Datos Respuesta Potencia 12 000 kW Potencia específica en 0,1 kW/kg N.º de cilindros 14 De todos los datos, salta a la vista las bajas revo- luciones, el bajo consumo y la baja potencia rpm para máxima potencia 110 específica. Esto nos indica que es probable que Relación de compresión 19:1 se trate de un motor muy lento diésel usado para aplicaciones marinas o estacionarias, y que segu- Relación carrera/diámetro (L/D) 2,5 ramente sea de 2 tiempos, por la relación alta Velocidad media del pistón 6,5 m/s de L/D. Rendimiento 42% Consumo específico 150 g/kWh Unidad 1 - Introducción a los motores y su clasificación 21 Motor 4 Datos Respuesta Potencia 80 kW Potencia específica en 1 kW/kg N.º de cilindros 4 Revisando los valores de los parámetros descri- rpm para máxima potencia 5 500 tos en la unidad, se observa que se trata de un típico motor de gasolina para automoción, segu- Relación de compresión 10:1 ramente de un turismo o similar. Que sea una motocicleta no es muy probable porque lo nor- Relación carrera/diámetro (L/D) 1 mal es que tenga un valor de rpm para máxima Velocidad media del pistón 14 m/s potencia mayor al descrito. Rendimiento 30% Consumo específico 280 g/kWh Motor 5 Datos Respuesta Potencia 9 000 kW Potencia específica en 7 kW/kg N.º de cilindros – rpm para máxima potencia – No hay muchos datos, pero la única opción que podría ser posible es que se trate de un motor de Relación de compresión – aviación (reactor), ya que son los únicos que tie- nen una potencia específica tan alta y son capa- Relación carrera/diámetro (L/D) – ces de proporcionar tanta potencia. Velocidad media del pistón – Rendimiento 30% Consumo específico 300 g/kWh Motor 6 Datos Respuesta Potencia 75 kW Potencia específica en 0,4 kW/kg N.º de cilindros 4 rpm para máxima potencia 3 800 Por la relación de compresión se trata de un motor diésel. Por el bajo consumo, la potencia y la rela- Relación de compresión 20:1 ción L/D es fácil que corresponda a un motor die- Relación carrera/diámetro (L/D) 1,1 sel de un turismo, furgoneta o similar. Velocidad media del pistón 10 m/s Rendimiento 40% Consumo específico 220 g/kWh 22 Ideas clave MOTORES Eléctricos Térmicos – Vehículos eléctricos Combustión interna Combustión externa e híbridos ligeros – Industria en general – Grandes máquinas de vapor para producir electricidad Volumétricos Flujo continuo Rotativos Alternativos – Aviones – Generar electricidad – Wankel Otto Diésel 4 tiempos 2 tiempos 4 tiempos 2 tiempos – Motocicletas – Grandes motores – Aplicaciones industriales de barcos muy lentos de pequeña potencia Ligeros Semipesados Ligeros y rápidos Pesados y lentos – Motocicletas – Camiones – Automóviles – Maquinaria pesada – Automóviles – Maquinaria – Maquinaria ligera – Camiones – Aviación – Camiones – Barcos – Aplicaciones – Generar electricidad – Generar electricidad industriales