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Unidad 2 - Elementos constructivos del motor térmico 25 1 >> Introducción a los motores térmicos La energía química en forma de combustible que se almacena en el depó- sito de los vehículos se transforma en ene...

Unidad 2 - Elementos constructivos del motor térmico 25 1 >> Introducción a los motores térmicos La energía química en forma de combustible que se almacena en el depó- sito de los vehículos se transforma en energía mecánica o movimiento gracias a los motores. En los vehículos actuales, los elementos constructivos de los motores siguen siendo los mismos que antaño, aunque se han modificado sus for- mas constructivas, sus materiales, la tecnología de fabricación, etc. La clasificación de los elementos constructivos del motor es la siguiente: ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DEL MOTOR Elementos Elementos Mecanismos o estructurales o fijos motrices circuitos auxiliares – Bloque motor – Pistones – Distribución – Culata – Segmentos – Circuito de engrase – Tapa de balancines – Bulones – Circuito de refrigeración – Cárter – Bielas – Cigüeñal – Casquillos de bancada – Casquillos de biela De forma general, los ciclos de los motores se dividen en cuatro tiempos: Soporte para alojamiento del motor, combinado con bomba de líquido refrigerante – El tiempo de admisión. El motor recibe gases Varilla frescos. empujadora Cadena – El tiempo de compresión. Los gases se comprimen de rodillos dobles y se hacen más inflamables. – El tiempo de expansión. Se produce la combustión y con ella el aporte de trabajo mecánico hacia la Empujador con taqué transmisión. – El tiempo de escape. Los gases quemados se evacúan para volver a admitir gases frescos y repetir este ciclo. Árbol de levas Los elementos motrices (figura 2.1) transforman un movimiento lineal alternativo del pistón en uno rota- torio en el cigüeñal. La distribución se encarga de abrir y cerrar los conductos de entrada de gases fres- cos y salida de gases quemados. El motor además debe Bomba Volante de inercia ser lubricado por un circuito de engrase para evitar de aceite daños y pérdidas energéticas por rozamientos y tam- Bloque motor bién debe ser refrigerado por un circuito de refrige- ración para que no se produzcan daños por excesos 2.1. Sección de un motor. de temperaturas. 26 2 >> Elementos estructurales o fijos del motor Los elementos estructurales o fijos del motor son piezas que sirven de alojamiento, sopor- te y guiado a las partes motrices del motor. Los elementos fijos del motor son (figura 2.2): – El bloque motor. – La culata. – El cárter. – La tapa de balancines o de culata. 2.1 > Bloque motor El bloque motor (figura 2.3) es la pieza más importan- te del motor. Va anclado a la carrocería a través de silentblocks que proporcionan una unión elástica que se encarga de absorber las vibraciones del motor para que no se transmitan a la carrocería y a sus ocupantes. El bloque tiene practicados unos orificios, llamados cilindros, donde se alojan, guían y desplazan los pis- tones con un movimiento alternativo. Los cilindros tienen varias utilidades: – Recipiente para contener la mezcla aire-combusti- ble que se va a quemar. – Cámara de expansión de dicha mezcla. Sobre la parte superior del bloque se practica una cara totalmente plana sobre la que se asienta la culata con interposición de la junta de culata, para conseguir la estanqueidad entre ambas piezas. La unión de estas 2.2. Elementos estructurales o fijos y motrices. dos piezas, a través de tornillos de culata, debe ser muy resistente debido a que deben soportar grandes esfuerzos produ- cidos por la combustión. Sobre la parte inferior se mecaniza la bancada, donde se aloja el cigüe- ñal con interposición de unos cas- quillos de fricción. Esta bancada puede ser de sombreretes indepen- dientes, en los bloques de función (figura 2.4), o de una tapa de ban- cada o semicárter que es más rígi- do, sobre todo en los bloques de aleación de aluminio (figura 2.5). El cigüeñal es la pieza que recibe el movimiento alternativo de los pis- 2.4. Bloque con sombreretes independientes tones a través de las bielas y que 2.3. Bloque motor. de bancada. gira para transmitir el movimiento. Unidad 2 - Elementos constructivos del motor térmico 27 Además el bloque sirve para: – Anclar diferentes mecanismos o circuitos auxiliares como la distribución, la refrigeración, el engrase, etc. – Conducir los fluidos de los circuitos de refrigeración y engrase a los lugares donde se necesiten a través de unos orificios mecanizados. – Atornillar la caja de cambios. Características de los bloques Deben tener las siguientes características para un fun- cionamiento correcto: – Alta rigidez o resistencia estructural. – Gran resistencia al desgaste. – Buena capacidad de evacuación del calor. 2.5. Bloque con semicárter de bancada. Tipos de bloques Los bloques se clasifican atendiendo a la forma de fabricar los cilindros: – Bloques con camisas integrales. Las camisas se mecanizan directa- mente en el bloque. – Bloques con camisas secas. Las camisas son postizas y se meten a pre- sión en el bloque. La camisa no tiene contacto directo con el circuito de refrigeración. – Bloques con camisas húmedas. Las camisas también son postizas, no van a presión y tienen contacto directo con el sistema de refrigeración. Materiales Los bloques suelen estar fabricados en fundición de hierro, también lla- mada fundición gris, o en aleación ligera de aluminio, siendo estos últi- mos más ligeros, con mayor disipación térmica y menos resistentes. 2.2 > Culata La culata es la pieza que hace el cierre superior del bloque. La cula- ta y el bloque van unidos por sus superficies perfectamente planas con interposición de una junta, llamada junta de culata, de unas características y tecnologías muy especiales. Están unidos por unos pernos roscados que aseguran la estanqueidad entre culata y bloque. La culata (figura 2.6) es un elemento muy costoso de fabricar. En su dise- ño y fabricación hay que tener en cuenta que en su interior debe alojar: – Las cámaras donde se realiza la combustión. – Parte de los colectores de admisión y de los colectores de escape con sus respectivas válvulas, balancines, taqués, árboles de levas y demás ele- mentos de la distribución. – Conductos para el paso del líquido refrigerante y lubricante. – Bujías de encendido o bujías de precalentamiento. – Inyectores. – Orificios para los tornillos de culata y diferentes espárragos. 2.6. Culata. – Varias zonas planas para el acoplamiento a otros elementos. 28 La culata, junto con su junta de estanqueidad, son los elementos que más frecuentemente provocan averías debido a los esfuerzos que tienen que soportar causados por las elevadas presiones y temperaturas que soportan. Tipos de culatas Existen culatas para motores diésel y para motores de gasolina, siendo la principal diferencia entre ellas la forma que tiene la cámara: – En los motores diésel la culata suele ser plana, quedando la cámara practicada en el pistón o en una precámara que comunica con el cilin- dro a través de un pequeño orificio (figura 7.18). – En los motores de gasolina la cámara suele estar practicada en la cula- ta, existiendo distintas formas como la de bañera, cuña, hemisféricas, Heron, etc (figuras 7.11 y 7.12). Materiales Los materiales de fabricación son el hierro fundido y las aleaciones de alu- minio, como en los bloques, siendo las más usadas, con diferencia, las de aleación de aluminio, sobre todo por su mejor disipación térmica. 2.3 > Tapa de culata o de balancines La tapa de culata o de balancines es la que se Tapa de culata de plástico encarga de hacer el cierre estanco de la parte alta de la culata. La tapa de culata (figura 2.7) da acceso a elementos de distribución para su reparación y mantenimiento, como árboles de levas, taqués, balancines, etc. Se encarga de estanqueizar el aceite y sus vapores, Junta de condensándolos y volviéndolos líquidos otra vez para elastómero que caigan por gravedad a través del motor. Para hacer dicha estanqueidad se interpone entre esta y la culata 2.7. Tapa de culata o balancines. la junta de la tapa de balancines. 2.4 > Cárter El cárter es la tapa que cierra el bloque motor por su parte infe- rior de forma estanca. Tiene la misión de hacer de depósito de aceite, refrigerándolo ligeramente. Alberga el tapón de vaciado para realizar el cambio de aceite y puede alojar sensores de temperatura, nivel de aceite, etc. Para hacer la estanqueidad entre bloque y cárter se interpone una junta de elastómeros, papel o cordón líquido de poliuretano o silicona. El cárter se puede fabricar con distintos materiales, como pueden ser: – Chapa estampada. Se abolla al ser golpeada sin sufrir pérdidas de aceite. – Aleación de aluminio. Pesa poco y refrigera mucho más. Se recurre muchas veces a una solución intermedia. En este caso, el cárter se compone de dos piezas (figura 2.8): la superior de aluminio para refri- 2.8. Cárter mixto. gerar y la inferior de chapa para evitar las fugas de aceite por impactos. Unidad 2 - Elementos constructivos del motor térmico 29 3 >> Tren alternativo El tren alternativo está formado por los elementos móviles del motor. Son los encargados de transformar la energía química del combustible en energía mecánica. Las piezas del tren alternativo (figura 2.9) son: – Pistón. – Segmentos. Segmentos – Bulón. Volante – Biela. motor – Cigüeñal. Pistón Bielas – Volante motor. Bulón El pistón realiza un movimiento lineal alternativo: baja empujado por la combustión que se hace sobre su Polea cigüeñal cabeza y sube empujado por la energía almacenada en el volante motor. Este movimiento (figura 2.10) se Casquillos transmite por medio del bulón a la biela y esta, a su de biela vez, lo transmite al cigüeñal que se aloja en la banca- da del bloque. Casquillos Sombreretes Cigüeñal Casquillos axiales de bancada de biela El movimiento lineal alternativo del pistón se trans- forma en movimiento de rotación del cigüeñal. Este movimiento es el que posteriormente se va a aprove- 2.9. Tren alternativo del motor. char y extraer del motor. El movimiento del pistón tiene una dirección pero cambia de sentido con- tinuamente, produciéndose su parada en el punto más alto o punto muer- to superior (PMS) y en el punto más bajo o punto muerto inferior (PMI). Por tanto, no se trata de un movimiento lineal continuo. Sin embargo, el movi- miento del cigüeñal es de rotación continua, aunque su velocidad no es uniforme. 3.1 > Pistón o émbolo El pistón es el elemento del motor que se desplaza dentro del cilindro con movimiento lineal alternativo, sirviéndole el cilindro como guía. Sobre la cabeza del pistón se produce la combustión o fuerza de expan- sión de los gases. Esta fuerza empuja el pistón hacia abajo en su carrera descendente y, a su vez, el pistón transmite el movimiento a la biela a tra- vés del bulón y la biela al cigüeñal. Características de los pistones El pistón es una pieza del motor sometida a condiciones como: – Presiones muy elevadas. – Inercias de aceleraciones y desaceleraciones al pasar de los puntos muertos, lugar donde la velocidad es cero, al punto central de su carre- ra, lugar donde la velocidad es máxima, y viceversa. – Variaciones de temperaturas muy bruscas. 2.10. Movimiento visto axialmente. 30 Por tanto, las características principales de los pistones deben ser: Velocidad media del pistón – Diseño, materiales y fabricación específicos para cada tipo de motor. – Resistencia a altos esfuerzos mecánicos y a elevadas temperaturas. El pistón sube y baja constantemente, teniendo que parar en sus puntos muer- – Alta conductibilidad térmica y capacidad para disipar bien el calor tos superior e inferior. De aquí se dedu- hacia el circuito de refrigeración. ce que la velocidad del pistón no es uni- – Estanqueizar lo mejor posible. forme, por ello se calcula la velocidad – Tener bajo coeficiente de dilatación para tener una holgura lo más media del pistón. La velocidad media del constante posible en el cilindro. pistón está en torno a 12 m/s como má- – Alta cualidad de deslizamiento, pues sufre rozamientos muy importan- ximo. El límite se debe a que a muy altas tes. revoluciones hay problemas de lubrica- – Ser lo más ligero posible para evitar grandes inercias. ción entre cilindro, segmentos y pistón. Mejorando la calidad del aceite se puede Materiales aumentar el número de revoluciones máximo. Los materiales más usados en la fabricación de los pistones son el alumi- nio y el silicio. El proceso de fabricación puede ser por fundición en coquilla o el forjado por estampación. Después se mecanizan y son tratados térmica o quími- camente en su parte exterior para aumentar más aún su resistencia y capacidad de deslizamiento. Cámara Partes del pistón toroidal de combustión Un pistón (figura 2.11) está constitutito por las siguientes partes: Zona de Cabeza – Cabeza. Debe tener una conducción térmica muy alta y gran resisten- segmentos cia mecánica. En los motores diésel de inyección directa aloja la cáma- ra de combustión o deflectores, que mejoran la homogeneización de la mezcla y la combustión. – Zona de segmentos. Es la parte cajeada que aloja los segmentos, tres gene- ralmente. En el cajeado superior, que es el que más sufre las presiones y temperaturas elevadas, se suele poner un cajeado postizo de fundición. – Zona de alojamiento del bulón. Es la zona más robusta y reforzada de este, pues aquí es donde se transmite el movimiento al pie de biela. – La falda del pistón. Es la parte inferior del mismo y sirve para hacer el Alojamiento Falda guiado del pistón y evitar que cabecee. En la falda se suele colocar una del bulón serigrafía de grafito y molibdeno para disminuir el rozamiento con el 2.11. Pistón de motor de inyección diésel. cilindro. La falda suele ser más larga en las zonas transversales al bulón. 3.2 > Segmentos Los segmentos son aros elásticos abiertos, situados en cajeados del pistón, que hacen la estanqueidad entre el cilindro y el pis- tón. Son los encargados de transmitir la mayor parte del calor de la combustión recibido por el pistón y cederla al cilindro, donde lo disipa el sistema de refrigeración. La disipación del calor también se produce gracias al aceite que queda impregnado en el cilindro y que los segmentos rascan y lo hacen caer por el interior del pistón y, de ahí, al cárter. El hecho de recoger el aceite evita que este pase a la cámara y se queme, evitando así el consumo excesivo de aceite y logrando una menor contaminación. Unidad 2 - Elementos constructivos del motor térmico 31 Tipos de segmentos Lo más habitual es encontrar pistones con tres segmen- Anillo insertado tos (figura 2.12), aunque existen otros con cuatro, como de mayor dureza por ejemplo en los vehículos industriales, o incluso con Segmento dos, en motores pequeños. La sección de los segmentos de fuego varía en función de su posición y sus características. Segmento de compresión En el caso de que haya tres segmentos, son los siguientes: Segmento – Segmento de fuego. Es un segmento de compre- de engrase sión. Va alojado en el mecanizado de la parte supe- rior del pistón. Soporta la combustión directamente y es el que tiene que disipar más calor. – Segmento intermedio o de compresión. Tiene como misión reforzar al primer segmento retenien- do la compresión, además de ayudar al siguiente a rascar el aceite que haya quedado y que recogerá 2.12. Ubicación de los segmentos. este último. – Segmento de engrase o rascador. Situado en la parte inferior. Rasca la mayor parte del aceite, lo recoge para que no pase a la cámara de com- bustión y lo hace pasar, por unos orificios que se practican en su caje- Vocabulario ado, a la parte interior del pistón para refrigerarlo. El segmento de engrase suele estar constituido por varias piezas, entre ellas un muelle Esfuerzo de flexión: esfuerzo que que asegura el buen contacto con el cilindro. sufre una pieza cuando, estando apoya- da en sus extremos, se ejerce una fuer- Materiales za en el centro. Los segmentos se realizan por fundición de hierro aleado con otros materia- les. Los segmentos de fuego suelen llevar un baño electrolítico cromado. 3.3 > Bulón El bulón es el eje a través del cual se unen el pistón y el pie de la biela. Por él se transmite toda la fuerza de la combustión (figura 2.13). Se trata de una pieza hueca sometida a esfuerzos de flexión. La unión entre el bulón y el pie de la biela puede ser: – De bulón flotante. Permite cierta oscilación de la biela y hay que inter- poner entre ellos un casquillo de bronce y hacerle llegar lubricación. 2.13. Detalle de la robustez de un bulón. – De bulón fijo. Se fija el bulón al pie de biela por interferencia o aprie- to. En este caso, el diámetro del bulón es ligeramente mayor que el del pie de biela, así se consigue su fijación. Materiales Desplazamiento del bulón El bulón se suele fabricar de acero aleado. Posteriormente se añade un tra- La mayoría de los pistones tienen lige- tamiento superficial de nitruración o cementación. ramente desplazado el eje del bulón para hacer los desgastes más uniformes 3.4 > Bielas en ambas partes del cilindro. Esto se hace para reducir el campaneo cuando La biela es la pieza que transmite la fuerza del pistón al cigüe- el pistón sube apoyado en una parte del ñal y es clave en la transformación del movimiento lineal alter- cilindro y baja apoyado en la parte nativo del pistón en un movimiento de rotación del cigüeñal. opuesta del mismo. 32 Características Está constituida por un cuerpo (figura 2.14), con sec- ción en forma de H o doble T, que en su extremo supe- rior aloja el pie de biela, orificio donde se aloja el bulón para unirse con el pistón y donde va a recibir el empuje de la combustión. En su extremo inferior va alojada la cabeza de biela, generalmente con una pieza independiente, llamada sombrerete de biela. Esta pieza puede ir dividida per- pendicularmente al eje de la biela, sobre todo en motores pequeños, o de forma oblicua, cuando la anchura de la cabeza de la biela es mayor que el diá- metro del cilindro, en motores más grandes. 2.14. Bielas con pie trapezoidal. La unión del sombrerete de biela a la biela propiamen- te dicha se suele hacer a través de dos pernos roscados de gran calidad. La cabeza de biela lleva alojados los semicojinetes de fric- ción para evitar el rozamiento directo entre la biela y el cigüeñal. El cuer- Bielas con pie trapezoidal po de la biela va aumentando su sección desde la inserción del pie de biela El pie de biela suele ser en la actuali- hasta la inserción de la cabeza de forma progresiva. La biela puede llevar dad trapezoidal para aumentar las un orificio que comunica la cabeza de biela con el pie de biela para hacer superficies de trabajo del pistón y de la llegar aceite a presión, procedente del cigüeñal, hacia el bulón flotante. biela, reduciendo así la presión y, por consiguiente, los esfuerzos mecánicos. En motores pequeños, como en los de motocicletas, las bielas tienen la cabeza en una sola pieza porque el cigüeñal es desmontable y entre medias se coloca un rodamiento de agujas en vez de casquillos de fricción. Par motor Características de las bielas El par es el producto de la fuerza por la La biela debe ser robusta pero lo más ligera posible para reducir sus iner- distancia. cias y soportar los esfuerzos mecánicos a los que está sometida: M=F·d – Esfuerzos de tracción. Al admitir la mezcla. Cuando aplicamos la fuerza de la com- bustión sobre la muñequilla del cigüe- – Esfuerzos de compresión y flexión. Al transmitir la fuerza de combus- ñal se genera un par. En el motor la tión y al hacer la compresión. fuerza que recibe el pistón sobre su Materiales cabeza varía constantemente y la dis- tancia de aplicación, al girar la muñe- Se suelen fabricar por fundición de hierro o forjado por estampación de quilla, también está variando de forma hierro al carbono aleado con otros materiales. Posteriormente se mecani- continua, luego el par instantáneo del zan los taladros de engrase y los orificios para el bulón y el cigüeñal. motor varía también constantemente. Este par es el que luego se va a trans- 3.5 > Cigüeñal mitir a las ruedas para iniciar primero el movimiento y luego mantenerlo. El cigüeñal es un árbol motriz, donde se albergan tantos codos como cilindros tenga el motor, recibe la fuerza de la combus- tión a través de las bielas y se convierte en un par que hace girar al cigüeñal. Número de apoyos del cigüeñal Características Actualmente el número de apoyos del cigüeñal a la bancada en los motores en La forma del cigüeñal (figura 2.15) depende del número de cilindros, línea suele ser igual al número de cilin- el tipo de motor, el orden de encendido, el número de apoyos en la dros más uno. bancada, etc. Unidad 2 - Elementos constructivos del motor térmico 33 Las principales partes del cigüeñal son: Vocabulario – Muñequillas de bancada o puntos de giro. Son puntos alineados en un mismo eje sobre los que gira el cigüeñal apoyado en la bancada. Muñequilla: zonas mecanizadas exter- – Muñequillas de biela o puntos de giro de las cabezas de biela. Las namente a los ejes y los árboles de forma muñequillas suelen ir desalineadas entre sí, según el tipo de motor. cilíndrica donde se apoyan para girar un – Contrapesos para equilibrar el conjunto y evitar vibraciones. eje. – El plato de amarre en uno de sus extremos donde se atornilla el volan- te motor o de inercia. – El chavetero en el otro extremo para fijar el piñón de la distribución y la polea para la correa de accesorios. El cigüeñal soporta grandes fricciones y para evitar el des- gaste debe ir lubricado a presión. Es una pieza sometida a efectos de torsión y flexión, cada vez que una biela le transmite la fuerza de la combustión y lo hace girar, por lo que debe tener una cierta flexibilidad y soportar tam- bién vibraciones e inercias importantes. El cigüeñal recibe aceite a presión primeramente a los apo- yos de bancada y de ahí se pasa también a presión a las muñequillas de biela a través de unos orificios, que se prac- tican una vez fabricado el cigüeñal, que unen las muñequi- llas de bancada con las de biela para el engrase. 2.15. Cigüeñal. Materiales Los cigüeñales se fabrican en fundición de hierro aleados con otros mate- riales. Los más comunes son los forjados por estampación de acero alea- do. Posteriormente se les da un tratamiento superficial que puede ser nitruración, cementación, temple o revenido. 3.6 > Casquillos de fricción o semicojinetes Los casquillos de fricción o semicojinetes (figura 2.16) son ele- mentos que se interponen entre las muñequillas de bancada del cigüeñal y la bancada propiamente dicha y entre las muñequi- llas de biela del cigüeñal y las bielas. Su misión es reducir el coe- ficiente de fricción entre estas piezas y, por consiguiente, elimi- nar temperaturas elevadas y desgastes. Existen también los llamados casquillos axiales que se intercalan entre el cigüeñal y la bancada y sirven para limitar el juego axial de este. Algunas veces van incluidos directamente en los casquillos de bancada centrales Base de acero en una sola pieza (figura 9.10). Canal de engrase Características Las características principales de los casquillos son: – Alta resistencia a la compresión. – Evitar el gripaje, la fatiga y el desgaste. Capas de Pestaña de – Tener una alta conductibilidad térmica. recubrimiento posicionamiento – Permitir la incrustación de partículas sólidas del aceite sin dañar al 2.16. Semicojinetes. cigüeñal. 34 Materiales Volantes bimasa Están fabricados de un material especial para soportar la fricción. Ayuda- dos por el sistema de engrase, que rellena con una fina capa de aceite a Los volantes más modernos van dividi- dos en dos masas unidas entre ellas por presión la holgura entre casquillo y muñequilla, consiguen reducir en muelles que se encargan de absorber las gran medida el coeficiente de fricción. aciclidades del motor para que no se Están construidos por pletina de acero convenientemente curvada al pasen a la transmisión. Estos volantes radio necesitado, formando un semicírculo, recubierta interiormente, son conocidos como volantes bimasa. donde se realiza la fricción, de distintas capas de aleaciones como el esta- ño, cobre, plomo y aluminio. La pletina de acero tiene unas pestañas de posicionado para que queden bien alojados y no se giren. 3.7 > Volante motor En los motores térmicos alternativos de cuatro tiempos las combustiones no se suceden uniformemente y existen más carreras que no producen tra- bajo que las que sí lo producen. Por ello se crean aciclidades del motor que se intentan subsanar con la colocación de un volante motor (figura 2.17). El volante motor es la pieza encargada de almacenar energía ciné- tica de las carreras de trabajo o motrices y cederla en las carre- ras no motrices. Para ello tiene que tener una masa importante. Además tiene la función de alojar en su perímetro exterior una corona colocada por interferencia que sirve para que engrane el piñón del motor de arranque. También suele llevar otra corona de dientes almenados para el sensor de revoluciones de motor, empleada en el encendido y la inyección. Sobre el volante motor se atornilla el conjunto del embrague en los auto- móviles. Lleva una zona mecanizada sobre la cual fricciona el disco de embrague. Masa secundaria del volante bimasa Antivibrador Mecanismo de biela Masa primaria Aislamiento contra vibraciones y manivela del volante bimasa 2.17. Volante motor bimasa y antivibrador. Unidad 2 - Elementos constructivos del motor térmico 35 4 >> Mecanismos y circuitos auxiliares Entre los mecanismos y circuitos auxiliares se encuentran: – La distribución. Permite la entrada de la mezcla que se va a quemar en el motor y la posterior expulsión de los gases quemados. – El circuito de engrase. Lubrica y refrigera todas las partes móviles del motor, reduciendo sus rozamientos y, por tanto, sus desgastes. – El circuito de refrigeración. Disipa el calor generado en la combus- tión y en los rozamientos para evitar dilataciones e incluso fusiones o gripajes de los materiales. Todos ellos forman parte del motor y son imprescindibles para su funcio- namiento. 4.1 > Mecanismo de la distribución 2.18. Accionamiento por correa de distri- El mecanismo de la distribución se encarga de abrir y cerrar las bución. válvulas de forma sincronizada para poder realizar los tiempos de un ciclo del motor. El mecanismo de la distribución (figura 2.18) consta de un árbol de levas accionado por el propio cigüeñal, que gira a la mitad de revoluciones que este y que se encarga de abrir y cerrar las válvulas de admisión y escape de una forma totalmente sincronizada. Para ello el sistema utiliza otros elementos como taqués, varillas, balancines, eje de balancines, etc. La disposición del árbol de levas puede ser en el bloque o en la culata y el accionamiento de este puede ser desde el cigüeñal por medio de: – Correa de distribución (figura 2.18). Es muy silenciosa aunque requie- re más mantenimiento que los siguientes y debe mantenerse protegida y limpia. – Cadena de distribución (figura 2.19). Es más ruidosa que la anterior. Necesita alguna forma de engrase, debe ir en un cárter totalmente estanco y tiene menos mantenimiento que la anterior. – Cascada de engranajes (figura 2.20). Es el mecanismo más fiable, aun- 2.19. Accionamiento por cadena de distri- que también el más ruidoso y el que absorbe más potencia. Requiere bución. poco mantenimiento. Las válvulas de admisión se abren teóricamente en el punto muerto superior (PMS) y se cierran en el punto muerto inferior (PMI). Estas permi- ten el paso de gases frescos al cilindro en el tiempo de admisión y lo evi- tan en el resto de los tiempos. El número de válvulas de admisión varía de una a tres válvulas por cilindro. Las válvulas de escape abren teóricamente en el PMI y cierran en el PMS. Se abren para la salida de los gases quemados hacia el escape durante el tiempo de escape y se cierran el resto de los tiempos. Suele haber una o dos válvulas de escape por cilindro. En la práctica no ocurre así, sino que las válvulas tienen un avance en la apertura y un retraso en el cierre. El avance en la apertura de admisión y el retraso en el cierre del escape hacen que haya un momento en que permanecen abiertas las dos válvu- las parcialmente y así se mejora el llenado del cilindro y el vaciado de los 2.20. Accionamiento por cascada de engra- najes. gases de escape, este momento es el llamado cruce de válvulas. 36 El árbol de levas tiene mecanizadas unas levas que, al girar, abren o cie- Chaveta rran las válvulas venciendo sus muelles, que van sujetos mediante unos platillos y chavetas (figura 2.21): Platillo – El cierre de las válvulas se produce al desaparecer la leva. – La apertura de las válvulas no se suele hacer directamente desde las levas del árbol, sino que se suelen interponer unos taqués y, a veces, unos balancines (figura 2.22). Si el árbol va en el bloque, al aumentar la distancia se interponen unas varillas entre los taqués y los balancines. Guía Las válvulas se alojan a presión dentro de unas guías postizas en la culata más duras que esta. A su vez, las válvulas cierran a presión los colectores 2.21. Detalle de una válvula y su aloja- sobre unos asientos postizos de mayor dureza que el material de la culata. miento. Características El árbol de levas está sometido a fuerzas de torsión, a altas revoluciones y al desgaste de sus apoyos y del flanco de sus levas. Los apoyos del árbol en Elemento de apoyo hidráulico Árbol de levas la culata van engrasados a presión. En uno de sus extremos el árbol lleva Rodillo una polea para realizar su arrastre desde el cigüeñal y en el otro extremo del balancín se puede alojar otra polea para accionar indirectamente la bomba de Balancín vacío para el servofreno, una bomba de alta presión, etc. flotante de rodillo Las válvulas deben tener alta resistencia mecánica y alta conductividad Válvula térmica para evacuar el calor a la culata. Las válvulas están sometidas a: – Elevadas presiones de combustión. – Altas temperaturas. – Corrosión y desgaste, pues tienen mal engrase. – Deformaciones por golpeteo constante al abrir y cerrar. Cojinete de rodillos para mínima fricción Las válvulas están formadas por la cabeza, que hace el cierre de los con- 2.22. Accionamiento de una válvula. ductos, y un vástago sobre el que se guía en su movimiento alternativo. En la cabeza llevan mecanizado un asiento con un ángulo de 45°. Materiales Los materiales utilizados en el sistema de distribución dependen del ele- mento en cuestión: – El árbol de levas suele ser de fundición de hierro o de acero forjado, seguido de un tratamiento térmico y/o químico. – Las válvulas son de acero. Las de escape llevan distintas aleaciones por- que deben ser mucho más resistentes a la temperatura y disipar mejor el calor. Se pueden hacer de distintos materiales, dependiendo de la solicitación de cada parte de la válvula. Válvulas huecas – Los muelles están fabricados de acero al carbono aleados con bastante Algunas válvulas de escape van huecas silicio para conseguir una alta elasticidad y baja fatiga con el uso. y llevan sodio en su interior, dejando – Las guías son de fundición de hierro. Deben tener buena conductibili- un hueco con aire. A partir de 90 °C el dad térmica y alta resistencia al desgaste. sodio se licua y se mueve en contra del – Los asientos de válvulas son de fundición de hierro pero fuertemente movimiento alternativo de la válvula. aleados para que soporten el golpeteo constante y disipen el calor. Así, cuando la válvula está cerrada coge el calor de la cabeza y cuando – Los taqués son de fundición de hierro y llevan un tratamiento de dure- abre lo pasa a la cola para que disipe el za, generalmente térmico. calor por la guía. – Los balancines se fabrican de fundición o estampados en chapa de acero. Unidad 2 - Elementos constructivos del motor térmico 37 4.2 > Circuito de engrase El circuito de engrase se encarga de reducir los roza- mientos dentro del motor, disminuyendo así los aumentos de temperatura. Tensor de cadena Árboles Los rozamientos provocados por el desplazamiento y de levas giro de las piezas del motor se pueden limitar de dos maneras: Galería – Interponiendo piezas de distinto material y bajo coe- principal Filtro de aceite engrase ficiente de fricción. Esta solución no es suficiente. – Interponiendo una película de lubricante que evita Válvula Bielas limitadora el contacto físico entre metales (figura 2.23). de presión El circuito de engrase permite producir menos calor Conmutador de Bancada en el motor y garantizar menores pérdidas de energía, presión de aceite consiguiendo así alargar la vida del motor. Válvula antirretorno Válvula de retención Características Bomba de aceite El circuito de engrase consta de: Cárter – Un depósito o cárter, generalmente en la parte baja del motor. En él se sumerge una bomba que envía el aceite a un filtro que limpia de impurezas el 2.23. Circuito de engrase. lubricante y de ahí pasa a una galería principal donde se distribuye a las zonas que lo necesitan. – Una bomba, accionada mecánicamente por el cigüeñal del motor, que se encarga de suministrar lubricante a todo el sistema de engrase con una presión y caudal adecuada a las necesidades de lubricación del motor. Para ello, lleva una válvula de sobrepresión que si se supera la presión máxima de tarado abre un retorno al cárter, evitando así pre- siones excesivas. – Una galería principal de engrase. De ahí se distribuye primeramente a los casquillos de bancada y de ahí a los de biela; también de ella salen unos inyectores que proyectan aceite a presión a la parte baja de los pis- tones y este aceite escurre por los cilindros. De esta tubería sube una canalización hacia los apoyos del árbol de levas, el eje de balancines y los taqués hidráulicos. Todo este aceite retorna al cárter. – El filtro. Generalmente es un cartucho de papel, presenta un by-pass de sobrepresión para evitar, si se presenta una obstrucción por colmata- ción de este, que llegue el aceite al motor y que se produzcan daños. De esta forma, se puentea el filtro obstruido y se garantiza la lubricación del motor. 4.3 > Circuito de refrigeración En el motor se producen combustiones en los cilindros que pueden alcan- zar 2 000 °C de temperatura en instantes puntuales. Parte de este calor se utiliza en el tiempo de expansión para empujar el pistón y aportar traba- jo, pero el resto del calor se debe evacuar en el escape y el circuito de refri- geración para impedir dilataciones, fricciones elevadas, deformaciones e incluso fusiones de materiales. El circuito de refrigeración consigue que 38 el motor trabaje con temperaturas reguladas entre 90 y 100°C para que tenga buen rendimiento y bajos desgastes. Existen dos tipos de refrigeración: – Refrigeración por aire. El calor se disipa a través de una aletas. El motor es más difícil de mantener a una temperatura estable y suelen trabajar a mayor temperatura, a unos 120°C. Se usa en motores de dos tiempos y motores pequeños. – Refrigeración por líquido (figura 2.24). La disipación del calor del motor se hace primero a un líquido refrigerante y de este a la atmós- fera a través de un radiador, que también tiene muchas aletas para aumentar la superficie de contacto. Mantiene fácilmente una tempe- ratura estable entre 90 y 100°C. Un circuito de refrigeración por líquido consta de:  Un radiador que refrigera con el aire ambiente el refrigerante que previamente ha absorbido el calor del motor.  Un termostato que si el motor está frío no permite que el refrige- rante circule por el radiador para que se caliente lo antes posible; en caliente sí lo permite.  Una bomba de accionamiento mecánico que en todo momento impulsa el refrigerante por el circuito.  Un ventilador, controlado por un termocontacto para forzar la disipación del calor a la atmósfera si fuera necesario.  Radiador de la calefacción para calentar el habitáculo. Intercambiador de calor de la calefacción Depósito de expansión Termostato: a partir de una temperatura del líquido refrigerante Bomba de líquido de 87°C abre el paso refrigerante al conducto de retorno del radiador Colector de distribución del líquido refrigerante Transmisor de temperatura del líquido refrigerante Radiador 2.24. Circuito de refrigeración. Unidad 2 - Elementos constructivos del motor térmico 39 Actividades finales 1·· ¿En qué transforma un motor la energía química suministrada con la mezcla de combustible? 2·· Cita los tres conjuntos de elementos más importantes de un motor. 3·· ¿Cuáles son los dos materiales más empleados en la fabricación de motores? 4·· Enumera las partes más importantes de un pistón. 5·· ¿En qué ha evolucionado más un motor mecánicamente? 6·· Enumera los elementos estructurales o fijos del motor. 7·· ¿Qué dos ventajas más importantes tiene la aleación de aluminio frente a la fundición de hierro? 8·· ¿Qué segmento de compresión es el segmento de fuego? 9·· Cita los elementos del tren alternativo. 10·· ¿Cuáles son los inconvenientes de la refrigeración por aire? 11·· ¿Para qué sirve la válvula by-pass de un filtro de aceite? 12·· Enumera los mecanismos y circuitos auxiliares de un motor. 13·· ¿Dónde va el aceite a presión de la galería principal de engrase? 14·· ¿Cómo se consigue reducir el rozamiento entre piezas metálicas? 15·· ¿Cuál es el número máximo de válvulas que conoces en un cilindro de un motor de cuatro tiempos, incluidas las de admisión y las de escape? ¿Y el mínimo? 16·· Nombra los tres tipos de accionamiento que existen en las distribuciones actuales. 17·· ¿Cómo se consigue engrasar las muñequillas de biela? 18·· Nombra los componentes de un sistema de refrigeración. 19·· ¿Cuáles son los tres tipos de camisas que puede tener un bloque? 20·· ¿Qué pieza se encarga de hacer la estanqueidad entre la culata y el bloque motor? 40 Ideas clave Integrales Bloque motor Secas Postizas Elementos Culata Húmedas estructurales Tapa de culata fijos del motor o balancines Cárter – Pistón o émbolo – Segmentos Elementos – Bielas motrices – Cigüeñal – Casquillos de fricción o semicojinetes – Volante motor Correa Accionamientos Cadena de distribución Cascada de ELEMENTOS Árbol de levas engranajes DEL MOTOR Mecanismo de Válvulas, muelles, distribución cazoletas y chavetas Balancines y eje de balancines Guías y asientos Mecanismos – Cárter o circuitos – Bomba Circuito auxiliares – Filtro de engrase – Galería principal – Respiradero gases cárter Aire Bomba Circuito de refrigeración Canalizaciones Termostato Agua Vaso de expansión Radiador Electroventilador y termocontacto