Componentes del motor. Explicación detallada

     
Elementos que componen el motor. Explicación detallada

En un motor de automóvil, se pueden distinguir, para su estudio, los elementos fijos o estáticos necesarios para su funcionamiento (cárter, cilindros, culata y colectores), y los elementos móviles o dinámicos, que durante el funcionamiento del mismo están sometidos a altas temperaturas y grandes esfuerzos (pistón, biela, cigüeñal, volante motor y damper).
Como todas las máquinas eléctricas, un motor eléctrico está constituido por un circuito magnético y dos eléctricos, uno colocado en la parte fija (estator) y otro en la parte móvil (rotor). ... El circuito magnético está formado por chapas apiladas en forma de cilindro en el rotor y en forma de anillo en el estator.

Motor térmico con piezas fijas y móviles.
Motor térmico con piezas fijas y móviles.
Es un conjunto de piezas que están preparadas para transformar la energía química del combustible empleado, mediante un ciclo térmico de trabajo, en energía mecánica que proporciona movimiento rotativo a su eje y que a través de los elementos de la transmisión es llevado a las ruedas. Está dotado de un sistema de engrase que proporciona lubricación a las piezas en continuo roce, de un sistema de refrigeración que rebaja las altas temperaturas que se producen, y de un sistema de alimentación que proporciona el combustible en condiciones ideales.

El combustible empleado puede ser:

Elementos móviles dentro de un motor.
Elementos móviles dentro de un motor. 
Gasolina, mezclada con el aire en proporción conveniente, se explosiona en un cilindro por medio de un sistema de encendido por chispa. El aire aspirado a través de un filtro se mezcla con la gasolina, en el carburador, en su caso, pasando a través de las válvulas del sistema de distribución, al cilindro. 

La mezcla, explosionada produce el movimiento giratorio del eje motor y es expulsada al exterior a través de las válvulas de escape, llega al silenciador que disminuye el ruido de la explosión y después sale al aire libre.

En la inyección de gasolina, sistema más empleado, el aire tiene un circuito independiente de la gasolina hasta llegar al colector de admisión (Inyección Indirecta) o al cilindro (Inyección Directa). El aire se mezcla con la gasolina y en el cilindro se produce la explosión por una chispa eléctrica, igual que cuando existe alimentación por carburador. 

La entrada y salida de gases es regulada por el sistema de la distribución.

- Gasoil, el motor aspira aire puro que es comprimido a elevada presión aumentando su temperatura, en el cilindro se introduce el combustible por medio de un sistema de inyección, que en finísimas partículas y a elevada presión, se quema al contacto con el aire caliente. Son motores de combustión interna (quemado del gasoil) no hay que confundirlos con el motor de explosión de gasolina (mezcla explosionada por chispa), no es lo mismo, ya veremos después que unos tienen un ciclo de trabajo a Volumen Constante (gasolina) y los de gasoil tienen un ciclo de trabajo a Presión Constante.

Unos son de explosión y otros de combustión; algunos textos utilizan el término combustión en la explicación de ambos y no está bien la denominación en los motores de gasolina.

- Gas natural o propano, el motor es de constitución similar a los anteriores, con un sistema de alimentación de gas, que mezclado con el aire se explosiona en el cilindro con una chispa eléctrica proporcionada por un sistema de encendido. Son motores de poca potencia, menos empleados.

- Hidrógeno metanolizado (MH2) o Metanol que se combina con el Oxígeno en células de combustible para producir energía eléctrica que mueve un motor eléctrico. ¡El Metano! constituye una forma ideal de almacenar el Hidrógeno: es líquido a temperatura ambiente y puede manipularse como la gasolina o el gasóleo.
Elementos que componen el motor. Explicación detallada
Partes de un motor termodinámico mas importante.
En la célula de combustible este Hidrógeno "metanolízado" se combina con el Oxígeno produciendo energía eléctrica que mueve un motor eléctrico. Sistema desarrollado por Mercedes Benz, en fase de I+D (Investigación y Desarrollo).

- Existen criaderos biológicos de algas que, mezcladas con el aire, arden de forma similar al gasóleo; para su reproducción necesitan luz solar y en la actualidad la producción de esta combustible resulta poco rentable. Se utiliza en motores estáticos que pueden producir energía eléctrica. No tiene aplicación en el automóvil.

¿Qué son traslapo o Solape?

     
¿Qué es traslapo o Solape?

traslapo o Solape

Tiene esta denominación el tiempo que transcurre estando Abiertas las válvulas de admisión y escape de un cilindro, expresado en grados de giro del cigüeñal. En la actualidad es poco frecuente, era producido por la conveniencia de aumentar los tiempos de apertura de las válvulas citadas para mejorar el llenado y barrido de los gases. 

En pocas palabras el empalme valvular, es el momento en que la válvula de escape todavía no cierra del todo, pero la válvula de admisión ya comenzó su apertura, por unos instantes, las dos válvulas están abiertas (aunque sea solo un poco).

En la actualidad y como se puede ver en los ejemplos anteriormente expuestos, no existe el solapo, los fabricantes no creen conveniente que las dos válvulas permanezcan abiertas a la vez. Los avances alcanzados en el estudio de la circulación de los gases en los conductos de admisión y escape, ha permitido optimizar el diseño de los mismos haciendo que la "respiración" del motor sea más intensa, sin que exista peligro de que haya una comunicación de gases frescos con los gases quemados que disminuya la potencia del motor. En la fig. 1.12
traslapo o Solape
Gráfico de ciclo real de cuatro tiempos.
Gráfico de ciclo real de cuatro tiempos.
Se detalla el ciclo práctico para un motor con las cotas del primer ejemplo anterior puesto: RAA16º Y RCA 25º. ME 28º y ACE 19°. Las cotas se pueden marcar en el volante del motor, que para uno que gire a derechas, como es normal, desde la posición del volante el giro se ve a izquierdas y sobre él, se dividido la circunferencia exterior en grados de giro. En el interior se ha pintado el arco de giro correspondiente a cada tiempo con los instantes de apertura y cierre de las válvulas. En el detalle 1, se expresa la posición del émbolo (no a escala) cuando se abre la válvula de Admisión, 16° después del PMS ha pasa el pistón por el PMI, y se cierra la válvula, 25° de retraso (detalle 2). Admisión ha durado 180°-16° +25º= 189º marcados en el interior desde RAA hasta RCA. Luego viene la Compresión (detalle 3) y la Explosión. Cuando faltan 28º para que el pistón llegue al PMI, se abre la válvula de Escape (detalle 4) y se cierra 19º antes de que el pistón llegue al PMS (detalle 5). El Escape la durado 180+28º-19º=189º. 

En el detalle 6 se ven comparadas gráficamente las duraciones de cada tiempo del ciclo y se observa que desde el cierre de la válvula de escape hasta la apertura de la válvula de admisión hay un ángulo de 45º, no hay solape, durante ese ángulo de giro del cigüeñal, las dos válvulas están cerradas. a la tendencia actual es semejante en todos los motores, no se pierden por el escape gases frescos ni se mezclan con los quemados, existe una respiración del motor "sin contaminación".

Funcionamiento de un motor en ciclo práctico

     
Comportamiento de un motor en ciclo práctico

El comportamiento de un motor durante su fases o tiempos de trabajo no se realiza con la exactitud del ciclo teórico expuesto, hay unos factores que hacen que el trabajo desarrollado por el ciclo teórico.

Ciclo práctico

El comportamiento de un motor durante su fases o tiempos de trabajo no se realiza con la exactitud del ciclo teórico expuesto, hay unos factores que hacen que el trabajo desarrollado por el ciclo teórico descrito sea menor, la mezcla no entra en el cilindro de forma instantánea, el llenado no es perfecto a la presión atmosférica, hay pérdidas de calor y no se consiguen las presiones teóricas expuestas, son ligeramente inferiores, la superficie útil del diagrama indicador en el ciclo práctico es inferior a la del ciclo teórico.
La diferencia es que en la práctica, el ciclo no se realiza completamente como menciona el ciclo teórico en cuanto a los movimientos de cierre y apertura de las válvulas, ya que existe un desfase en el momento en que los pistones pasan por los puntos muertos.
Para mejorar el rendimiento del motor las válvulas de admisión y escape no se abren y cierran en los puntos muertos superior e inferior, se modifican sus tiempos de apertura y cierre.
Comportamiento de un motor en ciclo práctico

La explosión no es instantánea, tarda un cierto tiempo en producirse, muy pequeño, pero las grandes velocidades que adquiere el pistón en su movimiento hacen que sea preciso para modificar el momento en que se produce la chispa de encendido. Todo ello contribuye a que en la práctica el motor de explosión funcione de la siguiente forma:

Primer tiempo: Admisión

Comportamiento de un motor en ciclo práctico
Tiempo de admisión en ciclo real
Durante este tiempo el llenado del cilindro no se produce a la presión atmosférica, sino con un valor menor. Por muy bien que ajusten los segmentos en el cilindro el vacío que produce el pistón no es perfecto, siempre hay pérdidas; además el recorrido de los gases está sujeto a roces en las paredes del colector de admisión, que hacen que el llenado no sea perfecto y que la presión interior del cilindro esté por debajo de la atmosférica.

Para remediar en parte estas pérdidas, la válvula de admisión, se abre antes de que el pistón llegue al PMS (AAA), unos 20º aproximados, de promedio, de giro de cigüeñal, cuando ya finalizaba el tiempo del escape, dependiendo del tipo de motor. La mezcla así empieza a entrar antes en el cilindro. Esta cota en algunos motores no existe, Audi A3, Mercedes Benz Sprinter 601-602, retrasan incluso el momento de apertura, existe un RAA, se abre la válvula de admisión cuando ya baja el pistón.

Es general en todos los motores que exista retraso al cierre de la admisión RCA: la válvula de admisión se cierra después de que el pistón pase por el PMI. Durante la carrera descendente del pistón los gases siguen entrando y la inercia adquirida por los mismos hace que se siga llenando el cilindro aún después de que el pistón pase por el PMI, manteniendo la válvula de admisión abierta. Se relacionan unos ejemplos de motores actuales con las cotas dadas por el fabricante a las válvulas de admisión, en las que se aprecia la innovación que supone, con respecto a motores más antiguos, el comentado RAA (Retraso a la apertura de la Admisión).

En la figura 1.8 se representa el valor de la presión interna de los gases, según la posición del pistón.

Se abre la válvula de Admisión 5" después de que el pistón pase por el PMS los gases contenidos en el colector de admisión entran cuando el pistón ha empezado a bajar, creando una depresión tal que al abrir la válvula se acelera la entrada de gases. Existe un RCA de 25°, la inercia adquirida por los gases hace que sigan entrando al cilindro aun cuando el pistón sube haciendo ya compresión.

Segundo Tiempo: Compresión


Comportamiento de un motor en ciclo práctico
Segundo tiempo de compresión en un ciclo práctico.
Igual en el ciclo teórico y práctico, los gases son reducidos a la cámara de compresión. Las pérdidas de calor que se producen hacen que la presión interior disminuya con respecto al ciclo teórico, alcanzándose valores de 9 Kp/cm² a 10 Kp/cm² (Fig. 1.9).

Tercer tiempo: Explosión


Comportamiento de un motor en ciclo práctico
Tercer tiempo de explosión en ciclo práctico.
La chispa de encendido salta antes de que el pistón llegue al PMS del tiempo de compresión. Hay que considerar que la explosión no es instantánea, tarda un cierto tiempo. Al saltar la chispa se explosionan las capas de mezcla más próximas a la bujía, el frente de llama avanza hacia las capas más alejadas. Con el objeto de que la expansión de los gases se aproveche al máximo, se hace saltar la chispa unos grados de giro antes de que el pistón llegue al PMS así mientras se comunica la explosión a toda la mezcla, el pistón se sitúa en el PMS empezando a bajar, momento ideal para recibir la onda expansiva (Fig. 1.10).

Cuarto Tiempo: Escape

Comportamiento de un motor en ciclo práctico
El último tiempo es el escape o salida de gases quemados.
Es general en todos los motores un cierto avance a la apertura del escape (A.A.E), del orden de 18° a 37°. Es tendencia actual, avanzar el cierre del escape A.C.E, con lo que se disminuye o se evita el giro de Solape (las dos válvulas abiertas al mismo tiempo), que se producía con la cota de R.C.E, que existía y aún existe en motores menos actuales. Se citan algunos ejemplos de motores actuales con las cotas de reglaje en las válvulas de escape y su comparación con las válvulas de admisión (Fig. 1.11):
Comportamiento de un motor en ciclo práctico

En el primer caso hay 2° de Solape: la válvula de Escape se cierra 3° antes del PMS, y la de Admisión se abre 5° antes del PMS, luego están 2° de giro del cigüeñal abiertas. En el segundo caso no coinciden, no hay solape. Peugeot 1,6 y 16 Válvulas ME 18º y 14º ACE 8º y 4 RAA 1º
Y 5º No hay solape.

Motor de cuatro tiempos | a volumen constante

     
El ciclo de cuatro tiempos | a volumen constante
El ciclo de cuatro tiempos

Para que el motor funcione por sí solo es necesario que el pistón haga alternativamente cuatro recorridos: dos de arriba y dos de abajo arriba. En cada uno de ellos ocurre en el interior del cilindro una operación distinta, que se ilustra en la figura. Y por eso se llama ciclo de cuatro tiempos o de ciclo otto, que fue su realizador. Para comprender esas cuatro fases suponemos el motor girando.
El motor Otto es un motor alternativo. Esto quiere decir de que se trata de un sistema pistón-cilindro con válvulas de admisión y válvulas de escape.
Motor de ciclo otto de cuatro tiempos.
Motor de ciclo otto de cuatro tiempos.

PRIMER TIEMPO: ADMISIÓN


Primer tiempo ingreso de aire atmosférico.
Primer tiempo ingreso de aire atmosférico.
El pistón se encuentra en el PMS y comienza a descender creando un vacío en el cilindro, cuyo espacio libre aumenta a medida que desciende el pistón. La mezcla de aire-gasolina proporcionada por el sistema de alimentación a través de colector de admisión y de válvula de admisión va llenando ese vacío que se produce en el cilindro. Cuando el pistón llega al PMI se cierra la válvula de admisión. En este tiempo el cigüeñal ha girado media vuelta. Si representamos en un eje de coordenadas los valores de la presión interior del cilindro alcanzada por los gases y el volumen que ocupa el pistón desde el PMS al PMI, vemos que en este tiempo teóricamente los gases han entrado a la presión atmosférica de 1.033Kg/cm², debido a la presión está representado por la recta A, que se llama isobara.

SEGUNDO TIEMPO: COMPRESIÓN


Segundo tiempo compresión de aire.
Segundo tiempo compresión de aire.
El pistón sube del PMI al PMS, manteniéndose las válvulas cerraras. Los gases que llenaron al interior del cilindro se comprimen y se disponen de un espacio cada vez mas reducido, lo que hace la presión interior y la temperatura de los mismos se eleve. Cuando el pistón llega al PMS esos gases ocupan el espacio de la cámara de compresión en la culata a una presión de 11kg/cm² aproximadamente (Según los tipos de motor).

Se ha producido una compresión adiabática C2, es decir, que el interior y el exterior de ese recinto acotado no se puede producir intercambio de calor. La temperatura de los gases se ha elevado. El cigüeñal ha girado otra media vuelta.

TERCER TIEMPO: EXPLOSIÓN


Tercer tiempo explosión de la mezcla aire-gasolina
Tercer tiempo explosión de la mezcla aire-gasolina.
Los gases están comprimidos en a cámara de compresión y con el pistón en el PMS salta una chispa en la bujía que produce la explosión (Teóricamente instantánea) de la mezcla; una explosión que empuja al pistón hacia abajo, transmitiéndose a través de la biela un fuerte giro al cigüeñal, giro que a su vez recibe el volante, almacenando una energía que después devolverá en los tiempos muertos de escape, admisión y compresión. En esta fase, las válvulas han permanecido cerradas. Se a producido una carrera motriz, un tiempo efectivo, el único que produce energía para que el cigüeñal gire otra media vuelta. Los otros tres tipos son preparatorios de éste. De los cuatro tiempos, sólo el de explosión produce energía.

La presión interior de los gases comprimidos se ha elevado con la explosión, teóricamente y de forma instantánea a 50 a 60 Kp/cm² cuando el pistón se encuentra en el PMS. Se dice que esto ciclo es a “volumen constante” por que se produce la explosión con el pistón en el PMS, sin que se cree más presión cuando el pistón baja; es como un golpetazo que recibe el mismo. El ciclo diésel es distinto a la de motor de ciclo otto.

El pistón desciende hasta el PMI produciéndose una expansión adiabática. Las válvulas se mantienen cerradas y al final la presión tiene un valor P, hasta que se abren la o las válvulas de escape y la presión se iguala con la atmosférica.

CUARTO TIEMPO: ESCAPE


Cuarto tiempo expulsión de gases quemados
Cuarto tiempo expulsión de gases quemados.
Con el pistón en el PMI se abre la válvula de escape y se reduce la presión interior del cilindro de P a P presión atmosférica. El pistón sube empujando los gases quemados hacia la salida del múltiple de escape, conservándose el valor de la presión. El cigüeñal ha dado otra media vuelta. En el tiempo de escape, pues, se vacía la cámara de combustión dando la salida de los gases residuales que originó la explosión de la mezcla aire/combustible. En el PMS se cierra la válvula de escape y vuelve ha empezar el ciclo. La superficie S del diagrama da idea del trabajo desarrollado por el motor: cuando mayor sea mayor la superficie, mayor trabajo se ha realizado y más potencia erogará el motor. Línea E, isobara representa el tiempo de escape. El cigüeñal ha dado dos vueltas en el ciclo y hemos obtenido sólo una explosión o carrera motriz útil.

Descripción de motor de un cilindro

     
Descripción del motor de un cilindro

Dentro de cada cilindro y ajustándose a sus paredes, se desliza alternativamente arriba y abajo un pistón o émbolo, que mediante una biela, articulada en ambos extremos, se enlaza a la muñequilla o codo del cigüeñal, que es el eje giro de rotación, transformada en la caja de velocidades, y se transmite a las ruedas.
Partes internas de un motor
Partes internas de un motor.
Cuando al pistón recibe en su parte superior (cabeza) la fuerza ocasionada por la explosión de la mezcla aire gasolina en la cámara de combustión, se ve impelido con fuerza hacia abajo y ese movimiento lineal rectilíneo de sube y baja se convierte, por medio de la biela, en movimiento circular (giro del cigüeñal) Recíprocamente ocurre que si el cigüeñal gira, el pistón a el enlazado por la biela tendrá que moverse arriba y abajo dentro del cilindro. La posesión más baja del codo corresponde al punto mas bajo del recorrido del émbolo, justo donde cambia de dirección su movimiento lineal rectilíneo, pues si el cigüeñal sigue girando, el pistón, que antes bajaba, tendrá que subir.
Comparación el de como gira un motor
Comparación el de como gira un motor.
Esta posición más baja y conjunta del codo y del pistón se llama punto muerto inferior (PMI). Cuando el codo del cigüeñal esta lo más alto posible de su recorrido, también lo está el pistón y en ese punto cambia nuevamente de sentido su movimiento, puesto que el cigüeñal continúa girando y obliga a la biela y está al pistón. Ese es el punto muerto superior (PMS). El recorrido del pistón de l PMS al PMI se llama carrera.

Hay, además, montada en el cigüeñal, una rueda de peso, el volante de inercia, del que vamos a aclarar.

Concepto y definición de motores automotrices

     
Motor monocilíndrico de combustión interna.

Motor es cualquier máquina que a expensas de una fuente de energía que produce movimiento. Según la clase de energía se habla de motores eléctricos, térmicos, Hidráulicos, etc. Motor de explosión es el que funciona mediante la energía producida por la combustión, provocada por una chispa eléctrica, de una mezcla de aire y de gasolina. En el motor Diesel (inventado por Rudolf Diesel) la mezcla aire-gasoil se inflama por compresión de dicha mezcla, sin necesidad de chispa. En un motor convencional la energía se obtiene de la combustión de sustancias derivadas del petróleo (gasolina o gasoil), si bien se utilizan otras energías (gas licuado, energía eléctrica, etc.)
Motor monocilíndrico de combustión interna.
Motor monocilíndrico de combustión interna.
En un motor de gasolina se transforma la energía química obtenida por la combustión de la gasolina en energía mecánica para obtener movimiento. La gasolina mezclada con el aire en proporción conveniente (mezcla estequiométrica), se comprime en un cilindro mediante un pistón o émbolo y una vez comprimida esa mezcla se hace explosionar con una chispa eléctrica proporcionada por el sistema de encendido. La fuerza de esa explosión (toneladazo) incide sobra la parte del pistón, que desciende, y se convierte en energía mecánica por el mecanismo clásico de biela-manivela. La manivela está formada por los brazos del cigüeñal y la muñequilla que los une.
Motor a gasolina de cuatro cilindro tipo lineal
Motor a gasolina de cuatro cilindro tipo lineal.
Una explicación gráfica de cómo funciona el motor. El movimiento lineal del pistón se transforma en circular mediante la biela y el cigüeñal, pues está unido a este último a través de los extremos de la biela.