El Motor de Cuatro Tiempos by Francisco Alberto Lugo Nuñez

TEMA

FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DE CUATRO TIEMPOS: ADMISIÓN, COMPRESIÓN, EXPLOSIÓN O ENCENDIDO Y ESCAPE. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES: POR SU DISPOSICIÓN, POR EL NÚMERO DE CILINDROS Y POR EL TIPO DE COMBUSTIBLE

OBJETIVOS Conocer cómo funciona un motor de cuatro tiempos y su ciclo completo de: admisión, compresión, explosión y escape Estudiar el diferente ciclo práctico de funcionamiento de cada motor en función de la “ley” del árbol de levas Aprender cuáles son las distintas clasificaciones de motores en atención a: su disposición, número de cilindros y tipo de combustible

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Temas específicos. Tema 12

FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DE CUATRO TIEMPOS: ADMISIÓN, COMPRESIÓN, EXPLOSIÓN O ENCENDIDO Y ESCAPE

1.1 Funcionamiento de un motor de cuatro tiempos El funcionamiento de un motor de cuatro tiempos comienza cuando el pistón se desplaza alternativamente dentro del cilindro, gracias al esfuerzo aprovechado en el tiempo de explosión; convirtiendo el movimiento rectilíneo en circular gracias al cigüeñal (efecto biela-manivela). Existen 4 movimientos (4 tiempos) alternativos de subida y bajada (carreras). En todos los motores existe lo que se llama orden de encendido, el cual nos dice qué está realizando cada cilindro en cada momento. El orden de encendido en un motor de 4 cilindros es 1-3-4-2 ó también 1-2-4-3, siendo el primero el más utilizado. La entrada y salida de gases en el cilindro es controlada por las válvulas situadas en la cámara de combustión. La apertura y cierre de las mismas la realiza un sistema de distribución sincronizado con el movimiento del árbol motriz o cigüeñal.

1.2 Ciclo teórico de funcionamiento: admisión, compresión, explosión o encendido y escape En el ciclo teórico de funcionamiento existen 4 tiempos: admisión, compresión, explosión y escape, cuya duración es de 180º cada uno. En dos vueltas o revoluciones existen: 4 carreras, 2 vueltas de cigüeñal (720º), 1 chispa, 1 apertura y cierre de válvula de admisión y 1 apertura y cierre de válvula de escape. PMS

Escape Compresión

Admisión Explosión

PMI

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Funcionamiento de un motor de cuatro tiempos

A. Admisión La válvula de admisión se abre, el pistón se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI), la mezcla (aire + gasolina) entra en el interior del cilindro y de la cámara de combustión gracias a la aspiración creada por el pistón. El llenado dependerá de la posición del acelerador (apertura de mariposa), y la velocidad de giro del motor.

B. Compresión La válvula de admisión se cierra, el pistón se desplaza desde el PMI al PMS, comprimiéndose la mezcla dentro del cilindro, elevándose la presión y la temperatura. La compresión tiene un límite por su parte superior. Este límite nos lo da la relación de compresión (alrededor de 11:1). Si se traspasa ese límite pueden darse fenómenos de autoinflamación de la mezcla por sí sola (autoencendido), pudiendo producir averías de importancia tipo interno.

C. Explosión Con las dos válvulas cerradas, se produce una chispa en la bujía, producida por el circuito de encendido, la cual hace explosionar la Editorial CEP

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Temas específicos. Tema 12 mezcla, desplazando el pistón de una forma violenta desde el PMS al PMI. Es el tiempo de trabajo. Este trabajo se va a almacenar en forma de energía cinética en el cigüeñal.

D. Escape Se abre la válvula de escape, el pistón se desplaza desde el PMI hasta el PMS, evacuando los gases quemados.

1.3 Ciclo práctico de funcionamiento En el ciclo práctico de funcionamiento la duración de los tiempos varía, siendo las carreras diferentes de 180º; surgen las llamadas cotas de distribución, las cuales determinan los puntos exactos de apertura y cierre de válvulas, así como el avance del encendido. Todas estas cotas son fijas y dependen del árbol de levas, el cual tiene una "ley" diferente en cada modelo de motor.

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Funcionamiento de un motor de cuatro tiempos -

AAA: avance a la apertura de la admisión La válvula de admisión se abre unos grados antes de llegar el pistón al PMS. Al final de la carrera de escape el pistón va disminuyendo su velocidad por estar llegando al PMS. Sin embargo, los gases de escape continúan saliendo a una velocidad considerable y siguen dicha deceleración con retraso debido a la inercia de la corriente de salida. Esto provoca un vacío en la cámara de combustión que debe ser aprovechado para introducir carga fresca. Además debido a la inercia de la carga fresca, transcurrirá un pequeño periodo de tiempo hasta que la columna de gases de admisión se ponga en movimiento.

RCA: retraso al cierre de la admisión La válvula de admisión se cierra unos grados después de pasar el pistón por el PMI. La baja velocidad del pistón en las proximidades del PMI hace que la variación de presión que éste provoca en la cámara de combustión sea pequeña. Si a este hecho se le añade el efecto de la inercia del fluido del conducto de admisión, se comprende fácilmente que la carga fresca siga entrando a través de la admisión a pesar que el pistón siga subiendo, por lo tanto conviene retrasar el cierre de admisión hasta que la subida del pistón provoque un aumento de la presión tal que impida la entrada de carga fresca.

AAE: avance apertura escape La válvula de escape se abre unos grados antes de llegar el pistón al PMI. Al final de la carrera de expansión, la presión en la cámara de combustión es baja y, en consecuencia, poco importante desde el punto de la producción de trabajo. Si se abre la válvula de escape antes que el pistón llegue al PMI de la carrera de expansión, la pequeña presión existente resulta de gran ayuda para la evacuación de los gases de escape. Además, cuando el pistón vuelva a subir la presión en la cámara de combustión, será menor con lo que el trabajo utilizado para sacar los residuales de la cámara disminuirá.

RCE: retraso al cierre del escape La válvula de escape se cierra unos grados después de pasar el pistón por el PMS. La válvula de escape se cierra después de haber pasado el pistón por el PMS ya que los gases de escape, debido a su inercia, siguen saliendo durante parte de la carrera descendente del pistón. Por ello el cierre posterior de la válvula de escape mejora el vaciado los residuales de la cámara de combustión.

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Temas específicos. Tema 12 -

AE: avance al encendido Conseguimos que la chispa se produzca antes del PMS ya que la mezcla necesita un tiempo para inflamarse, en el cual el pistón se coloca en la posición de máximo aprovechamiento de la energía. No es una cota de distribución, sino que depende del circuito de encendido, por lo que será variable y dependiente de las condiciones de la marcha del vehículo. AE PMS RCE

AAA

Escape

Admisión

Compresión

Explosión

AAE

RCA PMI

AAA: avance a la apertura de la admisión RCA: retraso al cierre de la admisión AE: avance al encendido AAE: Avance a la apertura del escape RCE: retraso al cierre del escape.

1.4 Conclusión Se observa que existe un ángulo en el que las dos válvulas permanecen abiertas, AAA + RCE; se conoce como cruce de válvulas, traslapo o solapo. Cuanto más pequeño sea este ángulo menos tiempo tendrá ese motor para llenar de mezcla el cilindro cuando vaya a un régimen alto, y por tanto, más lento será ese motor. La solución ideal sería un motor que tuviera un pequeño cruce a pocas revoluciones y un cruce más elevado a altas revoluciones; esto se consigue en los modernos motores mediante el empleo de la distribución variable. La evolución de los motores de gasolina tiende a una relación cada vez más estrecha con la electrónica, la cual permite realizar la gestión del motor desde una centralita o unidad electrónica de control que controla prácticamente, la totalidad de los parámetros del motor.

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1.5 Componentes principales en los motores Otto (de gasolina) 1. pistón, 2. segmentos, 3. bulón, 4. biela, 5. cigüeñal, 6. bujía, 7. válvulas, 8. cilindro, 9. cámara de combustión, 10. cárter

A. Elementos fijos En este grupo están encuadrados aquellos elementos estáticos necesarios para el funcionamiento del motor. Forman el armazón del motor y de los cilindros, en cuyo interior tiene lugar el proceso de combustión, estos elementos son: a) Bloque motor: constituye el cuerpo estructural donde se alojan y sujetan todos los demás componentes del motor. En la parte superior existen los huecos que forman los cilindros y hacen de recipiente para la mezcla del combustible, en estos huecos se forma la cámara de expansión de los gases y además sirven de guía al pistón durante su desplazamiento. En la parte inferior del bloque van situados los apoyos del cigüeñal. b) Culata: es la pieza que sirve de cierre a los cilindros, formándose generalmente en ella la cámara de combustión. En la culata se instala la distribución, los elementos de encendido y inyección. c) Colectores: estos elementos van situados lateralmente en la culata y, como su nombre indica son los conductos por los cuales entran los gases frescos al interior del cilindro y salen al exterior los gases quemados.

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Temas específicos. Tema 12 DIAGRAMA DE BLOQUES DE ELEMENTOS FIJOS

Tipo de balancines

Colector de escape

Culata

Colector de admisión

Junta de culata Envolvente del volante

Bloque

Cárter de distribución

Cárter

B. Elementos motrices Es el grupo de elementos motrices encargado de trasformar la energía térmica, desarrollada en el interior del cilindro, en energía mecánica, a través de un sistema biela-manivela que transforma el movimiento alternativo del émbolo en movimiento de rotación del cigüeñal. El conjunto está formado por una serie de elementos sometidos, durante su funcionamiento, a grandes esfuerzos y altas temperaturas. Por ello están dotados de características especiales, en función del tipo de motor y de la potencia a desarrollar. Estos elementos son: Pistón, segmentos, biela, bulón, cigüeñal y volante de inercia.

a. Pistón Es el elemento móvil que se desplaza en el interior del cilindro para realizar el ciclo de funcionamiento. Recibe directamente la fuerza de expansión de los gases durante combustión, fuerza que le obliga a desplazarse para realizar un trabajo mecánico. Durante su funcionamiento los pistones están sometidos a unas condiciones críticas en el interior del cilindro y han de soportar elevadas temperaturas y presiones. Deben reunir unas características adecuadas en cuanto a forma y material empleado, para que puedan la misión encomendada sin grandes cambios en su estructura y puedan mantener un comportamiento uniforme durante el funcionamiento.

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Funcionamiento de un motor de cuatro tiempos Durante su funcionamiento debe cumplir las siguientes funciones. -

Transmitir a la biela los esfuerzos producidos en el interior del cilindro durante la expansión de los gases.

Mantener cerrada la cavidad volumétrica en su desplazamiento, para evitar fugas de gases así como el paso de aceite a la cámara de combustión.

Absorber gran parte del calor producido en la combustión y transmitirlo a las paredes del cilindro para su evacuación por medio del circuito de refrigeración.

Facilitar el proceso de intercambio de calor sin cambios bruscos es su estructura. En un instante dado, la cabeza del pistón está sometida a la fuerte temperatura de la explosión. Apenas se ha producido la evacuación de gases de escape, incide sobre ellas gases frescos de admisión, esto da lugar a unos cambios bruscos de temperatura en la zona alta del pistón que producen contracciones y dilataciones continuas en la estructura del material.

b. Segmentos z

Concepto Los segmentos son unos anillos elásticos situados en número variable sobre las ranuras practicadas en la cabeza del pistón. Tienen como misión hacer estanco el recinto volumétrico durante el desplazamiento del pistón, asegurar la lubricación del cilindro y transmitir el calor absorbido por el émbolo a la pared del cilindro para su evacuación.

Tipos de segmentos Según la misión específica que cumplen dentro del cilindro pueden ser de dos tipos: -

Segmentos de compresión: están destinados a realizar el cierre hermético del cilindro y van colocados en número de 2 ó 3 en la parte superior del émbolo.

Segmentos de engrase: situados por debajo de los de compresión, tienen la misión de barrer, durante el descenso del émbolo, el exceso de aceite depositado sobre la pared del cilindro, permitiendo, dentro de unos límites su paso a la parte alta del mismo.

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c. Biela Es el elemento de unión entre el pistón y el cigüeñal. Forma parte del sistema biela-manivela que transforma el movimiento lineal del émbolo en un movimiento de rotación del árbol motriz. Por tanto recibe los esfuerzos del émbolo durante su desplazamiento. Se trata de una pieza de suma importancia, tanto para la transmisión de potencia, como para la transformación del movimiento. En una biela hay que distinguir las siguientes partes: Pie, cabeza, perno de unión y cuerpo de la biela.

d. Bulón La unión de la biela con el pistón se realiza a traves del bulón, el cual permite la articulación de la biela. El montaje puede ser: -

Bulón fijo al émbolo: el bulón queda unido al pistón a través de un tornillo, pasador o chaveta.

Bulón fijo a la biela: la biela se fija al bulón a través de un tornillo de cierre.

Bulón flotante: la unión con la biela se realiza a través de un cojinete antifricción.

Bulón desplazado: en motores que soportan grandes esfuerzos laterales se suele montar el bulón en el pistón ligeramente desplazado hacia el lado sometido a mayor presión, con el fin de equilibrar los esfuerzos laterales y mantener alineado el pistón en su desplazamiento.

e. Cigüeñal Es el elemento que junto a la biela realiza la transformación del movimiento alternativo del émbolo en un movimiento de rotación. Transmite el giro y fuerza motriz a los demás órganos de transmisión acoplados al mismo. Partes del cigüeñal:

Muñequillas de apoyo

Muñequillas de biela

Contrapesos

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f. Volante de inercia Es una pieza circular pesada unida al cigüeñal, cuya misión es regularizar el giro del motor mediante la fuerza de inercia que proporciona su gran masa. Su trabajo consiste en almacenar la energía cinética durante la carrera, motriz y cederla a los demás tiempos pasivos del ciclo de funcionamiento. DIAGRAMA DE BLOQUES DE ELEMENTOS MOTRICES pistón segmentos bulón semicojinetes de biela polea de mando

cigüeñal piñon de la distribución

volante de inercia

semicojinetes de bancada

C. Conceptos básicos -

Calibre: (D) diámetro interior del cilindro. Se expresa en mm.

Radio: (r) radio del cilindro. Se expresa en mm.

Carrera: (L) El recorrido del plano de la cabeza del pistón, durante sus movimientos alternativos dentro del cilindro, distancia entre el PMS y el PMI. Se expresa en mm.

PMS: Punto muerto superior; el que limita la cámara de explosión.

PMI: Punto muerto inferior; el que determina el máximo volumen del cilindro.

Vu: volumen unitario del cilindro. Es el volumen que ocupa el cilindro desde el PMS hasta el PMI. se expresa en cm3. Vu = x r2 x L

Vt: cilindrada total del vehículo. Es el volumen que ocupa el cilindro desde el PMS hasta el PMI multiplicado por el nº de cilindros. se expresa en cm3 . Vt = x r2 x L x nº cil

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Vc: Volumen de la cámara de combustión. se expresa en cm3.

Relación de compresión (Rc): relación que existe entre el volumen total de mezcla y el volumen de la cámara de combustión en un cilindro, es adimensional. Oscila entre valores de cerca de 10:1 (se lee diez a uno) en motores de gasolina y de 20:1 en los modelos diesel. El significado físico del concepto de Rc es: Cuando en el tiempo de admisión se introduce la mezcla en el cilindro, ocupa ésta todo el volumen del cilindro más el volumen de la cámara, obteniendo un volumen determinado -por ejemplo 10- y cuando se comprime esa mezcla en el tiempo de compresión, se reduce ese volumen a 1; por tanto, la relación de compresión de ese motor tiene un valor de diez a uno.

VC PMS

PMI

CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES: POR SU DISPOSICIÓN, POR EL NÚMERO DE CILINDROS Y POR EL TIPO DE COMBUSTIBLE

2.1 Clasificación de los motores por su disposición A. Agrupados en línea Cuando los cilindros están montados en un bloque único y uno a continuación del otro, esta disposición es la más habitual.

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B. Formando bloque en forma de V Cuando los cilindros están agrupados en dos bloques diferentes, dispuestos en forma de V, a determinado número de grados de inclinación entre ambos y usando un cigüeñal común a ambos bloques. Este sistema ha sido siempre empleado para los motores de 12 y 16 cilindros, en los que la colocación en línea daría como resultado un motor exageradamente largo, con graves inconvenientes de construcción y colocación, pues ocuparían mucho espacio a lo largo del coche, y los largos cigüeñales habrían de ser enormemente robustos para resistir bien las vibraciones torsoniales. Tales inconvenientes también se presentan con los ocho cilindros.

C. Horizontales opuestos entre sí Cuando los bloques de los cilindros están opuestos. En este tipo de motores las bielas se mueven, juntando y separando los pistones de la misma hilera, cuando uno (1, de la misma hilera) hace la admisión el otro (2, de la misma hilera) hará explosión; y cuando el 1 realiza su compresión siguiente, el 2 está en escape. El movimiento de los émbolos (opuestos entre sí), a la vez hacia dentro y luego los dos hacia fuera, es perfectamente equilibrado por los contrapesos. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES POR SU DISPOSICIÓN Agrupados en línea Formando bloque en forma de V Horizontales opuestos entre sí

2.2 Clasificación de los motores por el número de cilindros -

Monocilíndricos (uno).

Policilíndricos (dos, cuatro, seis y ocho son los más habituales)

La potencia de un motor depende de la cantidad de mezcla que haga explosión en el cilindro; para las potencias necesarias en automovilismo, si éste emplea un solo cilindro éste debe ser de grandes dimensiones, y aunque el volante, entonces forzosamente muy pesado, intervenga para regularizar el giro de cigüeñal, no pueden evitarse las vibraciones y sacudidas a que da lugar, en el funcionamiento del motor, el intervalo de una explosión a otra (dos vueltas de cigüeñal, en los monocilíndricos) y la imposibilidad de equilibrar en su movimiento las grandes masas del pistón y de la biela, por bien contrapesados que estén.

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Temas específicos. Tema 12 Esta potencia del cilindro único se puede lograr con varios cilindros más pequeños. La marcha será regular, porque en lugar de recoger el cigüeñal todo el esfuerzo motor de una sola vez en cada dos vueltas, lo recibirá a lo largo de esas dos vueltas repartido en tantos impulsos como cilindros haya, y también por ser varias las piezas en movimiento, y del mismo peso todas las bielas y todos los pistones, podrán contrapesarse mutuamente en todo momento de rotación. Los motores mas empleados en automovilismo son de cuatro, seis y ocho cilindros. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES POR EL NÚMERO DE CILINDROS Monocilíndricos Policilíndricos

2.3 Clasificación de los motores por el tipo de combustible A. Motores de Explosión a. Gasolina Entre los productos obtenidos en la destilación del petróleo están las gasolinas, que son el combustible más generalizado en los motores de explosión. Su volatibilidad ofrece una perfecta y rápida mezcla con aire, obteniéndose la velocidad de combustión adecuada en el interior de los cilindros. Debido a la pureza alcanzada dejan pocos residuos en la combustión, lo que garantiza un perfecto funcionamiento en el motor y larga vida en su utilización.

b. Gas de petróleo licuado (G.L.P) Se obtiene como un subproducto, por ser gaseoso en la destilación del petróleo en su primera fase de destilación. Esta formado por una mezcla al 50% de gas propano y butano, se utilizan generalmente en autotaxis, con menor autonomía de servicio y un mayor peso muerto para el vehículo, por lo que no es recomendable para vehículos rápidos y de largos recorridos.

B. Motores diesel Lo combustibles empleados en los motores diesel son productos derivados del petróleo, obtenidos por destilación fraccionada durante el proceso intermedio entre el queroseno y las grasas minerales, con lo que se obtiene una serie de productos llamados aceites combustibles que van desde los aceites ligeros a los aceites pesados. Todos se utilizan en los motores

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Funcionamiento de un motor de cuatro tiempos diesel, siendo el gasoil el de más consumo, empleados en motores diesel rápidos. Se producen en una proporción de 10% del total bruto del petróleo y con temperaturas entre los 250ºC a 350ºC.

CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES POR EL TIPO DE COMBUSTIBLE ÆMotores de explosión

Gasolina Es el combustible más generalizado en los motores de explosión Gas de petróleo licuado Está formado por una mezcla al 50% de gas propano y butano ÆMotores diesel

Los combustibles empleados en los motores diesel son productos derivados del petróleo, obtenido por destilación fraccionada durante el proceso intermedio entre el queroseno y las grasas minerales

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FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DE CUATRO TIEMPOS: ADMISIÓN, COMPRESIÓN, EXPLOSIÓN O ENCENDIDO Y ESCAPE Funcionamiento de un motor de cuatro tiempos El funcionamiento de un motor de cuatro tiempos comienza cuando el pistón se desplaza alternativamente dentro del cilindro, gracias al esfuerzo aprovechado en el tiempo de explosión; convirtiendo el movimiento rectilíneo en circular gracias al cigüeñal (efecto biela-manivela). Existen 4 movimientos (4 tiempos) alternativos de subida y bajada (carreras). En todos los motores existe lo que se llama orden de encendido, el cual nos dice qué está realizando cada cilindro en cada momento. El orden de encendido en un motor de 4 cilindros es 1-3-4-2 ó también 1-2-4-3, siendo el primero el más utilizado

Ciclo teórico de funcionamiento: admisión, compresión, explosión o encendido y escape En el ciclo teórico de funcionamiento existen 4 tiempos: admisión, compresión, explosión y escape, cuya duración es de 180º cada uno.

Admisión La válvula de admisión se abre, el pistón se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) al punto muerto inferior (PMI), la mezcla (aire + gasolina) entra en el interior del cilindro y de la cámara de combustión gracias a la aspiración creada por el pistón. El llenado dependerá de la posición del acelerador (apertura de mariposa), y la velocidad de giro del motor

Compresión La válvula de admisión se cierra, el pistón se desplaza desde el PMI al PMS, comprimiéndose la mezcla dentro del cilindro, elevándose la presión y la temperatura

Explosión Con las dos válvulas cerradas, se produce una chispa en la bujía, producida por el circuito de encendido, la cual hace explosionar la mezcla, desplazando el pistón de una forma violenta desde el PMS al PMI

Escape Se abre la válvula de escape, el pistón se desplaza desde el PMI hasta el PMS, evacuando los gases quemados

Ciclo práctico de funcionamiento En el ciclo práctico de funcionamiento la duración de los tiempos varía, siendo las carreras diferentes de 180º; surgen las llamadas cotas

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Temas específicos. Esquema 12 de distribución, las cuales determinan los puntos exactos de apertura y cierre de válvulas, así como el avance del encendido.

Conclusión Se observa que existe un ángulo en el que las dos válvulas permanecen abiertas, AAA + RCE; se conoce como cruce de válvulas, traslapo o solapo. Cuanto más pequeño sea este ángulo menos tiempo tendrá ese motor para llenar de mezcla el cilindro cuando vaya a un régimen alto, y por tanto, más lento será ese motor.

Componentes principales en los motores Otto (de gasolina) Elementos fijos En este grupo están encuadrados aquellos elementos estáticos necesarios para el funcionamiento del motor

Elementos motrices Pistón Segmentos

Concepto Tipos de segmentos

Biela Bulón Cigüeñal Volante de inercia

Conceptos básicos

CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES POR SU DISPOSICIÓN, POR EL NÚMERO DE CILINDROS Y POR EL TIPO DE COMBUSTIBLE Clasificación de los motores por su disposición Agrupados en línea Cuando los cilindros están montados en un bloque único y uno a continuación del otro, esta disposición es la más habitual

Formando bloque en forma de V Cuando los cilindros están agrupados en dos bloques diferentes, dispuestos en forma de V, a determinado número de grados de inclinación entre ambos y usando un cigüeñal común a ambos bloques

Horizontales opuestos entre sí Cuando los bloques de los cilindros están opuestos

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Funcionamiento de un motor de cuatro tiempos Clasificación de los motores por el número de cilindros Monocilíndricos (uno) Policilíndricos (dos, cuatro, seis y ocho son los más habituales)

Clasificación de los motores por el tipo de combustible Motores de explosión Gasolina Gas de petróleo licuado (G.L.P)

Motores diesel

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