Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio.
Guía de Aprendizaje Sistema del Conjunto Móvil
Modulo: Ajuste de motores Docente: Nicolás Acuña
Alumno: Curso:
Ajuste de Motores
Fecha:
Profesor Nicolás Acuña G.
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Introducción
La mecánica de motor continúa siendo la base de los motores en vehículos según el principio Otto. El objetivo es transformar la energía química que contiene el combustible en movimiento mediante un proceso termodinámico. El pistón se acelera debido a la combustión de la mezcla de combustible y aire. Este movimiento rectilíneo ascendente y descendente del pistón se transforma en un movimiento circular gracias al mecanismo del cigüeñal. El cárter de cigüeñal aloja el mecanismo del cigüeñal. Finalmente en la culata se controla el intercambio de gases con las válvulas y canales. Este procedimiento no ha cambiado desde 1876, cuando Nikolaus August Otto desarrolló el motor de gasolina de cuatro tiempos con encendido por chispa y accionamiento por pistones alternativos. Lo que sí ha cambiado es lo que se le exige a un motor. Después de haber alcanzado una seguridad de funcionamiento general, en los primeros años las demandas fueron ante todo mayor potencia y menor tamaño. Poco a poco fueron aumentando los requisitos en regularidad de marcha, peso, consumo de combustible y compatibilidad con el medio ambiente. Desde el punto de vista de la mecánica, estos requisitos pudieron cumplirse mejorando ante todo los materiales utilizados. Pero el perfeccionamiento de los métodos constructivos y del proceso de fabricación también contribuye a mejorar las propiedades mencionadas. Fruto de la cada vez mayor experiencia en la construcción de motores, incluso los diseños constructivos han ido experimentando. Sobre todo en el área de la culata y del accionamiento de válvulas todavía pueden explorarse posibles potenciales gracias los trabajos de precisión
Existen varios requerimientos que debe cumplir el motor. Cada desempeño está ligado a otro de manera compleja y puede influir en el rendimiento del motor. Los requerimientos son:
Emisiones Bajas: La combustión eficiente en el motor es la clave principal para reducir las emisiones de escape. Esto se logra con diferentes diseños de cámara de combustión.
Compacto y liviano: Considerando que el peso del motor es de alrededor del 10- 15% del peso total del vehículo, otro método para conseguir una mayor potencia y eficiencia del combustible, es hacer que el motor sea compacto y liviano. Con la misma salida, la potencia del vehículo que tiene un motor más liviano será mayor y se reducirá el consumo de combustible.
Buena respuesta: El motor debe responder a los requerimientos del conductor, mientras se mantienen las condiciones de seguridad en la conducción.
Silencioso: Debido a que el motor genera la fuerza de conducción mediante la combustión de la gasolina, no se pueden evitar el ruido ni la vibración. Por eso es importante prevenir que estos ruidos y vibraciones se transmitan al habitáculo de pasajeros.
Facilidad en el servicio: Como el motor es una parte mecánica del vehículo, es importante tener acceso a los principales componentes durante el proceso de servicio.
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Principio Básico de Funcionamiento
La finalidad de un motor gasolina para uso automotriz, es convertir la gasolina en movimiento para que el vehículo pueda desplazarse. Generalmente, la manera más fácil de crear movimiento a partir de la gasolina es quemar ésta dentro de un motor. Por lo tanto, un motor de automóvil es un motor de combustión interna, es decir, la combustión se produce al interior del motor. Existen diferentes tipos de motores de combustión interna. Uno es el motor Diésel y otro el motor Gasolina. Cada uno de estos tiene ventajas y desventajas.
Un motor a vapor en trenes y botes antiguos es el mejor ejemplo de un motor de combustión externa. El combustible (carbón, madera, aceite, etc.) en un motor a vapor se quema fuera del motor para producir vapor y el vapor produce el movimiento del motor.
La combustión interna es mucho más eficiente (consume menos combustible por kilómetro recorrido) que la combustión externa, además, un motor de combustión interna es mucho más pequeño que un motor equivalente de combustión externa.
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Un buen ejemplo de combustión interna es un viejo cañón de la Guerra de la Revolución. Usted probablemente ha visto a los soldados cargando el cañón con pólvora y una bala de cañón. Al encenderla, el calor y los gases producidos generan fuerza sobre la bala y la expulsan fuera del cañón a muy alta velocidad. El cañón usa el principio básico del motor de combustión interna: si se pone una pequeña cantidad de combustible que genera alta energía (como la gasolina) en un espacio pequeño y cerrado y se enciende, la energía se libera en forma de un gas expansivo.
Ciclo de Trabajo de 4 Tiempos
Los motores recíprocos están clasificados en dos tipos, de 2 ciclos y de 4 ciclos. En el motor recíproco la mezcla de aire y gasolina es inyectada y quemada dentro del cilindro, la fuerza de la combustión empuja al pistón en un movimiento alterno, y el movimiento alterno es convertido en un movimiento de rotación por el cigüeñal. Casi todos los vehículos actualmente usan el llamado motor de 4 tiempos para convertir el combustible en movimiento. El ciclo de trabajo de 4 tiempos también se conoce como el ciclo Otto, en honor a Nikolaus Otto, quien lo inventó en 1867. El eje horizontal del gráfico representa la presión dentro de la cámara de combustión y el eje vertical representa el volumen de la cámara de combustión.
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Los cuatro tiempos de funcionamiento del motor son:
1. Carrera de Admisión (A-B):
El pistón inicia su movimiento desde la parte superior del cilindro, la válvula de admisión se abre, y el pistón se mueve hacia abajo. En los motores gasolina, el cilindro se llena con mezcla de aire y combustible. En los motores diésel, ingresa solamente aire a la cámara de combustión.
2. Carrera de Compresión (B-C):
El pistón se mueve hacia arriba para comprimir la mezcla de aire/combustible, de manera que aumentan la temperatura y la presión. El combustible es vaporizado por el calor del aire. La relación de compresión en un motor gasolina es alrededor de 10:1, y en un motor diésel alrededor de 25:1.
3. Carrera de Encendido / Combustión (C-D):
El pistón llega al tope de su carrera, también llamado el Punto Muerto Superior (PMS). En un motor gasolina el encendido se iniciará con una chispa eléctrica generada en la bujía. En los motores diésel, el combustible es inyectado a la cámara de combustión justo antes que el pistón alcance el PMS y la mezcla de
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. aire/combustible se enciende por el calor generado en la compresión. La mezcla no se quema completamente al momento del encendido. Como resultado, hay un cierto tiempo de retraso desde el inicio del encendido hasta que se produce la presión máxima dentro de la cámara de combustión. La mezcla de aire/combustible en el cilindro explota, empujando el pistón hacia abajo.
4. Carrera de Escape (D-E):
Una vez que el pistón alcanza a la parte inferior de su carrera, también llamada el Punto Muerto Inferior (PMI), la válvula de escape se abre y los gases quemados salen del cilindro para dirigirse al conducto de escape. Ahora el motor está listo para el próximo ciclo, de modo que ingresa una nueva carga de aire y gasolina frescos al cilindro.
Clasificación de los Motores
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Los motores pueden clasificarse de la siguiente forma:
Por principio de trabajo: Gasolina (motor de encendido por chispa), o Diésel (motor de encendido por compresión)
Por el sistema de enfriamiento: Enfriado por Agua o Aire
Por el número de ciclos: Dos o cuatro carreras
Por el mecanismo de válvulas: Eje de Levas en la culata (OHC) o Válvulas en la culata (OHV)
Por el número de cilindros: los motores pueden tener 4, 6 ú 8 cilindros.
Por la disposición de los cilindros en el bloque: en un motor multi-ciIindrico, los cilindros usualmente están dispuestos en una de las tres siguientes formas: en línea, en V u horizontalmente opuestos.
El motor de cilindros en línea, tiene los cilindros dispuestos en posición secuencial. En este tipo de motor, la estructura del bloque de cilindros es muy simple y la culata es una sola unidad, de modo que el motor es liviano y compacto. Estos pueden tener 3, 4, 5 ó 6 cilindros. El motor de cilindros en V, esta generalmente disponible con 6, 8, 10 ó 12 cilindros. Están instalados usualmente en vehículos grandes o en automóviles deportivos. El motor de cilindros horizontalmente opuestos está disponible con 6, 8, 10 ó 12 cilindros. Debido a su bajo centro de gravedad se aplica principalmente a los vehículos deportivos.
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Disposición en el Vehículo
La aplicación final del motor puede ser longitudinal o transversal y puede estar instalado en el frente, la mitad o la parte trasera del vehículo. Por ejemplo, el vehículo con motor Frontal y tracción Trasera, tiene el motor montado en el área delantera (longitudinalmente) y conduce las ruedas traseras mediante un eje de propulsión acoplado a la transmisión. El motor frontal (transversal) con tracción delantera es principalmente aplicado a los automóviles pequeños, debido a que el eje de rotación del motor y el eje propulsor están dispuestos en forma paralela, reduciendo de esa forma el espacio necesario para la instalación. Los motores instalados a la mitad del vehículo principalmente se enfocan en el rendimiento, más que en la comodidad del pasajero, de manera que son utilizados principalmente en los automóviles deportivos.
Componentes del Motor
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. El motor está constituido por los siguientes componentes principales:
Bloque de cilindro, cigüeñal, cárter, pistón y biela
Culata, eje de levas, válvulas y mecanismo de sincronización
Sistema de admisión
Sistema de escape
Sistema de lubricación
Sistema de enfriamiento
Sistemas auxiliares, tales como el turbo cargador
Conjunto Móvil
Tiene la finalidad de transformar el movimiento rectilíneo alternativo de los pistones, en un movimiento circular continuo del el eje cigüeñal. Como también permitir la presión que existe dentro de la cámara de combustión después del proceso de combustión y que se transforme en movimiento, esta transformación de energía calórica en energía mecánica (movimiento) debido a las explosiones del ciclo teórico del motor de combustión interna se tiene que transmitir al sistema de transmisión del vehículo en forma de potencia o torque hacia las ruedas motrices
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1-Piston
2-Biela
4- Corta fuego 5- Rascador 6- Lubricación
3-Cigüeñal
7-Pasador 8- Metal de Biela 11- Bancada de Biela
9- Metales Axiales 10- Metales de Bancada de cigüeñal 11- Bancada cigüeñal
Pistones El pistón tiene las siguientes funciones:
Transferir la presión de combustión al cigüeñal a través del pasador de pistón y la biela
Sellar la cámara de combustión con el cárter
Transferir el calor a la pared del cilindro
El pistón está compuesto por: la cabeza del pistón, el área superior del pistón (corona), zona de los anillos, buje del pistón y falda del pistón. La cabeza del pistón debe soportar altas presiones y temperaturas, por ejemplo en un motor diésel sobre 200kg por cm², y 2000°C. El diseño del pistón depende del diseño de la cámara de combustión y tiene influencia en la calidad de la combustión. El área entre la cabeza del pistón y el primer anillo es conocida como área superior del pistón (corona). Su función es proteger el primer anillo del pistón del sobre calentamiento. La zona de anillos y los anillos del pistón sellan la cámara de combustión contra el cárter y viceversa. El buje del pistón contiene al pasador del pistón.
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La falda del pistón tiene las siguientes funciones:
Guiar el pistón
Transferir la fuerza lateral
Distribuir la película de aceite en la pared del cilindro
Disipar el calor hacia la pared del cilindro y aceite del motor
El pistón debe cumplir con los siguientes requisitos:
Peso reducido, con la finalidad de reducir la fuerza de inercia del movimiento reciproco del pistón.
Capacidad de soportar las altas presiones y temperatura de la combustión.
Estos requerimientos se satisfacen utilizando pistones de aleación liviana. Existen pistones forjados o fundidos y también están disponibles los de aleación de aluminio con tratamiento de temperatura. Debido a la temperatura extremadamente alta de la combustión, la cabeza del pistón se expande y su diámetro aumenta. El anillo de acero o de aleación, instalado en el pistón previene una expansión excesiva de la cabeza del pistón. La pared del pistón en dirección del pasador del pistón tiene más masa que en dirección axial. Por esta razón la dilatación por calor del pistón es superior en la dirección del pasador. Para compensar esto, el pistón está diseñado con un perfil ovalado, con un diámetro menor en dirección del pasador.
Cabeza de pistón
Es la parte superior del pistón que revine la presión de los gases en la carrera de fuerza o trabajo. Pueden tener variadas formas
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Zona de anillos
Son las ranuras anulares que permiten el alojamiento de los anillos de compresión y lubricación, llevando por lo general 2 de compresión (denominado corta-fuego, el que está más cerca de la cabeza del pistón) y uno de lubricación, ubicado sobre el pasador del pistón. En los motores diésel llevan hasta 5 anillos de 3 de compresión y 2 de lubricación en la falda del pistón.
Biela y pasador del pistón Las bielas están frecuentemente fabricadas en acero. Ellas no están fijas rígidamente en ningún extremo, debido a que el ángulo entre la biela y el pistón cambia en la medida que el pistón se mueve hacia arriba y abajo y gira alrededor del cigüeñal. El extremo pequeño se fija al pasador del pistón, el que se fija a presión en la biela pero que puede girar libre en el pistón. El extremo más grande conecta con el muñón del cigüeñal a través del cojinete. El giro se produce sobre cojinetes partidos a los que se puede acceder, para el reemplazo, mediante los pernos de la tapa de biela en el extremo de mayor diámetro. Generalmente hay un agujero perforado a través del cojinete y el extremo mayor de la biela de modo que se pueda inyectar aceite presurizado del motor en el lado axial de la pared de cilindro para lubricar el recorrido del pistón y los anillos.
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A- Cabeza: Es la zona que va unida al pistón mediante el pasador, que como antes se dijo, puede ir fijo o flotante a la biela.
B- Cuerpo: Es la zona media y su sección normalmente es de perfil en H, lo que le da mayor rigidez y menos peso. En los motores con el sistema de lubricación a presión total llevan una perforación interna, para lubricar desde el puño del cigüeñal hasta el mismo pasador. C- C-Pie de biela : En la parte inferior y es el extremo que va unido al codo o piño del cigüeñal, mediante unos pernos y tapa denominada “Tapa de Biela” o “Bancada de Biela”. Para soportar la presión y el roce que se produce fricción partido en 2 secciones. La fijación de la tapa de biela que abraza al codo del cigüeñal lleva un torque o apriete especifico, indicado por el fabricante, con una llave dinamométrica o llave de torque propiamente tal, calibra en Kgm, Newton metros o Libas pie, como también pueden llevar torque angular.
A- Fijo a la biela, libre al pistón.( fig. 22)
B- Fijo al pistón, libre a la biela. (fig 23)
C- Libre tanto a la biela como al pistón (fig 24)
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Anillos de Pistón
Los anillos de pistón tienen las puntas abiertas y se instalan en la ranura del diámetro exterior del pistón.
Las tres funciones principales de los anillos de pistón en un motor de combustión interna son:
Sellar la cámara de combustión
Contribuir a la transferencia de calor desde el pistón a la pared del cilindro.
Regular el consumo de aceite del motor.
Muchos pistones de automóviles tienen tres anillos: dos para sellar la compresión (anillos de compresión); uno para sellar el aceite (anillo de aceite en la falda). Los diseños típicos del anillo de compresión son: rectangulares, de perfil cónico o del tipo trapezoidal. Los diseños típicos de anillo de aceite sin resorte son de cara cónica o de tipo ahusado.
El diseño de los anillos de control de aceite cargados resorte espiral de 2 piezas o el formado por 3 piezas con resorte de expansor. Los anillos del pistón están sometidos a desgaste debido a que rozan con la pared del cilindro al subir y bajar. Para minimizar esto, están fabricados de un material muy duro – generalmente, hierro fundido – y el anillo inferior para el control de aceite está diseñado para dejar una película de aceite lubricante de una poca micras de espesor en la camisa a medida que el pistón desciende. Cuando se instalan anillos de pistón nuevos, la separación entre las puntas es una medida crucial.
Con el fin de que el anillo pueda mantenerse ajustado al pistón, éste no es continuo sino que esta partido en un punto de su circunferencia. Después de instalar los anillos, insertar el pistón en el cilindro con la ayuda de un compresor de anillos. El ancho de la separación de los extremos se mide con un calibre de láminas y debe estar dentro de la tolerancia requerida. <no debe haber una separación muy pequeña, debido a que bajo condiciones de funcionamiento en caliente puede llevar al atascamiento del pistón. Una separación muy grande indica excesivo desgaste en el cilindro y producirá un traspaso inaceptable de gases de combustión al cárter.
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Cigüeñal Tipos y construcción El cigüeñal es la parte del motor que convierte el movimiento reciproco lineal del pistón en movimiento de rotación. Los componentes que intervienen en este proceso son:
Pistón, anillos y pasador de pistón
Biela
Cigüeñal
Volante
Los pistones se mueven alternamente entre el Punto Muerto Inferior (PMI) y el Punto Muerto Superior (PMS) cada pistón está conectado al cigüeñal mediante un pasador de pistón y una biela. Las bielas por lo tanto se mueven lineal y rotacionalmente. El movimiento giratorio de cigüeñal es después transferido a los dispositivos tales como el volante, bomba de aceite, bomba de agua, etc. Adicionalmente, con el fin de reducir o eliminar las vibraciones del motor pueden instalarse ejes de balanceo. El diseño del cigüeñal depende de:
El número de cilindros
La disposición de los cilindros (en línea, en V, opuestos)
Sincronización del encendido
Número de descansos del cigüeñal
Fuerza de la combustión
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Los cigüeñales están balanceados dinámicamente. Esto se consigue mediante agujeros en los descansos del cigüeñal. Adicionalmente, contrapesos compensan la masa de los apoyos del cigüeñal.
Cojinete del cigüeñal El cojinete tiene por finalidad contribuir a la rotación suave del cigüeñal. Generalmente, para el cigüeñal del motor se usa un cojinete plano. Los cojinetes planos ofrecen una mayor área de contacto, por lo tanto ellos pueden soportar fuerzas mayores en comparación con los cojinetes de rodillos. Los motores modernos de 4 cilindros en línea tienen 5 cojinetes de cigüeñal (los antiguos solamente 3). Los motores en V tienen menos cojinetes de cigüeñal, debido a que son más cortos. Se suministra aceite para asegurar que los materiales del cojinete plano y el cigüeñal no entren en contacto directo, y están separados bajo cualquier condición de carga del motor. Esto se logra mediante pasajes de aceite dentro del cigüeñal y de los cojinetes planos. El espesor de la película de aceite cambia dependiendo de la carga del motor o la temperatura. Cuando esta es muy pequeña, puede producirse adherencia por la temperatura de fricción y atascar el motor. Cuando es muy grande, el motor puede vibrar o se pueden producir ruidos.
Las partes sometidas a roces y presiones son tratadas térmicamente y rectificadas para proporcionarles una mayor dureza y resistencia al desgaste. Llevando, además unos contrapesos frente a cada codo o puño, equilibrando el fuerte impulso que proporciona toda carrera de trabajo o fuerza. Va ubicado en la parte inferior del block, denominado Cárter (Crankcase), por medio de unos pernos de fijación y unas tapas denominadas “Tapas de bancadas”, que igual que la tapas de bielas llevan unos cojinetes o metales antifricción, partidos en 2 secciones y llevan un torque establecido por el fabricante. La única diferencia, es que algunos de los metales de bancadas tienen unas pestañas que controlan el juego axial del cigüeñal.
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Volante y Eje de Balanceo Volante
Con el fin de mantener una rotación suave y reducir las irregularidades de la fuerza rotacional, se incorpora un volante que se fija al cigüeñal. Debido a que la combustión ocurre solamente una vez cada dos revoluciones del cigüeñal, se requiere la inercia del volante para las carreras de admisión, compresión y escape. Si no hubiera un volante, la fuerza rotacional del cigüeñal se reduciría en estas carreras y el motor se apagaría a bajas rpm, tales como a velocidad de ralentí. En las transmisiones manuales, el disco de embrague esta instalado al lado plano del volante con el fin de transmitir la fuerza de propulsión a la transmisión.
Volante de Doble Masa
El volante de doble masa esta diseñado para absorber las vibraciones del motor antes que sean transmitidas a la línea de transmisión donde pueden producir ruido de piñones. Esto se logra dividiendo el volante convencional en dos secciones: una sección primaria (1), que se acopla al cigüeñal, y una sección secundaria (2) donde se atornilla el embrague y un anillo dentado (5) para el motor de arranque. La sección primaria del volante contiene resortes (3) para aislar las vibraciones del motor, y un dispositivo limitador de torque (4) para evitar que el torque del motor aumente excediendo la resistencia de los componentes del motor y la transmisión. Cuando ocurre un aumento excesivo de torque, el dispositivo limitador de torque permite a la sección primaria del volante girar independientemente de la sección secundaria, protegiendo de los daños a la línea de conducción y transmisión.
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Eje de Balanceo Los pistones, las bielas y el cigüeñal generan una fuerza de inercia producida por el movimiento reciproco y rotatorio. Uno o dos ejes de balanceo localizados en forma paralela al cigüeñal, ayudan a reducir o eliminar la ocurrencia de estas fuerzas. El gráfico representa la relación de la fuerza de inercia (en el eje vertical), que ocurre a diferentes ángulos de rotación del cigüeñal (en el eje horizontal). Cuando la fuerza de inercia superior del primer y cuarto pistón está en su valor máximo, la fuerza de inercia del segundo y tercer pistón es baja. A partir de esta relación se deduce que las fuerzas de inercia (baja y alta) se generan dos veces por revolución del cigüeñal. Un eje de balanceo que tiene el perfil de medio círculo se usa para reducir las vibraciones del motor. El eje de balanceo gira en dirección opuesta y dos veces más rápido que el cigüeñal. Esta fuerza de inercia adicional generada por el eje de balanceo eliminará la vibración.
Bloque de Cilindros Tipos y Construcción
El bloque de cilindros es el componente básico del motor. Está construido con hierro fundido (motor diésel) o aluminio. Este incluye el cilindro, dentro del cual es pistón se mueve alternadamente, la camisa de agua para enfriar y mantener la temperatura del cilindro en un nivel aceptable, el túnel del cigüeñal y el cigüeñal instalado en su interior. La finalidad del cilindro es guiar el movimiento reciproco del pistón y soportar la fuerza y alta temperatura generadas por la combustión, enfriar apropiadamente el cilindro y soportar el cigüeñal. Para propósitos de resistencia, el bloque de cilindros en un motor diésel esta generalmente construido con hierro fundido debido a su alta resistencia al desgaste, corrosión y su capacidad de resistir el alto torque generado. Recientemente, para los motores gasolina se utiliza frecuentemente aleación de aluminio. El aluminio es más liviano y transmite el calor con mayor facilidad que el acero, de forma que es considerado como un material ideal para los motores a gasolina. Para aumentar la resistencia del bloque, se usa una estructura del tipo esqueleto del bloque de cilindros.
Número del motor:
El número de identificación del motor esta estampado en la placa del lado trasero derecho del borde del bloque de cilindros.
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Camisa del Cilindro:
La pared del cilindro (referida como la camisa de cilindro) está en contacto permanente con el pistón. Se lubrica con aceite del motor. La camisa de cilindro debe satisfacer requerimientos estrictos de duración, resistencia a altas temperaturas y bajo desgaste. En general, cuando el bloque de cilindro está construido de hierro fundido, la camisa del cilindro se fabrica rectificando el cilindro de hierro fundido. Cuando el bloque de cilindro está construido con aleación de aluminio, la pared interior del cilindro y la camisa del cilindro están fabricadas de hierro fundido para prevenir el desgaste de la pared. También hay cilindros sin camisa en los bloques de aleación de aluminio. Debido a que el cilindro sin camisa puede ser más liviano y compacto, tiene un alto costo de fabricación y se aplica principalmente en motores de alto rendimiento. Los motores Hyundai no utilizan cilindros del tipo de camisa húmeda.
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Camisa de agua:
Una senda de agua refrigerante está formada alrededor de la camisa del cilindro, conocida como la camisa de agua. Esta es necesaria para mantener la temperatura del motor a cierto valor absorbiendo la energía calórica proveniente de la energía remanente de la combustión. Esta puede ser una camisa del tipo siamesa o completa. En los últimos modelos también se usa una camisa de agua en el múltiple de admisión, adicional a la del bloque del motor.
Cárter (caja del cigüeñal) Los dispositivos auxiliares, como el alternador, el compresor del sistema de aire acondicionado, los soportes de montaje del motor y la bomba de aceite para la dirección asistida están fijos al cárter del cigüeñal. El cárter del cigüeñal es parte del bloque de cilindros y está disponible como una unidad o apernada al bloque. El material del cigüeñal debe satisfacer los requisitos de resistencia al torque y vibración. Debido a la menor longitud del tipo de media camisa, es posible fabricar un bloque de motor liviano. Sin embargo la resistencia de la unión es débil comparada con el tipo de camisa profunda, porque el área de unión es pequeña. Adicionalmente el área para la fijación de los dispositivos auxiliares es menor. En la parte inferior del bloque de cilindros, también se instala un depósito de aceite para almacenar el aceite lubricante, el que tiene por finalidad lubricar y enfriar el motor. Está fabricado de una hoja de acero estampado y se fija al bloque instalando un sello de goma, como en el caso de la tapa de válvulas. La placa de vibración de acero está fabricada insertando una placa de resina entre dos placas de acero para prevenir la vibración.
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Juntas y Sellos de Aceite Las juntas forman un sello al ser comprimidas entre las partes estacionarias donde pudieran pasar líquidos o gases. Muchas juntas están fabricadas para ser utilizadas una sola vez. Ellas pueden estar construidas de materiales suaves como corcho, goma, nitrilo, papel, materiales resistentes al calor o grafito: o también pueden estar fabricadas de aleaciones suaves y metales como el bronce, cobre, aluminio o láminas de acero suave. Algunos materiales pueden ser usados individualmente o en algunos casos combinados para producir el material funcional requerido. La elección del material y el diseño a usar depende del elemento a sellar, la presión, temperatura y los materiales y las superficies de unión que serán selladas. Las juntas de culata sellan y contienen la presión de la combustión dentro del motor, entre la culata y el bloque. Las juntas de culata modernas se construyen para resistir altas temperaturas y la detonación del motor. Algunas juntas de culatas modernas para alta temperatura son llamadas, en esencia, “anisotropicas”. Esto significa que la junta esta diseñado para conducir el calor lateralmente y para transferir el calor desde el motor al refrigerante en forma más rápida. Están construidas normalmente con un núcleo de acero.
Materiales especiales de contacto se adhieren a ambos lados del núcleo de la junta para suministrar un sellado total bajo variadas condiciones de torque. Algunos sellos de culata también incorporan anillos corta fuego de acero inoxidable para ayudar a contener el calor y la presión dentro del cilindro. Adicionalmente, muchas juntas de culata agregan una base de silicona en la cubierta exterior en ambos lados del material laminado para suministrar una capacidad de sellado en frío durante el arranque y el calentamiento. Las juntas de culata también sellan los pasajes de aceite y controlan el flujo del refrigerante entre el bloque de cilindros y la culata y están provistas de molduras o anillos para prevenir la filtración y la corrosión.
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Algunos materiales están diseñados para dilatarse en la superficie aplicada y aumentar la capacidad de sellado. Por ejemplo, cuando el aceite dentro de la tapa de válvulas penetra al borde del material de la junta, está diseñado para dilatarse aproximadamente 30%. Este efecto de dilatación aumenta la presión de sellado entre las superficies de la culata y la tapa de válvulas, y ayuda a sellar potenciales filtraciones. Las juntas alrededor de un elemento rotatorio podrían rápidamente gastarse y filtrar. Para sellar estas partes, se necesitan los sellos de aceite. El ampliamente usado es el sello de aceite dinámico del tipo labio. Este tiene un labio de goma de perfil dinámico que permanece en contacto con el eje a sellar mediante la acción de un resorte espiral circular. Un principio de sellado similar se utiliza para sellar la guía de válvula, impidiendo el ingreso de aceite a la cámara de combustión.
Los ejes rotatorios o deslizantes también pueden ser sellados mediante anillos “O”, pero generalmente no son tan durables como los sellos de labio. Se usan varios materiales en la construcción de los sellos de aceite modernos, algunos son impregnados con cubiertas de materiales especiales que están diseñados para aumentar su capacidad de sellado en ejes gastados. Como regla general, los sellos de aceite deben ser reemplazados cuando un componente es desmontado.
Culata Tipos y construcción
La culata esta apernada a la parte superior del bloque de cilindros donde forma la parte superior de la cámara de combustión. Los motores en línea tienen solo una culata para todos los cilindros. Los motores con cilindros en V u horizontalmente opuestos tienen culatas separadas para cada banco de cilindros. Tal como el bloque del motor, la culata puede ser fabricada en hierro fundido, o aleación de aluminio. Una culata hecha de aleación de aluminio es más liviana que la de hierro fundido. El aluminio además conduce al calor en forma más rápida que el hierro. La culata contiene muchas partes de la cámara de combustión tales como las válvulas, bujías o inyectores. Internamente, la culata tiene conductos para que la mezcla de aire combustible ingrese al cilindro a través de las válvulas de admisión desde el múltiple, y para la salida de los gases quemados a través de las válvulas de escape hacia el múltiple de escape, y para que el refrigerante enfríe la culata y el motor. Las culatas están diseñadas para ayudar a mejorar el torbellino o turbulencia de la mezcla Aire/Combustible, y prevenir la formación de gotas en la superficie de la cámara de combustión o de las paredes del cilindro. Cuando la mezcla Aire/Combustible es comprimida entre el pistón y la parte plana de la culata, esto produce lo que se conoce como “chapoteo”. Lo que significa, comprimir los gases para aumentar su velocidad y turbulencia.
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En los motores a gasolina, los diseños de cámara de combustión más comunes son:
Hemisférica Pent roof.
Tipo Tina
Tipo Cuña.
Una cámara de combustión hemisférica o pent-roof tiene la válvula de admisión a un lado de la cámara y la válvula de escape al otro lado. Esto suministra un flujo cruzado. La mezcla de Aire/Combustible entra en un lado, y los gases de escape salen por el otro. Al posicionar las válvulas de esta forma permiten un techo para válvulas y lumbreras relativamente grandes. Con la bujía en el centro del hemisferio, el frente de llama tiene menos distancia por recorrer que en otros diseños similares, lo que resulta en una combustión rápida y efectiva. Este diseño es común en una gran cantidad de vehículos de pasajeros. La cámara de combustión del tipo tina es de perfil oval, como una tina de baño invertida. Las válvulas están montadas verticalmente y una al lado de la otra, permitiendo un funcionamiento muy simple. La bujía esta expuesta en un lado, lo que produce un frente de llama corto.
Las cámaras de combustión de tipo cuña disminuyen desde la bujía que esta en el lado más ancho del perfil. Las válvulas están en línea e inclinadas desde la vertical. Este diseño usualmente tiene un área de superficie menor que los otros, con menos área donde puedan condensarse gotas de combustible. Menos combustible queda sin quemar después de la combustión lo que reduce las emisiones de escape de hidrocarburos.
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Las cámaras de combustión diésel vienen son de 2 tipos principales. Inyección directa e inyección indirecta. Ambas están diseñadas para producir turbulencia, lo que ayuda al aire comprimido y al combustible inyectado a mezclarse de la mejor forma. Los motores que usan inyección directa tienen culatas con una cara plana. La cámara de combustión está en la cabeza del pistón. En la inyección indirecta, el pistón es casi plano, o tiene una pequeña cavidad. La cámara de combustión principal está entre la culata y la cabeza del pistón, pero una cámara pequeña, separada se encuentra en la culata. El combustible es inyectado en esta pequeña cámara que puede tener varios diseños. La cámara de torbellino esférica está conectada a la cámara principal mediante un conducto angulado. Durante la compresión, el perfil esférico produce el torbellino de aire en la cámara. Esto ayuda a mejorar la formación de la mezcla de Aire/Combustible, logrando una mejor combustión.
Tipos de motores Existen algunas características constructivas del conjunto móvil, como por ejemplo la relación que existe entre la carrera del pistón P.M.S a P.M.I y el diámetro del cilindro, diferenciándose 3 tipos de motores
de combustión
Motor Cuadrado o Carrera Cuadrada Es aquel que la carrera y diámetro del cilindro tienen la misma medida. Ejemplo: Carrera del pistón = 80 mm Diámetro del cilindro = 80 mm
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Motor Largo o Carrera Larga Es aquel en que la carrera del pistón es mayor que el diámetro del cilindro (le permite mayor fuerza, pero más lento que el anterior). Ejemplo: Carrera del pistón = 90 mm Diámetro del cilindro = 80 mm
Motor Corto o Carrera Corta Es aquel en que la carrera es menor que el diámetro el cilindro (consigue mayor relación de compresión y mayor velocidad de giro del motor). Ejemplo: Carrera del pistón = 70 mm Diámetro del cilindro = 85 mm
Potencia y Torque del Motor El desempeño básico del motor está representado por dos factores principales, que son la potencia y el torque. Generalmente, el elemento más importante en el rendimiento del motor es la salida (potencia), también referida como caballos de fuerza (HP). Caballo de fuerza es la eficiencia del trabajo, que indica la cantidad de trabajo en un periodo específico de tiempo. Este concepto fue sugerido por James Watt, quien inventó el motor a vapor en Inglaterra. Un caballo de fuerza (HP) es la potencia requerida para levantar un peso de 75kg a 1 metro de altura en 1 segundo.
Una abreviatura comúnmente usada para Caballo de Fuerza (HP) es PS, derivada de la expresión alemana “Pferde Stärke”. La potencia del motor actualmente se indica en kW. En el Sistema Internacional (S.I.) la unidad es representada en W (watt). 1 PS es alrededor de 735.4W. Por lo tanto 100PS son 73.5kW ó 100kW son 136PS. En las especificaciones técnicas, en algunas ocasiones, pueden encontrarse palabras adicionales tales como (Neto) o (Bruto), escritas entre las unidades
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. de kW/rpm. El valor Bruto es la energía pura del motor, fuera del vehículo, y el valor Neto es la potencia con el motor instalado en el vehículo. Para el motor gasolina, el valor Neto es 15% menos que el valor Bruto. Esto se debe a las fuerzas de fricción de la transmisión, neumáticos, etc. El valor indicado siempre corresponde a la potencia bruta, si no se especifica lo contrario. La potencia del motor está en función de tiempo. La potencia del motor aumentará proporcionalmente con las rpm porque la cantidad de trabajo por tiempo aumenta cuando las rpm son mayores. Sin embargo, debido a que las partes dinámicas no pueden girar más allá de cierto valor, las rpm y la potencia están limitadas. Por esta razón la potencia y las rpm se indican en conjunto, por ejemplo, 100kW a 6000rpm.
El torque es la fuerza de torsión aplicada a un componente rotatorio como un perno, neumático, cigüeñal, etc. Esta no depende solamente de la fuerza aplicada, sino que también del largo del brazo de palanca sobre el cual actúa la fuerza. Por definición, torque es igual a fuerza multiplicada por brazo de palanca, el largo desde el centro giratorio al punto donde se aplica la fuerza. En un motor, el torque es igual a la fuerza con la que se desplaza el pistón, multiplicada por la distancia desde el centro del muñón de la biela al eje central del cigüeñal. Por lo tanto, la magnitud del torque esta decidida por la fuerza con que el pistón presiona a la biela, esto corresponde a la fuerza de combustión. El gráfico de desempeño del torque representa la fuerza del pistón aplicada al cigüeñal a ciertas rpm. Como esta fuerza se transmite a las ruedas, si el torque generado por el motor es bajo, el torque final del vehículo también será bajo. Inversamente, cuando el torque del motor es alto, el torque final también será alto. La salida de torque esta determinada por varios factores especialmente por la cantidad de aire aspirado por el cilindro. Considerando la relación entre el aire aspirado y las rpm del motor, cuando el motor tiene baja velocidad de rotación, el movimiento del pistón es lento y la cantidad de aire aspirado es reducida. Cuando el motor tiene una alta velocidad de rotación, el movimiento del pistón es rápido y la cantidad de aire aspirado es alta. Sin embargo, si el motor esta girando demasiado rápido, la válvula de admisión puede cerrarse antes que el cilindro aspire la cantidad correcta de aire. En este caso, la cantidad de aire aspirada por carrera (eficiencia volumétrica) se reduce, lo que resulta en menos torque y potencia del motor.
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Cilindrada Unitaria y Cilindrada Total
El tamaño del motor es representado por el volumen de desplazamiento. El desplazamiento del cilindro es el volumen de un cilindro con el pistón moviéndose desde el Punto Muerto Inferior (PMI) al Punto Muerto Superior (PMS). El volumen total de desplazamiento es la suma del volumen de todos los cilindros. El volumen de desplazamiento del cilindro se calcula mediante la multiplicación del área de la sección transversal por la carrera en el cilindro. El área de la sección se calcula con el diámetro del cilindro. El diámetro y carrera puede diferir en cada motor aunque ellos tengan la misma cantidad de cilindros y desplazamiento. Esto se debe a los diferentes diámetros y carreras. El desplazamiento del motor puede ser representado por la unidad cm³ o litros.
Formula Cilindrada Unitaria
Formula cilindrada Total
Cu = 0,785 x D² x C
CT = Cu x Z
0,785 es una constante.
CT= Cilindrada Total
D²= diámetro del cilindro al cuadrado.
CU= Cilindrada Unitaria
C= carrera del pistón de P.S.M a P.S.I
Z= Numero de Cilindros
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Dpto. Mecánica Automotriz Ajuste de Motor 3º Medio. Ejemplo de Cálculo de Cilindra Unitaria y Total
¿Cuál es la cilindrada unitaria y total de un motor de 4 cilindros con 80 mm de diámetro del cilindro y 80 mm de carrera del pistón y que tipo de motor es? (Fiat 125).
Diámetro del Cilindro
80mm
Carrera del Cilindro
80mm
Z
4 cil
Motor Cuadrado
CU CT Tipo Motor
Ejercicios Cilindrada Unitaria y Total
Calculo Nº1 D= 85 mm C= 85 mm Z= 4 Cilindros Cu=? Ct= ? Tipo de motor:
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Calculo Nº2 D= 73 mm C= 59 mm Z= 4 Cilindros Cu=? Ct= ? Tipo de motor:
Calculo Nº3 D= 76 mm C=82 mm Z=4 Cilindros Cu=? Ct= ? Tipo de motor:
Calculo Nº4 D= 64,5 mm C= 83,7 mm Z= 4 Cilindros Cu=? Ct= ? Tipo de motor:
Calculo Nº5 D= 78 mm C= 79,5 mm Z= 6 Cilindros Cu=? Ct= ? Tipo de motor:
Calculo Nº6 D= 67,4 mm C= 70 mm Z= 2 Cilindros Cu=? Ct= ? Tipo de motor:
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