Términos utilizados para el estudio del motor
Los términos teóricos mas importantes a la hora de estudiar un motor son:
Punto muerto superior (PMS): es cuando el pistón en su movimiento alternativo alcanza la punto máximo de altura antes de empezar a bajar. Punto muerto inferior (PMI): es cuando el pistón en su movimiento alternativo alcanza el punto máximo inferior antes de empezar a subir. Diámetro o calibre (D): Diámetro interior del cilindro (en mm.) Carrera (C): Distancia entre el PMS y el PMI (en mm). Cilindrada unitaria (V): es el volumen que desplaza el pistón en su movimiento entre el PMI y PMS. Comúnmente, es expresado en c.c. (centímetros cúbicos) o en litros. Volumen de la cámara de combustión (v): Volumen comprendido entre la cabeza del pistón en la posición PMS y la culata. Comúnmente, es expresado en c.c. (centímetros cúbicos).
Relación de compresión (Rc): es la relación que existe entre la suma de volúmenes (V + v) y el volumen de la cámara de combustión. Este dato se expresa como el siguiente ejemplo: 10,5/1. La relación de compresión (Rc) es un dato que nos lo da el fabricante, no así el volumen de la cámara de combustión (v) que lo podemos calcular por medio de la formula de la (Rc).
La Rc para motores Otto (gasolina) viene a ser del orden de 8 - 11/1. Para motores sobrealimentados la relación de compresión es menor.. La Rc para motores Diesel viene a ser del orden de 18 - 22/1.
En la figura inferior tenemos como ejemplo que la relación de compresión es de diez a uno. Esto nos indica que el volumen total del cilindro se comprime diez
veces para reducirse al tamaño de la cámara de combustión. Esta característica nos da una idea de las prestaciones del motor, su eficiencia y su potencia; en la medida que el número de la izquierda sea mayor, la relación será más elevada y las prestaciones superiores dentro de ciertos limites.
Calculo de un ejemplo real: Volkswagen Passat 1.9 TDi. Datos:
Diámetro por carrera (mm) = 79,5 x 95,5. Cilindrada = 1896 cc. Relación de compresión = 19,5 : 1.
Calculo de la cilindrada a partir del diámetro y el calibre.
Calculo del volumen de la cámara de combustión (v) a partir de la relación de compresión (Rc).
Velocidad del pistón El pistón en su movimiento alternativo alcanza velocidades que van desde cero hasta su velocidad máxima. De este movimiento se puede obtener una velocidad media del pistón que estará en función de la carrera del pistón y del número de revoluciones del cigüeñal.
Vm = velocidad media del pistón L = carrera en metros n = nº de revoluciones del motor
Las velocidad máxima que puede alcanzar el pistón se limita, ya que cuanto mas alta sea, mayor será el desgaste de los cilindros y el motor estará sometido a grandes inercias que provocaran mayores esfuerzos a todos los elementos mecánicos del mismo. La velocidad media del pistón normalmente esta comprendida entre 10 y 18 m/s. Para obtener mayor velocidad media del pistón y por lo tanto mayor nº de r.p.m., se construyen motores de carrera mas corta para reducir el desgaste de los cilindros.
En función de la medida de la carrera y diámetro diremos que un motor es:
D>C = Motor supercuadrado. D=C = Motor cuadrado. D
Actualmente se tiende a la fabricación de motores con mayor diámetro que carrera, con objeto de que al disminuir la carrera se reduzca la velocidad lineal del pistón y con ello el desgaste de los cilindros. Ejemplo real de las medidas de los cilindros:
Fiat 1.9 TD. DxC (Diámetro x Carrera)= 82 x 90,4. Opel 1.6 i. DxC= 79 x 81.5. Citroen 2.0 16V, DxC= 86 x 86
Como se ve las medidas son muy dispares.
Las ventajas de los motores cuadrados y supercuadrados son:
Cuanto mayor es el diámetro (D), permite colocar mayores válvulas en la culata, que mejoran el llenado del cilindro de gas fresco y la evacuación de los gases quemados. Las bielas pueden ser mas cortas, con lo que aumenta su rigidez. Se disminuye el rozamiento entre pistón y cilindro por ser la carrera mas corta, y, por tanto, las perdidas de potencia debidas a este rozamiento. Cigüeñal con los codos menos salientes, o sea, mas rígido y de menor peso.
Los inconvenientes son:
Se provoca un menor grado de vació en el carburador, con lo que la mezcla se pulveriza peor, y, por tanto, se desarrolla menor potencia a bajo régimen. Los pistones han de ser mayores y por ello mas pesados. Menor capacidad de aceleración y reprise.
Potencia del motor La energía química del combustible se transforma en energía mecánica al empujar los pistones dentro del motor. La energía mecánica o trabajo mecánico es el producto de multiplicar una fuerza por el espacio recorrido. Si por ejemplo, un pistón es empujado con una fuerza de 4000 kilogramos y su carrera es 86 mm, el trabajo desarrollado es:
Si el trabajo desarrollado se divide por el tiempo empleado en efectuarlo, obtendremos la potencia desarrollada. En el mismo ejemplo anterior, si el trabajo se desarrolla en una décima de segundo, la potencia es:
que expresada en CV es:
La potencia desarrollada por un motor depende, por tanto, de la relación de compresión y de la cilindrada, ya que a mayores valores de estas les corresponden mayor explosión y mas fuerza aplicada al pistón; también depende de la carrera, del número de cilindros y de las revoluciones por minuto a las que gira el motor. Equivalencias:
1 CV = 0,736 kW 1 kW = 1,36 CV
Par motor. El valor del par es el producto de la fuerza aplicada sobre el pistón y de la longitud del codo del cigüeñal. La fuerza que actúa sobre el pistón es proporcional a la presión media efectiva durante la carrera de explosión y expansión. El valor de esta presión media depende del grado de llenado de los cilindros y de la eficacia con que se desarrolla la combustión.
El par motor, expresado en "m.kg" multiplicado por las revoluciones a las que gira el motor y dividido por 716, nos da la potencia desarrollada por el motor en ese régimen. Por ejemplo para un motor que desarrolla 10 m.kg, girando a 3000 r.p.m., la potencia desarrollada es:
Equivalencias:
1 mkg = 9,8 Nm 1 daN = 1 mkg
Curvas características Par/Motor El valor máximo de potencia no coincide con las mismas revoluciones que el par motor, ya que, si bien, este último va en aumento a medida que lo hace el número de revoluciones, llega un momento en que al crecer la velocidad de rotación del motor, los cilindros se llenan de menor cantidad de mezcla, como consecuencia del menor tiempo que esta abierta la válvula de admisión, y, por tanto, la explosión es menor y el par va disminuyendo a partir de un cierto régimen. Sin embargo, con la potencia no ocurre exactamente igual, ya que al aumentar el numero de revoluciones hasta un cierto valor, aunque las explosiones sean menores, se producen en mayor cantidad al girar el motor con mas revoluciones y, en consecuencia, aumenta la potencia hasta un limite de régimen del motor mas alto que en el par motor.
nº de revoluciones del motor El régimen de funcionamiento de los motores está limitado por las fuerzas de inercia que presentan los sistemas de movimiento alternativo para cambiar de dirección y por el tiempo disponible para la mezcla y combustión de la mezcla y llenado de los cilindros. En los motores Otto (gasolina), debido a que para la formación de la mezcla disponen de toda la carrera aspiración y compresión, se puede conseguir, en ellos elevadas revoluciones, pudiendo fabricarse motores de gran potencia con una estructura relativamente ligera. Sin embargo los motores Diesel, al disponer de poco tiempo para la carburación y combustión de la mezcla, no pueden alcanzar revoluciones por lo que debe recurrirse a aumentar la cilindrada para aumentar la potencia. El numero de revoluciones limita el llenado correcto de los cilindros y, por tanto, el rendimiento volumétrico, ya que a mayor velocidad de funcionamiento la entrada de gases tiene que ser mas rápida.
Consumo especifico de combustible Se define como la relación que existe entre la masa de combustible consumida y potencia entregada. Se obtiene en el banco de pruebas y se expresa en g/kW · h (gramos/kilovatio· hora). El consumo de combustible depende de muchos factores, pero principalmente del
rendimiento térmico de la combustión y del rendimiento volumétrico. El rendimiento térmico aumenta con la relación de compresión, por eso los motores Diesel que tienen una mayor relación de compresión, tienen menos consumos.
Estructura del motor de explosión Indice del curso
El motor térmico de combustión interna esta formado básicamente por una serie de elementos estáticos y dinámicos, clasificados, en función de la misión que cumplen dentro del motor, en tres grupos esenciales, que serian:
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. Bloque motor El bloque constituye el cuerpo estructural donde se alojan y sujetan todos los demás componentes del motor. La forma y disposición del bloque está adaptada al tipo de motor correspondiente, según sea de cilindros en "linea", horizontales opuestos o en "V". El bloque motor contiene los cilindros, los apoyos del cigüeñal y la culata, las canalizaciones de refrigeración y engrase etc. Bloque con refrigeración por agua Los motores refrigerados por agua llevan situados en el interior del bloque unos huecos y canalizaciones, denominadas "camisas de agua", que rodean a los cilindros y a través de los cuales circula el agua de refrigeración.
Bloque con refrigeración por aire En los motores enfriados por aire, para que la refrigeración se realice en las debidas condiciones en toda la periferia del cilindro, es preciso que éstos sean independientes, por lo que esta disposición se emplea generalmente para motores monocilindricos. Para conseguir la refrigeración se dispone alrededor del bloque una serie de aletas que aumentan la superficie radiante y eliminan mejor el calor interno.
Bloque de motor de dos tiempos En pequeños motores de dos tiempos, debido a su sistema de alimentación y escape por lumbreras laterales situadas en el cilindro, no es preciso hacer la culata desmontable. Se fabrican generalmente de un solo cuerpo, del tipo monoblock, con lo que resultan más compactos y evitan puntos de unión entre sus elementos.
En otros casos, en los motores de 2 tiempos la culata si esta separada del bloque como podemos ver en le figura inferior.
Fabricación del bloque Los bloques se fabrican de una sola pieza y completamente huecos para eliminar peso muerto en el motor. Todos los cilindros van dispuestos en uno o dos bloques, según el tipo de motor, unidos por su bancada, formando así un cuerpo único. Esta disposición de un solo bloque tiene la ventaja de dar mayor rigidez al conjunto, simplifica la refrigeración del motor y facilita el proceso de fabricación. El material empleado en la fabricación de los bloques es, generalmente, fundición de hierro con estructura perlítica, aleado con pequeñas proporciones de cromo y níquel, que proporcionan una gran resistencia al desgaste y protección a la corrosión. Este material además resiste muy bien las altas temperaturas que tiene que soportar. En la fabricación de bloques se emplean también las aleaciones ligeras a base de aluminio-silicio, que tienen las ventajas de su menor peso y gran conductibilidad térmica, con lo que se mejora la refrigeración. Estas características permiten aumentar el grado de compresión en los motores de gasolina, con lo que se obtiene una mayor potencia útil y un menor peso especifico para una misma cilindrada. Formación de los cilindros El orificio circular que sirve de cilindro puede practicarse sobre el propio material del bloque, o bien puede obtenerse ajustando en este unas piezas postizas en forma de tubo llamadas "camisas". Estas piezas se fabrican independientemente y se montan sobre el bloque con un buen ajuste. Según el procedimiento empleado para obtener los cilindros hay que distinguir tres clases de bloques:
Bloque integral Los cilindros se mecanizan sobre el propio material del bloque. Para ello, el orificio destinado a formar el cilindro se obtienen en bruto, de fundición, con la sobremedida necesaria para el mandrinado Este tipo de bloque es muy utilizado en la actualidad.
Bloque con camisas Las camisas son unos cilindros desmontables que se acoplan al bloque motor. Tienen la ventaja de que se pueden fabricar de materiales distintos al del bloque motor, por lo que pueden ser mas resistentes al desgaste y mas eficientes a la hora de evacuar el calor. En caso de avería o desgaste de los cilindros pueden ser sustituidas las camisas sin que el bloque motor se vea afectado. Las superficies interiores de las camisas se obtienen por mecanizado de precisión, rectificado y pulido. A continuación, reciben un tratamiento superficial, que en muchos casos es un cromado con el fin de reducir el desgaste de segmentos y cilindros, estando controlado es proceso de forma que resulte una superficie finamente porosa capaz de retener el lubricantes.
Hay dos tipos de camisas en los bloques:
Camisas secas: se llaman camisas "secas" por que no están en contacto directo con el liquido de refrigeración Camisas húmedas: se llaman camisas "húmedas" por que están en contacto directo con el liquido refrigerante
Camisas secas Estas camisas van montadas a presión, en perfecto contacto con la pared del bloque, para que el calor interno puede transmitirse al circuito de refrigeración. Estas camisas se fabrican de materiales mas resistentes que los del bloque por lo que pueden utilizarse en motores que soporten mayores presiones internas como son los motores Diesel. Las camisas se montan en el bloque a presión por medio de una prensa, de esta forma se consigue que queden fijas sobre el bloque sin que puedan moverse. Las camisas secas pueden ser con pestaña de asiento y sin pestaña.
Camisas húmedas Las camisas húmedas son unos cilindros independientes que se acoplan al bloque que es completamente hueco. Se ajustan al bloque por medio de unas juntas de estanqueidad, para evitar que el agua pase al cárter de aceite. Estas camisas sobresalen ligeramente del plano superior del bloque de forma que quedan fijadas una vez que se aprieta la culata.
Esta disposición del motor ofrece una mejor refrigeración del motor, y se emplea generalmente en motores de gran potencia, donde se necesita una mayor evacuación de calor. Tiene el inconveniente de su mayor costo de fabricación y una cierta dificultad de montaje, ya que, al estar la camisa en contacto directo con el liquido de refrigeración, existe el riesgo de que se produzcan fugas a través de las juntas de estanqueidad.
La culata Es la pieza que sirve de cierre de los cilindros, formandose generalmente en ella las cámaras de combustión. En la culata se instalan las válvulas de admisión y escape, los colectores de admisión y escape, los balancines, el árbol de levas, también los elementos de encendido o inyección, según el tipo de motor de que se trate. Ademas de las cámaras de combustión la culata tiene cámara para el liquido de refrigeración y conductos para los gases de escape y aire de admisión.
Culata para motor de cuatro tiempos Debido a los esfuerzos a que está sometido y a las altas temperaturas que tiene que soportar, este elemento es una de las piezas mas delicadas y de difícil diseño del motor. La cantidad de huecos y orificios de paso que posee pueden hacer que su estructura quede debilitada. Se fabrica hueca para que pueda circular por su interior el agua de refrigeración. Todo ello hace muy difícil a la hora de proyectar una culata, fijar matemáticamente sus dimensiones y espesores de material, los cuales deben adaptarse a las características del motor, con un espesor en sus paredes lo mas uniforme posible para evitar desequilibrios térmicos en la misma, lo cual originaria la aparición de grietas en la estructura. Las zonas de la culata que soportan más calor son: la cámara de combustión y el conducto de salida de los gases quemados. Por tanto, se debe estudiar con detalle la correcta circulación del liquido de refrigeración, para que todo el conjunto quede térmicamente equilibrado.
Culata para motores de dos tiempos Esta culata es mas simple que la de cuatro tiempos, ya que solo necesita un orificio para instalar la bujía o inyector. Resulta aún mas sencilla si la refrigeración se realiza por aire. No obstante, la refrigeración de esta culata es de suma importancia, ya que, al producirse en ella las combustiones con mayor rapidez, se dispone de menos tiempo para la evacuación del calor interno. Por esta razón su material alcanza mayor temperatura limite durante su funcionamiento. Estas culatas utilizan materiales de aleación ligera como el aluminio y tienen una serie de aletas externas que ayudan a la evacuación del calor del motor. Material de El material para la fabricación de las culatas es:
las
culatas
Aleación de aluminio: la culata se construye de aleación de aluminio, silicio y magnesio. Sus principales cualidades son una buena resistencia, peso reducido y gran transferencia de calor, lo que permite alcanzar rápidamente la temperatura de funcionamiento y facilita la refrigeración. Estas culatas son mas caras de fabricar y son mas frágiles porque sufren mayores deformaciones. Pero tienen la ventaja de su menor peso y su mayor capacidad de refrigeración del motor. Estas características hacen que las culatas de este tipo sean la mas utilizadas actualmente. Se pueden montar tanto en motores con bloque de fundición como de aleación de aluminio. Hierro fundido: la culata se construye con una aleación de hierro, cromo y níquel, que la hacen mas resistente y menos propensa a las deformaciones. Estas culatas admiten un mayor par de apriete y es mas resistente a las deformaciones y tiene la desventaja de su mayor peso y su menor capacidad de refrigeración del motor.
Montaje de la culata Una de las características a tener en cuenta de las culatas es su amarre al bloque motor, ya que, al estar sometida a la fuerza de empuje de los gases de la combustión, tiende a separarse del bloque. Por esta razón, el sistema de amarre y el numero mas conveniente de puntos de unión, se estudia cuidadosamente, así como la calidad y dimensiones de los espárragos empleados para ello. El número de puntos de amarre depende de las dimensiones de la culata ya que si se emplean muchos espárragos, mayor es el número de agujeros que hay que practicar en la misma, lo que debilita su estructura y aumenta las dificultades de moldeado. Por otra parte se disminuye el peligro de flexión y la dilatación de la misma, al ser menor la separación entre puntos de amarre, asegurando así el cierre estanco de los cilindros. El par de apriete establecido para cada culata viene indicado por el fabricante en función de la presión interna y del material empleado en su fabricación. Este par de apriete se logra con el empleo de llaves dinamométricas. Se debe seguir el orden de apriete establecido por el fabricante, comenzando normalmente por el centro y terminando por los extremos.
Formas y características de las cámaras de combustión Una característica importante de las culatas es el tipo de cámaras de combustión que llevan mecanizadas. La cámara de combustión es el espacio que existe entre la cabeza del pintón en el PMS y las diferentes formas que se mecanizan en la culata. En la cámara de combustión se comprime la mezcla o el aire en su grado máximo. La cámara de combustión se construye principalmente en la culata, y en ella se
alojan las válvulas de admisión y escape y la bujía o el inyector dependiendo del motor sea Otto o Diesel.
Cámaras de combustión para motores Otto En los motores de gasolina los mejores resultados se obtienen con una forma de cámara semiesférica; pero debido a la disposición y dimensionado de las válvulas, cuyo asiento debe ser plano, la configuración de la cámara se aleja de su forma ideal. Las diferentes formas de la cámara de combustión pueden ser:
Cámara de bañera y en cuña Se emplean generalmente con las válvulas situadas en la culata y la bujía situada lateralmente, lo cual facilita el acceso a este elemento. Tienen la ventaja de que el recorrido de la chispa es muy corto y de limitar el acceso de turbulencia en el gas, produciendose, a la entrada de gases, un soplado sobre la cabeza del émbolo que reduce el picado. La cámara en forma de cuña tiene las válvulas colocadas en paralelo, lo que simplifica su sistema de mando. La cámara en forma de bañera tiene una configuración que facilita un gran alzado de válvulas y también se simplifica el sistema de mando. Cámara hemisférica Es la mas parecida a la forma ideal, las válvulas se disponen una a cada lado de la cámara y la bujía en el centro. Esta disposición favorece la combustión y acorta la llama desde la bujía a la cabeza del émbolo. Este tipo de cámara se emplea mucho actualmente, ya que permite utilizar válvulas de mayor sección o bien situar mas válvulas para la admisión y escape (3, 4 y hasta 5 válvulas). Cámara cilíndrica Esta cámara es muy utilizada por su sencillez de diseño y fácil fabricación, lo cual abarata el costo de la culata.
Cámara de combustión en motores de inyección directa La cámara en estos motores desempeña un papel muy importante ya que en alguna fases de su funcionamiento se utilizan mezclas pobres. Los pistones en estos motores utilizan unos deflectores en su cabeza (figura inferior), cuya forma orienta convenientemente el torbellino del gas de manera que se concentra una mezcla rica en torno a la bujía y por otra parte tenemos una mezcla pobre en la periferia.
Cámaras de combustión para motores Diesel En el funcionamiento de los motores Diesel, la combustión se realiza comprimiendo solamente el aire de admisión e inyectando a continuación el combustible, el cual, al contacto con el aire caliente, se inflama y produce la combustión. Esta inflamación no es instantánea sino que se produce cuando la temperatura del mismo se comunica al liquido. Es decir, que si el aire esta en reposo, las primeras gotas de combustible enfrían el aire circundante, lo cual retrasa la combustión. Por otra parte, la combustión en estos motores no se realiza en un frente único, como ocurre en los motores Otto, sino en diferentes puntos a la vez y se transmite a toda la mezcla. Si todos estos puntos de aire, en el interior de la cámara, no están a la misma temperatura se produce un efecto de picado, al no inflamarse la mezcla homogéneamente. Para tener una combustión optima en los motores Diesel es necesario tener una relación de compresión alta y conseguir que el aire de admisión adquiera una turbulencia para que el calor se transmita por igual en todos los puntos de la cámara.
La turbulencia del aire dentro del cilindro se consigue dando a la cámara de combustión la forma mas adecuada. Según la disposición adoptada, existen los siguientes tipos de cámaras:
Cámaras de inyección directa En este sistema el combustible es inyectado directamente en la cámara de combustión a través de varios orificios del inyector. Al chocar el combustible contra la cabeza del émbolo, que es la zona mas caliente, se consigue una mejor mezcla y varios puntos simultáneos de ignición. La cámara de combustión esta constituida en la cabeza del émbolo y la turbulencia se consigue dando a esta cámara una forma toroidal. Durante la admisión entra el aire con una inclinación adecuada e incide lateralmente en la cámara y, siguiendo la forma de la misma, crea un torbellino en el centro que sube hasta chocar contra la culata y se une al que sigue entrando para formar el torbellino tórico. El torbellino, durante la compresión, aumenta de velocidad, consiguiendo así mantener el aire en movimiento y su temperatura homogénea en toda la cámara. Este sistema, al tener menor superficie de cámara de contacto con el circuito de refrigeración, proporciona una mayor temperatura interna, lo cual facilita el arranque en frío y supone un menor consumo de combustible. El rendimiento del motor es más elevado ya que se produce una combustión completa.
Cámaras de inyección indirecta Este tipo de motores utilizan una cámara de combustión principal y otra auxiliar. La inyección de combustible se realiza en la precamara o cámara auxiliar que esta unida a la principal por un estrechamiento, cuya función es provocar una gran turbulencia del aire y el combustible inyectado. La cámara auxiliar se fabrica de acero especial y va montada de manera postiza sobre la culata. La relación de compresión es mas alta que en los motores de inyección directa del orden de 18 - 22/1. El uso de cámara auxiliar suaviza el funcionamiento del motor Diesel y como desventaja tiene que aumenta el
consumo de combustible. El arranque en frío del motor es mas difícil,s por lo que se utilizan sistemas de precalentamiento de la cámara auxiliar.
Cámara de precombustión La cámara de combustión esta dividida en dos partes; una en la propia cámara del cilindro y la otra en una antecamara o cámara auxiliar. Ambas cámaras se comunican entre si a través de unos finos orificios, llamado difusores. Durante la compresión casi todo el aire pasa de la cámara principal a la antecámara a través de los difusores y adquiere gran velocidad debido a la estrechez de los orificios. Una vez que se inyecta el combustible se produce la combustión en contacto con el aire caliente, de modo que se crea una sobrepresión que expulsa los gases inflamados a través de los orificios calibrados a gran velocidad. Esto provoca una turbulencia en la cámara principal que hace posible una combustión progresiva.
Cámara de turbulencia Esta configuración se compone de una cámara auxiliar de forma casi esférica anexa a la cámara de combustión principal, que tiene casi el 50% del volumen de la compresión total. La cámara auxiliar está conectada con la principal por una canal que desemboca tangencialmente orientado hacia el centro del pistón. En la cámara auxiliar están ubicadas también el inyector y la bujía de incandescencia. En la cámara de turbulencia se produce en el tiempo de compresión una fuerte turbulencia, en la cual el combustible es inyectado sobre el aire caliente que provoca la combustión total en el interior de la cámara auxiliar. La violencia de la expansión de los gases en la combustión es frenada por el canal tangencial, con lo que se consigue una expansión suave y progresiva.
Los motores con cámara de turbulencia son los mas utilizados en los motores Diesel para automóviles. Esto fue así hasta la aparición de los motores de inyección directa que son los mas utilizados actualmente.
Colectores de admisión y escape Estos elementos van situados lateralmente en la culata y, como su nombre indica, son los conductos por los cuales entran las gases frescos al interior del cilindro y salen al exterior los gases quemados. Colector de admisión El colector de admisión suele fabricarse de aluminio, ya que al no estar expuesto a las elevadas temperaturas del motor no sufre apenas dilataciones, reduciendo así el peso del mismo. La principal características de este colector, es su perfecto diseño en cuanto a distribución y diámetro interior, a fin de que la mezcla o aire de admisión llegue sin perdidas de carga a cada uno de los cilindros. Para que esto se cumple la longitud de los tubos debe ser lo mas corto posible y equidistante del carburador o en sistemas de inyección monopunto, con una superficie interior perfectamente lisa, para evitar retenciones de la mezcla durante la admisión.
Para favorecer el arranque en frío evitando que el combustible se condense en las paredes, se utilizan sistemas de calentamiento situados en los colectores por debajo de la mariposa de gases. Estos sistemas pueden aprovechar el calor del agua de refrigeración o bien utilizar una resistencia eléctrica de calentamiento. En sistemas de inyección multipunto, los colectores se pueden optimizar mejor, ya que cada cilindro tiene su inyector al lado de la válvulas de admisión, por lo que podemos dar una longitud a los tubos de admisión lo mas optimo a las características del motor (cilindrada, nº r.p.m.). En este tipo de motores se pueden utilizar sistemas de admisión variable que pueden variar la longitud de los tubos del colector de admisión o bien utilizar tubos divididos que se utilizan parcialmente o en su totalidad utilizando mariposas de paso.
En motores Diesel se utilizan colectores como los utilizados en los sistemas de inyección multipunto ya que tienen un inyector por cada cilindro independientemente del sistema de inyección utilizado. En estos motores se buscan colectores de admisión que consigan una elevada turbulencia de aire en el interior del cilindro.
Colector de escape Se fabrican de hierro fundido con estructuras perlítica, ya que tiene que soportar altas temperaturas y presiones durante la salida de los gases. Como en el caso del colector de admisión, debe estar diseñado para evitar toda contrapresión en el interior del cilindro y facilitar la salida rápida de los gases. Existen varios modelos que se adaptan a cada tipo de motor. Se emplea el sistema de tubos múltiples en los motores de altas prestaciones.
Disposición de los colectores en el motor Los colectores se sitúan uno a cada lado de la culata, lo cual favorece el arrastre de gases quemados debido al flujo de entrada de los gases frescos de admisión. Otras veces, ambos colectores se colocan en el mismo lado de la culata, con lo cual el calor de los gases de escape se transmiten al colector de admisión. Esta
disposición favorece la perfecta carburación de la mezcla en los motores Otto y evita la condensación de los gases en el colector de admisión en tiempo frío.
Juntas en el motor En todo acoplamiento de elementos fijos se interpone una junta de unión, la cual hace de cierre estanco entre ellos. El material empleado para cada tipo de junta debe ser el adecuado a la función que tiene que cumplir y a la posición que ocupa en el motor, ya que algunas de estas juntas han de soportar elevadas presiones y temperaturas. La junta mas importante del motor es la junta culata, por las duras condiciones en las que tiene que trabajar y por su enorme importancia en el normal funcionamiento del motor. Las juntas en general utilizadas en el automóvil están fabricadas en materiales como papel, corcho, caucho, metal o la combinación de alguno de ellos (juntas de acero recubiertas de elastómeros). Atendiendo a su aplicación, pueden dividirse en juntas de culata, juntas de sellado de cárteres de aceite, colectores de admisión y escape, bomba de agua, bomba de aceite, etc.
Junta culata La junta de culata es la junta plana sometida a las mayores exigencias de trabajo en el interior de un motor. Tiene la función de sellar las cámaras de combustión, los conductos de refrigerante y lubricante, y los agujeros de los tornillos entre sí. Dependiendo del diseño del motor, una junta de culata consta de varias láminas de acero. Así por ejemplo, los motores Diesel de elevada carga de funcionamiento precisan de unas juntas de culata con un diseño constructivo mucho mayor que los motores Otto de escasa potencia y poca carga. Las prestaciones de las juntas culatas deben resistir todo tipo de requerimiento químico, físico y estructural de los motores y deben ser construidas con una elevada resistencia a: los gases de combustión y a diversos fluidos agresivos, las altas temperaturas y rápidas variaciones térmicas de hasta 240ºC, y las altas presiones de combustión extremadamente variables y puntuales de hasta 120 bar en motores Otto y más de 200 bar en los motores Diesel, por citar algunos datos. Datos para elegir la junta culata Para elegir el tipo de junta culata que montaremos sobre el motor hay una serie de datos que hay que tener en cuenta. Uno de los datos es la distancia entre la superficie del pistón (C) en el punto muerto superior (PMS) y la superficie de separación del bloque motor. Otro dato importante es el espesor de la junta que viene determinado por el "número de entalladuras" o muescas.
Arquitectura del motor
Indice del curso
Motor policilindrico Se entiende por motor policilindrico el formado por varios cilindros situados en uno o mas bloques unidos entre sí y cuyas bielas atacan a un solo cigüeñal. La disposición de varios cilindros tiene por finalidad aumentar la potencia del motor, conseguir una velocidad de rotación más uniforme y compensar los momentos de inercia al repartir las masas en movimiento. Además permite lograr un mayor número de revoluciones al disminuir el peso de las masas en movimiento. Como inconveniente los motores policilindricos utilizan un mayor número de piezas en movimiento, lo que complica la construcción del motor, lo encarece y aumenta la posibilidad de averías.
Agrupación de los cilindros El número de cilindros de un motor puede ser de 2 hasta 12, los cuales, según su disposición en el motor, reciben el nombre genérico de: Motores con cilindros Motores con cilindros Motores con cilindros horizontales opuestos o "boxer".
en en
linea "V"
Motores con cilindros en linea Estos motores tienen dispuestos los cilindros en un solo bloque en posición vertical uno detrás de otro. Estos motores pueden llevar desde hasta 8 cilindros. Los mas generalizados son los de 4 cilindros, ya que en motores de 6 cilindros o mas, la longitud del cigüeñal es demasiado grande, lo que puede producir vibraciones o lo que es peor su deformación o rotura.
Motores con cilindros en "V" Estos motores llevan los cilindros repartidos en dos bloques unidos por una base o bancada y formando un cierto ángulo. Cada bloque lleva igual número de cilindros y todos ellos atacan un cigüeñal único. Esta forma constructiva es ventajosa para un número de cilindros igual o mayor que 6, ya que es más compacta, con lo cual el cigüeñal, al ser más corto, trabaja
en mejores condiciones, evitándose deformaciones por flexión y vibraciones torsionales.
Motores con cilindros horizontales opuestos (boxer) Estos motores son una variante particular de los motores en "V". Llevan sus cilindros dispuestos en dos bloques que forman un ángulo de 180º colocados en posición horizontal y en sentidos opuestos que se unen por una base o bancada. Las bielas de cada cilindro atacan a un solo cigüeñal central. Esta disposición tiene la ventaja de reducir la altura de motor. Por eso se aplica a vehículos con espacio lateral suficiente y poca altura disponible, como es el caso de motocicletas de gran potencia, donde se utilizan motores de este tipo de 2 y 4 cilindros. Los de 4 y 6 cilindros se emplean en turismos y los de 8 cilindros en autocares donde,
debido a la poca altura que ocupan, se aprovecha al máximo la longitud del chasis, obteniendose así mayor espacio útil de la carrocería.
Motores con cilindros en "V" pequeña (VR) En estos motores los cilindros se entrecruzan en una "V" estrecha a 15°, dando por resultado un bloque motor mas corto que un motor en linea y de construcción mas sencilla que un motor en "V". Estos motores solo tienen una culata. Existen motores "VR" de 5 y 6 cilindros.
Motores con cilindros en En estos motores los cilindros se disponen en dos bloques de cilindros "VR" se unen en una sola bancada inferior donde atacan a un solo cigüeñal. cilindros de una fila guardan un ángulo de 15° entre sí, mientras que las dos VR se encuentran en un ángulo de la V de 72°.
"W" que Los filas
Numeración de los cilindros La numeración de los cilindros en todos los casos constructivos viene determinado según la normativa UNE 10 052-72 y la DIN 73 021. Se empieza la numeración de los cilindros del motor por el lado opuesta a la toma de fuerza, es decir al lado contrario del volante motor. En los motores en "V" y en los horizontales (boxer), la numeración de los cilindros comienza también por el lado opuesto del volante de inercia y por el bloque de cilindros situado a la izquierda, enumerando a continuación los cilindros situados en el bloque de la derecha y también en el mismo sentido.
Sentido de giro Según la normativa DIN 73021 el motor puede girar
del
motor
Giro a la derecha: en el sentido de las agujas del reloj, visto en el lado opuesto al de entrega de fuerza. En inglés: clockwise (cw). Giro a la izquierda: en el sentido contrario a las agujas del reloj, visto en el lado opuesto al de entrega de fuerza. En inglés: counter clockwise (ccw).
Disposición del cigüeñal y orden de encendido en los motores policilíndricos La disposición de las muñequillas del cigüeñal, o codos de unión de las bielas de cada cilindro con el mismo, está en función del número de cilindros del motor, ya que para cada ciclo de funcionamiento se realizan tantos impulsos motrices (explosiones) como número de cilindros haya. Por tanto, la muñerquillas tienen que estar dispuestas de forma tal que los impulsos motrices se equilibren con respecto al circulo de rotación que describe el cigüeñal. En motores de 4 tiempos, como cada ciclo de funcionamiento se realiza en 2 vueltas del cigüeñal que equivale a 720º, la separación de los codos de cigüeñal o distancia entre encendidos, corresponderá a un ángulo de giro determinado por la división de 720º entre el numero de cilindros.
Igualmente, para motores de dos tiempos, donde cada ciclo de funcionamiento se realiza durante una vuelta de cigüeñal que equivale a 360º, las muñequillas deben estar situadas de forma que los encendidos se sucedan con un ángulo o desfase de:
Motor de dos cilindros horizontales opuestos Este tipo de motor esta formado por dos cilindros en oposición. Las bielas atacan a un cigüeñal central que tiene dos puntos de apoyo con las muñequillas dispuestas a 180º, de forma que los dos pistones suben y bajan a la vez y se encuentran sucesivamente ambos en el PMS o en el PMI. Debido a la disposición de los codos del cigüeñal, los bloques se encuentran un poco desplazados, como ocurre en todos los motores con cilindros en "V" y horizontales. El orden de explosiones es (1 - 2), con un desfase entre los impulsos motrices de 180º ó 360º, según que el motor sea de dos o cuatro tiempos.
ángulo de encendido = 720º/2 = 360º (cuatro tiempos). ángulo de encendido = 360º/2 = 180º (dos tiempos).
Orden de encendido:
1 - 2.
Motor de 3 cilindros en linea Este tipo de motor esta formado por tres cilindros en linea. Está formado por un solo bloque vertical. Sus tres cilindros, situados uno a continuación del otro, las bielas atacan a un cigüeñal que tiene cuatro puntos de apoyo y las muñequillas dispuestas a 240º.
La configuración especifica de los muñequillas del cigüeñal en un motor de 3 cilindros provoca una serie de oscilaciones en su funcionamiento. Para contrarrestar estas oscilaciones y conseguir una marcha suave del motor se utiliza un árbol equilibrador. El árbol equilibrador gira en sentido opuesto al del motor. Se acciona a través de una cadena impulsada por el cigüeñal. .
Orden de encendido:
1 - 3 - 2.
Motor de 4 cilindros en linea El motor de 4 cilindros en linea y 4 tiempos es el más utilizado actualmente en vehículos de turismo. Está formado por un solo bloque vertical. Sus cuatro cilindros, situados uno a continuación del otro, atacan a un cigüeñal que tiene 3 o 5 puntos de apoyo. Las muñequillas están dispuestas en un ángulo = 720º / 4 = 180º, de forma que cuando los émbolos 1 y 4 se encuentran en el PMS, los otros dos émbolos 2 y 3 se hallan situados en el PMI.
Orden de encendido En su desplazamiento, cada uno de los émbolos realiza una carrera completa con un desfase de encendido de 180º; por tanto, en cada ciclo de funcionamiento para que los impulsos sean regulares y equilibrados, debe producirse una explosión por cada media vuelta del cigüeñal. Para que esto ocurra, cada uno de los cilindros debe estar en un tiempo diferente del ciclo. Como los émbolos 1 y 4 bajan simultáneamente, cuando el cilindro numero 1 hace explosión, el numero 4 debe hacer la admisión. A su vez, los émbolos 2 y 3 -que suben también simultáneamente- mientras uno hace el escape el otro debe hacer la compresión. Como se ve cada uno de los cilindros realiza un tiempo diferente cada 180º del ciclo. Según esto para cada uno de los cilindros se obtiene un orden de encendido:
1-3-4-2
1-2-4-3
Motor de 4 cilindros horizontales opuestos Este tipo de motor en que el ciclo se realiza en 4 tiempos, es el más generalizado entre los de disposición horizontal. Esta formado por dos bloques dispuestos horizontalmente y cuyos cárteres van unidos por sus bases. Sobre esta base común va situado el cigüeñal, apoyado en tres puntos. En cada uno de los dos bloques se alojan dos cilindros, cuyas bielas atacan el cigüeñal en cuatro puntos de empuje dispuestos dos a dos con un ángulo de 180º, en forma análoga al cigüeñal de los motores en linea.
Orden de encendido El orden de explosiones se sucede con un desfase ángulo = 720º / 4 = 180º. Según esto para cada uno los cilindros se obtiene un orden de encendido:
1-4-3-2
Motor de 5 cilindros en linea Este motor esta formado por un solo bloque con sus cilindros situados en linea que atacan a un cigüeñal que tiene 6 puntos de apoyo. El cigüeñal lleva sus muñequillas dispuestas en un ángulo = 720º / 5 = 144º y produce en cada ciclo de funcionamiento cinco impulsos motrices simétricos con respecto al giro del cigüeñal.
Orden de encendido Por tanto, teniendo en cuenta el posicionado de los cilindros y sus desplazamientos, el orden de encendido en este motor es:
1-2-4-5-3
Motor de 6 cilindros en linea Este motor esta formado por un solo bloque con sus cilindros situados en linea que atacan a un cigüeñal que tiene 5 o 7 puntos de apoyo. El cigüeñal lleva sus muñequillas dispuestas en un ángulo = 720º / 6 = 120º y produce en cada ciclo de funcionamiento seis impulsos motrices simétricos con respecto al giro del cigüeñal. La distribución por parejas, en cuanto al posicionado de los émbolos, se realiza a partir de los extremos hacia el centro (1-6; 2-5; 3-4). Esta disposición la adoptan todos los motores policilindricos porque garantiza el equilibrado dinámico del cigüeñal con respecto a sus puntos de apoyo.
Orden de encendido Considerando los émbolos 1 y 6 situados en el PMS y según la distribución adoptada por las munequillas del cigüeñal como se ve en la figura anterior, podemos obtener un orden de encendido:
1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4 (disposición 1).
1 - 3 - 5 - 6 - 4 - 2 (disposición 2).
Motor de 6 cilindros en "V" Este motor tiene seis cilindros repartidos en dos bloques que forman un ángulo de 120º. El ataque al cigüeñal lo realiza conjuntamente una biela de cada bloque por cada muñequilla. El cigüeñal va dispuesto en un cárter común sobre cuatro puntos de apoyo; por tanto, lleva tres muñequillas o puntos de empuje, situados con un ángulo = 720º / 6 = 120º. Según la posición de ataque sobre las muñequillas del cigüeñal los émbolos de cada bloque se encuentran en la posición siguiente:
1 y 5 en el PMS 2 y 6 en posición intermedia bajando 3 y 4 en posición intermedia subiendo
Orden de encendido Por tanto, teniendo en cuenta el posicionado de los cilindros y sus desplazamientos, el orden de encendido en este motor es:
1 - 3- 6 - 5 - 4 - 2
Motor de 8 cilindros en "V". Igual que el anterior, este motor tiene los cilindros repartidos en dos bloques, formando entre si un ángulo de 90º. Las bielas atacan a un cigüeñal común que tiene cinco apoyos y cuatro muñequillas distribuidas con un ángulo = 720º / 8 = 90º. Con este sistema se obtiene también dos impulsos motrices para cada media vuelta del cigüeñal. Según la posición de las muñequillas del cigüeñal, representadas en la figura inferior, la posición de los émbolos, en sus respectivos bloques será la siguiente:
1 - 6 en el PMS 4 - 7 en el PMI
3 - 5 subiendo 2 - 8 bajando
Orden de encendido Por tanto, teniendo en cuenta el posicionado de los cilindros y sus desplazamientos, el orden de encendido en este motor es:
1-3-7-5-6-2-4-8
En la figura inferior tenemos una lista con el orden de encendido mas habitual en los diferentes tipos de motores.
Nota: como podemos ver en el gráfico inferior, la numeración de los cilindros no siempre es igual para todos los fabricantes y países, por lo tanto, siempre que se quiera hacer trabajos sobre un motor hay que tener a mano las especificaciones técnicas que nos proporciona el fabricante para cada marca y modelo de vehículo.
Engrase del motor
Indice artículos
Introducción Los elementos en movimiento del motor están sujetos a rozamientos durante el funcionamiento. Estos elementos absorben una cantidad de trabajo que se transforma en calor, resultado de ello una perdida de energía por rozamiento. Esta energía absorbida y transformada en calor puede ser elevada, haciendo que las piezas se dilaten. Si las piezas del motor se dilatan en exceso por un rozamiento excesivo se pueden llegar gripar, provocando una grave avería en el motor.
Al utilizar un lubricante (aceite motor) entre piezas que se mueven en contacto, el rozamiento entre ellas será mas suave, el trabajo absorbido será menor y, por tanto, serán menores las pérdidas la energía transformada en calor. Esta película de aceite, que se interpone entre las superficies de contacto, queda dividida en tres capas; dos de ellas se adhieren por capilaridad a las superficies metálicas que impregnan, mientras la tercera capa, o capa intermedia, hace de cojinete común, en forma de cojín hidráulico, entre las superficies sometidas a presión, con lo que disminuye el roce entre ellas y se amortiguan los ruidos por golpeteo durante su funcionamiento. La superficie de las piezas del motor por muy lisas y pulidas que estén, no son perfectamente planas, por lo que no queda otro remedio que utilizar un lubricante.
A pesar del uso del sistema de engrase en el motor sigue habiendo resistencias pasivas que absorben cierta potencia al motor. Esta resistencia depende del espesor de la capa de aceite y de la fluidez del mismo, así como de la forma y estado de las superficies en contacto. Estas resistencias pasivas se transforman en calor, que es absorbido por el aceite, el cual necesita ser refrigerado para que no se transmita a las piezas en movimiento. Misión principal del aceite de engrase:
Lubricar las piezas en contacto por medio de la interposición de una película de aceite, para que el rozamiento entre ellas sea lo mas suave posible y así evitar perdidas de potencia por rozamientos. Absorber el calor producido por los órganos en movimiento y transportarlo al cárter donde es refrigerado. Amortiguar los golpes en las piezas sometidas a desplazamientos por la acción de empuje de otros elementos, como son: muñequillas, apoyos de bancada, etc., eliminando a la vez los ruidos procedentes del golpeteo. Efectuar la limpieza de los órganos en contacto al arrastrar en su recorrido las partículas procedentes de la acción esmeriladora entre ellos, limpiando además las paredes de los cilindros de partículas de carbón adheridas a ellos procedentes de la combustión. Efectuar, por ultimo, una acción de sellado en los segmentos, haciendo hermética la cámara de compresión.
Aceites de engrase Los aceites empleados en la lubricación de los motores son generalmente aceites minerales, aunque desde hace unos años también se utilizan los aceites
sintéticos. Los aceites minerales se obtienen de la destilación de petróleo bruto. El aceite de engrase para motores esta sometido a elevadas temperaturas y presiones, lo cual hace que tiendan a descomponerse, anulando así sus propiedades lubricantes; por tanto, la calidad de estos aceites debe ser tal que no se quemen ni deterioren. Para ello se emplean los aceites minerales base, obtenidos del petróleo, mezclados con aditivos que mejoren sus cualidades. Los aditivos principales que se añaden al aceite de motor son los: antioxidantes, anticorrosivos, detergentes y dispersantes.
Los antioxidantes: disminuyen la tendencia del aceite a degradarse por oxidación al contacto por el aire. Los anticorroxivos: evitan que las piezas del motor en contacto con el aceite degradado se oxiden. Los detergentes: tienen la función de limpiar las superficies y evitar la acumulación de lodos y barnices. Los dispersantes: evitan la acumulación de partículas y residuos que se depositan en el cárter y los mantienen en suspensión hasta el cambio de aceite.
El aceite para un motor debe cumplir ciertas características físicas y químicas muy específicas. Las características que definen el aceite de motor son.
Viscosidad La viscosidad se define como la resistencia que opone un liquido a fluir por un conducto. Esta característica es muy importante en los aceites de engrase y debe ser la adecuada para que cumplan perfectamente la misión encomendada, ya que si el aceite es muy fluido llenará perfectamente los espacios y holguras entre las piezas en contacto, pero en cambio, debido a su excesiva fluidez, soportara con dificultad las cargas y presiones a que debe estar sometido y no eliminara los ruidos de funcionamiento. Por el contrario, si el aceite es muy viscoso, soportara perfectamente la presión, pero fluirá mal por los conductos de engrase, llenara con dificultad el espacio entre las piezas y la bomba y necesitara, además, un mayor esfuerzo para su arrastre, obligando a consumir mayor energía al motor y ocasionando un mayor calentamiento del mismo. Adherencia o untuosidad La adherencia se define como la capacidad que poseen los aceites de adherirse a las superficies que impregnan. Esta propiedad en los aceites permite mantener en las superficies de las piezas en movimiento una película constante de aceite, con lo que la lubricación de las mismas es permanente. Para aumentar la adherencia de los aceites minerales obtenidos del petróleo se añade como aditivo y en pequeñas proporciones, aceites
vegetales que poseen gran adherencia, como son los aceites de palma y de colza. Punto de congelación Se llama punto de congelación a la temperatura mas baja a la cual solidifica un aceite. Esta temperatura en los aceites de motor debe lo mas baja posible para que conserven la suficiente fluidez con temperaturas extremas de funcionamiento. Punto de inflamación Se conoce como punto de inflamación en los aceites la temperatura mínima a la que se inflaman sus vapores en contacto con un punto incandescente. Los aceites utilizados en motores suelen tener un punto de inflamación muy alto; del orden de los 240ºC. Estabilidad química Es la capacidad que tienen los aceites de permanecer inalterables con el tiempo a la oxidación y a la descomposición. Para evitar la descomposición del aceite se añaden aditivos como hemos dicho en el apartado anterior.
Actualmente en los motores se utilizan, además, de los aceites de base mineral, los aceites sintéticos y semisinteticos.
Aceites minerales: se obtienen de la destilación del petróleo bruto. Aceites sintéticos: tienen un contenido mínimo de bases minerales del petróleo modificadas en laboratorios para balancear su composición molecular y dar propiedades diferentes a las bases minerales. Son hechas por procesos químicos donde se reestructuran las moléculas para que se conviertan en estructuras más estables y por ende menos influenciadas a reaccionar adversamente ante otros compuestos. Los lubricantes sintéticos tienden a no contener átomos de carbono sueltos que reaccionan. Estos carbones reaccionan combinándose con el oxígeno creando así ácidos dentro del motor. Los lubricantes sintéticos son diseñados para hacer su trabajo eficientemente sin tener recurrir a los aditivos y compuestos que acompañan a los lubricantes minerales. Aceites semisintético: son una mezcla de un aceite mineral con uno sintético. Se mejoran las cualidades del aceite con respecto a los minerales pero sin llegar a la calidad del aceite sintético.
Clasificación de Los aceite se clasifican principalmente:
los
aceites
Por la viscosidad Por las condiciones de servicio
Clasificación por viscosidad La viscosidad o grado de viscosidad, viene determinada actualmente por el sistemas SAE (Society of Automotive Engineers - Sociedad Norteamericana de
ingenieros del automóvil). Esta clasificación relaciona la viscosidad con la temperatura de uso de un aceite. Consta de 10 grados SAE, los seis primeros, de 0 a 25, van acompañados de la letra W (winter - invierno). Los distintos grados de viscosidad indican la temperatura mínima a la que puede utilizarse dicho aceite conservando un estado que le permita fluir por los conductos a la presión adecuada y llegue a todos los puntos del motor que necesitan de engrase incluso durante el arranque cuando el motor todavía esta frío. De acuerdo al grado SAE de viscosidad los aceites se clasifican en :
Aceites Monogrado: se caracterizan porque tienen solo un numero o grado de viscosidad (p. ej. 10W). Este numero indica los márgenes de temperatura dentro de los cuales dicho aceite tiene un buen comportamiento. Cuando el numero o grado viene acompañado de la letra W (Winter) indica que el aceite permite un fácil arranque del motor en tiempo frío (temperatura por debajo de 0°C). Acorde con la temperatura del medio ambiente por debajo de 0°C, se selecciona el grado SAE que acompaña a la letra W, ya que cada uno de estos grados está en función de dicha temperatura. Los otros grados SAE que no traen la letra W se emplean para operaciones en clima cálido y bajo condiciones severas de funcionamiento. Este tipo de aceite es adecuado para zonas donde la temperatura ambiente no sufre variaciones importantes.
Temperatura Grados mínima de SAE funcionamiento
0W
- 30 ºC
5W
- 25 ºC
10 W
- 20 ºC
15 W
- 15 ºC
20 W
- 10 ºC
25 W
- 5 ºC
Aceite Multigrado: este aceite tiene más de un grado de viscosidad SAE (p. ej. 15W40). Poseen un alto índice de viscosidad lo cual les da un comportamiento uniforme a diferentes temperaturas, tanto en clima frío con en clima cálido, por lo que les hace mas adecuados en climas donde varia mucho la temperatura de verano a invierno.
Clasificación según las condiciones de servicio Los aceites se someten a una serie de pruebas en el laboratorio y también directamente en los motores para determinar su calidad. Los organismos que clasifican la calidad de los aceites de engrase motor son:
API, en Estados Unidos. ACEA, en Europa
Además existen otros organismos como el ejercito o las propias marcas de automóviles que desarrollan sus propias categorías y calidades exigidos a los aceites.
Clasificación API API (American Petroleum Institute), establece los niveles de calidad para los lubricantes de automoción, orientados fundamentalmente a fabricantes norteamericanos. Los niveles de calidad se identifican con dos letras. Los que empiezan por S, se refieren a vehículos gasolina, y cuando empiezan por C, se refieren a vehículos diesel. La segunda letra después de la S o la C indica el nivel de calidad, en orden creciente, siendo API SL por ejemplo el máximo nivel de calidad para vehículos de gasolina.
Categoría API para motores Otto. Evolución de las clasificaciones del aceite según la normativa API para motores Otto (gasolina). Cada nueva categoría superaba a la anterior, siendo de mejor calidad.
Categoría para motores Diesel Las categorías API CA, CB, CC, CD, CE están obsoletas actualmente. Actualmente se utilizan las categorías API CF, CF-2, CF-4, CG-4, CH-4, CI4.
Clasificación ACEA ACEA (Asociation des Constructeurs Europeen d´Automóviles) es la Asociación de Constructores Europeos de automóviles. ACEA clasifica los aceites de engrase para motores en tres grupos, cada uno de ellos destinado a un particular tipo de motor; la letra A para motores de gasolina, la letra B para motores Diesel de servicio ligero, la letra E para Diesel de servicio pesado (camiones).
Motores Motores Diesel de de gasolina servicio (A) ligero (B)
Motores Diesel de servicio pesado (E)
A1 96/98
- B1 96/98
-
E1 - 96
A2 96/98
- B2 96/98
-
A3 96/98
- B3 96/98
-
E2 - 96 E3 - 96
A4 -
B4 - 98
E4 - 98
A5 - 02
B5 - 02
E5 - 99
A1.- Aceite para motores a gasolina diseñados para utilizar aceites de baja fricción. Existen motores que "no" pueden usar estos aceites. A2.- Aceite de uso general para motores a gasolina, con intervalos de cambio normales. No apropiado para algunos motores de altas prestaciones. A3.- Aceite de viscosidad muy estable para motores de gasolina de altas prestaciones o con mantenimiento extendido, así como para aceites de baja viscosidad y periodo de mantenimiento de un año o servicio severo. A4.- Aceite reservado para usar con futuros motores de inyección directa de gasolina. A5.- Aceite de viscosidad muy estable para motores de gasolina, de altas prestaciones o con mantenimiento extendido, preparados para aceites de baja viscosidad y reducida fricción. Hay motores que no pueden usar estos aceites. B1.- Aceite para motores diesel ligeros, diseñados para usar aceites de baja fricción, baja viscosidad. Hay motores que no pueden usar estos aceites.
B2.- Aceite de uso general para motores diesel ligeros, principalmente en motores con inyección " indirecta ", con intervalos de cambio normales. No es apropiado para algunos motores de altas prestaciones. B3.- Aceite de viscosidad muy estable para motores diesel ligero de altas prestaciones o con mantenimiento extendido, así como para aceites de baja viscosidad y periodo de mantenimiento de un año o servicio severo. B4.- Aceite de viscosidad muy estable para motores diesel con inyección directa y con mantenimiento extendido incluye todas las aplicaciones B3. B5 Aceite de viscosidad muy estable para motores diesel ligeros con mantenimiento extendido, preparados para aceites de baja viscosidad. Hay motores que no pueden usar estos aceites.
Sistemas de engrase Se ha visto la importancia y necesidad del engrase en el motor para reducir los rozamientos entre piezas, que provocan perdidas de potencia y un deterioro prematuro de las piezas del motor. Los elementos del motor que están sometidos a fricción y que, por tanto, se deben lubricar son:
Los órganos en rotación Los apoyos y las muñequillas del cigüeñal Los apoyos del árbol de levas y las levas - Los engranajes o la cadena de distribución Los órganos deslizantes Los pistones en los cilindros - Las válvulas en sus guías Los órganos oscilantes Los pies de bielas - Los balancines
En motores Diesel de inyección directa se necesita una refrigeración especial de sus pistones, ya que estos tienen mecanizados sobre si mismos las cámaras de combustión. Para esta misión se disponen de unos surtidores (figura inferior) en la parte inferior del cilindro, que reciben el aceite del circuito principal de engrase y proyectan un chorro continuo de aceite sobre la parte inferior del pistón.
El engrase del turbo Como el turbo esta sometido a altas temperaturas de funcionamiento, el engrase de los cojinetes deslizantes es muy comprometido, por someterse el aceite a altas temperaturas y desequilibrios dinámicos de los dos rodetes en caso de que se le peguen restos de aceites o carbonillas a las paletas curvas de los rodetes (alabes de los rodetes) que producirán vibraciones con distintas frecuencias que entrando en resonancia pueden romper la película de engrase lo que producirá microgripajes. Además el eje del turbo esta sometido en todo momento a altos contrastes de temperaturas en donde el calor del extremó caliente se transmite al lado mas frió lo que acentúa las exigencias de lubricación porque se puede carbonizar el aceite. El engrase en los turbos de geometría variable es mas comprometido aun, por que además de los rodamientos tiene que lubricar el conjunto de varillas y palancas
que son movidas por el depresor neumático, al coger suciedades (barnices por deficiente calidad del aceite), hace que se agarroten las guías y compuertas y el turbo deja de trabajar correctamente, con perdida de potencia por parte del motor.
Los sistemas de engrase empleados hasta la actualidad en la lubricación de los motores son los siguientes:
Engrase por barboteo Engrase a presión Engrase mixto Otros tipos de engrase
Engrase por barboteo Este sistema de engrase, actualmente en desuso, consistía en que las cabezas de las bielas llevaban unas pequeñas cucharillas con un conducto en el fondo que llegaba hasta al cojinete de biela, a través del cual y por los conductos del cigüeñal se lubricaban los cojinetes de bancada y árbol de levas. Cuando la muñequilla estaba en el punto inferior, la cucharilla se sumergía en el aceite depositado en el cárter y, al ascender, se llevaba una pequeña cantidad de aceite que penetraba por el conducto de engrase del cojinete. El resto del aceite, por la fuerza centrífuga del movimiento, será lanzado contra las
paredes del cilindro y demás superficies externas en movimiento que, al escurrir, penetraba por unos conductos que llegaban hasta los cojinetes de bancada y árbol de levas.
Como puede observarse, con este sistema, además de realizar un engrase imperfecto en los motores, había que vigilar constantemente el nivel de aceite en el cárter, pues si este bajaba lo suficiente para que la cucharilla no recogiera aceite, se quedaba completamente sin engrase. Para evitar este inconveniente se utilizaba una bomba mecánica situada en el fondo del cárter y sumergida en la masa de aceite, eleva este por unos tubos labrados en el interior del motor, hasta unas bandejas, una debajo de cada biela, donde el nivel resulta constante aunque varíe el aceite total acumulador en el cárter La cabeza de biela lleva una cucharilla cuya misión es recoger el aceite y lanzarlo por todas las partes formando una neblina que lubrica el interior del motor, como hace el sistema anteriormente explicado.
Engrase a presión El engrase a presión consiste en mandar aceite, por medio de una bomba, a todos aquellos puntos donde se necesita la lubricación, asegurando, de esta forma, la alimentación constante de aceite a los elementos anteriormente citados, para lo cual la bomba suministra el suficiente caudal a la presión requerida. Engrase mixto El sistema mixto, actualmente utilizado en todos los motores modernos, consiste en combinar las ventajas del engrase a presión y barboteo, lubricando a presión los apoyos del cigüeñal, árbol de levas, cojinetes de biela y balancines y engrasando por barboteo los cilindros y superficies externas de los elementos en movimiento.
Otros tipos de engrase:
Engrase por mezcla Este tipo de engrase se utiliza en motores de 2 tiempos destinados principalmente a motocicletas. Consiste en mezclar el combustible, normalmente gasolina con un 2,5 a 5% de aceite, de esta manera durante la carrera de admisión del motor el aceite es aspirado junto con el combustible, pero al vaporizase este, debido a la temperatura interna, el aceite queda libre y se deposita sobre las superficies de las piezas del motor a la cuales lubrica. La ventaja de este sistema es su sencillez, ya que no lleva bomba de engrase, ni circuito de engrase
Engrase por cárter seco Poco empleado en automóviles, se usa mas en motocicletas y motores de aviación. Su principal característica es que el depósito de aceite, esta situado fuera del cárter Una tubería lleva el aceite por gravedad a la bomba de engrase que lo reparte por el circuito de aceite a presión a todas las piezas que necesitan lubricación. La niebla aceitosa se forma igual que en los sistema de engrase anteriores, aunque es menos densa. El aceite que rebosa de los cojinetes y el que resbala por las paredes internas del motor, caen al fondo del cárter, donde una segunda bomba la recoge y lo envía por otro tubo, nuevamente al depósito. Este sistema de engrase tiene la ventaja principalmente de una mejor refrigeración del aceite
Estudio de los elementos que componen el sistema de engrase Los circuitos de engrase a presión, instalados actualmente en los motores, están formados por una serie de elementos cuya misión es hacer que el aceite de engrase llegue, con la suficiente presión y limpieza, a los puntos a lubricar, manteniendo la circulación del mismo dentro unos limites de fluidez para un mejor refrigeración de los elementos lubricados. Los elementos empleados para mantener estas condiciones de engrase en el circuito son los siguientes:
Bomba de engrase: movida por el propio motor, con capacidad suficiente para mantener el caudal y la presión necesaria en el circuito. Válvula de descarga: empleada para mantener la presión constante del aceite de engrase en el circuito. Sistema de filtrado y depurado de aceite: sirve para mantener el aceite limpio de impurezas.
Bombas de engrase Entre las bombas de engrase mas utilizadas en la actualidad para motores de explosión y Diesel están las siguientes:
Bomba de engranajes. Bomba de rotores o rodetes Bomba de paletas
Bomba de engranajes Esta constituida por una carcasa de aleación ligera, donde van alojados dos
piñones engranados entre sí, de los cuales uno, el conducido, gira loco en su eje "impulsado" por el piñón "conductor" que recibe movimiento generalmente del árbol de levas o directamente de la distribución. Los engranajes están alojados en la carcasa cuya forma interior se ajusta al contorno de estos, formando dos cámaras separadas, una de aspiración que comunica con el cárter, y otra de presión, comunicada con el circuito principal.
En su movimiento, los piñones aspiran el aceite del cárter, a través del pre-filtro. Los engranajes giran entre ellos en sentido contrario, de manera que transportan el aceite en los espacios formados entre los dientes y las paredes de la carcasa, esto crea una depresión en la cámara de aspiración que absorbe el aceite del cárter La acumulación de aceite en la cámara de salida origina la presión de engrase. La bomba de engranajes tiene una constitución sencilla, pero cuenta con el inconveniente de que a bajas revoluciones tiene poco poder de aspiración.
Bomba de rotores o rodetes Esta constituida por un rotor o piñón conductor que mueve un rodete o rotor provisto de una serie de entrantes interiores que engranan con los salientes del piñón. Este piñón tiene un saliente menos que el rodete dando lugar a la formación de dos cámaras, una de aspiración y otra de presión.
El giro del piñón y del rodete hace que la cámara de admisión aumente absorbiendo el aceite del cárter En la cámara de compresión el espacio disminuye y el aceite es impulsado a presión hacia el circuito principal de engrase. La principal ventaja de esta bomba es su capacidad de generar altas presiones.
Bomba de engranajes interiores Este tipo de bomba generalmente se monta directamente en el extremo del cigüeñal que transmite su movimiento al piñón conductor de la bomba. El funcionamiento de la bomba es similar al de la bomba de engranajes. El sentido de giro de ambos engranajes es el mismo y el aceite es transportado en el espacio que se forma entre los dientes y la media luna por sus dos lados, desde la cámara de aspiración hasta la de presión. Este tipo de bomba tiene la ventaja de poder suministrar gran cantidad de aceite desde bajas revoluciones del motor.
Válvula de descarga Las bombas de engrase en su funcionamiento suministran una cantidad de aceite con una presión que depende directamente del numero de revoluciones del motor. Por este motivo, puede llegar un momento en que la presión sea excesiva, ocasionando un gasto inútil de energía y un elevado riesgo de avería en la instalación. Para evitar los inconvenientes expuestos se instala en los motores una válvula de descarga, que se acopla en la misma bomba de engrase o en el circuito principal de engrase, la cual cumple en el circuito tres misiones importantes:
Descargar al cárter el aceite sobrante cuando el aumento de velocidad del motor hace excesiva la presión proporcionada por la bomba. Regular la presión de aceite, ajustándola al estado y holguras del motor. Servir como dispositivo de seguridad, ya que descarga el aceite al cárter cuando por obstrucción en las canalizaciones la presión suministrada por la bomba puede dar lugar a sobrepresiones peligrosas en los conductos del motor.
El funcionamiento de la válvula se basa en el desplazamiento de un pequeño émbolo o bola, que cierra, por medio de la acción de un muelle tarado a la presión de engrase que se necesita. Cuando la presión del aceite suministrado por la bomba sobrepasa un valor determinado, la bola se desplaza venciendo la fuerza del muelle y parte del aceite retorna al cárter por un conducto alternativo. La presión que proporciona la bomba de engrase, se puede regular desde el exterior por medio de un tornillo, dando mayor o menor presión al muelle que empuja a la bola hacia su posición de cierre. La presión de engrase en el motor varia entre 0,5 y 1 bar a ralentí, y de 3 a 5 bar de presión máxima medidas con el motor a temperatura de régimen.
Filtrado de aceite de engrase El aceite de engrase arrastra impurezas en forma de partículas de carbón y polvo metálico procedente del desgaste de las piezas, impurezas que van quedando depositadas en el aceite durante su acción lubricante y de limpieza, las cuales han de ser retenidas para evitar que lleguen a los distintos puntos de engrase, donde producirán una acción esmiraladora entre las superficies en contacto y que podrían taponar las ranuras y orificios de engrase en los cojinetes. Con este fin se dispone en el circuito un sistema de filtrado que consiste en intercalar en el mismo un filtro por donde pasa el aceite antes de llegar a las canalizaciones de engrase y donde son retenidas las sustancias e impurezas que pueden llevar en suspensión el aceite, con el objeto de que llegue limpio a los puntos de engrase. El primer paso de filtrado se realiza a la entrada de la bomba, donde se coloca una malla metálica, mas o menos tupida, llamada colador o pre-filtro, que retiene las
partículas mas gruesas que puede llevar en suspensión el aceite y que podrían dañar o obstruir la bomba. El segundo paso de filtrado, consiste en intercalar a la salida de la bomba un elemento filtrante a través del cual se purifica el aceite de engrase. Según la disposición de este elemento en el circuito, el sistema de filtrado puede ser en "derivación" o en "serie".
Filtrado en derivación Consiste en hacer pasar una parte del caudal de la bomba directamente a las canalizaciones del circuito de engrase del motor y otra parte a través del filtro que, una vez purificado, pasa directamente al cárter. Con este sistema lo que se realiza es una limpieza del aceite contenido en el cárter, con la ventaja de que si el filtro, por exceso de suciedad, se obstruye, la circulación de aceite a los puntos de engrase no se altera. Sin embargo, en este sistema, el aceite que llega a las canalizaciones de engrase no está exento de impurezas al ser una mezcla de aceite purificado y sucio, lo cual puede obstruir los conductos de engrase y, si el filtro se obstruye, el sistema queda totalmente sin filtrado. Alguno vehículos, para paliar este inconveniente, intercalan un segundo filtro en serie, con lo cual el filtrado es completo, pero encarecen mucho el sistema al tener que disponer una bomba que proporcione mas caudal y llevar más elementos instalados en el circuito.
Filtrado en serie Este sistema es el utilizado por la mayoría de los automóviles actualmente. Todo
el aceite que proporciona la bomba de engrase es obligado a pasar por el filtro, de esta manera se produce un filtrado total del aceite. Este sistema de filtrado cuenta con un conducto en derivación controlado por una válvula by-pass. Con esto se evita en caso de que se obstruya el filtro
Filtros de aceite Como elemento filtrante se utiliza una lamina de material textil o plástico poroso (llamado "papel filtrante", aunque no es un papel corriente), que se dobla en forma de acordeón, para que presente mucha superficie al aceite, a cuyo paso opone así poca resistencia. En caso de que obstruyera por suciedad o avería el el elemento filtrante, una válvula by-pass dejaría paso al aceite para que no se quede el motor sin engrase. Los filtros tienen forma de cartucho y va alojado dentro de un recipiente o carcasa metálica, con los orificios de entrada y salida de aceite, cuya forma y acoplamiento al motor varia de unos a otros según el diseño del fabricante. Esto filtros van adosados en la parte exterior del motor, con fácil acceso al mismo para poder ser recambiados con facilidad.
Tipo del filtros:
Filtros monoblock Se utilizan generalmente en los automóviles donde el cartucho o elemento filtrante y el recipiente forman una sola pieza. Estos filtros son mas económicos y de fácil intercambio al ser acoplados directamente al soporte adosado del motor, por esta razón son los mas utilizados actualmente..
Filtro con cartucho recambiable Este tipo de filtros se utilizan sobre todo en motores Diesel grandes, en conjunto son más caros y de mantenimiento mas laborioso. En la figura inferior se puede ver el filtro de aceite utilizado en un motor BMW 525 tds.
Refrigeración del aceite Aunque los aceites empleados en la actualidad son de gran calidad y varían poco
su viscosidad con la temperatura, contiene mantener está dentro de unos limites óptimos de funcionamiento para que pueda ejercer perfectamente su acción refrigerante en los elementos lubricados y evitar que, por exceso de calor, el aceite pierda viscosidad, ya que las elevadas temperaturas en los motores calientan el aceite de engrase. Esta temperatura debe mantenerse dentro de la temperatura de régimen del motor (75 a 85 ºC), para lo cual el aceite caliente retorna al cárter donde es refrigerado, para volver a cumplir su misión en el circuito. El aceite puede refrigerarse por medio de dos métodos:
Refrigeración por agua: es el método mas utilizado y mas económico. Se utiliza un intercambiador colocado entre el motor y el filtro. El intercambiador es un elemento hueco colocado en el bloque motor, por su interior circulan el aceite de engrase y el agua de refrigeración por dos cámaras separadas. Ambos líquidos se transmiten sus temperaturas el uno al otro. El agua de refrigeración extrae el calor del aceite cuando el motor esta caliente, manteniendole en unas temperaturas constantes y adecuadas. Por el contrario cuando el motor esta frío, como el agua de refrigeración se calienta antes, transmite este calor al aceite que esta mas frío, por lo que le lleva mas rápidamente a la temperatura adecuada de funcionamiento. Con este sistema se consigue que el aceite llegue antes a su temperatura de funcionamiento y una vez alcanzada la mantiene a un nivel constante entre 70º y 90ºC.
ZZZZ
Refrigeración por aire: se trata de un método mas caro y complicado utilizado principalmente en automóviles de altas prestaciones. En este sistema se hace pasar el aceite de engrase por un radiador especial para este propósito. El aceite es refrigerado por el contacto del aire con el radiador. El aire incide sobre el radiador debido a la velocidad del vehículo y por el ventilador utilizado en la refrigeración del motor. El paso del aceite del motor al radiador es controlado por una válvula termostatica (también llamada sandwich). El aceite pasa la radiador cuando el motor se calienta, con el motor frío la válvula termostatica no deja pasar el aceite, a medida que se va calentado el motor, el aceite se calienta y la válvula se empieza abrir dejando pasar una mínima cantidad de aceite que ira aumentado a medida que se va calentado el motor. En la foto inferior se puede ver la válvula termostatica o sandwich. El sandwich se instala sobre el bloque motor por un lado y por el otro se rosca el filtro. De la válvula termostatica salen dos tuberías flexibles que se conectan con el radiador utilizado para este propósito.
El manocontacto Se coloca en el circuito principal de engrase roscado en el bloque motor, su misión es detectar si hay presión en el circuito. El manocontacto esta constituido por una membrana que recibe la presión del aceite por una de sus caras y por la otra mueve unos contactos metálicos que cierran un circuito eléctrico. El circuito eléctrico enciende o apaga la lámpara de presión de engrase situada en el tablero de instrumentos.
Con el motor parado el contacto eléctrico esta cerrado por lo que la lámpara indicadora esta encendida.
Con el motor en funcionamiento la presión del aceite empuja la membrana del manocontacto, separando los contactos eléctricos por lo que la lámpara indicadora se apaga. La presión mínima del aceite para que el engrase del motor sea adecuada esta entre 0,3 y 0,7 bar. En caso de que la lámpara indicadora no se apague con el motor en marcha es imprescindible parar el motor para que no sufra averías graves.
En algunos vehículos se sustituye o se complementa la lámpara indicadora de presión de aceite por un sensor o manómetro que nos indica la presión del motor de forma constante. El sensor esta atornillado al bloque motor por medio de la carcasa (1), por donde entra la presión de aceite procedente del circuito principal de engrase, presionando sobre una membrana elástica (2) que tiene incorporado uno de los contactos eléctricos (4). El otro contacto eléctrico esta incorporado en el bimetal (3). El reloj indicador (6) de funcionamiento eléctrico esta constituido por un bimetal (7) unido a una aguja (8) indicadora de presión que se desplaza por una esfera graduada en kg/cm2.
Refrigeración del motor
Indice artículos Durante el funcionamiento del motor, la temperatura alcanzada en el interior de los cilindros es muy elevada, superando los 2000 ºC en el momento de la combustión. Esta temperatura, al estar por encima del punto de fusión de los metales empleados en la construcción del motor, podría causar la destrucción de los mismos. Aunque esta temperatura sea instantánea, pues baja durante la expansión y escape de los gases, aun así la temperatura media es muy elevada, y si no se dispusiera de un buen sistema de refrigeración, para evacuar gran parte del calor producido en la explosión, la dilatación de los materiales seria tan grande que produciría en ellos agarrotamientos y deformaciones. Por lo tanto el sistema de refrigeración tendrá que evacuar el calor producido durante la combustión hasta unos limites donde se obtenga el máximo rendimiento del motor, pero que no perjudiquen la resistencia mecánica de las piezas ni el poder lubricante de los aceites de engrase.
Sistemas de refrigeración Los sistemas actualmente empleados para la refrigeración de los motores, tanto de gasolina como Diesel, son los siguientes:
Refrigeración por aire Refrigeración por agua o mixtos
Refrigeración
por
aire
Este sistema consiste en evacuar directamente el calor del motor a la atmósfera a través del aire que lo rodea. Para mejorar la conductibilidad térmica o la manera en que el motor transmite el calor a la atmósfera, estos motores se fabrican de aleación ligera y disponen sobre la carcasa exterior de unas aletas que permiten aumentar la superficie radiante de calor. La longitud de estas aletas es proporcional a la temperatura alcanzada en las diferentes zonas del cilindro, siendo, por tanto, de mayor longitud las que están mas próximas a la cámara de combustión. La refrigeración por aire a su vez puede ser:
Directa Forzada
Refrigeración directa Se emplea este sistema en motocicletas, donde el motor va situado expuesto completamente al aire, efectuandose la refrigeración por el aire que hace impacto sobre las aletas durante la marcha del vehículo, siendo por tanto mas eficaz la refrigeración cuanto mayor es la velocidad de desplazamiento. En la figura inferior se puede ver un motor de motocicleta de la marca BMW, con dos cilindros horizontales refrigerados por aire.
Refrigeración forzada El sistema de refrigeración forzada por aire es utilizado en vehículos donde el motor va encerrado en la carrocería y, por tanto, con menor contacto con el aire durante su desplazamiento. Consiste en un potente ventilador movido por el propio motor, el cual crea una fuerte corriente de aire que canalizada convenientemente hacia los cilindros para obtener una eficaz refrigeración aun cuando el vehículo se desplace a marcha lenta. Este sistema de refrigeración fue utilizado por la marca Volkswagen en su mítico escarabajo, también lo utilizo Citroën en su no menos mítico 2CV y GSA.
Ventajas de este sistema:
La sencillez del sistema. Se obtiene un menor peso muerto del motor al eliminar los elementos de refrigeración Menor entretenimiento del sistema. Se consigue al eliminar posibles averías en los elementos auxiliares de refrigeración. El motor ocupa menor espacio. Factor importante, a tener en cuenta en vehículos pequeños y sobre todo en motocicletas, donde el espacio destinado al motor es reducido. No esta sometido a temperaturas criticas del elemento refrigerante, como ocurre en los motores que emplean el sistema de refrigeración por agua, en el que se puede producir la ebullición o congelación del agua. En este sistema se puede dimensionar las aletas o canalizar el aire convenientemente para que el caudal de aire, que atraviesa el motor, asegure una eficaz refrigeración y mantenga una temperatura optima en el motor. Disminuye las pérdidas de calor por refrigeración. Estas perdidas suelen ser un 18% menores que en la refrigeración por agua, obteniendose, por tanto, un mayor rendimiento térmico.
Inconvenientes:
Los motores refrigerados por aire son más ruidosos que los refrigerados por agua. Esto es debido a que el paso del aire por las aletas de refrigeración origina un pequeño amplificador sonoro. En los refrigerados por agua, la capa líquida que circunda las camisas hace de amortiguador de los ruidos internos. La refrigeración es irregular. Esto es debido a la influencia de la temperatura ambiente que produce un mayor calentamiento al ralentí, cuando el vehículo no se mueve o circula muy lento. Están sometidos, por lo tanto, a un mayor peligro de gripaje lo que obliga a un mayor juego de montaje entre sus elementos. Debido a la mayor temperatura en los cilindros, la mezcla o aire aspirado se dilata. Con esto se reduce el llenado y, por tanto, la potencia útil del motor en un 6% aproximadamente.
Refrigeración por agua Este sistema consiste en un circuito de agua, en contacto directo con las paredes de las camisas y cámaras de combustión del motor, que absorbe el calor radiado y lo transporta a un depósito refrigerante donde el líquido se enfría y vuelve al circuito para cumplir nuevamente su misión refrigerante donde el líquido se enfría y vuelve al circuito para cumplir su misión refrigerante. El circuito se establece por el interior del bloque y culata, para lo cual estas piezas se fabrican huecas, de forma que el líquido refrigerante circunde las camisas y cámaras de combustión circulando alrededor de ellas. La circulación del agua por el circuito de refrigeración puede realizarse por
"termosifón" (apenas se ha utilizado) o con circulación forzada por bomba centrífuga.
Circulación del agua por termosifón Este sistema como se ha dicho antes, no se utiliza desde hace muchos años. El sistema esta basado en la diferencia de peso entre el agua fría y caliente, de forma que el agua caliente en contacto con los cilindros y cámaras de combustión pesa menos que el agua fría del radiador, con lo cual se establece una circulación de agua del motor al radiador. Funcionamiento El agua caliente entra por la parte alta del radiador donde se enfría a su paso por los tubos y aletas refrigerantes en contacto con el aire de desplazamiento. El agua fría, por el aumento de peso, baja al depósito inferior del radiador y entra en el bosque, donde al irse calentando va ascendiendo por el circuito interno para salir otra vez al radiador. La circulación del agua en el sistema es autorregulable, ya que al aumentar la temperatura del motor, aumenta también la velocidad de circulación por su circuito interno, independientemente de la velocidad de régimen del motor.
Inconvenientes del sistema El sistema es sencillo y económico, pero, debido a la pequeña velocidad del agua en el circuito, se requiere un gran caudal, un gran volumen de líquido y mucha superficie radiante en el radiador. Esto hace que el sistema requiera piezas muy voluminosos, que ocupan gran espacio muerto en el motor, solución que no es posible en los automóviles actuales.
Circulación de agua por bomba Este es el sistema mayormente utilizado desde hace muchos años, ofrece una refrigeración más eficaz con menor volumen de agua, ya que, debido a las grandes revoluciones que alcanzan hoy día los motores, necesitan una evacuación más rápida de calor, lo cual se consigue forzando la circulación de agua por el interior de los mismos. Constitución y funcionamiento del sistema Este sistema tiene una bomba centrífuga intercalada en el circuito de refrigeración y accionada por el propio motor. La bomba centrífuga activa la circulación del agua en su recorrido con una velocidad proporcional a la marcha del motor. En su funcionamiento, la bomba aspira el agua refrigerada de la parte baja del radiador y la impulsa al interior del bloque a través de los huecos que rodean las camisas y cámaras de combustión. El refrigerante sale por la parte superior de la culata y se dirige otra vez al radiador por su parte alta, donde es enfriada nuevamente a su paso por los paneles de refrigeración. Con esta circulación forzada, el agua se mantiene en el circuito a una temperatura de 80 a 85 ºC, con una diferencia entre la entrada y la salida de 8 a 10 ºC, controlada por medio de una válvula de paso (termostato) que mantiene la temperatura ideal de funcionamiento sin grandes cambios bruscos en el interior de los cilindros, que podría dar lugar a dilataciones y contracciones de los materiales. El sistema de refrigeración del motor se aprovecha también para la calefacción interna del habitáculo del vehículo. Para ello, se intercala en serie, a la salida del agua caliente de la culata, un intercambiador de calor que trabaja como radiador, calentado el aire del vehículo.
Como se puede apreciar en los esquemas anteriores se dispone también de un ventilador, en este caso movido por el propio motor térmico. Este ventilador, ademas de forzar el paso del aire a través del radiador para obtener una refrigeración mas eficaz del agua sobre todo a marcha lenta, también suministra una corriente de aire al motor para refrigerar los elementos externos adosados al mismo, como son: el alternador, bujías, colectores de escape, etc. Debido a la utilización del agua y del aire para refrigerar el motor, se le denomina también a este sistema como una refrigeración "mixta".
Estudio de los elementos que componen el circuito de refrigeración El circuito de refrigeración de los motores esta formado principalmente por los siguientes elementos:
Radiador Bomba centrífuga de agua Válvula reguladora de temperatura (termostato) Ventilador
Radiador El radiador sirve para enfriar el liquido de refrigeración. El liquido se enfría por medio del aire que choca contra la superficie metálica del radidor. El radiador esta formado por dos depósitos, uno superior y otro inferior, también pueden estar en los laterales. Ambos están unidos entre si por una serie de tubos finos rodeados por numerosas aletas de refrigeración, o por una serie de paneles en forma de nidos de abeja que aumentan la superficie radiante de calor. Tanto los tubos y aletas como los paneles se fabrican en aleación ligera (actualmente sobre todo de aluminio), facilitando, con su mayor conductibilidad térmica, la rápida evacuación de color a la atmósfera.
El depósito superior lleva una boca de entrada que se comunica por medio de un manguito de goma con la salida caliente de agua de la culata del motor. En el depósito inferior va instalada la boca de salida del agua refrigerante, unida por otro manguito de goma a la entrada de la bomba.
Circuito de refrigeración abierto y cerrado Debido a los cambios de temperatura que se producen en el circuito de refrigeración, sobre todo en el radiador, se necesita de un sistema que pueda adaptarse a estos cambios, para que no afecten sobre el buen funcionamiento del sistema. Cuando aumenta la temperatura del motor también aumenta la temperatura del liquido refrigerante, por lo que se genera una presión dentro del radiador. Esto es debido a que por efecto del aumento de temperatura, el agua se va evaporando, este vapor de agua queda concentrado en la parte superior del radiador, creando una sobrepresión en el mismo que si llegase a unos limites críticos, haría saltar el tapón de llenado o reventaría el radiador. Otro problema ocurre cuando el motor una vez que ha estado en funcionamiento se para y se enfría rápidamente, se produce entonces, en el interior del radiador una condensación del vapor acumulado, creando un vacío interno que dificultará la perfecta circulación del agua en el circuito. Para evitar estos problemas se disponen unas válvulas en el tapón de llenado que comunican con la atmósfera y eliminan la sobrepresión y el efecto del vacío cuando existen. Existen dos tipos de circuitos de refrigeración:
Abiertos: cuando el circuito de refrigeración se comunica a través de las válvulas de paso (del tapón de llenado) con la atmósfera, se denomina circuito abierto, produciendose la evacuación del vapor interno a la atmósfera y retornando aire al interior del depósito cuando se produce la condensación. Este sistema tiene el inconveniente de que con la evaporación y evacuación se va perdiendo liquido en el circuito, con lo que el conductor tiene que rellenar frecuentemente el circuito (sobre todo en verano) para restablecer el volumen del mismo, lo que origina un mayor mantenimiento del sistema.
El tapón de llenado del radiador esta constituido (figura inferior) por dos válvulas, una de las cuales, P, puede abrirse hacia arriba y poner en comunicación el radiador con la atmósfera (C) cuando hay una sobrepresión por aumento de temperatura; la otra válvula (R) se abra hacia abajo y también pone en comunicación el radiador con la atmósfera (C), cuando hay una bajada brusca de temperatura y provoca una depresión. Estas válvulas se mantienen cerradas por medio de sendos muelles, y estando las dos cerradas no hay comunicación entre el radiador y la atmósfera. La fuerza de los muelles esta calculada para que las válvulas se abran con una presión determinada. Con ello se consigue aumentar la temperatura de ebullición del agua hasta unos 120ºC
Cerrados: actualmente los mas utilizados en todos los vehículos. El radiador no lleva tapón de llenado y se comunica mediante un tubo con un pequeño depósito auxiliar llamado "depósito de expansión". El depósito de expansión contiene liquido refrigerante y recibe a través del tubo de unión con el radiador, los gases procedentes de la evaporación, los cuales al contacto con el liquido se licúan. Cuando se produce el vacío interno, el liquido procedente del depósito de expansión pasa al radiador, con lo cual se restablece el circuito sin perdida de liquido en el mismo por condensación. El depósito de expansión cuenta con un tapón, que tiene unas válvulas, que como en el caso anterior, sirven para eliminar la sobrepresión y la depresión que se produce en el radiador y que se transmiten al depósito de expansión.
Bomba de agua La bomba de agua se intercala en el circuito de refrigeración del motor, y tiene la misión de hacer circular el agua en el circuito de refrigeración del motor, y tiene la misión de hacer circular el agua en el circuito para que el transporte y evacuación de calor sea más rápido. Cuanto más deprisa gire el motor, mayor será la temperatura alcanzada en el mismo, pero como la bomba funciona sincronizada con él, mayor será la velocidad con que circula el agua por su interior y, por tanto, la evacuación de calor. Las bombas utilizadas en automoción son de funcionamiento centrífugo, y están formadas por una carcasa de aleación ligera, unida al bloque motor con interposición de una junta unión. En el interior de la misma se mueve una turbina de aletas unida al árbol de mando de bomba, el cual se apoya sobre la carcasa por medio de uno o dos cojinetes de bolas, con un retén acoplado al árbol para evitar fugas de agua a través del mismo. En el otro extremo del árbol va montado un cubo al cual se une la polea de mando.
Estas bombas están calculadas para proporcionar el suficiente caudal de agua al circuito en función de la potencia del motor y la temperatura a evacuar, la cual difiere esencialmente de unos motores a otros y, sobre todo, entre los Diesel y los de gasolina.
Termostato Hay que tener en cuenta que la temperatura interna del motor debe mantenerse dentro de unos limites establecidos (alrededor de 85ºC) para obtener un perfecto funcionamiento y un rendimiento máximo, debiendo mantener esa temperatura tanto en verano como en invierno. La temperatura de funcionamiento en el motor incide directamente sobre la lubricación y la alimentación ya que, si está frío, el aceite se hace más denso dificultando el movimiento de sus órganos con perdida de potencia en el motor. Por otra parte, a bajas temperaturas la mezcla de combustible se realiza en peores condiciones, no obteniendo toda su potencia calorífica en la combustión, con un mayor consumo para una potencia dada. Si la temperatura, por el contrario, es elevada, el aceite se hace más fluido, perdiendo parte de sus propiedades lubricantes, con lo cual las partes móviles del motor pueden sufrir dilataciones y agarrotamientos, dificultando el movimiento se sus órganos móviles y absorbiendo una mayor potencia que reduce el rendimiento útil del motor. El termostato se utilizara para mantener la temperatura de funcionamiento del motor entre unos limites preestablecidos. El termostato va situado frecuentemente en la boca de salida de la culata del motor. Cuando la temperatura del agua es inferior a la prevista, el termostato cierra la válvula de paso impidiendo la salida del agua hacia el radiador, con lo cual la circulación se establece directamente desde la bomba, que al aspirar el agua caliente y mandarla al circuito interno sin refrigerar, hace que el agua ya caliente alcance pronto mayor temperatura. Cuando el agua ha alcanzado la temperatura adecuada, el termostato abre la válvula dejando libre la circulación hacia el radiador, con lo cual se establece el funcionamiento normal del circuito de refrigeración. Existen varios tipos de termostatos. Hay termostatos denominados de "fuelle" y los mas utilizados actualmente, los termostatos de "cera". Termostato de cera El funcionamiento del termostato se basa en el considerable cambio del volumen de la cera a una temperatura predeterminada. Al llegar a esta temperatura, la cera (1) se expande en la cápsula (2) y empuja la membrana de goma (4) unida a la varilla (3); como ésta es solidaria al puente fijo (7), no puede moverse y, en consecuencia, la cápsula (2) se desplaza hacia abajo, venciendo la resistencia del muelle (5). El movimiento de la cápsula abre la válvula (6), que se apoya en el asiento (8), y el agua penetra a través del paso abierto.
Cuando la cera recupera su temperatura inicial, su volumen se reduce y la cápsula asciende de nuevo, ayudada por la reacción del muelle; al final de la ascensión, la válvula cierra el paso del agua de refrigeración. El termostato regula así el flujo del líquido refrigerante y permite que el circuito de refrigeración mantenga en el motor la temperatura idónea de la marcha.
Ventilador El ventilador sirve para impulsar el aire a través del radiador para obtener una mejor y más eficaz refrigeración, pero ello no siempre es imprescindible cuando la velocidad del vehículo es suficiente para producir la refrigeración por el simple desplazamiento rápido del mismo. En estos casos se puede desconectar el ventilador consiguiendo así una marcha mas silenciosa del automóvil y un menor consumo de combustible. El ventilador puede ser accionado por:
el motor térmico, un motor eléctrico, especifico para este cometido.
El accionamiento del ventilador por el motor térmico puede ser de forma directa o mediante una correa de accionamiento. En este caso el ventilador se moverá continuamente mientras lo haga el motor térmico. Para poder conectar y desconectar el giro del ventilador cuando es accionado por el motor térmico, necesitamos de un sistema que pueda acoplar y desacoplar el ventilador, teniendo en cuenta la temperatura del motor. Existen varios sistemas de acoplamiento del ventilador al motor térmico.
Acoplamiento mediante electroimán El sistema consiste en acoplar sobre la polea (1) que mueve la bomba de agua, un electroimán (2) que recibe corriente a través de un anillo rozante (3) y un termocontacto (4) situado en el circuito de agua de la culata. En las paletas del ventilador (5), que gira libre e independiente de la bomba y que va montado sobre el mismo árbol (8) por medio de un rodamiento (9), va acoplada una armadura (7) sujeta al ventilador por medio de un sistema elástico (6). Cuando la temperatura del agua baja a los 75 ºC el termostato (4) se abre, interrumpiendo la corriente al electroimán, con lo cual el ventilador queda fuera de servicio. Cuando la temperatura del liquido refrigerante llega a los 85 ºC se cierra nuevamente el circuito eléctrico del electroimán, atrayendo a la armadura y haciendo solidario el ventilador a la polea de mando, con lo cual éste permanece en funcionamiento.
Accionamiento del ventilador mediante motor eléctrico, en este caso el movimiento del ventilador es independiente del motor térmico. El ventilador se conecta y desconecta automáticamente mediante un interruptor térmico (termocontacto), tarado para la conexión entre 90 y 98 ºC y la desconexión 82 a 90 ºC. El circuito eléctrico se compone de un termocontacto, un relé y el propio motor eléctrico. El termocontacto consta de un elemento bimetalico que al calentarse cierra un contacto eléctrico que alimenta el motor eléctrico. El termocontacto va instalado en la salida del radiador. El tamaño del ventilador y la potencia del motor eléctrico depende de si el motor es Diesel o gasolina. También depende de si el automóvil monta o no aire acondicionado.
Se pueden montar uno o dos ventiladores, a su vez cada ventilador puede ser de una o dos velocidades. En los automóviles con aire acondicionado el "condensador" va situado junto con el radiador, con esto se consigue que ambos elementos se refrigeren con el aire que choca con la parte delantera del vehículo cuando este se mueve. El ventilador o los ventiladores ademas de refrigerar el "radiador" también lo hacen con el "condensador". Por esta razón es necesario de unos ventiladores mas potentes o el uso de dos ventiladores cuando el vehículo monta aire acondionado.
Líquidos refrigerantes y anticongelantes Como líquido refrigerante se emplea generalmente el agua por ser el líquido más estable y económico, pero se sabe que tiene grandes inconvenientes, ya que a temperaturas de ebullición el agua es muy oxidante y ataca a las partes metálicas en contacto con ella. Por otra parte, y debido a la dureza de las aguas (mucha cal) precipita gran cantidad de sales calcáreas que pueden obstruir las canalizaciones y el radiador. Otro de los inconvenientes del agua es que a temperaturas por debajo de 0 ºC se solidifica, aumentado de volumen, lo cual podría reventar los conductos por los que circula. Para evitar estos inconvenientes del agua se emplean los anticongelantes, que son unos productos químicos preparados para mezclar con el agua de refrigeración de los motores y conseguir los siguientes fines:
Disminuir el punto de congelación del líquido refrigerante, el cual, en proporciones adecuadas, hace descender el punto de congelación entre 5 y 35 ºC; por tanto, la proporción de mezcla estará en función de las condiciones climatológicas de la zona o país donde circule el vehículo. Aumentar la temperatura de ebullición del agua, para evitar perdidas en los circuitos que trabajen por encima de los 100 ºC. Evitar la corrosión de las partes metálicas por donde circula el agua.
El principal aditivo del anticongelante es el compuesto por glicerina o alcohol, el producto más utilizado es "etilenglicol". El punto de congelación se determina según el porcentaje de este elemento. El anticongelante puro se mezcla, a poder ser, con agua destilada en distintas proporciones, que determinaran un punto de congelación mas bajo.
Anticongelante puro (%) 20 33 44 50
Punto de congelación (º C) - 10 - 18 - 30 - 36
