CAPITULO N°1: PRINCIPIOS, DISENO Y OPERACIÓN DEL MOTOR

INTRODUCCION

El motor es la fuerza impulsora de cualquier vehículo. Este capítulo describe el funcionamiento del motor, la conversión de la energía, los diferentes diseños de motores y la clasificación de estos.

Tanto los motores de dos tiempos como los de cuatro se utilizan en aplicaciones automotrices para automóviles y camionetas. El motor de cuatro tiempos es el que más se utiliza. Los motores multicilindros de pistón alternativo se usan con 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, ó 16 cilindros, sin embargo, los motores de cuatro, seis y ocho cilindros son los más comunes. También se utiliza un número limitado de motores giratorios.

Independientemente del tipo de motor, las demandas colocadas en el mismo para el rendimiento son rigurosas. La velocidad y la carga se están cambiando constantemente durante la operación. Se encuentran temperaturas extremas en las estaciones del año y de ciertas regiones, por lo cual también se debe considerar e la operación del motor.

El motor se localiza al frente en la mayoría de los vehículos y en la parte trasera en otros. El motor montado frente puede ser de un vehículo

con tracción delantera, con tracción trasera o con doble tracción. Algunos automóviles usan el diseño con motor en medio. Para diagnosticar los problemas del motor o la efectividad del servicio en ellos, es necesario un entendimiento a fondo de los principios de operación y características de construcción del motor de combustión interna.

COMPONENTES BASICOS DEL MOTOR

El motor básico consiste de un cilindro (monobloc) un pistón móvil dentro de este cilindro, una biela sujeta en el extranjero superior al pistón y en el extremo inferior a la porción doblada del cigüeñal, un árbol de levas para operar las dos válvulas (admisión y escape) y una cabeza de cilindro (fig.7-1). Un volante está sujeto a un extremo del cigüeñal. El otro extremo del cigüeñal tiene un engrane. El engrane del árbol de levas es dos veces más grande que el engrane del cigüeñal. Este impulsa al árbol de levas a la mitad de la velocidad del cigüeñal. (fig.7-2)

OPERACIÓN DEL MOTOR A GASOLINA

MOTOR DE CUATRO TIEMPOS.

El movimiento del pistón desde su posición más alta (TDC, punto muerto superior) a su posición más baja (BDC, punto muerto inferior se le llama carrera (fig. 7-3). La mayoría de los motores de automóviles operan bajo el principio de cuatro tiempos. Una serie de fases constituyen en los

cuatro tiempos del pistón para completar un ciclo completo. Estas son (1) carrera de admisión, (2) carrera de compresión, (3) carrera de expansión o explosión y (4) carrera de escape. Se requieren dos revoluciones del cigüeñal y una del árbol de levas para completa un ciclo.

FIGURA 7-1

Componentes básicos del motor.

FIGURA 7-2

El cigüeñal impulsa al árbol de levas a la mitad de la velocidad del primero.

En la carrera de admisión el pistón desciende en el cilindro por medio del cigüeñal y la biela. Durante este tiempo la válvula de admisión se mantiene abierta por medio del árbol de levas. Puesto que el pistón se mueve hacia abajo en el cilindro, crea un área de baja presión (vacío), y la presión atmosférica fuerza una mezcla de aire y combustible que pasa a la válvula de admisión en el cilindro. La presión atmosférica es aproximadamente de 14.7 psi (alrededor de 101.35 kPa) al nivel del mar. La presión del cilindro durante la carrera de admisión es considerablemente menor que ésta.

FIGURA 7-3

La distancia del viaje del pistón desde su posición mas alta en el cilindro (TDC, punto muerto superior) a su posición más baja en el cilindro (BDC, punto muerto inferior) se conoce como carrera. La longitud de la carrera se determina por el diseño del cigüeñal.

FIGURA 7-3

El pistón, la biela varilla de conexión y la válvula accionan la carrera de admisión,

La diferencia de presión es la fuerza que provoca que la mezcla de aire/combustible fluya al cilindro, ya que un líquido o un gas (vapor) siempre fluirá de un área de presión alta a una baja (fig.7-4).

A medida que el pistón asciende por medio del cigüeñal desde el BDC, la válvula de admisión se cierra. La mezcla de aire/combustible es atrapada en el cilindro arriba del pistón. La carrera adicional del pistón comprime la mezcla de aire/combustible a aproximadamente un octavo de su volumen original cuando el pistón alcanza el punto TDC. Con esto se completa la carrera de compresión (fig.7-5).

Cuando el pistón esta en el punto TDC o cerca de éste, la mezcla aire/combustible se enciende. Toma lugar el quemado de la mezcla aire-combustible (combustión) a una relación controlada. La explosión de la mezcla quemada provoca una rápida elevación de la presión. Esta presión incrementada fuerza al piston a descender en la carrera de explosión, provocando que gire el cigüeñal (fig.7-6)

FIGURA 7-5

A medida que el pistón asciende en la carrera de compresión ambas válvulas se cierran.

FIGURA 7-6

Cuando la mezcla de aire/combustible se enciende. Los gases de explosión fuerzan al pistón a que descienda en la carrera de explosión.

Al final de la carrera de explosión el árbol de levas abre la valvula de escape y se inicia la carrera de escape. La presión permanece en el cilindro, y el movimiento ascendente del piston fuerza la salida de los gases del cilindro (fig.7-7). Al final de la carrera de escape, la valvula de escape se cierra y se abre la valvula de admisión, repitiéndose el ciclo completo una y otra vez.

Para arrancar el motor, se requiere de algún método de impulsión para girar el cigüeñal y provocar el movimiento del piston. Esto se hace por medio de la marcha cuando la llave de encendido esta en la posición de arranque.

FIGURA 7-7

La elevación del piston en el cilindro fuerza a los gases de escape a que pasen por la valvula abierta de escape en la carrera de escape.

Cuando estra suficiente mezcla de aire/combustible a los cilindros y el motor se enciende, la carrera de explosión crea suficiente energía para continuar la rotación del cigüeñal. En este punto, la llave de encendido se libera a la posición de marcha y esta se desacopla.

Se almacena suficiente energía en el volante y en otras partes giratorias durante la carrera de explosión para mover los pistones y las partes relacionadas a través de las otras tres carreras (de escape, de admisión y de compresión). La cantidad de mezcla aire/combustible permitida para entrar a los cilindros determina la potencia y velocidad desarrollada por el motor.

MOTOR DE DOS TIEMPOS

La operación del motor de dos tiempos, como su nombre lo implica, requiere solamente de dos carreras del piston para completas las cuatro fases; admisión, compresión, explosión y escape (fig. 7-8).

Existen varios tipos de motore de dos tiempos. Uno de ellos utiliza puertos y una valvula de peine para llevar a cabo la función de las válvulas de admisión y escape del motor de cuatro tiempos. Una cabeza de piston especialmente diseñada ayuda a controlar el flujo de los gases de admisión y de escape. Este tipo de motor se utiliza comúnmente en motores de pequeña potencia. Se utiliza una mezcla propotcional correcta de aire/combustible y aceite. No existe un sistema de lubricación separado. El aceite en la mezcla proporciona la lubricación requerida.

MOTOR DE COMBUSTION ORBITAL

Ralph Sarich of Australia ha desarrollado un motor mas eficiente de dos tiempos para usarse en automóviles. Se le llama motor de combustión de proceso orbital. El aire comprimido se utiliza para inyectar el combustible a traves de los puertos de transferencia después de que se cierra el puerto de admisión. Esto resulta sin ninguna perdida de combustible a través de un puerto de escape abierto como en el caso con otros diseños de dos tiempos. El motor es mas compacto, mas ligero y más caro para producir que el de cuatro tiempos del mismo desplazamiento. También tiene menos partes en movimiento y emisiones reducidas.

COMPARACION DE MOTORES DE DOS Y CUATRO TIEMPOS.

Podría pensarse que un motor de dos tiempos con el mismo número de cilindros, desplazamiento, relacion de compresión y velocidad que el de un motor de cuatro tiempos tendría dos veces la

potencia del segundo motor ya que tiene dos veces mas potencia en la carrera. Sin embargo, este no es el caso, puesto que la potencia y la compresión en la carrera se acortan y permiten que de lugar a la expulsión de gases. El motor de dos tiempos también requiere de un ventilador, el cual toma del motor la potencia para la impulsión.

Aproximadamente 160° de cada 360° de giro del cigüeñal se requieren para la expulsión de gases de escape y de admisión de aire fresco (expulsión de gases) en un motor de dos tiempos. Alrededor de 415° de cada 720° de rotación del cigüeñal en un motor de cuatro tiempos de requieren para admisión y el escape. Estas cifras nos indican que aproximadamente el 44.5% de rotación de la biela se utiliza para las fases que no producen potencia en el motor de dos tiempos, mientras que el 58% de rotación de la biela se utiliza para estos propósitos en e motor de cuatro tiempos, mientras que las perdidas de por calor son mayores en el motor de dos tiempos a través de los sistemas de escape y de enfriamiento.

Los motores de dos tiempos a gasolina se utilizan ampliamente en pequeñas máquinas como podadoras. Los motores de dos tiempos a diesel se utilizan en todo el mundo para todos los tamaños de vehículos y plantas de energía.

CONVERSION DE LA ENERGIA

El motor de combustión interna se utiliza para convertir la energía química del combustible en energía térmica y luego convertir esta en energia mecánica utilizable. Esto se logra al combinar las cantidades adecuadas de aire y combustible y quemar la mezcla en eun cilindro cerrado a una velocidad controlada.

FIGURA 7-8

El motor de dos tiempos requiere de dos carreras del pistón y una revolución del cigüeñal para completar un ciclo de fases: admisión, compresión, explosión y escape. (a) El movimiento del pistón del punto BDC al punto TDC completa tanto la admisión como la compresión. (b) Cuando el pistón está cerca del punto TDC, la mezcla comprimida de aire/combustible se enciende, provocando la explosión de los gases. Nótese que la válvula de peine se cierra. (c) Los gases de explosión en ele cilindro fuerzan a bajar el pistón, haciendo girar al cigüeñal. El movimiento descendente del pistón comprime la mezcla de aire/combustible en el cigüeñal. (d) Con el pistón en el punto BDC, los

puertos de admisión y escape están abiertos, permitiendo que los gases de escape salgan del cilindro y la mezcla de aire/combustible entre a esté.

Una relación promedio de aire/combustible para una buena combustión es alrededor de 15 partes por partes por peso de aire por una de combustible. Esto significa que por cada galón de gasolina quemada, se requiere de aire de aproximadamente de 9000 a 10000 galones de oxígeno (34000 a 38000 litros). El aire está compuesto aproximadamente de 20% de oxígeno y 80% de nitrógeno.

Los motores a diesel operan en una relación mucho mas amplia de aire-combustible, puesto que la admisión del aire no se regula en la mayoría de los motores a diesel. Las relaciones pueden estar en el rango de 20:1 y de 100:1. Este hecho, más la alta compresión del diesel, lo hace un motor muy eficiente.

La eficiencia del motor de combustión interna con pistón alternativo al convertir la energía potencial del combustible en energía mecánica es solamente el 33% (fig 7-9). De la energía calorífica disponible en el combustible, aproximadamente una tercera parte se pierde a través del sistema de escape y otra tercera se absorbe

FIGURA 7-9

De la figura calorífica disponible en la gasolina, sólo alrededor de una tercera parte es energía utilizable en el motor de combustión interna.

y se disipa por el sistema de enfriamiento. La tercera parte restante, aproximadamente la mitad, se pierde a través de la fricción en el motor y las partes del tren de potencia. Esto deja aproximadamente el 15% de la energía del combustible disponible en las ruedas de impulsión del vehículo.

La eficiencia total del motor a diesel es considerablemente más alta que la del motor a gasolina. Las razones de esto son la relación de compresión más alta, la relación aire/combustible superior y

el valor calorífico del combustible más alto. La potencia útil desarrolladas en las ruedas de impulsión por un motor a diesel es de aproximadamente 25%, comparada con el 15% de un motor a gasolina.

OPERACIÓN DEL MOTOR A DIESEL

Motor de cuatro tiempos

El motor a diesel se reconoce fácilmente por la ausencia de componentes tales como las bujías, cables y bobina de encendido, que son comunes en los motores a gasolina.

En el motor a diesel de cuatro tiempos, los cuatro carreras ocurren en una misma secuencia como en el motor de gasolina descritas anteriormente. Sin embargo, sólo el aire se toma del cilindro en la carrera de admisión. El aire se comprime en forma mucho más extensa en la carrera de compresión alrededor de un veinteavo de su volumen original. Esto crea una mayor fricción entre las moléculas de aire, lo cual eleva la temperatura del aire en la cámara de combustión aproximadamente 800 a 1200 °F ( de 425 a 625 °C). Esto es suficiente calor para encender el diesel cuando se inyecta cerca del final de la carrera de compresión.

Consecuentemente, no se necesita un sistema de encendido por chispa (fig. 7-10)

FIGURA 7-10

El motor a diesel de dos tiempos completa las cuatro fases (admisión, compresión, explosión y escape) en una revolución del cigüeñal (o dos carreras del pistón) (fig. 7-11)

Motor de dos tiempos

El motor a diesel de dos tiempos completa las cuatro fases (admisión, compresión, y escape) en una revolución del cigüeñal ( o dos carreras del pistón) (fig. 7-11). Se tiene un arreglo de una serie de puertos o aberturas alrededor del cilindro en una posición tal que los puertos se abren cuando el pistón está en la parte inferior de su carrera. El ventilador fuerza el aire al cilindro a través de los cortes de abertura, expulsando todos los gases remanentes de escape y llenan el cilindro con aire. Esto se llama expulsión de gases.

Al ascender el pistón, se cierran las válvulas de escape y el pistón cubre los puertos. El aire se atrapa arriba del pistón y se comprime puesto que la válvula de escape se cierra. Justo antes que el pistón alcance el punto muerto superior, se inyecta al cilindro la cantidad requerida de combustible y el calor generado por la compresión del aire, se enciende de inmediato el combustible. La combustión continúa hasta que el combustible inyectado se haya quemado. La presión resultante de la combustión fuerza al pistón a descender en la carrera de explosión. Cuando el pistón está aproximadamente a la mitad, se abre la válvula de escape permitiendo que

salgan los gases de escape. El movimiento descendente posterior no cubre los puertos de admisión, provocando que entre aire fresco al cilindro y expulse los gases de escape. Todo el procedimiento se repite entonces, a medida que el motor continúa funcionando.

FIGURA 7-11

Operación del motor de dos tiempos. Todas las cuatro fases (admisión (expansión), compresión, explosión y escape) se completan en sólo dos carreras del pistón(una vuelta del cigüeñal).

OPERACIÓN DEL MOTOR ROTATORIO

El motor rotatorio Wankel es único en la manera de operar. Tiene varias ventajas sobre el motor de pistón. Es ligero y compacto y tiene alta potencia de salida por su tamaño. Puede operar con gasolina con bajo octanaje ya que la cámara de rotación de combustión tiene una relación grande de superficie/volumen para ayudar al enfriamiento. El motor rotatorio funciona muy suave y silenciosamente puesto que no tiene pistones alternativos o válvulas. La cámara de combustión del enfriador del motor rotatorio resulta ser menos eficiente que el motor de pistón y también produce más emisiones de de hidrocarburos. Al mismo tiempo produce bajas emisiones de óxido de nitrógeno.

El motor consiste de un rotor triangular que gira dentro de un compartimiento (fig. 7-12). El rotor tiene sellos en cada esquina así como en cada lado del rotor para sellar las cámaras de combustión. El rotor se monta sobre una flecha de una manera excéntrica provocando su ápice al seguir la superficie irregular del compartimiento. Un juego de engranes en fase con dientes internos en el rotor y dientes externos en el compartimiento mantiene al rotor indexado adecuadamente (en tiempo o fase) al compartimiento.

La presión de la combustión fuerza al rotor a girar en el compartimiento. La potencia se transmite del rotor a la flecha excéntrica. Puesto que está gira tres revoluciones por cada revolución del motor, el lóbulo de la flecha está siempre en la posición correcta para cada impulso de potencia. Existen tres impulsos de potencia por cada revolución del rotor. La potencia del motor se transmite directamente del rotor a la flecha excéntrica. Los engranes en fase no se involucran en la transmisión de la potencia.

Los puertos de admisión y escape están ubicados tanto en el compartimiento del rotor como en el compartimiento lateral. Los puertos están en el mismo lado del motor. El rotor crea tres cámaras separadas en el compartimiento. Las depresiones en los alerones del rotor forman las cámaras de combustión. A medida que el rotor gira las cámaras cambian en volumen.

Como se puede observar en la fig. 7-12, en el número 1, la cámara se incrementa en tamaño, en la siguiente ilustración a la derecha en el número 2, luego baja el número 3 y, a la izquierda, el

número 4, cuando está en su máximo. Ello provoca que la mezcla de aire/combustible se introduzca a está cámara en 5, 6, 7, 8, y 9. En el punto 9 las bujías encienden la mezcla comprimida de aire-combustible. Los gases expandidos empujan al rotor y a la flecha excéntrica, provocando que giren los puntos 10, 11 y 12. Esta es la fase de potencia. A medida que la cámara se aproxima al puerto de escape en el punto 13, empieza la fase de escape y continúa a través de los números 14, 15, 16, 17 y 18. A medida que el borde del vértice de la cámara pasa por el puerto de escape, el ciclo se repite.

Mientras que la cámara cubre todo su ciclo, las otras dos cámaras también cubren sus ciclos. En el ciclo de fases a través de los 360° del giro del rotor de cada cámara completa las cuatro fases (admisión, compresión, explosión y escape) en una revolución del rotor. Esto resulta en tres impulsos de potencia por revolución del rotor.

En un motor de dos tiempos los vértices de un rotor están indexados a 60° de los del segundo rotor. Los lóbulos de la flecha excéntrica se idexan a 180°.

Esto resulta en un motor de explosión uniforme con seis impulsos de potencia por cada revolución del rotor, al compararse con tres impulsos de potencia por revolución del cigüeñal en un motor de pistón con seis cilindros.

El motor rotatorio cuenta con sistemas de combustible, enfriamiento y lubricación similares a los del motor de pistón. Se requiere de un enfriamiento adicional para los rotores de aceite.

FIG. 7-12

Principio de operación del motor tipo rotatorio. Para seguir la secuencia de operación, siga los números del 1 al 18 en la secuencia de un diagrama a otro en la dirección de las flechas,

MOTORES ALTERNOS

Impulsión eléctrica

Los automóviles de impulsión eléctrica requieren de grandes baterías de almacenamiento y de un motor eléctrico para proporcionar la potencia de impulsión. Este tipo de impulsión se ha utilizado con éxito limitado en los automóviles, debido a las limitaciones de los viajes cortos porlas baterías y alto costo por milla. La velocidad limitada es también un factor. La aplicación más exitosa de la impulsión eléctrica ha sido en los carritos para golf y en los montacargas. Sin embargo, en algunos estados se ha decretado leyes que estipulan un cierto porcentaje de autos vendidos que tengan un nivel cero de emisiones, por lo que el futuro de los automóviles eléctricos puede llegar a ser prometedor. Todos los principales fabricantes de automóviles cuentan con programas para automóviles eléctricos y algunos de ellos están produciendo estos automóviles en número limitado.

Motor de turbina a gas

El motor de turbina a gas utiliza los gases expandidos del quemado del combustible para girar un tipo de ventilador de multiaspas. Las aspas están sujetas a una flecha de potencia. El gran motor de turbina a gas es altamente eficiente y confiable y puede quemar una variedad de tipos de combustible: aceite, diesel, gasolina o keroseno. Es motor muy suave al funcionar ya que sólo sus partes giratorias están involucradas en la transmisión de potencia. El motor de turbina también cuenta con una alta relación de potencia/ peso, haciéndolo muy compacto.

Aunque se utlizó experimentalmente para impulsar automóviles y camionetas, el alto costo de producción y su relativa baja economía en combustible lo han mantenido en etapas experimentales. Los desarrollos actuales incluyen un sistema regenerativo para recuperar algo de la energía desperdiciada del sistema de escape de la turbina. Esto requiere del uso de materiales cerámicos y metales especiales que aumentan el costo de los motores.

CLASIFICACIÓN DE MOTORES

Los motores se pueden clasificar de varias maneras diferentes, dependiendo del diseño del motor

1. Por tiempos: Motores de dos y cuatro tiempos

2. Por sistemas de enfriamiento: Motores enfriados por líquidos y por aire. Los primeros más comunes en la industria automotriz

3. Por sistemas de combustible: Los sistemas a gasolina, diesel y propano son los mas utilizados actualmente en motores

4. Por sistemas de encendido: Los sistemas a gas utilizan el sistema de encendido por chispa (eléctrico).

Los motores de encendido por compresión

5. Por arreglo de válvula. Se han estado utilizando cuatro tipos de arreglo de válvula como se mira en la fig. 7-13. De los cuatro tipos (cabezas L, T, F, e I), la cabeza I es la más común en diseños de árbol de levas en el monoblock y cabeza superior.

6. Por el número de válvulas por cilindro: puede haber de dos, tres, cuatro o cinco

7. Por arreglo de cilindros: L a configuración del monobloc o el arreglo de los cilindros depende del diseño del bloque de cilindros (fig. 7-14). Los cilindros pueden estar arreglados en línea recta uno detrás de otro en forma de V, u opuestos horizontalmente o en forma de W.

8. Por desplazamiento: El desplazamiento del motor es el aire desplazado por el pistón cuando se mueve del punto BDC al punto TDC; varia con el tamaño de la cavidad del cilindro, la longitud de la carrera del pistón y el número de cilindros.

9. Por el número y ubicación de árboles de levas: En el bloque de cilindros, SOHC (árbol de levas simple). Y DOHC (árbol de levas doble superior) (figuras 7-15 a 7-17)

FIG 7-13

Los motores se pueden clasificar por arreglo de válvulas como se muestra a la izquierda. De izquierda a derecha: cabeza L, cabeza I, cabeza T y cabeza F. El arreglo más común es el de cabeza I o el tipo de válvula superior

FIG. 7-14

Diseños de varios monoblocs

FIG. 7-15

Este motor tiene el árbol de levas en el bloque de cilindros

FIG 7-16

Motor con árbol de levas sencillo superior (SOHC).

FIG 7-17

Motor V6 con árbol de levas doble superior (DOHC)

CAPITULO N°2: MEDICIONES Y RENDIMIENTO DEL MOTOR

INTRODUCCIÓN

Una gran cantidad de factores determina la capacidad deun motor para producir potencia utilizable. Algunos de estos factores como la cavidad del cilindro, la carrera el desplazamiento y la relación de compresión los determina el fabricante. Otros factores como fuerza, presión, vacío y presión atmosférica, también afectan la potencia de salida del motor. El motor es capaz de producir cierta potencia y se puede medir de varias maneras así como su eficiencia. Todos estos factores, términos y condiciones se deben entender correctamente para comprender sus efectos individuales y combinados en el rendimiento del motor, y como diagnosticar y corregir un problema de rendimiento.

MEDICIONES DEL MOTOR

Cavidad del cilindro

La cavidad del cilindro es el diámetro del mismo medido en pulgadas o milímetros. La dimensión de la cavidad del cilindro es un factor importante para determinar el desplazamiento (fig 8-1) y la potencia.

Carrera del pistón

La carrera del motor es la distancia recorrida por el pistón desde su posición de punto muerto inferior a su posición de punto muerto superior medida en pulgadas o milímetros. La distancia recorrida por el pistón se determina por el diseño del cigüeñal y es exactamente dos veces la medida de la carrera del cigüeñal (fig 8-1). La carrera del motor es también un factor importante en su desplazamiento y potencia.

FIG 8-1

La longitud de la carrera y el diámetro de la cavidad se establecen en pulgadas o en milímetros. El desplazamiento se establece en pulgadas cúbicas, en centímetros cúbicos o en litros. El desplazamiento se calcula como se sigue π.r2x la carrera x el número de cilindros.

El desplazamiento o cilindrada de un motor se determina por el diámetro de la cavidad del cilindro, la longitud de la carrera y el número de cilindros. Es la cantidad de volumen de aire que empuja el pistón a través del cilindro a medida que se mueve desde el punto BDC al Punto TDC, multiplicado por el número de cilindros en el motor.

El desplazamiento se calcula como sigue:

πr2 x carrera x número de cilindros

π=22/7 o 3.14

r2= radio x radio(radio=1/2 de la cavidad del cilindro)

Por tanto, un motor de seis cilindros con una cavidad de 3.8 pulgadas y una carrera de 3.4 pulgadas tendría un desplazamiento de

22/7 x (1.9 x 1.9) x (3.4 x 6)=231pulgadas cúbicas de desplazamiento

En el sistema métrico, un motor de seis cilindros con una cavidad de 100mm y una carrera de 80mm se calcularía como sigue. Primero, puesto que es desplazamiento milimétrico se establece en centímetros cúbicos, es necesario convertir las dimensiones de la cavidad y de la carrera a centímetros.

100mm=10cm de cavidad 80mm= 8cm de carrera

22/7 x (5 x 5) x (8 x 6)= 22/7 x 25 x 48=3771cc=3.771 litros

La potencia que el motor puede producir depende mucho de su desplazamiento. Los motores con mayor desplazamiento son capaces de tomar una mayor cantidad de mezcla aire /combustible en

cada carrera de admisión y por tanto pueden producir más potencia. El desplazamiento del motor se puede incrementar por el diseño de éste en tres formas: (1) incrementando el diámetro de la cavidad del cilindro (2) alargando la carrera y (3) incrementando el número de cilindros.

Relación de compresión: motor a gasolina

La relación de compresión de un motor es una comparación del volumen total de un cilindro (desplazamiento del cilindro mas el volumen de la cámara de combustión) al volumen de la cámara de combustión .

Para calcular la relación de compresión, divida el volumen de la cámara de combustión entre el volumen total del cilindro. Por ejemplo, si el volumen de la cámara de combustión es de 5 pulgadas cúbicas y el desplazamiento del cilindro es de 36 pulg3, el volumen total del cilindro es de 41 pulg3

41/5=8.2:1

Ejemplo en el sistema métrico

Si el volumen en la cámara de combustión es de 90 cm3 y el desplazamiento del cilindro es de 650cm3 , el volumen total del cilindro es de 740cm3

740/90=8.22:1

Estas son las relaciones típicas de compresión para motores a gasolina(fig 8-2 a 8-5).

Un motor con una relación de compresión de 8.2 producirá aproximadamente de 150 psi de presión de compresión(1034.25). Esto se eleva aproximadamente a 600 psi de presión de combustión (4137kPa).

La relación de compresión de un motor se puede cambiar de varias maneras. Para aumentar la relación de compresión, el volumen de cámara de compresión se puede reducir y el volumen del cilindro permanece sin cambio, o el volumen del cilindro se puede incrementar (aumentando la cavidad o la carrera) y el volumen de la cámara de combustión permanece sin cambio.

Para reducir la relación de compresión, incrementar el volumen de la cámara de combustión y deje sin cambiar el volumen del cilindro o reduzca el volumen del cilindro (disminuya la cavidad o la carrera) y deje sin cambiar el volumen de la cámara de combustión.

FIG 8-2

Comparación de las relaciones de compresión de los motores típicos a gasolina y a Diesel.

MOTORES A GASOLINA

Punto A: Se conduce en el encendido de la bujía.

(antes del punto muerto superior cuando termina el proceso de compresión)

Punto B: La mezcla empieza a quemarse en una escala completa.

En un instante entra en un estado de combustión en el punto B, se inicia la combustión explosiva y alcanza el máximo (punto C) en el ángulo de 20° grados.

MOTORES A DIESEL

A-D: Tiempo de inyección del combustible

A-B: Tiempo retardado de encendido (formación de las condiciones de encendido)

B-C: Tiempo de transmisión de la flama

(incremento de presión)

C-D: Tiempo de combustión directa

(quemado retardado)

D-E: Tiempo de combustión retardado

(combustión de gas no quemado)

FIG 8-3

Comparación de la elevación de presión en los cilindros del motor a gasolina y el motor

FIG 8-4

Comparación de la eficiencia de los motores a gasolina y a diesel

La detonación y un daño serio al motor son el resultado de una relación de compresión demasiada alta. El diseño de la cámara de combustión y el tipo de gasolina (el rango de octanaje o antidetonación) utilizados afectan también el punto en el cual ocurre la detonación. La detonación es el encendido del combustible debido a la alta temperatura provocada por la alta presión en la cámara de combustible. El combustible se puede encender antes de que ocurra la chispa en la bujía y el quemado es rápido y descontrolado. Esto causa que las partes estén sujetas a una tensión y a un calor excesivo Vease el cap 29 para una explicación detallada de la detonación y el pre-encendido.

Relación de compresión en motores Diesel

La relación de compresión de un motor a diesel es mucho mas grande que la de un motor a gasolina. Esto es posible puesto que sólo el aire se comprime. Al comprimirlo en las relaciones de compresión causa que las moléculas de aire choquen rápidamente unas contra otras. La fricción creada por estos choques genera calor, y puede alcanzar temperaturas de 1000°F (540°C) o más altas dependiendo de la relación de compresión.

Esto es demasiado caliente para encender el combustible cuando se inyecta cerca del punto superior de la carrera de compresión(fig 8-2)

Las relaciones de compresión se determinan por el desplazamiento del cilindro y le volumen de la cámara de combustión. Para calcular la relación de compresión, divida el volumen del total del cilindro. Por ejemplo, si el volumen de la cámara de combustión es de 2pulg3 y el desplazamiento del cilindro es de 36 pulg3 , el volumen total del cilindro es de 38 pulg3.

38/2= 19:1

Ejemplo en el sistema métrico

Si el volumen de la cámara de combustión es de 36cm3 y el desplazamiento del cilindro es de 650cm3, el volumen total es de 686cm3.

686/36= 19:1

Estas son las relaciones típicas de compresión para motores a diesel.

Un motor con una relación de compresión de 19:1 producirá aproximadamente 500 psi de presión de compresión (3447.5kPa). Esto eleva aproximadamente a 2000 psi de presión de combustión (13790 kPa) después que el pistón alcanza la posición del punto muerto superior.

La relación de compresión de un motor a diesel se puede cambiar de la misma manera que un motor a gasolina. La eficiencia de los motores a gasolina y los motores diesel se compara en la fig 8-3 a 8-5.

Fig 8-5

Comparación del par y consumo de combustible entre motores típicos a gasolina y a diesel del mismo tamaño.

Fig 8-6

Diagrama del recorrido del pistón y el muñón del cigüeñal nótese que la distancia recorrida por el pistón es mayor durante la primera y el último cuarto de revolución que durante la segunda y tercer cuarto de revolución.

DESPLAZAMIENTO DEL PISTÓN Y EL MUÑÓN DEL CIGÜEÑAL

La velocidad y la distancia recorrida por el muñón del cigüeñal se puede considerar constante y de trayectoria uniforme a cualquier velocidad dada del motor.

Esto no es el caso, sin embargo, con la velocidad y recorrido del pistón (fig 8-6).

Cuando la velocidad del muñón del cigüeñal es uniforme, la velocidad y la distancia recorrida por el pistón conectado a éste varía debido al muñón del cigüeñal y al ángulo del cigüeñal. Cuando el pistón alcanza la posición TDC, su velocidad es cero. Al empezar a moverse hacia abajo, su velocidad es cero. Al empezar a moverse hacia abajo, su velocidad se incrementa rápidamente. En el punto donde el muñón del cigüeñal es alrededor de 63° ATDC, el pistón alcanza su máxima velocidad. Este es el punto en el cual el muñón del cigüeñal está en línea central y la biela también en línea central formando un ángulo de 90°. Después de alcanzar el cero en la posición BDC. Mientras asciende el pistón desde este punto, su velocidad aumenta hasta alcanzar su máximo alrededor de 63° BTDC. Desde este punto el pistón desciende lentamente hasta que alcanza otra vez la posición TDC, donde una vez más empieza a detenerse.

La velocidad del pistón se establece normalmente como una velocidad promedio en pies por minuto (ft/min) y se puede calcular como sigue:

Velocidad del pistón=[Carrera(en pies) x rpm]/2

Debe dividirse entre dos ya que el pistón recorre dos veces la distancia de la carrera (hacia arriba y hacia abajo) durante cada revolución.

La distancia recorrida por el pistón varía con el ángulo del cigüeñal. Al empezar en la posición TDC del muñón del cigüeñal, el pistón recorre una distancia mayor durantw los primeros 90° de rotación del cigüeñal que hace durante los segundos 90°. A medida que el muñón continúa pasando por la posición BDC a través de los terceros 90° de rotación, el recorrido del pistón es menor que para los 90° finales cuando llega a la posición TDC.

La fuerza de la presión de combustión no tiene efecto en la rotación del cigüeñal cuando el pistón está en la posición TDC. Cuando el muñón del cigüeñal pasa por la posición TDC en la carrera de explosión, la ventaja mecánica a través del ángulo del cigüeñal se incrementa hasta alcanzar su máximo alrededor de 63° ATDC. Este es el punto donde el muñón y la biela forman un ángulo de 90°. Después de esto, la ventaja de la fuerza disminuye la presión de combustión.

FUERZA Y MEDICION DE LA MISMA

Una fuerza es un empuje, tracción o torsión que actúa sobre algún objeto. El empuje o tracción intenta cambiar el estado de movimiento del objeto o el estado de reposo del mismo. En otras palabras, una fuerza es algo que puede tratar de detener un objeto que está en movimiento o que puede tratar de mantenerlo en movimiento. Puede tratar de mover algo que está detenido o puede tratar de evitar su movimiento. La fuerza de los gases de expansión en el cilindro hace que el pistón descienda en al carrera de explosión. La fuerza de un cojinete contra el freno de disco de detenerlo si está girando.

El automóvil utiliza el principio de la fuerza en gran variedad de aplicaciones. El grado o magnitud de una fuerza se puede medir y se establece en libras en el sistema ingles y en newtons en el sistema métrico. Por ejemplo, un motor que pesa 300 libras ejerce una fuerza de tracción de 300 libras en el gancho de un malacate portátil en el cual está suspendido. El mismo motor, en términos métricos, ejerce una fuerza de tracción de 1334.4 newtons (N) en el gancho del mismo malacate.

Una fuerza de torsión (llamada par) ejercida sobre una flecha impulsora por un motor podría estar en el área de 50 libras-pies bajo ciertas condiciones de manejo. En términos métricos esto sería de

La presión de compresión en el cilindro del motor se mide en libras por pulgada cuadrada. Un ejemplo típico podría se una presión de compresión de 100 psi.

En términos métricos la presión se establece en kilopascales (kPa). Para propósitos de comparación, 1 psi es igual a 6.895 kPa. Una 67.79 newnton-metros(N.m).

PRESIÓN Y MEDICIÓN DE LA MISMA

La presión se puede definir como una fuerza aplicada sobre un área específica. Por ejemplo, 100 libras de metal en reposo sobre un área de 10 pulg2 ejerce una presión de 100 libras sobre el área de 10pulg2. La presión ejercida sobre 1 pulg2 es, por tanto, 100 libras divididas entre 10pulg2

(100/10), lo cual es 10 psi de presión.

presión de compresión típica podría ser de 700kPa.

Para comprender el término métrico de kilopascales, sabemos que el prefijo kilo significa 1000. Por tanto, el término kilopascal significa 1000 pascals. Un pascal es una fuerza de un newton sobre un área de 1 metro cuadrado (1 N/m2).

Presión atmosférica

La atmósfera es una capa de aire que rodea la superficie de la tierra. Esta capa de aire ejerce una fuerza de gravedad. Esta fuerza o presión de la atmósfera contra la superficie de la tierra se le llama presión atmosférica.

La presión atmosférica es mayor al nivel del mar, ya que existe más atmósfera arriba de un punto dado al nivel del mar que la que existe a un punto dado en la montaña. El aire es, por tanto, también menos denso ( las moléculas de aire no se compactan tan apretamente) a altitudes mayores.

Una columna de 1 pulg2 de atmósfera al nivel del mar pesa 14.7 libras. La presión atmosférica al nivel del mar, es por tanto de 14.7 psi. Sin embargo, en la cima de una montaña de 10000 pies de altura, una columna de 1pulg2 de aire pesa sólo 12,2 libras; por tanto, la presión atmosférica es de 12,2 psi a esa altitud. Es importante reconocer este hecho puesto que el aire de admisión de un motor se ve afectado adversamente con el incremento en la altitud.

También se debe recordar que la atmósfera consiste aproximadamente 20% de oxígeno y casi 80% de nitrógeno, con un pequeño porcentaje de otros elementos. Es el oxígeno del aire el que se necesita para combinarse con el combustible para efectuar la combustión. El aire al nivel del mar es más denso, o está más apretadamente compactado, que altitudes superiores. Por esta razón, un motor pude producir más potencia al nivel del mar que altitudes mayores.

La temperatura de aire también está relacionada con la capacidad del motor para agregar potencia. Cuando se calienta el aire se expande y llega a ser menos denso. El motor no es capaz de tomar demasiado aire en la carrera de admisión debido a que esto producirá menos potencia. La densidad del aire se establece como lb/ft3 o como kg/m3.

La humedad del aire es el porcentaje del vapor de aire capaz de mantenerse en suspensión a una temperatura dada. A una humedad del 100% el aire no puede admitir ninguna cantidad de vapor adicional. A una humedad del 50%, existe la mitad del vapor de agua del aire que puede admitir a esa temperatura. La humedad en el aire mejora el rendimiento del motor ya que tiene un efecto enfriador. Los motores no funcionan bien en aire caliente y seco.

Medición de la presión atmosférica

La presión atmosférica se mide con el barómetro y se expresa en pulgadas o milímetros de mercurio. Un barómetro simple es un tubo de vidrio cerrado en un extremo y abierto por el otro.

El tubo se llama con mercurio. El extremo abierto se mantiene entonces cerrado mientras que el g) tubo se invierte y el extremo abierto se sumerge en un plato abierto lleno de mercurio. Cuando el tubo lleno de mercurio se fija en su posición, el nivel de mercurio en el tubo goteará ligeramente, dejando la parte del tubo vacío en la parte superior. A medida que la presión atmosférica es capaz de actuar sobre el mercurio en el plato abierto, el nivel de mercurio en el tubo aumenta o cae según aumente o disminuya la presión atmosférica. La altura del mercurio en el tubo arriba de la superficie del mercurio en el plato se mide en pulgadas; ésta es la presión barométrica. Al nivel del mar, 14,7 psi de presión atmosférica resulta en 29.92 pulgadas de mercurio en el barómetro. Para convertir pulgadas de mercurio a libras por pulgada cuadrada de presión, multiplíquese la lectura en pulgadas de mercurio (Hg) por 0,4912 (psi=pulg.Hg x 0,4912). En términos métricos, la presión barométrica al nivel del mar se expresa como 101.35 kPa ya que una pulgada de mercurio es igual a 3.38 kPa. O para expresarlo de otra manera, la presión atmosférica al nivel del mar es 14.7psi o 101,35 kPa, ya que 1 psi de presión es igual a 6,895 kPa. Otra unidad de medida de presión es el bar. Un bar es igual a 0.986923 atmósferas.

Un kilopascal son 1000 pascals es igual a 1 newton de fuerza aplicada sobre 1 metro cuadrado

Medición de otras presiones

Los calibradores para pruebas de presión utilizados en industria automotriz registran el cero a la presión atmosférica. Por tanto, todas las mediciones de presión tomadas, realmente miden la presión atmosférica, excepto para mediciones de vacío.

Mediciones de vacío

Cualquier presión que es menor que la presión atmosférica se le llama presión de vacío. En realidad, es un vacío parcial. El vacío se mide como una diferencia de presión. La diferencia de presión entre la presión atmosférica y la presión que se está midiendo (vacío del múltiple admisión, por ejemplo) se expresa en pulgadas o milímetros de mercurio. Esto es así ya que la medición se hace con un manómetro de mercurio de tubo U.

El manómetro de tubo en U es un instrumento de medición que indica la diferencia de presión por la diferencia en la altura del fluido en las dos columnas del tubo en U. El manómetro de mercurio se utiliza para medir una diferencia de presión relativamente más grande que la presión atmosférica. El manómetro de agua se utiliza para medir diferencias menores pudiendo medir con mayor exactitud ya que el agua es más ligera que el mercurio. Los manómetros se utilizan para medir elementos como la presión del múltiple de admisión (o vacío), la presión de retroceso del escape, la presión del cárter y la presión de refuerzo (la presión de salida del turbocargador).

Los calibradores de vacío de carátula para uso automotriz se utilizan comúnmente para medir el vacío del múltiple de admisión. Estos calibradores se ajustan para indicar pulgadas o milímetros de mercurio en la carátula y se puedan leer directamente.

ENERGIA, TRABAJO Y POTENCIA

La energía se puede definir como el potencial o la habilidad para hacer trabajo. El combustible en un automóvil tiene el potencial para hacer trabajo si se coloca en los cilindros del motor, se combina con el aire comprimido y se enciende. Cuando se satisfacen estas condiciones, la energía cinética de los gases que se expanden rápidamente provocados por la combustión. Esta energía cinética del quemado del combustible fuerza a descender el pistón en el cilindro, lo cual resulta en una rotación utilizable del cigüeñal.

De lo anterior podemos desprender que existen dos formas básicas de energía: la energía potencial, la cual no resulta en ninguna acción o movimiento hasta que se satisfacen las condiciones adecuadas, y la energía cinética, la cual representa la habilidad para hacer trabajo debido al movimiento.

Otro ejemplo de energía cinética es la energía de un vehículo que se mueve a una velocidad. El vehículo continúa moviéndose aún después de que la fuente de potencia (motor) se desconecta del tren de impulsión.

El vehículo continúa moviéndose debido a la energía cinética almacenada en el movimiento del vehículo. Cuando se aplican los frenos, la energía cinética del vehículo en movimiento se convierte, por fricción, en energía calorífica.

Trabajo

Para efectuar trabajo se requiere de energía. Se dice que efectúa trabajo cuando se aplica una fuerza que vence una resistencia y se mueve a través de una distancia. El trabajo produce resultados medibles.

Cuando se expande suficiente energía a través de la aplicación de una fuerza (empuje, tracción o torsión) para vencer la resistencia al movimiento de cualquier objeto en particular, resulta un movimiento.

Al jalar un objeto de 1 libra una distancia de 1 pie resulta que se está haciendo un trabajo de 1 pie-libra (si se ignora la fricción). En otras palabras, la fuerza multiplicada por la distancia es igual a trabajo en el sistema ingles incluyen pies-libras y pulgadas-libras, siendo ambas las más comúnmente utilizadas en la industria automotriz

En términos métricos, fórmula W=F x D también se aplica. La unidad de medida de fuerza es el newton (N) y la unidad de medida de distancia es el metro (m). Por tanto, cuando se requiere una fuerza de 1 newton para mover un objeto a una distancia de 1 metro (1N.m), lo cual es igual a 1 joule (J).

La relación de joule kilowatt se discutirá más adelante en la potencia del motor.

Potencia

La potencia es la razón por la cual se efectúa el trabajo. La potencia también se puede definir como la habilidad para efectuar una cantidad específica de trabajo en una cantidad específica de tiempo. La potencia del motor en el sistema inglés se establece en caballos de fuerza y, en el sistema métrico, en kilowatts. Ambos sistemas se explican aquí. La fórmula para calcular la potencia es

P=F X D/T

Donde F= fuerza

D= distancia

T= tiempo

Potencia del motor de frenado

Un hombre llamado watt, al observar la habilidad de un caballo para efectuar el trabajo en una mina, decidió arbitrariamente que esta habilidad fuera el equivalente de levantar 33000 libras de carbón en una distancia de 1 pie en un 1 minuto. Esto llegó a ser la medida estándar de una unidad de potencia llamada caballo de fuerza (hp). Esto se puede expresar con la siguiente fórmula

1 hp= 33000 libras x 1 pie x 1min

Esta fórmula permite que el caballo de fuerza de un motor se calcule si se conocen ciertos factores. Estos factores son: la fuerza producida por un motor y la distancia a través de la cual esa fuerza se mueve en 1 minuto.

FIGURA 8-7

El freno Prony utiliza un dispositivo de fricción para aplicar una carga a un motor. Un brazo conectado al dispositivo de fricción se deflexiona en proporción a la carga aplicada y hace actuar al medidor, el cual indica la carga en libras o en newtons de la fuerza aplicada. Las cantidades de velocidad y carga del motor se utilizan entonces para calcular la potencia del frenado.

Un dispositivo conocido como freno prony se puede utilizar para obtener estos fsctores. Puesto que el freno Prony es un dispositivo de frenado, la salida de un motor se establece en términos de la potencia de frenado de un motor, necesitamos calcular la fuerza del motor multiplicada por la distancia a través de la cual esa fuerza se desplaza en 1 minuto y dividir la formula de watt por 1 caballo de fuerza con el resultado de ese cálculo.

Un freno Prony utiliza un tambor sujeto al volante del motor. Una banda de contracción del motor rodea al tambor. La banda se puede apretar para incrementar la carga en el motor. Un brazo se sujeta a un extremo dlvide la banda. En el otro extremo del brazo se conecta a una escala a traves de un balancín. Esto asegura una exactitud de la longitud del brazo desde el centro de rotación del cigüeñal a la escala. (fig.8-7)

Cuando el motor esta en marcha, la banda se aprieta lentamente. Esto hace que el brazo ejerza una presión en la escala. La salida en caballos de fuerza del freno de un motor se puede calcular utilizando la formula de Watt para 1 caballo de fuerza y los resultados de la prueba de freno Prony. Simplemente divida la formula de Watt entre los resultados de la prueba de freno Prony.

Calculemos los caballos de fuerza de frenado de un motor teórico, suponiendo las siguientes condiciones.

Velocidad del motor: 2000 revoluciones por minuto (rpm)

Longitud del brazo: 3 pies (radio del circulo del brazo lo haría si se permitiera girar)

Lectura en escala: 100 libras

No olvide la formula: F x D x T dividida entre 33,000 lb x 1min=caballos de fuerza de frenado (bhp). Y no olvide que para determinar la circunferencia de un circulo, calculamos 2π x radio o 2π r y sabremos que π es 22/7, o 3,1419265. Por tanto, al dividir 2π entre 33,000 nos da el denominador de 5252. Al multiplicar el numerador restante nos da un resultado de 600,00. Un caballo de fuerza es igual a 0,746 kilowatts (kw). Por tanto, 114, 24 bhp = 85,22 KW.

F= 100 LB

D= 3ft x 2π x 2000

T= 1 min

Con esta información tenemos que:

=

=

= 114,24 bhp

Potencia indicada

La potencia indicada (PI) es la potencia teorica que un un motor es capaz de producir. Se calcula al utilizar los siguientes factores:

P = presión efectiva del cilindro en libras por pulgada cuadrada. L = Longitud de la carrera del pistón en pies. A = área de la sección transversal del cilindro en pulgadas cuadradas. N = número de carreras explosión por minuto para un cilindro. K = número de cilindros en el motor.

La formula para calcular los caballos de fuerza indicados IHP es, por tanto,

= IP

Utilizando esta fórmula, es posible calcular la IP (IHP) de un motor si se conoce el número de cilindros en el motor, la cavidad y la carrera del motor, la velocidad del motor y la presión media efectiva en el cilindro.

Potencia de Fricción

Se requiere de alguna fuerza (empuje o tracción) para deslizar un objeto sobre la superficie de otro. A esta resistencia al movimiento entre dos objetos en contacto uno con en el otro se le llama fricción. La fricción se incrementa con la carga. Se requiere más esfuerzo para deslizar un objeto pesado a través de una superficie que el deslizar un objeto más ligero sobre la misma superficie.

La condición de las dos superficies en contacto también afecta el grado de fricción. Las superficies suaves producen menos fricción que las superficies secas provocan más fricción que las superficies lubricadas o mojadas.

El aceite residual que se ciñe a las paredes del cilindro, a los anillos y a los pistones de un motor que se ha detenido por algún tiempo producirá una friccion grasosa cuando se arranque el motor. Tan pronto como el motor arranque, el suministro del sistema de lubricación, lo cual resulta en una fricción viscosa.

Viscosa viene de la palabra viscosidad la cual es una medida de la habilidad del aceite para fluir o su resistencia al flujo. Aun se requiere algo de energía para deslizar un objeto bien lubricado sobre la superficie de otro. Aunque la capa de lubricante separa a las dos superficies, el mismo lubricante proporciona alguna resistencia al movimiento. Esto es la fricción viscosa. Los rodamientos de fricción proporcionan una acción de fricción lateral, mientras que los rodamientos de bola y de rodillo proporcionan una fricción rodante. La fricción rodante ofrece menos resistencia al movimiento que la fricción lateral.

La potencia de fricción es la potencia requerida para prevenir la fricción de diferentes partes en movimiento del motor mientras funciona. La potencia de fricción se incrementa a medida que el motor incrementa su tamaño y velocidad. La potencia de fricción de un motor se puede calcular (si se le conoce la potencia indicada y la potencia de frenado) al restar la BP de la IP (IP = BP) o (IHP – BHP – FHP).

Inercia

Se requiere de alguna potencia para vencer la inercia. La inercia es la tendencia de un objeto en movimiento a permanecer en movimiento o la tendencia de un objeto en reposo a permanecer en reposo. A la primera se llama inercia cinética y a la segunda inercia estatica. Las partes en movimiento de un motor son afectadas por la inercia cinética. Un piston que se mueve en una dirección trata de mantener su movimiento en esa misma dirección debido a la inercia cinética. El cigueñal y la biela deben vencer esta inercia cinética al detener el piston en su limite de recorrido e invertir su dirección. La inercia estática de un automóvil que se detiene se debe vencer por la potencia del motor para evitar que el automóvil se mueva.

Potencia SAE

La potencia SAE es la potencia de un motor como se determinó por la Society of Automotive Engineers. Se llevan a cabo pruebas bajo condiciones rigurosamente controladas, incluyendo la temperatura del aire de admisión, la temperatura del ambiente, la humedad, etc. Un gran número de condiciones especificas, como la restricción del aire de admisión y la restricción del escape, también se establecen, ya que éstas determinan los factores. También se deben satisfacer otros factores y condiciones.

Además de todos estos factores y condiciones, la potencia SAE se mide en la flecha de salida de la transmisión, con todos los accesorios normales del motor montados y en operación. Esto incluye el filtro del aire y el sistema del escape. Puesto que se puede utilizar un modelo de motor en particular por un fabricante de vehiculo para varias aplicaciones diferentes y puede ser equipado indistintamente en varios modelos, la potencia SAE varía para un motor en particular, dependiendo de cómo esté equipado.

Potencia del motor Kilowatt (KW)

En el sistema métrico la potencia del motor se establece en kilowatts.

La salida de potencia de un motor se calcula como se estableció al principio, utilizando la formula

P = W ÷ T

Donde P = potencia

W = trabajo

T = tiempo

La fuerza en el sistema métrico se mide en newtons (N). La distancia se mide en metros (m). por tanto, el trabajo se puede expresar en términos de newton metros (N m).∙

El tiempo se establece en minutos. Para determinar la potencia de un motor, calculamos la fuerza multiplicada por la distancia y dividida por el tiempo (FxD÷T).

Un joule es también el equivalente de 1 newton de fuerza que se mueve una distancia de 1 metro en 1 segundo.

El watt es la unidad de potencia eléctrica y es el equivalente de joule por segundo. 1 kilowatt son 1000 watts.

Resumiendo:

1 N m = 1 joule ∙

1 joule por segundo = 1 watt (W)

1000 watts = 1 kilowatt (KW)

Seria posible determinar la potencia de salida en kilowatts de un motor al utilizar un freno Prony como se describió anteriormente. Si, por ejemplo, el freno Prony tuviera un brazo de torque con una longitud de 1 m, y la escala a la cual actúa la medición de la fuerza aplicada en newtons, la potencia resultante se establecería en newton metros. La salida de newton metro, a una velocidad del motor dada se mide en revoluciones por minuto, podría entonces utilizarse para calcular la potencia del motor en kilowatts.

Suponiendo una velocidad del motor de 2000 rpm, obtendríamos la velocidad del motor por segundo al dividir 2000 entre 60, ya que kilowatts son joules por segundo.

2000 ÷ 60 = 33.33

Suponiendo, además, que la fuerza aplicada en el extremo del brazo de torque es de 1000 N y la longitud del brazo es de 1 m, calculamos como sigue:

2π x 1 x 33.33 = 209.4 KW

O

x 2π x 1 = 209.4 KW

2π x 1 x = 209.4 KW

Un kilowatt es 1.341 caballos de fuerza. Por tanto, 209.4 kw es igual a 280.8 hp.

Par del motor y potencia de frenado

A medida que funciona un motor, el cigüeñal se fuerza a girar por la serie de empujes o pulsos de potencia impuestos en el muñón del cigüeñal por los pistones y las bielas. A esta fuerza de torsión se le llama par. El par y la potencia del motor están estrechamente relacionados. Por ejemplo,

como explicamos anteriormente, si conocemos el par y la velocidad de un motor, podemos calcular la potencia.

El par es igual F×R, donde F es la fuerza al extremo de una palanca y R es la longitud de la palanca desde el centro de la flecha giratoria hasta el punto en el cual se aplica la fuerza. R representa el radio de un círculo a través del cual la fuerza aplicada se movería si se mueve a través de una revolución completa. Por tanto, T= F×R.

El par motor también se puede calcular como sigue: T= . Con 115 hp a 3000rpm un motor

desarrollaría 201ft-lb de par; =201.El par del motor se expresa en términos de libras-pies,

en el sistema inglés y en newton metros en el sistema métrico.

El máximo par se produce en un motor cuando existe máxima presión en los cilindros. El par pico es por tanto, alcanzado cuando existe una máxima entrega de aire combustible al motor. Esto ocurre normalmente en alguna velocidad inferior del motor en la cual se produce la máxima potencia de frenado.

El par motor disminuye en la medida que se incrementa la velocidad del motor al punto donde los cilindros toman menos aire. En este punto, la potencia de frenado del motor aún se está incrementando debido al número creciente de impulsos de potencia por minuto. La potencia de frenado del motor disminuye cuando se altera el efecto de un número creciente de impulsos de potencia debido a la admisión a la admisión reducida de aire de los cilindros. Como se pude ver, el par y la potencia de frenado del motor están estrechamente relacionados con la eficiencia volumétrica del motor.

EFICIENCIA DEL MOTOR

El grado de eficiencia del motor se expresa en cifras de porcentaje como resultado de una comparación de la potencia teórica de un motor ssin ninguna pérdida de potencia con la potencia real disponible de éste. La eficiencia mecánica y la eficiencia térmica son dos maneras utilizadas para expresar la eficiencia del motor.

Eficiencia mecánica

La potencia indicada es la potencia teórica que un motor puede producir, como se apuntó anteriormente. Se expresa como caballos de fuerza o como kilowatts.

La potencia de frenado es la potencia real entregada por un motor y se expresa en caballos de fuerza o kilowatts.

La fórmula para calcular la eficiencia mecánica de un motor contra la potencia de frenado con la potencia indicada, se calcula de dividir la IP entre BP.

Eficiencia mecánica=

Por ejemplo, un motor que produce 72 caballos de fuerza de frenado y tiene una potencia indicada de 90hp, tendría una eficiencia mecánica de 72/90 o 80%. Esto significa que aunque 90bhp se producen en los cilindros, sólo 72bhp se están entregando al volante. O, al utilizar las unidades en el sistema en el sistema métrico, si un motor tiene una potencia indicada de 120kW pero entrega sólo 102kW, la eficiencia mecánica sería de 102/102 o 85%.

Eficiencia térmica

La eficiencia térmica de un motor es el grado en cual el motor logra convertir la energía del combustible en energía calorífica utilizable o potencia. Es la energía calorífica en el cilindro la que fuerza al pistón a moverse, lo cual resulta en una rotación del cigüeñal.

El motor no es capaz de quemar el 100% del combustible entregado a los cilindros. Algo de él permanece sin quemarse en las áreas más frías del cilindro por no contar con suficiente oxígeno para quemarse. Teóricamente una mezcla de aire/combustible de 14.7 partes de aire a 1 parte de combustible por peso es capaz de completar al 100% la combustión. Esto se conoce como mezcla estequiométrica, una mezcla químicamente correcta para una combustión completa en un motor de gasolina.

Parte de la energía calorífica producida por el combustible que se ha quemado en el cilindro se retira del motor por el sistema de escape, y parte de la energía calorífica se elimina por el motor por el sistema de enfriamiento. El sistema de lubricación y los efectos de la radiación calorífica transportan el calor adicional del motor.

Aproximadamente el 35% de la energía calorífica se pierde a través del sistema de enfriamiento y otro 35% a través del sistema de escape. Esto deja sólo un 30% de la energía calorífica como potencia utilizable, de la cual otro 5% se pierde a través de la fricción del motor.

Los rangos de eficiencia térmica del motor a gasolina van de 20 al 30%. La eficiencia térmica de un motor diesel puede aproximarse al 40%. El motor a diesel puede operar en una mezcla proporcional más que un motor a gasolina y tiene una eficiencia térmica más alta debido a que cuenta con una relación mucho mayor de compresión. Puesto que la mayoría de los motores diesel no cuentan con un ahogador de acelerador para restringir la e entrada de aire, existe un exceso de entrada de éste.

Otros factores de eficiencia

En forma adicional ocurren otras pérdidas de energía debido a factores tales como fricción en el tren de impulsión, resistencia al rodamiento, resistencia del aire y la velocidad del vehículo. Tanto como el 5% de la energía calorífica del combustible se puede perder a través de la fricción del tren impulsor.

La resistencia al rodamiento varía dependiendo del tipo de llantas que se utilicen, la presión de las mismas y la condición de la superficie del camino. Las llantas radiales tienen menos resistencia al rodamiento que las estándar. Las llantas desinfladas incrementan la resistencia al rodamiento, así como también las superficies de camino.

La resistencia del aire está relacionada directamente con la velocidad del vehículo, el diseño de la carrocería, la dirección y velocidad del viento. Las carrocerías con diseño aerodinámico tienen menos resistencia al viento que los diseños en forma de caja cuadrada. Las áreas delanteras de carrocería más largas incrementan la resistencia al viento. El incremento de la velocidad del viento y el manejo en esa dirección causan una mayor resistencia al aire. Todos estos factores tienen una relación de cuánta energía calorífica (y por tanto de combustible) se requerirá para operar el vehículo. Los hábitos de manejo como aceleración y frenado frecuentemente rápido incrementan el consumo de combustible de cualquier vehículo.

Eficiencia del combustible

La eficiencia del combustible es realidad la relación del consumo de combustible sobre la distancia recorrida. Se expresa en millas recorridas por galón de combustible consumido o en litros de combustible consumido por 100 km recorridos. La eficiencia del combustible depende de todos los factores anteriormente mencionados así como del peso, tamaño y carga del vehículo.

La legislación federal (en EE.UU.) requiere que los fabricantes de automóviles logren una economía de combustible de promedio específico incorporado (CA-FE) para todos los modelos que producen. Si se producen demasiados automóviles grandes, no se satisfacen reducir el consumo de energía. La economía de combustibles se miden en millas por galón (mpg) en el sistema inglés y en litros por cada 100 kilómetros (L/100 km) en el sistema métrico.

Eficiencia volumétrica

La cantidad de aire que un motor es capaz de tomar en el cilindro en la carrera de admisión, comparado con llenado del cilindro completamente con aire a la presión atmosférica, se conoce como eficiencia volumétrica es la capacidad del motor para expulsar los gases de escape y tomar la mezcla de aire combustible, en comparación con el desplazamiento del motor.

El motor no es capaz de lograr una aspiración del 100% en cada carrera de admisión debido a las limitaciones del diseño. Factores como los diámetros de la válvula y del puerto, la configuración de la guía del múltiple, la válvula de distribución, la velocidad del motor y la presión atmosférica afectan la eficiencia volumétrica.

Un motor que funciona a 3000 rpm tendrá sólo la mitad del tiempo para llenar el cilindro en cada carrera de admisión como lo tiene a 1500 rpm. Puesto que este es el caso, la eficiencia volumétrica baja a medida que se incrementa la velocidad del motor. Como resultado, el torque del motor disminuye también (cuando la velocidad del motor se excede de un cierto rango).

Un motor que funciona en una zona que está a 5000 pies sobre el nivel del mar tendrá menos eficiencia volumétrica que el mismo motor al nivel del mar, debido a que la presión atmosférica es menor a 5000 pies sobre el nivel del mar que al nivel de éste. Puesto que la presión atmosférica es la que fuerza la mezcla de aire combustible en el cilindro, es fácil ver que habrá una disminución correspondiente en eficiencia volumétrica a medida que la altitud se incrementa( a la cual un motor funciona).

La eficiencia volumétrica se incrementa por el uso de los sistemas afinados de admisión y del escape, del diseño de motores multiválvulas, de sistemas de admisión de aire de dos etapas, de turbocargadores y supercargadores. Ello se describe en otros capítulos de este libro.

DINAMOMETROS

El dinamómetro es una herramienta confiable que, se utiliza para medir todos los aspectos del funcionamiento del vehículo. Esto se puede hacer simulando una carga de rodamiento y las condiciones de manejo sin tener que sacar el vehículo del taller de servicio. Las pendientes pronunciadas, los niveles del cambio, el manejo en la ciudad con paradas y arranques continuos, aceleración y desaceleración, y un amplio rango de condiciones de carga se pueden simular en el taller.

Con el equipo de diagnóstico adecuado conectado al vehículo durante estas pruebas, se pueden determinar en muy pocos minutos con exactitud las condiciones y funcionamiento del motor. Esta clase de diagnósticos y pruebas no se pueden realizar en el camino ni se pueden hacer en el taller sin un dinamómetro. Además de los resultados de pruebas obtenidos del equipo de prueba auxiliar, el dinamómetro indica la velocidad y potencia del vehículo o del motor.

La mayor parte de los dinamómetros, ya sea del tipo chasis mecánica, convierten en forma automática el par y los factores de velocidad en una lectura en el cuadrante de potencia de frenado o potencia de camino (fig. 8-8)

El motor convierte la energía calorífica del combustible en energía mecánica para impulsar la flecha de transmisión o las ruedas de tracción. La flecha o las ruedas de tracción trannsfieren esta energía mecánica al dinamómetro de motor y por medio de rodillos montados en el taller en el caso de un dinamómetro de chasis.

Esta energía mecánica se transmite a la unidad de absorción de potencia del dinamómetro, la cual vuelve a convertir la energía mecánica en energía calorífica.

La unidad de absorción de potencia, el puente de torquw y el brazo de conexión hacen la misma función que el freno Prony. El puente de torque, sin embargo, convierte la fuerza aplicada en una señal eléctrica, la cual varía con la cantidad de fuerza aplicada. Esta señal eléctrica proporciona una lectura en el cuadrante de caballos de fuerza en el freno. El dinamómetro mide también la velocidad, la cual se indica en un segunado cuadrante.

Fig.8-8

Las componentes principales del dinamómetro se utilizan para evaluar la potencia del vehículo en el camino. La potencia de camino es la potencia disponible en las ruedas de tracción.

Los dinamómetros de chasis y de motor utilizados en los talleres de servicio por lo general son de tipo hidráulico. La unidad de absorción de potencia cosiste básicamente en dos unidades: una unidad impulsora y una unidad impulsada. La unidad impulsora es un tambor con aspas sujetas a él internamente. La unidad impulsora es también un tambor con aspas sujetas en su interior. La unidad de impulsión tiene un brazo sujeto a ella. El otro extremo del brazo está conectado al puente de torque. La unidad impulsora y la unidad impulsada están alojadas en un compartimiento sellado, el cual se puede llenar y vaciar de fluido.

El fluido utilizado en algunos en algunos dinamómetros es el agua; otros pueden emplear aceite. En ambos casos, la cantidad de carga aplicada está en proporción directa con la cantidad de fluido que se permite entrar a la unidad de absorción de potencia. Esto se controla por medio de válvulas solenoide operadas eléctricamente.

Los solenoides se operan por un dispositivo de control manual.

A medida que al fluido se le permite entrar a la unidad de potencia de absorción, el elemento impulsor giratorio lanza fluido contra el miembro impulsado, el cual es sujetado por el brazo conector. Entre más fluido se permita entrar a la unidad (más fuerza aplicada), la fuerza contra el elemento impulsor se incrementa haciendo que el brazo se mueva ligeramente. El movimiento del brazo se convierte en una señal eléctrica por el puente de torque el cual se indica en el cuadrante

de caballos de fuerza del freno. De esta manera se puede observar cualquier combinación de velocidad de vehículo o de motor y carga.

A medida que se aplica una carga al dinamómetro, el fluido en la unidad de absorción de potencia se calienta. Para evitar el sobrecalentamiento, este calor se debe disipar. En los dinamómetros de agua tipo abierto, la unidad de absorción se conecta a una fuente de presión constante de agua fría (toma municipal) con el fin de mantener la unidad fría y disipar el calor. El agua calentada se dirige hacia el drenaje. En la unidad de absorción de equipo hidráulico cerrado, el aceite circula a través de un intercambiador de calor con lo cual se enfría el agua. Este tipo de unidad requiere de menos líquido.

Muchos dinamómetros están equipados con un volante de inercia, normalmente impulsados por una banda de rodillos que están en el piso. El volante de inercia se puede utilizar para simular la inercia del vehículo durante la aceleración, la desaceleración y los modos de deslizamiento cuesta bajo. Es utilidad en los problemas de diagnóstico del motor y del tren impulsor. El volante se puede enganchar o desenganchar por medio de una palanca operada manualmente.

Cuando realice cualquier tipo de pruebas con un dinamómetro, asegúrese que el motor o el vehículo esté seguro. Si se emplean métodos de prueba inadecuados puede dañarse el vehículo o el motor. Asegúrese de seguir todos los procedimientos recomendados por el fabricante de vehículos y por el fabricante del equipo que se está utilizando (dinamómetro). Se debe recordar que todos los resultados observados durante las pruebas de dinamómetros son válidas sólo para las condiciones existentes en el momento de la prueba, incluyendo el estado del motor y del vehículo.

COMPONENTES DEL MONOBLOC

INTRODUCCION

El monobloc es la estructura de soporte principal en la cual se sujetan todas las partes del motor. Contiene los pistones, el cigüeñal y las bielas así como los conductos o cavidades de lubricación y enfriamiento. En muchos casos también contiene las punterías y árbol de levas. Los cilindros guían los pistones y las cavidades de las punterías guían a éstos. Los cojinetes principales y las tapan soportan el cigüeñal y sus rodamientos. La parte inferior del monobloc forma la base superior del cigüeñal. Los orificios barrenados y roscados y las espigas de sujeción proporcionan los medios para el montaje y alineación de otras partes del motor. Esta capítulo explica estas partes (fig 9-1 y 9-2).

FUNCION Y CONSTRUCCIÓN DEL MONOBLOC

Los monoblocs están construidos de una aleación de hierro fundido o de aluminio. El hierro fundido es más pesado y más rígido que el aluminio. Los monoblocs de aluminio tienen secciones

reforzadas para lograr la rigidez necesaria. El hierro fundido satisface los requisitos necesarios para tener una buena superficie en la pared del cilindro, mientras que los monoblocs de aluminio deben utilizar una pared con tratamiento de silicona en el cilindro, una capa delgada de carbón y fibras de óxido de aluminio, hierro fundido o revestimientos o camisas de acero en el cilindro (fig. 9-3).

Los monoblocs se fabrican por medio de un proceso de fundición. El metal fundido se vacía en un molde con núcleo a base de arena para formar los cilindros, el cigueñal, las camisas de agua, las cavidades de los cojinetes, etc. Los orificios burdos que salen a los lados del monobloc, en los cuales el núcleo de arena está soportado, se maquinan y se cierran con tapones de metal suave. Estos tapones o tapas se conocen como tapones del núcleo, tapas cubreescarcha o tapas de expansión (fig. 9-4 y 9-5). Los monoblocs para motores enfriados por aire no tienen camisas de agua o tapas de núcleo. El área del cilindro es fundida con aletas externas para ayudar al enfriamiento (figs. 9-6 y 9-7).

Los conductos del aceite son también fundidos en el monobloc o barrenados y taponeados durante el proceso de maquinado. Se requiere que los conductos del aceite proporcionen lubricación a los rodamientos y punterías, así como otras partes del motor.

Las superficies de acoplamiento del monobloc se maquinan cuidadosamente para proporcionar superficies sellantes que sujetan las cabezas de cilindro, la tapa del distribuidor el recipiente del aceite y el compartimiento del embrague. Las tapas del rodamiento principal se instalan, así como las cavidades del mismo, y del árbol de levas se alinean para permitir que las flechas giren libremente.

Se debe poner particular atención a partes como la superficie de la cubierta del monobloc y la línea central del cigüeñal: deben estar paralelas. La línea central del cilindro debe estar exactamente a 90° en relación con la línea central del cigüeñal para asegurar el movimiento libre del pistón sin crear una tensión lateral en los pistones, rodillos y cilindros.

Las cavidades de las punterías se maquinan en ángulos rectos con las cavidades del árbol de levas. Los orificios se barrenan y se roscan para permitir sujetar las partes y accesorios.

Fig. 9-2

Monobloc común de cuatro cilindros

Fig.9-3

Monobloc con revestimientos (camisas) reemplazables del cilindro.

Motores bimetálicos

Los motores bimetálicos tienen un monobloc de hierro fundido y una cabeza de cilindro o culata de aluminio. Una diferencia considerable se establece en la relación de expansión térmica entre estos dos metales. Ello requiere de consideraciones especiales de diseño para mantener una sujeción y sellado adecuados de las juntas de la cabeza del cilindro. Los motores que están hechos totalmente de aluminio o de hierro fundido tienen relaciones de expansión térmica que es igual entre la cabeza del cilindro y el monobloc, haciendo más fácil el sellado entre estas partes (fig. 9-8).

Fig- 9-4

Dos tipos de tapas de núcleo (tapa antiescarcha) se utilizan para sellar los orificios que quedaron en el monobloc del proceso de fundición: el tipo disco (izquierda y el tipo copa (derecha).

Fig 9-5

Tapón típico roscado del conducto de aceite con expansión cuadrada y el extremo del árbol de levas tipo copa.

Monoblocs de motores a diesel

Los monoblocs para los motores a diesel se fabrican de hierro fundido y son de construcción más pesada que los monoblocs para motores a gasolina de tamaño similar. Se requiere de mayor rigidez y tensión debido a que se producen presiones de combustible muchos mas altas en el motor a diesel. Esto resulta en cargas más pesadas que se imponen a los cilindros, el cigüeñal y los soportes de los rodamientos principales. Las tapas de estos últimos son también más pesadas por la misma razón y pueden diseñarse de cuatro pernos.

FIG. 9-6

El monobloc enfriado por aire tiene bloc de cilindro externos.

Fig. 9-7

Las copas de cilindro con aletas removibles, se utilizan en algunos motores enfriados por aire. Nótense las flechas que indican el empuje principal y menor del piston contra las paredes del cilindro.

Fig. 9-8

Relación de expansión del motor de hierro fundido (centro) y el motor bimetálico (abajo)

Se puede decir que en cualquier motor la presión del cilindro actúa sobre el motor para tratar de empujar la cabeza del cilindro a su parte superior y de empujar el cigüeñal a la parte inferior. La fuerza de ésta presión del cilindro, siendo mucho mayor en los motores a diesel, requiere de una tensión incrementada en el cigüeñal y en el área del rodamiento principal, así como en la cabeza del cilindro y en los barrenos de los pernos del cilindro en el monobloc.

Aparte de la resistencia incrementada que se requiere en los monoblocs de los motores a diesel, la construcción es por lo general la misma que para los motores a gasolina. Algunos motores tienen camisas de cilindros reemplazables; otros no.

Diseño del monobloc

Los diseños de monoblocs incluyen arreglos en línea, en V, de cilindros opuestos y en W. Los monoblocs en línea más comunes tienen tres, cuatro, cinco o seis cilindros, aunque también se utilizan versiones de dos y ocho cilindros. El monobloc en V tiene dos bancos de cilindros (la mitad de los cilindros en cada banco) colocados en forma de V. Se utilizan versiones de cuatro, seis, ocho, 10 y 12 cilindros. El ángulo en V puede ser de 90, 60, 35, o 15 grados. Un modelo deportivo presenta un motor de 48 válvulas, seis levas, con monobloc en W, con tres bancos de cuatro cilindros cada uno. El monobloc opuesto tiene dos bancos de cilindros de 180° de separación con la mitad de los cilindros en cada banco. Los motores de cuatro y seis cilindros son los más comunes

Cilindros y recubrimientos de cilindros (camisas)

Los cilindros se pueden fundir en forma integral con el monobloc, o se puede prever el reemplazo de las camisas del cilindro. En la mayor parte de los motores para automóviles y camionetas ligeras no tienen reemplazo las camisas de cilindro. Los motores mas grandes normalmente cuentan con camisas de cilindro. Los motores más grandes normalmente cuentan con camisas de cilindro. Se utilizan tanto camisas de tipo húmedo como de tipo seco. (Fig.9-9). La camisa de tipo seco es de contacto completo de metal a metal con el monobloc. La camisa de tipo húmedo esta en contacto con el monobloc solo en la parte superior y en la inferior, donde se sellan para evitar enfriamiento de las fugas al cigüeñal o en la cámara de combustión. Un motor con monobloc de aluminio cuenta con tres camisas de cilindro de libre posición que sellan a la mitad del recorrido de ascenso en la parte exterior de las camisas contra el monobloc pero que están selladas en la parte superior solo contra la cabeza del cilindro. Otro monobloc de aluminio utiliza silicona impregnada en las paredes del cilindro para evitar el desgaste ya que los cilindros únicamente de

aluminio se desgastan muy rápido. Las camisas húmedas de cilindro normalmente se hacen de una aleación de hierro fundido, mientras que las camisas secas, de acero.

Los cilindros se maquinan y afilan a un terminado muy preciso para una buena lubricación y un adecuado asentamiento de los anillos. A las paredes del cilindro se les da un acabado final de 25 a 30 micropulgadas con un bruñidor fino. Las “rayas” ligeramente visibles producidas por el bruñidor forman un patrón de rayado de intersección de 50 a 60° (Fig. 9-10) para ayudar en la lubricación.

FIGURA 9-9

Algunos motores tienen camisas de cilindros removibles como éstas, el tipo seco no hace contacto con el refrigerante del motor. El tipo húmedo es una camisa pesada de pared gruesa, mientras que la camisa seca es mucho mas ligera.

FIGURA 9-10

Todos los cilindros, ya sean integrales o removibles, se maquinan para proporcionar una superficie con un patrón de rayado de 50 a 60° con acabado de 25 a 30 micras, lo cual es visible pero no se puede sentir con la mano.

Numeración de los cilindros y orden de encendido

La numeración de los cilindros normalmente se hace del frente hacia atrás, o de la posición extrema al volante, en los motores en línea. (Esto no siempre es así). En los motores en V, el cilindro delantero mas alejado normalmente es la posición número uno. Los cilindros restantes

pueden numerarse de 1 a 4 en el banco derecho, y de 5 a 8 en el banco izquierdo, o pueden ser numerados en forma alternada de un lado a otro en secuencia, a medida que las bielas se montan en el cigüeñal (Fig. 9-11)

Los fabricantes deciden el orden de encendido de los cilindros que tendrá el motor. El sistema de numeración de los cilindros utilizado, y el diseño del cigüeñal determinaran el orden de encendido de un motor.

FIGURA 9-11

Los fabricantes de motores emplean una variedad de sistemas de numeración de cilindros y órdenes de encendido; algunos se muestran aquí.

Desgaste del cilindro

Durante el funcionamiento, el monobloc está sujeto a grandes cambios de temperatura, presión de combustible y esfuerzo de expansión y contracción, desgaste de cilindros por el empuje del pistón, presión de los anillos, abrasivos (posible rayado) o distorsión.

Las principales fuerzas de empuje del pistón contra la pared del cilindro ocurren como resultado de la presión de combustión contra el pistón y el ángulo de la biela durante la carrera de explosión (fig. 9-12). El empuje del pistón es considerablemente menor durante las otras carreras.

El empuje del pistón es considerablemente menor durante las otras carreras. El empuje del pistón contribuye al desgaste del cilindro.

FIGURA 9-12

El empuje menor del piston contra la pared del cilindro ocurre durante la carrera de compresión. El empuje principal tiene lugar en el lado opuesto del cilindro durante la carrera de explosión.

Los anillos del pistón empujan y se deslizan contra las paredes del cilindro a medida que el pistón asciende y desciende. Las pequeñas partículas de carbón y otros abrasivos que pueden entrar en el aceite lubricante pueden causar el desgaste.

El calor y la presión son más severos cuando el pistón está cerca del punto superior en la carrera de explosión. La lubricación en este punto y bajo estas condiciones es menos efectiva. Consecuentemente, resulta un mayor desgaste del cilindro cuando tiene lugar un estrechamiento del mismo en la parte superior del recorrido del anillo en el cilindro. Este desgaste origina un surco en la parte superior de este. (Fig. 9-13)

FIGURA 9-13

La mayor cantidad de desgaste del cilindro ocurre cerca de la parte superior de éste. Aquí es donde hay más calentamiento, menos lubricación y más presión del anillo contra las paredes del cilindro debido a las altas presiones de combustión.

Se pueden desarrollar puntos críticos como resultado de la corrosión y formación de sarro en la camisa de agua. Esto evita una buena transferencia de calor al refrigerante del motor y ocasiona que esta área del cilindro se sobrecaliente, lo que puede resultar en una superficie distorsionada y ondulada en el cilindro. Si hay una severa transferencia de metal del anillo del pistón a la pared del cilindro el pistón puede rayar al cilindro.

Un gorrón fijo, anillos rotos, suciedad y carbón también pueden dañar las paredes del cilindro (Fig.9-14). Una mezcla de combustible excesivamente rica puede ocasionar que la lubricación se erosione y se incremente el desgaste del cilindro.

Los pernos de cabeza del cilindro apretados en forma incorrecta o por un choque térmico (cambios de temperatura súbita y extrema) pueden provocar la distorsión del cilindro. La filtración del refrigerante a la cámara de combustión puede provocar corrosión, así como combustión por productos ácidos, especialmente si no se le da al motor servicio frecuente.

FIG. 9-14

Los cilindros pueden llegar rayarse debido a la ruptura de los anillos, suciedad o carbón, manchas calientes, un gorrón flojo, pérdida de lubricación u holgura del pistón al cilindro.

Cavidades del rodamiento principal

Las cavidades del rodamiento principal soportan al cigüeñal y a los cojinetes principales. Las tapas del rodamiento principal deben absorber toda la fuerza impuesta por todos los impulsos de potencia del motor. Estas cargas son bastante altas y pueden causar excentricidad y desalineamiento a la vez (fig. 9-15). Las cargas radiales de aproximadamente 3 toneladas por impulso de potencia se imponen en el cigüeñal y en las tapas del rodamiento principal. A una velocidad de 3000 rpm, un motor de 8 cilindros sometería las tapas del rodamiento principal a 12000 impactos por minuto. Para soportar tal castigo, las tolerancias y los valores de par del motor deben ser muy precisos. Los motores más grandes utilizan rodamientos principales de diámetro mayor y tapas del rodamiento principal de cuatro pernos (fig. 9-16).

Fig 9-15

Cavidad del asiento del rodamiento principal desalineado y excéntrico.

Fig. 9-16

Apoyo común de cuatro pernos del rodamiento principal.

Cavidades de rodamientos del árbol de levas

Las cavidades del árbol de levas soportan a éste y están sujetas a las cargas impuestas por los resortes de las válvulas durante la operación de estás. Las cavidades de los rodamientos deben estar alineadas para permitir una rotación adecuada del árbol de levas y una distribución uniforme del desgaste. Las cavidades de los rodamientos del árbol de levas en el monobloc no se distorsionan debido a la operación normal, pero pueden distorsionarse por la distorsión del monobloc. La deformación en la cabeza del cilindro puede causar desalineamiento en la cavidad superior del rodamiento de las levas.

Cavidades de las punterías

Las cavidades de las punterías están sujetas a desgastes y ralladuras debido a los abrasivos como carbón y barniz, particularmente si el aceite del motor no se ha cambiado en intervalos regulares.

Conductos o galerías

Los conductos de aceite pueden llegar a restringirse debido a la formación de sedimentos. La lubricación deficiente de las partes móviles puede originar el taponamiento parcial de los conductos.

Camisas de agua

Las camisas de agua alrededor de los cilindros pueden acumular residuos, sarro y óxido lo cual reduce la capacidad para transferir calor y la circulación del refrigerante, lo que provoca el sobrecalentamiento y distorsión del monobloc. Los tapones de núcleo en las camisas de agua quizá se vean bien por el exterior, pero pueden estar corroídas y casi oxidadas completamente en su interior.

FUNCIÓN Y CONSTRUCCIÓN DEL CIGÜEÑAL

El cigüeñal convierte el movimiento reciprocante de los pistones en movimiento giratorio. Toda la potencia producida por los cilindros se transfiere al cigüeñal, el cual la trasmite al volante o al convertidor de par. El cigüeñal está apoyado por los insertos de rodamiento de precisión tipo dividido ( dospiezas) que reducen el desgaste y fricción. Los sellos delantero y trasero evitan las fugas de aceite del cigüeñal. El cigüeñal y sus partes relacionadas se muestran en la Fig. 9-17

Fig. 9-17

El cigüeñales automotrices son de acero fundido, hierro fundido o forjado. El forjado es un procedimiento más costoso. El proceso del fundido ha ido mejorando considerablemente a través de los años y un cigüeñal de fundición trabaja en forma muy satisfactoria.

Los apoyos del rodamiento principal se maquinan a un a acabado altamente pulido y están alineados perfectamente uno con el otro. Los apoyos del rodamiento principal se montan en el monobloc con insertos del rodamiento de precisión de tipo dividido, los cuales se mantienen en su lugar, por las tapas del rodamiento principal. El cigüeñal gira libremente en estos rodamientos.

Los codos de biela están descentrados de la línea media del cigüeñal, lo cual hace que estos pernos de biela orbiten la línea central del cigüeñal a medida que gira la fecha. La distancia del centro de apoyo del rodamiento principal al centro del codo de la biela es exactamente la mitad de la carrera del motor. A esto se llama recorrido de la biela (Fig. 9-18)

Fig. 9-18

La carrera de un motor se determina por el diseño del cigüeñal y es exactamente dos veces del recorrido de la biela.

Unas lenguetas en la parte trasera del cigüeñal proporcionan los medios para montar el volante o plato convertidor de impulsión. Un apoyo de sello dse maquina justo delante de la lengüeta para permitir que el sello posterior de aceite evite con efectividad fuga de aceite que pase por éste. Una lanzadera integral de aceite que pase por éste. Una lanzadera integral de aceite también es provista justo adelante del apoyo de sello para desviar el aceite del sello. Esto incrementa la efectividad del sello.

La parte frontal del cigüeñal se maquina con una hendidura para el piñón impulsor del cigüeñal y el amortiguador de vibraciones. El sello de aceite frontal, está ubicado en la tapa de la distribución, los sellos están entre la tapa y el casquillo del amortiguador de vibraciones. Una lanzadera de aceite desvía éste del sello. En algunos diseños el cigüeñal impulsa el rotor interno de la bomba de aceite a través de la superficie plana de la nariz del cigüeñal.

La superficies de empuje se maquinan en los lados de los apoyos del rodamiento principal. Estas superficies de empuje y el rebordeado del rodamiento principal controlan la holgura del cigüeñal.

Los orificios de aceite se barrenan desde los apoyos del rodamiento principal a los apoyos del codo de la biela para lubricar los rodamientos de la misma. Los rodamientos principales reciben su lubricación de los conductos de aceite en el monobloc. (fig. 9-19 y 9-20)

Fig.9-19

Terminología del cigüeñal y vista punteada de los conductos del aceite

Fig. 9-20

Detalles del extremo frontal (superior) del cigüeñal y extremo trasero (inferior).

Los cigüeñales tienen secciones pesadas de metal, o contrapesos, opuestos al recorrido de la biela. Los contrapesos, opuestos al recorrido de la biela. Los contrapesos compensan el peso de recorrido para proporcionar balance al cigüeñal. El balanceo final se logra al barrenar los contrapesos o algunas veces también al eliminar algo de metal de los codos de la biela. Esto proporciona al motor un funcionamiento más suave, y una vida más prolongada al cigüeñal y al rodamiento. Algunos motores utilizan balancines para mejorar el balance del motor.

El diseño del cigüeñal varía de un motor a otro. Los cigüeñales para cuatro cilindros tienen cuatro codos de bielas y normalmente tres o cinco apoyos de rodamiento principal. Los codos de las bielas se posesionan separadas 180° para proporcionar impulsos de potencia espaciados uniformemente.

Los cigueñales para motores de seis cilindros en línea tienen seis codos de biela cuatro o siete apoyos de rodamiento principal. El cigüeñal de cuatro rodamientos principales debe ser de una construcción más pesada que el de siete rodamientos principales. Los codos de biela están espaciados 120° para el encendido uniforme de los cilindros.

El cigüeñal en v6 tiene cuatro apoyos principales y seis recorridos de bielas(figs. 9-21 y 9-22). El cigüeñal en v8 tiene cinco apoyos principales y cuatro recorridos de bielas. Cada codo tiene dos bielas sujetas a él. Los recorridos de biela están espaciados 90° para un encendido uniforme de los cilindros (fig. 9-23).

Fig. 9-21

Orden y diseño de encendido uniforme del motor v6 a 90° con codos de biela desbalanceados.

Fig. 9-22

Cigüeñal con codo de biela desbalanceado 30° como se usa en un motor v6 a 90° para proporcionar intervalos de encendido uniforme (120° de rotación del cigüeñal entre todos los encendidos del cilindro) Esto hace que un motor funcione con más suavidad. Otro motor v6 a 90° tiene un desbalance de 15° y encendidos no uniformes

Balancines o Engranes

En los motores de seis y ocho cilindros las fuerzas de inercia del pistón alternativo y de los ensambles de varillas se pueden compensar más fácilmente por el empelo de contrapesos en el cigüeñal. Esto se puede hacer debido a la indización más cercana de la biela. En motores de cuatro cilindros esto no es posible. Para compensar estas fuerzas algunos motores de cuatro cilindros utilizan dos balancines o engranes de contrapeso que giran en direcciones opuestas y lo hacen dos veces la velocidad del cigüeñal. Estos contrapesos proporcionan fuerzas iguales pero opuestas a las fuerzas verticales del motor. Los balancines o engranes se deben sincronizar para posesionar el cigüeñal (figs. 9-24 y 9-25)

Fig. 9-24

Fig. 9-25

Detalles del sistema de flecha de contrabalanceo de un diseño de motor de cuatro cilindros. Los balancines proporcionan fuerzas iguales pero opuestas a las fuerzas verticales del motor. Los balancines giran dos veces la velocidad del cigüeñal y están sincronizados a la posición del cigüeñal.

El engrane de anillo de la marcha es de tipo de ajuste por contracción en el volante y también puede estar soldado a él. El engrane de anillo se calienta antes de instalarse. Al calentarse el engrane de anillo aumenta de diámetro, permitiendo que se deslice con facilidad sobre la superficie de montaje del volante. A medida que el engrane de anillo se enfría, se contrae hasta quedar muy apretado. El anillo está sujeto por una pestaña en el volante opuesto al engrane impulsor de la marcha. Los volantes se balancean con precisión eliminando metal de las áreas pesadas por medio de barrenos. Las placas flexibles se balancean con pesos llamados clips de balanceo (fig. 9-26)

Problemas en el volante

Se puede presentar una cantidad de problemas que terminen afectando el funcionamiento del motor. Algunos de los problemas más comunes y sus efectos son los siguientes:

1. Los dientes del engrane de anillo dañados degastados pueden evitar el acoplamiento con el piñón de ataque de la marcha y dañarlo.

2. La superficie de fricción del embrague desgastada o sobrecalentada puede causar el patinado del embrague y daño a esté y el volante.

3. El volante sin movimiento puede provocar vibración, mala liberación del embrague y el patinado del mismo.

4. Un engrane de anillo de la marcha flojo puede girar el volante mientras se intenta arrancar el motor, lo que evita que el motor arranque y origina el desgaste del volante

Fig. 9-26

Volante de plato flexible para transmisión automática equipado en el motor. Nótese los pesos de balance.

FUNCION Y CONSTRUCCIÓN DEL BALANCIN ARMONICO

El balancín armónico o amortiguador de vibraciones es necesario para amortiguar las vibraciones normales de torsión del cigüeñal. A medida que se enciende cada cilindro origina, que se acelere el recorrido. La inercia del resto del cigüeñal hace que permanezca ligeramente atrás, lo que resulta en una acción de torsión en el cigüeñal. Las pulsaciones de torsión de los encendidos sucesivos del cilindro crean frecuencias vibraciones que varían con la velocidad del motor y con el número de cilindros. El amortiguador de vibraciones reduce el efecto de estas.

El amortiguador de vibraciones consiste principalmente en un cubo y un anillo de inercia. E l anillo de inercia acoplado al cubo a través de un inserto de elastómero flexible ( compuesto de hule) (fig. 9-27). El anillo de inercia se mueve ligeramente con relación en la rotación del cigüeñal a medida que se enciende cada cilindro amortiguando por tanto las vibraciones torsionales en un amplio rango de velocidades del motor.

Algunos de los amortiguadores están diseñados con dos anillos de inercia de diferentes tamaños para un control más efectivo en un amplio rango de frecuencias vibratorias.

Problemas del balancín armónico

En un periodo prolongado, el elastómero puede deteriorarse o el acoplamiento puede dar de sí, lo que disminuye la eficiencia del amortiguador o que se originen las vibraciones. Un amortiguador dañado debe reemplazarse. En un diseño de amortiguadores cuando el cubo es también un muñón de sello, éste puede originar una ranura lo que resulta en una fuga de aceite (fig. 9-28). Una reparación de tipo manguito se puede restablecer la función del amortiguador si está en buenas condiciones. El cubo puede requerir maquinado en algunos casos para darle cabida al manguito.

Fig. 9-28

Construcción del balancín armónico

RODAMIENTOS DEL CIGÜEÑAL FUNCIÓN Y CONSTRUCCIÓN

Los rodamientos principales y de las bielas reducen la frcción y el desgaste. Proporcionan los medios para facilitar la reparación y simplificar el reemplazo. Los rodamientos principales del cigüeñal y los de las bielas son de tipo de inserción dividida de precisión (Fig. 9-29 a 9-31). Los rodamientos tienen respaldo de acero y tienen capas laminadas de materiales de revestimineto

más suave. Las aleaciones, incluyendo materiales como el cobre, aluminio y plomo se utilizan como revestimientos de rodamientos.

Fig. 9-29

Construcción típica del rodamiento en capas

Fig. 9-30

Dos tipos de inserto de precisión de rodamiento

Fig. 9-31

Juego completo de insertos de precisión del rodamiento principal. Nótese el rodamiento principal rebordeado y la diferencia entre los casquillos de rodamiento superior e inferior.

Los rodamientos tienen diversidad de características y rasgos de diseño que prolongan su vida de servicio. Uno de los todamientos principales tienen pestañas (Superficies de empuje) para controlar la holgura del cigüeñal (Fig. 9-32 y 9-33). Los orificios y ranuras de lubricación facilitan el mantener una buena película de aceite entre el rodamiento y el muñón. Las orejas de colocación alinean la ubicación del rodamiento en la cavidad (Fig. 9-34).

Fig. 9-32

Superficies maquinadas sobre el muñon del cigüeñal contra el rodamiento principal rebordeado para controlar la holgura del cigüeñal.

FIg. 9-33

Algunos tipos de motores utilizan arandelas de empuje separadas en lugar de un rodamiento principal rebordeado para controlar la holgura del cigüeñal.

Fig. 9-34

Localización de orejas ( espigas de rodamiento) que se fijan a las ranuras en la cavidad del rodamiento para evitar el movimiento delantero y trasero de los insertos de rodamiento. La rotación del rodamiento en su cavidad también se evita por de estas orejas.

La altura de choque asegura una buena presión radial del rodamiento contra la cavidad para una buena transferencia de calor (figs. 9-35 y 9-36). La dispersión del rodamiento mantiene a esta en

posición durante el ensamble (fig. 9-37). Buenas características de rodamiento incluyen adaptabilidad, empotrabilidad, resistencia a la fatiga, resistencia a la corrosión y vida prolongada.

Fig 9-35

Cuando los rodamientos están en su lugar y antes de apretarse se extienden ligeramente pasando por las superficies planas de la biela o de las cavidades y sombreretes del rodamiento principal. A esto se le llama altura de apriete.

Fig 9-36

El apriete adecuado del rodamiento crea una precisión radial de éste contra su cavidad para una buena transferencia de calor y capacidad par transportar la carga. Cualquier suciedad o materia extraña entre el inserto del rodamiento y la cavidad anularán estas cualidades y reducirían el diámetro interno del rodamiento.

Fig. 9-37

La expansión del rodamiento se hace necesaria para colocar éste en su lugar cuando se instala. El rodamiento está ligeramente excéntrico antes de instalarse, pero se hace redondo cuando se coloca en la biela o en la cavidad del rodamiento principal. Esto ayuda a mantener el rodamiento en su lugar durante el ensamble.

Holgura entre rodamientos

La holgura entre los muñones o apoyos y los rodamientos debe ser de dimensiones precisas para poder mantener una buena película de aceite y evitar así el contacto de metal a metal. Tan pronto como esta película de aceite se rompe, hay un rápido desgaste en los rodamientos y el cigüeñal.

La holgura del rodamiento sobre el apoyo es hasta de 2pulg. de diámetro (62.5mm) y por lo general de 0.001 a 0.003 pulg. (0.025 a 0.080mm). El apoyo giratorio fuerza al aceite entre aquél y el rodamiento en el lado carga en la dirección de rotación del apoyo cuando la holgura del rodamiento es correcto (Figs. 9-38 y 9-39). Esto se conoce como lubricación hidrodinámica. La capacidad para mantener la lubricación hidrodinámica disminuye rápidamente con el incremento de la holgura en el rodamiento.

Fig 9-38

La holgura del rodamiento proporciona espacio para el aceite entre la flecha y el rodamiento. La rotación de la flecha y la presión del aceite se combinan para producir lubricación hidrodinámica. Esto soporta la flecha sobre la película de aceite.

Fig. 9-39

Una cantidad de rociado de aceite es normal y depende que estén correctas las holguras del rodamiento. El aceite salpicado ayuda a lubricar las paredes del cilindro, los gorrones y los lóbulos de las levas.

Las holguras excesivas entre rodamientos también incrementan la cantidad de aceite desechado de los rodamientos. Una cierta cantidad de aceite desechado es necesario para la circulación del mismo y la lubricación de otras partes internas del motor. Sin embargo, si el aceite desechado es excesivo, la cantidad de aceite lanzado en las paredes del cilindro es más de lo que puedan eliminar los anillos. Como resultado de esto, el aceite pasa por los anillos en la cámara de combustión donde se quema (Figs. 9-40 y 9-41). Un examen más minucioso de los rodamientos indicará las razones de porqué fallan, como se muestran en las Figs. 9-42 y 9-43.

Fig. 9-40

Con una holgura correcta del rodamiento, la cantidad de aceite desechado desde la flecha de rotación es mínima. Cuando la holgura es doble, el aceite salpicado es cinco veces mayor; si la holgura es cuatro veces grande el aceite salpicado es 25 veces mayor. Los anillos del pistón no pueden rascar este exceso de aceite de las paredes del cilindro, por lo que el aceite entra a la cámara de combustión y se quema.

Fig. 9-41

Una salpicado excesivo de aceite origina que éste pase por los anillos del pistón a la cámara de combustión.

Fig. 9-42

La holgura incorrecta del cigüeñal provocó falla de la pestaña de empuje sobre este rodamiento principal.

Fig. 9-43

Fallas de rodamientos y sus causas

SELLOS DE ACEITE DEL CIGÜEÑAL: FUNCION Y CONSTRUCCION

Los sellos de aceite del cigüeñal están diseñados para evitar que el aceite del motor se fugue por los extremos delantero y trasero del cigüeñal, asi como para evitar la entrada de de suciedad o de material extraño de cualquier clase. Existen varios diseños de sellos de aceite del cigüeñal, incluyendo el de tipo mecha o cuerda, el de caja metálica circular de hule sintético tipo boquilla (con o sin resorte de tensión) y el de sello de hule dividido de tipo boquilla (Fig, 9-44 y 9-45). El que esta al frente del cigüeñal normalmente está colocado en la cubierta frontal, proporcionando un sello ente éste y el cubo del balancín armónico. El sello del aceite del rodamiento principal de la parte trasera está colocado en la mitad superior de la cavidad del rodamiento principal y en la tapa del mismo. El sello principal redondo posterior se ajusta a presión en el monobloc y se sella contra la superficie maquinada en el reborde del cigüeñal.

FIGURA 9-44

Sello de aceite trasero del rodamiento principal tipo boquilla de dos piezas.

FIGURA 9-45

Sello de aceite trasero del rodamiento principal tipo mecha o cuerda.

Problemas con los sellos de aceite.

Los sellos de aceite del rodamiento principal están sujetos a desgaste y a calentamiento. Cuando los sellos se llegan a endurecer, pierden su flexibilidad y su capacidad para sellar. Una holgura excesiva en el rodamiento principal reducirá también la capacidad del sello posterior del rodamiento principal para que funcione adecuadamente.

El sello frontal del cigüeñal puede hacer una ranura dentro del cubo del balancín armónico en un largo período. El reemplazo del balancín corregirá esta condición. En otro método de reparación se utiliza una camisa de pared delgada para cubrir el cubo del amortiguador de vibraciones, si está desgastado. (Fig.9-46)

FIGURA 9-46

Camisa en su sitio para reparación del balancín armónico.

FUNCION Y CONSTRUCCION DE LA BIELA

La biela transmite la fuerza y el movimiento del pistón al cigüeñal en la carrera de explosión. Mueve el pistón hacia arriba en las carreras de compresión y escape y lo baja en la carrera de admisión.

El tipo de balancín usado en forma de 1 de biela, es el mas común (fig.9-47). El extremo ancho de la cabeza de la biela está dividida para facilitar su conexión al cigüeñal.

FIGURA 9-47

Vista explosiva del pistón y el ensamble de la biela con sus partes identificadas.

La cabeza de la biela y el yugo están acoplados y su relación no se debe alterar. Tanto la biela como el apoyo o muñon normalmente están numeradas (fig, 9-48). Los pernos y tuercas especiales de precisión de la biela mantienen al apoyo en alineación adecuada con el cuerpo de la biela mantienen al apoyo en alineación adecuada con el cuerpo de la biela. Algunas bielas tienen un orificio salpicador de aceite en el yugo o en la superficie del apoyo para proporcionar lubricación a la pared del cilindro y ayudar al flujo del aceite (Fig.9-49). Las marcas de montaje en el yugo de la biela y en el apoyo proporcionan un posicionamiento adecuado del rodamiento. (Fig.9-50)

FIGURA 9-48

Las bielas y los apoyos están numerados para su identificación y adecuado ensamble.

FIGURA 9-49

Los orificios salpicadores lubrican las paredes del cilindro y ayudan a hacer fluir el aceite a través del rodamiento.

FIGURA 9-50

Ranuras de localización del rodamiento

El extremo pequeño o pie de biela está sujeto al pistón por medio de un pasador llamado gorrón, que se fija a presión en la biela, se sujeta al perno o tiene un buje en él para permitir que el perno y el cuerpo de la biela oscilen (Fig. 9-51)

Fig. 9-51

Diferentes métodos de retención del perno. El perno superior oscila en el pistón y la biela (flotamiento completo); el segundo perno se fija a la biela a presión y oscila sólo en el pistón; el

tercer perno se sujeta a la biela, éste oscila sólo en el pistón; el perno inferior se asegura al pistón y oscila sólo en la en la biela.

La biela experimenta cargas y velocidades altas así como un cambio constante de dirección. Al sobrecargar el motor puede causar que se doblen las bielas y falle el rodamiento. El extremo ancho o cabeza de la biela también puede llegar a ser excéntrica como resultado de cargas altas y mucho kilometraje.

Las bielas en motores diesel

Las bielas en la mayor parte de los motores a gasolina son fundidas, mientras que las bielas de los motores a diesel son forjadas. Los motores a gasolina de alto rendimiento también tienen las bielas forjadas o de titanio. Muchas de las bielas para motores a diesel son ranuradas en espiral a lo largo del cuerpo de la biela para proporcionar una buena lubricación al perno del pistón. En algunos casos, estos conductos de aceite se utilizan también para proporcionar enfriamiento al pistón. En este caso, la parte superior de la biela tiene un inyector dirigido a la parte de abajo del pistón.

La cabeza del cuerpo de la biela en algunos casos se desbalancea para reducir las cargas impuestas en los pernos del cuerpo de la biela y permitir holgura para retiro de ésta a través del cilindro. Algunos apoyos se sujetan por medio de tornillos más que por pernos y tuercas. La cabeza de la biela está roscada en este caso. L a cabeza de biela y el apoyo pueden estar provistos con una lengüeta y un surco maquinados con precisión para proporcionar alineación ferfecta en ambas mitades superior e inferior de la cavidad del rodamiento.

FUNCION Y CONSTRUCCION DEL PISTON

El pistón forma la parte inferior móvil del cilindro y la cámara de combustión. Está diseñado para soportar cargas y temperaturas normales y proporcionar un prolongado servicio en estas condiciones. El pistón debe absorber todo el empuje que un cilindro es capaz de producir. La mayor parte de los pistones automotrices están fabricados con una aleación especial de aluminio debido a que es más ligero (Fig. 9-52)

Fig. 9-52

Pistón común automotriz

Se utilizan varios diseños de pistones en los motores a gasolina. Los diseños de las cabezas de pistón incluyen el tipo domo, plato, plano y ranurado (Fig. 9-53). Con frecuencia se incluyen ranuras tipo ceja para holgura en la válvula. Una pequeña muesca o flecha en la orilla frontal de la cabeza del pistón indica la posición adecuada para la instalación del mismo.

Fig. 9-53

Diferentes diseños de ranuras de cabezas de pistón

Tres o cuatro surcos o ranuras son para los anillos del pistón. Partes planas separan las ranuras de los anillos. Orificios redondos o ranurados están ubicados en o justamente debajo de la ranura del anillo inferior para permitir que el aceite se deseche de las paredes del cilindro por medio de los anillos y luego regrese al cigüeñal (Fig. 9-54)

El diámetro de la cabeza del pistón ( el cual incluye el área del anillo) es aproximadamente de 0.030 pulg. (0.76 mm) más pequeño que el diámetro de la falda. Esto es necesario puesto que la parte superior del pistón está sujeto a las temperaturas más altas, aproximadamente a 500 ° F (260 ° C), y también a su mayor expansión. La cabeza del pistón es redonda, mientras que la falda del pistón es plana (de forma ligeramente ovalada) (Fig. 9-55)

Fig. 9-55

El ejemplo de dimensiones del pistón de base de la leva.

La ranura horizontal en el pistón, justamente arriba de la falda, actúa como amortiguador térmico para evitar que la cabeza del pistón se caliente y tenga una trayectoria directa de recorrido al área de la falda. La holgura entre la falda del pistón y la pared del cilindro se debe mantener tolerancias muy precisas.

La falda del pistón tipo leva ( de forma ligeramente ovalada) es más grande en diámetro a través de las superficies de empuje si se le compara con el diámetro paralelo del perno del pistón. Esto permite que el pistón se fije mejor al cilindro cuando esta frío, así como a temperaturas de operación. En otras palabras, la holgura, entre la falda del pistón y el cilindro en los lados de empuje, permanece relativamente constante si el motor está frío o a su temperatura de operación. Puesto que la ranura arriba de la falda y del área de liberación del seguro (clip de sujeción), la expansión tiene lugar en forma paralela al perno. A medida que el pistón se expande y llega a ser más redondo, entra en contacto un área más amplia de lado de empuje (falda) del pistón con la pared del cilindro (Figs. 9-55 y 9-56)

Fig. 9-56

Acción del pistón de base de la leva (a) EL pistón es frío y de forma ovalada (exagerado). (b) El pistón está a la temperatura de operación y se expande a través del eje del perno para hacerse redondo.

Un puntal de acero se utiliza en muchos diseños de pistón para ayudar a controlar la dirección de expansión de éste, así como para reforzarlo (Fig. 9-57)

Fig. 9-57

El puntal de acero se usa en algunos diseños de pistón para ayudar a controlar la dirección de expansión.

Problemas con el pistón

El pistón está sometido a amplias variaciones de temperatura, altas presiones de combustión, cambios rápidos de velocidad, dirección y fricción, los efectos de una combustión inadecuada, un enfriamiento inapropiado y un tiempo de encendido incorrecto, si se olvida darle servicio al motor.

La detonación y el Preencendido pueden dañar considerablemente al pistón. La formación excesiva de carbón puede causar tanto el Preencendido como la detonación. El carbón también puede causar que los anillos lleguen a pegarse en sus ranuras y ocasionar que el cilindro y el pistón se rayen (Fig. 9-58).

Fig. 9-58

Ejemplo de pistones dañados debido a sobrecalentamiento causado por el Preencendido o detonación.

El carbón es un depósito suave o duro que se forma en las partes del motor, como anillos, pistones, bujías, cámaras de combustión y válvulas. Es el resultado de los residuos que quedan después de la combustión. Algo de esto resulta del combustible que está quemando, pero ña mayor parte de los casos es por el aceite que entra a la cámara de combustión y se quema.

Un perno de pistón o gorrón demasiado apretado en el pistón puede evitar la oscilación adecuada de la biela y del pistón y de la adecuada expansión o contracción: esto podría ocasionar el golpeteo y que se dañe el pistón.

FUNCION Y CONSTRUCCION DE LOS GORRONES

Los pernos de pistón o gorrones conectan el pistón a la biela. Están fabricados con aleación de acero de alta calidad y tienen un acabado suave como el espejo (Fig. 9-59). La mayor parte de los gorrones son huecos, para reducir el peso. Los gorrones se ajustan a presión en la biela, sujetos a ésta y flotan completamente. En los dos primeros ejemplos el gorrón oscila sólo en el pistón. En el

Fig. 9-59

Diseños comunes de gorrones

Diseño de flotamiento completo el gorrón está libre para girar con el pistón o con la biela. Su movimiento de canto está limitado por los anillos de retención del pistón (Fig. 9-51). Los gorrones normalmente se desbalancean hacia el lado del empuje principal alrededor de 0.60 a 0.90 pulg.

(de 15 a 22 mm), para reducir el golpe del pistón a medida que éste se mueve a través del punto TDC desde la compresión a la carrera de explosión (Fig. 9-60).

Fig. 9-60

Los gorrones están fijos a tolerancias muy precisas lo que permitirá al pistón expandirse y contraerse a lo largo del gorrón sin pegarse y aun evitar el golpeteo al irse aflojando. La holgura entre el gorrón y el pistón puede ser tan pequeña como 0.0005 pulg. (0.0125 mm).

Pistones del motor a diesel

Los pistones del motor a diesel por lo general son de diseño más fuerte que los pistones del motor a gasolina debido a las cargas de presión de combustión más altas. Los pistones del motor a diesel también son acero reforzado para incrementar su resistencia. Se utilizan gorrones más fuertes por la misma razón. El diseño de la cabeza del pistón varía dependiendo del diseño de la cámara de combustión y la holgura requerida de la válvula. Los pistones en el motor a diesel normalmente están también diseñados con más área de falda que los pistones de motor a gasolina puesto que están sujetos a un empuje lateral superior. Muchos pistones para motor a diesel son enfriados por aceite por medio de un inyector en la biela o por un inyector separado tipo tubo en la parte inferior del pistón y conectado a los conductos del motor. Muchos pistones de motor a diesel tienen la ranura superior del anillo equipada con un inserto de acero-cromo para reducir el desgaste de la ranura. Los pistones de motor a diesel están sujetos a tipos de cargas y esfuerzos similares a los pistones del motor a gasolina, pero las cargas y esfuerzos son mucho mayores.

FUNCION Y CONSTRUCCIÓN DE LOS ANILLOS DE PISTON

Los anillos de pistón proporcionan un sello dinámico entre el pistón y la pared del cilindro. Su propósito es evitar que las presiones de la combustión entren al cigüeñal y que el aceite de éste entre a la cámara de combustión. También controlan el grado de lubricación de la pared del cilindro.

Los tipos de anillos del pistón incluyen los anillos de compresión y los de control de aceite (Fig. 9-61). La mayor parte de los motores automotrices cuentan con dos anillos de compresión en la parte superior del pistón y un anillo de control de aceite justamente debajo de los anillos de compresión de hierro fundido con revestimiento de cromo se utilizan comúnmente en los motores automotrices (Fig. 9-62). El revestimiento de cromo proporciona una superficie muy suave y resistente al desgaste.

FIGURA 9-61

Varios diseños de anillos de piston.

FIGURA 9-62

Tipos comunes de anillos y su ubicación en el pistón.

El anillo de control de aceite utilizado comúnmente consiste en un espaciador expansor ranurado y dos rieles de acero con revestimiento de cromo, uno en cada lado del espaciador expansor (fig. 9-63). El espaciador expansor ranurado mantiene en su posición los rieles rascadores y permite que el aceite rascado de las paredes del cilindro regrese a través de él y del pistón al cigüeñal. Los rieles de acero rascan el aceite de las paredes del cilindro y ayudan a evitar que el aceite del cigüeñal pase a la cámara de combustión.

FIGURA 9-63

Diseño del anillo de aceite de tres piezas utilizando dos rascadores de aceite y un espaciador expansor entre ellos.

Los dos anillos de compresión son necesarios puesto que el anillo de compresión sella la mayor parte de las presiones de combustión restantes. Algunos gases de la combustión y el combustible no quemado (hidrocarburos) inevitablemente los dejarán pasar los anillos y entrarán al cigüeñal. Si los anillos, pistones, cilindros y los sistemas de combustible y lubricación están en buenas condiciones, esto será mínimo.

Puesto que el aceite del motor del sistema de lubricación ayuda a sellar los anillos, cualquier disminución en la eficiencia del sistema de lubricación afectará la capacidad de los anillos para sellar y se incrementará el desgaste de éstos y del cilindro. Se requieren espacios en el extremo del anillo para permitir que el anillo se expanda sin que sus extremos se empalmen y causen daño al cilindro. (Fig. 9-64)

FIGURA 9-64.

Diseños de los espacios en los extremos de los anillos de pistón.

Las contracavidades y chaflanes en los anillos de compresión ayudan a éstos a deslizarse sobre el aceite que está en las paredes del cilindro durante el movimiento ascendente del pistón y raspa el aceite de las paredes del cilindro en el movimiento descendente. También se utilizan para este propósito los diseños de anillos en forma ahusada y de barril (Figs. 9-65 y 9-66)

FIGURA 9-65

Anillo de compresión de torsión opuesta de cara ahusada para la segunda ranura.

FIGURA 9-66

Acción del anillo de compresión superior con revestimiento de cromo.

Los expansores utilizados detrás de los anillos de compresión están diseñados especialmente para incrementar la presión del anillo contra las paredes del cilindro y así aumentar la capacidad de sellado. Los anillos sin expansores dependen sólo de la tensión para la presión estática contra la pared del cilindro. La tensión estática es causada por el hecho de que el diámetro del anillo del piston en su estado de relajación es mayor que el del cilindro y se debe comprimir para poderlo instalar. En su estado de relajación , el anillo es ligeramente excéntrico, sin embargo cuando se instala, llegan a ser redondo y sella contra la superficie de la pared del cilindro. La cara del anillo y la pared del cilindro se desgastan durante el primer período de operación para formar un buen sello. En la carrera de explosión, par presión dinámica de la combustión incrementa la presión del anillo contra la pared del cilindro. Esto es el resultado de la presión de combustión que se consigue entre el anillo de compresión superior y el pistón.

Se deja cierta holgura lateral del anillo en la ranura para evitar que se pegue en las ranuras debido a la expansión. Hay un espacio en los extremos del anillo para evitar que éstos se empalmen y que el anillo llegue a apretarse en el cilindro debido a la expansión por el calor.

PROBLEMAS CON LOS ANILLOS DEL PISTON

Los anillos del piston están sujetos a presiones dinámicas, fricción, calor, cambio constante de dirección y velocidad e inercia. Puesto que existe cierta holgura lateral entre el anillo y la superficie plana, el anillo se mueve hacia arriba y hacia abajo en la ranura, en las diferentes carreras del motor. Debido a la presión del anillo contra la pared del cilindro y la inercia de aquel, el anillo tiende a permanecer abajo cuando el pistón cambia de dirección. Esto causa que el anillo suba y baje en la ranura y a la larga cause un desgaste en la ranura. El mismo anillo también se desgasta, incrementando aún más su holgura lateral. Cuando es excesiva, puede ocurrir una ruptura del anillo.

Otro factor que concierne al desgaste del anillo y la ranura es la condición del cilindro. Cuando el cilindro se desgasta, llega a estrecharse (un diámetro mayor en la parte superior del recorrido del anillo que en la parte inferior de recorrido de éste). Como resultado, los anillos del piston se fuerzan a mayor profundidad en las ranuras a medida que el piston desciende en el cilindro.

FIGURA 9-67

Ejemplo del daño causado por una mancha de calor localizada. El metal del anillo se depositó (se soldó) a la pared del cilindro causando un daño adicional a medida que el pistón asciende o desciende. Los puntos calientes localizados pueden resultar de la formación de sarro del sistema de enfriamiento en las camisas de agua o por defectos de manufactura en el monobloc.

FIGURA 9-68

Anillos de pistón pegados en las ranuras. La presión del anillo contra la pared del cilindro se pierde por esta condición y el consumo de aceite es excesivo.

FIGURA 9-69

Daño al piston como resultado de la ranura de anillos.

FIGURA 9-70

Ejemplo de desgaste excesivo en la ranura del anillo. Esto causa una operación inadecuada del anillo y consumo excesivo de aceite, así como ruptura del anillo.

FIGURA 9-71Anillos tapados y pegados con aceite ocasiona un consumo excesivo de aceite y acumulación de carbón. El carbón es un abrasivo, el cual causa ralladuras al pistón y al cilindro.