motores de comb interna

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Motores de Combustión Interna Alternativos

por

Juan Miguel Suay Belenguer Ingeniero Superior Industrial Técnico de Emergencias del

Consorcio Provincial de Bomberos de Alicante


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2002. Juan Miguel Suay Belenguer. C/ El de Pagan, 44, bungalow 37. San Juan de Alicante (Alicante) España – Spain. [email protected]


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Introducción Un motor de combustión interna alternativo, es una máquina o motor térmico que permite obtener energía mecánica, a partir de la energía térmica que posee un fluido al entrar en combustión en el interior de una cámara diseñada para tal fin. Al contrario que otros motores (por ejemplo: la máquina de vapor), este proceso se genera en el interior del mismo, de ahí la denominación de motor de combustión interna. Los motores de combustión interna podemos clasificarlos en:

Rotativos

Turbinas de gas motor Wankel

Alternativos

Motor de encendido provocado (motor Otto o de explosión) Motor de encendido por compresión (motor diesel)

Reacción

Cohetes - quimicos (sólidos y líquidos) Aeroreactores (turboreactor, turbofan y turbohélice)

De estos motores, sin duda los alternativos son los que tiene una amplia gama de utilidades y los podemos encontrar en una gran variedad de usos tanto en vehículos como en herramientas. Clasificación de los motores de combustión interna alternativos Según el proceso de combustión Motores de encendido provocado, son aquellos en los que el fluido que circula es una mezcla de aire combustible, previamente homogeneizada, que es comprimida en un cilindro y se hace entrar en ignición por medio de una causa externa, normalmente la chispa producida por una bujía. Este tipo de motor se le conoce como motor de explosión o de Otto. Motores de encendido por compresión, son aquellos en los que el fluido que circula por el interior del motor es aire, que es sufre una fuerte compresión y por tanto un aumento de


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temperatura, dentro de un cilindro. En este instante se inyecta el combustible que alcanza la temperatura de autoignición. Este tipo de motor se conoce como motor Diesel. Según el modo de realizar el ciclo El motor de cuatro tiempos

Esta formado por una cámara de combustión con forma cilíndrica. En la parte superior del cilindro se cierra y se colocan dos conductos, llamados de admisión y escape. Éstos se cierran con dos válvulas que se abren y cierran convenientemente. En el interior de la cámara de combustión, en los motores de encendido provocado, se coloca un elemento denominado bujía, que permite hace saltar una chispa eléctrica en el momento adecuado, y así, iniciar la explosión de los gases acumulados en su interior. En el caso de los

Esquema de un motor de encendido provocado


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motores de encendido por compresión, e lugar de bujía se coloca un inyector de combustible. En el otro extremo el cilindro, se cierra herméticamente con el pistón, que es la pieza móvil más importante del motor. Acoplado al mismo, se dispone de una barra llamada biela que mueve una manivela que cuenta con una masa solidaria que le confiere inercia (cigüeñal). El motor de cuatro tiempos se denomina así, porque se requieren de cuatro fases o carreras del pistón es decir dos revoluciones del motor para realizar un ciclo completo.

Para fijar ideas describiremos el caso de un motor de encendido provocado. Admisión En el instante inicial, el pistón se encuentra en el punto muerto superior (PMS), se crea una depresión en el interior del cilindro, debida a la carrera descendente del pistón, que permite llenar la cámara de combustión o cilindro con la mezcla de aire y combustible que entran a través de la válvula de admisión, que se encuentra abierta. Cuando el pistón llega al punto muerto inferior (PMI), la válvula de admisión cerrará, iniciándose la siguiente fase. El cigüeñal habrá recorrido 180º. Compresión El pistón, empieza a desplazarse del punto muerto inferior al punto muerto superior con las válvulas cerradas, comprimiendo la mezcla existente en el interior del cilindro. En el punto muerto superior salta la chispa de la bujía provocando la inflamación de la mezcla combustible.


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El pistón ha efectuado su segunda carrera y el cigüeñal ha recorrido otros 180º (primera vuelta). Explosión y Expansión Por efecto de la presión ejercida por los productos de la combustión, el pistón es obligado a desplazarse de nuevo hacia el punto muerto inferior, iniciando la tercera carrera, que será la única útil de trabajo. Las válvulas siguen cerradas y el cigüeñal recorre otros 180 º. Escape Cuando el pistón ha llegado al punto muerto inferior se abre la válvula de escape. El pistón inicia una carrera ascendente empujado por la inercia del volante, con lo que se expulsan los gases quemados. Al terminar la carrera, la válvula de escape se cierra y vuelve a empezar el ciclo. Tras esta fase el cigüeñal ha realizado dos vueltas completas. Motores de dos tiempos Los motores de cuatro tiempos solo proporcionan energía durante la fase de explosión y expansión. En algunos motores de barcos, centrales de energía se emplean motores modificados de manera que realicen las cuatro fases en dos carreras del pistón o lo que es lo mismo en una sola vuelta del cigüeñal. Hay diversos tipos de motores de dos tiempos, con válvulas (barrido independiente) o sin válvulas y autoencendido (barrido por cárter) que son los más utilizados empleándose en pequeñas máquinas que necesitan energía por debajo de los 5 CV.


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Los dos tiempos del motor son admisión-compresión y explosión-escape. Para fijar ideas describiremos el caso de un motor de encendido provocado, con barrido con cárter. Primera media vuelta del cigüeñal El pistón en su subida, comprime la mezcla fresca y descubre la Lumbrera de Admisión al cárter, por donde entra la mezcla de aire y combustible al cárter, ya que hay una depresión en el mismo. Al llegar al punto muerto superior, salta la chispa de la bujía y la expansión de los gases de la combustión hacen que descienda el cilindro, produciendo trabajo mecánico. Segunda media vuelta del cigüeñal El pistón casi al final de su carrera de descenso, descubre la Lumbrera de Escape y los productos quemados empiezan a ser expulsados del cilindro. Poco después comienza a descubrirse la Lumbrera de Transferencia y entra mezcla fresca en el cilindro procedente del cárter, desalojando los productor quemados hacia el exterior a través de la lumbrera de escape. Según la disposición de sus cilindros. Hasta ahora se ha supuesto que el motor esta formado solamente por un solo cilindro. Esta condición se da casi exclusivamente en motores de pequeña cilindrada, en que el costo de la construcción es el factor más determinante. En cambio, uno de los mayores inconvenientes de los motores de explosión es que no producen energía de manera continua, sino solamente durante una parte de su ciclo, y absorbe energía en los restantes. Esto se traduce en una falta de regularidad, vibraciones y tendencia a pararse cuando se les somete a fuertes cargas. El volante de inercia está pensado precisamente con el objeto de minimizar esos efectos, actuando como un almacén de energía, y por ello los motores fijos suelen contar con grandes volantes de inercia. Sin embargo, incluso a costa de la complejidad y coste de fabricación, lo más normal es fabricar motores con múltiples cilindros o pistones, dispuestos de tal manera que la explosión de los diferentes cilindros se produzcan distribuidos homogéneamente a lo largo de todo el ciclo y así disponer de una producción de energía casi continua. Son raros los motores de gasolina de dos tiempos de más de tres cilindros; sin embargo no son raros los motores de cuatro tiempos gasolina y los motores diesel de cuatro y dos tiempos de cuatro, seis, ocho, doce, e incluso hasta más de 24 cilindros. Cuantos más cilindros tenga un motor generalmente más suave y regular es su funcionamiento. El aumentar el número de cilindros en un motor tiene otras consideraciones prácticas, considerando una cilindrada constante. Cuanto más pequeños son los cilindros, a mayor número de revoluciones puede trabajar el motor de una forma más eficaz, pueden emplearse mayores relaciones de compresión y se consigue una mejor refrigeración. Por ello es frecuente crecer en el número de cilindros conforme se crece en cilindrada.


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Motores en línea Los diferentes cilindros se disponen uno a continuación del otro, compartiendo un único cigüeñal. Antiguamente se realizaban motores en línea de hasta doce cilindros y más, práctica que se ha abandonado por la excesiva longitud de los motores y las fuertes tensiones que sufrían los cigüeñales. Hoy es la disposición más frecuente en motores de automóvil, camiones y barcos de hasta seis cilindros. El cigüeñal y la distribución se diseñan de manera que se repartan los esfuerzos y se minimicen las vibraciones, distribuyendo adecuadamente la secuencia de explosión de los diferentes cilindros. Motores dispuestos en V El cigüeñal ocupa el vértice de la V, mientras que los cilindros se disponen en dos hileras lineales en cada una de las ramas. En automóviles son frecuentes para seis o más cilindros, mientras que en motocicletas es frecuente que se empleen con dos y cuatro cilindros, tanto en motores de dos como de cuatro tiempos. Algunos potentes motores de aviones de la segunda guerra mundial empleaban configuraciones de 24 cilindros en V, refrigerados por agua que suministraban potencias de más de 3.000 Cv.


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Motores con cilindros contrapuestos Son motores en V en los que las dos ramas se han desplazado hasta la horizontal. Algunas motocicletas de dos cilindros adoptan esta disposición y algunos vehículos de pequeñas y medianas cilindradas refrigerados por aire. Motores radiales A estos motores también se les denomina en estrella debido a la disposición de los cilindros. Todos los cilindros se disponen radialmente alrededor del cigüeñal. Suelen ser motores con un número primo de cilindros 3, 5, 7, 11, refrigerados por aire. Eran las configuraciones más empleadas para la propulsión de aviones hasta que los motores de explosión fueron sustituidos por los de reacción en aviones medios y grandes. Según el tipo de refrigeración De toda la energía térmica que puede proporcionar el combustible consumido por un motor de explosión, solo una pequeña parte (entre el 20 y el 30 %) es convertida en energía mecánica. El resto se transforma en calor, que se arrastra en los gases de escape o que calientan el motor. Por ello todos los motores deben refrigerarse para evacuar este excedente de calor. Los métodos más frecuentes de refrigeración son: Refrigeración por aire

En la refrigeración por aire se dota al pistón y a la culata con un diseño que aumente sensiblemente la superficie de éstas en contacto con el aire. Generalmente, unas aletas o laminas metálicas que actúan de radiador.

Aletas de refrigeración en una motobomba (1) y en un compresor (2)


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En algunos casos la circulación de aire se fuerza mediante un ventilador auxiliar movido por el cigüeñal del propio motor, en otros casos es el propio movimiento del vehículo el que logra una mejor ventilación del motor. Refrigeración por agua

La refrigeración por aire no es del todo eficaz, ya que no garantiza una distribución uniforme de la temperatura; por ello muchos motores hacen circular por su interior una corriente de agua que enfría las áreas más calientes, la camisa del pistón y la culata. El agua generalmente sigue un ciclo cerrado, impulsada por una bomba auxiliar (3). Entra fría al motor (4), absorbiendo el calor de éste, sale a un radiador (1) (un recipiente con una gran superficie de contacto con el aire), donde el agua cede su calor al aire, para salir fría hacia la bomba de refrigeración que de nuevo la impulsa al motor. En el caso que el agua no alcanzase una temperatura determinada, la cual no necesita de su paso por el radiador, a la salida del motor un termostato (7) bifurca el caudal de agua hacia la entrada de la bomba directamente. Si la temperatura del agua del radiador en alta, un ventilador movido por un motor eléctrico se pondrá en marcha para que la corriente de aire generada ayude en la refrigeración. Según la presión de admisión Motor de aspiración natural o atmosférico Es aquel motor en el que la presión en el conducto de admisión es sensiblemente parecida a la atmosférica. Motor sobrealimentado Cuando los motores se emplean en altitudes como puede ocurrir en los motores de aviación o en los vehículos que se mueven a una altura superior a los 2.500 m, se nota un descenso notable en la potencia del motor, debido a que como la presión atmosférica es menor, la cantidad de aire y combustible que llega al pistón es sensiblemente inferior. Por este motivo, los motores que deben funcionar a grandes altitudes intercalan entre la toma


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de aire y la admisión un compresor de aire (sobrealimentación) que compensa las diferencias de presión atmosférica debido a la altitud. Otra razón por la que se sobrealimentan los motores es para aumentar su potencia, ya que así la cantidad de aire y combustible será mayor y se obtendrá más potencia para una misma cilindrada del motor. Aunque esta técnica para aumentar la potencia se emplea en los motores de encendido provocado, en éstos hay unas serias limitaciones, ya que no debe superarse una compresión interna en el cilindro superior a 1 a 10 porque se produciría un autoencendido de la mezcla aire/combustible así estos motores deben diseñarse específicamente para aceptar la alimentación forzada. En los motores de encendido por compresión, por el contrario, aceptan la sobrealimentación mediante aire a presión sin casi ninguna modificación. En términos generales el efecto de la compresión significa un incremento de potencia igual al incremento de presión de aire facilitado. Tipos de sobrealimentación Sobrealimentación por accionamiento mecánico de un compresor Se comprimen los gases de admisión por medio de un compresor volumétrico accionado mecánicamente. Hoy en día esta prácticamente abandonado. Sobrealimentación por turbina de escape

Este es el sistema extendido universalmente. Consiste en intercalar una turbina en el escape del motor, unida en el eje libre con un turbocompresor situado en el conducto de admisión.


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A partir de este sistema han aparecido una serie de variantes como la alta sobrealimentación en dos etapas (Intercooler) y el sistema Hyperbar. Intercooler

Hyperbar El rasgo fundamental de esta sobrealimentación es una configuración en paralelo con un motor de turbina de gas.


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Motores de explosión de cuatro tiempos

Motor convencional de ciclo Otto de cuatro tiempos.


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Partes Tomemos como ejemplo el esquema de la página anterior, el cual tiene las siguientes partes:1 1 - Distribución de alta tensión. 2 - Cadena de rodillos simple (accionamiento de la distribución). 3 - Bujía. 4 - Árbol de levas. 5 - Válvula de admisión. 6 - Sonda volumétrica de aire. 7 - Caja de conducción de aire. 8 - Filtro de aire. 9 - Tubuladura de mariposa. 10 - Tubo de admisión. 11 - Varilla de aceleración. 12 - Tapa de la culata. 13 - Filtro de aceite. 14 - Transmisión de presión de aceite. 15 - Transmisión del número de revoluciones (cuenta revoluciones). 16 - Volante. 17 - Motor de arranque. 18 - Pistón. 19 - Biela. 20 - Cárter. 21 - Interruptor de control de aceite. 22 - Cigüeñal. 23 - Bomba de aceite. 24 - Cadena de rodillos simple (accionamiento de la bomba de aceite). 25 - Antivibrador. 26 - Acoplamiento hidrodinámico del ventilador. 27 - Soporte del ventilador. 28 - Correa nervada. 29 - Ventilador. Vamos a comentar alguna de las mismas: El Cilindro Denominado así por su forma, se le conoce también como camisa. Esta construido por una pieza de acero con las paredes suficientemente gruesas ya que debe soportar las altas presiones que se originan en su interior. Además, durante la fase de explosión el cilindro se calienta bastante, por lo que debe contar con un sistema de refrigeración. (Aletas en el caso de ventilación por aire o unas conducciones en el caso de ventilación por líquido) La Culata (12) Es la parte que cierra el cilindro por la parte superior y donde se alojan los conductos de admisión y escape con sus correspondientes válvulas. También encontraremos las bujías. La culata, se fija al cilindro mediante tornillos. Para garantizar la estanqueidad entre el cilindro y la culata se intercala una lámina de amianto u otro material flexible y resistente al calor. La culata se calienta por efecto de la explosión, por lo que también necesita refrigeración. El Pistón (18) Es la pieza móvil que confiere junto con la culata un espacio hermético en el interior del cilindro. Se mueve con suavidad en el interior del cilindro, por lo que su diámetro debe ser el mismo que el interior de éste. En su extremo superior (el más próximo a la culata) es prácticamente plano, mientras que en el extremo inferior, se ahueca con el fin de permitir el movimiento de la biela, fijada al mismo mediante un bulón. Los Segmentos Garantizan la estanqueidad, limpieza y engrase del conjunto cilindro/pistón. Son unos anillos metálicos alojados en unas ranuras realizadas en la superficie del cilindro.

1 Los números de las partes del motor aparecerán entre paréntesis al referirse a las mismas en el resto del capítulo.


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La Biela (19) Es una pieza alargada que transforma el movimiento lineal del cilindro en un movimiento circular. Se acopla en un extremo, por medio de un bulón al cilindro y por el otro se acopla al cigüeñal. El Cigüeñal (22) El conjunto biela - cigüeñal es el responsable de convertir el movimiento alternativo del cilindro en un movimiento circular del cigüeñal. En los motores con varios cilindros el cigüeñal tiene forma de línea quebrada, de manera que las bielas correspondientes a cada uno de los cilindros apoyan en un lugar diferente, repartiendo los esfuerzos a lo largo de todo el ciclo de rotación y distribuyendo los esfuerzos uniformemente. El Volante (16) Como hemos visto en un motor de cuatro tiempos en la fase de explosión es la única que se produce trabajo en el sistema, en el resto se consume. Por ello existe una pieza que sirve para acumular parte de la energía producida durante la explosión y expansión para poder mover el émbolo en los otros tiempos. Este acumulador de energía es el volante, una masa metálica, generalmente de forma circular (como un plato) que gira solidariamente con el cigüeñal. Al volante se acoplan algunos mecanismos auxiliares, como el motor de arranque que pone en marcha inicialmente el motor, o el embrague que conecta y desconecta el motor con la carga útil. La Distribución Un motor de cuatro tiempos no puede funcionar si no se abren con precisión las válvulas que, situadas en la culata o próximas a ella, dan paso a la mezcla de combustible y aire durante el tiempo de admisión, cierran el cilindro durante la compresión y explosión o dan salida a los gases quemados durante el escape. El encargado de sincronizar estas acciones es el sistema de distribución, que se compone de un árbol de levas, los balancines y las válvulas. El sistema de distribución es a su vez sincrónico con el encendido. Árbol de Levas (4) Es un eje que se engrana con el cigüeñal del motor con una relación exacta de 2 a 1, es decir, da una sola vuelta por cada dos vueltas del cigüeñal. Este eje dispone por cada cilindro dos levas o deformaciones excéntricas con forma de pera. Sobre cada una de estas levas se apoya un empujador, una varilla metálica que va desde el eje de levas hasta el balancín. Cuando el eje de levas gira, desplaza a los empujadores más o menos, dependiendo de la posición de la leva. Balancines Es una pieza similar al brazo de una balanza. Puede bascular sobre un punto central que está fijado al bloque del motor o a la culata. En un extremo actúa un empujador, mientras


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que el balancín hace presión sobre el espárrago de la válvula, desplazándola de su asiento y permitiendo el paso de los gases. Hay un balancín por cada válvula, aunque suelen compartir el eje central en que basculan.

Válvulas (5) Son las responsables de abrir y cerrar las comunicaciones entre el interior del cilindro y los conductos de admisión y escape. Tienen la forma de un clavo con una gran cabeza. Un eje central en cuyo extremo presiona el balancín y una superficie circular que tapa los orificios de los gases ya en el interior del cilindro o de la cámara de combustión. Unos muelles y una muescas mantienen las válvulas cerradas cuando los balancines no las presionan. Lo más normal es que haya dos válvulas por cilindro, una válvula de admisión y otra de escape, pero algunos diseños actuales disponen de tres, cuatro e incluso cinco válvulas por cilindro. El funcionamiento es el mismo en caso de cuatro válvulas, en el que se suele disponer dos de admisión y otras dos de escape, que se abren simultáneamente. El objeto de colocar más de dos válvulas es facilitar en todo lo posible la aspiración y expulsión de gases aumentando la superficie de los conductos por los cuales los gases circulan.

Esquema del sistema de distribución. Árbol de Levas lateral (1). Árbol de levas en cabeza (2)


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Cuando comienza el ciclo del motor la leva de admisión, mediante el empujador, hace que el balancín presione a la válvula de admisión y permita la aspiración de gases combustibles. Al llegar al punto muerto inferior la leva deja de empujar y se cierra esta válvula. El cilindro comienza a subir con las dos válvulas cerradas, comprimiéndose los gases del interior del cilindro hasta que llega al punto muerto superior. En este momento, en que los gases están a su mayor presión, se inflama la mezcla. La presión de los gases empuja al pistón hacia abajo hasta que de nuevo se alcanza el punto muerto inferior. Mientras tanto, el árbol de levas ha girado, y cuando el cilindro comienza a subir de nuevo, la leva de escape abre la válvula de escape para que puedan salir los gases quemados. El cilindro sube hasta el punto muerto superior, los gases ya han salido por lo que la leva de escape deja de empujar cerrando la válvula, repitiéndose el ciclo de nuevo. En algunos motores modernos el árbol de levas está situado en la cabeza del cilindro, fijado a la culata y se engrana con el cigüeñal mediante una cadena metálica o mediante una correa dentada, de manera que no son necesarios los empujadores. Éstas se llaman correas o cadenas de distribución (2). El combustible en un motor de encendido provocado Los motores de encendido provocado, solo pueden utilizar combustibles que se puedan mezclar con el aire fácilmente y que se inflamen completamente en las condiciones que reinan en el interior de la cámara de combustión; pero por otra parte el combustible debe ser lo suficientemente inerte como para que no se inflame espontáneamente sin necesidad de la chispa de la bujía, cosa que se denomina autoencendido. Entre ellos el más popular es la gasolina, aunque también pueden emplearse mezclas de gasolina y alcohol etílico o metílico, gas natural, butano, propano y otros hidrocarburos. En el caso de la gasolina, que es una mezcla de diferentes hidrocarburos, la capacidad de autoencendido es proporcional al porcentaje en hidrocarburos de menos de ocho átomos que contiene la mezcla. Es decir, cuanto más octanos tiene es más adecuada para ser empleada en motores de alta compresión. A veces se añaden compuestos de plomo (tetraetilplomo) que inhiben el autoencendido, aunque esta práctica se está prohibiendo debido a los peligros de contaminación que supone expeler a la atmósfera los residuos de la combustión de estos compuestos. El Encendido Los motores de encendido provocado la fase de explosión se inicia por una chispa eléctrica. La chispa debe producirse en el momento preciso, ya que afecta muy notablemente al rendimiento del motor. El encendido de los motores suele aprovechar una fuente de energía eléctrica, como una batería o un generador de corriente del propio motor (magneto). El sistema de encendido por plato magnético o magneto se utiliza cuando es necesaria una fuente externa de energía independiente, como es el caso de las motocicletas. Una magneto no es más que una bobina que gira en el seno de un campo magnético


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producido por un imán permanente. Esto genera una corriente alterna que es utilizada para saltar la chispa de la bujía. El sistema por batería es el más extendido en actualidad. Veamos el siguiente esquema de funcionamiento.

Bujía (3) Es un tornillo metálico que dispone de un electrodo central aislado del tornillo mediante material cerámico, capaz de aguantar las altas temperaturas que se producen en el interior del cilindro sin que el electrodo central se comunique. Su misión consiste en producir una chispa en el interior del cilindro y así permitir que se inflame la mezcla. Para que entre el electrodo central y el exterior del cilindro salte una chispa suficientemente fuerte son necesarias tensiones del orden de los 15.000 voltios, aunque las corrientes consumidas son de algunos microamperios. Los Platinos Se componen de dos contactos fijos a unas armaduras metálicas. Uno de ellos está fijo al chasis aunque su posición es ajustable. Frente a este contacto otro contacto aislado de masa puede desplazarse uno o dos milímetros por efecto de una leva fijada al eje de la distribución. Este contacto se conecta con el primario de la bobina. Normalmente los platinos (esto es, el contacto) están cerrado y sólo se abre en el momento de producir la chispa. En otras palabras, por la bobina o los platinos está circulando corriente que solo se interrumpe en el momento de la chispa.


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La Bobina Es un transformador eléctrico. Un núcleo de hierro con dos bobinados, uno grueso y corto (hilo de cobre de 0,5 mm y unas 1000 espiras) y otro fino y largo (hilo de 0,01 mm y unas 10.000 espiras). Cuando circula corriente por el primario (platinos cerrados) el núcleo de hierro está imantado. En el momento de abrirse los platinos se crea una corriente de corte de muy alta tensión en el secundario capaz de hacer saltar una chispa de hasta 10 mm de longitud. Esta alta tensión se lleva a la bujía mediante un cable con un grueso aislamiento. Delco El delco es un distribuidor de chispa que se emplea en motores de varios cilindros. En este caso, los diferentes cilindros tienen su tiempo de explosión en diferentes momentos de la rotación del cigüeñal. El delco toma la corriente que proviene de la bobina y la envía secuencialmente a cada una de las bujías del correspondiente cilindro. Conviene señalar que los platinos son los que determinan el momento en que se produce la chispa, mientras que el delco distribuye la chispa al cilindro que está listo para explotar. Consiste en una pieza de material aislante con una franja conductora que gira sincrónicamente con el cigüeñal. Frecuentemente es solidaria con el eje de la distribución. Una pieza en forma de cacerola invertida (conocida como la tapa del delco) lleva unos contactos de grafito que se comunican con unos cables exteriores que van a las diferentes bujías. Encendidos electrónicos Los pequeños motores siguen empleando sistemas de encendido básicamente idénticos al aquí descrito. Sin embargo, los motores modernos utilizados profusamente en los automóviles incorporan encendidos con un buen apoyo de electrónica. Para ello los platinos se sustituyen por un detector de carrera magnético que indica la posición del punto muerto superior. El detector de posición actúa sobre un transistor de potencia o un tiristor que dispara la chispa. La chispa se produce por la descarga repentina de un condensador de alta capacidad, alimentado por una tensión alta en el devanado primario de la bobina. En casos más sofisticados entre el detector de posición y el disparador de la descarga se incorpora un circuito microprocesador que varía ligeramente en el momento en que se produce la chispa. Esto se debe a que los motores en el momento de arrancar y a bajas revoluciones es conveniente que la chispa se produzca ligeramente después (encendido retrasado) de que el motor haya llegado al punto muerto superior; sin embargo, cuando el motor rueda a altas revoluciones conviene que la chispa se produzca ligeramente antes del punto muerto superior. (encendido adelantado). Este ajuste en función de las revoluciones del motor se hacía manualmente en los primeros motores; más tarde se realizó por dispositivos centrífugos, o por sistemas que aprovechaban el vacío que se produce en la cámara de admisión, y recientemente mediante dispositivos controlados electrónicamente.


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El Carburador

El carburador es el mecanismo encargado de mezclar aire con un el combustible en los motores de encendido provocado. Los carburadores más simples consisten en un tubo conectado con el orificio de admisión que en su interior tiene un pulverizador de gasolina. Este pulverizador se comunica con un pequeño depósito de gasolina llamado cuba, a la cual llega la gasolina del depósito de combustible, ya sea por gravedad, como en el caso de las motocicletas, o por medio de una bomba auxiliar. Con el objetivo de que no se inunde el motor de gasolina, la cuba del carburador tiene un pequeño flotador que cuando sube cierra una válvula, la cual interrumpe la entrada de gasolina. De esta manera se garantiza flujo de gasolina a requerimiento del motor. La gasolina se mezcla con el aire en el interior del carburador en un estrechamiento de éste por el efecto Venturi. Cuando el motor inicia su aspiración, el aire proveniente de exterior entra a través del carburador. Al atravesar el estrechamiento donde se encuentra el inyector de gasolina la velocidad del aire aumenta y su presión disminuye. La gasolina de la cuba que está a la presión atmosférica fluye por este orificio, mezclándose con el aire.


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Para controlar la velocidad del motor y de la energía que éste suministra, se controla la cantidad de combustible que entra al pistón y la riqueza en combustible de la mezcla. Esto se consigue mediante dos mariposas o láminas que cierran o abren el conducto del carburador. Una mariposa es la encargada de estrangular el paso de la mezcla gasolina combustible y regular la entrada de la misma al pistón. Esta mariposa se controla por medio del acelerador. La otra válvula de mariposa, se controla en el arranque, permitiendo, obstaculizando la entrada de aire, enriquecer la mezcla, pudiendo0 de esta forma poner en marcha el motor con mayor facilidad. Carburación por inyección

Los modernos motores, especialmente de automóvil, emplean recientemente un mecanismo mucho más elaborado para suministrar aire y combustible al motor. En los motores de inyección no existe el carburador tal como se ha descrito anteriormente, puesto que la gasolina, mediante un mecanismo eléctrico, se pulveriza justamente antes de la válvula de admisión. El acelerador controla eléctricamente los inyectores y una mariposa de entrada de aire. Los motores modernos aúnan la electrónica que controla el encendido con la electrónica que controla la inyección de combustible para un mejor aprovechamiento de las características del motor y una optimización del consumo. No debe confundirse la inyección de los motores de gasolina, en los que el combustible se incorpora fuera de la cámara de combustión, a baja presión y durante el tiempo de admisión, con la inyección de los motores de encendido por compresión, en que ésta se realiza a alta presión, en el interior de la cámara de combustión y durante el tiempo de expansión.


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Sistemas auxiliares del motor Transmisión La energía mecánica generada por el motor debe suministrarse a la carga útil. Esta energía se aplica directamente a la carga desde el volante, cosa que ocurre en el caso de las hélices de los motores de los aviones, o a través de mecanismos que permiten conectar y desconectar la carga y el motor mediante un embrague. En otros casos, además el régimen de revoluciones del motor o el par que suministra, no es el adecuado con el de la carga. Entonces se intercalan una serie de engranajes o poleas, es la conocida caja de cambios. Lubricación o Engrase

Un motor de explosión típico de un automóvil puede alcanzar más de 6.000 revoluciones por minuto. Esto significa que el pistón sube y baja 100 veces por segundo a máximas revoluciones. Si se considera, además, que las paredes interiores del cilindro en el momento de la explosión pueden alcanzar más de 800 grados, se entenderá que la vida de un motor depende también de los materiales de construcción de la refrigeración y de la lubricación. Además de una lubricación pasiva, que se logra empleando materiales de bajo coeficiente de fricción o cojinetes a bolas, los motores emplean diversos sistemas para lubricar todas sus partes móviles. El más sencillo es el de salpicado; para ello se cubre la parte inferior del bloque donde se aloja el cigüeñal y el eje de levas mediante una carcasa hermética llamada cárter (20). El cárter se inunda de aceite lubricante hasta una altura tal que cada vez que el cigüeñal complete una vuelta tenga que mojarse en aceite. El paso rápido del cigüeñal salpica todo el interior del motor de aceite que también alcanza otras zonas por capilaridad.


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Este procedimiento no es del todo eficaz, por lo que es más usual en motores de mediana y gran potencia de disponer un cárter lleno de aceite igual que en el caso anterior, pero con un nivel de aceite que no moje al cigüeñal. Una bomba de engranajes rotatorios impulsa el aceite (23), primero a través de un filtro que elimina carbonilla e impurezas para después mediante unos conductos hacer llegar el aceite a todas las partes móviles. El motor se diseña de manera que el aceite sobrante se escurra de las piezas por el interior del motor hasta alcanzar el cárter, donde repite el ciclo de engrase. Un manómetro controla la presión que existe en el circuito de lubricación y si es necesario se añade al mismo un sistema por el cual el aceite se refrigera, con el fin de mantener la temperatura del aceite dentro de los límites prefijados. El Escape Los gases que salen de la cámara de combustión alcanzan altas temperaturas y pueden arrastrar chispas y carbonilla. Además, la apertura súbita de la válvula de escape hace que los gases produzcan un ruido ensordecedor. Por estas razones, los gases de escape se conducen por unos tubos, con el objeto de enfriarlos, eliminar las combustiones residuales y atenuar el ruido (colocación de silenciadores). En los vehículos automóviles y según normativa de la Comunidad Europea es obligatorio insertar en los conductos de escape un catalizador o convertidor catalítico que elimina el óxido de carbono y otros gases residuales tóxicos que minimizan la contaminación. Arranque La mayor parte de los motores no son capaces de funcionar por debajo de un régimen de revoluciones. Incluso antes de que se produzca una sola explosión que impulse los mecanismos del motor a producir energía, hay que realizar el ciclo de admisión y compresión que absorben energía; por ello, para poner un motor de explosión en marcha hay que suministrarle inicialmente energía. Este suministro de energía, para que el motor arranque, se puede realizar manualmente mediante una manivela o cuerda, un motor eléctrico auxiliar, aire comprimido u otros procedimientos. Los primeros vehículos de motor se ponían en marcha simplemente empujando el vehículo hasta que éste alcanzaba la velocidad necesaria para que el motor se pusiese en marcha. Más tarde se dispuso de una manivela acoplada temporalmente al cigüeñal, un pedal en el caso de las motocicletas o un cordel arrollado al volante en el caso de motosierra y pequeños motores de embarcaciones. Actualmente, el medio más común y casi exclusivo de los motores de vehículos automóviles es un motor eléctrico que engrana solamente durante el arranque con una corona dentada dispuesta alrededor del volante de inercia (17). La introducción de este motor eléctrico implica que se debe contar con una batería que le suministre energía y de un generador que recargue la batería.


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Motores de encendido por compresión o motores Diesel El motor desarrollado en 1892 por el ingeniero alemán Rudolf Diesel que no necesita bujías ni carburador. En vez de utilizar gasolina emplea combustibles pesados (gasoil) derivados del petróleo, mucho más baratos y con un rendimiento casi el doble que los de gasolina. La secuencia de ciclos de este motor presenta ligeras diferencias respecto al motor de encendido provocado. Durante la admisión, el motor aspira únicamente aire, a través de un filtro, sin mezclar con ningún tipo de combustible. Durante la compresión, se comprime el aire, a presiones muy altas (20 ó 30 kg/cm2) frente a los 8 kg/cm2 de un motor de encendido provocado. El aire por la compresión alcanza una temperatura que sube hasta más de 600 ºC. En la fase de explosión se inyecta gradualmente el combustible a su interior, por medio de un inyector, éste se inflama espontáneamente. Una vez terminado el ciclo de explosión se expulsan los gases. En el motor diesel, el combustible se inyecta gradualmente y se

inflama conforme va inyectándose, de manera que durante el ciclo de explosión la presión en el interior del cilindro es grande pero aproximadamente constante. El motor de encendido por compresión, produce su energía durante toda la fase de expansión, mientras que en el motor de encendido provocado se concentra en la primera parte del ciclo. Por ello los motores diesel, además de mejor rendimiento, tiene un par mucho mayor. Sin embargo, los motores diesel deben ser capaces de soportar mayores presiones y temperaturas, por lo que su construcción es mucho más pesada; el ciclo de inyección de combustible es más largo, así que su régimen de revoluciones es menor, con lo que proporciona menos potencia por kilogramo de motor y menos potencia por volumen de cilindro que sus equivalentes de gasolina. Los motores de gasolina son más ágiles, ya que pasan de un régimen de revoluciones bajo al máximo en menos tiempo que su homólogo diesel.


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Componentes de un motor diesel Las diferencias físicas entre un motor gasolina y uno diesel no son grandes. El bloque del motor, el pistón, las válvulas, el cigüeñal y el sistema de distribución (eje de levas, balancines, etc.) son idénticos, salvo en que su construcción es más robusta, pues las presiones que aparecen en la cámara de combustión son casi tres veces superiores. Las diferencias aparecen en la culata, ya que el orificio que normalmente ocupa la bujía está ocupado por el inyector. El sistema de encendido eléctrico del motor de gasolina, platinos, bobina, delco, bujías, desaparece y se sustituye por el sistema de inyección. El engrase, la refrigeración y otros sistemas permanecen prácticamente idénticos. El sistema de inyección

Inyector Es el responsable de introducir y pulverizar el combustible en la cámara de combustión. Es una pieza metálica, de forma similar a una bujía, pero mayor. Está atornillada fuertemente a la culata. Recibe el combustible comprimido por una conducción metálica de la bomba de inyección. Junto a los inyectores, se coloca una bujía de incandescencia para el arranque en frío. Bomba de Inyección Es el mecanismo más preciso y delicado de los motores diesel. Determina cuánto y cuándo se debe inyectar el combustible. Básicamente es una bomba que absorbe combustible del depósito y lo impele hacia los inyectores a través de un tubo metálico.


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Debe mantener el sincronismo con las posiciones del pistón. La cantidad de combustible que se inyecta en la cámara de combustión se puede variar mediante el mando del acelerador, igualmente se varía automáticamente mediante un sensor de revoluciones (centrífugo o de vacío) el adelanto del momento de la inyección con respecto al punto óptimo teórico. Al enviar más combustible a la cámara la presión en su interior crece, por lo que aumenta la presión de la explosión, expandiéndose más rápidamente el cilindro, por lo que aumentan las revoluciones y la potencia entregada por el motor. Es necesario adelantar la inyección para mejorar el rendimiento del motor, ya que existe un retraso (que, aunque pequeño, es notorio) debido al tiempo en que el combustible llega desde la bomba al interior del cilindro y otro retraso acumulativo con este desde que el combustible está dentro hasta que se inflama. Generalmente la bomba de inyección se acopla mediante un engranaje reductor 2 a 1; con el cigüeñal, un eje de levas similar al de la distribución actúa sobre un émbolo que envía el combustible al inyector. Motores de encendido por compresión de dos tiempos Al igual que hay motores de encendido provocado de dos tiempos, también se construyen motores de encendido por compresión de dos tiempos. Los motores diesel de dos tiempos se utilizan casi exclusivamente en el caso de muy grandes potencias, como los utilizados en barcos y centrales de energía.

Los dos ciclos son admisión - compresión y explosión - escape, es igual que en el caso de los de encendido provocado, aunque en este caso al menos se emplea una válvula de escape (barrido independiente). Cuando el pistón se encuentra en su punto muerto inferior, las lumbreras de admisión están abiertas. A través de ellas se inyecta aire a presión, por medio de un compresor, que renueva el contenido en la cámara de combustión. Generalmente todavía se encuentra abierta la válvula de escape.


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Al comenzar a subir el pistón, obstruye las lumbreras de admisión y se cierra la válvula de escape, comienza la compresión hasta que llega al punto muerto superior. La explosión se produce en el momento en que se comienza a inyectar el combustible hasta que se abre la válvula de escape, aproximadamente cuando ha hecho el 70% de la carrera. El pistón sigue bajando mientras se expulsan los gases para de nuevo repetirse el ciclo. Parámetros fundamentales en un motor de explosión En un motor de explosión podemos definir los siguientes parámetros que caracterizan a los mismos: D diámetro del cilindro s carrera del cilindro: longitud recorrida por el pistón entre el punto muerto superior y el punto muerto inferior. s/D relación carrera diámetro. Ap sección del pistón:

Vd cilindrada unitaria Ap x s z número de cilindros. Vt cilindrada total del motor z x Vd Vc volumen final de compresión es el volumen existente entre la culata y el pistón en el punto muerto superior. n número de revoluciones por unidad de tiempo. r relación de compresión volumétrica:

En los motores de dos tiempos, con lumbreras, se define la llamada relación efectiva (r'), como:

Ap = D4

2π ×

r = V + VV

d c

c

r

V sd

= V' +VV

= A

d c

c

p' '


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s: carrera geométrica s': carrera útil. Los valores más normales para la relación de compresión geométricas son de 8 a 10 para motores de encendido provocado y de 12,5 a 23 para los motores de encendido por compresión. Cm velocidad lineal media del pistón 2 x s x n. Los valores actuales para la velocidad lineal media del pisón al régimen de giro que suministra la potencia máxima esta entre 8 y 16 m/s en los motores de encendido provocado para turismos y entre 15 y 23 m/s en deportivos. Los motores de encendido por compresión empleados en automoción su rango de velocidades se encuentra entre los 9 y 13 m/s,

en los motores estacionarios, ferroviarios y marinos de cuatro tiempos su velocidad se encuentra entre los 6 y 11 m/s. Los motores diesel de dos tiempos su velocidad se encuentra entre los 6 y 7 m/s. Consideraciones de potencia en los motores de explosión La potencia efectiva de un motor de explosión, también conocida como potencia al freno, es la capacidad de un motor dado de suministrar energía a una carga en unas determinadas condiciones. Suponiendo que las condiciones de presión atmosférica, el tipo de combustible y la temperatura son constantes, la potencia al freno depende casi exclusivamente de las características constructivas del motor y del régimen de revoluciones, el cual a su vez depende de la carga y de la cantidad de combustible que se quema. El motor produce energía durante cada uno de los ciclos de explosión, si es de cuatro tiempos una vez cada revolución, por ello resulta evidente que la potencia que entrega un motor crece conforme crece el número de revoluciones por segundo. Un motor cuyo mando de aceleración se mantiene a régimen de ralentí, no suministra ninguna energía a la carga; la energía que se extrae del combustible quemado se emplea en vencer los rozamientos de los mecanismos necesarios para que el motor funcione, por lo que la casi totalidad de la energía termina al fin convertida en calor. Al aumentar el paso de combustible, la energía que se produce en cada ciclo o explosión aumenta, con lo cual una vez vencidas las resistencias de rozamiento el motor ya es capaz de entregar energía a la carga. Un exceso de energía permite que el motor gire más rápidamente, por ello un motor es capaz de suministrar teóricamente más potencia conforme se incrementa su velocidad de giro. Cuando las revoluciones sobrepasan un cierto nivel los mecanismos del motor comienzan a perder eficiencia, o corren riesgo de destruirse, por lo que el motor no es capaz de suministrar más potencia. Los factores más importantes que hacen perder eficiencia a motor a altas revoluciones son motivados


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precisamente por el tiempo. Al girar el motor más rápidamente, el ciclo de admisión es más pequeño, por lo que la cámara de combustión solo se llena parcialmente de aire y combustible. De la misma manera, los gases quemados no terminan de ser expulsados si no se dispone de tiempo suficiente, impidiendo igualmente el llenado de aire y combustible nuevo. Estos dos efectos, unidos a las pérdidas por rozamiento hacen que, por encima de un régimen de revoluciones, la energía proporcionada por el motor disminuya. Debido a que la respuesta de potencia de un motor no es una función lineal de las revoluciones, se confeccionan en un banco de pruebas unas gráficas en las que se representan las características del motor en función de las revoluciones. Los parámetros que generalmente se suministran son la potencia, el par motriz y el consumo. Se denomina potencia máxima efectiva a la que es capaz de suministrar un motor de manera continua, sin que el motor sufra por ello daños anormales de funcionamiento. Igualmente se denomina potencia máxima de pico, a la que un motor puede suministrar durante periodos (picos) de tiempo reducidos, sin que el motor sufra daños permanentes. La potencia de los motores se especifica generalmente en Kw (kilovatios), aunque es frecuente encontrarla igualmente especificada en caballos (1 Cv = 0,736 kW). El par motor El par motriz, par motor o momento de torsión, es la fuerza de torsión que el eje del motor trasmite a la carga. El par motor, en función de las revoluciones del motor, se expresa en newtones por metro (Nm). que se determina en el banco de pruebas. La curva que representa el par motor en función de las revoluciones da una información clave en su comportamiento. Generalmente es una curva que tiene su vértice en el centro del rango de funcionamiento, o sea, que el par motor crece en función de las revoluciones hasta alcanzar un máximo a partir del cual decrece. El comportamiento de un motor es tanto o más homogéneo conforme la curva de par es más plana, y por supuesto, cuanto mayor par tiene. Algunos motores tienen pares motores con curvas que presentan un pico bastante agudo. Esta característica hace que a las revoluciones a que el par motor es máximo el motor sea alegre y tenga mucha capacidad de incrementar su régimen (el reprise de los automóviles) mientras que se muestra mucho más perezoso cuando fuera de este rango. Cálculo de la potencia de un motor La potencia de un motor y su par están relacionados por la siguiente formula:

Donde: P = la potencia efectiva del motor en W. M = par motor expresado en Nm.

P = M W = 2 M n = 0,1047 M n×× ×

× ×π

60


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= 3,14159 w = la velocidad angular del eje de salida en radianes/segundo. n = número de revoluciones por minuto. De forma simplificada la potencia efectiva en kilovatios puede obtenerse multiplicando el par motor en newtones - metro por el número de revoluciones por minuto y dividiendo por 10.000.

Rangos de potencia de los motores de explosión en uso. Independientemente de estos datos, que deben extraerse de las características de un motor obtenidas en los bancos de pruebas, es muy difícil calcular de manera teórica la

P = M n10000

×

Curvas características de un motor de encendido provocado


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potencia al freno que da un motor, puesto que además del régimen de revoluciones influyen en la misma muchos factores de diseño. Como resumen de algunos datos prácticos se expresan las potencias típicas de algunos motores. Motores de gasolina Los motores típicos de vehículos automóviles turismo, alimentados por gasolina sin plomo de 95 octanos y a un régimen de 5.500 r.p.m., suministran (más/menos 20%) 50 Cv (38 Kw) por cada 1.000 cm3 de cilindrada. Estos motores ven incrementada la potencia entregada en un 20% aproximadamente cuando disponen de cuatro válvulas por cilindro y disminuida en un 10% por efecto del catalizador de gases de escape. Motores similares especialmente acondicionados para su uso en motocicletas con cuatro válvulas por cilindro y cuya cilindrada no suele superar los 1.000 cm3 llegan a alcanzar regímenes fiables de hasta 11.000 r.p.m., por ello la potencia entregada puede llegar a ser de hasta 76 Kw (100 Cv) por 1.000 cm3 de cilindrada. Los motores de competición de vehículos de fórmula 1 llegan a alcanzar durante tiempos breves hasta 400 Cv por litro de cilindrada. Motores Diesel Los recientes motores turbodiésel, empleados en automóviles turismos, proporcionan potencias que se acercan a sus mejores rivales de gasolina. Su funcionamiento, a más bajas revoluciones, se compensa con un par más elevado. Así son típicas potencias de 40 Cv (30 Cv) a 3.500 r.p.m. por 1.000 cm3 de cilindrada. Los grandes motores diesel empleados en camiones o en la tracción ferroviaria, operan a regímenes de revoluciones relativamente bajos. En camiones y autobuses son típicas las potencias de entre 200 y 400 Cv a 2.500 revoluciones, con motores de 6 cilindros y cilindradas de 6.000 cm3 o más, lo que supone aproximadamente entre 20 y 33 Cv por litro. En tracción ferroviaria se emplean locomotoras dotadas de potencias cercanas a los 1000 Kw, que se consiguen con grupos motores de 8, 12 ó 16 cilindros, que a 1200 r.p.m. proporcionan 200 Cv por cilindro. Éste es el caso de motor GMT-Fiat, que con una carrera de 270 mm y un diámetro de 230 mm cubica 11,2 litros por cilindro, lo cual significa casi 18 Cv/litro. En embarcaciones ligeras se suelen emplear motores de 4, 6, 8 o 12 cilindros, sobrealimentadas con aire a 25 bares, que operan entre 1.000 y 2.500 r.p.m. y potencias comprendidas entre los 800 y los 6.000 Cv. En los motores de grandes barcos en los que el cigüeñal se acopla directamente a la hélice se emplean motores de dos tiempos sobrealimentados a 25 bar con diámetros de cilindro cercanos a los 500 mm. Estos motores se fabrican en configuraciones desde 5 cilindros en línea hasta 20 en V, proporcionando desde los 2.600 Cv hasta más de 20.000 en el caso superior.


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Apéndice

Vehículos empleados en los servicios de prevención y extinción de incendios y salvamentos.

motores de comb interna

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