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Estructura del motor de explosión

Indice del curso

 

El motor térmico de combustión interna esta formado básicamente por una serie de elementos estáticos y dinámicos, clasificados, en función de la misión que cumplen dentro del motor, en tres grupos esenciales, que serian:

 

 

Elementos fijos
En este grupo están encuadrados aquellos elementos estáticos necesarios para el funcionamiento del motor. Forman el armazón del motor y de los cilindros, en cuyo interior tiene lugar el proceso de combustión.

Bloque motor
El bloque constituye el cuerpo estructural donde se alojan y sujetan todos los demás componentes del motor.
La forma y disposición del bloque está adaptada al tipo de motor correspondiente, según sea de cilindros en "linea", horizontales opuestos o en "V".
El bloque motor contiene los cilindros, los apoyos del cigüeñal y la culata, las canalizaciones de refrigeración y engrase etc.

Bloque con refrigeración por agua
Los motores refrigerados por agua llevan situados en el interior del bloque unos huecos y canalizaciones, denominadas "camisas de agua", que rodean a los cilindros y a través de los cuales circula el agua de refrigeración.

Bloque con refrigeración por aire
En los motores enfriados por aire, para que la refrigeración se realice en las debidas condiciones en toda la periferia del cilindro, es preciso que éstos sean independientes, por lo que esta disposición se emplea generalmente para motores monocilindricos.
Para conseguir la refrigeración se dispone alrededor del bloque una serie de aletas que aumentan la superficie radiante y eliminan mejor el calor interno.

Bloque de motor de dos tiempos
En pequeños motores de dos tiempos, debido a su sistema de alimentación y escape por lumbreras laterales situadas en el cilindro, no es preciso hacer la culata desmontable. Se fabrican generalmente de un solo cuerpo, del tipo monoblock, con lo que resultan más compactos y evitan puntos de unión entre sus elementos.

En otros casos, en los motores de 2 tiempos la culata si esta separada del bloque como podemos ver en le figura inferior.

 

Fabricación del bloque
Los bloques se fabrican de una sola pieza y completamente huecos para eliminar peso muerto en el motor. Todos los cilindros van dispuestos en uno o dos bloques, según el tipo de motor, unidos por su bancada, formando así un cuerpo único.
Esta disposición de un solo bloque tiene la ventaja de dar mayor rigidez al conjunto, simplifica la refrigeración del motor y facilita el proceso de fabricación.
El material empleado en la fabricación de los bloques es, generalmente, fundición de hierro con estructura perlítica, aleado con pequeñas proporciones de cromo y níquel, que proporcionan una gran resistencia al desgaste y protección a la corrosión. Este material además resiste muy bien las altas temperaturas que tiene que soportar.
En la fabricación de bloques se emplean también las aleaciones ligeras a base de aluminio-silicio, que tienen las ventajas de su menor peso y gran conductibilidad térmica, con lo que se mejora la refrigeración. Estas características permiten aumentar el grado de compresión en los motores de gasolina, con lo que se obtiene una mayor potencia útil y un menor peso especifico para una misma cilindrada.

Formación de los cilindros
El orificio circular que sirve de cilindro puede practicarse sobre el propio material del bloque, o bien puede obtenerse ajustando en este unas piezas postizas en forma de tubo llamadas "camisas". Estas piezas se fabrican independientemente y se montan sobre el bloque con un buen ajuste.
Según el procedimiento empleado para obtener los cilindros hay que distinguir tres clases de bloques:

Hay dos tipos de camisas en los bloques:

 

Camisas secas
Estas camisas van montadas a presión, en perfecto contacto con la pared del bloque, para que el calor interno puede transmitirse al circuito de refrigeración. Estas camisas se fabrican de materiales mas resistentes que los del bloque por lo que pueden utilizarse en motores que soporten mayores presiones internas como son los motores Diesel. Las camisas se montan en el bloque a presión por medio de una prensa, de esta forma se consigue que queden fijas sobre el bloque sin que puedan moverse.
Las camisas secas pueden ser con pestaña de asiento y sin pestaña.

 

Camisas húmedas
Las camisas húmedas son unos cilindros independientes que se acoplan al bloque que es completamente hueco. Se ajustan al bloque por medio de unas juntas de estanqueidad, para evitar que el agua pase al cárter de aceite. Estas camisas sobresalen ligeramente del plano superior del bloque de forma que quedan fijadas una vez que se aprieta la culata.

Esta disposición del motor ofrece una mejor refrigeración del motor, y se emplea generalmente en motores de gran potencia, donde se necesita una mayor evacuación de calor. Tiene el inconveniente de su mayor costo de fabricación y una cierta dificultad de montaje, ya que, al estar la camisa en contacto directo con el liquido de refrigeración, existe el riesgo de que se produzcan fugas a través de las juntas de estanqueidad.

 

La culata
Es la pieza que sirve de cierre de los cilindros, formandose generalmente en ella las cámaras de combustión. En la culata se instalan las válvulas de admisión y escape, los colectores de admisión y escape, los balancines, el árbol de levas, también los elementos de encendido o inyección, según el tipo de motor de que se trate. Ademas de las cámaras de combustión la culata tiene cámara para el liquido de refrigeración y conductos para los gases de escape y aire de admisión.

Culata para motor de cuatro tiempos
Debido a los esfuerzos a que está sometido y a las altas temperaturas que tiene que soportar, este elemento es una de las piezas mas delicadas y de difícil diseño del motor. La cantidad de huecos y orificios de paso que posee pueden hacer que su estructura quede debilitada. Se fabrica hueca para que pueda circular por su interior el agua de refrigeración.
Todo ello hace muy difícil a la hora de proyectar una culata, fijar matemáticamente sus dimensiones y espesores de material, los cuales deben adaptarse a las características del motor, con un espesor en sus paredes lo mas uniforme posible para evitar desequilibrios térmicos en la misma, lo cual originaria la aparición de grietas en la estructura.
Las zonas de la culata que soportan más calor son: la cámara de combustión y el conducto de salida de los gases quemados. Por tanto, se debe estudiar con detalle la correcta circulación del liquido de refrigeración, para que todo el conjunto quede térmicamente equilibrado.

Culata para motores de dos tiempos
Esta culata es mas simple que la de cuatro tiempos, ya que solo necesita un orificio para instalar la bujía o inyector. Resulta aún mas sencilla si la refrigeración se realiza por aire.
No obstante, la refrigeración de esta culata es de suma importancia, ya que, al producirse en ella las combustiones con mayor rapidez, se dispone de menos tiempo para la evacuación del calor interno. Por esta razón su material alcanza mayor temperatura limite durante su funcionamiento. Estas culatas utilizan materiales de aleación ligera como el aluminio y tienen una serie de aletas externas que ayudan a la evacuación del calor del motor.

Material de las culatas
El material para la fabricación de las culatas es:

 

Montaje de la culata
Una de las características a tener en cuenta de las culatas es su amarre al bloque motor, ya que, al estar sometida a la fuerza de empuje de los gases de la combustión, tiende a separarse del bloque. Por esta razón, el sistema de amarre y el numero mas conveniente de puntos de unión, se estudia cuidadosamente, así como la calidad y dimensiones de los espárragos empleados para ello.
El número de puntos de amarre depende de las dimensiones de la culata ya que si se emplean muchos espárragos, mayor es el número de agujeros que hay que practicar en la misma, lo que debilita su estructura y aumenta las dificultades de moldeado. Por otra parte se disminuye el peligro de flexión y la dilatación de la misma, al ser menor la separación entre puntos de amarre, asegurando así el cierre estanco de los cilindros.
El par de apriete establecido para cada culata viene indicado por el fabricante en función de la presión interna y del material empleado en su fabricación. Este par de apriete se logra con el empleo de llaves dinamométricas. Se debe seguir el orden de apriete establecido por el fabricante, comenzando normalmente por el centro y terminando por los extremos.

 

Formas y características de las cámaras de combustión
Una característica importante de las culatas es el tipo de cámaras de combustión que llevan mecanizadas. La cámara de combustión es el espacio que existe entre la cabeza del pintón en el PMS y las diferentes formas que se mecanizan en la culata. En la cámara de combustión se comprime la mezcla o el aire en su grado máximo.
La cámara de combustión se construye principalmente en la culata, y en ella se alojan las válvulas de admisión y escape y la bujía o el inyector dependiendo del motor sea Otto o Diesel.

Cámaras de combustión para motores Otto
En los motores de gasolina los mejores resultados se obtienen con una forma de cámara semiesférica; pero debido a la disposición y dimensionado de las válvulas, cuyo asiento debe ser plano, la configuración de la cámara se aleja de su forma ideal.

Las diferentes formas de la cámara de combustión pueden ser:

 

Cámaras de combustión para motores Diesel
En el funcionamiento de los motores Diesel, la combustión se realiza comprimiendo solamente el aire de admisión e inyectando a continuación el combustible, el cual, al contacto con el aire caliente, se inflama y produce la combustión. Esta inflamación no es instantánea sino que se produce cuando la temperatura del mismo se comunica al liquido. Es decir, que si el aire esta en reposo, las primeras gotas de combustible enfrían el aire circundante, lo cual retrasa la combustión.
Por otra parte, la combustión en estos motores no se realiza en un frente único, como ocurre en los motores Otto, sino en diferentes puntos a la vez y se transmite a toda la mezcla. Si todos estos puntos de aire, en el interior de la cámara, no están a la misma temperatura se produce un efecto de picado, al no inflamarse la mezcla homogéneamente.
Para tener una combustión optima en los motores Diesel es necesario tener una relación de compresión alta y conseguir que el aire de admisión adquiera una turbulencia para que el calor se transmita por igual en todos los puntos de la cámara.

 

La turbulencia del aire dentro del cilindro se consigue dando a la cámara de combustión la forma mas adecuada. Según la disposición adoptada, existen los siguientes tipos de cámaras:

Cámaras de inyección directa
En este sistema el combustible es inyectado directamente en la cámara de combustión a través de varios orificios del inyector. Al chocar el combustible contra la cabeza del émbolo, que es la zona mas caliente, se consigue una mejor mezcla y varios puntos simultáneos de ignición.
La cámara de combustión esta constituida en la cabeza del émbolo y la turbulencia se consigue dando a esta cámara una forma toroidal. Durante la admisión entra el aire con una inclinación adecuada e incide lateralmente en la cámara y, siguiendo la forma de la misma, crea un torbellino en el centro que sube hasta chocar contra la culata y se une al que sigue entrando para formar el torbellino tórico. El torbellino, durante la compresión, aumenta de velocidad, consiguiendo así mantener el aire en movimiento y su temperatura homogénea en toda la cámara.
Este sistema, al tener menor superficie de cámara de contacto con el circuito de refrigeración, proporciona una mayor temperatura interna, lo cual facilita el arranque en frío y supone un menor consumo de combustible. El rendimiento del motor es más elevado ya que se produce una combustión completa.

 

Cámaras de inyección indirecta
Este tipo de motores utilizan una cámara de combustión principal y otra auxiliar. La inyección de combustible se realiza en la precamara o cámara auxiliar que esta unida a la principal por un estrechamiento, cuya función es provocar una gran turbulencia del aire y el combustible inyectado.
La cámara auxiliar se fabrica de acero especial y va montada de manera postiza sobre la culata. La relación de compresión es mas alta que en los motores de inyección directa del orden de 18 - 22/1. El uso de cámara auxiliar suaviza el funcionamiento del motor Diesel y como desventaja tiene que aumenta el consumo de combustible. El arranque en frío del motor es mas difícil,s por lo que se utilizan sistemas de precalentamiento de la cámara auxiliar.

 

 

 

Colectores de admisión y escape
Estos elementos van situados lateralmente en la culata y, como su nombre indica, son los conductos por los cuales entran las gases frescos al interior del cilindro y salen al exterior los gases quemados.

Colector de admisión
El colector de admisión suele fabricarse de aluminio, ya que al no estar expuesto a las elevadas temperaturas del motor no sufre apenas dilataciones, reduciendo así el peso del mismo.
La principal características de este colector, es su perfecto diseño en cuanto a distribución y diámetro interior, a fin de que la mezcla o aire de admisión llegue sin perdidas de carga a cada uno de los cilindros. Para que esto se cumple la longitud de los tubos debe ser lo mas corto posible y equidistante del carburador o en sistemas de inyección monopunto, con una superficie interior perfectamente lisa, para evitar retenciones de la mezcla durante la admisión.


Para favorecer el arranque en frío evitando que el combustible se condense en las paredes, se utilizan sistemas de calentamiento situados en los colectores por debajo de la mariposa de gases. Estos sistemas pueden aprovechar el calor del agua de refrigeración o bien utilizar una resistencia eléctrica de calentamiento.
En sistemas de inyección multipunto, los colectores se pueden optimizar mejor, ya que cada cilindro tiene su inyector al lado de la válvulas de admisión, por lo que podemos dar una longitud a los tubos de admisión lo mas optimo a las características del motor (cilindrada, nº r.p.m.). En este tipo de motores se pueden utilizar sistemas de admisión variable que pueden variar la longitud de los tubos del colector de admisión o bien utilizar tubos divididos que se utilizan parcialmente o en su totalidad utilizando mariposas de paso.

En motores Diesel se utilizan colectores como los utilizados en los sistemas de inyección multipunto ya que tienen un inyector por cada cilindro independientemente del sistema de inyección utilizado. En estos motores se buscan colectores de admisión que consigan una elevada turbulencia de aire en el interior del cilindro.

 

Colector de escape
Se fabrican de hierro fundido con estructuras perlítica, ya que tiene que soportar altas temperaturas y presiones durante la salida de los gases. Como en el caso del colector de admisión, debe estar diseñado para evitar toda contrapresión en el interior del cilindro y facilitar la salida rápida de los gases.
Existen varios modelos que se adaptan a cada tipo de motor. Se emplea el sistema de tubos múltiples en los motores de altas prestaciones.

 

Disposición de los colectores en el motor
Los colectores se sitúan uno a cada lado de la culata, lo cual favorece el arrastre de gases quemados debido al flujo de entrada de los gases frescos de admisión.
Otras veces, ambos colectores se colocan en el mismo lado de la culata, con lo cual el calor de los gases de escape se transmiten al colector de admisión. Esta disposición favorece la perfecta carburación de la mezcla en los motores Otto y evita la condensación de los gases en el colector de admisión en tiempo frío.

 

Juntas en el motor
En todo acoplamiento de elementos fijos se interpone una junta de unión, la cual hace de cierre estanco entre ellos. El material empleado para cada tipo de junta debe ser el adecuado a la función que tiene que cumplir y a la posición que ocupa en el motor, ya que algunas de estas juntas han de soportar elevadas presiones y temperaturas. La junta mas importante del motor es la junta culata, por las duras condiciones en las que tiene que trabajar y por su enorme importancia en el normal funcionamiento del motor.

Las juntas en general utilizadas en el automóvil están fabricadas en materiales como papel, corcho, caucho, metal o la combinación de alguno de ellos (juntas de acero recubiertas de elastómeros).
Atendiendo a su aplicación, pueden dividirse en juntas de culata, juntas de sellado de cárteres de aceite, colectores de admisión y escape, bomba de agua, bomba de aceite, etc.


Junta culata
La junta de culata es la junta plana sometida a las mayores exigencias de trabajo en el interior de un motor. Tiene la función de sellar las cámaras de combustión, los conductos de refrigerante y lubricante, y los agujeros de los tornillos entre sí.
Dependiendo del diseño del motor, una junta de culata consta de varias láminas de acero. Así por ejemplo, los motores Diesel de elevada carga de funcionamiento precisan de unas juntas de culata con un diseño constructivo mucho mayor que los motores Otto de escasa potencia y poca carga.

Las prestaciones de las juntas culatas deben resistir todo tipo de requerimiento químico, físico y estructural de los motores y deben ser construidas con una elevada resistencia a: los gases de combustión y a diversos fluidos agresivos, las altas temperaturas y rápidas variaciones térmicas de hasta 240ºC, y las altas presiones de combustión extremadamente variables y puntuales de hasta 120 bar en motores Otto y más de 200 bar en los motores Diesel, por citar algunos datos.

Datos para elegir la junta culata
Para elegir el tipo de junta culata que montaremos sobre el motor hay una serie de datos que hay que tener en cuenta. Uno de los datos es la distancia entre la superficie del pistón (C) en el punto muerto superior (PMS) y la superficie de separación del bloque motor. Otro dato importante es el espesor de la junta que viene determinado por el "número de entalladuras" o muescas.




 

 

 

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