viernes, 16 de julio de 2010

Historia



Los motores de gasolina a cuatro tiempos se denominaban genéricamente Otto en honor a su inventor, el alemán Nikalous August Otto. Se basan en la existencia de cuatro movimientos en el funcionamiento del motor: admisión, compresión y explosión de la mezcla, y expulsión de los gases quemados. Ideado para combustibles ligeros, capaces de vaporizarse, se trata de motores de chispa, es decir, que necesitaban la ayuda de una chispa para iniciar la combustión.

La posibilidad de obtener energía mecánica a partir de la expansión del vapor de agua o del aire caliente era conocida desde la Antigüedad, 200 años antes de Cristo, Arquímedes ya utilizo dicho principio en el cañón, pero hubo que esperar hasta 1775 para que James Watt idease su motor de vapor y se obtuviera el primer motor valido para la automoción.

La potencia se obtiene siempre por la expansión de un gas al aumentar la temperatura dentro de un recipiente cerrado en forma de cilindro. Una de las dos tapas del cilindro no es fija, sino móvil. Puede deslizarse a lo largo de las paredes del cilindro empujada por la presión del gas mediante un sistema de biela-manivela que transmite la fuerza al cigüeñal y, finalmente, a las ruedas.

Mediante una combustión violenta (explosión) de una mezcla de aire y combustible, ésta aumenta de temperatura y volumen, incrementado así la presión en el interior del cilindro y empujando el pistón.

El francés Jean-Joseph Étienne Lenoir ideó motores a gas, pero este tipo de combustible no servia para la automoción. En 1885, Gottlieb Daimler patentó una máquina motriz que funcionaba con gas o petróleo. Y Wilhem Maybach trabajo también en el proyecto. Pero la paternidad del motor de gasolina de cuatro tiempos se atribuye a Nikalous August Otto, hasta el punto que estos motores reciben su nombre.

Éstos son los cuatro tiempos básicos que dan nombre genérico del ciclo (cuatro tiempos); admisión, compresión, explosión y expulsión. Para que el motor tenga una combinación perfecta es preciso dosificar exactamente la cantidad de aire y combustible que entra y coordinar todo los procesos y los movimientos de las piezas, lo que entraña una notable complejidad mecánica.

Los primeros motores daban muy poca potencia, apenas uno o dos caballos por litro. Un siglo después, el rendimiento medio está en los 70 CV por litro de cilindrada, aunque los motores deportivos alcanzan más de cien y los de competición se acercan incluso a los 300. Los materiales, la electrónica y el conocimiento de la combustión han permitido estas mejoras.

Nikalous August Otto nació el 19 de julio de 1832 en Holzhausen, localidad situada en la región alemana de Taunus. Viajante de comercio para varias firmas de alimentación, Otto se aficionó a la mecánica tras conocer los motores Lenoir, que funcionaban con gas, y sus aplicaciones. Pero como no era fácil aprovisionarse de gas en las zonas rurales, ideó un dispositivo gasificador de combustibles líquidos que patento en 1861. En sus experimentos descubrió casualmente que las explosiones serian más violentas si la mezcla estaba precomprimida.

En 1867 fabricó algunos motores junto al ingeniero Langen y más tarde colaboro con los ingenieros Maybach y Daimler. En 1876 puso a punto para la Deutz Motorenfrabrick el primer motor de cuatro tiempos. Pasó a llamarse Otto cuando la Deutz dio licencia de construcción del motor a la firma británica Crossley, con el nombre de Otto silent motor”. Nikalous August Otto falleció en 1891, poco después de que el tribunal alemán diera luz verde a la producción de automóviles al revocar algunas partes esenciales de su patente del motor de explosión.


Definición


Un motor de combustión interna es básicamente una máquina que mezcla oxígeno con combustible gasificado. Una vez mezclados íntimamente y confinados en un espacio denominado cámara de combustión, los gases son encendidos para quemarse (combustión).

Debido a su diseño, el motor, utiliza el calor generado por la combustión, como energía para producir el movimiento giratorio que conocemos.




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Funcionamiento



Aquí se detallan los diferentes tiempos (actividades realizadas durante el ciclo) y sus características.



- 1-Primer tiempo o admisión: en esta fase el descenso del pistón aspira la mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado o el aire en motores de encendido por compresión. La válvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está abierta. En el primer tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas da 90º y la válvula de admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente.


- 2-Segundo tiempo o compresión: al llegar al final de carrera inferior, la válvula de admisión se cierra, comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el ascenso del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º, y además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente.


- 3-Tercer tiempo o explosión: al llegar al final de la carrera superior el gas ha alcanzado la presión máxima. En los motores de encendido provocado o de ciclo Otto salta la chispa en la bujía, provocando la inflamación de la mezcla, mientras que en los motores diésel, se inyecta a través del inyector el combustible muy pulverizado, que se autoinflama por la presión y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la combustión, esta progresa rápidamente incrementando la temperatura y la presión en el interior del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistón. Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo. En este tiempo el cigüeñal gira 180º mientras que el árbol de levas da gira, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente.


- 4 -Cuarto tiempo o escape: en esta fase el pistón empuja, en su movimiento ascendente, los gases de la combustión que salen a través de la válvula de escape que permanece abierta. Al llegar al punto máximo de carrera superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el ciclo. En este tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de 90º.




Partes principales

Los motores a gasolina cuentan con varias partes similares a los motores Diesel las cuales son:


El bloque

Es la estructura básica del motor, en el mismo van alojados los cilindros, cigüeñal, árbol de levas, etc. Todas las demás partes del motor se montan en él.

Generalmente son de fundición de hierro o aluminio. Pueden llevar los cilindros en línea o en forma de V.

Lleva una serie de aberturas o alojamientos donde se insertan los cilindros, varillas de empuje del mecanismo de válvulas, conductos del refrigerante, los ejes de levas, apoyos de los cojinetes de bancada y en la parte superior lleva unos taladros donde se sujeta el conjunto de culata.



El cigüeñal

Es el componente mecánico que cambia el movimiento alternativo de las bielas en movimiento rotativo. Esta montado en el bloque en los cojinetes principales los cuales están lubricados.

El cigüeñal se puede considerar como una serie de pequeñas manivelas, una por cada pistón. El radio del cigüeñal determina la

distancia que la biela y el pistón puede moverse. Dos veces este radio es la carrera del pistón.

Podemos distinguir las siguientes partes:

- Muñequillas de apoyo o de bancada.

- Muñequillas de bielas.

- Manivelas y contrapesos.

- Platos y engranajes de mando.

- Taladros de engrase.

Una muñequilla es la parte de un eje que gira en un cojinete.

Las muñequillas de bancada ocupan la línea axial del eje y se apoyan en los cojinetes de bancada del bloque. Las muñequillas de biela son excéntricas con respecto al eje del cigüeñal. Van entre los contrapesos y su excentricidad e igual a la mitad de la carrera del pistón. Por cada muñequilla de biela hay dos manivelas.

Los motores en V llevan dos bielas en cada muñequilla.

En un extremo lleva forjado y mecanizado en el mismo cigüeñal el plato de anclaje del volante y en el otro extremo va el engranaje de distribución que puede formar una sola pieza con él o haber sido mecanizado por separado y montado luego con una prensa. Algunos cigüeñales llevan un engranaje de distribución en cada extremo para mover los trenes de engranajes de la distribución.

Otra particularidad del cigüeñal es una serie de agujeros de engrase, para que pase el aceite desde las muñequillas de biela a las de bancada. Como al taladrar quedan esos orificios en los contrapesos, se cierran con tapones, que se pueden quitar para limpiar dichos conductos.


La Culata


Es el elemento del motor que cierra los cilindros por la parte superior. Pueden ser de fundición de hierro o aluminio. Sirve de soporte para otros elementos del

motor como son: Válvulas, balancines, inyectores, etc. Lleva los orificios de los tornillos de

apriete entre la culata y

el bloque, además de los de entrada de aire por las válvulas de admisión, salida de gases por las válvulas de escape, entrada de combustible por los inyectores, paso de varillas de empujadores del árbol de balancines, pasos de agua entre el bloque y la culata para refriger

ar, etc.

Entre la culata y el bloque del motor se monta una junta que queda prensada entre las dos a la que llamamos habitualmente junta de culata.


Las válvulas

Las válvulas abren y cierran las lumbreras de admisión y escape en el momento oportuno de cada ciclo. La de admisión suele ser de mayor tamaño que la de escape.

En una válvula hay que distinguir las siguientes partes:

  • Pie de válvula.
  • Vástago.
  • Cabeza.

La parte de la cabeza que está rectificada y finamente esmerilada se llama cara y asienta sobre un inserto alojado en la culata. Este asiento también lleva un rectificado y esmerilado fino.

Las válvulas se cierran por medio de resortes y se abren por empujadores accionados por el árbol de levas. La posición de la leva durante la rotación determina el momento en que ha de abrirse la válvula.

Las válvulas disponen de una serie de mecanismos para su accionamiento, que varía según la disposición del árbol de levas.



El árbol de levas

Este elemento es utilizado para abrir las válvulas que va sincronizado con la distribución del motor y cuya velocidad de giro es la mitad que la del cigüeñal; por tanto, el diámetro de su engranaje será de un diámetro doble que el del cigüeñal. Asimismo, según su situación varía el mecanismo empujador de las válvulas.

- Cuando el árbol de levas es lateral el mecanismo empujador consta de leva, taqué, varilla, balancín y eje de balancines.

- Cuando el árbol de levas va en cabeza la leva actúa directamente sobre un cajetín cilíndrico.

- También e otro motores de cuatro válvulas por cilindro la leva actúa directamente sobre un rodillo de un balancín en forma de horquilla. El principio es el mismo que el de levas laterales con la diferencia que se ha abandonado la varilla de empuje.



Engranajes de distribución

Conduce los accesorios y mantienen la rotación del cigüeñal, árbol de levas, eje de leva de la bomba de inyección ejes compensadores en la relación correcta de desmultiplicación.

El engranaje del cigüeñal es el engranaje motriz para todos los demás que componen el tren de distribución, por lo que deben de estar sincronizados entre sí, de forma que coincidan las marcas que llevan cada uno de ellos.



Bomba de aceite

Está localizada en el fondo del motor en el cárter del aceite. Su misión es bombear aceite para lubricar cojinetes y partes móviles del motor.

La bomba es movida por un engranaje, desde el eje de levas hace circular el aceite a través de pequeños conductos en el bloque.

El flujo principal del aceite es para el cigüeñal, que tiene unos taladros que dirigen el lubricante a los cojinetes de biela y a los cojinetes principales. Aceite lubricante es también salpicado sobre las paredes del cilindro por debajo del pistón.


Bomba de agua

Es la encargada de hacer circular el refrigerante a través del bloque del motor, culata, radiador etc.

La circulación de refrigerante a través del radiador trasfiere el calor del motor al aire que circula entre las celdas del radiador. Un ventilador movido por el propio motor hace circular el aire a través del radiador.


Pistón

Se trata de un émbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos o anillos. Efectúa un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presión y volumen o transformando en movimiento el cambio de presión y volumen del fluido.

Los pistones de motores de combustión interna tienen que soportar grandes temperaturas y presiones, además de velocidades y aceleraciones muy altas. Debido a estos se escogen aleaciones que tengan un peso especifico bajo para disminuir la energía cinética que se genera en los desplazamientos. También tienen que soportar los esfuerzos producidos por las velocidades y dilataciones. El material más elegido para la fabricación de pistones es el aluminio y suelen utilizarse aleantes como: cobre, silicio, magnesio entre otros.


Biela



Se denomina biela a un elemento mecánico que sometido a esfuerzos de tracción o compresión, transmite el movimiento articulando a otras partes de la maquina. En un motor de combustión interna conectan el piston al cigueñal.

Actualmente las bielas son un elemento básico en los motores de combustion interna. Se diseñan con una forma específica para conectarse entre las dos piezas, el pistón y el cigüeñal. Su seccion transversal o perfil puede tener forma de H, I o +. El material del que están hechas es de una aleacion de acero, titanio o aluminio. En la industria automotor todas son producidas por forjamiento, pero algunos fabricantes de piezas las hacen mediante maquinado



Cilindro o camisa


El cilindro de un motor es el recinto por donde se desplaza un piston. Su nombre proviene de su forma, aproximadamente un cilindro geométrico.

En los motores tales como los utilizados en los vehículos automotores, se dispone un ingenioso arreglo de cilindros junto con pistones, válvulas, anillos y otros mecanismos de regulación y transmisión, pues allí es donde se realiza la explosión del combustible, es el origen de la fuerza mecánica del motor que se transforma luego en movimiento del vehículo.

El cilindro es una pieza hecha con metal fuerte porque debe soportar a lo largo de su vida útil un trabajo a alta temperatura con explosiones constante de combustible, lo que lo somete a un trabajo excesivo bajo condiciones extremas. Una agrupación de cilindros en un motor constituye el núcleo del mismo, conocido como bloque del motor.

El diámetro y la carrera del cilindro, o mejor la cilindrada, tienen mucho que ver con la potencia que el motor ofrece, pues están en relación directa con la cantidad de aire que admite para mezclarse con el combustible y que luego explota, generando con ello el movimiento mecánico que finaliza con el desplazamiento del vehículo hacia otra posición.


Los cojinetes


Elementos mecánicos que permiten el libre movimiento entre piezas fijas y móviles. Los cojinetes de antifricción son esenciales para la maquinaria: sostienen o guían sus piezas móviles y reducen al mínimo la fricción y el desgaste. La fricción consume energía inútilmente y el desgaste altera las dimensiones y el ajuste de las piezas hasta la inutilización de la máquina.

Estos van colocados en las uniones del cigüeñal y biela y cigüeñal y bloque



La bujia y sistema electrico

La bujía es el elemento que produce el encendido de la mezcla de combustible y aire en el (o los) cilindros, mediante una chispa, en un motor de combustión interna de encendido provocado (MEP), tanto alternativo de ciclo Otto como Wankel. Su correcto funcionamiento es crucial para el buen desarrollo del proceso de combustión/expansión del ciclo Otto, ya sea de 2 tiempos (2T) como de cuatro (4T) y pertenece al sistema de encendido del motor, es decir hace parte del sistema eléctrico para el encendido del carro