Fundamentos de Motores Voswagen

Introducción

Fundamentos de Motores

El presente folleto contiene el curso de fundamentos de motores BA121 el cual forma parte de la nueva estructura de cursos de Entrenamiento a la Red - Servicio. Este curso tiene como objetivo, brindar las bases necesarias para el desarrollo de los futuros técnicos VW en el área de motores. Contiene lo fundamental acerca de la nomenclatura, los componentes y los principios de funcionamiento de los motores VW. Por la importancia de los conceptos técnicos es necesario que su instructor interno dirija las explicaciones.

Capítulo 1 Componentes del Motor

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Componentes del motor

Fundamentos de Motores Árbol de levas Es una barra con excéntricas accionada por el cigüeñal por medio de una banda dentada o una cadena. Va montado en la culata del motor (a la cabeza) y su trabajo consiste en accionar las válvulas en forma sincronizada con las carreras de los pistones. Esta disposición mecánica reduce el número de componentes y elimina la necesidad de mantenimiento. (Ver: Buzos hidráulicos)

Pistón Se fabrica generalmente de aleación de aluminio y va alojado en un cilindro del monobloque; constituye la parte inferior de la cámara de combustión, recibe el empuje de la explosión y se desplaza dentro del cilindro con un movimiento rectilíneo y reciprocante. Dispone de ranuras donde van alojados los anillos y cuenta con un perno con el que se conecta con la biela.

Anillos del pistón (Segmentos) Son aros abiertos que una vez montados en las ranuras del pistón y a la temperatura de trabajo del motor, prácticamente quedan cerrados. Su trabajo consiste en cerrar los espacios entre el pistón y el cilindro. El primero -generalmente son tres- recibe el nombre de anillo de fuego y forma junto con la cabeza del pistón, la parte baja de la cámara de combustión. Sigue el segundo anillo que complementa la labor del primero y luego el tercero, llamado anillo rascador o de control de aceite que se encarga de dejar una película controlada de lubricante en las paredes del cilindro.

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Componentes del motor

Fundamentos de Motores Cilindro Es una cavidad maquinada dentro del monobloque que sirve de alojamiento para el pistón y dentro de la cual trabaja éste. Forma las paredes de la cámara de combustión y la superficie de trabajo para los anillos del pistón. El acabado de su superficie tiene un microrrayado para mantener el aceite (película lubricante) entre los anillos y el cilindro.

Biela Constituye el eslabón entre el pistón y el cigüeñal, transmitiendo el empuje de aquél hacia éste. Está fabricada en hierro forjado, dispone de vena de lubricación y su trabajo fundamental consiste en convertir el movimiento rectilíneo y reciprocante del pistón, en movimiento giratorio del cigüeñal. En sus extremos tiene dos "ojos"; el menor aloja el perno del pistón, y el mayor (abierto) se instala en el muñón del cigüeñal.

Buzos Hidráulicos Se encargan de transmitir el movimiento de las levas hacia las válvulas para abrirlas. Su principal característica es que eliminan la necesidad de ajustes y calibraciones pues desaparecen por completo los entrehierros (espacios entre partes) y por lo tanto los juegos y tolerancias. Son alimentados con aceite a presión que los mantiene cargados durante su funcionamiento.

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Componentes del motor

Fundamentos de Motores Válvulas Fabricadas generalmente de aleaciones de acero, las válvulas, por su función, pueden ser de admisión o de escape. Accionadas por las levas a través de los buzos, las de admisión abren o cierran el paso del aire exterior hacia los cilindros. Las de escape abren o cierran la salida de gases del interior de los cilindros hacia el exterior a través del múltiple del mismo nombre.

Cárter (charola de aceite). Es un depósito que puede ser de lámina de fierro o fundición de aluminio, colecta el lubricante del motor y se encuentra ubicado en la parte inferior del monobloque, cubre al cigüeñal y a la bomba de aceite y ésta toma de ahí el necesario para su función.

Tapa de Válvulas Constituye la parte superior del motor y cubre al árbol de levas. Al igual que la charola de aceite puede ser de lámina de fierro estampada o de fundición de aluminio. Generalmente se encuentra en ella el tapón hermético para el rellenado de aceite.

Distribución Consiste básicamente en una pareja de engranes que pueden estar endentados entre sí o por medio de una banda dentada o una cadena. El engrane superior, que corresponde al árbol de levas, es movido por el engrane inferior, que corresponde al cigüeñal, con una relación de 2 : 1; es decir que el engrane del árbol de levas tiene el doble de dientes que el del cigüeñal. Esto significa que por cada dos vueltas del cigüeñal, el árbol de levas sólo dará una.

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Componentes del motor

Fundamentos de Motores Volante del motor Es un disco pesado de hierro maquinado, cuya función básica es acumular la inercia del cigüeñal, al que va atornillado en su extremo posterior. Sirve también de superficie de trabajo para el disco de embrague y cuenta con una cremallera (rueda dentada) periférica donde se aplica el engrane de mando del motor de arranque (marcha) para hacer funcionar el motor.

Alternador Aparato generador de corriente eléctrica, movido por el motor a través de una banda "V". Su eficiencia es alta debido a que produce corriente aún a bajas revoluciones del motor y su trabajo consiste en mantener la batería a su nivel de carga y proveer al motor y al vehículo con la energía eléctrica necesaria para cubrir cualquier demanda, mientras el motor esté funcionando.

Bomba de aceite Accionada por el motor por medio de engranes proporciona la presión de aceite necesaria para mantener lubricados los elementos móviles del motor. Toma el aceite necesario succionándolo del Cárter y regula su presión por medio de válvulas para mantenerla adecuada en cualquier circunstancia de funcionamiento.

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Componentes del motor

Fundamentos de Motores Bomba de agua Del tipo de propela, es movida por el motor por medio de una banda. Mantiene en circulación el líquido refrigerante a través de las galerías de enfriamiento del monobloque y de la culata hasta el radiador.

Múltiple de admisión Unidad de conductos que dirigen el aire requerido para la combustión hasta la entrada de cilindros en la culata. Generalmente son tantos ductos como el número de cilindros del motor. Puede ser hecho de fundición gris, de aluminio o de plástico.

Múltiple de escape Unidad de ductos de fundición gris que se ocupa de llevar los gases residuales de la combustión, desde la culata hasta el tubo del escape.

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Componentes del motor

Fundamentos de Motores Bayoneta Varilla plana y flexible de acero inoxidable que sirve para medir el nivel de aceite lubricante dentro del Cárter del motor para lo que dispone de marcas que indican los niveles mínimo y máximo.

Termostato Dispositivo termosensible que opera por dilatación y se encuentra ubicado en el curso del líquido refrigerante. Su válvula cierra el flujo de éste cuando el motor está frío y evita que pase por el radiador para acelerar el periodo de calenta miento. Conforme el motor alcanza su temperatura de trabajo la válvula se abre paulatinamente y viceversa en el proceso de enfriamiento.

Filtro de aceite El filtro de aceite se encuentra instalado en el flujo de lubricante y se encarga de dejarlo libre de impurezas: carbonilla resultante de la combustión, partículas de metal, rebabas, etc., que pudieran dañar o acelerar el desgaste de las partes móviles del motor. Algunos motores, debido a las características de su trabajo, incorporan en la base del filtro un enfriador de aceite. El elemento filtro debe reemplazarse periódica-mente.

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Componentes del motor

Fundamentos de Motores Distribuidor Mecanismo encargado de enviar los impulsos eléctricos de alto voltaje, generados por el transformador de encendido, hacia las bujías. Es un disposivo giratorio, movido por el motor. Los impulsos eléctricos salen de él en forma consecutiva a través de cables que se conectan a las bujías.

DIS (Distributorless Ignition System) Sistema de encendido sin distribuidor, totalmente electrónico. Se basa en las señales de dos sensores, uno inductivo (magnético) que registra las rpm del cigüeñal y otro del tipo Hall que hace lo mismo pero en el árbol de levas. Ambos envian sus señales a la Unidad de Mando y ésta define el momento de la inyección y el avance al encendido. Carece de partes móviles por lo que no sufre desgaste.

Bujía Constituye la etapa final de cualquier sistema de encendido y su función consiste en producir la chispa que servirá para inflamar la mezcla aire combustible. Consiste en un electrodo central (+) dentro de un aislador montado a su vez en un cuerpo de metal (-) cuyo extremo roscado se atornilla en la culata de cilindros (cabeza), una por cada cilindro. Así los electrodos, entre los cuales salta la chispa, quedan en el interior de la cámara de combustión.

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Componentes del motor

Fundamentos de Motores Inyector Es una válvula electromagnética que va instalada en el múltiple de admisión a la entrada de cada cilindro (inyección indirecta). Consiste en un solenoide (bobina con núcleo hueco) en cuyo interior se mueve una aguja apoyada por un resorte. La punta de esa aguja mantiene cerrado el orificio de inyección mientras el solenoide no tiene corriente, pero al energizarse éste, levanta la aguja de su asiento y permite el paso de gasolina por el orificio. Como aquella viene a presión, sale finamente dispersada.

Transformador de encendido Dispositivo electromagnético que se encarga de producir, a partir de los doce voltios del sistema, el alto voltaje (30,000V) necesario para hacer saltar la chispa de encendido entre los electrodos de las bujías. Dispone de una etapa final de potencia que se ocupa de lograr la interrupción eléctrica indispensable para la creación y colapso del campo magnético.

Cuerpo de mariposa Dispositivo que controla el paso del aire exterior hacia el motor. Consiste en una válvula de estrangulación accionada por el pedal del acelerador; en la medida en que se oprime el pedal, la válvula se abre. Se encuentra ubicada a la entrada del múltiple de admisión y dispone de sensores y actuadores para controlar su operación.

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Componentes del motor

Fundamentos de Motores Ventilador Cuando el vehículo se desplaza, basta con el viento que pasa por el radiador para lograr un buen enfriamiento, pero en tráfico denso, un sensor térmico (bulbo) hace funcionar el motoventilador eléctrico para lograr el mismo efecto. También existen ventiladores con un acoplamiento viscoso que hace girar las aspas en la medida que sube la temperatura del motor. En ambos casos se busca que el motor no gaste energía para mover el ventilador cuando no se necesita.

Radiador Los radiadores modernos se fabrican generalmente de aluminio para reducir el peso del vehículo. El líquido refrigerante circula por el radiador, impulsado por la bomba, a través de tubos dotados de aletas de enfriamiento que por su gran superficie expuesta al paso del aire, enfrían el líquido refrigerante. Éste regresa al motor en un ciclo ininterrumpido que le permite acarrear más calor desde el motor y dejarlo en el aire que pasa por el radiador.

Motor de arranque (marcha) Es un motor eléctrico que, alimentado con corriente de la batería y accionado por la llave de encendido, hace girar el motor del vehículo para hacerlo funcionar. Dispone de un mecanismo electromecánico que conecta el piñón (engrane pequeño) de la marcha con la cremallera del volante del motor en el momento de girar la llave y liberándose al soltarla una vez encendido el motor.

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Componentes del motor

Fundamentos de Motores

BUZO ARANDELA CUÑA CUÑERO RESORTE

VÁLVULA

ÁRBOL DE LEVAS

BUZOS

BUJÍA

CULATA VÁLVULAS

MONOBLOQUE CILINDRO

BANDA DENTADA PISTÓN ENGRANES DE DISTRIBUCIÓN

BIELA

POLEA DEL CIGÜEÑAL

FILTRO DE ACEITE BOMBA DE ACEITE CIGÜEÑAL

CARTER

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Principios de funcionamiento

Fundamentos de Motores

Capítulo 2 Principios de funcionamiento

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores

Desde su presencia en la Tierra, el hombre se ha movido por la superficie del planeta, primero como un nómada y después, ya establecido, para comunicarse con otros asentamientos humanos. Los caminos y las rutas comerciales empezaron a surcar el mundo; las caravanas con productos a la espalda de porteadores y a lomo de animal dejaron su huella durante muchos años. Después, con la invención de la rueda y el carro, aquellos caminos se ensancharon; grandes volúmenes de mercancías comenzaron a fluir a la velocidad permitida por la tracción animal y esta historia se prolongó también por muchos años... hasta la invención de la máquina de vapor y su aplicación a la locomotora. Como ya sabemos, la máquina de vapor consistía básicamente en una caldera con agua a la que se le aplicaba el calor producido por un fogón en la parte exterior. El vapor generado por la ebullición del agua se conducía a unos grandes émbolos y su fuerza expansiva movía las ruedas de la locomotora que arrastraba así grandes convoyes. La máquina de vapor era pues, un motor de combustión externa que rápidamente evolucionó y logró ser aplicado en los primeros intentos por substituir al caballo en la tracción de carros. Sin embargo, no fue sino hasta el desarrollo del motor de combustión interna, que se logró integrar el concepto moderno de automóvil; un vehículo que se mueve por sí mismo, impulsado por la fuerza generada al quemar su combustible dentro del motor.

El motor de combustión interna ha conservado hasta la fecha sus características fundamentales, si bien ha sufrido en los últimos años modificaciónes y refinamientos que lo han convertido en una máquina altamente sofisticada que incorpora los más avanzados sistemas de control electrónico, la mayoría de los cuales tiene por objeto el máximo aprovechamiento del combustible y la reducción consecuente de las emisiones contaminantes. El objetivo de este fascículo es el de familiarizar al lector con los órganos del motor y sus principios de funcionamiento.

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores

Diagrama de un cilindro típico

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores

Pistón y biela dando un giro al cigüeñal

0°

90°

180°

270°

360°

Al efectuar su trabajo dentro del cilindro, el pistón se desplaza en forma rectilínea y reciprocante, es decir, va y viene en línea recta. Corresponde a la biela convertir ese movimiento del pistón en circular y continuo del cigüeñal. Del mismo modo en que al operar una manivela puede hacerse girar un mecanismo, o igual que al aplicar fuerza sobre los pedales de una bicicleta, cada uno de los pistones, a través de su biela respectiva, transmite su energía al cigüeñal.

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores

Disposición de los pistones en un motor cuatro en línea

Como se puede apreciar en el esquema superior, en un motor de cuatro cilindros los pistones se encuentran dispuestos por pares, es decir, cuando dos de ellos están arriba, los otros dos están abajo. Esta disposición favorece el balance dinámico del motor ya que cuando las masas de dos pistones suben, otras dos masas equivalentes bajan. Cabe recordar que todos los pistones de un motor deben pesar lo mismo y ese criterio se aplica también para las bielas.

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores El ciclo OTTO de cuatro tiempos Este ciclo recibe el nombre de su inventor, Nicolás Augusto Otto (izq.), quien llevó a la práctica un sistema de operación del motor a base de válvulas cuyo uso se ha generalizado y se aplica prácticamente en la mayoría de los diseños de motores para automóviles.

Tiempo de admisión A partir de su punto muerto superior, el pistón inicia su carrera descendente. Al mismo tiempo, la válvula de admisión se abre y permite la entrada de la mezcla aire-combustible que llenará la cavidad del cilindro. El tiempo de admisión y la carrera del pistón terminan cuando éste llega a su punto muerto inferior (PMI).

PMI Tiempo de compresión Al continuar girando el cigüeñal, el pistón inicia su carrera ascendente; la válvula de admisión se cierra y la mezcla aire-combustible queda confinada en el interior del cilindro donde es comprimida violentamente. Las partículas de combustible se encuentran entonces rodeadas apretadamente por partículas de oxígeno y en ese momento (PMS), tiene lugar la chispa entre los electrodos de la bujía de encendido.

PMS

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores Tiempo de fuerza La mezcla aire-combustible se encien-de por la chispa, desarrollando una ele-vada presión de gases en expansión. Como las válvulas siguen cerradas, los gases impulsan al pistón en su carrera descendente y la biela comunica esa fuerza al cigueñal haciéndolo girar. Esta carrera del ciclo Otto es la única que produce energía, mientras que las otras tres la consumen en mayor o menor medida.

PMI Tiempo de escape El tiempo de escape es el último del ciclo y tiene lugar en la carrera ascen-dente del pistón. La válvula de escape se abre y permite la expulsión de los gases quemados que serán conducidos al exterior a través del tubo del escape. El ciclo se reanuda de inmediato ya que a continuación sigue de nuevo el tiempo de admisión y así sucesivamente en forma indefinida.

PMS En la página siguiente podrá observar el ciclo completo de cuatro tiempos. Con un poco de observación podremos darnos cuenta de que para efectuarlo, el cigüeñal tuvo que completar dos vueltas. Esto tendrá relevancia para poder entender más adelante la sincronización con las válvulas.

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores

Ciclo OTTO de cuatro tiempos

1

2

ADMISIÓN

COMPRESIÓN

3

4

FUERZA

ESCAPE

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores

Orden de encendido El orden de encendido es la secuencia en que tiene lugar la chispa de la bujía en cada cilindro. Esta chispa coincide con el inicio de la carrera de fuerza respectiva y se presenta, en motores de cuatro cilindros en línea, de la manera siguiente: 1 - 3 - 4 - 2, es decir, que encenderá primero el cilindro número uno, después el número tres, a continuación el cuatro y por último el número dos. Este ciclo, como ya sabemos, se repite continuamente de modo que habrá sólo un pistón en carrera de fuerza, otro en carrera de compresión, uno más en carrera de admisión y otro en carrera de escape, en cualquier momento de giro del cigüeñal, siguiendo siempre ese orden de encendido.

4°

2°

2

3

1°

3°

1

4

En el diagrama superior encontramos al pistón número 1 al final de su carrera de fuerza, en su punto muerto inferior; por lo tanto, el pistón número 3 se encontrará al final de su carrera de compresión a punto de encender su mezcla, luego el pistón número 4 estará al final de su carrera de admisión y el pistón número 2 se encontrará al final de su carrera de escape.

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Principios de Funcionamiento

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Árbol de levas El árbol de levas se encarga de abrir las válvulas de admisión y escape, para lo que dispone de un par de levas por cada cilindro del motor (en un motor de dos válvulas por cilindro). Las válvulas permanecen cerradas durante las carreras de compresión y fuerza por efecto de sus resortes que las mantienen en los asientos de la culata. Durante este periodo, las válvulas disipan su temperatura a través de la culata, que a su vez es enfriada por el líquido refrigerante que circula por ella. Obviamente, el régimen de apertura de las válvulas está determinado por la sincroni-zación que existe entre el árbol de levas y el cigüeñal. La válvula de admisión se abrirá en un cilindro sólamente cuando éste se encuentre en su carrera de admisión, y la de escape se abrirá nada más en su carrera respectiva. Esta sincronización se logra por medio de los engranes respectivos del árbol de levas y del cigüeñal, que se encuentran comunicados entre sí (en la ilustración) por medio de una banda dentada. La relación de transmisión entre ambos engranes es de 2:1 (dos a uno), debido a que el engrane del árbol de levas tiene el doble de dientes que el del cigüeñal. Esto significa que mientras el engrane del cigüeñal da dos vueltas (¿recuerdan el ciclo de cuatro tiempos?) el del árbol de levas da sólo una.

ENGRANE DEL ÁRBOL DE LEVAS UNA VUELTA

TENSOR BANDA DENTADA

RELACIÓN DE TRANSMISIÓN 2:1

ÁRBOL INTERMEDIO ENGRANE DEL CIGÜEÑAL

DOS VUELTAS

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores Árbol de levas a la cabeza

Buzo Hidráulico

Arandela Del Resorte

Cuñas

Cuñero

Resorte

Vástago

Cabeza

Acción de una leva sobre el buzo y la válvula El árbol de levas a la cabeza se encuentra instalado en la cabeza del motor o culata de cilindros, de donde deriva su nombre, para diferenciarlo de otras disposiciones mecánicas en las que dicho árbol va montado en el monobloque. La ubicación en la cabeza reduce al mínimo el número de partes móviles para transmitir el movimiento, así como los desgastes y el consumo de energía.

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores

Buzos hidráulicos Los buzos hidráulicos deben su nombre al hecho de utilizar el aceite del motor para llenar su cavidad interna y mantener contacto permanente con las levas durante todo su recorrido. Esta característica permite eliminar los entrehierros (espacios entre dos componentes que anteriormente existían y debían calibrarse periódicamente) y desde luego, eliminó también la necesidad de mantenimiento. Como resultado del contacto permanente entre la leva y el buzo, su funcionamiento es silencioso.

Interior de un buzo hidráulico

Árbol de levas

Leva

Cámara de reserva

Buzo

Culata

Asiento del resorte

Válvula de retención

Vena de lubricación Válvula

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Resorte de la válvula

Principios de Funcionamiento

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Motores multiválvulas El desarrollo de la tecnología en los motores de combustión interna ha traído como consecuencia una evolución extraordinaria de los sistemas de admisión. Si tomamos en consideración que en la medida en que un motor llene de una manera plena sus cilindros tendrá una compresión más elevada y una combustión más eficiente, resulta evidente que las vávulas de admisión juegan un papel preponderante en el logro de este objetivo. Uno de los logros más significativos en este campo es sin duda alguna el diseño de motores multiválvulas. Si en un motor típico nos encontramos con una válvula de escape y una de admisión por cada cilindro, un motor multiválvulas podrá tener tres válvulas de admisión y dos de escape por cada cilindro, es decir, tendrá cinco válvulas por cilindro. Si el motor es de cuatro cilindros, tendrá un total de veinte válvulas. Se dice fácil, pero esa cantidad de válvulas plantea problemas de diseño para hacerlas funcionar. Por principio, se requerirán dos árboles de levas, uno para mover las de admisión y otro para mover las de escape. El que moverá las de escape tendrá ocho levas en cuatro pares y el que moverá las de admisión deberá tener doce levas en cuatro grupos iguales. Asimismo, el espacio disponible en la culata, por cada cilindro, es muy pequeño para alojar cinco válvulas de modo que se redujo el diámetro de éstas. Así, además de las válvulas se tuvo espacio suficiente para alojar la bujía de encendido.

Árbol de levas para las válvulas de escape

Árbol de levas para las válvulas de admisión

Culata de motor multiválvulas de 4 Cil.

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores Detalle de culata en un cilindro con cinco válvulas

Válvulas de admisión

Bujía

Válvulas de escape

Detalle de culata de 4 cilindros (20 válvulas)

Como podemos observar en la ilustración, el espacio para las válvulas es crítico, sin embargo, el volumen de aire admitido y expulsado es muy superior al de sistemas con menos válvulas. Esto se traduce en una mayor eficiencia en el llenado del cilindro y en un escape de los gases prácticamente sin restricciones. Resultado: un motor de elevado rendimiento con muy bajas emisiones contaminantes.

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores

Caballaje

El nombre de Caballo de Potencia se le dió a esta unidad física de medición para perpetuar la memoria del noble cuadrúpedo, al que el hombre debió su locomoción durante muchos años ubicándolo al frente de sus vehículos de ruedas. A fin de cuentas, a continuación se ilustran las constantes que determinan el Caballo de Potencia, CP o como se le conoce en inglés HP (horse power).

76 Kg

1m

1 seg.

Según la ilustración tenemos tres elementos que determinan la unidad llamada Caballo de Potencia: Una carga Una distancia Un tiempo

76 Kg 1m 1 seg.

De aquí obtendremos la siguiente definición : Un Caballo de Potencia es la energía necesaria para levantar un peso de 76 kilogramos, a la altura de 1 metro, en 1 segundo de tiempo. Con cualquier variación en alguno de estos factores, obtendremos un resultado mayor o menor a un Caballo de Potencia.

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores

Relación de compresión La relación de compresión es un concepto que aparece con frecuencia en las fichas técnicas de los vehículos y que amerita un poco de desarrollo para su asimilación. Recordemos que cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior (PMS), al final de la carrera de compresión, queda un espacio entre él y la culata de cilindros. Este espacio recibe el nombre de cámara de combustión, debido a que es donde tiene lugar la inflamación de la mezcla aire - combustible. Al descender el pistón y llegar a su punto muerto inferior (PMI) tenemos el volumen total del cilindro. Pues bien, la relación de compresión no es sino el número de veces que la cámara de combustión cabe en el volumen total del cilindro. La ilustración siguiente explica claramente esta relación.

CÁMARA DE COMBUSTIÓN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

CILINDRO

10 : 1 En el ejemplo de arriba la relación es de diez a uno. Esto nos indica que el volumen total del cilindro se comprime diez veces para reducirse al tamaño de la cámara de combustión. Esta característica nos da una idea de las prestaciones del motor, su eficiencia y su potencia; en la medida que el número de la izquierda sea mayor, la relación será más elevada y las prestaciones superiores... dentro de ciertos límites. La relación de compresión está relacionada directamente con la presión de compresión, concepto diferente que veremos a continuación.

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores Presión de compresión

La presión de compresión se conoce simplemente como compresión y consiste en el nivel de presurización que la mezcla aire-combustible alcanza al ser confinada por el pistón en la cámara de combustión. Esta presión puede ser medida en diferentes unidades - libras sobre pulgada cuadrada (lbs/sq.in.) o en kilogramos sobre centímetro cuadrado (Kg/cm ) - y se emplea para ello un compresómetro. Este instrumento de medición se instala quitando las bujías y aplicándolo en cada cilindro uno por uno al tiempo que se hace girar el motor con la marcha. La ilustración muestra el procedimiento.

CÁMARA DE COMBUSTIÓN

10 bar

COMPRESÓMETRO

1 bar = 1 Kg / cm

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A diferencia de la relación de compresión, que por ser una característica de diseño nunca cambia, la presión de compresión es un factor cambiante y generalmente decreciente pues el desgaste que afecta las paredes del cilindro y los anillos va permitiendo la fuga de presión hacia el cárter. De esa manera, un motor muy gastado registrará lecturas bajas al aplicar el compresómetro por lo que este aparato es una muy útil herramienta de diagnóstico.

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Principios de Funcionamiento

Fundamentos de Motores Presión de compresión

Es posible que el lector haya escuchado la frase “ya está pasando aceite” cuando alguien se refiere a un coche muy usado. Eso significa que los desgastes del motor, específicamente entre los anillos y los cilindros, ya son muy grandes y esos componentes han llegado al límite de su vida útil. ¿Qué es lo que está pasando? Que el espesor de la película de lubricante entre anillos y pistones es cada vez mayor en la medida que avanza el desgaste en los anillos de control de aceite y por supuesto también en los de compresión. Por esta razón,al descender el pistón, queda en las paredes del cilindro más aceite de lo necesario que se quema también durante la combustión de la mezcla aire-combustible, provocando una cantidad de humo azul blanquecino tan espeso como sea el grado de desgaste.

Aceite quemado en la cámara de combustión

Aceite pasado hacia el cárter

PISTÓN CON ANILLOS Y CILINDRO GASTADOS

Parte de estos humos pasa, a través de los anillos gastados, hacia el cárter del motor de donde son aspirados hacia el múltiple de admisión para ser ingresados y quemados junto con la mezcla nueva. Esto tiene como consecuencia más “humedad” en las cámaras de combustión, posible mojado de las bujías y una mayor emisión de hidrocarburos en el escape. Lubricantes de mayor viscosidad eran usados para reducir este problema e incrementar la compresión. Con el mismo objetivo se emplean ciertos aditivos restauradores de la compresión; sin embargo en ambos casos sólo se trata de un paliativo mientras se lleva a cabo la reparación necesaria.

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Ejemplo de un Motor del tipo de 4 tiempos

Motor Otto

AI motor de gasolina, tambien se le llama Motor Otto, en honor de su inventor de origen aleman el cual lo dió a conocer en 1868. En este folleto le explicamos el funcionamiento del motor "Otto" o sea de gasolina, de 4 tiempos, para lo cual usamos como ejemplo un motor enfriado por agua como el que usamos en nuestros autos.

El presente folleto constituye el contenido de principios básicos de funcionamiento de una caja de cambios, tanto manual como automática. Esperamos que con un lenguaje sencillo facilíte la comprensión y la asimilación de los conceptos en este contenido.

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Motor Otto

Motor en línea

Se le llama motor en línea al que tiene los cilindros paralelos (en una sola hilera) La secuencia en que se siguen las explosiones en los cilindros se Ilama el "orden de encendido". Las explosiones se ocasionan debido al encendido por chispa eléctrica de la mezcla de cambustible-aíre.

El orden de encendido de nuestro motor es: 1-3-4-2

¿Por qué? Las partes excéntricas del cigüeñal, unidas con el eje central por medio de los llamados contrapesos están colocadas entre sí de modo que siempre los pistones del primer y del último cilindro suben simultáneamente al punto muerto superior (PMS). En este momento los émbolos o pistones del segundo y tercer cilindro se encuentran en el punto muerto inferior (PMI), o sea en la posición opuesta. ¿Por qué? Esto hace que no sólo el peso esté bien equilibrado sino también los impulsos de fuerza. Si un motor tuviera el orden de encendido 1-2-3-4, habría vibraciones considerables que actuarían sobre el cigüeñal, cosa que se evita diseñando el cigüeñal en la forma mostrada en la imagen de abajo, por el orden de encendido 1-3-4-2. Este es el orden de encendido que usa la mayoría de los motores de 4 cilindros en línea. Como cilindro No.1 tenemos el del lado de las poleas o sea el del extremo opuesto al embrague.

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Motor Otto

Motor en línea

"Punto muerto superior" (PMS) se denomina a la posición superior del émbolo o pistón en el cilindro

"Punto muerto inferior" (PMI) se denomina a la posición inferior del émbolo o pistón en el cilindro

(PMI)

(PMS)

En el perímetro del volante del motor se encuentra una marca. En la carcaza de la transmisión hay una contramarca que sirve como punto de referencia. el PMS está marcado en el volante por medio de un "0". Esta marca se refiere a los pistones No. 1 y 4 del motor, o sea que los pistones No. 1 y 4 se encuentran en el PMS si la marca en el volante del motor coincide con la carcaza de la transmisión.

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Motor de 4 tiempos de gasolina

Motor Otto E= Escape A= Admisión

El pistón del cilindro No. 1 está en el PMS. Ambas válvulas están cerradas. Aquí comienza el tiempo de exposición, por que la chispa eléctrica en la bujía enciende la mezcla de aire y gasolina previamente comprimida. El pistón del cilindro No. 4 también está en el PMS. La válvula de admisión ya comienza a abrirse, o sea que empieza el tiempo de admisión. Ambos pistones están a punto de comenzar a descender, mientras los pistones de los cilindros No. 2 y 3 están a punto de comenzar a ascender. El émbolo No. 2 está en tiempo de escape, por eso ya comienza a abrir la válvula de escape. En cambio el tercer émbolo está al principio del tiempo de compresión, para lo cual ambas válvulas están cerradas.

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Motor de 4 tiempos de gasolina

Motor Otto E= Escape A= Admisión

El cigüeñal dío media vuelta (180º). Ahora los pistones de los cilindros No. 2 y 3 están en el PMS, mientras que los pistones del 1 y 4 están en el PMI. Ahora el que inicia su explosión es el cilindro No. 3 El pistón del cilindro No. 1 terminó su media vuelta de explosión o fuerza y está a punto de iniciar el movimiento ascendente para expulsar el gas quemado, llamado tiempo de escape. El pistón No. 2 ya expulso el gas quemado, se cierra la válvula de escape y se comienza a abrir la de admisión, va a iniciar su carrera descendente de admisión. El pistón No. 4 terminó de hacer su admisión, o sea que por medio del vacío formado al descender cargó el cilindro de mezcla de combustible y aire. Se cierra su válvula de admisión y comienza el tiempo de compresión.

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Motor de 4 tiempos de gasolina

Motor Otto E= Escape A= Admisión

El cigüeñal dio otra media vuelta de 180º Ahora el pistón que le toca la explosión o fuerza es el No. 4 El pistón No.1 comienza a hacer su movimiento descendente de admisión, ya se está abriendo su válvula de admisión. Mientras el pistón No. 3 inicia su tiempo de expulsión o escape. El No. 2 comienza a hacer su movimiento ascendente de compresión.

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Motor de 4 tiempos de gasolina

Motor Otto

E= Escape A= Admisión

Ahora usted mismo debe decir en que tiempo de trabajo se encuentra cada uno de los pistones

Otra vez el cigüeñal dio media vuelta de 180º Ahora el segundo pistón está iniciando su tiempo de fuerza. Tiene ambas válvulas cerradas El primer pistón comienza con El tercer pistón comienza con El cuarto pistón comienza con

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Motor de 4 tiempos de gasolina

Motor Otto

El cigüeñal dio 2 vueltas de 360º cada una, para que en cada uno de los 4 cilindros se desarrollan los 4 tiempos. O sea, que cada media vuelta del cigüeñal uno de los 4 cilindros es el que hace el trabajo por medio de la explosión.

* Si usted ahora ya entendió como operan sincronizados los 4 cilindros de un motor en línea, tambien podrá captar fácilmente el siguiente tema. * Hasta este momento usted aprendio lo siguiente: - Qué es el orden de encendido. - Qué orden de encendido tiene nuestro motor. - Por qué los excentricos del cigüeñal tiene la posición con respecto al centro y entre sí. - Lo que son el punto muerto superior e inferior. - Lo que hacen los pistones y válvulas durante el desarrollo de los 4 tiempos. - Cuantas vueltas tiene que dar el cigüeñal para que los 4 cilindros hayan hecho una explosión cada uno.

Pero: ¿Qué es lo que regula el desarrollo de los cuatro tiempos?

¿Por qué bajan y suben los pistones?

¿Qué hacen en cada uno de los 4 tiempos?

¿Usted ya lo sabe?

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El mando para los 4 tiempos

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El mando de las válvulas. Para que en cada cilindro se desarrollen en forma correcta los cuatro tiempos, las válvulas tienen que abrir y cerrar exáctamente en el momento adecuado. Además la chispa en la bujía debe brincar precisamente cuando el pistón correspondiente esté en la posición para comenzar la explosión. Las válvulas se accionan por el árbol de levas, el cual por su parte se mueve desde el cigüeñal por medio de una banda dentada. Durante los cuatro tiempos de un ciclo de trabajo (una vuelta del árbol de levas, 2 del cigüeñal), el árbol de levas debe abrir cada una de las válvulas de cada cilindro una vez, y en su momento requerido. Durante el tiempo de admisión debe abrir la válvula de admisión. Durante el tiempo de escape debe abrir la válvula de escape. Durante el tiempo de compresión y el de explosión ambas válvulas permanecen cerradas.

Durante el desarrollo de los 4 tiempos, el cigüeñal da dos vueltas completas (360º cada una). Puesto que durante los tiempos de compresión y explosión ambas válvulas del cilindro tienen que estar cerradas, el árbol de levas sólo debe dar una vuelta ya que de otra manera las válvulas abrirían tambien durante los tiempos de compresión y explosión. Además la posición del árbol de levas con respecto al cigüeñal debe ser tal que sus levas abran y cierren las válvulas exactamente en el momento requerido. El árbol de levas sólo da una vuelta cuando el cigüeñal da 2, o sea que va a la mitad de la velocidad del cigüeñal. Eso se logra por que el engrane del árbol de levas tiene el doble de circunferencia que el del engrane del cigüeñal. Los dientes de la banda dentada, en los engranes del cigüeñal y del árbol de levas hacen que esta posición siempre sea constante.

O sea: 2 vueltas del cigüeñal corresponden a una del árbol de levas.

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Tiempos de válvulas

Los tiempos en que deben abrir y cerrar las válvulas se miden en grados del movimiento del cigüeñal. Las formas de las levas y su posición en el árbol de levas y entre sí es lo que controla el tiempo de las válvulas. En uno de los 4 tiempos se expulsa el gas de quemado y en el siguiente se admite o absorve la mezcla aire-combustible. A este acontecimiento se le denomina "Cambio de Gases". El cambio de gases se hace durante el tiempo de escape y el de admisión. Se pensaria que la válvula de admisión no debe abrir sino hasta que la de escape termine de cerrar, lo mismo se pensaria que la válvula de escape no comenzaria a abrirse sino hasta que el pistón pase del punto muerto inferior. Sin embargo: para acelerar este cambio de los gases, la válvula de escape ya comienza a abrirse antes del PMI, para iniciar ya el tiempo de escape. La válvula de admisión también se abre algunos grados del cigüeñal antes del PMS, o sea que comienza a abrir la de admisión antes que acabe de cerrar la de escape, a este fenómeno se le llama Traslape Valvular.

El hecho de traslaparse los movimientos de las válvulas (iniciarse a abrir la de admisión antes de que acabe de cerrar la de escape) acelera el cambio de los gases. Los gases que van de escape tienen cierta inercia, la cual hace que se forme un vacío en la cabeza del cilindro y al mismo tiempo hace que salgan mejor los gaes de escape.

Admisión Escape

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Tiempos de válvulas

Para un cambio óptimo de gases adicionalmente hay otros factores que considerar.

La forma de la cámara de compresión. - El diámetro de las válvulas - La forma de las levas - La forma del múltiple de admisión - La forma del múltiple de escape

La imagen nos muestra el sentido de flujo de los gases al combinarlos.

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Tiempo de encendido

Entre el tiempo de encendido y la combustión de la mezcla de combustible y aire hasta que se acaba de consumir, pasa un lapso de milésimas de segundo. Ese tiempo no depende de la velocidad (revoluciones por minuto = RPM) del motor, por eso la chispa debe saltar a tiempo para que la presión de la combustión llegue a su máximo, poco antes del punto muerto superior. Si la chispa brinca demasiado pronto, en vez de dar fuerza, frena el pistón que apenas va subiendo. En cambio, si la chispa brinca demasiado tarde, la combustión comienza cuando el pistón ya va hacia abajo y ya se está disminuyendo la compresión.

Para que exista suficiente tiempo para la combustión de la mezcla aire-combustible, normalmente el tiempo de encendido es un poco antes del PMS, de modo que la presión es mayor despúes del PMS.

El punto de encendido se refiere a la posición del cigüeñal en el PMS, y se expresa como grados de ángulo, llamado tambien "tiempo" de encendido. Según si la chispa brinca antes o despúes del punto muerto superior, se habla de avance o atraso de la chispa.

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El conjunto de Cigüeñal, Bielas y Pistones

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Este grupo se compone de: - Los cuatro pistones. - Las cuatro bielas. - El cigüeñal. - El volante del motor.

Cada pistón al tocarle su tiempo de explosión, empuja su muñón excentrico del cigüeñal hacia abajo. En los otros tres tiempos el cigüeñal es el que mueve el pistón hacia arriba o abajo.

El volante del motor le da más inercia al cigüeñal para que pase con un mínimo de vibraciones los puntos muertos, sobre todo en marcha lenta. El muñón excentrico: Es el punto donde va unida la biela al cigüeñal. La biela es la unión entre el émbolo o pistón y el muñón excentrico del cigüeñal Los muñones de bancada: Son los muñones centrados del cigüeñal, sobre los cuales giran y van montados en el monoblock. El conjunto del cigüeñal y pistones es la parte propulsora del motor. Es el lugar donde las combustiones producen un calor repentino, haciendo que se expandan los gases y haciendo así una serie de esfuerzos mecánicos, los cuales aprovechamos en muchas formas. Veamos nuevamente en forma detallada los componentes del grupo.

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El Pistón o Embólo con su Biela Unida

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El pistón está unido con la biela por medio del perno del pistón que corre dentro del buje de la biela dando una unión articulada. El perno además necesita su lubricación, la cual llega por una perforación en el cojinete grande de la biela donde sale un chisguete de aceite hacia arriba cada vez que la perforación del cigüeñal de paso coincide con dicha perforación. Los anillos de seguro en los extremos de la perforación del pistón sirve para que el perno no pueda correr hacia ningún lado. La parte superior del pistón, que va hacia la cámara de combustón, es cerrada. En los costados exteriores tiene sus ranuras, cuyo conjunto se llama "zona de anillos", en cada ranura va uno de los anillos. Entre el canto superior del pistón y la del primer anillo se encuentra la zona llamada "puente de control de fuego". La parte que sigue abajo de la zona de anillos tambien se le dice "falda del pistón".

La perforación del pistón para el perno está un poco fuera de centro (ver línea vertical roja que indica el centro del pistón). Por eso el pistón nunca debe montarse al revés, la flecha en la parte cerrada del pistón debe apuntar hacia el lado delantero (el de la banda dentada) del motor. El sentido de la flecha y las protuberancias en el pié de la biela y la tapa de su cojinete tambien debe coincidir. El asiento para el cojinete de la biela se maquina con la tapa puesta. Por eso al montarlo, debe coincidir la protuberancia superior y la inferior, para estar seguro que está en su posición, tampoco es admisible cambiar la tapa de una biela a otra. El hacer caso omiso de esto, puede causar daños considerables al motor en muy poco tiempo. Los metales de los cojinetes sirven para lograr características favorables de trabajo, el metal se compone de varias capas delgadas de aleación de plomo o estaño, las cuales están montadas en una concha de lámina, para asegurar la pre-tensión de los metales. Un metal de cojinete se compone como sigue: Metal Básico Capa de plomo con bronce de 0.3 a 1.5 mm Capa de níquel de 0.001 a 0.0015 mm Superficie deslizante de 0.02 a 0.025 mm Sobre la superficie deslizante en la mayoría de los casos viene una capa de plomo sumamente delgada y aplicada por proceso galvánico, para el principio del trabajo.

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El pistón o émbolo

Sus misiones: 1. Transmitir por medio de la biela la fuerza formada por la explosión al cigüeñal, en el tercer tiempo, llamado explosión. 2. El movimiento del émbolo ocasionado por la vuelta del cigüeñal hace que los gases hagan lo siguiente: - En el primer tiempo de admisión, se absorbe la mezcla de aire y combustible por medio del vacío formado. - En el segundo tiempo, llamado compresión, comprimir la mezcla admitida en la cámara de combustión. - En el cuarto tiempo, llamado escape, expulsar los gases quemados por la válvula de escape. Por consiguiente, el pistón es el cierre móvil del conjunto cámara de compresión / cilindro hacia la caja del cigüeñal. Los anillos hermetizan las paredes del pistón hacia las del cilindro, para que no escape la fuerza. El anillo inferior se llama anillo de aceite, ya que es el que riega el aceite salpicado en las paredes del cilindro al bajar el pistón, para que no pase a la cámara de combustión y se queme ahí. Los anillos del pistón además también transmiten calor a las paredes del cilindro.

La parte cerrada superior del pistón es lo que recibe el golpe de la presión de la explosión. La perforación para el perno, recibe la fuerza de la explosión sobre el pistón y la transmite por medio del perno a la biela.

La falda del pistón: es la guía del pistón en el cilindro, para que éste no se trabe, ya que la fuerza de la biela es oblicua. Además despide calor hacia las paredes de los cilindros y hacia el aceite.

El juego entre el pistón y la pared del cilindro debe ser lo mínimo posible, para que quede lo mejor hermetizada la cámara de combustión y para que el vástago del émbolo sufra la menor carga lateral posible. Al montar el émbolo debe procurarse su clasificación correcta: - Los pistones deben ser del mismo peso aproximado (marcado con + O – en la superficie del pistón). - El diámetro del pistón (marcado en la superficie del pistón) debe coincidir con la clasificación de los cilindros del monoblock. El perno del pistón está descentrado hacia el lado que recibe la mayor presión. Por eso se dice que el perno está "fuera de centro". La excentricidad del eje del perno hacia el lado de mayor presión ejerce cierta influencia sobre el movimiento transversal del émbolo y es una medida eficaz de evitar ruidos del pistón.

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Los anillos del pistón

- Sirven como junta hermetizadora entre el conjunto cámara de combustión y cilindro hacia la caja del cigüeñal. - Sirven como conductor térmico entre el pistón y la pared del cilindro. - Recogen el aceite sobrante que ha salpicado hacia la pared del cilindro (el inferior por eso es el de aceite). - Mejoran la guía lateral del pistón. Deben ser elásticos y tener cierto juego dentro de sus ranuras. Los 2 anillos superiores cierran la cámara de compresión y combustión a prueba de gases. Su elasticidad compensa el desgaste normal tanto de ellos mismos como del cilindro. Por eso se llaman "anillos de compresión". Al superior más cercano de la acción directa de la explosión, también se le llama con la palabra tomada en inglés. "anillo de control de fuego". La presión formada cuando el pistón sube y las válvulas están cerradas, se llama "compresión". El anillo superior o "de control de fuego" sufre el calor de la combustión en forma muy directa, por eso debe ser de un material muy resistente. El anillo para el aceite tiene la misión de recoger todo el aceite sobrante salpicado hacia las paredes de los cilindros, evitando así que el aceite pase desde la caja del cigüeñal hacia las cámaras de combustión por los cilindros. Por eso también la ranura para ese anillo tiene las perforaciones requeridas para recoger el aceite, y el anillo se compone de dos secciones, entre las cuales están los pasillos para que ese aceite entre a dichas perforaciones.

Anillos de compresión

Zona de anillos

Pared del cilindro

Anillo de aceite

Si los anillos tienen el lado de arriba marcado (con la palabra inglesa "TOP" o con un punto), es el lado que debe apuntar hacia el lado cerrado del pistón. Esto es por que la forma del anillo en el lado superior e inferior es diferente.

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La carga sobre el pistón

Durante el trabajo, los pistones están expuestos a cargas sumamente altas, tanto mecánicas como térmicas. Al hacerse la explosión de la mezcla del aire y combustible se forman temperaturas hasta de 2,500 ºC. Hay una carga de unos 50 bar (aproximadamente 50 Kg./cm2) sobre el lado cerrado del pistón, fuerza que pasa a la perforación para el perno. en el lado cerrado del pistón constantemente hay una temperatura de unos 300 ºC. Puesto que el pistón se expande con el calor, tienen que considerarse estas cargas térmicas y mecánicas al diseñar el pistón. Los flancos son ligeramente ovalados, de modo que la zona de la mayor carga térmica (zona de los anillos y la parte de arriba del anillo de control de fuego, así como la parte inferior de la falda del pistón) tengan suficiente campo para hacer esta expansión. En el dibujo hemos marcado esta forma ovalada en forma exagerada por medio de las líneas rojas.

En frío, el pistón es ligeramente ovalado, como ya dijimos; esto está diseñado de modo que al calentarse se hace exactamente redondo, para lo cual también hay que considerar la aleación de los elementos en la falda del pistón que controlan esa expansión por medio del calor. El émbolo mismo está hecho de un material muy ligero, que combina poca expansión al calentarse y alta dureza. A RPM medianas del motor, el pistón sube y baja 100 veces por segundo. Para que aguante esta carga, el interior del pistón está reforzado de acuerdo con la zona de carga. Los datos de carga del pistón, que aquí sólo hemos mencionado en forma aproximada e incompleta, ya demuestran que se trata de una pieza de diseño sumamente complicada.

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El cigüeñal

Es la pieza que transforma el vaivén de los pistones en un movimiento giratorio. Es hecha de acero fundido, balanceada para evitar vibraciones. Por eso hay lugares donde se hacen barrenos para balancear el cigüeñal.

El cojinete con caras laterales para ajustar el juego longitudinal o axial del cigüeñal.

Brida del cigüeñal: para fijarle el volante del motor. Perno final: es para montarle el engrane para la banda dentada y la polea.

Cojinetes principales los de bancada: Se encuentran a lo largo del centro del cigüeñal, son los puntos de apoyo sobre los cuáles gira y lo detienen contra todas las fuerzas radiales.

El contrapeso es para compensar el peso excéntrico con el muñón de la biela.

Los muñones excéntricos de los cilindros No. 1 y 4 están fuera del centro en el mismo sentido, en cambio los de 2 y 3 también en el mismo sentido entre sí, están a media vuelta ó 180º de los 2 primeros.

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El Monoblock

Es la pieza en que van montados todos los demás componentes del motor. El monoblock se compone de lo siguiente: La caja del cigüeñal con los asientos para los cojinetes de bancada, para los centro del cigüeñal y el árbol intermedio. En la parte superior encontramos el bloque de cilindros propiamente dicho, con los cilindros y sus camisas de enfriamiento, en las cuales circula el agua; algunos de los dúctos de aceite se barrenan en la pieza después de fundida, otros ya forman parte de la pieza fundida. El monoblock está formado de una sola pieza de acero colado. Por medio de varios procedimientos en el maquinado se logra el paralelismo exacto de los cilindros y la calidad de su superficie en las paredes, en los asientos para los cojinetes y en las superficies para las bridas. Para aumentar la estabilidad, así como para amortiguar vibraciones, tiene refuerzos por dentro y por fuera. * La palabra es de origen Francés y significa bloque en una sola pieza.

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Los asientos para los cojinetes del Monoblock

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Sirven para montarles los metales del cojinete, en las cuales van los muñones de bancada. De ninguna manera es admisible confundir o voltear las tapas al montarlas, porque los 5 asientos para cojinetes están cortados en línea, de modo que cada uno tiene su lugar y posición (esto es por razones técnicas de fabricación).

Tapa de cojinete

Asiento del cojinete (es parte del monoblock)

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La cabeza de los cilindros

(Esta pieza en francés se llama CULASSE, de donde los españoles tomaron la palabra culata que es la usual en España. En inglés y alemán se llama cabeza de cilindros, razón por la cual también en México es conocida bajo este nombre). En la cabeza de los cilindros van montados los siguientes componentes: - El árbol de levas - Los buzos - Las válvulas, con sus guías y sus asientos. - El sistema de ductos para la mezcla aire-gasolina a las válvulas de admisión y para gas de escape desde las válvulas de escape. - Las bujías La cabeza de los cilindros es hecha de fundición gris (hierro fundido) o una aleación de aluminio. En todos los motores VW se usan cabezas de aleación de aluminio. Pesa menos que las de fundición gris, además conducen mejor el calor.

Tapas de cojinetes del árbol de levas

Árbol de levas.

Bulbo de aceite

Brida para conectar la manguera de calefacción al agua de enfriamiento.

Bulbo de temperatura.

El lado inferior de la cabeza de los cilindros debe ser completamente plano, para que cierre en forma hermética con el monoblock. Entre la cabeza de los cilindros y el monoblock se monta una junta a prueba de calor, llamada junta de la cabeza del cilindro (o de la culata). Una ligera torsión o deformación de la cabeza hace que esa junta ya no pueda asentar en forma hermética; pueden pasar gases, agua o aceite desde el interior del motor. Por eso es importante que al montar las superficies planas, éstas estén limpias y no distorsionadas, para lo cual deben apretarse los tornillos en el orden y par de apriete prescrito.

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Composición del Mecanismo de Válvulas

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*

Placa de ajuste de válvula Buzo ó empujador Seguros de la válvula Platillo de resorte Resorte principal o exterior

Resorte interior

Retén del vástago de válvulas Paltillo de resorte ("roto-cap")

Cojinete del árbol de levas Árbol de levas Junta de la tapa de válvulas Placa de ajuste

Los resortes mantienen las válvulas cerradas

Buzo

*

Guía de la válvula

Vástago de la válvula

Cabeza de la válvula

Asiento de la válvula

*

Actualmente con la incorporación de busos hidráulicos no se requiere de esta placa de ajuste

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Composición del Mecanismo de Válvulas

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Descripción del funcionamiento de los componentes principales de la cabeza de los cilindros. Placa de ajuste: Esto sirve para ajustar la distancia entre el lado bajo de la leva y el buzo. Es muy importante para el motor que este juego sea correcto, ya que con demasiado juego no abre lo suficiente la válvula y hace ruido, en cambio si es insuficiente el juego, la válvula no cierra bien y se quema ("flamea"). Con la incorporación de buzos hidráulicos no e requiere más de esta placa de ajuste. El buzo: Es la pieza que transmite el movimiento de la leva a la válvula. Los resortes de las válvulas: Estos son para cerrar la válvula y mantenerla cerrada. Tiene 2, uno más delgado dentro del otro, para aumentar la fuerza de cierre, para lo cual nuca se podría poner uno más grueso, por que tendría menos carrera por el espesor de su alambrón. El resorte chico se llama "Resorte Progresivo", y es para darle más fuerza al resorte principal. Los resorte abajo se apoyan en una especie de rondana en la cabeza, y en la parte superior tienen un segundo plato, detenido en el vástago de la válvula por medio de 2 piezas semicirculares cónicas, comúnmente llamadas "cuñas". Las "cuñas" de las válvulas: Fijan el plato del resorte de la válvula en el extremo superior del vástago de la válvula. Las guías de las válvulas: Las válvulas corren con sus vástagos dentro de las guías, que son hechas de una aleación especial de latón y montadas en la cabeza de los cilindros a presión. El extremo superior lleva un retén para vástago de válvula, para evitar que el motor gaste aceite, jalándolo a través de las guías de las válvulas. Los asientos de las válvulas: Se trata de anillos de una aleación de acero sumamente resistente al calor. Son la superficie donde asienta cada válvula con su parte cónica, para cerrar herméticamente la cámara de compresión /combustión. Su fijación es por medio de presión térmica en su caja en la cabeza del cilindro. Plato de apoyo ("Roto-cap"): El plato de apoyo en el pie del resorte de la válvula es para que la válvula vaya girando lentamente en su asiento, para evitar que se formen fugas de un solo lado porque la válvula siempre asentaría en la misma posición. Las válvulas trabajan bajo una carga térmica muy alta. La válvula de admisión se enfría por la mezcla aire-combustible pero la válvula de escape está expuesta a temperaturas de hasta 850º. Por eso la válvula de escape es blindad por medio de procedimientos especiales. Si las válvulas de escape van a sufrir una carga térmica especialmente alta, por ejemplo en motores de alto rendimiento, se llenan los vástagos huecos con sodio, el cual distribuye y conduce el calor de la cabeza de la válvula hacia los vástagos, donde hay enfriamiento.

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La superficie de asiento de la cabeza de cilindros

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El lado inferior de la cabeza de los cilindros es la superficie de asiento en la junta. Es el lado donde asienta, con la junta en medio, sobre la superficie plana del monoblock. En el dibujo se ven las 4 cámaras de combustión con sus válvulas, de las cuales las de admisión son las de mayor diámetro para lograr un mejor llenado de mezcla. En el dibujo hemos marcado de azul los puntos donde hay paso de agua hacia la cabeza. Los pasillos de aceite están pintados de amarillo.

Aceite Agua

Aceite

Aceite E= Escape A= Admisión

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Las juntas del Motor

Las juntas son para hermetizar el motor contra lo siguiente: - Gases - Aceite - Combustible - Agua En los lugares donde en el motor asientan 2 superficies metálicas y donde es importante que la hermeticidad contra las materias arriba indicadas sea absoluta, normalmente se requiere de juntas. El material se expande por el calor en el motor, y los metales distintos tienen factores diferentes de expansión. Por ejemplo: el monoblock hecho de acero vaciado y la cabeza de una aleación de aluminio tienen factores de expansión diferentes. Las juntas compensan esas diferencias, así como las pequeñas asperezas de las superficies.

La junta de la cabeza de cilindros: Para hacer que la cabeza asiente herméticamente en la superficie del monoblock,

La junta de la cabeza es de asbesto con un tejido de acero que la refuerza por dentro, formándose así un conjunto a prueba de calor. Los cantos hacia el interior de los cilindros están reforzados con lámina de acero, lográndose así una mayor resistencia de la junta contra el calor y contra la presión de la combustión en la cámara de combustión.

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Los Retenes de las Piezas Giratorias

El cuerpo del motor, compuesto por el monoblock y la cabeza, tiene retenes para evitar fugas de aceite en las piezas rotatorias. Árbol de levas

Retén del árbol de levas

Árbol intermedio Retén del árbol de intermedio

Retén del cigüeñal Retén del cigüeñal Cigüeñal

El resorte detiene el labio del retén en contacto estrecho con la flecha Labio del retén El canto del Labio hermetizante del retén tienen venas helicoidales, las cuales aumentan la hermetización. La inclinación de estas venas debe corresponder al sentido de rotación de la pieza en cuestión, sea el cigüeñal, o el árbol intermedio y el árbol de levas, que giran en el mismo sentido Membrana de hermetización Apoyo metálico

Importante para montar los retenes siempre debe usarse la herramienta especial para este fin, porque de otra manera se puede dañar el retén, causando una fuga.

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La Hermetización del Vástago de la Válvula

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Por el movimiento de vaivén, el vástago de la válvula trabaja como una bomba. El retén de la válvula sirve para que no pase más aceite al vástago y a las guías que lo indispensable para que no trabajen en seco. Sin este anillo retén, sobre todo al envejecer el motor, siempre habría la tendencia de absorber aceite a través de la guía excesivo de aceite.

El retén está montado a presión en la guía de la válvula, de modo que apenas deja pasar suficiente aceite para que el vástago de la válvula no trabaje en seco dentro de la guía.

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La Lubricación

Todas las superficies metálicas que tienen que deslizarse una sobre la otra necesitan lubricarse, para esto tenemos el aceite del motor. Sus 4 principales misiones son las siguientes. Lubricar, enfriar, limpiar y hermetizar.

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La fricción seca debe transformarse en una amortiguada por líquidos. La fricción seca entre superficies metálicas tendría como resultado un fuerte desgaste. Sobre todo en los puntos donde hay alta presión al mismo tiempo que fricción, la lubricación constante por medio de aceite es importantísima. Si nos imaginamos los cojinetes del cigüeñal, como ejemplo, trabajando sin aceite, en muy poco tiempo estarían deshechos.

La superficie más lisa, vista a través de un microscopio, es bastante áspera. Bien puede uno imaginarse que esas dos superficies sin aceite se desgastarían una y otra, así en muy poco tiempo estarían destruidas.

Bajo el microscopio uno podría observar la forma en que el aceite separa las 2 superficies para evitar la fricción directa entre ellas, aunque estén bajo una fuerte presión. Las moléculas (componentes, microscópicos) del aceite, evitan el contacto directo entre las 2 superficies ásperas.

Entre los muñones de un árbol o un cigüeñal y llos cojinetes hay un juego de pocas centésimas de milímetro, para que pueda girar libremente la parte interior. Debido a las presiones que se forman en estos lugares, también el aceite debe llegar con una presión de varios bar (Kg/cm2,) para que las superficies metálicas al girar no entren en contacto directo. Al girar el muñón dentro del cojinete, va arrastrando el aceite en el sentido de rotación, formando una película pareja en pocas vueltas. Entre más rápido gira el motor, más aumenta también esa acción de distribución del aceite. En la zona de presión se forma una especie de cuña de aceite, la cual carga el cigüeñal o el árbol. Canal de lubricación Juego de cojinete

Zona de Presión

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La Lubricación

Enfriamiento

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Al hacerse la combustión en las partes del motor, se genera gran cantidad de calor que debe conducirse hacia afuera. El aceite del motor entra en contacto con las partes de alta temperatura antes que el aire o el agua de enfriamiento. También absorbe parte de calor, de modo que llega caliente al carter, donde se enfría por el contacto de éste con el aire. El aceite sobre todo enfría los cilindros y los pistones. Según el clima o la estación del año se usa aceite de distinta viscosidad. En climas cálidos o en verano en los climas extremosos, se usa aceite más espeso, ya que el calor lo hará más delgado. En cambio en la época fría en climas extremosos, se usa un aceite más delgado, ya que el frío lo hará un poco más espeso. Eso es porque el aceite siempre aumenta su viscosidad (se hace más espeso) al bajar la temperatura y se hace más delgado al subir. Si se calienta demasiado, puede darse el caso que la película de aceite se adelgace, las superficies metálicas entran en contacto directo y se destruyen una y otra. Hoy a menudo se usan aceites de varias áreas de viscosidad, los cuales tienen aditivos químicos que lo hacen adecuados para trabajar en verano y en invierno en climas cálidos o en fríos.

La viscosidad del aceite del motor se indica en grados. Entre más delgados sea el aceite, más bajo es el número de viscosidad. Un aceite de motor del grado SAE 10 es sumamente delgado. Este tiene una buena consistencia cuando hace frío para que en invierno se inicie luego la lubricación de las paredes de los cilindros y de los pernos de los pistones por salpicadura desde el pie de la biela, se necesita un aceite bastante delgado. Un aceite de motor del grado SAE 40 es un aceite ya bastante espeso para el verano. Aguanta más calor que el aceite delgado, de modo que es el adecuado cuando hace calor. Los aceites multigrados que hoy se usan, tienen una base de aceite delgado con aditivos químicos. Un aceite SAE 15/50 es bastante delgado, pero al aumentar la temperatura entran en acción sus aditivos químicos, que mantienen su estabilidad y evitan que la película de aceite se destruya, el recomendado en México para esos motores, es el SAE 15 W 40.

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La Lubricación

Limpieza

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Los aceites para motores modernos tienen aditivos que son para mantener en suspensión los residuos de combustión y partículas metálicas, para que no se puedan depositar en el sistema de presión, obstruyéndolo. Tales aceites se identifican por medio de las letras HD abreviatura de palabras inglesas que significan Servicio Pesado. Además, depósitos de hollín en puntos de alta temperatura como los pistones, pueden tener el efecto que trabajan como aislantes contra la conducción del calor.

Como hermetizante

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La película de aceite entre el pistón y el cilindro sirve como sellador fino entre el conjunto cámara de combustión/ compresión y cilindro por un lado y la caja cigüeñal por el otro. El aceite del motor en los pistones y las superficies interiores de los cilindros no sólo está expuesto a mucho calo9r, sino también a alta presión. Debe ser capaz de sellar, a pesar de alta presiones, para lo cual es estabilizado por medio de aditivos químicos.

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El Sistema de Lubricación

En el sistema de lubricación del motor se tienen 2 tipos de lubricación: Lubricación por presión La bomba del aceite empuja el aceite hacia el buje del distribuidor, los cojinetes del cigüeñal, del árbol de levas, a través de ductos. Desde los extremos de los cojinetes corer en forma de goteo de regreso hacia el cárter. Lubricación por salpicadura o aspersión de aceite. El aceite que regresa de los cojinetes rebota por todos lados por el movimiento de los pistones, las bielas, el cigüeñalm el árbol de levas y el intermedio. Debido a la presión que al mismo tiempo se forma en el monoblock se atomiza este aceite, de modo que llega hasta los lugares más remotos del motor. Tubo de retorno para el aceite de las válvulas

Arbol de Levas

Bulbo de presión de aceite

Canal de lubricación

Arbol intermedio

Flecha del distribuidor de encendido

Buje del distribuidor de encendido Cojinete Canal de lubricación

Bomba de aceite Bandeja de aceite

Así trabaja el filtro de aceite: El aceite llega por su ducto al filtro, el cual se compone de papel poroso plegado, igual que el purificador del aire. El papel recoge toda impureza burda y así limpia el aceite. El filtro de aceite debe reemplazarse a los intervalos prescritos, para que nunca trabaje obstruido. Nota: en nuestros filtros de aceite se tiene una válvula de sobrepresión que actúa cuando se tapa el elemento filtrante.

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La bomba de aceite

La bomba del aceite se compone de 2 engranes dentro de una caja, que al girar forman vacío de una lado y presión del otro. Uno de esos engranes es impulsado desde la flecha propulsora de la bomba y el árbol intermedio; el otro engrane corre libre, por engranar con el primero. La bomba de aceite succiona el aceite desde el carter y lo lleva a los bujes del distribuidor, del árbol intermedio y del árbol de levas, así como a los cojinetes de bancada del cigüeñal, de donde pasa por las perforaciones del cigüeñal a los cojinetes de biela.

La válvula de sobrepresión es para limitar la presión del aceite. Si fuera demasiada alta la presión sería inadmisible, por ejemplo en retenes, juntas del motor y filtro de aceite.

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