MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

CELI INFANTE

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………….

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EL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA…………………………………….

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ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL MOTOR……………………………..

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LA EVOLUCIÓN DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA…..

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TIPOS DE MOTORES………………………………………………………………………….

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Combustión interna………………………………………………………………………

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De reacción o cohete…………………………………………………………………..

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Eléctrico…………………………………………………………………………………………

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Stirling……………………………………………………………………………………………

13

Diesel………………………………………………………………………………………………

13

De arranque…………………………………………………………………………………..

13

Émbolo rotativo…………………………………………………………………………….

13

De émbolos libres…………………………………………………………………………

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De pólvora………………………………………………………………………………………

14

Vapor……………………………………………………………………………………………….

14

Hidráulico……………………………………………………………………………………….

14

Eólico……………………………………………………………………………………………….

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TIPOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA………………….

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Motor convencional del tipo Otto……………………………………………..

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Funcionamiento del motor Otto………………………………………………..

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Motores diésel………………………………………………………………………………

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Principal diferencia entre motor a gasolina (nafta) y el motor de Rudolf Diesel…………………………………………………………

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Funcionamiento………………………………………………………………………..

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Ventajas y desventajas del motor diesel…………………………..

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Aplicaciones……………………………………………………………………………..

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El motor de dos tiempos……………………………………………………………..

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El Motor Wankel ………………………………………………………………………….

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Motor de carga estratificada …………………………………………………..

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LAS PARTES DEL MOTOR………………………………………………………………….

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El TRABAJO DEL CIGÜEÑAL EN EL MOTOR……………………………….

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EL ÁRBOL DE LEVAS…………………………………………………………………………..

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LOS BUZOS HIDRÁULICOS……………………………………………………………..

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LA CILINDRADA…………………………………………………………………………………..

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EL CABALLAJE……………………………………………………………………………………..

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LA RELACIÓN DE COMPRESIÓN…………………………………………………….

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LA PRESIÓN DE COMPRESIÓN……………………………………………………….

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El TORQUE…………………………………………………………………………………………….

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ORDEN DE ENCENDIDO…………………………………………………………………….

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LOS MOTORES MULTIVÁLVULAS………………………………………………….

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EFECTOS DEL MOTOR DE EXPLOSIÓN SOBRE EL MEDIO AMBIENTE…………………………………………………………………………………………….

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SOLUCIONES ALTERNATIVAS AL MOTOR DE TÉRMICO……..

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BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………………….

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INTRODUCCIÓN

Los motores de combustión interna son los que usan comúnmente los automóviles. Se llaman también motores de explosión. Estos nombres les fueron asignados debido a que el combustible se quema en el interior del motor y no es un dispositivo externo a él, como en el caso de los motores diesel. Los motores de combustión interna pueden ser de encendido por chispa o encendido por compresión, los cuales presentan una estructura similar, pudiéndolos diferenciar únicamente al tomar como referencia alguno de sus componentes, como la bomba de inyección, el carburador, etc. Sea cual fuere el tipo de motor, sus componentes deberán satisfacer las siguientes condiciones: a) Resistir los esfuerzos puestos en juego durante la evolución de los gases. b) Asegurar la rigidez necesaria para un guiado correcto de los órganos móviles: pistón, cigüeñal, etc. c) Transmitir

a

las estructuras

próximas

el

mínimo de

vibraciones. d) Asegurar la eliminación de las calorías absorbidas por las paredes de combustión. e) Ser de construcción lo más económica posible. f) Permitir los montajes, desmontajes y conservaciones fáciles.

Los motores de combustión interna han cambiado mucho a lo largo de la historia, desde aquel primer Mercedes-Benz de hace casi un

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siglo o el Ford-T, primer coche producido en serie. Antaño los motores tenían uno o dos cilindros enormes y lentos, en lugar de los pequeños y rápidos que se usan ahora. Los modernos motores automovilísticos son compactos, muy revolucionados y potentes. La media alcanza 6.000 revoluciones por minuto y suelen tener 4 cilindros de unos 500 cc, que obtienen una potencia 40 veces superior a los Mercedes-Benz mencionados antes (el Benz de 1898 tenía un solo cilindro de 1.2 litros que lograba 1.200 r.p.m. con un funcionamiento muy irregular).

En este libro se explicará el principio y funcionamiento básico de un motor de combustión interna, en el caso de los ejemplos se utiliza un motor enfriado por agua Vw, pero el funcionamiento es básicamente el mismo en todos los motores, las variantes serán el numero de cilindros, así como la disposición de los componentes como en el caso del sedán que tiene las cabezas opuestas (Boxer) y el árbol de levas engranado directo al cigüeñal.

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EL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se emplean motores de combustión interna de cuatro tipos:

•

El motor cíclico Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y aeronáutica.

•

El motor diésel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. Se emplea en instalaciones generadoras de energía eléctrica, en sistemas de propulsión naval, en camiones, autobuses y automóviles. Tanto los motores Otto como los diésel se fabrican en modelos de dos y cuatro tiempos.

•

El motor rotatorio.

•

La turbina de combustión. Casi todos los automóviles de hoy utilizan lo que es llamado un

ciclo de combustión de cuatro tiempos para convertir gasolina a movimiento. El ciclo de cuatro tiempos también es conocido como ciclo de OTTO, en honor a Nikolaus Otto. Estos son: Admisión, Compresión, Explosión, Escape

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Estos motores pueden ser,

básicamente,

atmosféricos o

sobrealimentados por medio de un turbo. Todos ellos con inyección electrónica. Atrás quedó el sistema de carburación. Existe otro tipo de motor de gasolina: Wankel, que es de tipo rotativo. En 1936 Félix Wankel -su creador-, obtuvo una patente para fabricar este motor, muy diferente al de ciclo Otto, que durante algunos años tuvo cierto éxito. Hoy en día su presencia es más bien testimonial (algún Mitsubishi). Como combustible alternativo a la gasolina está el gasoil con sus motores DIESEL, inventados por el ingeniero alemán Rudolf Diesel, hoy en día todos sobrealimentados por uno o varios turbos. Actualmente se están ensayando alternativas con motores híbridos. Se trata de adjuntar al motor de gasolina otro de hidrógeno o eléctrico, para ahorrar combustible, y por ser más ecológicos. Por la disposición de sus cilindros, los motores pueden llevar estos: en línea, en V, en W y Boxer (horizontales opuestos). Una auténtica Biblia de la mecánica del automóvil es el ARIAS-

PAZ, gran referente desde el año 1940. ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL MOTOR 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.

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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 sustituir 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.

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Los motores hidráulicos son los más antiguos conocidos (Herón de Alejandría, S. I a. J.C.), utilizaban como fuerza motriz la energía de una masa de agua que cae desde cierta altura, llamada salto. Esta energía se transforma en trabajo útil disponible en el eje de la máquina, que antaño era la rueda hidráulica, actualmente la turbina.

El motor nace por la necesidad de trabajos que, bien por duración, intensidad, manejabilidad o mantenimiento, no puede ser realizado por animales. El motor de combustión interna ha conservado hasta la fecha sus características fundamentales, si bien ha sufrido en los últimos años modificaciones 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.

LA EVOLUCIÓN DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA:
Alrededor del 600 d. De J.C. aparecen los molinos de viento, que convierten la energía del viento en movimiento de máquinas.


En 1712. El inventor inglés Thomas Newcomen (1663-1729) construye una máquina de vapor con pistones y cilindros que resulta muy eficiente,

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En 1770. El militar francés Nicolás-Joseph Cugnot (1725-1804) consigue amoldar su motor a vapor a su carreta.


En 1782. El ingeniero escocés James Watt (1736-1819) construye una máquina a vapor mucho más eficiente que la máquina de Newcomen.


En 1854. Un sacerdote de la iglesia católica, hizo funcionar un motor a explosión, haciendo explotar una mezcla detonante en una especie de bola de cobre. En pocas palabras fue el creador del motor a explosión.


En 1859. El ingeniero franco-belga Etienne Lenoir (1822-1900) construye un motor de combustión interna.


En 1877. El alemán Nikolaus Otto (1832-1892) construye un motor de 4 tiempos.


En 1883. Germán W. Daimler construye un motor de combustión interna muy veloz.


El ingeniero inglés Charles Parsons (1854-1931) diseña el primer generador electrónico de turbina a vapor.


En 1892. El alemán Rudolf Diesel

inventa un motor (llamado

motor diesel posteriormente) que funciona con un combustible que se prende a gran presión. En la práctica el motor resulta ser

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mucho más eficiente que los motores de combustión interna existentes en aquel momento.


En 1903. Los hermanos Orville (1871-1948) y Wilbur (18671912) realizan el primer vuelo con motor con su Kitty Hawk que usa un motor de combustión interna.


En 1937. El ingeniero británico Frank Whittle (1907) construye el primer motor a reacción que funciona.


En 1939. Hans von Ohain, ingeniero alemán, construye y pilota el

Heinkel He 178, primer avión con motor a reacción.


En 1970. Se utiliza el motor a reacción con turboventilador, el más frecuente hoy en día en los aviones, sustituyendo a los antiguos motores 4 tiempos con hélices.

Los inventores de los primeros motores a explosión o precursores fueron: Lebon en 1799, quien sacó una patente pero no llegó a realizar ninguno. Luego fue Lenoir junto con Marinoi que lo llevó a la práctica en 1860, desarrollando un motor de gas de cilindro horizontal. Estas ideas las aprovechó Beans De Rochas que publicó un tratado en 1862 de motor de combustión interna y proponía un ciclo de cuatro tiempos; estas ideas fueron aplicadas por el alemán Otto como se le llamó mundialmente Daimler y Benz ya en el año 1885, construyeron motores para vehículos livianos, Rudolf diesel construyó un motor mas económico en el año 1893.

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TIPOS DE MOTORES Existe una gran variedad de motores distintos, con una finalidad distinta, para un tipo específico de vehículo, para un determinado uso, unos más caros, más ecológicos, etc. Estos son los más importantes: - Motor térmico: Transforma la energía térmica en energía mecánica. Los motores térmicos se basan en un ciclo termodinámico a que se halla sometido un fluido, en una de cuyas fases se produce un trabajo útil. Se clasifican en motores de combustión interna y motores de combustión externa, atendiendo a la localización de la combustión o generación del calor. También pueden clasificarse en rotativos, alternativos o de reacción según sea el movimiento primario que producen. Existen muchas variedades de motor térmico, las cuales se diferencian las unas de las otras por el combustible que utilizan, con lo cual varían los mecanismos interiores del motor. Pueden utilizar

Gasolina

(explosión),

Gasóleo

(Diesel),

Queroseno

(reacción), etc. -

Combustión interna: Motor en que la energía suministrada por un combustible es transformada directamente en energía mecánica.

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-

De reacción o cohete: La acción mecánica se realiza mediante la expulsión de un flujo gaseoso a gran velocidad, que crea una gran cantidad de movimiento al ser expulsada por la parte posterior a una velocidad muy elevada.

-

Eléctrico: Se dividen en tres categorías fundamentales: Asíncronos, Síncronos, y de colector. Los dos primeros funcionan solo con corriente alterna, monofásica, trifásica o polifásica, mientras que el tercer tipo se utiliza tanto con corriente alterna como continua..

-

Stirling: que obtiene potencia mecánica de la expansión de un gas encerrado a alta temperatura.

-

Diesel:

motor

que

aspira

aire

puro,

sin

mezcla

de

combustible. En el tiempo de compresión, el aire se comprime,

con

lo

que

alcanza

una

temperatura

extraordinariamente alta. -

De

arranque:

Motor eléctrico adicional utilizado para

efectuar la puesta en marcha del motor de explosión, mediante un sistema de acoplamiento de engranajes.

-

Émbolo rotativo: trabaja con un ciclo de 4 tiempos que realiza en una rotación de émbolos, el cual presenta un perfil triangular de lados curvos, en una cavidad con forma de elipse.

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-

De émbolos libres: Tiene dos émbolos desprovistos de biela y que se mueven en un mismo cilindro, uno frente a otro, con movimientos

alternativos

opuestos,

teniendo

lugar

la

inyección de combustible en la parte central. -

De pólvora: Máquina en la que se prendía una carga de pólvora en el interior de un cilindro, para poder impulsar el pistón.

-

Vapor: El vapor penetra por un cilindro, por debajo de un émbolo, y se condensa con un chorro de agua fría. Este proceso genera un vacío parcial, y la presión atmosférica que actúa por encima del émbolo lo hace bajar.

-

Hidráulico: Utiliza como fuerza motriz la energía de una masa de agua que cae desde cierta altura llamada salto.

-

Eólico: Utiliza el empuje del viento con ayuda de máquinas llamadas aeromotores.

TIPOS DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

Motor convencional del tipo Otto

Este motor 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

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motores para automóviles. El motor Otto es una máquina que transforma la energía química contenida en el combustible en energía mecánica utilizada para propulsar un émbolo que actúa sobre una biela, la cual mueve el cigüeñal y a través de transmisiones provoca el movimiento de las ruedas. El funcionamiento del mismo es en base a explosiones que se producen en su interior por la inflamación de los gases (aire y nafta) detonados por un salto de chispa (bujías). El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos. La eficiencia de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración. En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende del grado de compresión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría

de

los

motores

Otto

modernos.

Se

pueden

utilizar

proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano. La eficiencia media de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.

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Cuatro Tiempos Automóvil Convencional

Dos Tiempos

Funcionamiento del motor Otto Gasolina y aire forman una mezcla peligrosa. La más leve chispa basta para que se inflame en un instante y así funciona un motor. Los pistones de los cilindros se encargan de comprimir la mezcla, facilitando la ignición, provocada por la chispa eléctrica emitida por la bujía. Estalla en llamas con tal velocidad y violencia que hace descender el pistón por el cilindro. Este movimiento determina el giro del cigüeñal y da su fuerza al motor. En casi todos los motores de coches esta explosión tiene lugar en uno de los cuatro movimientos del pistón, por lo que se le denomina Motor de cuatro tiempos. 1. Tiempo de admisión. 2. Tiempo de compresión y encendidos. 3. Tiempo de combustión. 4. Tiempo de escape. Tiempo de Admisión

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

Tiempo de fuerza La mezcla aire-combustible se enciende por la chispa, desarrollando una elevada 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 cigüeñal 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. Tiempo de escape El tiempo de escape es el último del ciclo y tiene lugar en la carrera ascendente 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. En las figuras siguientes se podrá observar el ciclo completo de cuatro tiempos. Con un poco de observación podremos darnos cuenta de que para efectuarlo, el

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cigüeñal tuvo que completar dos vueltas. Esto tendrá relevancia para poder entender más adelante la sincronización con las válvulas.

1º. - Admisión: la válvula de entrada se abre. El pistón desciende por el cilindro dejando entrar una mezcla de combustible y aire previamente mezclada en el carburador y que se llama carga. 2º. - Compresión: la válvula de entrada se cierra de un golpe, y el pistón sube comprimiendo la carga en un pequeño espacio, en la parte superior del cilindro. 3º- Combustión: La chispa emitida por la bujía incendia la carga a presión. Los gases en expansión empujan el pistón hacia arriba. El pistón mueve el cigüeñal. 4º- Escape: la válvula de salida se abre. Los gases, a gran temperatura salen expulsados empujados por el pistón. El ciclo empieza de nuevo.

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Motores diésel Llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. Se emplea en instalaciones generadoras de energía eléctrica, en sistemas de propulsión naval, en camiones, autobuses y automóviles. Tanto los motores Otto como los diésel se fabrican en modelos de dos y cuatro tiempos. En teoría, el ciclo diésel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de los motores diésel tienen también cuatro tiempos, si bien las fases son diferentes de las de los motores de gasolina. Principal diferencia entre motor a gasolina (nafta) y el motor de Rudolf Diesel Los

dos

motores

son de combustión interna y

utilizan

combustibles muy parecidos. De hecho hay motores de 4 tiempos que queman gasoil de la misma manera que podríamos diseñar un motor diesel que quemara gasolina.

Pero el motor diesel carece de un sistema auxiliar de encendido, es decir de bujías, bobinas, delcos, distribuidores, encendidos electrónicos etc, ya que el combustible se inflama de forma natural al ser inyectado en un cilindro lleno de aire a muy alta temperatura como consecuencia de haber sido comprimido. Esta es realmente la diferencia básica que define a un motor diesel respecto a los demás.

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Motor rotatorio

Motor diesel

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Funcionamiento En la primera fase se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda fase, la fase de compresión, el aire se comprime a una fracción de su volumen original, lo cual hace que se caliente hasta unos 440 ºC. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible vaporizado dentro de la cámara de combustión, produciéndose el encendido a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de potencia, la combustión empuja el pistón hacia atrás, trasmitiendo la energía al cigüeñal. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de expulsión. Algunos motores diésel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible para arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada. La eficiencia de los motores diésel depende, en general, de los mismos factores que los motores Otto, y es mayor que en los motores de gasolina, llegando a superar el 40%. Este valor se logra con un grado de compresión de 14 a 1, siendo necesaria una mayor robustez, y los motores diésel son, por lo general, más pesados que los motores Otto. Esta desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho de utilizar combustibles más baratos. Los motores diésel suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min), mientras que los motores Otto trabajan de 2.500 a 5.000 rpm. No obstante, en la actualidad, algunos tipos de motores diésel trabajan a velocidades

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similares que los motores de gasolina, pero por lo general con mayores cilindradas debido al bajo rendimiento del gas oil respecto a la gasolina. Ventajas y desventajas del motor diesel La principal ventaja de los motores diésel, comparados con los motores a gasolina, estriba en su menor consumo de combustible. Debido a la constante ganancia de mercado de los motores diésel en turismos desde los años 1990 (en muchos países europeos ya supera la mitad), el precio del combustible ha superado a la gasolina debido al aumento de la demanda. Este hecho ha generado grandes problemas a los tradicionales consumidores de gasóleo, como transportistas, agricultores o pescadores. En automoción, las desventajas iniciales de estos motores (principalmente precio, costos de mantenimiento y prestaciones) se están reduciendo debido a mejoras como la inyección electrónica y el turbocompresor. No obstante, la adopción de la precámara para los motores de automoción, con la que se consiguen prestaciones semejantes a los motores de gasolina, presenta el inconveniente de incrementar el consumo, con lo que la principal ventaja de estos motores prácticamente desaparece. Actualmente se está utilizando el sistema common-rail en los vehículos automotores pequeños. Este sistema brinda una gran ventaja, ya que se consigue un menor consumo de combustible, mejores prestaciones del motor, menor ruido (característico de los motores diésel) y una menor emisión de gases contaminantes.

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Aplicaciones •

Maquinaria agrícola (tractores, cosechadoras)

•

Propulsión ferroviaria

•

Propulsión marina

•

Automóviles y camiones

•

Vehículos de propulsión a oruga

•

Grupos generadores de energía eléctrica (centrales eléctricas y de emergencia)

•

Accionamiento

industrial

(bombas,

compresores,

etc.,

especialmente de emergencia) •

Propulsión aérea

Vista de un motor marino

El motor de dos tiempos Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor Otto o diésel funcione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases en lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es menor que la de los motores de cuatro tiempos, pero al necesitar sólo dos tiempos para realizar un ciclo completo, producen más potencia que un motor cuatro tiempos del mismo tamaño.

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El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas de cabezal, las válvulas deslizantes u orificios (que quedan expuestos al desplazarse el pistón hacia atrás). En los motores de dos tiempos la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través del orificio de aspiración cuando el pistón está en la posición más alejada del cabezal del cilindro. La primera fase es la compresión, en la que se enciende la carga de mezcla cuando el pistón llega al final de la fase. A continuación, el pistón se desplaza hacia atrás en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases salgan de la cámara.

Motor de dos tiempos

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El Motor Wankel En la década de 1950, el ingeniero alemán Félix Wankel completó el desarrollo de un motor de combustión interna con un diseño revolucionario, actualmente conocido como Motor Wankel. Utiliza un rotor triangular-lobular dentro de una cámara ovalada, en lugar de un pistón y un cilindro. La mezcla de combustible y aire es absorbida a través de un orificio de aspiración y queda atrapada entre una de las caras del rotor y la pared de la cámara. La rotación del rotor comprime la mezcla, que se enciende con una bujía. Los gases se expulsan a través de un orificio de expulsión con el movimiento del rotor. El ciclo tiene lugar una vez en cada una de las caras del rotor, produciendo tres fases de potencia en cada giro. Este motor posee una forma especial de la cámara de combustión del pistón que permite un mejor aprovechamiento de la potencia obtenida En un motor tradicional, el pistón sube y baja verticalmente y un eje unido a ése encarga de transformar dicho movimiento en otro vertical que se transmite al cigüeñal. Este movimiento vertical del pistón tiene inconvenientes. El primero consiste en que los bruscos cambios de dirección, de abajo hacia arriba y viceversa fatigan el metal y provocan una rotura anticipada. Otro problema es que la transferencia de energía es ineficiente y parte se pierde en mover el pistón verticalmente sin invertirse en girar el cigüeñal.

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El motor Wankel fue diseñado para que la fuerza de la explosión se empleara íntegramente en mover el cigüeñal y para que utilizara menos partes móviles. Consta de una cavidad curva que es la cámara de combustión, dentro de ella se halla el pistón, que tiene forma de triángulo con los bordes cóncavos. La parte interior de dicho pistón tiene una circunferencia dentada que va unida a un engranaje del cigüeñal. Al ir girando el pistón en la cavidad, toma el combustible en un punto y lo comprime hasta llegar a un segundo punto en el que se produce la explosión siguiendo con el giro, llega al área de expulsión de gases al exterior, ya a continuación vuelve a admitir combustible. Se puede Considerar por tanto como un motor de explosión de cuatro tiempos. Dado que el pistón tiene forma triangular, puede entenderse como si fueran tres pistones separados, cada uno en una fase cada vez. La energía se emplea en mover circularmente el pistón y los cambios bruscos de movimiento se reducen en gran medida. Con este motor se ha llegado, incluso, a doblar la Potencia de un motor normal, pero problemas de diseño y de desgaste, en especial de las esquinas del pistón que rozaban con la pared de la cámara han impedido su difusión a gran escala. El motor de Wankel es compacto y ligero en comparación con los motores de pistones, por lo que ganó importancia durante la crisis del petróleo en las décadas de 1970 y 1980. Además, funciona casi sin vibraciones y su sencillez mecánica permite una fabricación barata. No requiere mucha refrigeración, y su centro de gravedad bajo aumenta la seguridad en la conducción. No obstante salvo algunos ejemplos

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prácticos como algunos vehículos Mazda, ha tenido problemas de durabilidad.

Motor Wankel

Funcionamiento del motor Wankel

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Motor de carga estratificada Una variante del motor de encendido con bujías es el motor de carga estratificada, diseñado para reducir las emisiones sin necesidad de un sistema de recirculación de los gases resultantes de la combustión y sin utilizar un catalizador. La clave de este diseño es una cámara de combustión doble dentro de cada cilindro, con una antecámara que contiene una mezcla rica de combustible y aire mientras la cámara principal contiene una mezcla pobre. La bujía enciende la mezcla rica, que a su vez enciende la de la cámara principal. La temperatura máxima que se alcanza es suficiente como para impedir la formación de óxidos de nitrógeno, mientras que la temperatura media es la suficiente para limitar las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos. LAS PARTES DEL MOTOR Al desmontar un motor se advierte que es realmente sencillo. Hay pistones en forma de tambor que suben y bajan, empujando y tirando de bielas de acero para hacer girar el cigüeñal de línea zigzagueante, impulsor de las ruedas; válvulas atrompetadas que vierten combustible en los cilindros y se llevan los gases de desecho; el sólido bloque del motor y la culata. Más, aunque simples, estas piezas han de ser muy duras para soportar el calor y la tensión. Dentro de los cilindros se alcanzan 1700º C (temperatura muy cercana a la temperatura de la lava fundida) y los pistones han de resistir presiones de hasta 15 toneladas y tener un buen acabado para que el motor funcione de un modo regular.

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Partes que conforman al motor Estas son las partes fundamentales de un motor: Volante: Pesado volante fijado al cigüeñal para coordinar el movimiento de los cilindros individuales. Cilindro: Es el espacio donde la carga se presiona y explota comprimida por el pistón. De su capacidad de pende en gran parte la potencia del motor. Pistón: Está situado dentro del cilindro y es el encargado de presionar y expulsar la carga para que esta cumpla su cometido. Aguantan hasta 15 T de presión. Biela: Es la unión entre el pistón y el cigüeñal. Junto con el pistón se desplazan por el cilindro hasta 6000 veces por minuto a unos 500 Km/h o más.

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Válvula de salida: Es la compuerta por donde salen los gases resultantes al tubo de escape. Válvula de entrada: por esta compuerta entra el combustible proveniente del carburador. Cuantas más válvulas, mas combustible, con lo que aumenta la potencia y el consumo. Escape: Por aquí son conducidos los gases al silenciador del tubo de escape, los cuales pasan por un catalizador que disminuye los efectos negativos en el Medio Ambiente Conducto del carburador: El carburador mezcla la gasolina con el aire (carga) y por aquí pasa al cilindro pasando por la válvula de entrada. Cigüeñal: eje que convierte el movimiento de subida y bajada de los pistones en movimiento rotatorio. Bujía: Inflama el combustible que hace descender el pistón por cilindro. Para que funcione bien un motor, la chispa debe llegar en el momento oportuno al cilindro, antes se quema de forma desigual, mas tarde se pierde potencia.

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Vista interior de un motor

El TRABAJO DEL CIGÜEÑAL EN EL MOTOR

Un cigüeñal es un eje con codos y contrapesos presente en ciertas máquinas que, aplicando el principio del mecanismo de biela manivela, transforma el movimiento rectilíneo alternativo en rotatorio y viceversa. Los cigüeñales se utilizan extensamente en los motores alternativos, donde el movimiento lineal de los pistones dentro de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del cigüeñal que, a su vez, se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia. El cigüeñal es un elemento estructural del motor.

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Normalmente se fabrican de aleaciones capaces de soportar los esfuerzos a los que se ven sometidos y pueden tener perforaciones y conductos para el paso de lubricante. Hay diferentes tipos de cigüeñales; los hay de tres apoyos, de cinco apoyos, etcétera, dependiendo del número de cilindros que tenga el motor.

Pistón y biela dando un giro al cigüeñal

Al efectuar su trabajo dentro del cilindro, el pistón se desplaza en forma rectilínea y reciprocante, es decir, va y viene en línea recta.

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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.

Como se puede apreciar en el esquema anterior, 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 mencionar que todos los pistones de un motor deben pesar lo mismo y ese criterio se aplica también para las bielas. Hay que recordar que debe ser simétrico. EL 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

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la cabeza, 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 sincronización que existe entre el árbol de levas y el cigüeñal. La válvula de admisión se abrirá en un cilindro solamente 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.

Árbol de levas

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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.

LOS 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

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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

LA CILINDRADA Se conoce como cilindrada o desplazamiento a la suma de los volúmenes admitidos por los cilindros de un motor. Si tomamos en cuenta que el cilindro es un cuerpo geométrico cuyo volumen se obtiene aplicando la fórmula b x a y que "b" es la superficie de la cabeza del pistón y que "a" es igual a la distancia que existe entre la cabeza del pistón en su punto muerto inferior y la cabeza de cilindros, podemos obtener fácilmente el volumen de un cilindro. Después, multiplicamos ese número por la cantidad de cilindros que tenga el motor y el resultado constituirá la cilindrada.

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Este concepto se expresa generalmente en centímetros cúbicos (cc.

o

cm3)

aunque

también

se

emplean

los

litros

(L). Los

norteamericanos lo expresan en pulgadas cúbicas (cu.in. cubic inches).

Diagrama de un Cilindro Típico La disposición de los cilindros más común hoy en día es: - Cuatro Horizontales: Los cilindros están dispuestos en dos filas. El motor es ancho, pero el aire fresco llega a los cilindros tan fácilmente que no siempre se requiere la refrigeración por agua.

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- Seis en línea: Estos motores son muy largos y costosos, pero resultan muy regulares y potentes y se emplean especialmente en coches grandes y caros. -

Seis en “V”: Los motores grandes y rectos son demasiado largos y altos para encajar en los estilizados deportivos. Por eso muchos deportivos tienen motores en donde los cilindros se entrelazan formando una “V” y un cigüeñal más corto y rígido.

Estas son las más comunes, pero hay más variantes como el V8 que es el mismo fin que el V6, pero con 2 cilindros más y por consiguiente, mas potencia, o los V10, o V12, que son para coches en el límite entre la carretera y los circuitos, solo usados por marcas tan importantes como Ferrari, Lamborghini o Porche. En competición se suelen usar

motores

de 12

en “V”

o

en línea

ayudado de

turbocompresores y una gran cilindrada, lo que da una gran potencia a dichos motores. Otra forma de aumentar la potencia del motor es con supercargadores y turbocargadores, los cuales aumentan la fuerza de la explosión en la fase de power stroke. Son bombas que inyectan la mezcla de gasolina y aire en los cilindros. La postcombustión, otro dispositivo, inyecta combustible extra en el escape a reacción y dan al motor un impulso añadido, casi como un cohete. Los aviones a reacción utilizan la postcombustión para despegar o para maniobras muy rápidas o repentinas. Consumen mucho mas combustible y hacen mucho ruido.

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EL CABALLAJE El nombre de Caballo de Potencia se le dio 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). Según la ilustración tenemos tres elementos que determinan la unidad llamada Caballo de Potencia: Una carga 76 Kg una distancia 1 m un tiempo 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. LA 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.

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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. En la figura

anterior, 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.

LA PRESIÓN DE COMPRESIÓN La

presión

de

compresión

se

conoce

simplemente

como

compresión y consiste en el nivel de presurización que la mezcla airecombustible 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/cm2)

-

y

se

emplea

para

ello

un

compresómetro. Este instrumento de medición se instala quitando las

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bujías y aplicándolo en cada cilindro uno por uno al tiempo que se hace girar el motor con la marcha. 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. 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.

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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. El TORQUE El torque, par motor o torsión de un motor es la capacidad que éste tiene para realizar un trabajo, independientemente del tiempo que se tarde en hacerlo; es decir, si el motor puede hacerlo tendrá torsión suficiente, si no puede, no la tendrá aunque le demos todo el tiempo del mundo. Para comprender el concepto de torque veamos la siguiente ilustración: Si tenemos un brazo de palanca de un metro de longitud y aplicamos sobre el mango una

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fuerza de un kilogramo, tendremos como resultado un torque de 1 Kg / m, es decir, un kilo por cada metro de palanca. En la práctica automovilística se utiliza una unidad llamada Newton / metro (Nm) para expresar el torque de un motor. Para aplicar este concepto a un motor, observemos el siguiente diagrama:

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.

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En el diagrama (izq.) 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.

LOS 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 válvulas 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.

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Por requerirán

principio, dos

árboles

se 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. Detalle de cabeza en un cilindro con 5 válvulas

Detalle de cabeza de 4 cilindros (20 válvulas)

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Como se puede observar en la ilustración anterior, 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.

EFECTOS DEL MOTOR DE EXPLOSIÓN SOBRE EL MEDIO AMBIENTE. El Dióxido de Carbono y demás partículas nocivas emitidas por los tubos de escape de los vehículos con motor de combustión contribuyen en gran manera, al ser tan elevado su número. Contribuye al Efecto Invernadero, a la Lluvia Ácida y la capa de Ozono (esta en muy poca medida): - Efecto Invernadero: La quema de combustibles fósiles aumenta la cantidad de Dióxido de Carbono

en la atmósfera, que

atrapa calor extra. Si continua así subirá la temperatura de la Tierra ocasionando muchos problemas. -

Lluvia

Ácida: Causada principalmente por el nitrógeno

despedido por los tubos de escape. Cuando esta contaminación se mezcla con el vapor de agua y el oxígeno de la atmósfera, se producen ácido nítrico y sulfúrico. Esta mezcla cae con la lluvia incrementando la acidez de lagos, ríos y sustrato en general, incluyendo plantas y animales.

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Aunque los vehículos tienen obligación de tener catalizadores en la salida del silenciador en el tubo de escape, esta medida no es suficiente. En el año 2000 se quitará del mercado la gasolina “super” y pasará a ser la “Sin Plomo” la única disponible para vehículos con motor de explosión. La gasolina “Sin Plomo” aporta menos energía al no producir la misma intensidad de la explosión dentro del motor, pero es más ecológica y menos contaminante. Tendremos que realizar pequeñas modificaciones en el motor para adaptarlo. SOLUCIONES ALTERNATIVAS AL MOTOR DE TÉRMICO: Hay diversas soluciones alternativas que o bien modifican al motor, o bien no es un motor térmico, sino uno eléctrico, solar, eólico, etc. En este final de siglo se plantean nuevos retos al automóvil: por un lado se intenta mantener el nivel de prestaciones conseguidas hasta ahora (Comodidad, velocidad, autonomía...), y por otro se trata de reducir al máximo el consumo de energía, y la contaminación ocasionada por la emisión de gases. El coche eléctrico es, en este sentido, una clara alternativa. Se están creando prototipos de vehículos impulsados por motores eléctricos. Una alternativa es el motor con partes de cerámica en lugar de aleaciones. El motor cerámico dura 10 veces más porque el desgaste es prácticamente nulo. No necesita refrigeración ni lubricación del motor porque es capaz de trabajar a más altas temperaturas sin fugas de calor. Aprovecha mucho mejor la energía porque la combustión es perfecta, produciendo mejores prestaciones con menos consumo y sin

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emitir gases contaminantes como el monóxido de carbono. La razón de que no se utilice salvo en los prototipos es que la cerámica es muy frágil y puede romperse con un pequeño golpe, pero se está buscando soluciones para este problema. Otro tipo de automóvil es el denominado coche híbrido, representado por el

prototipo Opel Twin, que funciona con motor

eléctrico en la ciudad y de combustión en carretera, donde es necesaria mayor autonomía. Es un vehículo con un motor de “quita y pon”. También hay que tener en cuenta al Sol, la energía más abundante y menos contaminante de que disponemos en nuestro planeta. Se han diseñado ya cientos de modelos de coches que se mueven mediante la electricidad generada por células solares fotovoltaicas. Cada año se baten récord de velocidad y distancias recorridas por estos vehículos, capaz de lanzarse a más de 120 Km. /h durante miles de kilómetros sin pararse a repostar. Unos acumuladores de electricidad les permiten funcionar incluso mientras el sol está oculto.

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BIBLIOGRAFÍA

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