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Guia nº 1 conceptos básicos de motores

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Guia nº 1 conceptos básicos de motores

  1. 1. Fundación Universidad de Atacama Escuela Técnico Profesional Área de Electromecánica Profesor: Sr. Jorge Hernández Valencia Módulo: Mantenimiento de Motores. Guía Nº 1 de Mecánica Automotriz. (Fuente de información: http://www.vochoweb.com/vochow/tips/red/motor/default.htm) Objetivo: En esta guía explicaremos el principio y funcionamiento básico de un motor de combustión interna. En el caso de los ejemplos utilizamos un motor enfriado por agua (Figura 1), pero el funcionamiento es básicamente el mismo en todos los motores, las variantes serán el número de cilindros, así como la disposición de los componentes. Figura 1. Motor de combustión interna y sus componentes. I. Antecedentes. Desde su presencia en la Tierra, el hombre se ha movido por la superficie del planeta, primero como un nómade 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 (Figura 2) 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. Figura 2. Locomotora a Vapor. Figura 3. Motor Otto.
  2. 2. ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL. COPIAPÓ ÁREA DE ELECTROMECÁNICA – ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ – 2007 2 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. El objetivo de este fascículo es el de familiarizar al lector con los órganos del motor y sus principios de funcionamiento. II. 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 A x L y que "A" es la superficie o área de la cabeza del pistón y que "L" 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. (Figura 4) Figura 4. Cilindrada Figura 5. Volumen. 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). Figura 6. Cilindrada de un motor.
  3. 3. ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL. COPIAPÓ ÁREA DE ELECTROMECÁNICA – ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ – 2007 3 III. Concepto y trabajo del Cigüeñal. Figura 7. Conjunto; Pistón – Biela – Cigüeñal. Figura 8.Accionamiento manivela Figura 9. Codificación. Figura 10. Efecto “Pedaleo” Figura 11. Cigüeñal
  4. 4. ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL. COPIAPÓ ÁREA DE ELECTROMECÁNICA – ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ – 2007 4 IV. Trabajo de: Pistón – Biela, dando un giro al Cigüeñal. Figura 11. Conjunto Pistón – Biela – Cigüeñal. Al efectuar su trabajo dentro del cilindro, el pistón se desplaza en forma rectilínea y alternativa, 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. Figura 12. Movimiento rectilíneo – alternativo. Como se puede apreciar en la figura 13, 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 se simétrico. Figura 13. Disposición de pistones en un motor de 4 cilindros
  5. 5. ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL. COPIAPÓ ÁREA DE ELECTROMECÁNICA – ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ – 2007 5 V. El Ciclo Otto de cuatro tiempos. Este ciclo recibe el nombre de su inventor, Nicolás Augusto Otto (Figura 14), 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. Figura 14. V.I Ciclo de 4 tiempos de un motor Otto (bencinero) 1. Primer tiempo. (Admisión) A partir de su punto muerto superior (PMS), el pistón inicia su carrera descendente al punto muerto inferior (PMI). Al mismo tiempo, la válvula de admisión se abre y permite la entrada de la mezcla aire-combustible que llenará la cavidad del cilindro (cámara de combustión). El tiempo de admisión y la carrera del pistón terminan cuando éste llega a su punto muerto inferior. El eje cigüeñal ha girado ½ vuelta (180º). 2. Tiempo de Compresión. Al continuar girando el cigüeñal, el pistón inicia su carrera ascendente desde el punto muerto inferior (PMI) al punto muerto superior (PMS); 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. El cigüeñal gira ½ vuelta más, completando 1 vuelta desde el primer tiempo. (360º). 3. Tiempo de Explosión / Fuerza / Trabajo. En ese momento cuando el pistón se encuentra en el P.M.S., tiene lugar la chispa entre los electrodos de la bujía de encendido, 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 desde el P.M.S. al P.M.I. 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. El cigüeñal gira otra ½ vuelta, completando 1 ½ vueltas (540º)
  6. 6. ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL. COPIAPÓ ÁREA DE ELECTROMECÁNICA – ESPECIALIDAD DE MECÁNICA AUTOMOTRIZ – 2007 6 4. Tiempo de Escape. El tiempo de escape es el último del ciclo y tiene lugar en la carrera ascendente del pistón desde el punto muerto inferior (PMI) al punto muerto superior (PMS). 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 este tiempo el cigüeñal completa con su última ½ vuelta del ciclo, 2 vueltas completas desde su primer tiempo (720º) En la figura 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 de la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape. V.II 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. Para poder entender más fácilmente podemos tomar el ejemplo de un motor en línea de cuatro cilindros de ciclo de 4 tiempos Otto, 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. En la figura de la izquierda 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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