El documento describe los elementos principales y auxiliares de los motores térmicos, incluyendo el bloque, cilindros, pistones, bielas, cigüeñal y culata. Explica las diferentes disposiciones de los cilindros como en línea, en V, en doble V, etc. También cubre conceptos como los materiales utilizados, juntas, cojinetes y tendencias de evolución futura hacia un menor impacto ambiental.

1. AUTOMOCIÓN
MOTORES TÉRMICOS Y SUS
SISTEMAS AUXILIARES
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ÍNDICE
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ZOOM
ELEMENTOS DEL
MOTOR

2. AUTOMOCIÓN
MOTORES TÉRMICOS Y SUS
SISTEMAS AUXILIARES
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ÍNDICE
ZOOM
ZOOM
ELEMENTOS DEL MOTOR
ÍNDICE
ÓRGANOS PRINCIPALES ....................................................................................01
ÓRGANOS AUXILIARES .....................................................................................01
ÓRGANOS PRINCIPALES ....................................................................................02
· MONO-BLOQUE, CIGÜEÑAL, BIELAS Y PISTONES ................................................02
· BLOQUE Y CILINDROS .....................................................................................04
· DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS .................................................................08
· CILINDROS EN LÍNEA ................................................................................09
· CILINDROS EN V .......................................................................................10
· CILINDROS EN DOBLE V ............................................................................11
· CILINDROS EN X .......................................................................................11
· CILINDROS EN U.......................................................................................11
· CILINDROS EN H.......................................................................................12
· CILINDROS EN ESTRELLA ..........................................................................12
· PISTÓN .........................................................................................................13
· PISTONES PARA MOTORES DIESEL .................................................................17
· BULÓN ..........................................................................................................19
· SEGMENTOS ..................................................................................................20
· SEGMENTOS DE COMPRESIÓN .......................................................................23
· SEGMENTOS RASCADORES ...........................................................................23
· SEGMENTOS DE ENGRASE ............................................................................24
· BIELA ...........................................................................................................24
· CIGÜEÑAL .....................................................................................................26
· CASQUILLOS .................................................................................................28
· COJINETES DE FRICCIÓN ...............................................................................29
· MATERIALES PARA COJINETES DE FRICCIÓN HIDRODINÁMICOS. ......................32
· EJES DE EQUILIBRADO ....................................................................................33
· CULATA .........................................................................................................33
· ESTRUCTURA DE LA CULATA .........................................................................36
· JUNTA DE LA CULATA ......................................................................................37
· DISTRIBUCIÓN ...............................................................................................38
CARACTERÍSTICAS DE LAS ACTUALES CONSTRUCCIONES .....................................38
· DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS ....................................................................38
· MOTORES DE CICLO OTTO ...............................................................................39
· MOTORES DE CICLO DIESEL ............................................................................41
TENDENCIAS EVOLUTIVAS FUTURAS ..................................................................42
· ANÁLISIS DE LA TENDENCIA ............................................................................42
· OBJETIVOS FUTUROS ......................................................................................43
· AUMENTO DE LAS PRESTACIONES .................................................................45

3. AUTOMOCIÓN
MOTORES TÉRMICOS Y SUS
SISTEMAS AUXILIARES
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ÍNDICE
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ZOOM
ELEMENTOS DEL MOTOR
ÍNDICE
· REDUCCIÓN DE LOS CONSUMOS ESPECÍFICOS ...............................................45
· REDUCCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN .............................................................45
· AUMENTO DE LA COMODIDAD DE CONDUCCIÓN ..............................................45
· BÚSQUEDA Y DESARROLLO ..........................................................................46
LA ELECTRÓNICA APLICADA ..............................................................................46
LOS NUEVOS MATERIALES .................................................................................48

4. AUTOMOCIÓN
MOTORES TÉRMICOS Y SUS
SISTEMAS AUXILIARES
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ELEMENTOS DEL MOTOR
GENERALIDADES
Los órganos mecánicos del motor se dividen en dos categorías:
Órganos principales.
Órganos auxiliares.
ÓRGANOS PRINCIPALES
Los órganos principales incluyen:
El bloque con las camisas cilindros.
Los pistones con bielas.
El cigüeñal y los eventuales ejes de equilibrado.
La culata.
La cadena cinemática de la distribución.
Y las válvulas de admisión y escape.
ÓRGANOS AUXILIARES
Los órganos auxiliares incluyen:
Las bombas que hacen circular el líquido refrigerante y lubrificante.
Las instalaciones de admisión y escape.
El turbocompresor.
El motor de arranque.
El generador de corriente.
Las bombas para los servicios (servofreno, servo-dirección, aire acondicionado).
El conjunto de estos órganos se monta y sujeta mediante varios sistemas los más comunes
son tornillos. Si entre los diferentes órganos se produce el paso de un fluido, con necesidad
de estanquidad se interpone generalmente una junta.
01

5. AUTOMOCIÓN
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ELEMENTOS DEL MOTOR
Juntas
ÓRGANOS PRINCIPALES
MONO-BLOQUE, CIGÜEÑAL, BIELAS Y PISTONES
Mono-bloque, cigüeñal, bielas y pistones
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6. AUTOMOCIÓN
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ELEMENTOS DEL MOTOR
En los motores de automoción, por razones de sencillez y por el menor coste de producción,
el grupo compuesto por las camisas cilindros y el bloque forman un bloque único que
se llama mono-bloque.
Sección transversal de un mono-bloque de un motor para coches
03

7. AUTOMOCIÓN
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ELEMENTOS DEL MOTOR
En los grandes motores Diesel lentos de uso naval, el bloque está separado de los cilindros,
para facilitar el trabajo, a causa de las considerables dimensiones de las partes, y el
bloque se vincula a las camisas cilindros con tirantes y tornillos.
En el caso de los motores refrigerados con aire, los cilindros están normalmente separados
entre ellos, para que se refrigeren.
Bloque y cilindros de un motor refrigerado con aire
BLOQUE Y CILINDROS
El bloque soporta, mediante los cojinetes, el cigüeñal y sirve para unir los varios grupos
mecánicos además de encerrar y proteger en su interior los órganos rotantes y el aceite
lubrificante.
El bloque está provisto de enganches para fijar el motor a las estructuras de sujeción
(suspensión moto-propulsor), por lo tanto debe soportar, además de los esfuerzos internos
de las bielas, cigüeñal y pistones, también la fuerza aplicada a los soportes y estructura.
04

8. AUTOMOCIÓN
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ELEMENTOS DEL MOTOR
Bloque de un motor de cuatro cilindros y tres soportes de bancada
Bloque de un motor de cuatro cilindros y cinco soportes de bancada
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9. AUTOMOCIÓN
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ELEMENTOS DEL MOTOR
Las fuerzas que debe soportar el bloque, que es el órgano más importante en dimensiones
y masa, son numerosas y es muy complejo calcular el esfuerzo del material en los distintos
puntos, teniendo en cuenta simultáneamente todas estas fuerzas.
Por otra parte, y sobre todo en un monobloque, es muy importante garantizar la máxima
rigidez en cada situación de carga, para que funcionen correctamente las bielas y el
cigüeñal y no se verifiquen deformaciones superiores a las admitidas.
Los cálculos más complejos y recientemente utilizados (cálculo de los elementos finitos)
permiten construir un óptimo monobloque, reduciendo el peso del conjunto, pero
garantizando la adecuada rigidez durante el funcionamiento (bloque con paredes finas).
Además se pueden realizar, en el laboratorio, verificaciones estructurales muy complejas
en las que se estudia el nivel de deformación del monobloque bajo la acción de las
diferentes cargas aplicadas. Un punto crítico son los tornillos de fijación de los sombreretes
para los cojinetes del cigüeñal.
Durante el funcionamiento, las fuerzas aplicadas a los cilindros y cojinetes de bancada
varían su valor y dirección. Esto hace que la tensión en los tornillos sea mayor y que se
monten tornillos más resistentes.
Algunos constructores han sustituido los tradicionales sombreretes de bancada por soportes
circulares de gran diámetro introducidos apropiadamente en alojamientos anulares en
el bloque (bloque en túnel). En este caso los soportes, divididos por la mitad, primero
se montan en el cigüeñal; luego el conjunto es introducido en el túnel del bloque.
El monobloque se puede construir de distintas maneras:
Con las camisas cilindros que formen parte integral de la fusión (camisas integradas).
Con las camisas cilindros insertadas (en seco o en húmedo).
Con una solución intermedia, con camisas cilindro integradas pero con monobloque
abierto en la parte superior.
A.Camisas integradas.
B.Camisas insertadas en seco.
C.Camisas insertadas en húmedo.
D.Monobloque abierto.
Construcción del bloque cilindros
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ELEMENTOS DEL MOTOR
Con las camisas integradas, éstas se trabajan directamente en el monobloque por lo
tanto el material de construcción debe tener las características adecuadas. Esta solución
es válida para los motores medios-pequeños, ya que prima la ligereza y sencillez de
construcción.
Bloque con camisas integradas (monobloque)
Las camisas insertadas, se introducen con la prensa en frío en el monobloque o en
apropiadas guías; en este último caso se refrigeran directamente con el líquido refrigerante.
Esta última solución se adapta a los motores con grandes esfuerzos térmicos, pero es
más costosa y de montaje más complejo que las anteriores.
Monobloque con camisas insertadas en húmedo
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ELEMENTOS DEL MOTOR
La solución con camisas integradas y monobloque abierto superior reúne las ventajas
de construcción y funcionalidad del monobloque integral con las funcionales de las camisas
húmedas insertadas (las camisas no se deforman al apretar los espárragos que fijan la
culata). De todas formas, requiere un especial cuidado al rectificar la parte superior para
que la superficie de apoyo de la culata sea totalmente plana.
Con las camisas insertadas se tiene la ventaja de poder elegir para su construcción, un
material de gran dureza superficial y resistente al desgaste como la fundición centrifugada,
la fundición dura o el acero nitrurado (acción de endurecer los metales ferrosos con
nitrogeno).
Los bloques cilindros con camisas integradas en fundición de granos finos tienen ventajas,
tanto por la facilidad de la fusión y trabajo, como por la particular calidad de la superficie
de las camisas que se adapta fácilmente, después del desgaste inicial durante el rodaje,
a la forma del pistón.
Se construyen también monobloques con aleaciones especiales de aluminio con camisas
integradas cuya superficie interna (pequeños motores refrigerados con aire) se trata con
procedimientos especiales para que sea lo suficientemente dura.
DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS
Los motores para tracción son del tipo pluricilindrico, excepto los empleados en los
motociclos de pequeña cilindrada.
La disposición de los cilindros en un motor pluricilíndrico puede ser distinta aunque en
el campo de la tracción se utilizan sólo algunos de los esquemas posibles; estas disposiciones
se utilizan por sencillez, accesibilidad y solidez.
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12. AUTOMOCIÓN
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CILINDROS EN LÍNEA
Los ejes de los cilindros son paralelos y están en un semiplano que pasa o no por el eje
del cigüeñal, según si el movimiento biela - pistón está centrado o no.
Existen cilindros verticales, cilindros horizontales o cilindros invertidos.
Los cilindros en línea es el esquema más utilizado en el campo de la tracción; es
prácticamente el único para motores de 2, 3, 4 y 5 cilindros, y es común también en los
motores de 6 cilindros.
Cilindros en línea: a) Verticales; b) Horizontales; c) Invertidos
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ELEMENTOS DEL MOTOR
CILINDROS EN V
Los ejes de los cilindros están en dos semiplanos que terminan en una recta que coincide
o es paralela al eje del cigüeñal.
Se llaman cilindros en V propia si para cada manivela se articulan, directa o indirectamente
(mediante una biela madre), las bielas de los dos cilindros enfrentados. Si en cambio
cada biela se articula en una manivela distinta se llaman cilindros en V graduada.
El esquema con cilindros en V es muy usado para los motores de 6 cilindros (con ángulo
de apertura de las bancadas de 60º, 90º o de 120º); este sistema se utiliza casi siempre
en los de 8 cilindros (con apertura de 90º) y de 12 cilindros (60º).
El esquema de cilindros contrapuestos (usado en los motores boxer) es un caso particular
del esquema en V (apertura de 180º); se utiliza en algunos casos para motores de 2 y
4 cilindros, raramente para motores de 6, 8 y 12 cilindros.
Cilindros en V: a) Propia; b) Graduada; c) Contrapuestos
Los motores boxer de 4 y 6 cilindros todavía se producen para uso aeronáutico.
10

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ELEMENTOS DEL MOTOR
CILINDROS EN DOBLE V
Los ejes de los cilindros están en tres semiplanos que acaban en la misma recta que
coincide o es paralela al eje del cigüeñal.
CILINDROS EN X
Los ejes de los cilindros están en dos planos que cortan el eje del cigüeñal y en cada
plano los cilindros están colocados como en el caso de los cilindros contrapuestos.
CILINDROS EN U
Hay dos sistemas paralelos con cilindros en línea, y cuyos dos cigüeñales están unidos
entre ellos cinematicamente.
a) Cilindros en doble V; b) Cilindros en X; c) Cilindros en U
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ELEMENTOS DEL MOTOR
CILINDROS EN H
Hay dos sistemas paralelos con cilindros contrapuestos y con dos cigüeñales vinculados
cinematicamente.
CILINDROS EN ESTRELLA
Los ejes de los cilindros son coplanares en el eje del cigüeñal, de tal modo que forman
una estrella regular. Todas las bielas se articulan, directa o indirectamente en una única
manivela.
Hay motores con cilindros en doble estrella, es decir dos motores con cilindros en estrella
uno detrás del otro y desfasados.
Estas disposiciones se utilizaban en los motores aeronáuticos por las ventajas ofrecidas
en términos de ligereza, sencillez constructiva y facilidad de refrigeración.
a) Cilindros en H; b) Cilindros en estrella; c) Cilindros con doble estrella
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ELEMENTOS DEL MOTOR
PISTÓN
El pistón se considera como la parte móvil de la cámara de combustión formada por la
camisa cilindro y la culata.
Las funciones de un pistón son las siguientes:
-Transmite a la biela la fuerza motriz suministrada por la presión de los gases quemados.
-Guía el pie de la biela.
-Impide que los gases quemados de la cámara de combustión, puedan filtrarse por la
superficie lateral de acoplamiento entre pistón y camisa cilindro.
El pistón debe resistir la carga, debida a las altas presiones, las temperaturas elevadas
de la combustión, el calor que en parte se transmite a través de las paredes del cilindro,
al agua o al aire refrigerante, y el desgaste por fricción contra las paredes.
En los motores de tracción, el pistón forma una sola pieza y está compuesto por la cabeza,
que soporta directamente el empuje de los gases, y por el cuerpo, que sirve de patín
de guía para el pie de biela y soporta el empuje lateral.
La articulación entre pistón y biela es un perno o bulón que atraviesa el pistón en
correspondencia de dos orificios situados en la superficie del cuerpo.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Ranura para segmento de estanquidad.
Ranura para segmento de estanquidad.
Ranura para segmento rascador.
Buje para perno o bulón.
Cuerpo.
Placas de acero.
Ranura para segmento de sujeción.
Corte para extracción segmento.
Alojamiento bulón.
Cabeza del pistón.
Pistón parcialmente seccionado
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ELEMENTOS DEL MOTOR
El pistón está construido con aleaciones de aluminio resistentes al calor y con coeficientes
de dilatación poco elevados, de todas formas es necesario que su temperatura no supere
los 300º a 320º C, para evitar el gripase o deterioro de la superficie cilíndrica.
En algunos casos, en particular en los motores sobrealimentados (con elevadas fuerzas
mecánicas y térmicas), se refrigera la parte interna de la cabeza del pistón, con aceite
lubrificante a presión que sale de apropiados pulverizadores montados en el bloque.
Para conseguir un buen acoplamiento entre la superficie de la camisa cilindro y la del
pistón se construye el cuerpo con una cierta ovalización y conicidad que, en condiciones
normales de funcionamiento permiten, al dilatarse el pistón por la elevada temperatura,
que tenga una forma lo más cercana posible a la cilíndrica.
Línea continua: en frío.
Línea discontinua: en caliente.
Variación de diámetro del pistón en frío y en caliente
Por consiguiente, la cabeza del pistón tiene un diámetro inferior al de la camisa cilindro,
para compensar las mayores dilataciones térmicas y garantizar la estanquidad mediante
los segmentos.
El cuerpo del pistón en cambio tiene un diámetro muy preciso sobre todo para disminuir
el ruido durante el funcionamiento en frío.
Para reducir al mínimo la holgura entre pistón y camisa cilindro (holgura necesaria para
permitir la dilatación térmica) y eliminar los golpeteos, se incorporan unas placas de
acero con bajo coeficiente de dilatación. Se montan así unas piezas bimetálicas, que
permiten controlar la dilatación térmica y permiten un buen acoplamiento entre pistón
y camisa cilindro con una holgura mínima (pistón autotérmico). La superficie del cuerpo,
no es perfectamente lisa, puede estar rayado lo que facilita la lubricación y reduce la
s u p e r f i c i e d e r o z a m i e n t o, p e r m i t i e n d o u n a c o p l a m i e n t o m á s p r e c i s o.
También se están fabricando pistones con una película de grafito en la falda del pistón
que reduce el rozamiento.
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ELEMENTOS DEL MOTOR
Formas más comunes de la cabeza del pistón
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Formas más comunes de la cabeza del pistón
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ELEMENTOS DEL MOTOR
PISTONES PARA MOTORES DIESEL
Las cabezas de estos pistones varían su forma en función del tipo de inyección empleada,
pudiendo ser directa o indirecta.
Cuando es inyección directa la cámara de combustión está realizada en la propia cabeza
del pistón. Las cámaras más utilizadas son las de tipo de turbulencia Esférica y Saure.
Éstas permiten obtener una velocidad de rotación del aire aspirado (incluso comprimido)
muy elevada, de esta manera, las partículas de combustible pulverizado por el inyector,
al mezclarse íntimamente con el aire, se queman por completo.
Cámara Esférica
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Cámara Saure
Cuando la inyección utilizada es la indirecta, la cabeza del pistón dispone de unas
hendiduras diseñadas convenientemente, para recibir el chorro de gases en combustión
y favorecer la turbulencia.
Los pistones para motores diesel disponen además de placas bimetálicas para regular
las dilataciones térmicas y, el alojamiento del segmento superior está dotado de un
soporte de fundición de acero aleado muy resistente al desgaste, con una dilatación
similar a la del pistón.
Placas bimetálicas
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BULÓN
El bulón es un perno tubular de acero cementado; vincula el pistón con la biela, permitiendo
la articulación de los dos órganos en su eje.
Este elemento tiene la función de transmitir la fuerza del pistón a la biela. Debido a las
altas inercias que se generan durante el desplazamiento del conjunto, debe tener una
masa limitada. La carga que soporta, la recibe de un modo brusco, haciendo necesario
que su fabricación sea de un material con una gran resistencia al esfuerzo alternativo.
El pequeño juego de funcionamiento, así como las condiciones críticas de lubricación,
exigen una dureza y calidad superficial así como una conformación muy precisa.
El bulón puede montarse de formas distintas:
-A. Bloqueado en el pistón.
-B. Bloqueado en el pie de biela mediante fijación con tornillo.
-C. Libre de girar tanto en el pie de biela como en el pistón pero bloqueado lateralmente
con unos anillos. Está es la solución más utilizada.
-D. Por interferencia entre el pie de biela y el bulón. El montaje de estos bulones se
efectúa calentando el pie de biela (230÷250º C) y, mediante un útil, insertando el bulón
(frío) a través del orificio del pistón que, además debe atravesar el pie de biela antes
de que este se pueda enfriar.
En los casos B y D no existe casquillo de fricción, ya que no existe movimiento relativo
entre bulón y pie de biela.
A.
B.
C.
Bloqueado en el pistón
Bloqueado en el pie de biela
Libre
Distintos tipos de montaje del bulón
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SEGMENTOS
Los segmentos de expansión, llamados también segmentos o anillos elásticos, situados
en las ranuras de la superficie exterior del pistón, aíslan la cámara de combustión del
bloque motor para:
-Impedir que los gases producidos en la combustión pasen al bloque, asegurando la
estanquidad de la presión.
-Impedir que el aceite lubrificante penetre del bloque en la cámara de combustión,
manteniendo siempre en la superficie de la camisa cilindro, una pequeña cantidad de
aceite necesario para la lubricación.
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ELEMENTOS DEL MOTOR
Los segmentos, cuando no están montados en el pistón, tienen un diámetro exterior
mayor del diámetro interior de la camisa cilindro donde se montan y tienen un corte,
generalmente vertical y de algún milímetro de anchura. Este corte le da al segmento una
cierta elasticidad, que permite que su diámetro exterior aumente o disminuya.
Cuando los segmentos están montados, ejercen contra la pared del cilindro una presión
uniforme en toda su circunferencia, suficiente para asegurar la estanquidad de los gases.
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Forma de los segmentos
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ELEMENTOS DEL MOTOR
Los segmentos están construidos en fundición centrifugada o en acero (a veces en
sinterizado). Puede ser ventajoso utilizar segmentos con superficie de trabajo cromada
o recubierta con una aleación a base de molibdeno.
Los segmentos se pueden dividir en tres categorías principales:
Segmentos de compresión.
Segmento rascador.
Segmento de engrase.
A.Segmento de compresión.
B.Segmento rascador.
C.Segmento de engrase con ranuras.
D.Segmento de engrase con cortes.
E.Segmento de compresión.
F.Segmento rascador.
Segmentos
SEGMENTOS DE COMPRESIÓN
Los anillos de compresión tienen una sección rectangular y se montan en la parte superior
de la cabeza del pistón. Suelen montarse en parejas e impiden que los gases a presión
de la camisa cilindro pasen al bloque.
Generalmente están cromados o pueden llevar un revestimiento de molibdeno, para
disminuir el coeficiente de rozamiento y aumentar la resistencia a la abrasión en el
periodo inicial de funcionamiento.
SEGMENTOS RASCADORES
Tienen una sección en forma de uña o trapezoidal y su misión es impedir que el aceite
presente entre el cilindro y el pistón, pase a la parte superior de éste último, debiendo
asegurar, cuando arrastra el aceite hacia el cárter, una necesaria película de aceite para
la lubricación de los segmentos, del pistón y del cilindro.
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27. AUTOMOCIÓN
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SEGMENTOS DE ENGRASE
Los segmentos rascadores tienen una sección achaflanada en forma de C y se montan
debajo de los segmentos rascadores. Generalmente hay un segmento de engrase por
cada pistón e impide que el aceite lubrificante, presente entre la camisa cilindro y el
p i s t ó n , e n t r e p o r e n c i m a d e l p i s t ó n , d u ra n t e s u c a r r e ra d e b a j a d a .
Unos orificios en el pistón, en el alojamiento del segmento de engrase, permiten que el
lubrificante recogido por el segmento, pase al interior del pistón y vuelva al cárter motor.
BIELA
La biela es el órgano mecánico que une el pistón con la correspondiente manivela del
cigüeñal, transformando el movimiento de alterno en rotatorio.
En la biela se pueden distinguir las siguientes partes:
-Pie de biela, donde se introduce el casquillo (forro), que se vincula con el bulón del
pistón.
-Cuerpo de biela, parte central generalmente con sección en forma de H.
-Cabeza de biela, en dos mitades, una en el extremo del cuerpo y una (sombrerete de
biela) unida a la misma mediante tornillos.
1.Casquillo para bulón (forro).
2.Tornillo.
3.Sombrerete de biela.
4.Cojinetes de casco.
5.Biela.
6.Bulón.
7.Anillo elástico de sujeción.
8.Pistón.
Conjunto biela-pistón
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28. AUTOMOCIÓN
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ELEMENTOS DEL MOTOR
Sección. A-A
1.Pie de biela.
2.Cuerpo.
3.Cabeza de biela.
4.Sombrerete de biela.
Perfil y sección de una biela
El dimensionado y la forma de la biela depende de los siguientes parámetros:
Tipo de ciclo de 2 o 4 tiempos.
Sistema de engrase a presión o mezcla.
Régimen de rotación del cigüeñal.
Número y disposición de los cilindros
Montaje y desmontaje de las diferentes partes que forman el motor y sus consiguientes
uniones.
En el motor de dos tiempos, la cabeza y el pie de biela se construyen delgados.
Por el contrario, en el motor de cuatro tiempos el pie y la cabeza de biela deben ser más
resistentes ya que las fuerzas sobre ella son mayores.
El pie de biela está generalmente provisto de un casquillo (cojinete) de bronce montado
a presión; su lubricación se consigue, mediante el aceite del conjunto biela-pistón, a
través de un orificio o corte en el pie de la biela, o mediante aceite a presión del cigüeñal
a través de un tubo o un orificio en el cuerpo.
La cabeza de biela, menos en algunos casos donde el cojinete es de rodillos, por razones
de montaje está dividida en correspondencia de un plano diametral generalmente normal
al eje de la biela. Una parte (sombrerete) está sujeta mediante tornillos normales o
espárragos a la biela.
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ELEMENTOS DEL MOTOR
El cojinete de la cabeza de biela está dividido en dos mitades, una aplicada al cuerpo
de biela y otra al sombrerete; un corte, generalmente en correspondencia de la conexión
entre cuerpo y sombrerete, impide que las mitades se muevan.
Las bielas están generalmente forjadas y están construidas en acero templado y recocido
aleado.
También se utiliza el proceso de sintero-forjado en caliente.
CIGÜEÑAL
El cigüeñal es uno de los componentes más importantes del motor; mediante las bielas,
transforma el movimiento alterno de los pistones en movimiento rotatorio, que se transmite
después a las ruedas, a través de una serie de órganos vinculados al mismo.
El cigüeñal está compuesto por muñequillas de bancada, muñequillas de biela, brazos
de manivela y dos extremos conductores.
Una muñequilla de biela con los dos brazos relativos forma una manivela; entre las dos
muñequillas de bancada (P.B.) puede haber una, dos o también tres manivelas.
Cigüeñal para motor bicilíndrico
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ELEMENTOS DEL MOTOR
Cigüeñal para motor de cuatro cilindros
Cigüeñal para motor de seis cilindros
27

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ELEMENTOS DEL MOTOR
En general, la tendencia actual es la de adoptar una sola manivela cada dos muñequillas
de bancada; esto significa, en el caso de motor con cilindros en línea, que las muñequillas
de bancada son las mismas que los cilindros, más una. Las ventajas de esta solución son
la mayor rigidez flexional y una mejor repartición de las cargas de los cojinetes. Las
desventajas son un coste mayor y mayores roces pasivos.
Normalmente el cigüeñal está forjado en una sola pieza (vehículos), pero en casos
especiales está compuesto por varias piezas unidas (motores de grandes dimensiones,
motores de dos tiempos con cojinetes de biela y de bancada de rodillos y/o de bolas).
Los contrapesos se construyen con un molde de una sola pieza con los brazos de manivela
y pueden tener varias formas o pueden ser piezas separadas.
Las dimensiones del cigüeñal y las muñequillas se calculan en función de las cargas que
los cojinetes deben soportar, de la velocidad de régimen y de la rigidez necesaria para
impedir flexiones y vibraciones.
El material usado normalmente para construir los cigüeñales es el acero con carbono o,
en el caso de mayores fuerzas el acero de cromo-níquel o de cromo-molibdeno-vanadio.
Se construyen también cigüeñales con fundición nodular (constituido con varios materiales
diferentes).
Las muñequillas del cigüeñal se endurecen superficialmente con cementación o con un
templado superficial llamado temple con llama, o con nitruración.
CASQUILLOS
También denominado cojinete liso o de deslizamiento, es el elemento mecánico capaz
de soportar los gorrones de los ejes giratorios, se caracteriza por un reducido coeficiente
de rozamiento así como por estar dotado de poder auto lubricante, al poder absorber
parte del aceite para su lubricación.
Otra característica importante es que el material del cojinete debe ser más blando que
el del eje, para evitar el deterioro de éste en caso de faltar el engrase.
Normalmente el cojinete va revestido de un material de antifricción. Su función es la de
reducir los roces disminuyendo así el desgaste y evitando el gripado.
Estos cojinetes pueden ser de metal rosa o blanco y van provistos de orificios y ranuras
para la entrada del aceite a presión.
Los cojinetes de biela y bancada están divididos en dos mitades llamadas semicasquillos.
Una de estas dos partes se aplica al cuerpo de la biela y la otra al sombrerete, un corte
en correspondencia del alojamiento en la biela impide que el cojinete gire.
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A.
B.
1.
2.
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ELEMENTOS DEL MOTOR
Cojinete de bancada.
Cojinete de bancada con apoyos axiales.
Metal antifricción.
Ranuras de lubricación.
Cojinetes de bancada con casco fino
Las propiedades que deben tener los cojinetes de fricción son:
Compatibilidad entre los materiales del cojinete y la pieza en movimiento.
Aptitud para soportar las presiones y velocidades de rozamiento elevadas.
Resistir el calentamiento.
Deben permitir que las partículas transportadas por el aceite sean incorporadas
por el material de antifricción, pues si permanecieran fuera dañarían la pieza en movimiento.
COJINETES DE FRICCIÓN
La gama de cojinetes de fricción va desde los cojinetes con la separación completa de
las superficies de deslizamiento mediante una capa de lubricante (fricción fluida) a los
cojinetes autolubricantes, que cubren sobre todo el campo de la fricción semifluida (es
decir, las fuerzas portantes son absorbidas en parte por el contacto en seco de las
superficies de deslizamiento) y hasta los cojinetes de fricción en seco, que giran en la
zona de fricción en seco (es decir, sin ningún lubricante) y que, a pesar de ello, duran
bastante.
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ELEMENTOS DEL MOTOR
Los tipos de cojinetes de fricción hidrodinámicos utilizados principalmente en vehículos
son cojinetes rasantes radiales cilíndricos (a menudo con un juego de orificio elíptico),
utilizados como soporte para los árboles de manivelas o de levas, o para turbocompresores.
Los cojinetes de empuje sirven sobre todo para una guía axial en ausencia de fuerzas
elevadas.
Puede decirse que un cojinete de fricción hidrodinámico es seguro cuando presenta
suficiente fiabilidad ante los siguientes esfuerzos:
-Desgaste (suficiente separación de las partes sujetas a fricción gracias
-Esfuerzo mecánico (juego suficiente para garantizar la resistencia de los
cojinete).
-Esfuerzo térmico (mantenimiento de la refractariedad de los materiales
al mismo tiempo, de la dependencia de la viscosidad del lubricante de la
al lubricante).
materiales del
del cojinete y,
temperatura).
Como los cojinetes hidrodinámicos también se utilizan en zonas de fricción semifluida y
deben soportar un cierto grado de suciedad sin manifestar fallos en el funcionamiento
y, sobre todo en los motores de pistón están muy sometidos a esfuerzo térmico y dinámico,
el material del cojinete debe poseer una larga lista de características que a veces son
contradictorias:
-Plasticidad (reducción del contacto en las aristas mediante deformación
plástica, sin que disminuya la duración).
-Humectabilidad al lubricante.
-Incorporabilidad (absorción de partículas de suciedad en la superficie del cojinete, sin
daños debidos al desgaste de los cojinetes y el árbol).
-Resistencia al desgaste (en la fricción semifluida).
-Resistencia al gripaje (resistencia contra la soldadura con los materiales del árbol por
elevadas presiones de contacto y altas velocidades de deslizamiento).
-Propiedades para el funcionamiento de emergencia (resistencia al desgaste).
-Capacidad de ajuste (conjunto de plasticidad, resistencia al desgaste e incorporabilidad).
-Carga mecánica.
-Resistencia a la fatiga (con cargas variables, sobre todo con fuertes esfuerzos térmicos).
Si un sistema de soporte (por ejemplo el casquillo del bulón) es sometido a un gran
esfuerzo con una baja velocidad de deslizamiento, es más importante obtener valores
tan altos como sea posible de resistencia a la fatiga y al desgaste respecto a la resistencia
al gripaje. Los materiales de los cojinetes que se utilizan para este fin son bronces duros,
como bronces al estaño y al plomo.
De los cojinetes de biela y de bancada en los motores de combustión que presentan
fuertes cargas no estacionarias a altas velocidades de deslizamiento se exigen notables
prestaciones. En este sentido han dado buenos resultados los cojinetes de varias capas,
sobre todo los cojinetes formados por tres materiales.
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ELEMENTOS DEL MOTOR
Detalle
Se puede alargar la duración de los cojinetes de bancada utilizando cojinetes con ranuras,
en los cuales las delgadas ranuras orientadas en función de la superficie de rodadura se
llenan con una capa de deslizamiento blanda (capa galvánica parecida a la del cojinete
de tres materiales). También hay ranuras tipo peine formadas por los metales ligeros
más duros.
De ese modo se obtiene un bajo valor de desgaste y una alta resistencia a la fatiga, junto
a una buena incorporabilidad de las impurezas de los lubricantes.
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MATERIALES PARA COJINETES DE FRICCIÓN HIDRODINÁMICOS.
Material
Símbolo de
la aleación
Composición en
%
Dureza HB
20ºC 100ºC
Observaciones
Ejemplos de empleo
Metal
blanco al
estaño
LgPbSn 80
(WM 80)
80 Sn;
12 Sb;
6 Cu; 2 Pb
27
10
Muy maleable, buena adaptación de las superficies de
deslizamiento en las aristas, muy buenas propiedades
para el funcionamiento de emergencia.
Metal
blanco al
plomo
LgPbSn 10
(WM 10)
73 Pb;
16 Sb;
10 Sn; 1 Cu
23
9
Se necesita un cuerpo de soporte, por ejemplo hierro
fundido compuesto de acero o con la capa intermedia en
Ni sobre metal rosa.
G-CuPb 25
74 Cu;
25 Pb; 1 Sn
50
47
Muy maleable, excelentes propiedades para el
funcionamiento de emergencia, poco resistente al
desgaste.
G-CuPb 22
70 Cu;
22 Pb; 6 Sn;
3 Ni
86
79
Bronce al
plomo
G-CuPb 10
Sn 10
80 Cu;
10 Pb; 10 Sn;
G-CuPb 23
Sn
76 Cu;
23 Pb; 1 Sn;
G-CuSn 10
Zn
88 Cu;
10 Sn; 2 Zn
CuSn 8
92 Cu;
8 Sn;
Bronce
para
coladas
G-CuSn 7
ZnPb
83 Cu; 6 Pb;
7 Sn; 4 Zn
Material
Símbolo de
la aleación
Composición en
%
Latón
CuZn 31 Si
68 Cu;
31 Zn; 1 Si
Bronce-Al
CuAl 9 Mn
88 Cu;
9 Al;
3 Mn;
Aleaciones
de Al
AlSi 12 Cu
NiMn
Bronce al
plomoestaño
Bronce al
estaño
1 Cu;
85 Al; 12 Si;
1 Ni; 1 Mn
Mejores propiedades para el funcionamiento de
emergencia gracias al Pb. Menos sensible a la
sustentación angular respecto a los bronces puros al
75
67
estaño, por lo que para las altas cargas para los
mecanismos de levas se prefieren los bronces al Pb-Sn.
Cojinetes de conexión en los motores de combustión,
casquillos, bulones de los pistones. 〈 hasta 100 N/mm2.
Hierro fundido compuesto para soportes de baja carga (70
N/mm2). También para cascos de paredes gruesas.
55
53 Propiedades para el funcionamiento de emergencia
especialmente buenas. Cojinetes para árboles de levas,
árboles de manivela, bielas.
Material duro. Cascos para cojinetes rasantes cargas
85
moderadas con menor velocidad de deslizamiento.
Ruedas con tornillos.
Aleaciones para mecanizados plásticos de calidad. Útil
80 ...
con cargas elevadas y lubricación insuficiente, cojinetes
de manguetas articuladas. Especialmente adecuado para
220
cascos con paredes finas.
El estaño se sustituye parcialmente por zinc y plomo.
Alternativa al bronce al estaño, pero solo para esfuerzos
medios (40 N7mm2). Cojinetes de fricción para
75
65
construcciones mecánicas en general. Bulones de los
pistones, casquillos, cojinetes de bancada y para palancas
articuladas.
Dureza HB Observaciones
20ºC 100ºC Ejemplos de empleo
El contenido en Zn no es favorable con altas temperaturas
90 ...
de los cojinetes. Alternativa al bronce al estaño, bajos
200
esfuerzos.
Dilatación térmica comparable al metal ligero, adecuado
110 ...
para el acoplamiento estable en las carcasas de metal
ligero. Más resistente al desgaste respecto al bronce al
190
estaño, pero rozamiento más elevado.
110
Enchapado
de rodillos AlSn 6
en Al
1 Cu;
90 Al; 3 Si;
40
Capas
galvánicas
2 Cu; 88 Pb;
10 Sn
50 ...
60
PbSn 10
Cu
100
30
Aleaciones para pistones con bajas velocidades de
deslizamiento.
Licuación del estaño mediante laminación, lo que
representa mayor carga y buenas propiedades de
deslizamiento. Mejoría gracias a la capa galvánica.
En los cojinetes modernos de tres materiales se aplica
galvánicamente una capa gruesa de 10 a 30 µm, de grano
muy fino. Capa intermedia de níquel en el metal del
cojinete.
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EJES DE EQUILIBRADO
Los ejes de equilibrado o ejes contrarrotantes, se mueven gracias al cigüeñal, mediante
una correa con dientes internos y externos, a una velocidad doble con respecto a la del
cigüeñal y, para reducir al mínimo el rozamiento, se montan rodamientos de bolas. Estos
ejes tienen masas excéntricas y giran en sentido contrario uno respecto al otro, para
equilibrar las fuerzas alternas de segundo orden. Estas se generan por las masas con
movimiento alterno (pistón y anillos, bulones y pie de biela) y se notan particularmente
en los motores de 4 cilindros, en los que, a causa de la estructura del motor, no se pueden
equilibrar sólo con una oportuna disposición de las manivelas.
Ejes contrarrotantes de equilibrado
CULATA
La culata es el elemento donde se montan las válvulas, asientos de válvula, guías, bujias,
etc. y que, junto con el pistón y la camisa cilindro, delimita la cámara donde se producen
las fases del ciclo termodinámico. Todos los motores actuales de tracción poseen una
culata separada, que se monta con una junta encima del grupo cilindros mediante unos
espárragos y tuercas (o tornillos) oportunamente dispuestos para asegurar la estanquidad
entre culata y grupo cilindros e impedir deformaciones por calor o presión.
En los motores de los vehículos la culata es una sola pieza que corresponde con la de
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los cilindros. Por lo tanto los motores con cilindros en línea tienen una sola culata y los
motores en V o con cilindros opuestos, dos.
En el caso de los grandes motores para vehículos industriales, cada cilindro tiene su
propia culata (culata para cilindro).
Culata para motor refrigerado con aire
Culata para motor refrigerado con agua
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Culata para cilindro
La culata debe conseguir los siguientes objetivos:
Buen rendimiento del motor.
Poca contaminación de los gases
procedentes de la combustión.
Bajo costo de construcción.
Estos tres puntos no son siempre compatibles y frecuentemente obligan a soluciones de
compromiso. En especial la introducción de las normas de anticontaminación cada vez
más rigurosas, obligan a sacrificar el rendimiento y el valor de la potencia máxima.
En general , se estudian la forma y la inclinación de los conductos de admisión y de
escape, de forma que se cree la mayor turbulencia inducida posible en la cámara de
combustión, sin disminuir la velocidad de llenado y , por tanto, el rendimiento volumétrico.
Las dimensiones de la cámara de combustión y su forma están muy influenciadas con
la elección de la relación adecuada entre la carrera y el diámetro del pistón.
El problema de la contaminación favorece un retorno a los motores de carrera larga, con
cámaras compactas, en las cuales la combustión se desarrolla mejor. Por este motivo
se reduce el espacio disponible para las válvulas y hay que recurrir a una disposición
apropiada para un mejor aprovechamiento del espacio. Normalmente la superficie de la
válvula de escape debe ser aproximadamente del 60 al 80% de la válvula de admisión.
En el caso de los motores de elevadas prestaciones se adoptan tres, cuatro o cinco
válvulas por cilindro. La sección efectiva de paso de dos válvulas pequeñas es
considerablemente superior, para una misma elevación, que la de una sola válvula de
superficie igual a la suma de las superficies de las dos válvulas de diámetro inferior.
Como casi todo el espacio disponible en la cámara se emplea para colocar adecuadamente
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las válvulas, quedan pocas opciones para colocar convenientemente la bujía ya que debe
colocarse de forma que pueda desmontarse fácilmente para su mantenimiento.
Después de determinar los conductos y la cámara de combustión, el fabricante efectúa
la elección del tipo de distribución. La solución con árbol de levas en cabeza complica
la fundición. Las almas interiores resultan más complicadas de construir y la culata resulta
más costosa. Por ello, en este caso, la culata se descompone frecuentemente en dos
partes.
En la parte inferior se alojan las cámaras de combustión, los conductos de admisión,
escape y las válvulas, en la parte superior lleva los soportes del árbol de levas y las guías
para los empujadores o los ejes del soporte de los balancines.
Se estudia muy bien las canalizaciones para el paso del líquido de refrigeración sobre
todo para obtener un intercambio térmico eficiente y evitar la formación de puntos
calientes en la culata, con las consiguientes deformaciones y fenómenos de preencendido
de la mezcla, que puede producir la perforación de los pistones.
Un estudio análogo se efectúa para diseñar los conductos que llevan el aceite de
lubricación de las válvulas, balancines, árboles de levas, variador de fase y tensor de la
correa de distribución.
ESTRUCTURA DE LA CULATA
La culata es de fundición de hierro o de aleación de aluminio; el aluminio tiene la ventaja
de ser ligero y más fácil de refrigerar gracias a su elevado coeficiente de transmisión de
calor.
Los siguientes elementos están fundidos y trabajados mecánicamente:
-Las cámaras de combustión, que varían su forma según el tipo de motor.
-Los alojamientos para las bujías (en los motores Otto) o los alojamientos para los
inyectores (en los motores Diesel) y para las precámaras de combustión (en los Diesel
con precámara).
-Los huecos para el líquido refrigerante y los conductos para el aceite lubrificante.
-Los alojamientos para rodamientos de soporte del árbol de levas, si está en la culata,
y del eje de balancines, si existe.
-Los alojamientos para guías de válvulas.
-Los alojamientos o asientos de las válvulas.
-Los conductos de admisión y escape.
-Los orificios de los espárragos o tornillos para sujetar la culata al bloque.
Los alojamientos o asientos de las válvulas y particularmente los de las válvulas de
escape están sometidos a un fuerte desgaste, por la elevada temperatura de los gases
de escape por lo que, en las culatas de aluminio, y a menudo en las de fundición, se
construyen con materiales especiales.
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Los alojamientos o asientos de las válvulas son de fundición especial, o de acero con
superficies de estelita (aleación no terrosa de carburos de cobalto, cromo y vanadio usada
en los útiles), resistente a las temperaturas elevadas y a la corrosión, y se montan con
interferencia en la culata.
Si la culata es de aluminio, que tiene un coeficiente de dilatación al calor superior al del
acero, para mantener los alojamientos adherentes a la culata, hay que efectuar el montaje
después de una fuerte refrigeración de los mismos o después de calentar la culata.
Las guías de válvula son de fundición o de bronce y se montan con interferencia en la
culata para que su sustitución sea sencilla en caso de desgaste u ovalización.
El alojamiento de los órganos de mando de las válvulas está cerrado por una tapa, para
facilitar la verificación, reglaje o reparación de los órganos.
JUNTA DE LA CULATA
Para garantizar la estanqueidad del aceite, del líquido de refrigeración y de los gases de
la combustión, entre la culata y el bloque cilindros se monta una junta que soporta las
altas temperaturas.
La junta es una malla o una chapa fina con orificios que, suele construirse normalmente
con materiales como: el aluminio, el cobre, la chapa de acero y el amianto o el astadur.
Además de ligeramente flexible debe resistir el calor, por lo que se fabrica con unos
pequeños resaltes alrededor de los cilindros y los orificios del agua. El agua pasa de los
cilindros a la culata a través de unos orificios, realizados en las paredes del bloque
cilindros y en la culata.
Junta de la culata
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DISTRIBUCIÓN
>Consultar este apartado seleccionándolo en el menú principal<
CARACTERÍSTICAS DE LAS ACTUALES CONSTRUCCIONES
Los motores de tracción, tanto los de ciclo Otto como los Diesel, tienen muchísimas
aplicaciones en base a las cuales tenemos las siguientes características:
-Potencia.
-Elasticidad de funcionamiento.
-Consumo, peso y tamaño, coste de fabricación y mantenimiento, duración y seguridad
de funcionamiento, ausencia de vibraciones y ruido.
Los motores tienen ciertas características de construcción y funcionales, en relación a
las exigencias específicas del uso al que se destinan.
Pertenecen a la categoría de los motores de ciclo Otto la mayor parte de los motores de
los turismos, una parte de los motores para vehículos industriales ligeros y todos los
motores de las motocicletas.
Pertenecen a la categoría de los motores de ciclo Diesel los grandes motores lentos
navales y los motores para aplicaciones ferroviarias. En el campo de la tracción de coches
se utilizan estos motores en todos los vehículos industriales medios y pesados y en los
vehículos agrícolas y también en turismos.
DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS
Los motores para tracción son multi-cilíndricos y existen distintas posibilidades de
disposición de los cilindros. En el campo de los vehículos se utilizan sólo algunos de los
esquemas posibles por motivos de sencillez, accesibilidad y solidez. El esquema más
utilizando es el de los cilindros en línea; es de uso prácticamente universal para motores
de 2, 3, 4 y 5 cilindros y también se usa en los de 6 cilindros.
Para estos últimos se utilizan mucho los cilindros en V (V de 60º, 90º ó 120º); este
esquema es prácticamente el único utilizado para motores de 8 cilindros (V de 90º) y
de 12 (V de 60º).
Un caso particular de la disposición con cilindros en V es la de los motores llamados
bóxer, donde los cilindros están contrapuestos (o en V de 180º); se utiliza a veces en
motores de 2 ó 4 cilindros y, raramente, para motores de 6, 8 ó 12 cilindros.
La disposición de los cilindros de un motor se elige en base al tipo de vehículo.
Para los vehículos con motor transversal y tracción anterior la disposición con cilindros
en línea es la solución más conveniente tanto desde el punto de vista mecánico como
por su producción. Dicha disposición no es ventajosa en el caso de un motor de 6 cilindros,
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porqué obliga a adoptar un cigüeñal muy largo. La validez del esquema con cilindros en
línea nos la confirma el hecho de que muchas veces se prefiere usar 4 cilindros
(eventualmente dotado con ejes contrarrotantes de equilibrado) en lugar de 6 cilindros
en V.
De todas formas, un motor de 6 cilindros (coches con motor anterior y tracción posterior)
es la solución óptima, desde el punto de vista mecánico, para el equilibrio general del
motor.
Los cilindros contrapuestos, en los vehículos con tracción anterior, no es una buena
solución, aún teniendo en cuenta su equilibrio óptimo y su tamaño reducido en altura,
ya que deben montarse necesariamente en sentido longitudinal y los costes de fabricación
son mayores (dos culatas y el doble de trabajo en el bloque).
En las aplicaciones más especializadas (vehículos de lujo y/o deportivo) en cambio, se
da más importancia a la tradición de la Marca, o se buscan soluciones de prestigio.
En lo referente a los vehículos industriales, prima el punto de vista económico y las
soluciones adoptadas son sólo dos: cilindros en línea para motores de 3 a 6 cilindros, y
cilindros en V para motores de 8 cilindros.
MOTORES DE CICLO OTTO
Para la aplicación en vehículos se necesitan motores fiables y silenciosos, que no ocupen
mucho, ligeros y, dentro de lo posible, sin vibraciones. El arranque y el calentamiento
normal deben ser rápidos, el funcionamiento regular en todos los regímenes y en
aceleración. Las emisiones de gases contaminantes no deben superar los límites establecidos
en las leyes nacionales e internacionales.
Los motores de 2 tiempos no se utilizan en vehículo aunque tienen ciertas ventajas como
una gran sencillez de construcción y dimensiones inferiores a los motores de 4 tiempos
con igual potencia. Sus desventajas son la insuficiente regularidad de marcha con bajos
regímenes y baja carga, los elevados consumos específicos provocados por el sistema
de alimentación con carburador y las emisiones contaminantes que, por la misma razón,
son muy elevadas. Su uso en el futuro puede ser mayor gracias al desarrollo de nuevas
tecnologías.
Los actuales motores para vehículos son todos de 4 tiempos.
El bloque motor en la mayor parte de los casos es de fundición con camisas integradas,
aunque a veces están separadas; se construyen también bloques de aleación ligera con
cilindros cuya superficie interna se endurece con sistemas especiales.
La culata, en la mayor parte de los casos es de aleación de aluminio, que tiene la ventaja
de ser más ligera y de refrigerar mejor la cámara de combustión, las guías de válvulas
y los asientos válvula (separadas).
El cigüeñal, aunque esté equilibrado estáticamente, es contrapesado total o parcialmente,
para reducir las cargas en los cojinetes de bancada.
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Los cojinetes de bancada y de biela tienen cascos finos recubiertos de metal antifricción.
La distribución es con válvulas en la culata. La distribución con válvulas laterales ya no
se utiliza por la imposibilidad de conseguir las potencias que hoy en día se requieren.
El mando de las válvulas con varillas y balancines se utiliza sólo para las pequeñas
cilindradas mientras que en los motores más grandes se monta uno o dos árboles de
levas en la culata que actúan directamente en las válvulas o en los balancines. Se están
utilizando culatas de 3 ó 4 válvulas por cilindro.
Para reducir al máximo el ruido, sobre todo del sistema de distribución, se están empleando
cada vez más los empujadores hidráulicos que eliminan automáticamente la holgura
entre los órganos de la distribución y por lo tanto el ruido.
El sistema de alimentación con carburador, ya sustituido por la inyección electrónica
multipunto (multi-point-injection) en los motores de clase medio-alta, se está gradualmente
sustituyendo por la inyección simple (single-point-injection) también en vehículos medios-pequeños.
La sobrealimentación con turbocompresor accionado por los gases de escape se está
difundiendo en los vehículos con elevadas prestaciones.
Los combustibles utilizados son las gasolinas (también se utilizan combustible gaseosos,
pero su uso no es muy práctico y, por lo tanto, está menos difundido).
También se respetan las normas de anticontaminación, cada vez más estrictas, mediante
el uso del convertidor catalítico trivalente y de sistemas de inyección-encendido electrónicos
dotados de control contra-reaccionado de la relación aire-gasolina (sonda lambda).
Además, existen también dispositivos que evitan la descarga en la atmósfera de los gases
del bloque y de los vapores de gasolina del depósito.
El sistema de encendido de tipo electrónico está sustituyendo el encendido con batería
y delco.
La lubricación se fuerza con una bomba de circulación; en los motores con sobrealimentación,
el aceite suele refrigerarse.
La refrigeración es, en la mayor parte de los casos, con agua con circulación forzada.
La cilindrada varía en relación al vehículo. Para los utilitarios la cilindrada varía de 500
a 1200 cm3, para los vehículos de clase media de 1500 a 2000 cm3, para los de gama
alta de 2500 a 3500 cm3.
En cuanto al número de cilindros, motores de 2, 3 ó 4 cilindros se adoptan en vehículos
utilitarios, y motores de 4, 5 ó 6 en los vehículos medios, mientras en el caso de vehículos
de lujo o de elevadas prestaciones se utilizan motores de hasta 8 y 12 cilindros.
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MOTORES DE CICLO DIESEL
Las primeras aplicaciones de los motores Diesel (en los vehículos datan de 1920). Gracias
al continuo perfeccionamiento de la inyección y de la combustión, este tipo de motor es
hoy en día de uso universal en muchos sectores y se ha desarrollado notablemente en
el campo de la tracción de vehículos.
El impulso dado a la construcción de motores Diesel veloces en estos últimos años se
debe principalmente a dos motivos:
-Consumo específico inferior respecto a los motores Otto, sobre todo con cargas parciales.
-Precio del gasóleo menor que la gasolina.
Estas razones, que influyen en los precios del transporte automovilístico, han empujado
a los constructores a perfeccionar cada vez más los motores Diesel y a aplicarlos casi
ya totalmente en el campo de los vehículos industriales y comerciales.
La instalación en cualquier caso es más costosa que la del motor de ciclo Otto, porqué
con igual potencia el tamaño es mayor y, a causa de las vibraciones de funcionamiento,
los soportes del motor y los órganos de transmisión tienen que ser más resistentes y
pesados. Además, los costes de insonorización del habitáculo, debido al mayor ruido, son
más elevados; por último, se realiza más esfuerzo al arrancar el motor para vencer la
compresión de los cilindros.
Los motores aplicados en los vehículos derivan casi siempre de motores parecidos a los
de ciclo Otto, con los oportunos cambios; su fabricación se realiza con los sistemas más
parecidos y comunes con los usados para los motores de ciclo Otto. Esta característica
es necesaria para reducir los costes de producción a niveles aceptables, y debe tenerse
en cuenta al estudiarse el proyecto de un nuevo motor.
Las características de construcción del motor Diesel son parecidas a las ya explicadas
para los motores Otto, excepto los detalles más sofisticados, como la distribución con
dos ejes o las 4 válvulas por cilindro, en cambio la instalación de lubricación (radiador
aceite, refrigeración de la parte interna de los pistones con pulverización de aceite, etc.)
y la construcción de varios componentes es más sólida que en los motores Otto.
La inyección puede ser indirecta, cuando el combustible es inyectado en una precámara
de combustión con elevada turbulencia, o directa cuanto se produce directamente en el
cilindro.
La bomba de inyección es de tipo mono-bombeo con distribuidor, sólo a veces en línea,
con inyectores con orificio único. Suele moverse gracias a la misma correa dentada de
la distribución.
Se usan bujías de precalentamiento para aumentar la temperatura de las cámaras de
combustión para facilitar el arranque en frío.
Esto se debe a las presiones más elevadas que los varios órganos deben soportar durante
la fase de combustión; en esta fase, de hecho, la presión alcanza un valor aproximadamente
doble respecto a los motores Otto en un tiempo extremadamente corto, tanto que provoca
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las típicas vibraciones y el característico golpeteo.
Los órganos por consiguiente tienen un mayor tamaño y peso, particularmente el cigüeñal,
las bielas y los pistones.
En los motores Diesel se utiliza a menudo la sobrealimentación con turbocompresor, que
reduce el consumo específico sin producir problemas de detonación como en los motores
de ciclo Otto.
La cilindrada está entre los 1000 y los 3000 cm3, el número de cilindros de 3 a 6, en
línea; el ciclo es siempre de 4 tiempos.
Para los vehículos industriales existe toda una gama de motores con características muy
distintas según el tipo de vehículo. Generalmente, estos motores funcionan con un ciclo
de 4 tiempos, aunque se construyen también motores de 2 tiempos Diesel sobrealimentados.
Los vehículos comerciales ligeros suelen utilizar los mismos motores de los turismos,
mientras que en los vehículos medios y pesados se montan motores específicos.
La cilindrada puede variar de los 3500 cm3 de los vehículos medios-ligeros a los 17.000
cm3 de los pesados.
Ya que el número de cilindros está entre los 4 y 8, se consiguen cilindradas unitarias
mayores con respecto a los motores de ciclo Otto (o con ciclo Diesel para turismos). Esto
permite el uso de la inyección directa junto con inyectores de varios orificios, con sus
ventajas en términos de consumo específico y arranque en frío.
El combustible está compuesto por hidrocarburos con características inferiores a la
gasolina, por lo tanto su precio es menor; el más utilizado es el gasóleo.
TENDENCIAS EVOLUTIVAS FUTURAS
ANÁLISIS DE LA TENDENCIA
La tecnología en el campo del automóvil ha avanzado mucho en estos últimos años.
Durante los años '60 los esfuerzos se dirigían a incrementar las prestaciones y la fiabilidad
del motor y la tecnología se desarrolló lo suficiente como para empezar la producción
en serie.
El problema de la contaminación, con normativas cada vez más estrictas, obligó a los
constructores a buscar métodos y soluciones tecnológicas más "limpias".
Las dos graves crisis del petróleo en los años '70 modificaron de nuevo los proyectos,
dando más importancia al menor consumo, respetando la normativa anticontaminación.
La relativa estabilidad del mercado petrolífero y el creciente nivel de bienestar de los
países industrializados, fenómenos todos de los años '80, ha llevado al estudio de vehículos
con prestaciones cada vez más elevadas, no sólo en velocidad sino también en comodidad
y confort.
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OBJETIVOS FUTUROS
Los años '90 confirmaron lo que ya se estaba desarrollando: la tecnología es la encargada
de combinar las opuestas exigencias (prestaciones elevadas y comodidad de conducción,
elevada fiabilidad y múltiples funciones a controlar, bajos niveles de contaminación y
bajos consumos) con el objetivo de minimizar los costes a través de una gestión cada
ve z m á s i n t e g ra d a e n l o s p r oye c t o s , e x p e r i m e n t a c i ó n y p r o d u c c i ó n .
Esto se consigue gracias a un uso intensivo de las técnicas de CAD (Computer Aided
Design) y CAM (Computer Aided Manufacturing), es decir de las técnicas que permiten
intervenir en el campo de los proyectos y en el de la producción, más rápidamente y con
mayor versatilidad que con los tradicionales recursos, gracias a la manipulación y gestión
de enormes cantidades de información en tiempos muy cortos.
Por lo tanto podemos predecir que la evolución futura se basará en:
-Aumento de las prestaciones.
-Reducción de los consumos específicos.
-Reducción de la contaminación.
-Aumento de la comodidad durante la conducción.
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Líneas de desarrollo futuro
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AUMENTO DE LAS PRESTACIONES
El aumento de las prestaciones seguirá siendo un elemento importante en el desarrollo
futuro de los vehículos.
En vez de un incremento de la potencia máxima, se buscará un elevado par motriz con
un bajo número de revoluciones, importante para el uso práctico del vehículo.
El aumento de las prestaciones se conseguirá con la sobrealimentación y la distribución
multiválvulas, junto con colectores de admisión modulares y con sistemas de accionamiento
de la distribución con puesta en fase variable.
El perfeccionamiento posterior de los sistemas de lubricación y refrigeración y la reducción
de la fricción pasiva también será importante.
REDUCCIÓN DE LOS CONSUMOS ESPECÍFICOS
La reducción de los consumos específicos será otro de los objetivos fundamentales.
Primero se buscará un motor más ligero, en todos sus elementos, con materiales más
ligeros pero igual de resistentes, esto será la clave para conseguir un motor menos
pesado y un menor consumo.
El uso de estos nuevos materiales significará nuevos proyectos. Además todo lo dicho
para las prestaciones, influye de forma positiva también en los consumos específicos.
REDUCCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN
Desde el punto de vista de la reducción de las emisiones contaminantes el sistema actual
contra-reaccionado con silencioso catalítico de tres vías es el que se está utilizando.
Probablemente se desarrollarán motores con carga estratificada con una mezcla airecarburante más pobre, pero con una mezcla más rica cerca de la bujía, para favorecer
el inicio de la combustión; se denominan motores de mezcla pobre (lean burn).
Para los motores Diesel será indispensable resolver la emisión de humo negro, problema
ya hoy en día muy serio.
AUMENTO DE LA COMODIDAD DE CONDUCCIÓN
La comodidad y facilidad de uso es el último de los requisitos fundamentales; podemos
afirmar que es más importante, en un cierto sentido, que los otros objetivos, ya que es
lo que determina la relación entre el motor y el usuario.
Un buen motor debe funcionar bien tanto en frío como en caliente, mantener el mínimo
con regularidad y responder rápidamente a las aceleraciones, sin tirones ni fallos en cada
condición de uso. Además el ruido debe ser mínimo y sobre todo no tiene que ser desagradable y el aspecto exterior es también importante desde el punto de vista estético.
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BÚSQUEDA Y DESARROLLO
Alcanzar y unir estos objetivos pasa a través de numerosos puntos claves.
La búsqueda y el desarrollo de nuevos motores necesitan de un análisis profundo de las
tendencias energéticas, tecnológicas y de mercado en un plazo medio-largo. Generalmente
será necesario profundizar en algunos fenómenos como:
-La formación de la mezcla aire-combustible.
-Las reacciones de combustión con emisiones contaminantes.
-Las vibraciones.
-El comportamiento fluido-dinámico de los gases.
-La cesión de calor a las paredes del cilindro.
-La fricción.
Entre los puntos claves, algunos son más importantes: el uso de la electrónica, de nuevos
materiales y la búsqueda de combustibles alternativos.
LA ELECTRÓNICA APLICADA
Las primeras aplicaciones de la electrónica en los motores de tracción datan de los años
'70 en el sistema de alimentación.
Desde entonces, la electrónica se ha impuesto rápidamente en numerosos campos: los
sistemas de encendido y de inyección y el sistema de control de las emisiones contaminantes.
En el futuro se asistirá a una difusión de la electrónica también en los motores de pequeña
cilindrada. Los sistemas se transformarán en centros de gestión del motor: el control
electrónico llegará hasta la puesta en fase del motor (fases variables), al sistema de
admisión (colectores modulares), a la gestión completa de la sobrealimentación (uso de
diferentes tarados del dispositivo de over-boost para aumentar temporalmente la presión
de alimentación del motor), al control de la inyección en los motores Diesel (bomba
inyección con accionamiento electrónico), al control de la aceleración gracias a la adopción
de un cuerpo mariposa con motor eléctrico de regulación, eliminando el clásico cable con
vaina bowden (sistemas Drive-By-Wire).
Se desarrollarán también sistemas que se integren con los actuales (suspensiones con
control electrónico, gestión de la tracción a las cuatro ruedas y del giro completo, sistema
anti-bloqueo de los frenos y anti-deslizamiento en aceleración, etc.), se utilizarán sensores
comunes para controlar funciones distintas.
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1.Unidad central de control.
2.Potenciómetro acelerador.
3.Pedal acelerador.
4.Potenciómetro mariposa.
5.Motor accionamiento mariposa.
6.Inyector.
7.Bujía de encendido.
Control electrónico del motor
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LOS NUEVOS MATERIALES
Los nuevos materiales, actualmente en estudio, tendrán una gran importancia en la
evolución futura del motor. La introducción de nuevos materiales será posible gracias al
estudio de nuevas piezas y elementos; este proceso también afectará a los elementos
construidos con materiales tradicionales, se intentará conseguir una resistencia superior
con pesos inferiores.
Los materiales más difundidos son los materiales cerámicos, las aleaciones de titanio,
aluminio y magnesio, los materiales plásticos en general y las combinaciones de distintos
materiales, sector en fuerte expansión.
A continuación describimos algunos ejemplos aplicativos.
1.Colector de admisión de material plástico.
2.Empujadores de taza de aluminio.
3.Muelles válvulas de titanio.
1.Espesores de reglaje de cerámica.
2.Válvula de escape de cerámica.
3.Válvulas de admisión de titanio.
4.Revestimiento cabeza pistón cerámico.
5.Bielas de material compuesto.
Ejemplos de aplicación de los nuevos materiales en un motor tradicional
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Materiales cerámicos: un ejemplo de aplicación son las válvulas, tanto de admisión
como de escape. El peso se reduce en un 50%, además disminuye la fricción pasiva de
las guías de válvula. Gracias a la óptima resistencia al desgaste de los materiales cerámicos, éstos se utilizan para las pastillas de reglaje de la holgura de las válvulas. Por
su bajo coeficiente de transmisión de calor se emplea en la parte superior de los pistones,
o en las precámaras de combustión en los motores Diesel.
Aleaciones de titanio: estas aleaciones se utilizan en los muelles de válvulas, que
reducen de esta forma su peso en un 20% aprox. También se emplean en las válvulas
de admisión y en las bielas.
Aleaciones de aluminio: estas aleaciones, ya muy utilizadas, pueden emplearse para
fabricar empujadores de taza, con una reducción de su peso de un 40% aprox. y un
menor ruido.
Aleaciones de magnesio: una aplicación típica es el rotor del compresor, en los grupos
de sobrealimentación. Se reduce el peso, respecto a la aleación de aluminio actualmente
utilizada, en un 40%.
Materiales plásticos: estos materiales se emplean a menudo en el habitáculo del coche
pero no así en el motor, por evidentes razones de temperatura y resistencia mecánica.
De todos modos, una de las aplicaciones más importante es la del colector de admisión,
eventualmente con refuerzos metálicos en los puntos de mayor esfuerzo. Además de
reducir el peso, se reducen también los ruidos de la instalación de admisión.
Otra aplicación de los materiales plásticos es la tapa de los empujadores.
Combinación de materiales: se prevé su utilización en las bielas, con una reducción
de peso del 30% aproximadamente.
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