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Technical Documents - Documentos Técnicos: Mecánica: Motores Diesel y de Gasolina - Sistemas de Motor

Las limitaciones que tienen que afrontar los diseñadores para el diseño y desarrollo del motor de un vehículo de calle son muchas. Debe estar pensado para rodar centenares de miles de kilómetros, en invierno y en verano, en aire limpio o cargado de polvo, deberá poder funcionar a paso de hombre en el tránsito congestionado, a máximo par en una subida abrupta o a plena potencia en una ruta, deberá se fabricado en serie a bajo costo, con restricciones en la emisión de contaminantes y en el consumo etc. etc, son tremendas.

Clasificar todos los elementos que constituyen los motores de combustión interna no es una tarea sencilla. Una manera de encarar este tema es subdividir los componentes del motor en sistemas, agrupando dentro de ese sistema todos los elementos que tienen una función principal común con otros, y en algunos casos generando sub sistemas.

Organizaremos los sistemas de un motor

-Sistema de motor básico: Comprende todos los elementos que se ocupan de la transformación de la presión interna del gas en los cilindros en trabajo útil.

-Sistema de Inducción: Incluye las partes que intervienen en la formación de mezcla combustible y su combustión, y en la circulación de gases de admisión y de escape.

-Sistema de enfriamiento:Agrupa las partes intervinientes en la eliminación de calor no utilizado por el motor.

-Sistema de lubricación:Como su nombre lo indica hace a los componentes que regulan el suministro, la circulación y el acondicionamiento del lubricante.

-Sistema de control de emisiones:Contiene los componentes que se ocupan del control de emisión de contaminantes al exterior del motor.

-Sistema de accesorios y elementos auxiliares: Corresponde a los elementos que sin ser primordiales para el funcionamiento del motor hacen a su seguridad en operación o consumen potencia del mismo para otras aplicaciones en el vehículo.  

Elementos que configuran los sistemas y sub sistemas

� Sistema de motor básico:
- Block de cilindros.
- .
- Bielas.
- Pistones.
- Pernos de pistón y seguros de perno.
- Aros de pistón.

� Sistema de Inducción:

� Sub sistema de filtrado de aire y sintonía de admisión.
- Incluye el filtro de aire y las canalizaciones desde este hasta el colector de admisión tanto en los motores carburados como en lo de inyección y Diesel.

� Sub sistema de conducción de gases de admisión.
- (si corresponde).
-Colector o múltiple de admisión.
-Conductos de admisión de la cabeza de cilindros.
- (si corresponde)
-Bomba de barrido ( motor 2T Diesel )

� Sub sistema de conducción de gases de escape.
-Conducto de escape de la cabeza de cilindros.
-Colector de escape.
-Tubería de escape.
-Resonadores.
-Silenciadores.
- .

� Sub sistema de distribución.
-Engranajes de mando. Fijos o variables.
-Correa o cadena de distribución.
-Tensores de correa o cadena de distribución.
-Ejes o árboles de levas.
-Varillas y balancines, si corresponde.
-Botadores mecánicos o hidráulicos, si corresponde.
-Apoyos mecánicos o hidráulicos, si corresponde.
-Seguidores, si corresponde
-Resortes, platillos y seguros.
-Válvulas de admisión y escape.
-Guías de válvulas.
- , si corresponde.
- Inyección monopunto, si corresponde, incluyendo control mecánico, electrónico y sensores de información.
- Inyección multipunto, si corresponde, incluyendo control mecánico, electrónico y sensores de información.
- Inyección directa para motores ECHI (Encendido por Chispa), si corresponde.
- Inyección directa para motores ECOM (Encendido por Compresión), si corresponde.

� Sub sistema de encendido
- Encendido con distribuidor, con disparo y avance mecánico, si corresponde.
- Encendido con distribuidor, con disparo electrónico y avance mecánico s/c.
- Encendido con distribuidor, con disparo y avance electrónico.
- Encendido sin distribuidor, con avance electrónico y disparo por captor magnético, si corresponde.
- Encendido con distribuidor controlado por el sistema de inyección.
- Encendido sin distribuidor controlado por el sistema de inyección.
- Encendido individual controlado por el sistema de inyección.
- Sistemas de arranque en frío para motores diesel.

� Sub sistema de alimentación de combustible.
- Depósitos de combustible.
- Bombas de combustible.
- Filtros de combustible.
- Canalizaciones y tuberías.
- Protecciones térmicas.
- Trampas de vapor para altas temperatura
- Retorno de combustible.
- Elementos indicadores de nivel.

� Sub sistema de Cámaras de combustión.
- Cámaras en la cabeza de cilindros y precámaras.
- Cámaras en la cabeza del pistón.

� Sistema de enfriamiento:
- Fluido refrigerante.
- Conducciones y cámaras de fluido refrigerante.
- Disipadores de calor.
- Bomba de refrigerante.
- Depósitos de refrigerante.
- Forzadores de aire.
- Reguladores de temperatura y/o de flujo.
- Elementos de purgado.
- Elementos de medición.
- Juntas para sellado.
- Intercambiador de calor agua / aceite.

� Sistema de lubricación:
- Lubricante.
- Depósito de lubricante interno (cárter húmedo).
- Depósito de lubricante externo ( cárter seco).
- Separador de aire (cárter seco)
- Tuberías, canalizaciones y conductos.
- Cojinetes de biela, bancada y eje de levas.
- Bomba de presurización interna ( cárter húmedo).
- Bomba de presurización externa ( cárter seco).
- Bombas recuperadoras externas ( cárter seco).
- Colector inferior de aceite (cárter seco).
- Chupador de aceite (cárter húmedo)
- Filtros de lubricante.
- Limitadores de presión de lubricante.
- de aceite.
- Forzadores del radiador.
- Indicadores de presión de lubricante y temperatura de salida.

� Sistemas para control de emisiones
- Convertidor catalítico.
- Cebador eléctrico (carburador)
- Válvula interruptora de vacío (carburador)
- Válvula de retardo de encendido (carburador)
- Control de retención de chispa al arranque en frío.
- Sistema de ventilación positiva ( PCV ).
- Modulador de aire para tiempo frío.
- Sistema de inyección de aire.( Thermactor )
- Control de recirculación de gases de escape (EGR ).
- Sensor de oxígeno remanente.
- Sensor de temperatura de agua.
- Sensor de presión barométrica.
- Sensor de temperatura de aire.
- Sensor de temperatura de combustible.
- Módulo de control.

� Sistemas de accesorios y elementos auxiliares.
- Generador eléctrico.
- Ventilador (con acoplamiento variable, fijo, o accionado eléctricamente).
- Bomba de dirección hidráulica.
- Compresor de aire acondicionado.
- Compresor de aire.
- Depresor (motores diesel).
- .

EL PAR Y LA POTENCIA EN MOTORES DE PISTÓN

En todo motor de pistones es fundamental lograr el mejor sellado posible de los gases intervinientes en las fases de compresión y de expansión. Merecen especial atención el rectificado de los cilindros, tanto en su forma como en su rugosidad, los pistones, los aros, y el sellado de las válvulas.

Recordemos que por definición cuando hablamos de potencia estamos introduciendo el concepto de tiempo. La potencia se mide contabilizando cuanto trabajo se ha efectuado en un determinado tiempo. Si en ese mismo tiempo yo pongo en juego mayor cantidad de trabajo estaré generando mas potencia. Así podemos explicar como aumenta la potencia de un motor de pistones cuando aumentan las RPM. En la medida que aumentan las RPM tendremos mas carreras útiles por unidad de tiempo, o lo que es igual mas potencia.

Aceptamos que en cada ciclo de nuestro motor de cuatro tiempos, es decir, cada dos vueltas del , nuestro motor entrega una determinada cantidad de trabajo o de torque. Si aceptamos el concepto de potencia, podríamos decir que al cabo de por ejemplo mil vueltas habrá pasado un cierto tiempo, y se habrá generado un determinado valor de potencia. Pero si yo en el mismo intervalo de tiempo hago girar el motor al doble de velocidad y acepto que en cada ciclo genero el mismo trabajo que antes, habré puesto en juego el doble de trabajo en el mismo tiempo, y en consecuencia habré generado el doble de potencia. Dicho en otras palabras habré mantenido el par torsor, pero habré duplicado el valor de potencia.

Podemos decir entonces sobre la base de lo anterior que los motores alternativos de pistón y combustión interna aumentarán su potencia en la medida que aumenten su velocidad, es decir, las revoluciones por minuto. En los motores de alta performance, principalmente cuando existen limitaciones en la cilindrada, y no se recurre a sobrealimentadores, es necesario incrementar la velocidad de giro para elevar la potencia generada.

El concepto de que a mayor número de RPM, mayor potencia, tiene limitaciones prácticas, que vendrán dadas por la resistencia mecánica de sus componentes a cargas alternativas, y por el gasto interno de fricción. No olvidemos que se trata de un complejo conjunto mecánico de componentes que interactuan entre si, consumiendo trabajo por la fricción entre las partes. Ese consumo de energía aumenta con las RPM, con lo cual también aumenta la potencia consumida internamente por el motor.

La diferencia entre la potencia que se genera internamente dentro del cilindro (llamada potencia indicada), y la potencia consumida internamente para vencer el rozamiento y para bombear tanto los gases de admisión como los de escape (llamada potencia de fricción) es la potencia que real-mente entrega el motor para ser utilizada (llamada potencia neta).

Definimos entonces como:

  • Potencia indicada (PI): Potencia generada internamente en los cilindros, a un determinado número de RPM, sin considerar ningún tipo de pérdidas mecánicas .
  • Par Torsor indicado (MTI): El trabajo realizado internamente en los cilindros despreciando también las pérdidas mecánicas, mide la energía realmente disponible dentro de los cilindros.
  • Potencia de fricción (PF): Potencia consumida internamente por el motor, a un determinado número de RPM, para mover las piezas entre sí, y para movilizar los gases de admisión y de escape.
  • Par Torsor de fricción (MTF): mide el trabajo o la energía que se debe consumir para mover los componentes internos del motor (puede incluír también componentes externos como ser un alternador), y para movilizar los gases de admisión y de escape. Es trabajo perdido que debe ser tomado del Par Torsor indicado.
  • Potencia Neta (PN): Es la que a un determinado número de RPM el motor entrega como disponible en su eje de salida. Es la potencia efectiva entregada por el motor. Es la diferencia entre la potencia generada internamente por la máquina y la consumida por si misma.
  • Par Torsor Neto (MTN): Mide el trabajo útil o la energía disponible en el eje de salida del motor.

Se cumple que:

PI -PF = PN

MTI - MTF = MTN

Conclusión:
Es de suma importancia reducir tanto como sea posible las pérdidas internas del motor, ya que estas consumen potencia que de otra manera estaríamos en condiciones de utilizar

MOTORES DIESEL Y DE GASOLINA
LA IMPORTANCIA DEL CRECIMIENTO DE LA PRESIÓN DENTRO DEL CILINDRO

La zona en la cual la presión dentro del cilindro alcanza sus valores máximos es muy estrecha, y de su ubicación relacionada con la posición del cigüeñal dependerá el mejor aprovechamiento de la energía liberada dentro del cilindro.

Si recordamos que por definición presión significa fuerza por unidad de superficie, la presión aplicada sobre la superficie superior del pistón se traducirá en una fuerza, que a su vez será transmitida por ella al por medio de un par que será quien en definitiva impulse al vehículo. Obviamente la efectividad con que será transmitida esa fuerza, o dicho en otros términos el valor del par generado sobre el eje del motor, dependerá de la posición de la fuerza con respecto al eje, o lo que es igual de la posición de la biela o del muñón del cigüeñal al cual está vinculada.

Un ejemplo de ello nos lo da una bicicleta. Nosotros instintivamente cuando pedaleamos, aplicamos la mayor presión sobre el pedal un poco después que este pasó su punto muerto superior.

De esta manera nos aseguramos aprovechar correctamente nuestro esfuerzo. A nadie se le ocurriría iniciar la pedaleada cuando el pedal esta totalmente arriba, ni tampoco aplicar ese esfuerzo cuando el pedal está a por alcanzar el punto inferior.

Con el motor sucede exactamente igual, dado que la presión crece en el interior del cilindro a medida que progresa la combustión, la mezcla debe ser encendida de manera tal que la mayor presión encuentre el sistema de pistón, biela y cigüeñal en la posición mas favorable para transferir el trabajo.

Esto ocurre aproximadamente, al igual que en el ejemplo del pedal, a partir de unos 25º a 30º del PMS.

Sintetizando: el avance de encendido es necesario debido a que la mezcla se quema con una velocidad comparable a la del movimiento del pistón, y por lo tanto para lograr que la presión de los gases se eleve de manera tal que pueda ser usada convenientemente, no queda otra alternativa que adelantar el encendido respecto del PMS.

Reiteramos entonces el concepto y que quede claro: en los motores de encendido por chispa, a medida que se aumentan las RPM del motor, y consecuentemente aumenta la velocidad del pistón, debe avanzarse el encendido. Cuando se trabaja con mezclas pobres ( con el acelerador parcialmente abierto), y debido a que estas se queman mas lentamente también es necesario avanzar el encendido.

Cuanto mas rápida sea la combustión mayor será el aprovechamiento del combustible en trabajo y en potencia. En la práctica las dos maneras de acelerar la combustión, manteniendo el tipo de combustible, son aumentar la velocidad de propagación de la llama y reducir en lo posible el recorrido de la misma.

El aumento en la velocidad de la llama se logra optimizando la mezcla, mediante el aumento de la turbulencia de la misma, y mediante la reducción del recorrido del frente de llama, que se obtiene optimizando la forma de la cámara de combustión y la posición de la bujía.

EL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN

Elevar la velocidad de giro, y mejorar las condiciones de ingreso de mezcla presenta serias dificultades. La combustión dentro de los cilindros, y el movimiento de los gases tanto de admisión como de escape, tienen complicaciones inevitables que penalizan el rendimiento de los motores. La combustión no es instantánea, para los motores de encendido por chispa tiene una velocidad real y relativamente lenta del orden de los 20 a 40 m/seg. Esta velocidad de combustión condicionará en gran parte el avance del encendido, y en motores de alta cilindrada el diámetro de los cilindros y las RPM de máxima potencia.

El aire o la mezcla no ingresa instantáneamente a través de los conductos de admisión sin restricción alguna, ni los gases de escape salen completamente con toda facilidad, ni las válvulas que comandan el sistema abren y cierran a velocidades infinitas, ni todo el calor que se genera se aprovecha. La evolución de un motor consiste en buena medida en optimizar estas variables.

Es por ello que las fases de ingreso y salida de gases no duran 180º, ni se inician y terminan exactamente entre los puntos muertos superior e inferior. Tampoco el salto de chispa o el inicio de la inyección se producen en el punto muerto superior. Se hacen necesarios avances y retrasos en las fases del motor, y el encendido o la inyección conocidos como:

AAA : Avance de Apertura de Admisión.

La válvula que permite el ingreso de aire o de mezcla, llamada válvula de admisión, comienza a abrir antes de que el pistón alcance el Punto Muerto Superior (PMS). Lo hace en el final del ciclo de escape.

RCA : Retardo del Cierre de Admisión.

La válvula de admisión cierra después de pasado el Punto Muerto Inferior (PMI). Lo hace en el inicio del ciclo de compresión.

AAE : Avance de Apertura de Escape.

La válvula de que permite la salida de los gases quemados, o válvula de escape, comienza abrir antes de que el pistón alcance el PMI, durante la carrera de expansión.

RCE: Retardo del Cierre de Escape.

La válvula de escape cierra pasado el punto muerto superior. Ya se ha iniciado la carrera de admisión.

El siguiente diagrama indicas las fases mencionadas.

OV: Overlap o Cruce.

Como vemos, en la misma vuelta del cigüeñal, el AAA queda antes del PMS, e inmediatamente después del PMS sobreviene el RCE, consecuentemente durante un pequeño intervalo de tiempo quedan abiertas ambas válvulas en forma simultánea. Este momento en que ambas están abiertas, medido en ángulo de giro del cigüeñal, se denomina comúnmente el "ángulo de cruce" u overlap. Este ángulo es que el que tanto preocupa a los aficionados "tuercas", convencidos de que por el simple hecho de aumentarlo lograrán que su motor funcione mejor. Ello es un error muy común. En los motores de alta performance este ángulo efectivamente aumenta, pero como consecuencia de perfiles de le-vas de mayor permanencia, y no porque ese ángulo de por si produzca un efecto.

ADE: Avance de Encendido.

El anticipo con respecto al PMS con que se produce el salto de chispa para que se inicie la combustión, determina el avance de encendido. El encendido se produce sobre el final de la fase de compresión.

El avance de encendido es necesario debido a que la velocidad con que se quema la mezcla es comparable con la velocidad del pistón. En consecuencia dada esa lentitud relativa para quemarse, si no se anticipa suficientemente el encendido la combustión de la mezcla no se completará correctamente durante la carrera de expansión.

Al no producirse la combustión en el momento adecuado, la presión dentro del cilindro crece de manera tal que no alcanza a transferir al pistón el trabajo correctamente. Este efecto se hace notar mas cuanto mayor sea la velocidad de giro del motor, dado que la velocidad del pistón aumenta con las RPM mientras la de combustión varía muy poco. Influyen también las dimensiones físicas del cilindro, principalmente su diámetro.

A mayor diámetro de cilindro, mayor distancia deberá recorrer el frente de llama para completar la combustión, lo cual requerirá también un mayor avance para lograr el crecimiento de presión deseado.

Resumiendo: a mayores diámetros, e igualdad de condiciones restantes, corresponden mayores avances y viceversa.

La bujía centrada es la que produce mejores resultados debido a que el camino que debe recorrer el frente de llama es el mas corto, reduciéndose en consecuencia el tiempo de combustión y logrando valores mas altos de presión. La posición de la bujía y los diferentes recorridos que deberá efectuar el frente de llama se ven reflejados también en los valores de avance de encendido. La bujía ubicada sobre la periferia del cilindro es la que genera el frente de llama que deberá recorrer la mayor distancia, consecuentemente a mayor distancia a recorrer mayor tiempo requerido.

Si la mezcla tarda mas tiempo en combustionarse será necesario adelantar el encendido. Tal como es lógico suponer, una posición intermedia reduce ese efecto, y la posición centrada obtiene los menores valores de avance.

Otro factor que debe ser considerado al analizar la velocidad de combustión lo configura el movimiento que tiene la masa de mezcla en el momento de la ignición.

Introduciremos aquí el concepto de "swirl" o movimiento de la mezcla. La idea consiste en introducir la masa de aire y combustible de manera tal que lo haga en forma de torbellino, de remolino, de manera tal que aún después de cerrada la válvula de admisión y al momento de encenderse la mezcla continúe intensamente el movimiento de rotación de la misma. Al momento de producirse la ignición el fenómeno es parecido al de encender pasto seco con viento o sin el. El resultado es una combustión mas rápida y eficiente, resultando en presiones mas altas y una mayor potencia de salida.

El movimiento de rotación de la mezcla debe ser inducido en el conducto de admisión. La energía necesaria para inducir el giro de la mezcla debe ser tomada de alguna parte, y para ello se aprovecha parte de la energía cinética propia de la columna de gases en la admisión. Ello se traduce en definitiva en una perdida en la cantidad de mezcla ingresada al cilindro.

El dibujo siguiente ilustra como ingresa la mezcla en el cilindro con un movimiento de giro inducido.

Los conductos diseñados para este efecto deben estar acompañados de un diseño integral de toda la admisión para lograr un flujo lo mas laminar posible y minimizar las pérdidas. En general en los motores de alta performance se trata de inducir todo el swirl que sea posible sin comprometer la cantidad de mezcla ingresada al cilindro.

El dibujo siguiente muestra el rediseño de una cámara de combustión y del conducto de admisión. La sección mínima del conducto y su desplazamiento lateral, han sido exageradas para mostrar el efecto.

Se observa el rediseño de la cámara tratando de reducir el recorrido del frente de llama, de lograr una mayor proyección de la bujía, que mantiene su posición original y de facilitar el ingreso de la mezcla mejorando la descarga del conducto.

 

 

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