Las partes de un motor a explosión
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Las partes de un motor a explosión
por fRanco cHivo Mar 31 Jul 2012 - 17:42
Los motores Otto y los diesel tienen los mismos elementos principales. La cámara de combustión es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo y dentro del cual se desliza un pistón muy ajustado al interior. La posición hacia dentro y hacia fuera del pistón modifica el volumen que existe entre la cara interior del pistón y las paredes de la cámara. La cara exterior del pistón está unida por un eje al cigüeñal, que convierte en movimiento rotatorio el movimiento lineal del pistón. En los motores de varios cilindros el cigüeñal tiene una posición de partida, llamada espiga de cigüeñal y conectada a cada eje, con lo que la energía producida por cada cilindro se aplica al cigüeñal en un punto determinado de la rotación. Los cigüeñales cuentan con pesados volantes y contrapesos cuya inercia reduce la irregularidad del movimiento del eje. Un motor puede tener de uno a 28 cilindros.
El motor más común está constituido por dos partes fundamentales atornilladas entre sí: La superior es la culata y la inferior el bloque, dónde se alojan los elementos que forman el conjunto del cigüeñal usualmente de hierro fundido, aunque actualmente se investiga el uso de nuevos materiales.
Culata y Válvulas
La tapa de cilindros forma la parte superior de la cámara de explosión. Como es de sumo interés en que el grado de compresión sea lo más elevado posible, en rendimiento del motor, y esto aumenta la temperatura de explosión, ya por sí elevadísima, se utilizan bastante las tapas de cilindro de aleación especial de aluminio, que disipan el calor más rápido que las de fundición y lo reparten con más uniformidad por toda la masa metálica.
Los balancines, accionados por el árbol de levas o por los empujadores, abren las válvulas hacia abajo. La válvula vuelve a su asiento por la acción de un muelle. Este muelle se sujeta con un retén cazoleta y chaveta partida
Las válvulas de admisión suelen ser más grandes que las de escape debido a ser más lentos los flujos de admisión. Cuando el motor funciona el calor excedente se elimina por medio de su asiento, y a través de la guía en que se aloja su cola.
Cilindro y Bloque de cilindros
Los motores de un cilindro solo se construyen para pequeñas potencias. Además, y particularmente en los cuatro tiempos, el par motor es muy irregular y requiere un volante de inercia pesado como reserva de energía. En cambio, el motor de varios cilindros es mas potente, y como una adecuada disposición se consigue un par motor más regular y un volante menos voluminoso, en cual en algunos casos, se lo puede suprimir. Para estos motores se han ideado diversas disposiciones para los cilindros, siendo los más usuales las siguientes
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* En línea
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* En doble línea
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* En v o w
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* Opuestos
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* En estrella
Los cilindros pueden estar aislados uno de otro, pero lo que más común es que constituyan una unidad denominada bloque de cilindros, particularmente cuando están dispuestos en estrellas.
Los cilindros aislados se emplean en los motores refrigerados por aire en los cuales las aletas los obliga a estar separados.
El bloque de cilindros tiene las siguientes ventajas:
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* Menor longitud y mayor rigidez del motor.
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* Simplificación de la refrigeración.
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* Y menor costo y mejor aspecto externo.
El "bloque de cilindros" se denomina integral cuando comprende los asientos de las guías de las válvulas, los pasos para el agua de refrigeración y parte de los conductos de aspiración y de escape; generalmente son de fundición.
Para disminuir el peso del motor el bloque de cilindros se lo puede construir con aleación de aluminio y camisas de fundición, las cuales también se las emplea cuando se desea tener la posibilidad de reemplazarlas. A su vez, los cilindros pueden tener:
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* Camisas secas: cuando la superficie externa de las mismas está en contacto con el "bloque de cilindros"
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* Camisas húmedas: cuando la superficie externa está directamente bañada por el agua.
Para la cámara de combustión de los cilindros, se han ideado diversas formas.
En la actualidad todos los motores tienen culatas independientes, sea en un bloque único como en los motores chicos, o en varios grupos de bloque como en el caso de grandes motores.
La unión de la culata con el bloque de cilindros se hace mediante pernos y la estanqueidad se asegura mediante una lámina de cobre o de acero con una capa de amianto.
El bloque es la parte principal del motor y suele estar fundido en una sola pieza.
A través de espárragos el bloque sujeta a la culata en su parte superior, sellando la unión por medio de la junta de la culata.
Motores de dos cilindros:
El motor de dos cilindros, funcionando en el ciclo de cuatro tiempos, muy utilizado en motocicletas, ha conseguido la marcha suave y flexible sin sacudidas a causa de las espaciadas explosiones y sin necesidad de un volante excesivo.
Los cilindros están dispuestos uno al lado del otro (en línea), los dos codos del cigüeñal están juntos, cuando uno desciende en explosión el otro lo hará en admisión, por ello hay una explosión por cada vuelta de cigüeñal, separados entre sí por intervalos iguales. El movimiento simultáneo e igual de émbolos y bielas, se equilibra mediante los contrapesos, que pueden formar uno solo en el centro, donde está el volante. Este puede tener su peso repartido en forma que equilibre al de bielas y pistones ayudando a actuar como contrapeso.
También se desarrollaron motores de dos cilindros uno frente al otro y se los llama "horizontales opuestos".
Motores en línea y en v
Los motores que tienen sus cilindros alineados en un solo bloque se denominan motores en línea. Cuando la cantidad de cilindros supera los seis da como resultado un motor exageradamente largo, con graves inconvenientes de construcción y colocación, pues ocuparía mucho espacio y los largos cigüeñales deberían ser muy robustos para soportar las vibraciones a la torsión.
Para evitar tales inconvenientes en motores de ocho cilindros o más, se fabrican en dos bloques, uno al lado del otro, formando ángulo y usando un solo cigüeñal común a los dos bloques. A este tipo de motores se los denomina motores en V (actualmente algunas marcas están imponiendo los motores de 6 cilindros en V).
Los conductos por donde circula el agua para refrigeración, forman parte integrante del bloque motor que se comunican con la culata a través de unas aberturas en la parte superior del bloque.
La disposición puede ser en línea (longitudinal), en V (en dos líneas formando ángulo entre sí), la más usual es de cuatro a seis cilindros en línea o de seis a ocho cilindros en V.
Cuanto mayor sea el número de cilindros, más suave será el funcionamiento del motor.
Cárter
Piezas de acero estampado que sirven de protección al motor para evitar el contacto con polvo exterior y el ingreso de agua. Hay por lo menos tres en cada motor:
Cárter superior: Sirve de apoyo a los cilindros y encierra los demás órganos del motor, a los que protege del polvo y del agua, tiene tres o cuatro apéndices solidarios a su cuerpo y que sirven para sujetar el motor a la cama que lo sujeta al casco. Lleva los cojinetes de apoyo al cigüeñal, que queda colgado del mismo. Generalmente forma una sola pieza con el bloque.
Cárter inferior: Sirve de depósito para el aceite de lubricación y un tapón para el vaciado del mismo. Está unido al block por medio de bulones y una junta entre ambos que le asegura hermeticidad.
Cárter de mando: En la parte delantera del motor y unido al cárter principal para proteger los engranajes de la distribución y de los órganos auxiliares.
Émbolo o Pistón y biela
El émbolo o pistón viene a ser la cara móvil de la cámara de expansión y desempeña la función de transmitir a la biela la fuerza generada por la expansión de los gases de combustión. Se encuentra sometido a altas temperaturas y debe ser capaz de transmitir el calor de los mismos a las paredes del cilindro desde las cuales, a su vez, el calor pasa al agua o al aire de refrigeración.
Además, la pared cilíndrica o faldilla debe resistir el desgaste debido al roce contra las paredes del cilindro y asegurar el estacionamiento de los gases para que estos no escapen a través del hueco entre el cilindro y el émbolo.
Esto último se consigue con la introducción de aros metálicos, los cuales pueden ser:
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* De compresión.
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* Rascadores de aceite (limpieza)
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* Recogedores de aceite.
Los aros deben ser elásticos como para poder colocarlos en las ranuras del émbolo y mantener la presión sobre el cilindro; y no ser tan duros que rasquen indebidamente la superficie del cilindro, pero lo suficiente para resistir el desgaste debido al rozamiento.
La cabeza del émbolo puede ser plana, cóncava o convexa y también tener una forma especial para guiar a la mezcla. La articulación entre el émbolo y la biela se efectúa mediante un perno que atraviesa el émbolo diametralmente por dos orificios. Este perno es de acero cementado y puede ser solidario con el émbolo o con el pie de la biela o estar libre, flotante.
El bulón de biela gira libre en sus alojamientos y en el pie de biela. Los frenillos impiden que se desplace horizontalmente y roce con las paredes del cilindro. Está fijo a la biela por medio de un perno o introducido a presión, sólo puede moverse en los alojamientos del pistón.
Cigüeñal
El cigüeñal transmite la fuerza del motor a la caja de cambio. Está fundido o forjado en una sola pieza. En el tiempo de explosión cada pistón impulsa al cigüeñal hacia abajo, mientras que en los otros tres tiempos, es el cigüeñal el que impulsa a los cilindros hacia arriba y abajo.
Como recibe varios impulsos en cada vuelta, violentos y aislados producidos por la explosión en cada cilindro, y a través de él se transmite toda la potencia que recibirá la hélice, resulta ser una de las piezas que más sufren del motor, por ello habrá de ser robusto con material de la mejor calidad y ha de estar perfectamente equilibrado para evitar vibraciones.
Válvulas
Las válvulas constan de cabeza y cola o vástago. La cabeza tiene forma de hongo, y tapa o abre el orificio de admisión o de escape, llamado asiento de la válvula. La cola se desliza por dentro de la guía; en el extremo opuesto a la cabeza se coloca el platillo, en el que apoya el resorte que cierra la válvula sobre su asiento. El resorte va apretado entre la parte inferior de la guía y la chaveta redonda.
Árbol de levas
Las levas son unas prominencias del árbol en que van montadas, que levantan las válvulas de los asientos cuando el saliente de la leva se aplica contra el rodillo o platillo del empujador.
Hay una leva por cada válvula, disponiéndose sobre un árbol. Si el árbol de levas gira la válvula empieza a levantarse para después cerrarse por acción de su resorte.
Durante dos vueltas del cigüeñal se realizan en cada cilindro los cuatro tiempos del ciclo. El árbol de levas gira a la mitad de velocidad del cigüeñal, logrado por engranajes de dientes en relación 2/1 en cantidad y diámetro. Esto permite que la válvula se abra una sola vez tanto en la admisión como en el escape en cada ciclo.
Mando del árbol de levas
Durante dos vueltas del cigüeñal se realizan en cada cilindro los cuatro tiempos del ciclo; la válvula correspondiente a la admisión de un cilindro se abrirá una sola vez cada dos vueltas del cigüeñal, es decir que el árbol de levas deberá dar una sola vuelta por cada dos del cigüeñal. El árbol de levas girará a la mitad de la velocidad del cigüeñal, por lo que el piñón del árbol de levas tendrá doble número de dientes que el cigüeñal, o sea doble diámetro, y como el cigüeñal gira a derecha, si están engranados el árbol de levas lo hará a la izquierda.
Sin embargo el mando más frecuente es a cadena, que enlaza el piñón del cigüeñal con el del árbol de levas, girando ambos en el mismo sentido.
El funcionamiento es más silencioso y el constructor puede colocar el árbol de levas donde más le convenga según su diseño.
Como la cadena, sea metálica o de tejido plástico con armadura metálica suele ceder con el uso, cuando es algo larga se le coloca un tensor que la mantiene tirante.
Volante:
El volante regulariza el movimiento del motor, consiste en una rueda pesada, de fundición o acero, que se monta en el extremo del cigüeñal. El volante recibe al embrague que sirve para transmitir o no a voluntad la transmisión del motor a la caja de velocidades. Sobre el borde del volante se suelen grabar unas referencias que sirven para el reglaje de la distribución y el encendido; en su contorno lleva un aro dentado para que pueda engranar el piñón del motor eléctrico de arranque.
Alimentación
El sistema de bombeo de combustible de un motor de combustión interna consta de un depósito, una bomba de combustible y un dispositivo que vaporiza o atomiza el combustible líquido. Se llama carburador al dispositivo utilizado con este fin en los motores Otto. En los motores de varios cilindros el combustible vaporizado se conduce a los cilindros a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión. Muchos motores cuentan con un colector de expulsión que transporta los gases producidos en la combustión. Cada cilindro toma el combustible y expulsa los gases a través de válvulas de cabezal o válvulas deslizantes. Un muelle mantiene cerradas las válvulas hasta que se abren en el momento adecuado, al actuar las levas de un árbol de levas rotatorio movido por el cigüeñal. En la década de 1980 este sistema de alimentación de una mezcla de aire y combustible se ha visto desplazado por otros sistemas más elaborados ya utilizados en los motores diesel. Estos sistemas, controlados por computadora, aumentan el ahorro de combustible y reducen la emisión de gases tóxicos.
Carburador
La carburación desempeña un papel fundamental, al permitir que el vehículo arranque con facilidad, acelere sin vacilaciones, circule de manera económica, rinda al máximo y no se detenga en pleno tráfico. En síntesis, su misión consiste en mezclar una determinada cantidad de gasolina con otra de aire, y en suministrar una proporción adecuada de esta mezcla vaporizada a cada cilindro para su combustión.
El proceso completo de carburación comienza en el momento en que se realiza la mezcla de gasolina con el aire, y termina cuando esta mezcla empieza a quemarse en los cilindros. De este modo, en la carburación intervienen los carburadores, el colector de admisión, las válvulas de admisión, e incluso las cámaras de combustión y los pistones.
El sistema de carburación proporciona gasolina al carburador. Este está formado por un depósito de carburante montado a distancia, una bomba que impulsa la gasolina hasta la cuba del carburador, y varios filtros que impiden la entrada de impurezas.
Relación aire/carburante.
Por regla general, una mezcla de aproximadamente 15 partes de aire y una de gasolina (denominada mezcla perfecta) asegura la completa combustión del carburante. Pero esta riqueza de la mezcla, o relación aire/carburante, no supone una potencia ni economía máximas. Para arrancar en tiempo frío puede ser necesaria una mezcla que comprenda una parte de aire y otra de combustible; para viajar a velocidad de crucero se necesitan, por ejemplo, 16 partes de aire por una de gasolina, lo que supone la máxima economía posible para dicha velocidad.
Las características que debe reunir la mezcla suelen ser las siguientes: riqueza para el arranque; menor riqueza para poca velocidad y ralentí; poca riqueza para velocidad moderada, y mucha riqueza para aceleraciones y velocidades altas.
La combustión del aire y la gasolina produce entre otros gases, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrocarburos y óxidos de nitrógeno.
En los Estados Unidos, la contaminación atmosférica, debida al desprendimiento de estas sustancias, muchas de las cuales son venenosas, está sujeta a una reglamentación oficial. En algunos países europeos, entre ellos España, se han adoptado medidas diversas en este sentido, lo que obliga a vigilar cuidadosamente los procesos de carburación y combustión. Esta situación ha estimulado a los investigadores en el campo de la carburación y ha motivado que renazca el interés por los llamados sistemas de inyección de gasolina.
Principio de la carburación.
El vacío parcial que se crea en el cilindro cuando los pistones descienden en el tiempo de admisión absorbe aire a la cámara de combustión. Este aire atraviesa el carburador; la cantidad que pasa esta limitada por una aleta basculante, llamada regulador de mariposa, cuya apertura y cierre se gobiernan desde el pedal del acelerador. La cantidad de aire absorbida depende de las revoluciones del motor y de la posición de la mariposa. El carburador tiene la misión de aportar a la corriente de aire una determinada cantidad de gasolina, para que después llegue a las cámaras de combustión una mezcla de riqueza adecuada.
La gasolina, que procede de la cuba del carburador, se incorpora a la corriente de aire a nivel de un estrechamiento del conducto, conocido con el nombre de venturi o difusor, cuyo funcionamiento se basa en el principio de que la presión de la corriente de aire disminuye conforme aumenta su velocidad. Al pasar la corriente de aire por el venturi aumenta su velocidad, y es precisamente en esta región de bajas presiones donde se absorbe la gasolina.
El caudal de aire será máximo cuando el motor funcione a muchas revoluciones con la válvula de mariposa totalmente abierta; y cuanto mayor sea la velocidad de la corriente de aire que pasa por el difusor mayor será la absorción de gasolina.
En la práctica, un carburador tan sencillo no resultaría satisfactorio ya que el aire y la gasolina no tienen las mismas características de flujo. Al aumentar la velocidad del aire, este pierde densidad; la de la gasolina se mantiene estable, cualquiera que sea su velocidad de flujo. Como el aire y la gasolina deben mezclarse en relación con su peso (aproximadamente en proporción de 15:1) para que la combustión sea eficaz, la mezcla se enriquecería progresivamente al aumentar el flujo de aire y disminuir su densidad. Llegaría un momento en que la mezcla sería demasiado rica.
Existen dos procedimientos para solucionar este problema. En un carburador de difusor fijo, una parte de aire se mezcla con la gasolina antes de abandonar el surtidor gracias a una serie de tubos emulsionadores o surtidores de compensación. En el carburador de difusor variable pueden variarse la cantidad de gasolina que abandona el surtidor y el paso del difusor.
La gasolina de la cuba del carburador se mantiene a nivel constante gracias a una válvula accionada por un flotador. El extremo del conducto de gasolina que desemboca en el difusor debe estar más alto que el nivel de gasolina en la cuba, para evitar la fuga de combustible si el vehículo se inclina (al subir una cuesta o al pasar por un camino con muchos baches, por ejemplo). Esto significa que antes de que se realice la mezcla, la gasolina ha de ser elevada un poco: en la práctica, alrededor de medio centímetro. La absorción producida por el vacío parcial eleva la gasolina.
Aparte de absorber la gasolina y el aire, el sistema de carburación debe vaporizar la gasolina, mezclarla bien con el aire y. después, distribuir la mezcla de manera uniforme a los cilindros. La gasolina ya se encuentra en forma de gotitas cuándo entra en el estrangulador: si se trata de un carburador de difusor fijo, habrá sido emulsionada con la mezcla previa de gasolina y aire; si se trata de un carburador de difusor variable, las gotitas habrán sido divididas por la velocidad de la corriente del aire. Cuando la mezcla de gasolina y aire pasa la válvula de mariposa, entra en una zona de vacío parcial, creada por la succión del pistón, y las gotitas de gasolina comienzan a evaporarse. La velocidad de evaporación depende del grado de vacío existente en el colector de admisión, que a su vez depende de las revoluciones del motor y de la posición de la válvula de mariposa. A gran velocidad, cuando la válvula está completamente abierta, puede suceder que el vacío sea tan bajo que la mayor parte de la gasolina se encuentre en estado líquido y sea transportada así en el aire o suba por las paredes del colector. A la velocidad de crucero, cuando la válvula de mariposa esta parcialmente cerrada, el vacío aumenta, y entonces la mayor parte de la gasolina estará vaporizada.
Cuando cada cilindro dispone de un carburador (o uno para cada dos), el hecho de que la gasolina se halle en estado líquido reviste poca importancia; seguirá llegando a la cámara de combustión, donde se evaporará por la acción del calor.
Pero si sólo hay un carburador para todos los cilindros, la distribución uniforme es de primordial importancia y será muy difícil de conseguir si la mezcla esta "húmeda".
Si se eleva la temperatura del colector de admisión con un "foco calorífico", calentado por los gases del escape o por agua, se conseguirá una mayor evaporación de la gasolina, favoreciéndose la distribución uniforme de la mezcla. Excepto cuando los motores están fríos, la evaporación se completa al penetrar la mezcla en los cilindros y entrar en contacto con la válvula de escape caliente, con las paredes del cilindro y con el gas que quede en él.
Colector de admisión.
El colector de admisión cumple dos funciones: facilita la vaporización de la mezcla de gasolina y aire procedente del carburador, y la distribuye a cada cilindro del modo más uniforme posible.
La distribución seria completamente uniforme si toda la mezcla se vaporizara en el carburador, pero no ocurre así en todo momento, por lo que parte de la gasolina llega al colector en estado liquido. Esto no revestiría gran importancia si el motor dispusiera de un carburador para cada cilindro, ya que cada uno de ellos recibiría la totalidad del carburante destinado a él. Pero si el carburador tiene que alimentar a mas de un cilindro, se necesitará un sistema adicional de vaporización para mejorar la distribución de la mezcla.
La vaporización adicional se puede conseguir con la ayuda de un foco calorífico, generalmente el colector de escape, que, de hecho, constituye un vaporizador auxiliar del combustible. Este foco se encuentra en la zona central del colector, en contacto con el de escape.
De este modo, en cuanto el motor arranca, se calienta la zona en la que es más probable que se formen gotitas de gasolina. Si en este punto se produjera un exceso de calor, podría originarse una pérdida de potencia, debida a la disminución de la densidad del aire. Para evitarlo, algunos focos caloríficos poseen una válvula gobernada por termostato, que se cierra si la temperatura del escape aumenta demasiado.
Si la disposición del motor dificulta la inclusión del punto caliente del escape, se puede calentar el colector de admisión con una "camisa de agua" alimentada por el sistema de refrigeración. Esta camisa produce una temperatura más constante en una zona más amplia, pero no es tan eficaz ni tan rápida para el arranque en frío como el foco caliente que proporciona el colector de escape.
La forma y la sección transversal del colector deben dificultar la formación de gotitas de carburante sin disminuir el paso de aire. A esto se debe la diversidad final de las formas y dimensiones de los colectores de admisión.
El estrangulador aumenta la riqueza de la mezcla para poder arrancar en tiempo frío.
Para arrancar el motor en tiempo frío se precisa una mezcla rica, con una relación aire/gasolina que oscile entre 1:1 y 3:1. Esto se consigue cerrando la mariposa del estrangulador desde el salpicadero.
Como el sistema de carburación esta frío y el flujo de aire por el venturi es pequeño debido a la lentitud de las primeras revoluciones del motor en el arranque, sólo una parte de la gasolina conseguirá vaporizarse.
Al comenzar las explosiones, el colector de admisión se calienta progresivamente. En este momento puede disminuirse la riqueza de la mezcla hasta 4:1 ó 6:1. lo que es fundamental para evitar la disolución del aceite y el desgaste de los cilindros. Esto ocurriría si el combustible líquido cayera por las paredes del cilindro. Una vez que el motor ha adquirido temperatura, basta con una mezcla 15:1.
Adaptación de la mezcla para diferentes velocidades.
Cuando se tira del mando del aire en el salpicadero para arrancar un motor frío se acciona una válvula de mariposa (a la que cierra un muelle), llamada estrangulador, y se abre ligeramente la mariposa del acelerador. Con esto se dificulta el paso de aire y se provoca una mayor succión de gasolina a través del surtidor principal. Así se consigue un enriquecimiento muy conveniente de la mezcla para el arranque. Cuando el motor entra en funcionamiento y adquiere revoluciones, el aire adicional absorbido hace que la mariposa del estrangulador se abra un poco, con lo que se empobrece la mezcla para evitar que el exceso de gasolina diluya el aceite que lubrica el bloque.
Si el motor ya está caliente, el movimiento de los pistones en el arranque produce un vacío parcial en el colector de admisión. Como la mariposa del acelerador esta cerrada, este vacío parcial actúa sobre el surtidor de ralentí y absorbe el combustible de la cuba a través del calibre principal y el de ralentí. El aire que va a unirse a este combustible se absorbe a través de una toma de aire adicional, con lo que se emulsiona la mezcla. Al fluir el combustible por el circuito de marcha lenta, baja el nivel en el pozo principal de emulsión y quedan al descubierto algunos orificios del emulsionador, por los que penetra aire que se mezclará con el combustible.
Al pisar el acelerador se abre la correspondiente válvula de mariposa y aumenta el flujo de aire a través del difusor. El vacío parcial debido al mayor paso de aire hace qué la mezcla emulsionada de gasolina y aire se eleve en el pozo y se una a la corriente principal de aire que atraviesa el venturi o difusor. Al mismo tiempo disminuye el vacío parcial del circuito de ralentí, con lo que se interrumpe en el flujo de combustible.
Para evitar en esta fase de transición cualquier empobrecimiento fortuito de la mezcla en el circuito de ralentí suelen incluirse orificios de "progresión".
Para poder proporcionar el combustible adicional necesario durante las aceleraciones y aperturas bruscas de la mariposa, algunos carburadores disponen de una bomba de aceleración. Esta bomba comprende un pozo (relleno de combustible), en cuyo interior existe un pistón accionado por un muelle, o una membrana, unido a la mariposa del acelerador. Al abrirse la mariposa, el pistón determina que el combustible del pozo se vierta por un conducto independiente.
Algunos carburadores permiten el ajuste del pistón para que vierta más o menos combustible, conveniente para el funcionamiento del motor en invierno y verano, respectivamente.
En nuestros días han aparecido numerosos tipos de carburadores de difusor fijo, con una complicada disposición de los conductos de gasolina calibres y surtidores. Su mayor ventaja es la supresión de partes móviles. La dosificación adecuada de gasolina y aire se consigue mediante calibres fijos y difusores de un diámetro determinado.
Carburador de difusor fijo.
El carburador de difusor fijo consta de varios calibres y de una bomba de aceleración que permiten variar la mezcla según las necesidades del motor.
Al aumentar su velocidad en el difusor, el aire pierde densidad y, si no existiera un dispositivo compensador, la mezcla se enriquecería hasta que fuese demasiado rica para arder.
El carburador de difusor fijo resuelve este problema mediante el sistema de compensación, que mezcla algo de aire con la gasolina antes de que ésta entre en el difusor. En la mayor parte de los carburadores la compensación se efectúa mediante un tubo perforado, que emulsiona la mezcla.
El calibre principal alimenta de gasolina a un pozo de emulsión en el que se encuentra el tubo perforado, cerrado en su parte superior por un calibre, que regula el paso del aire. Al aumentar las revoluciones del motor y disminuir el nivel de gasolina en el pozo, se intensifica la absorción de aire a través de una serie de orificios en el tubo empobreciendo la mezcla automáticamente.
Otra posibilidad consiste en la instalación de un calibre de compensación, además del calibre principal. Al descender el nivel de gasolina en un pozo colocado al lado de la cuba, se absorbe aire a través del calibre de compensación, de modo que el surtidor recibe una mezcla de aire y gasolina en lugar de gasolina sola.
La dimensión del calibre principal suele estar calculada para que produzca mezclas relativamente pobres, para que la velocidad de crucero resulte económica.
Para conseguir mezclas ricas, necesarias cuando se circula con el acelerador a tope, el carburador de difusor fijo dispone de un segundo surtidor, que funciona con grandes aperturas de mariposa. Esto suplementa al surtidor principal, que así puede tener un calibre reducido para mayor economía.
Carburador de difusor variable.
Al igual que el de difusor fijo, el carburador de difusor variable recibe una alimentación de carburante a nivel constante y dispone de una mariposa de acelerador y de un venturi. La diferencia principal estriba en que el estrechamiento del venturi puede variarse con objeto de mantener un vacío parcial casi constante en el surtidor principal.
El estrechamiento del venturi está gobernado por un pistón, cuya posición depende del grado de apertura de la mariposa del acelerador. Si esta está casi cerrada, como ocurre con el motor a ralentí, disminuye el flujo de aire a través del venturi. El peso y el muelle del pistón hacen que este descienda y solo quede un espacio muy reducido para la circulación del aire.
Al pisar el acelerador y abrirse la mariposa correspondiente, aumenta el paso de aire a través del venturi y se intensifica el vacío parcial por encima del pistón. Este vacío hace que el pistón suba, con lo que aumenta aun más el flujo de aire hacia el motor.
Una aguja de punta cónica unida al pistón, penetra en el surtidor de gasolina y regula el flujo de combustible. Al subir el pistón sube también la aguja y permite un mayor paso de gasolina.
Para enriquecer la mezcla durante la aceleración se emplea un amortiguador, que disminuye la velocidad de subida del pistón cuando se abre la mariposa del acelerador. Esto hace que aumente el vacío parcial a nivel del surtidor de gasolina. y un enriquecimiento temporal.
Como la presión del aire en el venturi permanece prácticamente constante a cualquier régimen de revoluciones del motor, no es preciso montar un circuito independiente para el ralentí, como ocurre en el carburador de surtidor fijo. La gasolina se une a la corriente de aire en el punto en que la velocidad de esta es máxima, asegurándose una atomización eficaz del combustible.
La riqueza de la mezcla de ralentí puede alterarse por medio de un tornillo de ajuste, que regula la posición del surtidor. Las revoluciones del motor al ralentí se controlan mediante otro tornillo, que actúa de tope de la mariposa del acelerador.
Tipos de carburadores
Carburador SU tipo H.
La marca SU fabrica una amplia gama de carburadores de difusor variable que sólo se diferencian por el sistema de montaje del surtidor y por el de alimentación del carburante desde la cuba. El tipo H es el más generalizado y se fabrica en diferentes diámetros de paso.
La cámara de vacío dispone de un alojamiento que sirve de guía al pistón. Este pistón ajusta lo mejor posible en su alojamiento, lo cual es imprescindible para evitar un paso excesivo de aire por él. El pistón posee un conducto central relleno de aceite, con un pequeño émbolo que actúa como amortiguador.
La toma principal de aire comunica con la cámara de vacío a través de un taladro en el pistón que permite la absorción de aire de la cámara.
En el SU, la cuba es independiente del resto del carburador y se une a él en forma rígida por medio de un tornillo o por un soporte flexible de goma.
El carburante llega al surtidor por un tubo flexible corto. La posición del surtidor puede variarse desplazándolo sobre un casquillo enmangado en el cuerpo del carburador. El ajuste se realiza con un tornillo que actúa sobre una articulación.
Al tirar del mando del estrangulador situado en el salpicadero, para arrancar el motor en tiempo frío, el mecanismo del surtidor desciende unos 10 mm. con lo que aumenta la salida de gasolina y se enriquece la mezcla; también se abre ligeramente la mariposa del acelerador.
Carburador Stromberg.
Aunque su funcionamiento se basa en el mismo principio de presión constante que el SU, el carburador Stromberg CDS tiene algunas características que le hacen diferente. En vez de un pistón de ajuste hermético, la cámara de vacío contiene un diafragma flexible.
La cuba rodea al surtidor y contiene dos flotadores montados sobre el mismo vástago, uno a cada lado del surtidor.
Gracias a los dos flotadores, este tipo de carburador acusa menos los efectos de la inundación de gasolina, que se puede producir si el coche se inclina (baches, cuestas empinadas). El surtidor principal está unido a un tornillo de ajuste con un muelle, el mecanismo del surtidor se sitúa en su correspondiente alojamiento, cuya estanqueidad se logra con anillos elásticos. Al igual que ocurre con los carburadores SU, se pueden montar diversos tipos de agujas y muelles de pistón, según el reglaje que se pretenda hacer del carburador.
Una válvula de disco, accionada por el mando del estrangulador, proporciona la mezcla precisa para el arranque en frío. Al girar esta válvula, se absorbe gasolina desde la cuba y se alimenta una serie de orificios que desembocan en el cuerpo del carburador. La válvula esta conectada a la mariposa del acelerador mediante una leva. Al funcionar esta válvula, la mariposa del acelerador se abre ligeramente. La válvula tiene dos posiciones, una para verano y otra para invierno.
Para evitar que el coche funcione al ralentí con mezclas demasiado ricas en tiempo caluroso, se puede montar otra válvula. Esta se acciona por un muelle bimetal, sensible a la temperatura del aire, que aumente la entrada de aire al carburador
Carburadores dobles.
Antiguamente, la mayor parte de los turismos sólo poseían un carburador; pero en la actualidad muchos disponen de carburadores dobles e incluso triples, con los que se consigue un mayor rendimiento. En América y en gran parte de Europa es corriente ver carburadores de varios cuerpos. Si en un motor de 4 cilindros se montan dos carburadores independientes, suelen incorporárseles colectores cortos en horquilla, cada uno de los cuales alimentan 2 cilindros. La misma disposición existe en los motores de 6 cilindros y tres carburadores. Si se emplean dos carburadores de doble cuerpo, cada cuerpo alimenta un cilindro (en el motor de 4 cilindros).
En coches de elevado rendimiento se emplean con frecuencia soportes flotantes de carburador para evitar la formación de espuma en el carburante a causa de la vibración, lo que ahogaría el motor; otra opción es el uso de carburadores mixtos.
En todas las instalaciones de carburadores múltiples se precisa unir los colectores independientes con un tubo equilibrador para evitar desigualdades en la alimentación.
Sistema de admisión resonante
El objetivo de esta técnica es introducir la mayor cantidad de aire posible en los cilindros, para mejorar el rendimiento volumétrico y energético del motor.
Para un volumen dado del cilindro, cuanto más volumen de aire se pueda hacer pasar a través de las válvulas de admisión, más se puede aumentar la potencia del motor.
Para aumentar el volumen de aire por encima de la capacidad geométrica de los cilindros se recurre a la compresión y enfriamiento del mismo.
En los motores turbo el incremento de volumen se consigue comprimiendo el aire en forma de pulsos a través de los colectores de admisión.
En un Porsche 911 Carrera, a 6.000 vueltas la frecuencia es de unos 150 pulsos por segundo y la presión de cada uno de ellos es de 0,6 bar.
Pero, para que la resonancia sea efectiva, los pulsos de del aire que se mueven por los colectores, tienen que llegar sincronizados ("en fase"), con la apertura de las válvulas de admisión, y esto para todos los regímenes de vueltas del motor.
Para conseguirlo hay que adaptar la geometría (longitud y diámetro) de los colectores de admisión.
Como las válvulas de admisión se abren secuencialmente, se utilizan válvulas de mariposa que se cierran y abren en los momentos oportunos, para repartir el aire aspirado hacia los cilindros en condiciones resonantes.
Sistema Varioram del Porsche 911
El sistema Varioram de Porsche emplea colectores de admisión de geometría variable, para conseguir que el efecto de la resonancia se pueda aprovechar en todos los regímenes de vueltas, y no tan sólo a un régimen elevado, como es el caso de las admisiones de geometría fija.
En el Porsche 911 GT3 la válvula de resonancia se cierra a 2.500 r.p.m. y se abre a 5.600 r.p.m. para adaptar la geometría de los colectores de admisión a las condiciones óptimas de resonancia, pulsos de aire resonante en los colectores de admisión
Las zonas más intensas, representan los pulsos a una presión de unas 0,6 bar. Las zonas menos intensas, son zonas de presión más baja.
Para conseguir un llenado óptimo del cilindro, las válvulas tienen que estar abiertas en el mismo instante en que llega el pulso de presión alta.
Este principio, también se utiliza en los sistemas de escape, con el fin de conseguir un barrido óptimo de los gases quemados dentro del cilindro.
La inyección en el motor.
Al inicio de la última década de nuestro siglo, la inyección de gasolina se está perfilando como el sistema definitivo de alimentación de los motores de explosión, de modo que puede conjeturarse fácilmente que la inyección se va a imponer de una manera total dentro de un corto espacio de tiempo.
Las ventajas de la inyección son manifiestas y están avaladas por los miles de motores que están aplicando esta tecnología, demostrando de una manera clara, que han conseguido unas más altas prestaciones, a la vez que menores consumos con respecto a iguales motores dotados con carburador.
Para un buen funcionamiento de un motor de gasolina, se precisa una buena proporción de mezcla aire-gasolina. Esta proporción, teóricamente necesaria es de 14´7 : 1 y deberá variarse según las condiciones de rendimiento del motor.
A esta proporción se le llama estequiométrica y viene a decirnos que para la combustión de 1 litro de gasolina, precisamos entre 8000 y 10000 litros de aire. Como se ha mencionado, es un valor teórico y variable.
La relación entre el volumen de aire aspirado y el volumen teóricamente necesario para una correcta combustión nos da el parámetro lambda.
Teniendo como referencia: lambda = 1, volumen de aire aspirado, corresponde con el teórico necesario; lambda < 1 falta de aire (mezcla rica); lambda > 1 exceso de aire (mezcla pobre); lambda > 1´3 la mezcla ya no es inflamable.
En la práctica los valores para lambda comprendidos entre 0´9 y 1´1 son los más adecuados. No obstante se pretende mantener el coeficiente dentro de unos límites, para ello hay que determinar con exactitud el caudal de aire aspirado y el dosaje de combustible. Se puede decir que la situación ideal se produce, cuando todo el aire que está entrando en el cilindro es quemado, aprovechando al máximo el poder calorífico de la gasolina y mejorando el rendimiento.
La forma más idónea para realizar este aprovechamiento del aire, es medirlo, y en función de la cantidad de aire que ha entrado en el cilindro, realizar el cálculo de la gasolina que ha de entrar en el mismo, así aseguraremos una buena combustión de la mezcla. En esencia éste es el parámetro en el que se basa principalmente cualquier sistema de inyección de gasolina. No obstante, cada equipo realiza las correcciones oportunas, según las condiciones de marcha del motor.
Desde que se crearon los motores, los sistemas de preparación de mezcla, carburación normal, carburación pilotada y equipos de inyección, pretenden realizar la mezcla lo más ajustada posible para cada necesidad de motor.
Hasta hace poco, el principal sistema de preparación de mezcla era el carburador. Sobre este sistema se aplicó la carburación pilotada, que una vez analizados los gases de escape, un circuito electrónico realiza un reglaje de caudal de los calibres del carburador.
Pero el sistema más empleado en la actualidad, es la inyección de la gasolina sobre los colectores de admisión, dándose un menor consumo (se crean turbulencias de aire favorables para un mejor llenado del cilindro), mayor potencia (debido al mejor llenado de los cilindros), mejor comportamiento de marcha (por la inyección de la cantidad exacta de gasolina en el momento preciso) y baja emisión de elementos contaminantes (por una mejor combustión, debido a la precisión en la proporción de la mezcla). Todo esto es debido a una mezcla muy homogénea y precisa, con un mejor llenado de los cilindros.
En los inicios de la aplicación de los equipos de inyección de gasolina, se aplicaba la inyección directa en el cilindro, puesto que estaban basados en los motores Diesel, seguidamente se aplicó la inyección indirecta, dando mayor facilidad para la construcción, alargando la vida de los inyectores y teniendo la posibilidad del acoplamiento a motores preparados para la carburación. En la actualidad, el sistema más empleado es éste, la inyección indirecta.
La inyección indirecta puede realizarse principalmente de dos modos, realizando la inyección en los colectores de admisión, delante de las válvulas de admisión, para lo cual se necesita una válvula de inyección por cilindro (equipos multipunto), o bien en el colector central a través de un único inyector (equipos monopunto).
Entre los sistemas de inyección multipunto, se puede hacer una clasificación atendiendo a la secuencia de inyección. Se puede distinguir la inyección continua, la cual inyecta gasolina constantemente, la cual entrará a la cámara de combustión cuando se abra la válvula de admisión; y la inyección discontinua, la cual a su vez tiene dos modalidades: de forma simultánea, en la que todos los inyectores se abren a la vez y una vez por cada tiempo de motor; y secuencial, en el que cada inyector deja abierto el paso de gasolina sólo en el preciso momento en que la válvula de admisión está abierta, de forma que la gasolina entra directamente a la cámara de combustión.
En general, un inyector se puede definir como una válvula a la cual se le hace llegar gasolina a presión por sus conductos, y esta comandada por una unidad de control la cual abre el inyector un tiempo determinado en función a varios parámetros, como son: el valor de la sonda lambda, temperatura del motor (agua y aceite), revoluciones del motor, temperatura del aire en la admisión, posición del pedal del acelerador, etc. Los parámetros con que se va a regir, dependerán del fabricante.
La sonda lambda.
Para un correcto funcionamiento de un sistema de inyección, es básica la llamada sonda lambda.
Esta sonda crea una diferencia de potencial, debida a la diferencia de oxígeno detectada entre el aire atmosférico y los gases de escape, informando de la composición momentánea de la mezcla. Si la sonda lambda detecta poca proporción de oxígeno en los gases de escape, mandará señal a la unidad de control de que se está produciendo una mezcla rica, debiendo corregirse, inyectando menos gasolina, y viceversa, si detecta mucha cantidad de oxígeno en el escape, se crea mezcla pobre, debiendo corregirse, inyectando más cantidad de gasolina.
Con estas correcciones se pretende que el motor trabaje con la mezcla estequiométrica, haciendo que ni se pare el motor por falta de combustible, ni que se desperdicie gasolina por un exceso de ésta, haciendo que se produzca una combustión mejor y menos contaminante.
Sobrealimentación
Qué es y por qué se utiliza:
Para llevar a cabo la combustión completa de los hidrocarburos del combustible, es necesario aportar la cantidad suficiente de oxígeno, el cual no está en cantidad mayoritaria en el aire.
Cuanto más combustible seamos capaces de introducir en los cilindros del motor, mayor será la potencia que se podrá obtener, pero mayor será la masa de aire necesaria para quemarlo; de esta necesidad surge la idea de los motores sobrealimentados.
La sobrealimentación consiste en establecer a la entrada de los cilindros del motor una atmósfera de aire con una densidad superior a la normal de forma que para un mismo volumen de aire, la masa de ese aire es mayor; para ello se utilizan una serie de accesorios que serán diferentes según el tipo de sobrealimentador que se utilice.
Según el método empleado para conseguir esta densidad superior a la normal (comprimir el aire) podemos distinguir
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* Compresores Volumétricos: utilizan parte del par transmitido por el motor.
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* Turbocompresores y Sistema Comprex: en ambos sistemas se aprovecha la energía de los gases de escape.
Funcionamiento de los compresores volumétricos:
Los compresores volumétricos funcionan acoplados directamente al cigüeñal del motor, que transmite el giro a alguna parte del compresor volumétrico (según del tipo que se trate) que a su vez introduce el aire a alta presión en los cilindros del motor.
La ventaja fundamental sobre los turbocompresores es que los efectos de los compresores volumétricos se aprecian incluso a regímenes bajos del motor.
Su desventaja es que roban parte de la potencia del motor para poder funcionar (aunque luego la devuelven con creces).
Algunas de las marcas comerciales de compresores desarrollados son:
1) COMPRESOR EATON ROOTS 1:
Se trata de una máquina pura de circulación, en las que no se comprime el aire. La presión de carga efectiva no se crea hasta llegar al colector de admisión.
Esta versión sencilla con rotores de dos álabes origina una presión relativamente baja, y además la crea muy despacio al aumentar el régimen de giro.
La potencia absorbida se sitúa para una sobrepresión de 0,6 bares y paso máximo de aire, en 12.2 CV.
El rendimiento del compresor Roots no es muy alto y además empeora con el aumento del régimen de giro.
La capacidad de suministro sólo supera el 50% en una gama muy limitada. El aire comprimido se calienta extraordinariamente.
2) CROMPRESOR EATON ROOTS 2:
Al igual que el anterior tampoco comprime el aire internamente, sin embargo la sobrepresión de carga, bajo las mismas condiciones, alcanza un máximo más elevado.
La potencia absorbida se sitúa en sólo 8 CV y la temperatura del aire se eleva menos.
El rendimiento de este compresor supera el 50% en una gama más alta.
3) COMPRESOR VOLUMÉTRICO DE PISTONES ROTATIVOS WANKEL:
Su funcionamiento es similar al del compresor roots, pero variando sustancialmente su geometría. De esta manera se mejoraron notablemente las propiedades.
La sobrepresión que se alcanza es alta. La potencia absorbida para una presión de 0,6 bares y máximo paso de aire alcanza 8.2 CV. La temperatura del aire no se eleva mucho.
El rendimiento está por encima del 50% para capacidad de circulación media y en una pequeña gama que incluso supera el 60%.
4) COMPRESOR DE HÉLICE SPRINTEX:
Este compresor fabricado en Escocia presenta un elevado consumo de energía, para una baja capacidad de suministro, con el máximo en casi 11 CV. La causa parece radicar en los cojinetes lisos del compresor Sprintex que ayudados por el rozamiento interno eleva mucho la temperatura del aire.
El rendimiento no es muy bueno y sólo con alta sobrepresión y un elevado grado de paso de aire se acerca al 50%.
5) COMPRESOR PIERBURG DE PISTÓN ROTATIVO:
Este compresor tiene un parentesco cinématico con el motor Wankel. Un rotor de tres álabes describe una trayectoria circular en un tambor rotativo con cuatro cámaras. Las cámaras en su rotación van cambiando de volumen y por lo tanto el aire se comprime dentro del compresor.
El consumo de energía es muy bajo también en carga parcial, entre 2.7 y 8.2 CV. La elevación de la temperatura es reducida. El rendimiento del compresor supera el 50% en una amplia gama de capacidad media de suministro
6) COMPRESOR KKK DE PISTÓN ROTATIVO:
Es una modificación del compresor Roots. El rotor gira en un tambor que lo envuelve, que también gira por su parte.
La creación de la sobrepresión de carga y el paso del aire es muy rápido en el KKK.
La potencia necesaria para conseguir una elevada presión y un alto grado de flujo es relativamente baja, con valores que se acercan a los 8 CV.
El aire se calienta muy poco por la sobrepresión. El rendimiento del compresor KKK es muy bueno y en una amplia gama ronda el 50% y en una gama más pequeña supera el 60%.
7) COMPRESOR G DE VOLKSWAGEN:
Se diferencia de otros modelos sobre todo porque no se compone de elementos en rotación para conseguir la circulación. La compresión del aire en el conducto del caracol es consecuencia de un movimiento oscilante de la pieza interior.
La característica de suministro del compresor G cumple el requisito de una rápida creación de presión. Una elevada capacidad de circulación se gana aquí con un bajo consumo de energía, ya que las pérdidas por rozamiento son muy pequeñas en los cojinetes del compresor G. El rendimiento alcanza en determinadas gamas de carga, máximos del 60%.
El compresor G de Volkswagen ya no se utiliza, y se ha estado incorporando en algunos motores del W. Polo, W Golf y W. Passat durante menos de una década.
Ventajas e inconvenientes del compresor.
Ventajas:
Al contrario de lo que solía pasar con los turbos, en los compresores volumétricos la sobrepresión máxima se alcanza desde bajo número de revoluciones, lo cual facilita la conducción al aportar esta sobrealimentación extra en todo el rango de funcionamiento del motor.
En motores de pequeña cilindrada el compresor mecánico es ventajoso porque en ellos puede trabajar con un buen rendimiento, y dar resultados a bajo régimen similares al de motores de gran cilindrada. Se calcula que el límite de validez ronda los motores entre 1.6 y 2 litros.
Inconvenientes:
Los compresores volumétricos suelen ser de un gran tamaño y peso.
Consumen potencia directamente del motor que en ocasiones para regímenes de giro altos pueden alcanzar los 20 CV.
Es difícil conseguir la estanqueidad de los compresores, especialmente a bajas revoluciones, lo cual disminuye notablemente el rendimiento.
El turbocompresor:
El sistema consta esencialmente de dos ruedas de paletas, denominadas turbina y compresor, que giran solidariamente unidas por un eje en el interior de sendas carcasas independientes.
La carcasa de la turbina está comunicada con el colector de escape, mientras que la correspondiente al compresor conecta directamente con el colector de admisión. Los gases de escape, a su salida del colector y antes de ser expulsados al exterior, son enviados a la carcasa de la turbina debido a lo cual ésta comienza a girar a un elevadísimo número de revoluciones (más de 100.000 r.p.m). El compresor unido mediante un eje a la turbina se ve obligado a girar arrastrado a idéntico régimen de giro que ésta. Esto produce una sobrepresión en el colector de admisión por lo que el aire de admisión es impulsado hacia los cilindros a una presión superior a la atmosférica.
Gracias a esta sobrepresión conseguimos mayor densidad en el aire que introducimos en los cilindros.
Ventajas e inconvenientes del turbo.
Ventajas:
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* Obtención de elevadas potencias a partir de cilindradas reducidas.
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* Reducción del consumo de combustible.
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* Reducción de peso y volumen del motor en comparación con motores de aspiración atmosférica de similar potencia ya que los cilindros de estos últimos serán de mayores dimensiones.
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* Ruidos de funcionamiento relativamente menores que en motores de aspiración atmosférica ya que el turbo actúa como silenciador de los gases de escape y del aire o mezcla aire-gasolina.
Inconvenientes:
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* Potencias reducidas a bajas revoluciones. Cuando se lleva poco pisado el acelerador y por lo tanto un régimen de vueltas bajo, los gases de escape se reducen considerablemente y esto provoca que el turbo apenas trabaje. La respuesta del motor entonces es poco brillante salvo que se utilize una marcha convenientemente corta que aumente el régimen de giro.
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* El mantenimiento del turbo es más exigente que el de un motor atmosférico.
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* Los motores turbo requieren un aceite de mayor calidadad y cambios de aceite más frecuentes, ya que éste se encuentra sometido a condiciones de trabajo más duras al tener que lubricar los cojinetes de la turbina y del compresor frecuentemente a muy altas temperaturas.
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* Los motores turboalimentados requieren mejores materiales y sistemas de lubricación y refrigeración más eficientes.
Sistema Intercooler
El sistema intercooler consiste en un intercambiador de calor en el que se introduce el aire que sale del turbocompresor para enfriarlo antes de introducirlo en los cilindros del motor.
Al enfriar el aire disminuye la densidad de éste por lo que para el mismo volumen de los cilindros se puede introducir mayor masa de aire y así mejorar el rendimiento del motor.
El turbo del futuro:
Una de las mejoras más necesarias en los motores turboalimentados tiene que ver con su prestación a bajo régimen. Avances en este apartado implican una mejora en la prestación de la turbina, junto a mayores flujos y rendimientos del compresor.
Para conseguir esto una de las últimas técnicas empleadas es la utilización de turbinas de admisión variable. Con esta técnica se mejoran tanto los valores máximos de par y potencia como la respuesta a cualquier régimen.
El peso es otro aspecto a mejorar. En sus últimos modelos, Garrett (fabricante de turbocompresores) ha llegado a reducir el peso en más del 50% (de los 7 Kg del modelo T3 a los 3 Kg del GT12).
En los turbo para motores de gasolina otra necesidad es el aumento de la fiabilidad a alta temperatura. A plena carga se pueden pasar de 1000ºC en la turbina y el material más habitual, denominado inconel, sufre cambios en su estructura a partir de esos grados. En el futuro se usará acero austenítico inoxidable para el envolvente, costoso en la actualidad, pero garantizado por su uso en competición
Arranque
Al contrario que los motores y las turbinas de vapor, los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan, lo que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que pueda iniciarse el ciclo (momento de una fuerza). Los motores de automoción utilizan un motor eléctrico (el motor de arranque) conectado al cigüeñal por un embrague o clutch automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado, algunos motores pequeños se arrancan a mano girando el cigüeñal con una cadena o tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante del cigüeñal. Otros sistemas de encendido de motores son los motores de inercia, que aceleran el volante manualmente o con un motor eléctrico hasta que tiene la velocidad suficiente como para mover el cigüeñal, y los iniciadores explosivos, que utilizan la explosión de un cartucho para mover una turbina acoplada al motor. Los iniciadores de inercia y los explosivos se utilizan sobre todo para arrancar motores de aviones.
El sistema de encendido
La misión principal del sistema de encendido es provocar la explosión en el interior del cilindro en el momento adecuado.
En los motores diesel esta explosión se produce en el momento en que se inyecta el gasoil, gracias a la alta temperatura del aire en el interior del cilindro provocada por la gran presión que se origina al ascender el pistón
En un principio se pensó en utilizar este método en los motores de gasolina, aunque en este caso comprimiendo la mezcla aire-combustible. El resultado fue negativo, ya que el momento en que se producía la explosión era difícil de controlar, e interesa que ésta sea en el instante determinado.
Por esto en los motores de gasolina la explosión se provoca en las bujías en el momento adecuado, dependiendo éste del régimen de giro, pero siempre antes de que el pistón alcance el punto muerto superior.
El motor más común está constituido por dos partes fundamentales atornilladas entre sí: La superior es la culata y la inferior el bloque, dónde se alojan los elementos que forman el conjunto del cigüeñal usualmente de hierro fundido, aunque actualmente se investiga el uso de nuevos materiales.
Culata y Válvulas
La tapa de cilindros forma la parte superior de la cámara de explosión. Como es de sumo interés en que el grado de compresión sea lo más elevado posible, en rendimiento del motor, y esto aumenta la temperatura de explosión, ya por sí elevadísima, se utilizan bastante las tapas de cilindro de aleación especial de aluminio, que disipan el calor más rápido que las de fundición y lo reparten con más uniformidad por toda la masa metálica.
Los balancines, accionados por el árbol de levas o por los empujadores, abren las válvulas hacia abajo. La válvula vuelve a su asiento por la acción de un muelle. Este muelle se sujeta con un retén cazoleta y chaveta partida
Las válvulas de admisión suelen ser más grandes que las de escape debido a ser más lentos los flujos de admisión. Cuando el motor funciona el calor excedente se elimina por medio de su asiento, y a través de la guía en que se aloja su cola.
Cilindro y Bloque de cilindros
Los motores de un cilindro solo se construyen para pequeñas potencias. Además, y particularmente en los cuatro tiempos, el par motor es muy irregular y requiere un volante de inercia pesado como reserva de energía. En cambio, el motor de varios cilindros es mas potente, y como una adecuada disposición se consigue un par motor más regular y un volante menos voluminoso, en cual en algunos casos, se lo puede suprimir. Para estos motores se han ideado diversas disposiciones para los cilindros, siendo los más usuales las siguientes
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* En línea
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* En doble línea
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* En v o w
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* Opuestos
*
* En estrella
Los cilindros pueden estar aislados uno de otro, pero lo que más común es que constituyan una unidad denominada bloque de cilindros, particularmente cuando están dispuestos en estrellas.
Los cilindros aislados se emplean en los motores refrigerados por aire en los cuales las aletas los obliga a estar separados.
El bloque de cilindros tiene las siguientes ventajas:
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* Menor longitud y mayor rigidez del motor.
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* Simplificación de la refrigeración.
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* Y menor costo y mejor aspecto externo.
El "bloque de cilindros" se denomina integral cuando comprende los asientos de las guías de las válvulas, los pasos para el agua de refrigeración y parte de los conductos de aspiración y de escape; generalmente son de fundición.
Para disminuir el peso del motor el bloque de cilindros se lo puede construir con aleación de aluminio y camisas de fundición, las cuales también se las emplea cuando se desea tener la posibilidad de reemplazarlas. A su vez, los cilindros pueden tener:
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* Camisas secas: cuando la superficie externa de las mismas está en contacto con el "bloque de cilindros"
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* Camisas húmedas: cuando la superficie externa está directamente bañada por el agua.
Para la cámara de combustión de los cilindros, se han ideado diversas formas.
En la actualidad todos los motores tienen culatas independientes, sea en un bloque único como en los motores chicos, o en varios grupos de bloque como en el caso de grandes motores.
La unión de la culata con el bloque de cilindros se hace mediante pernos y la estanqueidad se asegura mediante una lámina de cobre o de acero con una capa de amianto.
El bloque es la parte principal del motor y suele estar fundido en una sola pieza.
A través de espárragos el bloque sujeta a la culata en su parte superior, sellando la unión por medio de la junta de la culata.
Motores de dos cilindros:
El motor de dos cilindros, funcionando en el ciclo de cuatro tiempos, muy utilizado en motocicletas, ha conseguido la marcha suave y flexible sin sacudidas a causa de las espaciadas explosiones y sin necesidad de un volante excesivo.
Los cilindros están dispuestos uno al lado del otro (en línea), los dos codos del cigüeñal están juntos, cuando uno desciende en explosión el otro lo hará en admisión, por ello hay una explosión por cada vuelta de cigüeñal, separados entre sí por intervalos iguales. El movimiento simultáneo e igual de émbolos y bielas, se equilibra mediante los contrapesos, que pueden formar uno solo en el centro, donde está el volante. Este puede tener su peso repartido en forma que equilibre al de bielas y pistones ayudando a actuar como contrapeso.
También se desarrollaron motores de dos cilindros uno frente al otro y se los llama "horizontales opuestos".
Motores en línea y en v
Los motores que tienen sus cilindros alineados en un solo bloque se denominan motores en línea. Cuando la cantidad de cilindros supera los seis da como resultado un motor exageradamente largo, con graves inconvenientes de construcción y colocación, pues ocuparía mucho espacio y los largos cigüeñales deberían ser muy robustos para soportar las vibraciones a la torsión.
Para evitar tales inconvenientes en motores de ocho cilindros o más, se fabrican en dos bloques, uno al lado del otro, formando ángulo y usando un solo cigüeñal común a los dos bloques. A este tipo de motores se los denomina motores en V (actualmente algunas marcas están imponiendo los motores de 6 cilindros en V).
Los conductos por donde circula el agua para refrigeración, forman parte integrante del bloque motor que se comunican con la culata a través de unas aberturas en la parte superior del bloque.
La disposición puede ser en línea (longitudinal), en V (en dos líneas formando ángulo entre sí), la más usual es de cuatro a seis cilindros en línea o de seis a ocho cilindros en V.
Cuanto mayor sea el número de cilindros, más suave será el funcionamiento del motor.
Cárter
Piezas de acero estampado que sirven de protección al motor para evitar el contacto con polvo exterior y el ingreso de agua. Hay por lo menos tres en cada motor:
Cárter superior: Sirve de apoyo a los cilindros y encierra los demás órganos del motor, a los que protege del polvo y del agua, tiene tres o cuatro apéndices solidarios a su cuerpo y que sirven para sujetar el motor a la cama que lo sujeta al casco. Lleva los cojinetes de apoyo al cigüeñal, que queda colgado del mismo. Generalmente forma una sola pieza con el bloque.
Cárter inferior: Sirve de depósito para el aceite de lubricación y un tapón para el vaciado del mismo. Está unido al block por medio de bulones y una junta entre ambos que le asegura hermeticidad.
Cárter de mando: En la parte delantera del motor y unido al cárter principal para proteger los engranajes de la distribución y de los órganos auxiliares.
Émbolo o Pistón y biela
El émbolo o pistón viene a ser la cara móvil de la cámara de expansión y desempeña la función de transmitir a la biela la fuerza generada por la expansión de los gases de combustión. Se encuentra sometido a altas temperaturas y debe ser capaz de transmitir el calor de los mismos a las paredes del cilindro desde las cuales, a su vez, el calor pasa al agua o al aire de refrigeración.
Además, la pared cilíndrica o faldilla debe resistir el desgaste debido al roce contra las paredes del cilindro y asegurar el estacionamiento de los gases para que estos no escapen a través del hueco entre el cilindro y el émbolo.
Esto último se consigue con la introducción de aros metálicos, los cuales pueden ser:
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* De compresión.
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* Rascadores de aceite (limpieza)
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* Recogedores de aceite.
Los aros deben ser elásticos como para poder colocarlos en las ranuras del émbolo y mantener la presión sobre el cilindro; y no ser tan duros que rasquen indebidamente la superficie del cilindro, pero lo suficiente para resistir el desgaste debido al rozamiento.
La cabeza del émbolo puede ser plana, cóncava o convexa y también tener una forma especial para guiar a la mezcla. La articulación entre el émbolo y la biela se efectúa mediante un perno que atraviesa el émbolo diametralmente por dos orificios. Este perno es de acero cementado y puede ser solidario con el émbolo o con el pie de la biela o estar libre, flotante.
El bulón de biela gira libre en sus alojamientos y en el pie de biela. Los frenillos impiden que se desplace horizontalmente y roce con las paredes del cilindro. Está fijo a la biela por medio de un perno o introducido a presión, sólo puede moverse en los alojamientos del pistón.
Cigüeñal
El cigüeñal transmite la fuerza del motor a la caja de cambio. Está fundido o forjado en una sola pieza. En el tiempo de explosión cada pistón impulsa al cigüeñal hacia abajo, mientras que en los otros tres tiempos, es el cigüeñal el que impulsa a los cilindros hacia arriba y abajo.
Como recibe varios impulsos en cada vuelta, violentos y aislados producidos por la explosión en cada cilindro, y a través de él se transmite toda la potencia que recibirá la hélice, resulta ser una de las piezas que más sufren del motor, por ello habrá de ser robusto con material de la mejor calidad y ha de estar perfectamente equilibrado para evitar vibraciones.
Válvulas
Las válvulas constan de cabeza y cola o vástago. La cabeza tiene forma de hongo, y tapa o abre el orificio de admisión o de escape, llamado asiento de la válvula. La cola se desliza por dentro de la guía; en el extremo opuesto a la cabeza se coloca el platillo, en el que apoya el resorte que cierra la válvula sobre su asiento. El resorte va apretado entre la parte inferior de la guía y la chaveta redonda.
Árbol de levas
Las levas son unas prominencias del árbol en que van montadas, que levantan las válvulas de los asientos cuando el saliente de la leva se aplica contra el rodillo o platillo del empujador.
Hay una leva por cada válvula, disponiéndose sobre un árbol. Si el árbol de levas gira la válvula empieza a levantarse para después cerrarse por acción de su resorte.
Durante dos vueltas del cigüeñal se realizan en cada cilindro los cuatro tiempos del ciclo. El árbol de levas gira a la mitad de velocidad del cigüeñal, logrado por engranajes de dientes en relación 2/1 en cantidad y diámetro. Esto permite que la válvula se abra una sola vez tanto en la admisión como en el escape en cada ciclo.
Mando del árbol de levas
Durante dos vueltas del cigüeñal se realizan en cada cilindro los cuatro tiempos del ciclo; la válvula correspondiente a la admisión de un cilindro se abrirá una sola vez cada dos vueltas del cigüeñal, es decir que el árbol de levas deberá dar una sola vuelta por cada dos del cigüeñal. El árbol de levas girará a la mitad de la velocidad del cigüeñal, por lo que el piñón del árbol de levas tendrá doble número de dientes que el cigüeñal, o sea doble diámetro, y como el cigüeñal gira a derecha, si están engranados el árbol de levas lo hará a la izquierda.
Sin embargo el mando más frecuente es a cadena, que enlaza el piñón del cigüeñal con el del árbol de levas, girando ambos en el mismo sentido.
El funcionamiento es más silencioso y el constructor puede colocar el árbol de levas donde más le convenga según su diseño.
Como la cadena, sea metálica o de tejido plástico con armadura metálica suele ceder con el uso, cuando es algo larga se le coloca un tensor que la mantiene tirante.
Volante:
El volante regulariza el movimiento del motor, consiste en una rueda pesada, de fundición o acero, que se monta en el extremo del cigüeñal. El volante recibe al embrague que sirve para transmitir o no a voluntad la transmisión del motor a la caja de velocidades. Sobre el borde del volante se suelen grabar unas referencias que sirven para el reglaje de la distribución y el encendido; en su contorno lleva un aro dentado para que pueda engranar el piñón del motor eléctrico de arranque.
Alimentación
El sistema de bombeo de combustible de un motor de combustión interna consta de un depósito, una bomba de combustible y un dispositivo que vaporiza o atomiza el combustible líquido. Se llama carburador al dispositivo utilizado con este fin en los motores Otto. En los motores de varios cilindros el combustible vaporizado se conduce a los cilindros a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión. Muchos motores cuentan con un colector de expulsión que transporta los gases producidos en la combustión. Cada cilindro toma el combustible y expulsa los gases a través de válvulas de cabezal o válvulas deslizantes. Un muelle mantiene cerradas las válvulas hasta que se abren en el momento adecuado, al actuar las levas de un árbol de levas rotatorio movido por el cigüeñal. En la década de 1980 este sistema de alimentación de una mezcla de aire y combustible se ha visto desplazado por otros sistemas más elaborados ya utilizados en los motores diesel. Estos sistemas, controlados por computadora, aumentan el ahorro de combustible y reducen la emisión de gases tóxicos.
Carburador
La carburación desempeña un papel fundamental, al permitir que el vehículo arranque con facilidad, acelere sin vacilaciones, circule de manera económica, rinda al máximo y no se detenga en pleno tráfico. En síntesis, su misión consiste en mezclar una determinada cantidad de gasolina con otra de aire, y en suministrar una proporción adecuada de esta mezcla vaporizada a cada cilindro para su combustión.
El proceso completo de carburación comienza en el momento en que se realiza la mezcla de gasolina con el aire, y termina cuando esta mezcla empieza a quemarse en los cilindros. De este modo, en la carburación intervienen los carburadores, el colector de admisión, las válvulas de admisión, e incluso las cámaras de combustión y los pistones.
El sistema de carburación proporciona gasolina al carburador. Este está formado por un depósito de carburante montado a distancia, una bomba que impulsa la gasolina hasta la cuba del carburador, y varios filtros que impiden la entrada de impurezas.
Relación aire/carburante.
Por regla general, una mezcla de aproximadamente 15 partes de aire y una de gasolina (denominada mezcla perfecta) asegura la completa combustión del carburante. Pero esta riqueza de la mezcla, o relación aire/carburante, no supone una potencia ni economía máximas. Para arrancar en tiempo frío puede ser necesaria una mezcla que comprenda una parte de aire y otra de combustible; para viajar a velocidad de crucero se necesitan, por ejemplo, 16 partes de aire por una de gasolina, lo que supone la máxima economía posible para dicha velocidad.
Las características que debe reunir la mezcla suelen ser las siguientes: riqueza para el arranque; menor riqueza para poca velocidad y ralentí; poca riqueza para velocidad moderada, y mucha riqueza para aceleraciones y velocidades altas.
La combustión del aire y la gasolina produce entre otros gases, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrocarburos y óxidos de nitrógeno.
En los Estados Unidos, la contaminación atmosférica, debida al desprendimiento de estas sustancias, muchas de las cuales son venenosas, está sujeta a una reglamentación oficial. En algunos países europeos, entre ellos España, se han adoptado medidas diversas en este sentido, lo que obliga a vigilar cuidadosamente los procesos de carburación y combustión. Esta situación ha estimulado a los investigadores en el campo de la carburación y ha motivado que renazca el interés por los llamados sistemas de inyección de gasolina.
Principio de la carburación.
El vacío parcial que se crea en el cilindro cuando los pistones descienden en el tiempo de admisión absorbe aire a la cámara de combustión. Este aire atraviesa el carburador; la cantidad que pasa esta limitada por una aleta basculante, llamada regulador de mariposa, cuya apertura y cierre se gobiernan desde el pedal del acelerador. La cantidad de aire absorbida depende de las revoluciones del motor y de la posición de la mariposa. El carburador tiene la misión de aportar a la corriente de aire una determinada cantidad de gasolina, para que después llegue a las cámaras de combustión una mezcla de riqueza adecuada.
La gasolina, que procede de la cuba del carburador, se incorpora a la corriente de aire a nivel de un estrechamiento del conducto, conocido con el nombre de venturi o difusor, cuyo funcionamiento se basa en el principio de que la presión de la corriente de aire disminuye conforme aumenta su velocidad. Al pasar la corriente de aire por el venturi aumenta su velocidad, y es precisamente en esta región de bajas presiones donde se absorbe la gasolina.
El caudal de aire será máximo cuando el motor funcione a muchas revoluciones con la válvula de mariposa totalmente abierta; y cuanto mayor sea la velocidad de la corriente de aire que pasa por el difusor mayor será la absorción de gasolina.
En la práctica, un carburador tan sencillo no resultaría satisfactorio ya que el aire y la gasolina no tienen las mismas características de flujo. Al aumentar la velocidad del aire, este pierde densidad; la de la gasolina se mantiene estable, cualquiera que sea su velocidad de flujo. Como el aire y la gasolina deben mezclarse en relación con su peso (aproximadamente en proporción de 15:1) para que la combustión sea eficaz, la mezcla se enriquecería progresivamente al aumentar el flujo de aire y disminuir su densidad. Llegaría un momento en que la mezcla sería demasiado rica.
Existen dos procedimientos para solucionar este problema. En un carburador de difusor fijo, una parte de aire se mezcla con la gasolina antes de abandonar el surtidor gracias a una serie de tubos emulsionadores o surtidores de compensación. En el carburador de difusor variable pueden variarse la cantidad de gasolina que abandona el surtidor y el paso del difusor.
La gasolina de la cuba del carburador se mantiene a nivel constante gracias a una válvula accionada por un flotador. El extremo del conducto de gasolina que desemboca en el difusor debe estar más alto que el nivel de gasolina en la cuba, para evitar la fuga de combustible si el vehículo se inclina (al subir una cuesta o al pasar por un camino con muchos baches, por ejemplo). Esto significa que antes de que se realice la mezcla, la gasolina ha de ser elevada un poco: en la práctica, alrededor de medio centímetro. La absorción producida por el vacío parcial eleva la gasolina.
Aparte de absorber la gasolina y el aire, el sistema de carburación debe vaporizar la gasolina, mezclarla bien con el aire y. después, distribuir la mezcla de manera uniforme a los cilindros. La gasolina ya se encuentra en forma de gotitas cuándo entra en el estrangulador: si se trata de un carburador de difusor fijo, habrá sido emulsionada con la mezcla previa de gasolina y aire; si se trata de un carburador de difusor variable, las gotitas habrán sido divididas por la velocidad de la corriente del aire. Cuando la mezcla de gasolina y aire pasa la válvula de mariposa, entra en una zona de vacío parcial, creada por la succión del pistón, y las gotitas de gasolina comienzan a evaporarse. La velocidad de evaporación depende del grado de vacío existente en el colector de admisión, que a su vez depende de las revoluciones del motor y de la posición de la válvula de mariposa. A gran velocidad, cuando la válvula está completamente abierta, puede suceder que el vacío sea tan bajo que la mayor parte de la gasolina se encuentre en estado líquido y sea transportada así en el aire o suba por las paredes del colector. A la velocidad de crucero, cuando la válvula de mariposa esta parcialmente cerrada, el vacío aumenta, y entonces la mayor parte de la gasolina estará vaporizada.
Cuando cada cilindro dispone de un carburador (o uno para cada dos), el hecho de que la gasolina se halle en estado líquido reviste poca importancia; seguirá llegando a la cámara de combustión, donde se evaporará por la acción del calor.
Pero si sólo hay un carburador para todos los cilindros, la distribución uniforme es de primordial importancia y será muy difícil de conseguir si la mezcla esta "húmeda".
Si se eleva la temperatura del colector de admisión con un "foco calorífico", calentado por los gases del escape o por agua, se conseguirá una mayor evaporación de la gasolina, favoreciéndose la distribución uniforme de la mezcla. Excepto cuando los motores están fríos, la evaporación se completa al penetrar la mezcla en los cilindros y entrar en contacto con la válvula de escape caliente, con las paredes del cilindro y con el gas que quede en él.
Colector de admisión.
El colector de admisión cumple dos funciones: facilita la vaporización de la mezcla de gasolina y aire procedente del carburador, y la distribuye a cada cilindro del modo más uniforme posible.
La distribución seria completamente uniforme si toda la mezcla se vaporizara en el carburador, pero no ocurre así en todo momento, por lo que parte de la gasolina llega al colector en estado liquido. Esto no revestiría gran importancia si el motor dispusiera de un carburador para cada cilindro, ya que cada uno de ellos recibiría la totalidad del carburante destinado a él. Pero si el carburador tiene que alimentar a mas de un cilindro, se necesitará un sistema adicional de vaporización para mejorar la distribución de la mezcla.
La vaporización adicional se puede conseguir con la ayuda de un foco calorífico, generalmente el colector de escape, que, de hecho, constituye un vaporizador auxiliar del combustible. Este foco se encuentra en la zona central del colector, en contacto con el de escape.
De este modo, en cuanto el motor arranca, se calienta la zona en la que es más probable que se formen gotitas de gasolina. Si en este punto se produjera un exceso de calor, podría originarse una pérdida de potencia, debida a la disminución de la densidad del aire. Para evitarlo, algunos focos caloríficos poseen una válvula gobernada por termostato, que se cierra si la temperatura del escape aumenta demasiado.
Si la disposición del motor dificulta la inclusión del punto caliente del escape, se puede calentar el colector de admisión con una "camisa de agua" alimentada por el sistema de refrigeración. Esta camisa produce una temperatura más constante en una zona más amplia, pero no es tan eficaz ni tan rápida para el arranque en frío como el foco caliente que proporciona el colector de escape.
La forma y la sección transversal del colector deben dificultar la formación de gotitas de carburante sin disminuir el paso de aire. A esto se debe la diversidad final de las formas y dimensiones de los colectores de admisión.
El estrangulador aumenta la riqueza de la mezcla para poder arrancar en tiempo frío.
Para arrancar el motor en tiempo frío se precisa una mezcla rica, con una relación aire/gasolina que oscile entre 1:1 y 3:1. Esto se consigue cerrando la mariposa del estrangulador desde el salpicadero.
Como el sistema de carburación esta frío y el flujo de aire por el venturi es pequeño debido a la lentitud de las primeras revoluciones del motor en el arranque, sólo una parte de la gasolina conseguirá vaporizarse.
Al comenzar las explosiones, el colector de admisión se calienta progresivamente. En este momento puede disminuirse la riqueza de la mezcla hasta 4:1 ó 6:1. lo que es fundamental para evitar la disolución del aceite y el desgaste de los cilindros. Esto ocurriría si el combustible líquido cayera por las paredes del cilindro. Una vez que el motor ha adquirido temperatura, basta con una mezcla 15:1.
Adaptación de la mezcla para diferentes velocidades.
Cuando se tira del mando del aire en el salpicadero para arrancar un motor frío se acciona una válvula de mariposa (a la que cierra un muelle), llamada estrangulador, y se abre ligeramente la mariposa del acelerador. Con esto se dificulta el paso de aire y se provoca una mayor succión de gasolina a través del surtidor principal. Así se consigue un enriquecimiento muy conveniente de la mezcla para el arranque. Cuando el motor entra en funcionamiento y adquiere revoluciones, el aire adicional absorbido hace que la mariposa del estrangulador se abra un poco, con lo que se empobrece la mezcla para evitar que el exceso de gasolina diluya el aceite que lubrica el bloque.
Si el motor ya está caliente, el movimiento de los pistones en el arranque produce un vacío parcial en el colector de admisión. Como la mariposa del acelerador esta cerrada, este vacío parcial actúa sobre el surtidor de ralentí y absorbe el combustible de la cuba a través del calibre principal y el de ralentí. El aire que va a unirse a este combustible se absorbe a través de una toma de aire adicional, con lo que se emulsiona la mezcla. Al fluir el combustible por el circuito de marcha lenta, baja el nivel en el pozo principal de emulsión y quedan al descubierto algunos orificios del emulsionador, por los que penetra aire que se mezclará con el combustible.
Al pisar el acelerador se abre la correspondiente válvula de mariposa y aumenta el flujo de aire a través del difusor. El vacío parcial debido al mayor paso de aire hace qué la mezcla emulsionada de gasolina y aire se eleve en el pozo y se una a la corriente principal de aire que atraviesa el venturi o difusor. Al mismo tiempo disminuye el vacío parcial del circuito de ralentí, con lo que se interrumpe en el flujo de combustible.
Para evitar en esta fase de transición cualquier empobrecimiento fortuito de la mezcla en el circuito de ralentí suelen incluirse orificios de "progresión".
Para poder proporcionar el combustible adicional necesario durante las aceleraciones y aperturas bruscas de la mariposa, algunos carburadores disponen de una bomba de aceleración. Esta bomba comprende un pozo (relleno de combustible), en cuyo interior existe un pistón accionado por un muelle, o una membrana, unido a la mariposa del acelerador. Al abrirse la mariposa, el pistón determina que el combustible del pozo se vierta por un conducto independiente.
Algunos carburadores permiten el ajuste del pistón para que vierta más o menos combustible, conveniente para el funcionamiento del motor en invierno y verano, respectivamente.
En nuestros días han aparecido numerosos tipos de carburadores de difusor fijo, con una complicada disposición de los conductos de gasolina calibres y surtidores. Su mayor ventaja es la supresión de partes móviles. La dosificación adecuada de gasolina y aire se consigue mediante calibres fijos y difusores de un diámetro determinado.
Carburador de difusor fijo.
El carburador de difusor fijo consta de varios calibres y de una bomba de aceleración que permiten variar la mezcla según las necesidades del motor.
Al aumentar su velocidad en el difusor, el aire pierde densidad y, si no existiera un dispositivo compensador, la mezcla se enriquecería hasta que fuese demasiado rica para arder.
El carburador de difusor fijo resuelve este problema mediante el sistema de compensación, que mezcla algo de aire con la gasolina antes de que ésta entre en el difusor. En la mayor parte de los carburadores la compensación se efectúa mediante un tubo perforado, que emulsiona la mezcla.
El calibre principal alimenta de gasolina a un pozo de emulsión en el que se encuentra el tubo perforado, cerrado en su parte superior por un calibre, que regula el paso del aire. Al aumentar las revoluciones del motor y disminuir el nivel de gasolina en el pozo, se intensifica la absorción de aire a través de una serie de orificios en el tubo empobreciendo la mezcla automáticamente.
Otra posibilidad consiste en la instalación de un calibre de compensación, además del calibre principal. Al descender el nivel de gasolina en un pozo colocado al lado de la cuba, se absorbe aire a través del calibre de compensación, de modo que el surtidor recibe una mezcla de aire y gasolina en lugar de gasolina sola.
La dimensión del calibre principal suele estar calculada para que produzca mezclas relativamente pobres, para que la velocidad de crucero resulte económica.
Para conseguir mezclas ricas, necesarias cuando se circula con el acelerador a tope, el carburador de difusor fijo dispone de un segundo surtidor, que funciona con grandes aperturas de mariposa. Esto suplementa al surtidor principal, que así puede tener un calibre reducido para mayor economía.
Carburador de difusor variable.
Al igual que el de difusor fijo, el carburador de difusor variable recibe una alimentación de carburante a nivel constante y dispone de una mariposa de acelerador y de un venturi. La diferencia principal estriba en que el estrechamiento del venturi puede variarse con objeto de mantener un vacío parcial casi constante en el surtidor principal.
El estrechamiento del venturi está gobernado por un pistón, cuya posición depende del grado de apertura de la mariposa del acelerador. Si esta está casi cerrada, como ocurre con el motor a ralentí, disminuye el flujo de aire a través del venturi. El peso y el muelle del pistón hacen que este descienda y solo quede un espacio muy reducido para la circulación del aire.
Al pisar el acelerador y abrirse la mariposa correspondiente, aumenta el paso de aire a través del venturi y se intensifica el vacío parcial por encima del pistón. Este vacío hace que el pistón suba, con lo que aumenta aun más el flujo de aire hacia el motor.
Una aguja de punta cónica unida al pistón, penetra en el surtidor de gasolina y regula el flujo de combustible. Al subir el pistón sube también la aguja y permite un mayor paso de gasolina.
Para enriquecer la mezcla durante la aceleración se emplea un amortiguador, que disminuye la velocidad de subida del pistón cuando se abre la mariposa del acelerador. Esto hace que aumente el vacío parcial a nivel del surtidor de gasolina. y un enriquecimiento temporal.
Como la presión del aire en el venturi permanece prácticamente constante a cualquier régimen de revoluciones del motor, no es preciso montar un circuito independiente para el ralentí, como ocurre en el carburador de surtidor fijo. La gasolina se une a la corriente de aire en el punto en que la velocidad de esta es máxima, asegurándose una atomización eficaz del combustible.
La riqueza de la mezcla de ralentí puede alterarse por medio de un tornillo de ajuste, que regula la posición del surtidor. Las revoluciones del motor al ralentí se controlan mediante otro tornillo, que actúa de tope de la mariposa del acelerador.
Tipos de carburadores
Carburador SU tipo H.
La marca SU fabrica una amplia gama de carburadores de difusor variable que sólo se diferencian por el sistema de montaje del surtidor y por el de alimentación del carburante desde la cuba. El tipo H es el más generalizado y se fabrica en diferentes diámetros de paso.
La cámara de vacío dispone de un alojamiento que sirve de guía al pistón. Este pistón ajusta lo mejor posible en su alojamiento, lo cual es imprescindible para evitar un paso excesivo de aire por él. El pistón posee un conducto central relleno de aceite, con un pequeño émbolo que actúa como amortiguador.
La toma principal de aire comunica con la cámara de vacío a través de un taladro en el pistón que permite la absorción de aire de la cámara.
En el SU, la cuba es independiente del resto del carburador y se une a él en forma rígida por medio de un tornillo o por un soporte flexible de goma.
El carburante llega al surtidor por un tubo flexible corto. La posición del surtidor puede variarse desplazándolo sobre un casquillo enmangado en el cuerpo del carburador. El ajuste se realiza con un tornillo que actúa sobre una articulación.
Al tirar del mando del estrangulador situado en el salpicadero, para arrancar el motor en tiempo frío, el mecanismo del surtidor desciende unos 10 mm. con lo que aumenta la salida de gasolina y se enriquece la mezcla; también se abre ligeramente la mariposa del acelerador.
Carburador Stromberg.
Aunque su funcionamiento se basa en el mismo principio de presión constante que el SU, el carburador Stromberg CDS tiene algunas características que le hacen diferente. En vez de un pistón de ajuste hermético, la cámara de vacío contiene un diafragma flexible.
La cuba rodea al surtidor y contiene dos flotadores montados sobre el mismo vástago, uno a cada lado del surtidor.
Gracias a los dos flotadores, este tipo de carburador acusa menos los efectos de la inundación de gasolina, que se puede producir si el coche se inclina (baches, cuestas empinadas). El surtidor principal está unido a un tornillo de ajuste con un muelle, el mecanismo del surtidor se sitúa en su correspondiente alojamiento, cuya estanqueidad se logra con anillos elásticos. Al igual que ocurre con los carburadores SU, se pueden montar diversos tipos de agujas y muelles de pistón, según el reglaje que se pretenda hacer del carburador.
Una válvula de disco, accionada por el mando del estrangulador, proporciona la mezcla precisa para el arranque en frío. Al girar esta válvula, se absorbe gasolina desde la cuba y se alimenta una serie de orificios que desembocan en el cuerpo del carburador. La válvula esta conectada a la mariposa del acelerador mediante una leva. Al funcionar esta válvula, la mariposa del acelerador se abre ligeramente. La válvula tiene dos posiciones, una para verano y otra para invierno.
Para evitar que el coche funcione al ralentí con mezclas demasiado ricas en tiempo caluroso, se puede montar otra válvula. Esta se acciona por un muelle bimetal, sensible a la temperatura del aire, que aumente la entrada de aire al carburador
Carburadores dobles.
Antiguamente, la mayor parte de los turismos sólo poseían un carburador; pero en la actualidad muchos disponen de carburadores dobles e incluso triples, con los que se consigue un mayor rendimiento. En América y en gran parte de Europa es corriente ver carburadores de varios cuerpos. Si en un motor de 4 cilindros se montan dos carburadores independientes, suelen incorporárseles colectores cortos en horquilla, cada uno de los cuales alimentan 2 cilindros. La misma disposición existe en los motores de 6 cilindros y tres carburadores. Si se emplean dos carburadores de doble cuerpo, cada cuerpo alimenta un cilindro (en el motor de 4 cilindros).
En coches de elevado rendimiento se emplean con frecuencia soportes flotantes de carburador para evitar la formación de espuma en el carburante a causa de la vibración, lo que ahogaría el motor; otra opción es el uso de carburadores mixtos.
En todas las instalaciones de carburadores múltiples se precisa unir los colectores independientes con un tubo equilibrador para evitar desigualdades en la alimentación.
Sistema de admisión resonante
El objetivo de esta técnica es introducir la mayor cantidad de aire posible en los cilindros, para mejorar el rendimiento volumétrico y energético del motor.
Para un volumen dado del cilindro, cuanto más volumen de aire se pueda hacer pasar a través de las válvulas de admisión, más se puede aumentar la potencia del motor.
Para aumentar el volumen de aire por encima de la capacidad geométrica de los cilindros se recurre a la compresión y enfriamiento del mismo.
En los motores turbo el incremento de volumen se consigue comprimiendo el aire en forma de pulsos a través de los colectores de admisión.
En un Porsche 911 Carrera, a 6.000 vueltas la frecuencia es de unos 150 pulsos por segundo y la presión de cada uno de ellos es de 0,6 bar.
Pero, para que la resonancia sea efectiva, los pulsos de del aire que se mueven por los colectores, tienen que llegar sincronizados ("en fase"), con la apertura de las válvulas de admisión, y esto para todos los regímenes de vueltas del motor.
Para conseguirlo hay que adaptar la geometría (longitud y diámetro) de los colectores de admisión.
Como las válvulas de admisión se abren secuencialmente, se utilizan válvulas de mariposa que se cierran y abren en los momentos oportunos, para repartir el aire aspirado hacia los cilindros en condiciones resonantes.
Sistema Varioram del Porsche 911
El sistema Varioram de Porsche emplea colectores de admisión de geometría variable, para conseguir que el efecto de la resonancia se pueda aprovechar en todos los regímenes de vueltas, y no tan sólo a un régimen elevado, como es el caso de las admisiones de geometría fija.
En el Porsche 911 GT3 la válvula de resonancia se cierra a 2.500 r.p.m. y se abre a 5.600 r.p.m. para adaptar la geometría de los colectores de admisión a las condiciones óptimas de resonancia, pulsos de aire resonante en los colectores de admisión
Las zonas más intensas, representan los pulsos a una presión de unas 0,6 bar. Las zonas menos intensas, son zonas de presión más baja.
Para conseguir un llenado óptimo del cilindro, las válvulas tienen que estar abiertas en el mismo instante en que llega el pulso de presión alta.
Este principio, también se utiliza en los sistemas de escape, con el fin de conseguir un barrido óptimo de los gases quemados dentro del cilindro.
La inyección en el motor.
Al inicio de la última década de nuestro siglo, la inyección de gasolina se está perfilando como el sistema definitivo de alimentación de los motores de explosión, de modo que puede conjeturarse fácilmente que la inyección se va a imponer de una manera total dentro de un corto espacio de tiempo.
Las ventajas de la inyección son manifiestas y están avaladas por los miles de motores que están aplicando esta tecnología, demostrando de una manera clara, que han conseguido unas más altas prestaciones, a la vez que menores consumos con respecto a iguales motores dotados con carburador.
Para un buen funcionamiento de un motor de gasolina, se precisa una buena proporción de mezcla aire-gasolina. Esta proporción, teóricamente necesaria es de 14´7 : 1 y deberá variarse según las condiciones de rendimiento del motor.
A esta proporción se le llama estequiométrica y viene a decirnos que para la combustión de 1 litro de gasolina, precisamos entre 8000 y 10000 litros de aire. Como se ha mencionado, es un valor teórico y variable.
La relación entre el volumen de aire aspirado y el volumen teóricamente necesario para una correcta combustión nos da el parámetro lambda.
Teniendo como referencia: lambda = 1, volumen de aire aspirado, corresponde con el teórico necesario; lambda < 1 falta de aire (mezcla rica); lambda > 1 exceso de aire (mezcla pobre); lambda > 1´3 la mezcla ya no es inflamable.
En la práctica los valores para lambda comprendidos entre 0´9 y 1´1 son los más adecuados. No obstante se pretende mantener el coeficiente dentro de unos límites, para ello hay que determinar con exactitud el caudal de aire aspirado y el dosaje de combustible. Se puede decir que la situación ideal se produce, cuando todo el aire que está entrando en el cilindro es quemado, aprovechando al máximo el poder calorífico de la gasolina y mejorando el rendimiento.
La forma más idónea para realizar este aprovechamiento del aire, es medirlo, y en función de la cantidad de aire que ha entrado en el cilindro, realizar el cálculo de la gasolina que ha de entrar en el mismo, así aseguraremos una buena combustión de la mezcla. En esencia éste es el parámetro en el que se basa principalmente cualquier sistema de inyección de gasolina. No obstante, cada equipo realiza las correcciones oportunas, según las condiciones de marcha del motor.
Desde que se crearon los motores, los sistemas de preparación de mezcla, carburación normal, carburación pilotada y equipos de inyección, pretenden realizar la mezcla lo más ajustada posible para cada necesidad de motor.
Hasta hace poco, el principal sistema de preparación de mezcla era el carburador. Sobre este sistema se aplicó la carburación pilotada, que una vez analizados los gases de escape, un circuito electrónico realiza un reglaje de caudal de los calibres del carburador.
Pero el sistema más empleado en la actualidad, es la inyección de la gasolina sobre los colectores de admisión, dándose un menor consumo (se crean turbulencias de aire favorables para un mejor llenado del cilindro), mayor potencia (debido al mejor llenado de los cilindros), mejor comportamiento de marcha (por la inyección de la cantidad exacta de gasolina en el momento preciso) y baja emisión de elementos contaminantes (por una mejor combustión, debido a la precisión en la proporción de la mezcla). Todo esto es debido a una mezcla muy homogénea y precisa, con un mejor llenado de los cilindros.
En los inicios de la aplicación de los equipos de inyección de gasolina, se aplicaba la inyección directa en el cilindro, puesto que estaban basados en los motores Diesel, seguidamente se aplicó la inyección indirecta, dando mayor facilidad para la construcción, alargando la vida de los inyectores y teniendo la posibilidad del acoplamiento a motores preparados para la carburación. En la actualidad, el sistema más empleado es éste, la inyección indirecta.
La inyección indirecta puede realizarse principalmente de dos modos, realizando la inyección en los colectores de admisión, delante de las válvulas de admisión, para lo cual se necesita una válvula de inyección por cilindro (equipos multipunto), o bien en el colector central a través de un único inyector (equipos monopunto).
Entre los sistemas de inyección multipunto, se puede hacer una clasificación atendiendo a la secuencia de inyección. Se puede distinguir la inyección continua, la cual inyecta gasolina constantemente, la cual entrará a la cámara de combustión cuando se abra la válvula de admisión; y la inyección discontinua, la cual a su vez tiene dos modalidades: de forma simultánea, en la que todos los inyectores se abren a la vez y una vez por cada tiempo de motor; y secuencial, en el que cada inyector deja abierto el paso de gasolina sólo en el preciso momento en que la válvula de admisión está abierta, de forma que la gasolina entra directamente a la cámara de combustión.
En general, un inyector se puede definir como una válvula a la cual se le hace llegar gasolina a presión por sus conductos, y esta comandada por una unidad de control la cual abre el inyector un tiempo determinado en función a varios parámetros, como son: el valor de la sonda lambda, temperatura del motor (agua y aceite), revoluciones del motor, temperatura del aire en la admisión, posición del pedal del acelerador, etc. Los parámetros con que se va a regir, dependerán del fabricante.
La sonda lambda.
Para un correcto funcionamiento de un sistema de inyección, es básica la llamada sonda lambda.
Esta sonda crea una diferencia de potencial, debida a la diferencia de oxígeno detectada entre el aire atmosférico y los gases de escape, informando de la composición momentánea de la mezcla. Si la sonda lambda detecta poca proporción de oxígeno en los gases de escape, mandará señal a la unidad de control de que se está produciendo una mezcla rica, debiendo corregirse, inyectando menos gasolina, y viceversa, si detecta mucha cantidad de oxígeno en el escape, se crea mezcla pobre, debiendo corregirse, inyectando más cantidad de gasolina.
Con estas correcciones se pretende que el motor trabaje con la mezcla estequiométrica, haciendo que ni se pare el motor por falta de combustible, ni que se desperdicie gasolina por un exceso de ésta, haciendo que se produzca una combustión mejor y menos contaminante.
Sobrealimentación
Qué es y por qué se utiliza:
Para llevar a cabo la combustión completa de los hidrocarburos del combustible, es necesario aportar la cantidad suficiente de oxígeno, el cual no está en cantidad mayoritaria en el aire.
Cuanto más combustible seamos capaces de introducir en los cilindros del motor, mayor será la potencia que se podrá obtener, pero mayor será la masa de aire necesaria para quemarlo; de esta necesidad surge la idea de los motores sobrealimentados.
La sobrealimentación consiste en establecer a la entrada de los cilindros del motor una atmósfera de aire con una densidad superior a la normal de forma que para un mismo volumen de aire, la masa de ese aire es mayor; para ello se utilizan una serie de accesorios que serán diferentes según el tipo de sobrealimentador que se utilice.
Según el método empleado para conseguir esta densidad superior a la normal (comprimir el aire) podemos distinguir
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* Compresores Volumétricos: utilizan parte del par transmitido por el motor.
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* Turbocompresores y Sistema Comprex: en ambos sistemas se aprovecha la energía de los gases de escape.
Funcionamiento de los compresores volumétricos:
Los compresores volumétricos funcionan acoplados directamente al cigüeñal del motor, que transmite el giro a alguna parte del compresor volumétrico (según del tipo que se trate) que a su vez introduce el aire a alta presión en los cilindros del motor.
La ventaja fundamental sobre los turbocompresores es que los efectos de los compresores volumétricos se aprecian incluso a regímenes bajos del motor.
Su desventaja es que roban parte de la potencia del motor para poder funcionar (aunque luego la devuelven con creces).
Algunas de las marcas comerciales de compresores desarrollados son:
1) COMPRESOR EATON ROOTS 1:
Se trata de una máquina pura de circulación, en las que no se comprime el aire. La presión de carga efectiva no se crea hasta llegar al colector de admisión.
Esta versión sencilla con rotores de dos álabes origina una presión relativamente baja, y además la crea muy despacio al aumentar el régimen de giro.
La potencia absorbida se sitúa para una sobrepresión de 0,6 bares y paso máximo de aire, en 12.2 CV.
El rendimiento del compresor Roots no es muy alto y además empeora con el aumento del régimen de giro.
La capacidad de suministro sólo supera el 50% en una gama muy limitada. El aire comprimido se calienta extraordinariamente.
2) CROMPRESOR EATON ROOTS 2:
Al igual que el anterior tampoco comprime el aire internamente, sin embargo la sobrepresión de carga, bajo las mismas condiciones, alcanza un máximo más elevado.
La potencia absorbida se sitúa en sólo 8 CV y la temperatura del aire se eleva menos.
El rendimiento de este compresor supera el 50% en una gama más alta.
3) COMPRESOR VOLUMÉTRICO DE PISTONES ROTATIVOS WANKEL:
Su funcionamiento es similar al del compresor roots, pero variando sustancialmente su geometría. De esta manera se mejoraron notablemente las propiedades.
La sobrepresión que se alcanza es alta. La potencia absorbida para una presión de 0,6 bares y máximo paso de aire alcanza 8.2 CV. La temperatura del aire no se eleva mucho.
El rendimiento está por encima del 50% para capacidad de circulación media y en una pequeña gama que incluso supera el 60%.
4) COMPRESOR DE HÉLICE SPRINTEX:
Este compresor fabricado en Escocia presenta un elevado consumo de energía, para una baja capacidad de suministro, con el máximo en casi 11 CV. La causa parece radicar en los cojinetes lisos del compresor Sprintex que ayudados por el rozamiento interno eleva mucho la temperatura del aire.
El rendimiento no es muy bueno y sólo con alta sobrepresión y un elevado grado de paso de aire se acerca al 50%.
5) COMPRESOR PIERBURG DE PISTÓN ROTATIVO:
Este compresor tiene un parentesco cinématico con el motor Wankel. Un rotor de tres álabes describe una trayectoria circular en un tambor rotativo con cuatro cámaras. Las cámaras en su rotación van cambiando de volumen y por lo tanto el aire se comprime dentro del compresor.
El consumo de energía es muy bajo también en carga parcial, entre 2.7 y 8.2 CV. La elevación de la temperatura es reducida. El rendimiento del compresor supera el 50% en una amplia gama de capacidad media de suministro
6) COMPRESOR KKK DE PISTÓN ROTATIVO:
Es una modificación del compresor Roots. El rotor gira en un tambor que lo envuelve, que también gira por su parte.
La creación de la sobrepresión de carga y el paso del aire es muy rápido en el KKK.
La potencia necesaria para conseguir una elevada presión y un alto grado de flujo es relativamente baja, con valores que se acercan a los 8 CV.
El aire se calienta muy poco por la sobrepresión. El rendimiento del compresor KKK es muy bueno y en una amplia gama ronda el 50% y en una gama más pequeña supera el 60%.
7) COMPRESOR G DE VOLKSWAGEN:
Se diferencia de otros modelos sobre todo porque no se compone de elementos en rotación para conseguir la circulación. La compresión del aire en el conducto del caracol es consecuencia de un movimiento oscilante de la pieza interior.
La característica de suministro del compresor G cumple el requisito de una rápida creación de presión. Una elevada capacidad de circulación se gana aquí con un bajo consumo de energía, ya que las pérdidas por rozamiento son muy pequeñas en los cojinetes del compresor G. El rendimiento alcanza en determinadas gamas de carga, máximos del 60%.
El compresor G de Volkswagen ya no se utiliza, y se ha estado incorporando en algunos motores del W. Polo, W Golf y W. Passat durante menos de una década.
Ventajas e inconvenientes del compresor.
Ventajas:
Al contrario de lo que solía pasar con los turbos, en los compresores volumétricos la sobrepresión máxima se alcanza desde bajo número de revoluciones, lo cual facilita la conducción al aportar esta sobrealimentación extra en todo el rango de funcionamiento del motor.
En motores de pequeña cilindrada el compresor mecánico es ventajoso porque en ellos puede trabajar con un buen rendimiento, y dar resultados a bajo régimen similares al de motores de gran cilindrada. Se calcula que el límite de validez ronda los motores entre 1.6 y 2 litros.
Inconvenientes:
Los compresores volumétricos suelen ser de un gran tamaño y peso.
Consumen potencia directamente del motor que en ocasiones para regímenes de giro altos pueden alcanzar los 20 CV.
Es difícil conseguir la estanqueidad de los compresores, especialmente a bajas revoluciones, lo cual disminuye notablemente el rendimiento.
El turbocompresor:
El sistema consta esencialmente de dos ruedas de paletas, denominadas turbina y compresor, que giran solidariamente unidas por un eje en el interior de sendas carcasas independientes.
La carcasa de la turbina está comunicada con el colector de escape, mientras que la correspondiente al compresor conecta directamente con el colector de admisión. Los gases de escape, a su salida del colector y antes de ser expulsados al exterior, son enviados a la carcasa de la turbina debido a lo cual ésta comienza a girar a un elevadísimo número de revoluciones (más de 100.000 r.p.m). El compresor unido mediante un eje a la turbina se ve obligado a girar arrastrado a idéntico régimen de giro que ésta. Esto produce una sobrepresión en el colector de admisión por lo que el aire de admisión es impulsado hacia los cilindros a una presión superior a la atmosférica.
Gracias a esta sobrepresión conseguimos mayor densidad en el aire que introducimos en los cilindros.
Ventajas e inconvenientes del turbo.
Ventajas:
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* Obtención de elevadas potencias a partir de cilindradas reducidas.
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* Reducción del consumo de combustible.
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* Reducción de peso y volumen del motor en comparación con motores de aspiración atmosférica de similar potencia ya que los cilindros de estos últimos serán de mayores dimensiones.
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* Ruidos de funcionamiento relativamente menores que en motores de aspiración atmosférica ya que el turbo actúa como silenciador de los gases de escape y del aire o mezcla aire-gasolina.
Inconvenientes:
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* Potencias reducidas a bajas revoluciones. Cuando se lleva poco pisado el acelerador y por lo tanto un régimen de vueltas bajo, los gases de escape se reducen considerablemente y esto provoca que el turbo apenas trabaje. La respuesta del motor entonces es poco brillante salvo que se utilize una marcha convenientemente corta que aumente el régimen de giro.
*
* El mantenimiento del turbo es más exigente que el de un motor atmosférico.
*
* Los motores turbo requieren un aceite de mayor calidadad y cambios de aceite más frecuentes, ya que éste se encuentra sometido a condiciones de trabajo más duras al tener que lubricar los cojinetes de la turbina y del compresor frecuentemente a muy altas temperaturas.
*
* Los motores turboalimentados requieren mejores materiales y sistemas de lubricación y refrigeración más eficientes.
Sistema Intercooler
El sistema intercooler consiste en un intercambiador de calor en el que se introduce el aire que sale del turbocompresor para enfriarlo antes de introducirlo en los cilindros del motor.
Al enfriar el aire disminuye la densidad de éste por lo que para el mismo volumen de los cilindros se puede introducir mayor masa de aire y así mejorar el rendimiento del motor.
El turbo del futuro:
Una de las mejoras más necesarias en los motores turboalimentados tiene que ver con su prestación a bajo régimen. Avances en este apartado implican una mejora en la prestación de la turbina, junto a mayores flujos y rendimientos del compresor.
Para conseguir esto una de las últimas técnicas empleadas es la utilización de turbinas de admisión variable. Con esta técnica se mejoran tanto los valores máximos de par y potencia como la respuesta a cualquier régimen.
El peso es otro aspecto a mejorar. En sus últimos modelos, Garrett (fabricante de turbocompresores) ha llegado a reducir el peso en más del 50% (de los 7 Kg del modelo T3 a los 3 Kg del GT12).
En los turbo para motores de gasolina otra necesidad es el aumento de la fiabilidad a alta temperatura. A plena carga se pueden pasar de 1000ºC en la turbina y el material más habitual, denominado inconel, sufre cambios en su estructura a partir de esos grados. En el futuro se usará acero austenítico inoxidable para el envolvente, costoso en la actualidad, pero garantizado por su uso en competición
Arranque
Al contrario que los motores y las turbinas de vapor, los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan, lo que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que pueda iniciarse el ciclo (momento de una fuerza). Los motores de automoción utilizan un motor eléctrico (el motor de arranque) conectado al cigüeñal por un embrague o clutch automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado, algunos motores pequeños se arrancan a mano girando el cigüeñal con una cadena o tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante del cigüeñal. Otros sistemas de encendido de motores son los motores de inercia, que aceleran el volante manualmente o con un motor eléctrico hasta que tiene la velocidad suficiente como para mover el cigüeñal, y los iniciadores explosivos, que utilizan la explosión de un cartucho para mover una turbina acoplada al motor. Los iniciadores de inercia y los explosivos se utilizan sobre todo para arrancar motores de aviones.
El sistema de encendido
La misión principal del sistema de encendido es provocar la explosión en el interior del cilindro en el momento adecuado.
En los motores diesel esta explosión se produce en el momento en que se inyecta el gasoil, gracias a la alta temperatura del aire en el interior del cilindro provocada por la gran presión que se origina al ascender el pistón
En un principio se pensó en utilizar este método en los motores de gasolina, aunque en este caso comprimiendo la mezcla aire-combustible. El resultado fue negativo, ya que el momento en que se producía la explosión era difícil de controlar, e interesa que ésta sea en el instante determinado.
Por esto en los motores de gasolina la explosión se provoca en las bujías en el momento adecuado, dependiendo éste del régimen de giro, pero siempre antes de que el pistón alcance el punto muerto superior.
fRanco cHivo- El que sirve los tragos
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Re: Las partes de un motor a explosión
por fRanco cHivo Mar 31 Jul 2012 - 17:46
Componentes
El sistema de encendido produce la chispa necesaria para que se produzca la explosión de la mezcla dentro del cilindro.
El elemento encargado de provocar esta explosión en cada cilindro es la bujía
La corriente que llega a las bujías debe ser de alta tensión, por lo menos de 14000 V, pero teniendo en cuenta posibles pérdidas del sistema deben generarse hasta 30000 V.
El elemento encargado de elevar la tensión que se obtiene de la batería (aproximadamente12 V ) hasta los 30000 V necesarios es la bobina.
El distribuidor es el elemento encargado de transmitir la corriente a cada bujía en el momento adecuado según el orden de encendido.
La batería
La batería suministra electricidad al sistema de encendido, al motor de arranque, a los faros, a los indicadores de dirección (intermitentes) y al resto del equipo eléctrico del automóvil.
Mientras el motor del automóvil esté en funcionamiento la batería se estará recargando gracias a la corriente que recibe del alternador, que funciona movido por una correa que conecta directamente con el cigüeñal del motor.
La batería actúa como reserva de la energía necesaria para el arranque del motor, y para el funcionamiento de cualquier componente del sistema eléctrico del automóvil cuando el motor de éste no esté en funcionamiento.
La bobina
La bobina es la encargada de transformar la tensión de la batería, de unos 12 V, en una tensión de unos 30000 V que requieren las bujías para su funcionamiento.
Su funcionamiento se basa en el principio de que cuando una bobina es atravesada por un campo magnético variable aparece en ella una corriente; y cuando una bobina es recorrida por una corriente, aparece un campo magnético que atraviesa su núcleo.
Así, el arrollamiento primario es recorrido por una corriente eléctrica alimentada por la batería que provocará un campo magnético autoinducido. Éste atravesará también el arrollamiento secundario. Cuando la corriente eléctrica que recorre el primario sufra alguna variación de intensidad, el campo magnético también variará, lo que dará lugar a la aparición de una corriente eléctrica inducida que recorrerá el secundario. Ésta corriente es la que llegará a las bujías
Distribuidor (cabeza del delco)
Es el encargado de repartir a las bujías la corriente de alta tensión siguiendo un orden preestablecido.
Se compone de dos piezas principales:
a) Una móvil llamada pipa o dedo del distribuidor fijada sobre el eje de giro del delco. Está constituida por una tapa de baquelita encajada sobre el eje del delco que va provista de una toma para recoger la corriente de alta tensión y de una escobilla distribuidora de corriente que no llega a tocar a cada uno de los contactos que conectan con las bujías (a décimas de milímetro).
b) Otra parte fija denominada tapa compuesta por una serie de tomas de corriente en igual número que el de cilindros del motor(o bujías); en el caso de una bujía por cilindro, no así en los sistemas de doble encendido.
Ruptor o platinos
El ruptor es el elemento encargado de cortar periódicamente la corriente que circula por el primario de la bobina.
Está alejado en el interior del delco y está constituído por dos contactos de platino iridiado o de wolframio, siendo accionado uno de los contactos por una leva, permaneciendo el otro fijo.
Cuando los platinos se separan, la corriente que recorre el arrollamiento primario de la bobina se interrumpe momentáneamente. Esto da lugar a un campo magnético variable atravesando el arrollamiento secundario por lo que se induce en éste una corriente que será la que llega a las bujías. Esta corriente será de baja intensidad pero de alto voltaje.
Avance del encendido
Uno de los principales problemas de los sistemas de encendido en MEP (motores de encendido provocado) es conseguir que la explosión de la mezcla se produzca en el momento adecuado. Ésta debe producirse en las cercanías del PMS (punto muerto superior) para aprovechar la mayor parte de la energía liberada en la explosión.
Desde que salta el arco voltaico hasta que se completa la combustión transcurre cierto tiempo, por lo que la "chispa" deberá saltar antes de que el pistón llegue a su punto más alto, es decir en el ascenso, de ahí la importancia del avance del encendido.
El avance del encendido depende principalmente de tres factores:
*
* Régimen de giro: Al aumentar el régimen de giro del motor el avance del encendido debe ser mayor.
*
* Grado de carga del motor: Cuando disminuye el grado de carga del motor, disminuye la velocidad de combustión de la mezcla y por lo tanto debe aumentar el avance del encendido.
*
* Dosaje o proporción de aire: Para mezclas especialmente ricas o especialmente pobres el avance del encendido debe aumentar.
En el motor se incorporan distintos sistemas de avance del encendido que actuarán en función de cual sea el motivo por el que se requiera la corrección del avance.
Avance centrífugo
Funciona básicamente en función del régimen de giro del motor.
Consiste en unas masas (contrapesos) que al girar a la velocidad del eje del delco y gracias a la fuerza centrífuga tienden a separarse del centro de giro. El desplazamiento de los contrapesos hace girar a la leva del ruptor respecto al eje del delco. Esto provoca un adelanto en el momento de dar la chispa a la bujía ya que el ruptor adelanta su apertura.
Avance neumático
Actúa principalmente en función del grado de carga del motor.
El avance neumático se pone especialmente de manifiesto cuando el grado de carga es bajo, o cuando se produce una solicitación brusca.
Se obtiene gracias al vacío parcial que se produce en el colector de admisión al abrirse un poco la mariposa del acelerador. La depresión actúa sobre un diafragma que a través de una varilla, modifica la posición relativa entre el patín del ruptor y la leva, avanzando así el encendido.
El condensador
Cuando debido a la separación de los contactos del ruptor se interrumpe el campo magnético que atraviesa la bobina aparece en el bobinado primario una corriente de alta tensión suficientemente elevada como para formar un arco voltaico entre los contactos.
Este arco voltaico daría lugar a calentamiento que dañarían los contactos en poco tiempo. Par evitar esto se coloca el condensador en paralelo con el ruptor. El condensador actúa como un almacén de energía que absorbe el pico de intensidad que se produce al abrirse el ruptor.
La bujía
En las bujías se producen las chispas eléctricas que inflaman la mezcla de aire y gasolina en los cilindros del motor.
Estas chispas, se producen haciendo saltar, a través de los electrodos de las bujías la corriente de alta tensión que se crea en la bobina.
La bujía está compuesta por:
Un electrodo metálico que atraviesa por el centro un aislamiento de porcelana.
Una pieza metálica, unida a la cubierta, que actúa como electrodo de masa.
Aislante cerámico que aísla por completo el electrodo central, y se encarga de que la corriente de alta tensión circule por este electrodo.
La carcasa o cuerpo metálico que actúa como soporte de todos los elementos de la bujía y como anclaje al bloque motor.
Grado térmico de la bujía
Según la capacidad de las bujías para disipar calor de la zona de encendido de la bujía hacia el sistema de refrigeración podemos distinguir:
BUJÍA CALIENTE
Tiene la punta del aislante larga por lo que transmite con dificultad el calor hacia la zona de refrigeración.
Estas bujías son adecuadas para motores que trabajen en condiciones de bajas temperaturas y frecuentes paradas. También son adecuadas para motores lentos (poco revolucionados) o poco comprimidos.
BUJÍA FRÍA
Tienen la punta del aislante corta y por lo tanto mayor facilidad para disipar calor.
Son muy apropiadas para motores muy revolucionados.
El encendido directo: Chispas de alta potencia
En los más modernos motores a nafta para automóviles ya no vemos cables de bujías ni un distribuidor. En estas máquinas el encendido es directo y sus componentes electrónicos están agrupados en un módulo que puede tener la forma de un casete. Con un sistema de ignición de estas características, libre totalmente de mantenimiento y a prueba de fallas, se obtienen muy potentes chispas en las bujías y alta eficiencia de la planta motriz.
Primero se hicieron intentos con tubos incandescentes calentados por la llama de un mechero tipo Bunsen, y después apareció el encendido eléctrico. Las débiles chispas que se producían entre los electrodos de las primitivas bujías apenas si lograban encender la mezcla de aire y nafta en los cilindros.
Los progresos en el desarrollo de los sistemas de encendido fueron laboriosos y lentos hasta que apareció la electrónica del estado sólido. A partir del transistor todo se transformó rápidamente y se fueron sucediendo los encendidos electrónicos, cada vez más avanzados, hasta llegar al encendido directo de nuestros días, considerado como uno de los más importantes logros técnicos de la historia del automóvil junto a los frenos ABS y las suspensiones activas.
El encendido directo a casete inaugura una nueva era de motores altamente eficientes y poco contaminantes. La bobina de encendido esta colocada directamente encima de la bujía y un poco más arriba al circuito electrónico integrado en el casete.
El encendido a casete
Como un ejemplo de encendido directo de última generación se puede describir básicamente al desarrollado por Saab y que se denomina SDI (Saab Direct Ignition), el que se combina con la inyección de nafta (sistema "Trionic") y que opera de acuerdo a los siguientes principios:
- Es un sistema capacitivo, que asegura un voltaje de encendido de 40.000 voltios, sin pérdidas de corriente.
- Es completamente computadorizado y no tiene distribuidor, partes móviles o cables de alta tensión.
- El sistema está incorporado en un casete metálico.
- Cada bujía dispone de su propia y compacta bobina de encendido de alta potencia.
- Los pulsos de alta tensión son controlados por múltiples sensores.
- Una microcomputadora controla al proceso de encendido, y ajusta los grados de avance de acuerdo a una amplia variedad de condiciones de operación.
- La combustión es controlada continuamente y en forma individual para cada cilindro por medio de un registro de la ionización del gas.
Los sistemas inductivos de encendido tradicionales tienen la desventaja de ser relativamente lentos. Le toma a un sistema de esta naturaleza unos 20 microsegundos para llegar al nivel apropiado de voltaje, lo que es suficiente como para que se produzcan derivaciones de corriente, por ejemplo, a través de bujías sucias. Muchos automovilistas se encuentran con este problema en la forma de fallas al arrancar el motor en tiempo frío, o cuando la humedad ambiente es alta.
Al contrario de lo que sucede con el sistema inductivo, en el capacitivo el voltaje es elevado en dos pasos. Primero, los 12 voltios de la batería se transforman en 400 voltios. Después de un corto período de almacenamiento en un capacitor o condensador, el voltaje es elevado nuevamente, hasta los 40.000 voltios.
En el sistema capacitivo SDI la bobina de encendido requiere menos vueltas que un sistema inductivo, por lo que puede ser más pequeña. En la instalación SDI el voltaje de encendido se obtiene en un microsegundo, es decir que es 20 veces más rápido que los encendidos convencionales.
Formas compactas
Debido al empleo de una bobina por cilindro se elimina el riesgo de pérdidas de corriente por derivación y problemas en las conexiones. La corriente que llega a las bobinas del sistema SDI es de unos 400 voltios, y la segunda etapa de 40.000 voltios no se aplica hasta el momento del encendido. Las bobinas individuales y todos los componentes que operan a una tensión superior a los 12 voltios se ubican en un casete metálico, el que junto con la tapa de cilindros de aluminio provee una efectiva barrera contra las interferencias de radio. Las conexiones de goma en las bobinas, que se aplican en las bujías, permiten un rápido desmontaje o colocación del casete.
Sensores de precisión
El sistema SDI incorpora sensores de gran precisión que registran el régimen del motor, la carga motriz y otros parámetros. Las señales son procesadas en la microcomputadora digital, y se envían las órdenes a las bobinas de encendido para producir la chispa en el momento exacto. En este sistema el punto de encendido se mantiene inalterable durante toda la vida útil del motor. El casete puede ser tocado con las manos durante el funcionamiento del motor sin riesgos de contacto eléctrico.
Gracias al corto tiempo de carga del sistema de encendido directo Saab SDI, al arrancar el motor se suministra una importante serie de chispas a las bujías (izquierda), en lugar de sólo una. (a la derecha).
La función "multichispa"
Otra original cualidad del sistema SDI es la "multichispa", que garantiza un arranque seguro de la planta motriz, incluso con las bujías húmedas, desgastadas o sucias. En cada arranque del motor, el sistema SDI se programa automáticamente para suministrar un número de 40.000 chispas -aproximadamente 50 en una fracción de segundo- a la próxima bujía en el orden de encendido.
Esta serie de chispas quema cualquier depósito interno de las bujías. Después que el motor arranque y al llegar a un régimen de 600 rpm, el SDI conmuta al encendido normal, y suministra únicamente una chispa por cilindro y ciclo de operación.
Y si el motor se niega a arrancar de inmediato por alguna razón, el sistema SDI ofrece otra característica adicional: cuando el conductor gira la llave hacia la posición inicial, la instalación de encendido suministra una enorme cantidad de chispas -unas 1.000- en todos los cilindros simultáneamente, después de lo cual el conductor puede tratar de arrancar el motor nuevamente.
Cambiar la fisonomía del encendido
Con excepción de las bujías, los componentes de los sistemas de encendido más modernos presentan una fisonomía bien distinta a las piezas que hasta ahora nos eran familiares como la bobina, el distribuidor y hasta los cables de alta tensión.
Las bobinas, por ejemplo, siguen existiendo, pero ahora tienen extrañas formas, las que responden a las necesidades de las plantas motrices de última generación. Es así como tenemos que buscar "cajas negras" en el recinto motor donde se esconden los componentes del encendido. Una de ellas, en el encendido directo, está ubicada inmediatamente encima de las bujías, y en su interior, además de las bobinas, encontramos misteriosos "chips" y otros elementos informáticos miniatura, como los sensores y los microprocesadores digitales.
Las clásicas bujías de encendido todavía resisten los violentos embates de sus adversarios en potencia, como los proyectores láser, que pretenden encender la mezcla de aire y combustible con un diminuto pero enérgico impulso luminoso... Todo esto parece de ciencia-ficción, pero la realidad nos dice que nos acercamos a rápidos pasos a una era en que los fabricantes apelarán a cuanto recurso tecnológico tengan a su alcance, para concebir plantas de propulsión cada vez más "limpias" y eficientes.
Los cables de alta tensión están pasando a la historia, lo mismo que el distribuidor y cualquier otro componente que acuse movimiento. Ahora todo es "estático", digital y muy preciso.
Sistema de refrigeración:
Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben disponer de algún tipo de sistema de refrigeración. Algunos motores estacionarios de automóviles y de aviones y los motores fuera de borda se refrigeran con aire. Los cilindros de los motores que utilizan este sistema cuentan en el exterior con un conjunto de láminas de metal que emiten el calor producido dentro del cilindro. En otros motores se utiliza refrigeración por agua, lo que implica que los cilindros se encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los automóviles se hace circular mediante una bomba. El agua se refrigera al pasar por las láminas de un radiador. En los motores navales se utiliza agua del mar para la refrigeración.
Menos de una cuarta parte de la energía calorífica consumida en el motor es transformada en fuerza útil. El resto del calor debe dispersarse de modo que el motor no se caliente excesivamente, e impida que trabaje adecuadamente, y se produzca una posible corrosión.
Existen dos tipos de refrigeración principalmente:
*
* Refrigeración directa
*
* Refrigeración indirecta
Las partes fundamentales de un sistema de refrigeración usual (indirecta) son las siguientes:
*
* Una envoltura que rodea las partes calientes del motor: cilindros, cámaras de combustión y conductos de escape
*
* Un radiador por el que se refrigera por aire el agua que llega caliente del motor.
*
* Un ventilador que impulsa aire hacia el radiador
*
* Unas tuberías en la parte superior e inferior del radiador, que unen éste al motor para formar un circuito cerrado.
*
* Una bomba que fuerza la circulación del agua a través del sistema de refrigeración .
*
* Un termostato, colocado en la salida del agua del motor, que reduce la circulación del agua de refrigeración hasta que el motor adquiere la temperatura normal de funcionamiento. La misión del termostato es cerrar el paso del agua hacia el radiador.
*
* Un tapón con válvula de sobrepresión, para elevar el punto de ebullición del agua, y evita la formación de bolsas de vapor próximas a las cámaras de combustión. Generalmente mantiene la presión a 0.5Kg/cm2 y el agua no hervirá hasta 112ºC.3
Existen dos tipos principalmente: de fuelle y de cera
Refrigeración directa o a aire
En el sistema directo circula aire entre las aletas externas provistas en los cilindros y en la culata
Si no existe un sistema forzado de aire no podrá realizarse la refrigeración de todos los cilindros especialmente si éstos se hallan en línea.
Los cilindros de la parte posterior del motor resultarían mal refrigerados por el propio aire que penetra al coche, por ello se emplea un ventilador que establece una corriente de aire sobre los cilindros, regulado por un termostato.
En los cilindros y culatas existen unas aletas que aumentan la superficie de contacto con el aire, las zonas más calientes del motor tendrán mayor número de estas aletas.
Un motor refrigerado por aire es siempre más ruidoso que uno refrigerado por agua (sistema indirecto) porque las cámaras de agua absorben la mayor parte del ruido del motor
Refrigeración indirecta:
En el sistema indirecto circula refrigerante que suele ser agua por unos conductos dispuestos por el interior del motor El radiador disipa el calor del agua caliente que circula por el sistema de refrigeración.
El agua caliente procede de la culata y penetra en la cámara superior del radiador después de atravesar el termostato y fluye hacia abajo, atravesando el haz, en el que pierde el calor. Los tubos llevan aletas acopladas para aumentar la superficie de contacto con el aire. El agua refrigerada pasa a la cámara inferior del radiador y vuelve después al motor a través de la bomba de agua.
En la mayoría de los radiadores hay un espacio libre entre la superficie del agua y la parte superior del radiador para permitir la expansión del agua. El posible vapor escapa a través del rebosadero, aunque en otros modelos sale del radiador y pasa a un depósito de expansión. Al enfriarse el agua vuelve al radiador (circuito de sellado).
Como no hay pérdidas de agua en un buen funcionamiento del sistema, se suele llenar de fábrica con una mezcla adecuada de agua y anticongelante. Por lo general se aconseja el inspeccionar el nivel de esta mezcla periódicamente por si han habido pérdidas que ocasionarían recalentamientos del motor que podrían ser irreparables.
La Bomba de agua
La bomba constituye la parte fundamental que crea la circulación forzada, suele estar situada en la parte delantera del motor, y accionada por la correa del ventilador. Toma el agua de la parte inferior del radiador y la impulsa al bloque motor, refrigerando primero las camisas, y luego la culata, desde donde a través del termostato vuelve a la cámara superior del radiador
Un pequeño volumen va a parar al sistema de calefacción, y en algunos modelos otra parte va al colector de admisión sin pasar por el termostato.
La bomba con aletas centrifuga el agua contra la carcasa de la bomba, y la canaliza hacia el bloque.
Cuando el termostato cierra el paso del líquido de refrigeración hacia el radiador, el rodete sigue girando, y el agua sólo circula por el motor a través de un conducto en derivación.
Escape
El escape lo forman todos los elementos que contribuyen a conducir los gases quemados hasta la salida.
La existencia de elementos que dificulten la emisión de los gases de escape penalizará el correcto vaciado de impurezas del cilindro, el llenado de combustible nuevo no será completo y por tanto no se podrá obtener toda la potencia que correspondería teóricamente al caso en el que el vaciado fuese total. Entre estos frenos se encuentran los sistemas silenciosos y los catalizadores, que han debido de instalarse como consecuencia de las nuevas normas de contaminación admitida del medio ambiente
El sistema de encendido produce la chispa necesaria para que se produzca la explosión de la mezcla dentro del cilindro.
El elemento encargado de provocar esta explosión en cada cilindro es la bujía
La corriente que llega a las bujías debe ser de alta tensión, por lo menos de 14000 V, pero teniendo en cuenta posibles pérdidas del sistema deben generarse hasta 30000 V.
El elemento encargado de elevar la tensión que se obtiene de la batería (aproximadamente12 V ) hasta los 30000 V necesarios es la bobina.
El distribuidor es el elemento encargado de transmitir la corriente a cada bujía en el momento adecuado según el orden de encendido.
La batería
La batería suministra electricidad al sistema de encendido, al motor de arranque, a los faros, a los indicadores de dirección (intermitentes) y al resto del equipo eléctrico del automóvil.
Mientras el motor del automóvil esté en funcionamiento la batería se estará recargando gracias a la corriente que recibe del alternador, que funciona movido por una correa que conecta directamente con el cigüeñal del motor.
La batería actúa como reserva de la energía necesaria para el arranque del motor, y para el funcionamiento de cualquier componente del sistema eléctrico del automóvil cuando el motor de éste no esté en funcionamiento.
La bobina
La bobina es la encargada de transformar la tensión de la batería, de unos 12 V, en una tensión de unos 30000 V que requieren las bujías para su funcionamiento.
Su funcionamiento se basa en el principio de que cuando una bobina es atravesada por un campo magnético variable aparece en ella una corriente; y cuando una bobina es recorrida por una corriente, aparece un campo magnético que atraviesa su núcleo.
Así, el arrollamiento primario es recorrido por una corriente eléctrica alimentada por la batería que provocará un campo magnético autoinducido. Éste atravesará también el arrollamiento secundario. Cuando la corriente eléctrica que recorre el primario sufra alguna variación de intensidad, el campo magnético también variará, lo que dará lugar a la aparición de una corriente eléctrica inducida que recorrerá el secundario. Ésta corriente es la que llegará a las bujías
Distribuidor (cabeza del delco)
Es el encargado de repartir a las bujías la corriente de alta tensión siguiendo un orden preestablecido.
Se compone de dos piezas principales:
a) Una móvil llamada pipa o dedo del distribuidor fijada sobre el eje de giro del delco. Está constituida por una tapa de baquelita encajada sobre el eje del delco que va provista de una toma para recoger la corriente de alta tensión y de una escobilla distribuidora de corriente que no llega a tocar a cada uno de los contactos que conectan con las bujías (a décimas de milímetro).
b) Otra parte fija denominada tapa compuesta por una serie de tomas de corriente en igual número que el de cilindros del motor(o bujías); en el caso de una bujía por cilindro, no así en los sistemas de doble encendido.
Ruptor o platinos
El ruptor es el elemento encargado de cortar periódicamente la corriente que circula por el primario de la bobina.
Está alejado en el interior del delco y está constituído por dos contactos de platino iridiado o de wolframio, siendo accionado uno de los contactos por una leva, permaneciendo el otro fijo.
Cuando los platinos se separan, la corriente que recorre el arrollamiento primario de la bobina se interrumpe momentáneamente. Esto da lugar a un campo magnético variable atravesando el arrollamiento secundario por lo que se induce en éste una corriente que será la que llega a las bujías. Esta corriente será de baja intensidad pero de alto voltaje.
Avance del encendido
Uno de los principales problemas de los sistemas de encendido en MEP (motores de encendido provocado) es conseguir que la explosión de la mezcla se produzca en el momento adecuado. Ésta debe producirse en las cercanías del PMS (punto muerto superior) para aprovechar la mayor parte de la energía liberada en la explosión.
Desde que salta el arco voltaico hasta que se completa la combustión transcurre cierto tiempo, por lo que la "chispa" deberá saltar antes de que el pistón llegue a su punto más alto, es decir en el ascenso, de ahí la importancia del avance del encendido.
El avance del encendido depende principalmente de tres factores:
*
* Régimen de giro: Al aumentar el régimen de giro del motor el avance del encendido debe ser mayor.
*
* Grado de carga del motor: Cuando disminuye el grado de carga del motor, disminuye la velocidad de combustión de la mezcla y por lo tanto debe aumentar el avance del encendido.
*
* Dosaje o proporción de aire: Para mezclas especialmente ricas o especialmente pobres el avance del encendido debe aumentar.
En el motor se incorporan distintos sistemas de avance del encendido que actuarán en función de cual sea el motivo por el que se requiera la corrección del avance.
Avance centrífugo
Funciona básicamente en función del régimen de giro del motor.
Consiste en unas masas (contrapesos) que al girar a la velocidad del eje del delco y gracias a la fuerza centrífuga tienden a separarse del centro de giro. El desplazamiento de los contrapesos hace girar a la leva del ruptor respecto al eje del delco. Esto provoca un adelanto en el momento de dar la chispa a la bujía ya que el ruptor adelanta su apertura.
Avance neumático
Actúa principalmente en función del grado de carga del motor.
El avance neumático se pone especialmente de manifiesto cuando el grado de carga es bajo, o cuando se produce una solicitación brusca.
Se obtiene gracias al vacío parcial que se produce en el colector de admisión al abrirse un poco la mariposa del acelerador. La depresión actúa sobre un diafragma que a través de una varilla, modifica la posición relativa entre el patín del ruptor y la leva, avanzando así el encendido.
El condensador
Cuando debido a la separación de los contactos del ruptor se interrumpe el campo magnético que atraviesa la bobina aparece en el bobinado primario una corriente de alta tensión suficientemente elevada como para formar un arco voltaico entre los contactos.
Este arco voltaico daría lugar a calentamiento que dañarían los contactos en poco tiempo. Par evitar esto se coloca el condensador en paralelo con el ruptor. El condensador actúa como un almacén de energía que absorbe el pico de intensidad que se produce al abrirse el ruptor.
La bujía
En las bujías se producen las chispas eléctricas que inflaman la mezcla de aire y gasolina en los cilindros del motor.
Estas chispas, se producen haciendo saltar, a través de los electrodos de las bujías la corriente de alta tensión que se crea en la bobina.
La bujía está compuesta por:
Un electrodo metálico que atraviesa por el centro un aislamiento de porcelana.
Una pieza metálica, unida a la cubierta, que actúa como electrodo de masa.
Aislante cerámico que aísla por completo el electrodo central, y se encarga de que la corriente de alta tensión circule por este electrodo.
La carcasa o cuerpo metálico que actúa como soporte de todos los elementos de la bujía y como anclaje al bloque motor.
Grado térmico de la bujía
Según la capacidad de las bujías para disipar calor de la zona de encendido de la bujía hacia el sistema de refrigeración podemos distinguir:
BUJÍA CALIENTE
Tiene la punta del aislante larga por lo que transmite con dificultad el calor hacia la zona de refrigeración.
Estas bujías son adecuadas para motores que trabajen en condiciones de bajas temperaturas y frecuentes paradas. También son adecuadas para motores lentos (poco revolucionados) o poco comprimidos.
BUJÍA FRÍA
Tienen la punta del aislante corta y por lo tanto mayor facilidad para disipar calor.
Son muy apropiadas para motores muy revolucionados.
El encendido directo: Chispas de alta potencia
En los más modernos motores a nafta para automóviles ya no vemos cables de bujías ni un distribuidor. En estas máquinas el encendido es directo y sus componentes electrónicos están agrupados en un módulo que puede tener la forma de un casete. Con un sistema de ignición de estas características, libre totalmente de mantenimiento y a prueba de fallas, se obtienen muy potentes chispas en las bujías y alta eficiencia de la planta motriz.
Primero se hicieron intentos con tubos incandescentes calentados por la llama de un mechero tipo Bunsen, y después apareció el encendido eléctrico. Las débiles chispas que se producían entre los electrodos de las primitivas bujías apenas si lograban encender la mezcla de aire y nafta en los cilindros.
Los progresos en el desarrollo de los sistemas de encendido fueron laboriosos y lentos hasta que apareció la electrónica del estado sólido. A partir del transistor todo se transformó rápidamente y se fueron sucediendo los encendidos electrónicos, cada vez más avanzados, hasta llegar al encendido directo de nuestros días, considerado como uno de los más importantes logros técnicos de la historia del automóvil junto a los frenos ABS y las suspensiones activas.
El encendido directo a casete inaugura una nueva era de motores altamente eficientes y poco contaminantes. La bobina de encendido esta colocada directamente encima de la bujía y un poco más arriba al circuito electrónico integrado en el casete.
El encendido a casete
Como un ejemplo de encendido directo de última generación se puede describir básicamente al desarrollado por Saab y que se denomina SDI (Saab Direct Ignition), el que se combina con la inyección de nafta (sistema "Trionic") y que opera de acuerdo a los siguientes principios:
- Es un sistema capacitivo, que asegura un voltaje de encendido de 40.000 voltios, sin pérdidas de corriente.
- Es completamente computadorizado y no tiene distribuidor, partes móviles o cables de alta tensión.
- El sistema está incorporado en un casete metálico.
- Cada bujía dispone de su propia y compacta bobina de encendido de alta potencia.
- Los pulsos de alta tensión son controlados por múltiples sensores.
- Una microcomputadora controla al proceso de encendido, y ajusta los grados de avance de acuerdo a una amplia variedad de condiciones de operación.
- La combustión es controlada continuamente y en forma individual para cada cilindro por medio de un registro de la ionización del gas.
Los sistemas inductivos de encendido tradicionales tienen la desventaja de ser relativamente lentos. Le toma a un sistema de esta naturaleza unos 20 microsegundos para llegar al nivel apropiado de voltaje, lo que es suficiente como para que se produzcan derivaciones de corriente, por ejemplo, a través de bujías sucias. Muchos automovilistas se encuentran con este problema en la forma de fallas al arrancar el motor en tiempo frío, o cuando la humedad ambiente es alta.
Al contrario de lo que sucede con el sistema inductivo, en el capacitivo el voltaje es elevado en dos pasos. Primero, los 12 voltios de la batería se transforman en 400 voltios. Después de un corto período de almacenamiento en un capacitor o condensador, el voltaje es elevado nuevamente, hasta los 40.000 voltios.
En el sistema capacitivo SDI la bobina de encendido requiere menos vueltas que un sistema inductivo, por lo que puede ser más pequeña. En la instalación SDI el voltaje de encendido se obtiene en un microsegundo, es decir que es 20 veces más rápido que los encendidos convencionales.
Formas compactas
Debido al empleo de una bobina por cilindro se elimina el riesgo de pérdidas de corriente por derivación y problemas en las conexiones. La corriente que llega a las bobinas del sistema SDI es de unos 400 voltios, y la segunda etapa de 40.000 voltios no se aplica hasta el momento del encendido. Las bobinas individuales y todos los componentes que operan a una tensión superior a los 12 voltios se ubican en un casete metálico, el que junto con la tapa de cilindros de aluminio provee una efectiva barrera contra las interferencias de radio. Las conexiones de goma en las bobinas, que se aplican en las bujías, permiten un rápido desmontaje o colocación del casete.
Sensores de precisión
El sistema SDI incorpora sensores de gran precisión que registran el régimen del motor, la carga motriz y otros parámetros. Las señales son procesadas en la microcomputadora digital, y se envían las órdenes a las bobinas de encendido para producir la chispa en el momento exacto. En este sistema el punto de encendido se mantiene inalterable durante toda la vida útil del motor. El casete puede ser tocado con las manos durante el funcionamiento del motor sin riesgos de contacto eléctrico.
Gracias al corto tiempo de carga del sistema de encendido directo Saab SDI, al arrancar el motor se suministra una importante serie de chispas a las bujías (izquierda), en lugar de sólo una. (a la derecha).
La función "multichispa"
Otra original cualidad del sistema SDI es la "multichispa", que garantiza un arranque seguro de la planta motriz, incluso con las bujías húmedas, desgastadas o sucias. En cada arranque del motor, el sistema SDI se programa automáticamente para suministrar un número de 40.000 chispas -aproximadamente 50 en una fracción de segundo- a la próxima bujía en el orden de encendido.
Esta serie de chispas quema cualquier depósito interno de las bujías. Después que el motor arranque y al llegar a un régimen de 600 rpm, el SDI conmuta al encendido normal, y suministra únicamente una chispa por cilindro y ciclo de operación.
Y si el motor se niega a arrancar de inmediato por alguna razón, el sistema SDI ofrece otra característica adicional: cuando el conductor gira la llave hacia la posición inicial, la instalación de encendido suministra una enorme cantidad de chispas -unas 1.000- en todos los cilindros simultáneamente, después de lo cual el conductor puede tratar de arrancar el motor nuevamente.
Cambiar la fisonomía del encendido
Con excepción de las bujías, los componentes de los sistemas de encendido más modernos presentan una fisonomía bien distinta a las piezas que hasta ahora nos eran familiares como la bobina, el distribuidor y hasta los cables de alta tensión.
Las bobinas, por ejemplo, siguen existiendo, pero ahora tienen extrañas formas, las que responden a las necesidades de las plantas motrices de última generación. Es así como tenemos que buscar "cajas negras" en el recinto motor donde se esconden los componentes del encendido. Una de ellas, en el encendido directo, está ubicada inmediatamente encima de las bujías, y en su interior, además de las bobinas, encontramos misteriosos "chips" y otros elementos informáticos miniatura, como los sensores y los microprocesadores digitales.
Las clásicas bujías de encendido todavía resisten los violentos embates de sus adversarios en potencia, como los proyectores láser, que pretenden encender la mezcla de aire y combustible con un diminuto pero enérgico impulso luminoso... Todo esto parece de ciencia-ficción, pero la realidad nos dice que nos acercamos a rápidos pasos a una era en que los fabricantes apelarán a cuanto recurso tecnológico tengan a su alcance, para concebir plantas de propulsión cada vez más "limpias" y eficientes.
Los cables de alta tensión están pasando a la historia, lo mismo que el distribuidor y cualquier otro componente que acuse movimiento. Ahora todo es "estático", digital y muy preciso.
Sistema de refrigeración:
Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben disponer de algún tipo de sistema de refrigeración. Algunos motores estacionarios de automóviles y de aviones y los motores fuera de borda se refrigeran con aire. Los cilindros de los motores que utilizan este sistema cuentan en el exterior con un conjunto de láminas de metal que emiten el calor producido dentro del cilindro. En otros motores se utiliza refrigeración por agua, lo que implica que los cilindros se encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los automóviles se hace circular mediante una bomba. El agua se refrigera al pasar por las láminas de un radiador. En los motores navales se utiliza agua del mar para la refrigeración.
Menos de una cuarta parte de la energía calorífica consumida en el motor es transformada en fuerza útil. El resto del calor debe dispersarse de modo que el motor no se caliente excesivamente, e impida que trabaje adecuadamente, y se produzca una posible corrosión.
Existen dos tipos de refrigeración principalmente:
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* Refrigeración directa
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* Refrigeración indirecta
Las partes fundamentales de un sistema de refrigeración usual (indirecta) son las siguientes:
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* Una envoltura que rodea las partes calientes del motor: cilindros, cámaras de combustión y conductos de escape
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* Un radiador por el que se refrigera por aire el agua que llega caliente del motor.
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* Un ventilador que impulsa aire hacia el radiador
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* Unas tuberías en la parte superior e inferior del radiador, que unen éste al motor para formar un circuito cerrado.
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* Una bomba que fuerza la circulación del agua a través del sistema de refrigeración .
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* Un termostato, colocado en la salida del agua del motor, que reduce la circulación del agua de refrigeración hasta que el motor adquiere la temperatura normal de funcionamiento. La misión del termostato es cerrar el paso del agua hacia el radiador.
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* Un tapón con válvula de sobrepresión, para elevar el punto de ebullición del agua, y evita la formación de bolsas de vapor próximas a las cámaras de combustión. Generalmente mantiene la presión a 0.5Kg/cm2 y el agua no hervirá hasta 112ºC.3
Existen dos tipos principalmente: de fuelle y de cera
Refrigeración directa o a aire
En el sistema directo circula aire entre las aletas externas provistas en los cilindros y en la culata
Si no existe un sistema forzado de aire no podrá realizarse la refrigeración de todos los cilindros especialmente si éstos se hallan en línea.
Los cilindros de la parte posterior del motor resultarían mal refrigerados por el propio aire que penetra al coche, por ello se emplea un ventilador que establece una corriente de aire sobre los cilindros, regulado por un termostato.
En los cilindros y culatas existen unas aletas que aumentan la superficie de contacto con el aire, las zonas más calientes del motor tendrán mayor número de estas aletas.
Un motor refrigerado por aire es siempre más ruidoso que uno refrigerado por agua (sistema indirecto) porque las cámaras de agua absorben la mayor parte del ruido del motor
Refrigeración indirecta:
En el sistema indirecto circula refrigerante que suele ser agua por unos conductos dispuestos por el interior del motor El radiador disipa el calor del agua caliente que circula por el sistema de refrigeración.
El agua caliente procede de la culata y penetra en la cámara superior del radiador después de atravesar el termostato y fluye hacia abajo, atravesando el haz, en el que pierde el calor. Los tubos llevan aletas acopladas para aumentar la superficie de contacto con el aire. El agua refrigerada pasa a la cámara inferior del radiador y vuelve después al motor a través de la bomba de agua.
En la mayoría de los radiadores hay un espacio libre entre la superficie del agua y la parte superior del radiador para permitir la expansión del agua. El posible vapor escapa a través del rebosadero, aunque en otros modelos sale del radiador y pasa a un depósito de expansión. Al enfriarse el agua vuelve al radiador (circuito de sellado).
Como no hay pérdidas de agua en un buen funcionamiento del sistema, se suele llenar de fábrica con una mezcla adecuada de agua y anticongelante. Por lo general se aconseja el inspeccionar el nivel de esta mezcla periódicamente por si han habido pérdidas que ocasionarían recalentamientos del motor que podrían ser irreparables.
La Bomba de agua
La bomba constituye la parte fundamental que crea la circulación forzada, suele estar situada en la parte delantera del motor, y accionada por la correa del ventilador. Toma el agua de la parte inferior del radiador y la impulsa al bloque motor, refrigerando primero las camisas, y luego la culata, desde donde a través del termostato vuelve a la cámara superior del radiador
Un pequeño volumen va a parar al sistema de calefacción, y en algunos modelos otra parte va al colector de admisión sin pasar por el termostato.
La bomba con aletas centrifuga el agua contra la carcasa de la bomba, y la canaliza hacia el bloque.
Cuando el termostato cierra el paso del líquido de refrigeración hacia el radiador, el rodete sigue girando, y el agua sólo circula por el motor a través de un conducto en derivación.
Escape
El escape lo forman todos los elementos que contribuyen a conducir los gases quemados hasta la salida.
La existencia de elementos que dificulten la emisión de los gases de escape penalizará el correcto vaciado de impurezas del cilindro, el llenado de combustible nuevo no será completo y por tanto no se podrá obtener toda la potencia que correspondería teóricamente al caso en el que el vaciado fuese total. Entre estos frenos se encuentran los sistemas silenciosos y los catalizadores, que han debido de instalarse como consecuencia de las nuevas normas de contaminación admitida del medio ambiente
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