Principios del Motor. Principios del Motor

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1 Principios del Motor 1

2 Capítulo 1. Qué es un motor? 1. Qué es un Motor? Tipos de Motores Diagrama de Motor Fuerza Expansiva & Fuerza de Inercia Motor Recíproco Carreras de Admision & Escape Carreras de Compresión & Combustión. 8. Estructura del Motor Motor Diesel Motor de Combustión Interna Motor de Explosión pobre... Capítulo 2. Bloque de cilindros y componentes móviles 1. Bloque de cilindros Cilindro Camara de Agua Pistón Anillos de pistón Biela Eje Cigueñal Cuerpo del cigueñal Bancada Volante Eje de balanceo, balance para la fuerza de inercia secundaria... Capítulo 3. Culata 1. Culata Leva & eje de levas Accionamiento del eje de levas Válvulas de Admisión & Escape Sistema de accionamiento de Válvulas.. 6. Sincronización de Válvulas Sincronización Variable de Válvulas Malfuncionamiento de válvula Sobre revoluciones & Zona roja... Capítulo 4. Sistema de Admisión 1. Aumento de eficiencia volumétrica Efecto de Inercia de Entrada & Efecto de pulsación Sistema de Admisión Variable Sistema de Admisión Válvula de la mariposa & Multiple de Admisión... Capítulo 5. Sistema de escape 1. Sistema de Escape Efecto de inercia de escape & Efecto de pulsacion Componentes del gas de escape Relación aire combustible & Componentes de escape Sistema de Purificación de escape Dispositivo de recirculación del gas de escape (Blow-by)... Capítulo 6. Cargador 1. Tipos de cargadores Turbocargador Presión de refuerzo & Relación de Compresión Turbo Lag Sistema de sobrecarga & Calor Supercargador... Capítulo 7. Sistema de Lubricación 1. Función del aceite en el motor Métodos de Lubricación Componentes del sistema de lubricación 4. Aceite de Motor... Capítulo 8. Sistema de refrigeración 1. Sistema de refrigeración Radiador Refrigeración de la culata Sobrecalentamiento... 2

3 Capítulo 9. Sistema de Combustible 1. Carburador Sistema mecánico de Inyección de combustible Sistema electronico de inyección de combustible Sistema de suministro de combustible... Capítulo 10. Sistema de encendido 1. Encendido tipo punto Encendido total con transistor Encendido sin distribuidor Bujía... Capítulo 11. Combustión y cámara de combustión 1. Proceso de Combustión Relación A/F & Velocidad de la llama Tiempo de encendido Efecto de turbulencia Detonación Combustión anormal Forma de la cámara de combustión Válvula de admisión-escape & Camara de combustión Pistón & Cámara de combustión... Capítulo 12. Desempeño. Consumo de combustible, ruido y vibración. 1. Desempeño requerido Qué es Potencia? Método de representación de Potencia.. 4. Qué es el Torque? Aumento de potencia Potencia & Relación C/D Potencia & Relación de Compresión Incremento de potencia en altas rpm Característica transiente & Respuesta Disposición de cilindros & Rendimiento 11. Relación de consumo de combustible Potencia & Eficiencia de combustible Eficiencia de combustible del vehículo. 14. Vibración del motor Ruidos en el motor... 3

4 Capítulo 1. Qué es un motor? 1. Qué es un motor? Este libro presenta el motor del automóvil especialmente el motor a gasolina. Sin embargo, es muy difícil definir el motor, es decir, qué es un motor? En conceptos generales, el motor es el mecanismo que convierte continuamente la energía de las fuentes naturales como el fuego, el viento o materiales eléctricos en energía. Hay muchos tipos de energía y ellas son conducidas de diferentes maneras. Por lo tanto, podemos definir el motor a gasolina, como un tipo de mecanismo de combustión, en otras palabras, es el mecanismo que cambia el calor adquirido por la combustión de gasolina en fuerza mecánica para mover los vehículos. Cómo el la energía del calor convertida en energía mecánica? Por ejemplo, una botella u olla. Cuando se calientan, la tapa se mueve con un sonido. El calor adquirido desde el gas o la energía Hay una cosa importante. La fuerza de movimiento no proviene de la energía del calor, sino que del aire caliente o vapor por el trabajo del calor. eléctrica hace hervir el agua de modo que el vapor de agua levanta la tapa de la botella o la olla. 4

5 Estos medios son necesarios para el cambio de energía. Este medio es el fluido de trabajo en terminología tecnológica. El fluido para el trabajo del motor a gasolina es el aire que ingresa al motor y luego es convertido en combustión y escape. Combustible Combustión Generación de calor Expansión del aire Sin embargo, cuando la energía del calor es transformada en energía mecánica, debe existir un fluido de trabajo. Siendo el medio para la transformación de la energía, habrá mucha pérdida de calor que puede ser transformada en energía mecánica, la eficiencia, es un factor importante en el motor. 2. Tipos de motores Hay muchos tipos de motores. Los motores pueden ser clasificados por el número de cilindros, por la disposición de los cilindros o por la forma de instalación en el vehículo etc. Como usted sabe, el motor produce la fuerza de conducción por el movimiento recíproco del pistón dentro del cilindro de manera que la Potencia esta determinada por el número de cilindros. Generación de presión Movimiento del Pistón El procedimiento para transformar el combustible en energía mecánica dentro del motor del vehículo sera explicado en las siguientes secciones. En este proceso, el fluido de trabajo es el aire. Si no hay fluido de trabajo, la transformación de la energía no debería producirse. Por el contrario, piense sobre la transformación de la energía mecánica en la energía de calor. En el vehículo, se representa con el sistema de frenos. El principio de calor es la fricción que proviene al frotar o friccionar los dos materiales. Podemos calentar nuestras manos, frotándolas, es decir, la fuerza de movimiento (frotación) puede transformarse fácilmente en energía calórica (manos calientes). Esta vez, no hay fluido de trabajo. La fuerza es cambiada por calor directamente. Por lo tanto, el motor es clasificado principalmente por el número de cilindros. Los vehículos comerciales son clasificados en 2, 3, 4, 5, 6, 8, y 12 cilindros. Más cilindros implican mayor desplazamiento de volúmen. De acuerdo a la disposición, hay tres tipos incluyendo los de tipo en línea con disposición en serie, el tipo V con disposición en forma de V y el de tipo opuesto en el cual se enfrentan entre sí. De acuerdo al tipo de instalación del motor, hay dos tipos, uno es a lo largo, y el otro a lo ancho. Cuando los motores están dispuestos a lo largo se llaman del tipo longitudinal, cuando los motores están a lo ancho de les llama transversales. 5

6 Tipo tranversal Tipo longitudinal Por ejemplo, el auto tipo FR que tiene el motor en la parte delantera y que dirige las ruedas traseras tiene el motor instalado en forma longitudinal. La razón es que el eje propulsor que transmite la fuerza del manejo a las ruedas traseras debe ser instalado por debajo del piso. En el caso del auto tipo FF, en autos más pequeños, tiene el motor en la parte delantera y dirige las ruedas delanteras, el motor es montado tranversal porque el eje de rotación del motor debe estar paralelo. Sin embargo, cuando el auto tipo FF tiene un motor de 6 cilindros, si el motor es en linea y esta instalado en dirección trancersal, entonces el ancho del auto es demasiado grande. Por lo tanto, en este caso, la mejor disposicon de motor para este tipo de instalacion el el de tipo V. De esta manera, considerados con el volumen de desplazamiento y el tipo de vehículos, el tipo de disposicion del motor y el tipo de instalación, se selecciona para una mejor combinación en el diseño. 3. Diagrama del Motor FF: Motor delantero, tracción delantera FR: motor delantero tracción trasera MR: motor central, tracción trasera RR: Motor trasero, tracción trasera Es posible suponer que el motor sera instalado en la parte delantera del auto. Sin embargo todos los vehículos no tienen el motor en la parte delantera. En 1770, con el origen del auto, el motor de auto a vapor de Cugnot estaba colocado en el extremo delantero da la carroceria. En 1885, el primer auto equipado con motor a gasolina, el motor del auto Daimler estaba localizado debajo del asiento y delante del eje de las ruedas traseras. En la historia, muchas investigaciones han sido realizadas para encontrar la mejor posición para instalar el motor. En 1891, el auto FR (motor delantero con traccion trasera) era frances. El tipo FR significa que el motor estaba instalado en el lado delantero y las ruedas delanteras eran las que traccionaban. Después de eso, el diagrama de este auto pasaría a ser el montaje de motor estandar. Hasta ahora, el auto de pasajeros más grande y los autos deportivos aceptan este tipo. La característica típica del auto tipo FR es que el motor esta delante de la cabina, el control de la dirección es en las ruedas delanteras y la traccion en las ruedas traseras de modo que la operación y la carga del peso están divididas igualmente entre el lado trasero y el lado delantero y la traccion del movimiento y la conveniencia del pasajero están balanceadas tanto como la vibración y el ruido que son menores que en otros tipos. En el diagrama de un auto relativamente pequeño, ha habido dos grandes desarrollos por cerca de cien años. El primero es el Volkswagen en 1936 teniendo el motor en el lado posterior para conducir las ruedas traseras. Después de la Segunda Guerra Mundial, este tipo estaba liderando el diseño por todo el mundo en el flujo de autos de pasajeros de motor trasero de conducción trasera tipo (RR). El segundo es el Mini de Inglaterra en el año El Mini instalaba el motor delantero y tracción delantera tipo (FF) que tenía el motor a lo ancho en la parte delantera para la conducción de las ruedas delanteras. Hoy en 6

7 día, este tipo es aplicado tanto a los autos pequeños como a los sedanes de tamaño mediano. El auto tipo FF tiene el motor y los mecanismos de conducción en la parte delantera de manera que no se debe aplicar al auto cuyo peso se concentra en el lado delantero. El problema con esto es que no es fácil guíar el auto. Sin embargo tiene el espacio interno y el maletero relativamente grande, y la seguridad es mayor comparada con otros tipos. Por lo tanto es el mejor diseño como disposición en autos utilitarios. pasajero de manera que es principalmente aplicado a los autos deportivos. Cuando las partes principales del motor están localizados en el lado delantero más que el tipo de rueda trasera, se llama del tipo de instalacion al medio. Cuando las partes principales son localizadas en el lado trasero, se le llama del tipo con el motor trasero. El tipo de conducción trasera y con el motor en el medio (MR) está enfocado en el rendimiento más que en la conveniencia del Item FF FR MR RR Proyección Frontal Largo Largo Corto Corto Posición en la Cabina Frontal pequeño Trasero pequeño Frontal Frontal Proyección Trasera Corto Largo Corto Largo Espacio para la Cabina Ancho Medio Pequeño Medio Altura desde el piso Bajo Alto Medio Medio Espacio para el maletero Ancho Medio Pequeño Pequeño Distribución de Peso Frontal Frontal pequeño Central Central Rendimiento del sistema -Tendencia al Sub-viraje -Buena conducción en línea recta -Buena conducción en camino resbaladizo -Dirección estable -Con tracción relativamente alta -Buena capacidad de retorno -Con alta tracción -Alta tracción -Tendencia al sobre viraje Aplicación de vehículos Pequeño~Mediano Mediano~Largo Deportivo Pequeño~Mediano Disposición del Motor & Características del Vehículo 7

8 superior, hay un cigueñal en la parte inferior, el pistón y el cigueñal están conectados por la biela. 4. Fuerza de Expansión y Fuerza de Inercia Casi todos los motores a gasolina de los vehículos comerciales son motores recíprocos excepto el motor rotatorio en el cual el principio de trabajo es diferente. La palabra reciproco proviene de reciprocidad. La reciprococidad es el movimiento mecánico de ir y venir de manera que el motor recíproco es el mecanismo que transforma el movimiento recíproco en movimiento de rotación usando el giro el cual es el mecanismo que tiene forma prominente y hundida. El motor a gasolina usa el aire como medio de fluido de trabajo para transformar la energía calórica en energía mecánica. El aire es mezclado con la gasolina pulverizada en el cilindro. Cuando la mezcla de aire y gasolina son comprimidas usando el pistón y combustionados, entonces el gas presionará el pistón. La fuerza de expansión que presiona el pistón conducirá el pistón. Esta vez, excepto por la fuerza de expansión, existe una fuerza de inercia la cual estamos considerando. Esta fuerza es más bien extraña porque se genera sin intención; sin embargo, esta fuerza es seguida en la parte móvil del motor en forma natural. Por lo tanto puede afectar al rendimiento del motor o puede ser la fuente de la vibración o ruido. La vista de la sección transversal del motor reciproco muestra que hay un pistón recíproco que se mueve en el cilindro en la parte Considerando el movimiento recíproco del pistón, el pistón comienza a moverse desde el estado de detención en la posición más alta de la carrera, tiene la maxima velocidad en mitad de la carrera. Despues de eso la velocidad se reduce y se detiene en la posición más baja de la carrera y luego regresa a la posición más alta nuevamente. Durante el desarrollo de 8

9 estos movimientos, las fuerzas de inercia serán generadas cuando cambia la velocidad de los movimientos. Por ejemplo, desde la posición más alta del pistón hacia la mitad de la carrera, hay una fuerza de inercia ascendente, después hay una fuerza de inercia descendente desde la mitad de la carrera hacia la posición más baja del pistón. Cuando esta fuerza de inercia produce resonancia con las otras fuerzas de inercia desde los otros pistones, podría haber vibraciones o ruidos. 5. Motor recíproco dentro del cilindro, la mezcla es quemada usando la chispa eléctrica que provoca la combustion, la fuerza de la explosion conduce al pistón en movimiento recíproco, y el movimiento recíproco es cambiado al movimiento de rotación en el eje cigüeñal. Funcionamiento del motor de 4 tiempos: Cuando el pistón está en la posición más alta, la válvula de admisión se abre. Mientras el pistón esta bajando, la mezcla de aire y combustible se inyecta dentro del cilindro hasta que la válvula de admisión se cierra [Tiempo de Admisión]. En seguida, el pistón se moverá hacia arriba para comprimir la mezcla del gas [Tiempo de Compresión]. Luego, la mezcla comprimida de gas se quemará por el encendido eléctrico [Tiempo de Combustión]. El gas quemado que tiene alta presión y alta temperatura, presionará el pistón hacia abajo. En este momento, se abre la válvula de escape para expulsar el gas quemado [Tiempo de Escape]. Estos tiempos se repiten continuamente. Entre estos 4 tiempos, sólo en el tiempo de combustión, el motor produce la energía para el trabajo. Por lo tanto, habrá necesidad de fuerzas adicionales, para ingresar y sacar el gas en el tiempo de admisión y de escape, y para comprimir la mezcla en la carrera de compresión. Para hacerlo se instala un volante en el eje cigüeñal para hacer que estas fuerzas adicionales usen la fuerza de inercia para asegurar el movimiento de rotación continuo. Los motores recíprocos son clasificados en dos tipos, el de 2 tiempos y el de 4 tiempos. Despues de haber sido desarrollado por Daimler de Alemania en 1883, el tipo de 4 tiempos, el cual completo su sistema estandar en 1900, es el más usado de los vehículos. El principio del motor recíproco es que la mezcla de aire y gasolina son inyectadas 9

10 El motor de 2 tiempos comprime durante las dos carreras. Durante la operación este motor realiza los cuatro tiempos, admisión, compresión, combustión y escape como el motor de 4 tiempos, pero solo en dos carreras. operaciones de compresión y de combustión son desarrolladas, antes y después de que el pistón esté ubicado en la posición más baja, la operación de escape y admisión se desarrollan al mismo tiempo. Por lo tanto, a través de dos tiempos, se realiza un ciclo de trabajo completo del motor. El motor de 4 tiempos ejecuta el tiempo de combustión en un tiempo por dos giros del eje cigüeñal, pero el motor de dos tiempos ejecuta la carrera de combustión en cada giro del eje cigüeñal. Por lo tanto, el de dos tiempos es más rápido. Expulsión Gases Adicionalmente, no tiene válvulas de admision y escape de manera que tiene una estructura simple y de bajo costo. Sin embargo, este mérito puede ser un defecto. Compresión y Expansión El gas de escape es expulsado por el ingreso de nuevas mezclas de gas cuando el pistón se localiza en la posición más baja. Por lo tanto, algunas nuevas mezclas se mezclarán y los gases de la combustión sin quemar serán expulsados. Produce contaminacion del aire y alto consumo de combustible. 6. Tiempos de Admisión & Escape Escape y Admisión Sin embargo, Antes y después de que el pistón este ubicado en la posición más alta, las Este contenido se enfoca en la explicación del motor de gasolina de 4 tiempos, el tipo más usado. 10

11 Para comprender los 4 tiempos, admisión, compresión, combustión y escape, es útil referirse a los dibujos, el diagrama indicador (diagrama P-V) que muestra el proceso de las operaciones del motor. De hecho, el ciclo de las carreras o tiempos es comenzar por el tiempo de admisión. Para entender la operación del motor, es fácil empezar por el tiempo de escape. Para aspirar más aire como sea posible, el motor usa también la fuerza de la salida del gas de escape hacia el exterior del motor a través del puerto de escape. La carrera de escape empuja el gas de la combustión hacia el exterior de la cámara de combustión por el movimiento del pistón desde la posición más baja hasta la posición más alta cuando se haya abierto la válvula de escape. En principio, se cree que la válvula de escape se abrirá cuando el pistón esté alcanzando la posición más baja. Parece un poco complicado, pero es fácil entender solo mirando los dibujos. Carrera de Escape El diagrama indicado es un gráfico que consiste en un eje horizontal que representa el volúmen de la cámara. Al extremo izquierdo del gráfico, C y F, el pistón esta localizado en la posición más alta del cilindro, y en los extremos derechos del gráfico, G y H, el pistón es localizado en la posición más baja del cilindro. Comparando las líneas del gráfico con los cuatro tiempos, la línea de A-B es el tiempo de admisión, B-C es el tiempo de compresión, C-D es el tiempo de combustión y D-E es el tiempo de escape. Sin embargo, realmente, la válvula de escape se abre antes de que el pistón alcance la posición más baja, es decir, en la posición D del dibujo. Permaneciendo la fuerza de presión del gas quemado, el escape del gas de la combustion es más efectivo abriendo la válvula de escape en avance. Después, el pistón empujará el resto del gas usado completamente para terminar la carrera de escape. En la carrera de admisión, la válvula de admisión, se abre y el pistón baja desde la posición más alta hacia la posición más baja de modo que la mezcla de gas de combustible y el aire son aspirados hacia adentro del cilindro desde el puerto de admisión. Esta vez, la válvula de admisión se abrirá justo antes de que el pistón alcance la posición más alta, es decir, en E del dibujo. Haciéndolo de este 11

12 modo la operación se mejora en cierta forma porque la fuerza de escape del gas producto de la combustion succionará los gases de admisión. Carrera de Admisión De la misma manera, la válvula de admisión se cerrará cuando el pistón está en B. De esa forma, mayor cantidad de mezcla será aspirada en el cilindro por la fuerza de inercia del gas de admisión. La aspiración de aire hacia el interior del motor es realizada por la diferencia de la presión de aire. Cuando el pistón baja, la presión de aire en el cilindro es más baja que la presión externa al cilindro, de modo que el aire alrededor de la válvula de admisión será aspirado al cilindro. El tiempo de apertura de la válvula es diferente de la posición de la carrera para aspirar tanto aire como sea posible. 7. Tiempos de Compresión y Combustión En la carrera de compresión, las mezclas de gas son comprimidas por el pistón, de manera que la presión y temperatura se incrementan por la compresión adiabática. Por lo tanto, la gasolina es vaporizada por el calor comprimido del aire, listo para la combustión. La gasolina pulverizada inyectada en el cilindro con el aire es vaporizado en estado de gas por la compresión adiabática. Entonces está listo para ser quemado fácilmente. Este espacio para la combustión es llamado cámara de combustión. La razón por la que es dificil arrancar el motor en invierno se debe a que es difícil que la gasolina se evapore. Para solucionar este problema, un método es mezclar más gasolina con aire. Otro problema es que; cuando la gasolina es vaporizada, el calor ambiental es usado para la vaporización, de manera que la temperatura de la cámara de algún modo disminuye. Puede decrecer la eficiencia de la combustión del motor. Para evitar que baje la eficiencia del motor, la cantidad de la gasolina se reduce. Sin embargo, al hacerlo así, la temperatura de la cámara es tan alta que la combustión puede ser desarrollada previa al encendido, de manera se la llama combustión anormal. El hecho más importante de la carrera de admisión a la carrera de compresión es el flujo de las mezclas de gasolina y aire. No es adecuado que el flujo sea demasiado poderoso para ser encendido. Las pequeñas partículas de gasolina deben ser mezcladas con aire. Por lo tanto, hay muchas investigaciones de fabricantes y desarrollo de la forma del puerto de entrada y la proporción de las mezclas de manera que la fuerza y el modelo del flujo de mezcla son mantenidas hasta que la carrera de combustión consiga la mejor eficiencia del motor. 12

13 Carrera de Compresión Cuando se produce la carrera de compresión, el pistón alcanza la posición más alta. Cuando el pistón está en C en el dibujo, El encendido se producirá por la chispa eléctrica generada en la bujía. El tiempo para producir la chispa es muy importante. La mezcla no se quema totalmente en el tiempo de encendido, pero la combustión comienza desde el encendido. Por lo que se necesita algún intervalo de tiempo entre el tiempo de encendido y el tiempo para la máxima presión de la cámara. Comenzando la combustión, las mezclas evaporizadas son quemadas en un breve tiempo por lo que la presión y la temperatura son incrementadas. En este tiempo el gas expandido por la combustión presionará al pistón. Esta fuerza de presión debería ser lo más fuerte posible. El periodo de tiempo de combustión es preferible que sea breve para fortalecer la fuerza. Si el periodo de tiempo para la combustión es más largo, entonces la fuerza de combustión no está llevando la presión al pistón sino que está siguiendo al pistón. Por lo tanto la eficiencia del motor es la peor. El periodo de tiempo combustión es afectado por el flujo las mezclas definidas por el tamaño y forma de la cámara de combustión y el componente de la mezcla y así sucesivamente. 8. Estructura del Motor Carrera de Combustión El tiempo de encendido es determinado considerando que la combustión se completará entre la posición más alta y la de la mitad de la cámara de combustión. Además, la velocidad de combustión es proporcional a la velocidad de rotación del motor de manera que el tiempo de encendido debería ser ajustado con la velocidad del motor. El motor a gasolina es una máquina complicada que comprende distintas partes. Miremos como está estructurado el motor. El motor es similar a un edificio de tres pisos. El primer piso es el carter de aceite que incluye el eje cigüeñal, este transforma el movimiento recíproco en movimiento giratorio. El segundo piso es el bloque de cilindros que incluye el cilindro en el cual un pistón se está moviendo con movimiento recíproco. El tercer piso es la 13

14 culata de cilindros. En esta estructura, los componentes que se mueven en la primera y segunda parte se les llamana partes móviles, estas incluye el pistón, el eje cigüeñal y la biela. En la tercera parte, hay válvulas que controlan la admisión y escape de los gases de admisión y escape, y el eje de levas que acciona las válvulas. Estos se llaman el sistema de la culata. Sobre la culata, está el multiple de admisión que envia gasolina y aire al cilindro y el múltiple de escape que saca el gas quemado. Estos son llamados el sistema de admisión escape. El múltiple consta de Many y de Fold, es decir mucho materiales combinados. En realidad, hay muchos tubos de cañerías que distribuyen el aire y la gasolina hacia cada cilindro o que juntan los gases de escape en un solo lugar. Está el sistema de combustible que incluye la bomba de combustible que toma la gasolina desde el estanque de combustible hacia el carburador o inyector de combustible para hacer la mezcla aire combustible. Está el sistema de lubricación que incluye la bomba de lubricante que suministra el aceite para reducir las fricciones y el filtro de aceite para filtrar el aceite. También está el sistema de refrigeración que incluye el radiador y la bomba de agua para mantener la temperatura del motor en forma adecuada. etc. 9. Motor Diesel El motor diesel tiene forma y estructura similar al motor a gasolina. El punto diferente es el método de encendido. El motor a gasolina enciende la mezcla de combustible con la chispa eléctrica. Por el contrario, en el motor diesel el combustible es inyectado dentro del aire comprimido que tiene alta temperatura. Cuando el aire es comprimido, la temperatura del aire es incrementada. El motor a gasolina comprime la mezcla de gas de combustible hasta 1/10 del volumen inicial. Para el funcionamiento del motor, se necesita la energía eléctrica. Hay dispositivos eléctricos que incluyen el encendido de la bujía, el alternador que genera la energía eléctrica y el motor de partida que suministra el movimiento inicial al motor. Además, están los sistemas auxiliares tales como la bomba de aceite para la dirección hidráulica, el compresor de aire acondicionado, 14

15 liviana. Cuando la cantidad de combustible es pequeña a baja velocidad, el combustible sera quemado casi perfectamente. Sin embargo, con mayor carga, el motor diesel necesita más cantidad de combustible de manera que la cantidad de aire es respectivamente pequeña. Por lo tanto, puede escapar un poco de humo negro. El motor diesel comprime aire alrededor de 1/20 del volumen inicial para aumentar la temperatura del aire sobre 600, e inyecta el combustible comprimido con más de 100 atmosferas a través de la bomba de inyección durante 1 a 2 ms. La potencia será controlada por la cantidad de mezcla de aire combustible inyectada para el motor a gasolina. Por otro lado, la potencia del motor diesel puede ser controlada por la cantidad combustible inyectado sin controlar el aire (cantidad fija de aire). Para quemar el combustible perfectamente aumentando la temperatura del aire, la relación de compresión aumentará. Sin embargo, al hacerlo así, el poder de expansión aumentará también. Por lo tanto, el motor debería ser más robusto para soportar el aumento de la fuerza. Además, es necesaria una alta calidad de combustible para ser inyectado por la bomba. Entonces el motor es más pesado y el costo es más alto. De modo que el motor diesel no es el más adecuado para aplicar al auto de pasajeros. En el motor diesel, debido a que la cantidad de volumen de aire aspirado es constante, la carga que se aplica al motor es relativamente En el motor a gasolina, el encendido es ejecutado por la chispa eléctrica de manera que el período de tiempo de la combustión es muy corto. Sin embargo, en el motor diesel, el combustible diesel es rociado dentro del aire comprimido, de manera que necesita algún periodo de tiempo para ser evaporizado. Por lo tanto, la velocidad máxima del motor está limitada a ser relativamente más baja y la respuesta será más baja que en el motor a gasolina. Comparado con el motor a gasolina, las fuerzas de expansión y de inercia de las partes móviles son mayores de modo que hay ruido más alto y más vibración. Tiene la ventaja de fácil mantención por no tener partes delicadas tales como el sistema de encendido y la buena eficiencia del combustible de manera que es usado para propósitos comerciales o de negocios más que para autos de pasajeros. 10. Motor de Combustión Interna La fuerza del motor a gasolina de 4 tiempos, como el de combustión interna, cambia de acuerdo a las rpm (Revoluciones por minuto) del motor comparado con el motor eléctrico o el motor a vapor. De manera que, es imposible conducir con revoluciones más bajas que cierto valor específico. Por lo tanto, se deben incorporar el embrague y la transmisión cuando el motor a gasolina es utilizado en vehículos. Para el motor de 4 tiempos, usando las 4 carreras, la fuerza del movimiento se produce quemando la mezcla de aire y combustible en el cilindro. Es muy diferente con el motor 15

16 eléctrico usado en vehículos eléctricos que pueden arrancar sólo aplicando la energía eléctrica. Si las mezclas no se suministran al cilindro en condición de ralentí, el motor no puede continuar funcionando. Para que el motor pueda estar funcionando continuamente cuando el vehículo está detenido, el mecanismo para conectar o desconectar la fuerza del movimiento del motor, por lo que debe incorporar un sistema de embrague. En general, los vehículos necesitan más potencia cuando es arrancado o acelerado, pero cuando se maneja a velocidad constante, no necesitan mayor energía. Para el motor eléctrico, hay potencia cuando gira a bajas rpm, y cuando las rpm aumentan, la salida podría ser más baja. Por lo tanto, el motor eléctrico puede ser aplicado en vehículos sin ningún mecanismo de transmisión. Sin embargo, para el motor gasolina, la energía es determinada de acuerdo a las rpm del motor. El rango de rpm esta limitado dentro de ciertos rangos. Por ejemplo, las rpm del motor a gasolina estan alrededor de revoluciones por minuto, y las rpm para obtener la máxima fuerza (torque) esta alrededor de 4000 revoluciones. Por lo tanto, cuando los vehículos están funcionando dentro de varios rangos de velocidades, es necesario controlar la velocidad incorporando la transmisión entre el motor y las ruedas. A simple vista el motor puede ser la mejor máquina para los vehículos. El factor importante es el combustible, la fuente de energía. La gasolina es fácil de guardar durante la operación del motor, pero es difícil para el motor almacenar energía eléctrica efectivamente. Para desarrollar los vehículos eléctricos, es esencial desarrollar baterías que tengan alta eficiencia para cargar y mantener cargadas las baterías. Muchas compañías están tratando de desarrollar el método para mantener baterías recargables. Aún cuando el rendimiento básico ha sido probado en laboratorios, el costo de fabricación es muy alto. Sin embargo se han sugerido algunas patentes y tecnologías para utilizarlas. 11. Motor de combustión pobre El sistema de purificación de escape usando los catalíticos de 3 vías tiene la característica de mantener la relación real de aire combustible ideal para desarrollar la oxidación y reducción de los componentes peligrosos simultáneamente. Para hacerlo así, la purificación del gas de escape será limitada, y la cantidad de combustible usado para el motor es decidida por el estado de conducción del motor. Por lo tanto, el motor no puede ser desarrollado para obtener más fuerza de conducción con menos cantidad de combustible. El sistema de combustión limpia es desarrollado para fortalecer la eficiencia de combustible con buena purificación del gas de escape. Fortalecer la eficiencia es más importante para el futuro. El motor de combustión limpia es una de las tecnologías públicas más atractivas. Con relación A/F alta, se reduce la gasolina en la mezcla, al igual que los tres elementos más dañinos, monóxido de carbono, hidrocarburos y oxido nitroso. El oxigeno es más usado que el combustible, de manera que la cantidad de monóxido de carbono será menor o la mayor parte del monóxido de carbono será transformado en dióxido de carbono, gas que no es peligroso. El hidrocarburo también se quemará completamente y transformado en dióxido de carbono y agua. Ahora 16

17 consideraremos solo el último, el oxido de nitroso. Si la relación A/F es alta, entonces la temperatura aumentará por la cantidad de oxigeno y la cantidad del oxido nitroso aumentará. Con una relación de aire combustible de alrededor de 16, se maximizará el óxido nitroso. Si la relación A/F es más alta que 16, entonces la temperatura de combustión bajará de modo que el torque también bajará. Si la relación A/F es más y más alta, la combustión no es estable, y el torque es muy inestable, finalmente la combustión no se realizará. Los fabricantes estan enfocados en las variaciones del torque de acuerdo con la combustión limpia. Adaptando un sensor de presión de combustión que detecta la presión de combustible en el cilindro, el motor es operado con la relación A/F justo antes de se produzca la variación de torque. Por lo tanto, ellos pueden hacer la próxima generación de motores de combustion limpia con bajo consumo de combustible y menos cantidad de oxido nitroso. En ese sistema, la combustión limpia es desarrollada en condiciones en las cuales la conducción no está obstaculizada por un torque bajo con baja carga. Cuando el vehículo está acelerando o con alta carga, la combustión se produce con la relación teórica de A/F y el gas de escape es purificado por el catalizador de 3 vías. Muchos fabricantes continúan investigando para fortalecer el consumo de combustible enfocándose en el sistema de admisión y la cámara de combustión con una relación de A/F de Muchos motores nuevos que satisfacen este requisito de combustión y que tienen menos problemas de gas de escape se están mostrando gradualmente. 17

18 Capítulo 2. Bloque de Cilindros & Partes Móviles 1. Bloque de cilindros El bloque de cilindros es la pieza básica del motor. Está fabricado de hierro forjado o aluminio. Comprende el cilindro en el cual el pistón se estará moviendo recíprocamente, la camisa de agua para la circulación del agua de refrigeración manteniendo la temperatura del cilindro, y el eje cigüeñal instalado en la parte baja. El rol del cilindro es guiar el movimiento recíproco del pistón soportando la fuerza y la alta temperatura de la combustión de las mezclas, para enfriar apropiadamente el cilindro y para soportar el eje cigüeñal. Como base del motor, debería tener suficiente fuerza para soportar todas las piezas instaladas en el motor. Con estos propósitos, el cilindro es fabricado generalmente de hierro forjado porque el hierro es fácil de ser procesado mecánicamente y tiene la característica de buena resistencia contra al desgaste y la corrosión. Recientemente, en vez del hierro forjado, la aleación de aluminio es más conocida. El aluminio es más liviano y disipa el calor con más facilidad que el acero, por lo que es considerado como el material ideal para el motor. No es fácil aplicar el aluminio al motor porque tiene diferente coeficiente expansión al calor que el acero, se utiliza como material principal de las otras piezas, pero es complicado para diseñar las estructuras del motor. Además es más caro que el acero. Para los autos de pasajeros, el peso del motor es alrededor de 10 15% del peso total del auto. El 15 20% del peso del motor proviene del bloque de cilindros. Es importante que sea liviano manteniendo la resistencia tanto como sea posible. Por lo tanto el esqueleto de la estructura del bloque de cilindros tiene distintos espesores, es decir, el espesor es mayor en la parte donde se aplica más fuerza pesada o tiene mayor posibilidad de deformación y el espesor es el menor de las otras piezas. Para diseñar el bloque de cilindros que considera estos factores, el análisis de la estructura es desarrollada por el método de elemento finito en el cual el motor es dividido en celdas rectangulares o triangulares y que cada elemento es establecido en ecuaciones simultáneas para calcular por análisis numérico usando el computador. En el lado del bloque de cilindros, debería haber una camisa de agua para la circulación del agua de refrigeración de modo que debe ser cuidadosamente fabricada por lo complicado de la estructura. Para evitar que se quiebre en el punto de cuello de botella de diferente espesor o para fortalecer la resistencia contra el desgaste. Debería ser tratado con calor. 2. Camisa de cilindros El muro interno del bloque de cilindros es la cara de fricción con el pistón con aceite lubricante entre ambos. Por lo tanto, satisface los requisitos estrictos de endurecimiento a alta temperatura y de desgaste, los cambios de dimensión por el coeficiente de expansión 18

19 de calor estarán dentro de la tolerancia, y que no será adhesiva con otra por la alta temperatura. Generalmente cuando el material del bloque es el acero, esta pieza es hecha puliendo el cilindro de hierro forjado, llamándose del tipo sin camisa. Cuando el material del bloque es de aluminio forjado, la pared interior del cilindro que tiene una camisa hecha de hierro forjado para evitar el desgaste de la pared lateral. La camisa es lo que está adherido dentro del cilindro. La camisa del cilindro puede ser fabricado junto con el bloque de cilindros o en forma separada y unidos después con el cilindro. Para el bloque de cilindros de aluminio, se usa el hierro forjado. Es más pesado que la aleación de aluminio a la vez que tiene la relación de transmisión de calor más baja que el aluminio. Por lo tanto, para el motor de carrera o para altas exigencias, se fabrica una camisa especial de aleación de silicio especial basada en el aluminio o se utiliza un tratamiento especial sobre las superficies aluminio. Estas camisas especiales son caras y difíciles de fabricar. Además existen algunas pruebas para desarrollar en el cilindro sin camisa con el bloque de cilindros de aleación de aluminio. Aun cuando el cilindro sin camisa es más caro, el motor puede ser más barato y compacto de manera que es principalmente aceptado por los motores de alto rendimiento. La holgura entre la camisa del cilindro y el pistón dependen del material. Cuando la camisa es de hierro forjado y el pistón es de aluminio, considerando que la proporción de expansión del calor del aluminio es casi el doble de la del acero de manera que la holgura se reducirá a alta temperatura del motor, la holgura será de micras ( mm) a temperatura ambiente. Si la camisa y el pistón son de aluminio, entonces la holgura será de 10 micras porque no hay diferencia de la expansión de calor entre ellos. El entorno de la camisa del cilindro está formado como un paso para el agua para refrigeración, cámara de agua, para mantener la temperatura del motor en un valor determinado absorbiendo la energía calórica que proviene de la energía remanente de la combustión. 3. Cámara de Agua Cuando se forja el motor, el cilindro es rodeado por el núcleo hecho de arena para formar espacios vacíos. Estos espacios son las cámaras de agua para dejar circular el agua refrigerante y bajar la temperatura de la culata y el cilindro a una adecuada temperatura de operación. El agua que circula en el interior de la cámara de agua va hacia el motor desde el puerto de salida del radiador enfriando el agua caliente. El agua fluye desde la parte inferior del motor hacia la parte superior del motor. Después de enfriarse la culata, el agua caliente es sacada desde el motor y va hacia el puerto de entrada superior del radiador. Durante la circulación dentro de la cámara de agua, es importante enfriar a cada cilindro de igual forma. El diseño de la cámara de agua es enfocado sobre el método de flujo para esparcir el agua ligeramente sobre todas las piezas con el menor volumen de agua posible. El agua caliente es enfriada en el radiador y entonces regresa a la cámara de agua de nuevo. En invierno, el agua caliente selectivamente fluye adentro de otro radiador para calentar el habitáculo de pasajeros. 19

20 Generalmente, la cámara de agua está rodeando completamente al cilindro. Para reducir la longitud del paso a lo largo de la disposición del cilindro, la cámara de agua está rodeando el lado exterior del cilindro de manera que el agua no fluye en el espacio adyacente a los cilindros. Este tipo se conoce como el tipo de los siameses, algunas porciones de la camisa que rodean cada cilindro son sumergidas en un solo cuerpo. La camisa convencional es llamada la del tipo de camisa completa. 4. Pistón Para los motores que tienen una camisa, es dividido en dos tipos ya sea que el agua esté en contacto o no con la camisa. Cuando la camisa del cilindro es rodeado por la pared del bloque de cilindros de modo que la parte externa de la camisa no puede encontrarse con el agua de refrigeración, se le llama tipo de camisa seca. Cuando la mayoría de las porciones de la camisa se contacta con el agua fría directamente, se le llama del tipo humeda. La camisa del tipo humeda tiene mejor rendimiento de enfriamiento. Debe estar sellado con un o ring entre la camisa y el bloque para evitar la fuga de agua fría. En KIA, la mayoría de los motores que tienen camisas, son del tipo secas porque la KIA no tiene problemas que provengan del calor adhesivo del motor, no obstante nos preocupamos de la pérdida de agua enfriada. El pistón se mueve dentro del cilindro recíprocamente y transmite una fuerza de 3~4 toneladas (5 toneladas para el motor diesel) de acuerdo con la combustión de la mezcla de combustible la que tiene una temperatura de 2000 C en la carrera de combustión hacia la biela. Lo primero que debe considerarse en el diseño del pistón es que éste debe fabricarse de materiales livianos para reducir la fuerza de inercia del movimiento recíproco. El próximo punto es que su material debe tener la fuerza necesaria para resistir la fuerza de combustión. Y luego el material del pistón deberá tener buena captación del calor y no deformarse por la alta temperatura. Al principio, el aluminio o la aleación del aluminio pueden considerarse para alivianar y 20

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