SISTEMAS AUXILIARES AUTOMOTRICES EN LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA MONOGRAFÍA PRESENTA: MANUEL LIBREROS ROMERO

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA SISTEMAS AUXILIARES AUTOMOTRICES EN LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA MONOGRAFÍA Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA PRESENTA: MANUEL LIBREROS ROMERO DIRECTOR: DR. ANDRÉS LÓPEZ VELÁZQUEZ XALAPA, VER. NOVIEMBRE 2014

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3 DEDICATORIA A mis padres: Con mucho amor, respeto y admiración. Gracias por ser lo más grande y significativo en mi vida, que con su apoyo y fortaleza siempre me han ayudado a realizar mis sueños. A mi director doctor Andrés López Velázquez: Gracias por el tiempo que me dedico, por su paciencia, por aconsejarme y sobre todo por creer en mí para ser una persona responsable, objetiva, honesta y humilde. A mis hermanas y hermanos: Ustedes con quien he compartido momentos inolvidables, mi agradecimiento ya que de alguna u otra forma han contribuido para que haya alcanzado una de mis metas que más quiero en mi vida. A mis maestros: Un eterno e infinito agradecimiento por todos los consejos y enseñanzas que me inculcaron para llegar a ser un profesionista y sobre todo una mejor persona. A mi novia: Quien con su amor, cariño, comprensión, apoyo y motivación ha logrado que cada día me supere más. A mis amigos: Gracias por compartir esta etapa de mi vida, la cual fue más amena en compañía de ustedes, les agradezco su apoyo respeto y comprensión. MUCHAS GRACIAS A TODOS! MONOGRAFÍA Página 3

4 ÍNDICE Introducción Capítulo I: Motores de combustión interna a gasolina Características de los motores de combustión interna usando gasolina como combustible Sistema de inyección electrónica de combustible Sistema biela manivela Sistema de alimentación de combustible Sistema de alimentación de aire Sistema de encendido Sistema de lubricación Sistema de refrigeración Sistema de transmisión Sistema de escape Sistema de suspensión Sistema de frenado Capítulo II: Motores de combustión interna a diesel Características de los motores de combustión interna usando diesel como combustible Proceso de combustión en los motores a diesel Sistema de alimentación de combustible Sistema de inyección de combustible Sistema de control electrónico Sistema bomba-inyector con mando electrónico Sistema de sobrealimentación Sistema de enfriamiento Sistema de alimentación de aire MONOGRAFÍA Página 4

5 2.10 Sistema mecánico de regulación de velocidad Sistema de lubricación Capítulo III: Motores de combustión interna a gas L.P El gas natural como combustible para motores de combustión interna Equipo de carburación a gas l.p Desempeño Economía Seguridad Ecología Funcionamiento del sistema dual Ventajas del sistema dual Sistema de alimentación de combustible Capítulo IV: Análisis comparativo de los diversos sistemas auxiliares en los motores de combustión interna Diferencias principales entre el motor a gasolina y el motor a diesel Gas lp frente a gasolina Gas lp y gasolina frente a diesel Conclusiones Glosario técnico Bibliografía MONOGRAFÍA Página 5

6 INTRODUCCIÓN Hoy en día, los motores de combustión interna son muy importantes en la transportación moderna. La evolución que ha tenido este tipo de motores ha sido responsable del uso tan extendido de autobuses, automóviles, camiones, tractores y aeroplanos. Su éxito se debe, de que es una unidad integral capaz de funcionar durante un largo periodo con una cantidad relativamente pequeña de combustible, ya sea gasolina, diesel o gas lp, entre otros. El funcionamiento de los motores de combustión interna es consecuente del hecho de que un gas se expande cuando se calienta. La energía requerida es proporcionada por el combustible. Esta energía debe ser liberada y convertida en otra forma de energía, es decir, este tipo de motores transforma la energía eléctrica en energía mecánica. Cuando una mezcla adecuada de combustible y aire entra al cilindro y es encendida, ocurre una combustión instantánea. El calor producido por la combustión hace que los gases en el cilindro se expandan, forzando al pistón a moverse hacia abajo en el cilindro; este movimiento del pistón es aplicado como energía mecánica, la cual se aprovecha para que funcione el motor. Los motores de combustión interna constan de varios sistemas auxiliares, los cuales los vamos a analizar Y describir cómo funcionan tanto en el motor a gasolina, a diesel y a gas lp como combustible. MONOGRAFÍA Página 6

7 En el capítulo 1 se define y analiza cada uno de los sistemas auxiliares en un motor de combustión interna con gasolina como combustible, es decir, se describe sus componentes, funcionamiento y desempeño que tiene el automóvil con este combustible en específico. En el capítulo 2 se estudia el funcionamiento que tienen los vehículos automotrices con motor de combustión interna con combustible diesel, además de mencionar y definir cada uno de los sistemas auxiliares con los que cuentan estos vehículos. En el capítulo 3 se desarrollan contenidos acerca de los vehículos equipados, con elementos que funcionan con gas lp como combustible, además de un análisis y descripción de cada uno de los componentes que hacen que funcione este sistema perfectamente con este tipo de combustible. En el capítulo 4 retomaremos los temas analizados en los 3 capítulos anteriores, para ser comparados entre sí, es decir, que semejanzas, diferencias, ventajas y desventajas tienen los motores de combustión interna a gasolina, diesel y gas lp. MONOGRAFÍA Página 7

8 JUSTIFICACIÓN: Esta monografía fue hecha con la finalidad de que los alumnos, maestros y personas en general, que están interesadas en estos temas, cuenten con una herramienta útil, de fácil acceso, con la cual, al ser consultada, obtengan mayor conocimiento general de los vehículos automotrices, sus sistemas y todo lo que conlleva el análisis de cada uno de los temas tratados en esta monografía. OBJETIVO GENERAL: Aportar un material didáctico que sirva como guía de aprendizaje, es decir, que se adopte como un libro de consulta, en el cual se puedan abordar los conocimientos necesarios, los cuales, sirvan como base para el entendimiento y comprensión, de cada uno de los sistemas auxiliares automotrices. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Revisar los antecedentes de los sistemas auxiliares automotrices. Revisar el funcionamiento del motor de combustión interna con combustible diesel. Revisar el motor de combustión interna equipado para funcionar con gas LP como combustible. Analizar los motores de combustión interna a gasolina, diesel y gas lp. MONOGRAFÍA Página 8

9 CAPÍTULO 1 MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA A GASOLINA MONOGRAFÍA Página 9

10 1.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA USANDO GASOLINA COMO COMBUSTIBLE Hoy en día el motor encendido por chispa suele llamarse en general motor de ciclo Otto. El motor cíclico Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y la gran mayoría de los motores endotérmicos que son a cuatro tiempos y su funcionamiento comprende las fases siguientes: Primer Tiempo: Admisión Es cuando el pistón baja desde el punto muerto superior hasta el punto muerto inferior aspirando la mezcla (aire + combustible). La válvula de admisión se abre antes de iniciarse la carrera para que pase la mezcla, cerrándose después de la carrera. En este tiempo el cigüeñal ha girado media vuelta. Segundo Tiempo: Compresión En el tiempo de compresión las válvulas están cerradas. El pistón vuelve a subir, comprimiendo la mezcla hasta el punto muerto superior. En este instante, el volumen de la carga queda reducido a una fracción del volumen y el cigüeñal ha girado media vuelta. Tercer Tiempo: Combustión y expansión En este tiempo se produce el encendiendo de la mezcla por medio de una chispa eléctrica o también el encendido espontaneo del combustible inyectado en la cámara de MONOGRAFÍA Página 10

11 combustión, y por consecuencia aumenta la temperatura y la presión, por lo que los gases de combustión se expanden empujando hacia abajo el pistón al punto muerto inferior. Mientras la válvula de escape antes de completarse la carrera empieza abrirse y los gases empiezan a salir y el cigüeñal ha girado otra media vuelta y produce trabajo. Cuarto Tiempo: Escape En este cuarto tiempo el pistón vuelve a subir al punto muerto superior, expulsando los gases por la válvula de escape, al llegar a este punto se cierra la válvula de escape y se abre la admisión comenzando un nuevo ciclo, y por último el cigüeñal gira otra media vuelta. Figura 1.1 Fases de un motor a gasolina de 4 tiempos Fuente: Los motores de combustión interna a gasolina, por lo regular, alcanzan valores de compresión 10:1, lo que significa que la mezcla se comprime en el cilindro hasta ocupar una décima parte de su volumen original, debido a que este motor en el tiempo de compresión, comprime mezcla aire MONOGRAFÍA Página 11

12 gasolina, esta mezcla se calienta al ser comprimida, y por lo general explota antes de llegar al máximo de su recorrido ocasionando detonación o preencendido. La energía calorífica producida por la combustión de la mezcla se transforma en fuerza motriz. Entre más rica sea la mezcla de gasolina y aire que entre en el cilindro, y cuanto más se comprima en éste, mayor será la potencia específica del motor. El grado de compresión, o relación de compresión, es la relación que existe entre el volumen de mezcla en el cilindro antes y después de la compresión SISTEMA DE INYECCIÓN ELECTRÓNICA DE COMBUSTIBLE Es un sistema que reemplaza el carburador en los motores a gasolina, su introducción se debió a un aumento en las exigencias de los organismos de control del medio ambiente para disminuir las emisiones de los motores. Su importancia radica en su mejor capacidad respecto al carburador para dosificar el combustible y crear una mezcla aire con combustible, muy próxima a la estequiométrica (14,7:1 para la gasolina), lo que garantiza una muy buena combustión con reducción de los porcentajes de gases tóxicos a la atmósfera. La relación estequiométrica es la proporción exacta de aire y combustible que garantiza una combustión completa de todo el combustible. MONOGRAFÍA Página 12

13 Los elementos del sistema a inyección electrónica son los siguientes: Depósito de combustible Bomba de combustible Filtro UCE Bobina Distribuidor Inyector Regulador de Presión Caudalímetro El funcionamiento se basa en la medición de ciertos parámetros de funcionamiento del motor, como son: el caudal de aire, la temperatura del aire y del refrigerante, el estado de carga, cantidad de oxígeno en los gases de escape, revoluciones del motor, etc., estás señales son procesadas por la unidad de control, dando como resultado señales que se transmiten a los inyectores que controlan la inyección de combustible y a otras partes del motor para obtener una combustión mejorada. Si la mezcla es rica hay exceso de CO y de HC pero mejora las emisiones de NOX. Si la mezcla es pobre se mejoran los valores de CO y HC pero empeoran los de NOX. Las ventajas de la inyección de gasolina son: MONOGRAFÍA Página 13

14 Un mayor control de la mezcla aire-combustible. Bajos niveles de emisión de gases tóxicos. Mejor rendimiento del motor. Menor consumo de combustible. Mayor regularidad del funcionamiento del motor. Se mejora el arranque. Se mejora la marcha en frío. Se mejoran las transiciones. En este sistema de inyección electrónica se clasifica en dos en Inyección directa e indirecta: - Inyección directa: Es aquella, en la que los inyectores se encuentran e inyectan la gasolina directamente dentro del cilindro - Inyección Indirecta: Es aquella, en la que los inyectores se encuentra fuera del cilindro, inyectando la gasolina al cilindro al abrirse la válvula de admisión. Otro tipo de inyección es la inyección a la garganta del múltiple de admisión Este tipo de Inyección es conocido como "dual TBI" porque lleva 2 inyectores, su uso es frecuente en motores de 6 y 8 cilindros. Los motores de 4 cilindros solo llevan 1 inyector. Este sistema funciona apoyándose de una computadora, instalada dentro del vehículo. MONOGRAFÍA Página 14

15 Figura 1.2 Sistema de inyección electrónica Fuente: En cuanto se activa la llave de encendido, los inyectores reciben 12 voltios en el lado positivo; el lado negativo o tierra lo controla la computadora, la cual se lleva a cabo a través de un monitoreo constante de sus sensores instalados en diferentes partes del motor, y su compartimiento, para ajustar la entrega de combustible, tratando siempre de mantener una mezcla perfecta de aire y gasolina. Este sistema de inyección se apoya de una bomba de combustible eléctrica, instalada por lo general dentro del tanque de gasolina La misma envía la gasolina a presión hacia el cuerpo de inyectores, los inyectores son los encargados de inyectar el combustible dentro del múltiple de entrada, la gasolina excedente regresa hacia el tanque de gasolina pero antes de MONOGRAFÍA Página 15

16 iniciar su recorrido hacia el tanque tiene que pasar por el regulador de presión, este se encuentra en el mismo cuerpo de inyectores y su función es mantener una presión de combustible. 1.3 SISTEMA BIELA MANIVELA Es el sistema mecánico interno principal del motor, es la interfase entre la energía liberada en la combustión del combustible y la energía mecánica resultante. Este mecanismo transforma el movimiento rectilíneo alternativo del pistón en el movimiento de rotación variado del cigüeñal. Las unidades del sistema biela manivela, consta de un pistón articulado a una biela y ésta a su vez conectada a una manivela o cigüeñal, estas articulaciones son a través de bujes o cojinetes de metal anti-fricción. Figura 1.3 Sistema biela-manivela Fuente: MONOGRAFÍA Página 16

17 El funcionamiento es el siguiente: El pistón confinado a moverse en un recinto cerrado o camisa, produce un movimiento rectilíneo alternativo, primero baja debido a la acción de la presión que ejercen sobre él los gases de la combustión en su expansión, y como está unido a una biela ésta lo acompaña en su movimiento, pero a su vez como la biela está unida a la manivela del cigüeñal, produce la rotación de éste, el movimiento continúa, cuando el pistón sube debido a la inercia de los contrapesos del cigüeñal, logrando una vuelta completa, luego el ciclo se repite dando como resultado el movimiento de rotación del cigüeñal. 1.4 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE El propósito de este sistema es almacenar el combustible y entregar una cantidad precisa, limpia y a la presión correcta, para satisfacer las exigencias del motor. Este sistema está constituido por el depósito de combustible, tuberías, bomba de alimentación y filtro de combustible, entre otros. Figura 1.4 Sistema de alimentación de combustible líquido Fuente: MONOGRAFÍA Página 17

18 El aire se comprime a gran presión en el interior de la cámara de combustión, de este modo alcanza la temperatura adecuada para la inflamación del combustible, siendo introducido en la cámara de combustión a gran presión. 1.5 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE AIRE Este sistema provee el suministro de aire necesario para combustión en cuanto a su calidad, es de suma importancia para el funcionamiento y la vida del motor, ya que debe suministrar el aire en cantidad necesaria y además retener partículas sólidas que tiene el aire en suspensión. Figura 1.5 Sistema alimentación de aire Fuente: Este sistema toma aire del medio ambiente, separa las impurezas en estado sólido y lo conduce hasta el múltiple de admisión o hasta el carburador. Consta de un filtro que puede ser del tipo seco o húmedo y un conducto; puede además tener consigo algún sensor. MONOGRAFÍA Página 18

19 1.6 SISTEMA DE ENCENDIDO Este sistema provee la energía eléctrica necesaria para producir el encendido de la mezcla combustible. La función principal es la de convertir energía eléctrica de baja tensión en alta tensión y distribuirla a cada uno de los cilindros del motor. Cuando el motor está en marcha, el alternador, movido por el cigüeñal, mantiene el nivel de carga de la batería. Las unidades del sistema de encendido consta básicamente de: un generador de corriente o batería, una bobina, un interruptor mecánico, un condensador, un distribuidor y bujías. Figura 1.6 Sistema de encendido electrónico Fuente: En un sistema con platinos el funcionamiento es el siguiente: El generador de corriente o una batería suministra energía eléctrica que circula a través de un interruptor MONOGRAFÍA Página 19

20 mecánico y un condensador a un circuito primario de una bobina, cuando se abre el interruptor se produce una variación rápida, ayudada por el condensador, del campo magnético, que produce el paso de corriente por el arrollamiento primario, lo cual induce en el arrollamiento secundario una tensión muy elevada, ésta se distribuye al cilindro correspondiente de acuerdo a la secuencia de encendido y provoca en los extremos de una bujía una chispa en el interior del motor. Uno de los contactos del platino, está conectado a la estructura del distribuidor, (tierra); al momento de unir los contactos, la corriente negativa viaja hacia la bobina, activando su campo interno. El platino trabaja como un interruptor, lo que significa que en el otro contacto del platino está presente la corriente positiva, al unirse los contactos, se activa la resistencia o campo de la bobina de encendido. Figura 1.7 Sistema de encendido electrónico con platinos Fuente: MONOGRAFÍA Página 20

21 1.7 SISTEMA DE LUBRICACIÓN La lubricación del motor tiene por objeto evitar el agarre del motor y disminuir el trabajo perdido por rozamiento, interponiendo entre dos cuerpos una película de fluido lubricante que sustituye el rozamiento entre ellos. Los objetivos de la lubricación son: 1) Impedir el contacto entre dos metales. 2) Refrigerar las partes lubricadas. 3) Mantener lubricadas las partes del motor. El exceso de aceite es capaz de provocar desperfectos en el encendido por suciedad en la bujía y además excesos de depósitos carbonosos. En la lubricación se utilizan dos tipos de sistemas de engrase: a) circuito de engrase mixto b) circuito de engrase a presión total Circuito de engrase mixto: Por medio de este sistema se engrasan a presión algunos de los órganos que están en rozamiento y salpicaduras y por la niebla de aceite que se genera en el interior del motor. Circuito de engrase a presión total: En el circuito de engrase a presión total se amplía la acción del circuito de presión al conjunto pistón - bulón- cilindro, disponiendo inyectores de aceite orientados hacia las cabezas de los pistones, o bien a través de una canalización interior que atraviesa el cuerpo de la biela. MONOGRAFÍA Página 21

22 Los componentes del circuito de engrase aseguran una presión correcta de funcionamiento. Los elementos que lo conforman el sistema son: Bomba de aceite Válvula limitadora de presión Filtro de aceite Sistema para el control de emisiones contaminantes Intercambiadores de calor (radiadores de aceite) Circuitos de verificación y control La función es la de permitir la creación de una cuña de aceite lubricante en las partes móviles, evitando el contacto metal con metal, además produce la refrigeración de las partes con alta temperatura al intercambiar calor con el medio ambiente cuando circula por zonas de temperatura más baja o pasa a través de un radiador de aceite. El funcionamiento es el siguiente: un bomba, generalmente de engranajes, toma el aceite del depósito del motor, usualmente el cárter, y lo envía al filtro a una presión regulada, se distribuye a través de conductos interiores y exteriores del motor a las partes móviles que va a lubricar y/o enfriar, luego pasa por el radiador donde se extrae parte del calor absorbido y retorna al depósito o cárter del motor, para reiniciar el ciclo. MONOGRAFÍA Página 22

23 Figura 1.8 Sistema de lubricación Fuente: SISTEMA DE REFRIGERACIÓN El sistema de enfriamiento; tiene como función primaria mantener la temperatura dentro del motor, acorde a los requerimientos, o especificaciones particulares de cada motor. El sistema de enfriamiento se clasifica en dos tipos: Refrigeración por aire Refrigeración a presión REFRIGERACIÓN POR AIRE. En este sistema se prescinde del circuito de agua y todos los elementos del mismo. Se hace circular por entre los cilindros y sus aletas una fuerte corriente de aire producida por un gran ventilador o turbina, movida por el propio motor. El aire es canalizado en forma que rodee y refresque bien los cilindros y la culata. Ventajas e inconvenientes de la refrigeración por aire MONOGRAFÍA Página 23

24 No usa radiador ni bomba de agua No tener que echar agua ni preocuparse de las heladas. Menor número de averías al tener menos elementos. Menor peso. Fabricación más económica. Los inconvenientes son: Motor más ruidoso al exterior Irregularidad del enfriamiento, es decir, que depende mucho de la temperatura ambiental. Figura 1.9 Sistema de refrigeración por aire Fuente: REFRIGERACIÓN A PRESIÓN En vez de tubo de desagüe al aire libre, y de colocar simplemente un tapón con válvula para refrigerar a presión, se combinan ambos, esto lo podemos ver en la siguiente ilustración: MONOGRAFÍA Página 24

25 Figura 1.10 Sistema de refrigeración por agua Fuente: Cuando el agua se caliente bastante, el vapor producido por el aumento de temperatura, así como el volumen de agua dilatada, van desde el radiador al vaso de expansión, que es un depósito auxiliar cuya capacidad es de tres o cuatro litros, ahí se conserva a presión. Cuando la temperatura en el radiador baja, y por tanto su presión, la presión del vaso hace regresar su agua por el mismo tubo al radiador. Todos los tapones tienen cierre hermético y el radiador está lleno con agua y anticongelante. 1.9 SISTEMA DE TRANSMISIÓN Llamaremos transmisión al conjunto de engranajes, acoplamientos y otros dispositivos que conectan el movimiento de giro del motor con el movimiento final en las ruedas del vehículo. La fuerza y el movimiento producidos en el motor, son transmitidos a las ruedas del automóvil a través de la MONOGRAFÍA Página 25

26 transmisión, cuyos grupos principales son: el embrague, el cambio de velocidades, el eje de transmisión, el diferencial, y el puente trasero. La transmisión del movimiento entre el cigüeñal y el árbol de levas puede realizarse de tres formas distintas; Por rueda dentada: Consiste en comunicar el movimiento a través de unos piñones o ruedas dentadas. Este sistema se encuentra en desuso debido al elevado ruido que produce y al gran peso de los piñones que disminuyen la eficacia del motor. Por cadena: Consiste en realizar la transmisión del movimiento a través de una cadena que engrana en dos piñones situados en el cigüeñal y en el árbol de levas. Por correa dentada: Es el sistema más empleado en la actualidad ya que evita los inconvenientes de los otros sistemas, reduciendo considerablemente el ruido y el excesivo peso. Este sistema de transmisión sirve para acoplar y desacoplar el movimiento de rotación del motor a la máquina o aplicación que acciona. Su función es la de tomar el movimiento de rotación del volante inercial y transmitirla a través de discos dentados giratorios y platos o discos fijos a un eje de salida donde se acopla finalmente la máquina o carga. MONOGRAFÍA Página 26

27 Figura 1.11 Sistema de transmisión Fuente: SISTEMA DE ESCAPE El sistema de escape está formado por el conjunto de elementos que participan en la evacuación de gases quemados desde el motor hasta la atmósfera. Los gases de escape deben ser evacuados produciendo el menor ruido posible y menor contaminación posible. Para ello, el sistema dispone de los siguientes elementos: Colectores de escape. Tubo de escape. Silenciadores. Catalizadores. Sondas lamda. MONOGRAFÍA Página 27

28 Figura 1.12 Sistema de escape Fuente: El principio de operación se basa en las leyes de conducción de gases por cañerías y por el estudio de las ondas generadas por el flujo alternativo. Los gases producto de la combustión, son expulsados por el pistón en su carrera ascendente y salen a través de la válvula de escape al múltiple o conducto colector, de este, el sistema puede derivar en uno o varios catalizadores para disminuir las emisiones de los gases peligrosos y de allí al silenciador para disminuir el nivel sonoro del sistema SISTEMA DE SUSPENSIÓN El sistema de suspensión tiene por finalidad suspender y absorber los movimientos bruscos que se producirían en la carrocería, por efecto de las irregularidades que presenta el camino, proporcionando una marcha suave, estable y segura. Para lograr dicha finalidad estos componentes deben ir entre el bastidor o carrocería y los ejes donde van las ruedas. MONOGRAFÍA Página 28

29 En función de la disposición de los ejes y puente trasero la suspensión se clasifica en: a) Suspensión rígida b) Suspensión independiente Suspensión rígida: Se caracteriza por que ambas ruedas unidas por el eje común y las trepidaciones de una rueda se transmiten a la otra. Suspensión Independiente: Se caracteriza por que cada rueda tiene su propio eje y su propio sistema de suspensión, por lo tanto las trepidaciones u oscilaciones de una rueda no se transmiten a la otra. Componentes típicos de la suspensión Resortes Amortiguadores Mecánicos (discos de fricción). Hidráulicos (actuales). Barra estabilizadora Bandejas Rotulas Topes de goma Tensor o barra tensora Candados MONOGRAFÍA Página 29

30 Figura 1.13 Sistema de suspensión rígida Fuente: El bastidor del automóvil se puede considerar el cuerpo integrador de la suspensión. Está fijado a los brazos de los ejes mediante ballestas o amortiguadores. En los automóviles modernos, las ruedas delanteras (y muchas veces las traseras) están dotadas de suspensión independiente, con lo que cada rueda puede cambiar de plano sin afectar directamente a la otra. Los estabilizadores son unas barras de acero elástico unidas a los amortiguadores para disminuir el balanceo de la carrocería y mejorar la estabilidad del vehículo. La dirección se controla mediante un volante montado en una columna inclinada y unido a las ruedas delanteras por diferentes mecanismos. La servodirección, empleada en algunos automóviles, sobre todo los más grandes, es un mecanismo hidráulico que reduce el esfuerzo necesario para mover el volante. MONOGRAFÍA Página 30

31 Figura 1.14 Sistema de suspensión independiente Fuente: SISTEMA DE FRENADO Los frenos son elementos de máquinas que absorben energía cinética o potencial en el proceso de detener una pieza que se mueve o de reducirse la velocidad. La energía absorbida se disipa en forma de calor. La capacidad de un freno depende de la presión unitaria entre las superficies de energía que está siendo absorbida. Componentes del sistema de frenado: Pedal de freno Bomba de freno Canalizaciones Bombines (frenos de expansión interna) Disco de frenado Caliper flotante Caliper fijo MONOGRAFÍA Página 31

32 Caliper deslizante Tipos de Sistemas de frenos En la actualidad, los dos grandes sistemas que se utilizan en los conjuntos de frenado son: frenos de disco y frenos de tambor. Frenos de tambor: Este tipo de frenos se utiliza en las ruedas traseras de algunos vehículos. Presenta la ventaja de poseer una gran superficie frenante; sin embargo, disipa muy mal el calor generado por la frenada. Características del freno de tambor: Mayor eficacia (mayor superficie) Refrigeración escasa. Sistema más complejo. Partes del freno de tambor: Tambor del freno Zapata Resortes de retorno de las zapatas Plato de anclaje Cable de ajuste Pistón hidráulico Cilindro de rueda Este tipo de freno consta de un tambor, en cuyo interior, al pisar los frenos, se expanden unas zapatas de fricción en MONOGRAFÍA Página 32

33 forma de "C" que presionan contra la superficie interna del tambor. Freno de disco: Utilizado normalmente en las ruedas delanteras y en muchos casos también en las traseras. Se componen de un disco montado sobre el cubo de la rueda, y una mordaza colocada en la parte externa con pastillas de fricción en su interior, de forma que, al aplicar los frenos, las pastillas presionan ambas caras del disco a causa de la presión ejercida por una serie de pistones deslizantes situados en el interior de la mordaza. Son más ligeros que los frenos de tambor y disipan mejor el calor, pues los discos pueden ser ventilados, bien formados por dos discos unidos entre sí dejando en su interior tabiques de refrigeración, bien con taladros transversales o incluso ambas cosas. Este sistema de frenado tiene las siguientes ventajas: No se cristalizan, ya que se enfrían rápidamente. Cuando el rotor se calienta y se dilata, se hace más grueso, aumentando la presión contra las pastillas. Tiene un mejor frenado en condiciones adversas, cuando el rotor desecha agua y el polvo por acción centrífuga. Por otra parte, las desventajas de los frenos de disco, comparados con los de tambor, son que no tienen la llamada acción de servo o de aumento de potencia, y sus pastillas son más pequeñas que las zapatas de los frenos de tambor, y se gastan más pronto. MONOGRAFÍA Página 33

34 Figura 1.15 Tipos de frenos en el automóvil Fuente: Frenos de poder: Los frenos de poder son un sistema hidráulico que utiliza el vacío del múltiple de admisión de la maquina o fuente externa de potencia hidráulica para que el operador de un vehículo logre el efecto de frenado. Los frenos de potencia tienen mayor aceptación por parte de los operadores de vehículos debido a que realizan un menor esfuerzo para frenar la unidad. Es dispositivo que actúa como reforzador de los frenos del vehículo y se encuentra localizado entre el cilindro maestro y la varilla de empuje del pedal del freno. La fuerza que se aplica al pedal del freno. La mayoría utilizan el vacío del múltiple de admisión del motor y la presión atmosférica para multiplicar la fuerza del operador de un vehículo en el momento de frenar. MONOGRAFÍA Página 34

35 Freno de mano o de estacionamiento: Son los conjuntos que bloquean el vehículo cuando está parado o que permiten una frenada de emergencia en caso de fallo en el sistema de frenado normal. Su funcionamiento es habitualmente mecánico, teniendo que realizan un esfuerzo sobre una palanca para el tensado del cable que bloquea las ruedas. MONOGRAFÍA Página 35

36 CAPÍTULO 2 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA A DIESEL MONOGRAFÍA Página 36

37 2.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA USANDO DIESEL COMO COMBUSTIBLE Este tipo de motores parecían destinados a los vehículos agrícolas y de tamaño grande o transporte pesado, no a una difusión como la que ha alcanzado en nuestros días, ya que hasta no hace mucho no eran motores que gustaran en el público, y es ahí donde está el mérito de este motor y el de los que lo han desarrollado, ya que han sabido conjugar los avances que la tecnología les ha permitido, para presentar al motor Diesel como una alternativa válida. La historia de este motor comienza en el año 1897, cuando Rudolf Diesel crea el primer motor de combustión funcional, siendo otorgado el apellido del creador al motor como reconocimiento. Para describir un motor diesel; solo tenemos que compararlo con un típico motor de gasolina, ambos son de combustión interna, llamados así debido a la explosión que ocurre dentro de las cámaras de combustión. La mayoría de componentes de ambos motores son iguales; solo hay que tener en cuenta que debido a la alta presión; alcanzada por un motor diesel; estos componentes, están sometidos a un trabajo más fuerte. El calentador es el encargado de calentar el aire que se comprime en una especie de precamara. Este componente tiene una bujía, lleva un cable que le conecta los 12 voltios de la batería. Este calentador, se activa cuando el motor esta frio, y se desconecta al calentarse asimismo. MONOGRAFÍA Página 37

38 La ilustración de abajo muestra los ciclos de trabajo de un pistón, en un motor diesel. Figura 2.1 Ciclo de un motor diesel a 4 tiempos Fuente: El ciclo diesel, a presión constante siguientes tiempos. consta de los 1.- ADMISIÓN.- En esta fase el aire puro se comprime y adquiere una temperatura suficiente como para provocar el autoencendido del combustible. 2.- COMPRESIÓN.- El pistón sube, pasa del punto muerto inferior al punto muerto superior; las válvulas de admisión y de escape permanecen cerradas. El aire se comprime y se calienta lo suficiente para encender el combustible que se inyecta al final de la compresión. 3.- EXPANSIÓN.- Se inyecta el combustible al interior del cilindro, se inflama, se expande y empuja el pistón hacia abajo para producir potencia. 4.-ESCAPE.- La válvula de escape se abre y el pistón sube, pasa del punto muerto inferior al punto muerto superior para MONOGRAFÍA Página 38

39 que el pistón desaloje todos los gases quemados productos de la combustión. Partes de un motor diesel Polea del alternador Tapón de llenado de aceite Filtro de combustible Inyectores Tubo de respiración Bomba de inyección de combustible Enfriador de aceite Filtro de aceite Cárter Banda del ventilador Bomba de agua Múltiple de admisión Múltiple de escape Alternador Turbocargador y compensador Entre otros MONOGRAFÍA Página 39

40 2.2 PROCESO DE COMBUSTIÓN EN LOS MOTORES A DIESEL En cuanto el combustible frio contacta con el aire que se encuentra a gran temperatura, comienza a elevarse su temperatura, formándose vapor alrededor de cada una de las gotas de diesel. El aire circundante se enfría y toma calor de la masa de aire comprimido, transmitiéndolo nuevamente a la gota de combustible que vuelve a calentarse hasta alcanzar su temperatura de inflamación. Cuando esto ocurre, comienza la combustión y el calor producido se pasa a toda la masa de aire y combustible restante, produciéndose su inflamación. El tiempo que transcurre entre la entrada de las primeras gotas y el inicio de la combustión se llama retardo a la inflamación. Para reducir este fenómeno es necesario que la combustión se inicie con el menor intervalo de tiempo respecto a la inyección, por lo que se usa un combustible con un alto grado de cetano así como una buena pulverización del mismo, con relaciones de compresión elevadas. MONOGRAFÍA Página 40

41 2.3 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE El sistema de alimentación de combustible tiene como propósito el proporcionar el combustible, al interior de las cámaras de combustión bajo las siguientes condiciones: Proporcionar la cantidad exacta de combustible para las diferentes condiciones de trabajo de la máquina. Inyectar en el momento preciso Inyectar finamente y repartirlo en toda la masa de aire Los tipos de sistemas de alimentación de combustible se clasifican en: a). Circuito de alta presión, encargado de impulsar el combustible a una presión determinada para ser introducido en las cámaras de combustión. b). Circuito de baja presión, encargado de enviar el combustible desde el depósito en que se encuentra almacenado a la bomba de inyección. El sistema de alimentación consta de las siguientes piezas: Filtro de aire. Depósito de combustible. Canalización de baja presión. MONOGRAFÍA Página 41

42 Filtro de combustible Bomba de baja presión. Canalización de alta presión. Inyectores. Circuito auxiliar de precalentamiento para el arranque. Sistema de escape. Figura 2.2 Partes que constituyen el sistema de alimentación Fuente: Existen dos tipos de cámaras, de inyección directa e inyección indirecta. Cámaras de inyección directa: La inyección se realiza directamente en el cilindro, con alojamientos especiales en la cabeza del pistón que varían en su forma, para actuar como cámara de turbulencia y ayudar a la vaporización del combustible. MONOGRAFÍA Página 42

43 Cámaras de inyección indirecta: En esta disposición la combustión se desarrolla en dos cámaras, una de ellas es la de turbulencia que normalmente es esférica, y que desemboca en la cámara principal, que está constituida por el espacio comprendido entre el pistón y la culata. El funcionamiento del sistema de alimentación de combustible es el siguiente: La bomba de aspiración succiona combustible del depósito a través de una rejilla filtrante, que se encuentra en el extremo del tubo de aspiración. Este combustible llega a través de un primer filtro que elimina las impurezas más gruesas que lleva en suspensión el diesel. Después la bomba lo manda al filtro del combustible y de ahí pasa a la bomba de inyección, que lo manda a los inyectores. La bomba de inyección suministra el combustible necesario a presión a los distintos cilindros, a los que pasa a través de los inyectores, que lo pulverizan. Desde ellos, el sobrante que no entra en los cilindros se hace retornar por los conductos de rebose. 2.4 SISTEMA DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE Para realizar la combustión es necesario inyectar una determinada cantidad de combustible finamente pulverizado en la cámara de combustión, en la cual se encuentra el aire comprimido y caliente. Dicha misión está encomendada a los inyectores, que reciben el combustible de la bomba de inyección. Las condiciones esenciales son: MONOGRAFÍA Página 43

44 Suministrar a cada cilindro y en cada ciclo la cantidad de combustible justa, adecuándola a las condiciones de marcha del motor. Iniciar la inyección en el momento preciso, de forma que la combustión se realice de forma correcta y por completo, variando el punto de inyección a medida que el régimen de giro del motor y las condiciones de carga varían Pulverizar el combustible, de forma que se reparta en minúsculas gotas para facilitar su inflamación. Dar a esas gotas la suficiente capacidad de penetración en la cámara donde se encuentra el aire comprimido. Difundir de manera uniforme las partículas de combustible en el aire de la cámara de combustión. Figura 2.3 Sistema de inyección de combustible Fuente: Los elementos encargados de cumplir estas necesidades son: La bomba de inyección Los inyectores MONOGRAFÍA Página 44

45 Los tipos de bomba de inyección empleados en el mundo del automóvil se dividen en dos grupos: Bombas de elementos en línea. Bombas rotativas En las bombas de elementos en línea se dispone un elemento de bombeo para cada cilindro, de carrera total constante y de carrera de trabajo variable. Los elementos de esta bomba reciben movimiento del árbol de levas a través de un impulsor de rodillo. Dicho árbol de levas gira a la mitad de vueltas que el cigüeñal, para que se produzca una inyección por cilindro cada dos vueltas del cigüeñal. La bomba de inyección de elementos en línea está constituida por: a). Elemento de bombeo b). Válvula de retención c). Cremallera de control d). Árbol de mando e). Regulador de velocidad f). Variador al avance a la inyección Las bombas rotativas son más adecuadas para motores de pequeña cilindrada y elevado régimen de giro, como los de los turismos, quedando las bombas lineales relegadas a los motores de aplicación industrial o agrícola, o a motores de vehículos pesados. MONOGRAFÍA Página 45

46 Este tipo de bomba presenta las siguientes ventajas respecto a la bomba de elementos en línea convencional: Menor peso. Caudales inyectados rigurosamente iguales para todos los cilindros. Velocidad de rotación elevada. Menor precio de costo. Menor tamaño. Mayor facilidad de acoplamiento al motor. Estas bombas suelen incluir la bomba de alimentación en su cuerpo. Para lograr una buena combustión, es necesario que el combustible sea inyectado en el interior del cilindro muy finamente pulverizado, con el objetivo de lograr una mejor y más rápida combustión. Su funcionamiento es el siguiente: El combustible llega al portainyector por una canalización que llega de la bomba, y pasa al inyector a través de un conducto lateral. El sobrante de combustible circula por la canalización que lo lleva al depósito de combustible por el circuito de retorno. Debido a las diferentes cámaras de combustión utilizadas en los motores diesel, la forma, fuerza de penetración, y pulverización del chorro de combustible proporcionado por el inyector están adaptados a las condiciones específicas del motor. De esta manera, se distinguen dos tipos esenciales de inyectores: De orificios. MONOGRAFÍA Página 46

47 De tetón o espiga. El de orificios está desarrollado para motores de inyección directa. Los inyectores de tetón o espiga se utilizan sobre todo en motores de inyección indirecta, es decir, en motores con precámara de inyección. 2.5 SISTEMA DE CONTROL ELECTRÓNICO En los sistemas de inyección diesel con control electrónico, las condiciones de funcionamiento del motor son registradas por sensores, que hacen llegar las correspondientes señales eléctricas a la unidad de control. La inyección electrónica diesel puede ser dividida en tres bloques: los sensores, la unidad de mando y control y los elementos actuadores. Los sensores registran las condiciones operativas del motor y transforman diversas magnitudes físicas en señales eléctricas. Los Principales Sensores son: Sensor de Sincronización de Referencia (SRS) y el Sensor de Referencia de Tiempo de Inyección (TRS) Estos sensores son los encargados de controlar el tiempo de inyección del motor. El sensor TRS provee una señal (una por cilindro) y el sensor SRS envía una señal (una por revolución), trabajando en conjunto, ambos sensores le comunican a la UCE cual cilindro está en el punto muerto superior para el encendido. MONOGRAFÍA Página 47

48 Sensor de Posición del Acelerador (TPS) Este sensor convierte el movimiento que realiza el operador en el acelerador en una señal para la UCE, mediante un potenciómetro. Gobernador de Velocidad Limitada (LSG) Controla las mínimas revoluciones en vacío y las máximas revoluciones en vació. Sensor de Presión del Turbo (TBS) Monitorea la presión de descarga del compresor del turbocargador, entrega datos a la UCE para el control de emisiones de gases contaminantes durante la aceleración del motor. Sensor de Temperatura del Combustible (FTS) Este sensor proporciona una señal a la UCE para optimizar el consumo de combustible. La UCE utiliza la señal de temperatura del combustible para ajustar los cálculos de la proporción del consumo de combustible por cambios en la densidad del combustible en función de la temperatura. Sensor de Presión del Combustible (FPS) Este sensor monitorea la presión de combustible y se lo comunica al operador reduciendo la potencia del motor debido a filtros de combustible sucios. Sensor de Presión del Cárter del Cigüeñal Este sensor monitorea la presión del cigüeñal del motor y activará la reducción de potencia. MONOGRAFÍA Página 48

49 Figura 2.4 Sistema de control electrónico de la inyección diesel Fuente: Todas las señales de los diferentes sensores son enviadas a la UCE que contiene varios microprocesadores y unidades de memoria. En la unidad de control se procesa la información y se calculan las magnitudes de las señales de salida comparándolas con las características almacenadas en la memoria. Dicha unidad de control suele estar en el habitáculo de los pasajeros para estar más protegida de los agentes externos. En ella hay memorizados diferentes campos característicos que actúan en dependencia de diversos parámetros, como la carga del motor, el régimen, la temperatura del motor, caudal de aire, entre otros. MONOGRAFÍA Página 49

50 Las señales eléctricas de salida de la UCE son transformadas por los distintos actuadores en magnitudes mecánicas. 2.6 SISTEMA BOMBA-INYECTOR CON MANDO ELECTRÓNICO El sistema de inyección de alta presión por medio de un inyector bomba con mando electrónico, en el que la bomba, el inyector y una válvula electromagnética constituyen una unidad compacta ubicada en la culata del motor y accionada mecánicamente por una leva adicional del árbol de levas y eléctricamente por la unidad de control, y está posicionado en el centro de la cámara de combustión que forma el pistón. El sistema bomba-inyector presenta frente a los sistemas de inyección convencionales una serie de ventajas, de las cuales destacan: Un diseño compacto. Una capacidad de alcanzar mayores presiones de trabajo Disponer de una preinyección separada de la inyección principal. Emisiones de gases contaminantes más bajas. Por el contrario, este sistema también presenta algunos inconvenientes, de los cuales los más importantes son: Un diseño complejo de la culata. Mayor exigencia de trabajo para el árbol de levas. Correa dentada sometida a mayores cargas de trabajo. MONOGRAFÍA Página 50

51 Figura 2.5 Sistema bomba-inyector con mando electrónico Fuente: El esquema de este sistema sería así: El combustible es aspirado del depósito por una bomba de paletas que es arrastrada por el motor, que lo aspira a través de un filtro, impulsándolo a través de otro filtro hacia la canalización de alimentación de los inyectores- bomba, que está en la culata. El sobrante no inyectado retorna por otra canalización de la culata hacia la bomba de alimentación, o al depósito directamente. Los inyectores-bomba efectúan la inyección del combustible en dos fases, realizando en primer lugar una preinyección de duración controlada y luego la inyección principal. Una importante característica de los sistemas de inyección con control electrónico de los inyectores-bomba es que permiten una corrección selectiva del caudal por cilindro con la que se logra un funcionamiento más suave del motor. MONOGRAFÍA Página 51

52 2.7 SISTEMA DE SOBREALIMENTACIÓN En los motores diesel el sistema más utilizado para realizar su sobrealimentación es el que utiliza un turbocompresor, ya que es un sistema que mejora las cualidades de funcionamiento del motor. El turbocompresor se compone esencialmente por una turbina y un compresor, montados en el mismo eje. La turbina recibe el movimiento de los gases de escape, que se encuentran a elevada temperatura, y que la ponen en rotación. Al mismo tiempo la rueda del compresor comprime el aire que va a ser introducido en la admisión y posteriormente en los cilindros. La cantidad y la presión del aire que entra son proporcionales a la velocidad de rotación. El turbocompresor presenta en su funcionamiento grandes ventajas, de entre las cuales destacan: Incremento notable de la potencia y el par motor, que puede llegar a un 35% más Son motores generalmente más silenciosos, aunque a veces se percibe un silbido, procedente del turbo, en las aceleraciones. Su rendimiento volumétrico es mayor, con lo que las combustiones son más completas, dando como resultado un consumo mucho más bajo con la misma potencia. La combustión es mucho más eficaz y limpia, con lo que se reducen los gases contaminantes. MONOGRAFÍA Página 52

53 Figura 2.6 Sistema de sobrealimentación de un motor diesel Fuente: En algunos motores, se intercalan intercambiadores de calor entre el turbo y el colector de admisión, con el fin de reducir la temperatura del aire de admisión. Dichos intercambiadores pueden ser del tipo aire/aire, si el aire se refrigera por la circulación de otros aires, o aire/agua, si se refrigera mediante el paso de un líquido. Una precaución que se debe tener en un vehículo con turbocargador, es el no acelerarlo antes de apagar el motor, ya que esto puede dañar el turbocargador. 2.8 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO El sistema de enfriamiento sirve para recoger el calor de las partes críticas y mantener el motor a una temperatura conveniente para lograr su máximo rendimiento. Los puntos más calientes que se deben de enfriar constantemente son: cámara de combustión, parte alta del MONOGRAFÍA Página 53

54 cilindro, cabeza del pistón, válvulas de admisión y de escape y boquilla del inyector. En el interior existen conductos de agua que rodean a los puntos críticos. El agua es forzada a circular por las camisas de los cilindros, para que recojan el calor. Figura 2.7 Sistema de enfriamiento Fuente: Primero pasa por los conductos del monoblock, cabeza del motor, termostato, y las mangueras para llevarlo al radiador en donde se enfría. En la parte inferior es tomada por la bomba de agua para forzar su circulación continua a través del sistema. Para que el motor se caliente más rápidamente en climas fríos, se dispone de un termostato que actúa sobre la corriente de agua o sobre la corriente de aire. Cuando actúa sobre la corriente de agua el termostato cierra el paso de la corriente de agua hacia el radiador y por una desviación lo circula únicamente por las camisas del MONOGRAFÍA Página 54

55 motor, lo que permite que el motor alcance una temperatura adecuada. Cuando la corriente es de aire se desvía de las aletas del cilindro. Para calentar el motor actuando sobre la corriente del aire, el termostato que va sumergido en el agua, controla el cierre o la apertura de unas persianas al frente del radiador, obstruyendo o permitiendo el paso de la corriente del aire que pasa por el radiador. 2.9 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE AIRE Un motor diesel aspira una gran cantidad de aire que debe estar limpio para su buen funcionamiento, por eso la importancia que tiene el filtro de aire del motor diesel, Cualquiera que sea el tipo de filtro de aire, debe de tener la suficiente capacidad para retener las partículas más pequeñas como polvo, pelusa, tierra, etc. Se debe tener en cuenta que al pasar impurezas al interior del motor pueden causar desgaste rápido de los anillos del pistón, camisas, pistones, mecanismos de válvulas, etc. MONOGRAFÍA Página 55

56 Figura 2.8 Sistema de alimentación de aire del motor diesel Fuente: Los principales tipos de filtros de aire son: Húmedo con baño de aceite.- El elemento filtrante está formado por una malla la cual está sumergida en aceite, provoca una baja restricción al flujo de aire Tipo seco.- El elemento filtrante está formado por papel o tela, el cual se desecha una vez que está saturado De dos etapas.- Se tiene una combinación de ambos tipos para mejorar la limpieza del aire y reducir la restricción al flujo de aire 2.10 SISTEMA MECÁNICO DE REGULACIÓN DE VELOCIDAD Es un sistema muy importante para el motor porque permite la regulación del régimen de marcha del mismo. La función es la de fijar las revoluciones del motor en el régimen deseado por el usuario. Consta de un eje de entrada, unos contrapesos móviles y un sistema de transmisión MONOGRAFÍA Página 56

57 de movimiento por palancas hasta la leva de accionamiento de la bomba inyectora del motor diesel. Figura 2.9 Sistema mecánico de regulación de velocidad Fuente: El funcionamiento es el siguiente: El eje de entrada toma el movimiento de rotación del motor mediante engranajes o correa dentada, este movimiento se transmite a un mecanismo que tiene unos contrapesos que se mueven por acción de la fuerza centrífuga, esta acción a su vez se transforma mediante un sistema de palancas en otro movimiento de trayectoria lineal, que finalmente se transmite mediante otras palancas a la leva. Para que funcione hay que controlar que siempre tenga una buena lubricación en sus partes móviles y que el sistema de palancas no se trabe, manteniéndolo libre de suciedad y lubricado. MONOGRAFÍA Página 57

58 2.11 SISTEMA DE LUBRICACIÓN La lubricación consiste básicamente en mantener separadas las superficies metálicas en movimiento. Esto se logra mediante el efecto hidrodinámico. Bajo estas condiciones, se forma una cuña de aceite, la cual fluye en la misma dirección de la superficie en movimiento. La reposición del aceite lubricante se efectúa por medio de la bomba de aceite, la cual dirige al aceite, hacia todas las partes a lubricar, impulsando varios litros de aceite por minuto a una presión controlada. La presión de aceite es el parámetro más importante que afecta al circuito de lubricación, en motores de lubricación forzada, generada por la bomba de aceite. Un factor decisivo es la viscosidad del lubricante, un aceite de alta viscosidad (o a bajas temperaturas) mantendrá una presión elevada, como en caso contrario un aceite de viscosidad baja (o de altas temperaturas) mantendrá una presión débil. Cuando el motor está frío, el aceite se encuentra en el cárter por lo que la presión es cero, por ello es conveniente verificar su operación una vez puesto en marcha. MONOGRAFÍA Página 58

59 El aceite frío tiene una resistencia natural alta al flujo, por consiguiente su presión será alta al momento del arranque. Cuando el aceite comienza a circular y va tomando temperatura, su viscosidad disminuye hasta llegar a un nivel de presión estable. Solamente en ese momento el motor está siendo lubricado debidamente. Por lo tanto, una presión alta hace trabajar doblemente a la bomba de aceite, lo que resta potencia y pérdida en el rendimiento del motor, así también una presión baja quiere decir que el aceite lubricante está circulando vigorosamente por todas las partes donde el motor lo requiera, para evitar desgastes futuros. Una buena lubricación se consigue con una presión adecuada, lo cual asegura un flujo de aceite suficiente como para mantener lubricado, refrigerado y limpio el sistema de lubricación. Figura 2.10 Sistema de lubricación Fuente: MONOGRAFÍA Página 59

60 CAPÍTULO 3 MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA A GAS LP MONOGRAFÍA Página 60

61 3.1 EL GAS NATURAL COMO COMBUSTIBLE PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA En el ámbito internacional, el gas natural ha constituido una importante opción como fuente energética y como sustituto de combustibles convencionales. La calidad ambiental es prioridad en el desempeño de los motores modernos, dejando en un segundo plano la potencia. El gas natural está considerado como uno de los combustibles fósiles más ecológicos, ya que está compuesto principalmente de metano. Los vehículos a gas natural generan, por este motivo, una cuarta parte menos de dióxido de carbono que la gasolina, eliminándose casi por completo la emisión de dióxido de azufre, monóxido de carbono y polvo fino. Los vehículos utilizan gas natural en lugar de gasolina o diesel. Es decir, la combustión en los cilindros se realiza con una mezcla de aire y gas natural en lugar de una mezcla de aire y gasolina. El gas natural resulta ser mucho más barato y eficiente en comparación a la gasolina y el diesel. Es el combustible tercero más utilizado para el transporte de todo el mundo. El uso de gas natural aumenta la eficiencia de combustible del vehículo ya que tiene un valor de alto octanaje. Al ser un gas inflamable, puede llegar a ser peligroso. La mayor desventaja es que debido a que no utiliza plomo o MONOGRAFÍA Página 61

62 cualquier otro sustituto para la combustión, lo que resulta en una disminución de la vida útil del motor. Además de que, el gas natural no es recomendable para las montañas o cualquier tipo de terreno accidentado, ya que no proporciona potencia y par motor en el vehículo. Es importante mencionar que el sistema de carburación con gas mantiene los motores más limpios que la gasolina, por el simple motivo de que el gas combustión está en estado gaseoso y eso evita los residuos, manteniendo tu motor y sus fluidos más limpios. Las conversiones se hacen bajo la supervisión de una Unidad de Verificación en cumplimiento con la Norma Oficial Mexicana Nom-005-SEDG Además por seguridad, una vez hecha la instalación, se realizan pruebas de hermeticidad con el motor funcionando, con la finalidad de garantizar que no exista alguna fuga. Para realizar la conversión, básicamente es conectar el tanque al corte de gas, y a su vez al gasificador, y de ahí al depurador mediante mangueras. El gasificador es como un carburador, pero solo actúa sobre el gas, el cual regula la mezcla, y también se hace un conducto en uno de los caños del sistema de calefacción y se le intercala en esa cañería el propio gasificador para que no se congele por dentro el gas. MONOGRAFÍA Página 62

63 Pasos a considerar en la conversión a gas El primer paso es determinar si deseas un sistema de combustible sencillo (sólo gas), o de combustible dual (gas y gasolina), porque de esto depende el modelo de carburador que necesitas adquirir. Calcular el flujo requerido para el motor. Es importante usar un carburador del flujo correcto de acuerdo a tu motor. El flujo requerido lo puedes calcular con la siguiente fórmula: Para Motores atmosféricos: Para Motores sobrealimentados: Luego de que calculamos el flujo requerido para el motor, debemos escoger el carburador apropiado, usando la siguiente tabla, localizando el flujo calculado por la fórmula de arriba, y localiza el carburador que proporcione el flujo requerido. MONOGRAFÍA Página 63

64 Tabla 3.1 valores de flujo de acuerdo al tipo de carburador CFM Max. Modelo de Carburador 91 IMPCO IMPCO IMPCO IMPCO IMPCO IMPCO IMPCO IMPCO 300A-1, -20 (DUAL) 432 IMPCO 300A-50, -70 (DUAL) 460 IMPCO 425 Fuente: Nota: Dado que IMPCO es la marca más distribuida en México, y la que fabrica las piezas que se usan en la conversión. Ejemplo: 258 pulgadas cúbicas * 5000 RPM Max / 3456 * 0.85 = CFM requeridos Posteriormente decide qué tipo de sistema de conversión deseas instalar, es decir, los sistemas de circuito abierto no controlan el sistema eléctrico, lo que significa que no podrás evaluar su funcionamiento. Los sistemas de circuito cerrado incluyen un sensor que MONOGRAFÍA Página 64

65 provee información constante sobre el rendimiento y ajustan el índice de combustible/aire como sea necesario. Comprueba tus garantías, las cuales deberán cubrir el sistema a gas y cualquier avería mecánica. Comprar un kit de conversión que incluya un carburador, válvulas, tanque, accionadores, sistema electrónico y software. Asegurarse de que el kit funcione con tu motor. Monta un tanque de propano líquido en tu vehículo. En un automóvil particular, el tanque se coloca en el baúl, mientras que en camionetas y camiones reemplaza el tanque debajo del vehículo. Modifica el motor de acuerdo a las instrucciones del fabricante del kit de conversión. Por seguridad, instalar una válvula de cierre electrónica. La válvula separa el gas del motor cuando se apaga el automóvil y detendrá el flujo de gas durante un accidente. Llenar el tanque verificando que no haya pérdidas cerca del filtro y luego ajustar el encendido, ya que la mayoría de los automóviles están configurados con un ralentí más rápido que el necesario para su utilización con gas. MONOGRAFÍA Página 65

66 3.2 EQUIPO DE CARBURACIÓN A GAS L.P. Se llama Equipo de Carburación a Gas L.P. al conjunto de dispositivos que se emplean para el aprovechamiento de Gas L.P. como combustible en motores de combustión interna. Se compone de los siguientes partes: Figura 3.1 Elementos para realizar una conversión a gas l.p Fuente: Tanque: Aquí es donde se almacena el gas en forma líquida bajo presión. Los tanques para gas son construidos de hierro de buen grosor, probados de fábrica hidrostáticamente contra explosión, y adicionados con una válvula de alivio de presión de emergencia. MONOGRAFÍA Página 66

67 Válvula bloqueadora y filtro: Sirve como un bloqueo al flujo de propano líquido al motor cuando éste deja de funcionar y además filtra el combustible contra partículas. Las hay de dos tipos: de vacío, y eléctricas: Cuando se usa la válvula bloqueadora de vacío se encuentra en el múltiple de admisión, donde básicamente mientras haya presencia de vacío abren el flujo de combustible. Si apagas el motor o se apaga, deja de haber vacío y se interrumpe el flujo de combustible. Las válvulas eléctricas son cableadas a corriente, las cuales al estar el motor encendido permiten flujo, y al apagarse se interrumpe. Vaporizador: También llamado convertidor o regulador, recibe el combustible líquido a alta presión por un lado, el cual es calentado por el circuito de refrigerante del motor que circula por el vaporizador, y al calentarse se expande, hierve y se convierte en gas, y de ahí pasa a una cámara reguladora que lo baja de presión, de ahí a un diafragma actuado por el vacío del motor. Mientras más vacío hay, más gas succionará hacia el carburador MONOGRAFÍA Página 67

68 Carburador: El carburador es la pieza que mezcla el gas propano y el aire, y los introduce al múltiple de admisión, el cual llevará el combustible a las cámaras de combustión. Mangueras y conectores: Se requieren de tres tipos de mangueras para la instalación: Manguera de alta presión: Es la manguera que va del tanque a la válvula de bloqueo y de ahí al vaporizador. Manguera de baja presión: Es la manguera que va del vaporizador al carburador. Manguera para agua caliente/calefactor: Se usa para circular agua caliente del radiador a través del vaporizador. El área en la que se coloca el tanque de Gas L.P. varía dependiendo del tipo de vehículo que se convierta. Se puede montar en la cajuela, bajo el faldón de un autobús, a un costado del chasis de un camión de carga o en la caja de una camioneta. MONOGRAFÍA Página 68

69 Figura 3.2 Ubicación del tanque de gas en vehiculos automotrices Fuente: Como medida de seguridad la secretaria de energía recomienda que al realizar esta conversión no se utilice en ningún caso la instalación de sistemas duales, es decir, el sistema de gasolina debe quedar inutilizado permanentemente cuando el vehículo cuente con el sistema de Gas L.P. La ubicación de los recipientes deben estar nivelados para una lectura correcta del nivel del líquido y se deben ubicar en sitios de fácil acceso. En lo que respecta al mantenimiento, este debe realizarse por lo menos cada seis meses y se debe llevar una bitácora que registre el mantenimiento y las modificaciones. Las ventajas del sistema a Gas L.P. son las siguientes: Es el sistema de combustible más confiable. No hay sensores electrónicos, bombas, inyectores, computadoras, etc. MONOGRAFÍA Página 69

70 Requiere sólo de cuatro componentes mayores (tanque, válvula, vaporizador y carburador). Sus componentes requieren de una reconstrucción periódica de intervalo mucho más remoto que las partes de carburación a gasolina. No requiere de una bomba de combustible. El sistema de combustible de gas propano esta sellado de los elementos. 3.3 DESEMPEÑO El Gas L.P. cuenta con un octanaje alto, por lo que es altamente resistente a pre-detonación. Esta cualidad lo hace especialmente apto para aplicaciones de alta compresión y sobrealimentados. El Gas L.P. tiene una atomización superior, haciéndolo más fácil de mezclarse con el aire. Esto proporciona arranques en frio más fáciles, y una marcha del motor más suave que la gasolina. Es imposible "ahogar" un motor a gas. Incrementa la vida de las bujías en un %, dado que no hay combustible sin quemar, que las moje constantemente como en un motor a gasolina. La combustión es completa y no deja residuos de carbón como en un motor a gasolina. Incrementa la vida útil e intervalos de cambio del aceite lubricante debido a que no deja residuos de carbón, ni gasolina sin quemar que degraden constantemente el aceite. El aceite de motor después de ser usado miles de kilómetros es retirado igual de MONOGRAFÍA Página 70

71 transparente y limpio como cuando se introdujo nuevo al motor. El Gas L.P. no se echa a perder con el almacenaje prolongado. 3.4 ECONOMÍA El Gas L.P. es más barato que la gasolina La durabilidad de un motor usado con gas es hasta un 300% mayor que la de uno a gasolina. Se genera un ahorro por el incremento en los intervalos de cambio de aceite y de bujías. Tenemos un ahorro por el menor costo de kits para reconstrucción de carburador, es decir, el repuesto de carburador a gasolina es más caro que el repuesto de carburador a Gas L.P. 3.5 SEGURIDAD Un tanque para gas LP es más robusto, y se encuentra más protegido en cuanto a posición contra golpes. Los tanques para gas LP cuentan con medidas de seguridad, como válvula de alivio de presión. El gas LP es más difícil de encenderse en caso de una fuga, dado su mayor octanaje, por lo que es más seguro. En caso de una fuga el gas LP este se disipa rápidamente con el aire, reduciendo el riesgo de incendio y explosión. MONOGRAFÍA Página 71

72 3.6 ECOLOGÍA El propano no contamina el agua o la tierra. El propano es menos contaminante que la gasolina Lo emitido por el escape de un vehículo a gas es bióxido de carbono, lo mismo que emitimos por la nariz cada vez que respiramos. Algunas de las desventajas del sistema a Gas L.P. son las siguientes: Hay muchas menos estaciones despachadoras de gas. Los tanques para almacenar gas ocupan una buena parte del área de carga de un vehículo, ya que son grandes. Se dice que hay pérdida de potencia, y esto es cierto y falso a la vez, es cierto solo en los casos en que se instalan sistemas tipo combustible dual, es decir, que trabajan con ambos gasolina y gas propano. La razón es que la gasolina y gas requieren afinación del motor muy diferente, por lo que no trabaja de manera óptima con ninguno de los dos combustibles, y es aquí donde existe una ligera pedida de potencia. Sin embargo en los sistemas dedicados a gas exclusivamente no existe pedida de potencia, de hecho hay un incremento de potencia si se afina correctamente el motor. El Gas L.P. rinde menos, ya que posee menos energía potencial. MONOGRAFÍA Página 72

73 Es muy importante conocer algunas particularidades operativas en su vehículo al funcionar con Gas L.P. Durante los primeros 1000 kilómetros el equipo pasa por el período de ajuste, por lo tanto podría haber un consumo irregular de combustible. Cuando es sistema dual, para seleccionar el combustible con el cual desea efectuar el arranque, se recomienda que se haga con el combustible que estaba utilizando cuando apagó el carro el día anterior o la última vez que lo encendió. Es muy importante que tenga en el tanque de gasolina la menor cantidad de éste combustible, ya que si se mantiene en el tanque mucha cantidad sin usarla, ésta se descompone y se produce un material mieloso que puede dañar el sistema de inyección a gasolina. El mantenimiento del filtro de aire es muy importante para el buen funcionamiento de su vehículo, revíselo, límpielo sacudiéndolo y no soplándolo y substitúyalo con el cambio de aceite. Para obtener un óptimo rendimiento en Gas L.P. se recomienda efectuar la afinación cada 10,000 kilómetros. 3.7 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DUAL Cuando se enciende el motor, y se pone en marcha el vehículo, al alcanzar ciertas revoluciones por minuto, automáticamente se enciende el sistema y suavemente se cambiando de gasolina a Gas L.P. el equipo electrónico modifica la señal que va de la computadora a los inyectores de gasolina, se mandan señales a las válvulas MONOGRAFÍA Página 73

74 electromagnéticas: una cierra el paso de la gasolina y otra abre el paso del Gas L.P. Al activarse las válvulas, el Gas L.P. fluye del cilindro al regulador de presión donde el gas pasa de presión alta a baja. Una vez que el gas LP sale del regulador, este se dirige hacia el mezclador instalado en la entrada de aire del motor donde es mezclado con el aire y entra al motor en la una cantidad requerida por el motor. Figura 3.3 Funcionamiento del sistema dual Fuente: Si el Gas L.P. del vehículo esta por agotarse, automáticamente y sin sobresaltos se transfiere al uso de gasolina. 3.8 VENTAJAS DEL SISTEMA DUAL Transferencia automática a gasolina antes que se agote el Gas L.P. El vehículo enciende con gasolina y esta tiene el lubricante necesario para no dañar el motor. Se puede utilizar en cualquier vehículo de cualquier año, no se cortan cables ni se modifica el vehículo. MONOGRAFÍA Página 74

75 Transferencia suave y automática de gasolina a Gas L.P. al alcanzar cierto nivel de revoluciones por minuto del motor Componentes electrónicos sin partes mecánicas o relevadores. Drástica reducción en la emisión de gases contaminantes. Ahorros en el gasto de combustible al ser el gas LP más económico que la gasolina. Opción de utilizar el Gas L.P. desde el encendido del vehículo. 3.9 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE Este sistema es una instalación que adecua la provisión de gas a las necesidades y especificaciones del motor a gas. Es de vital importancia para el buen funcionamiento del motor, ya que elimina fluidos en estado líquido, asegura la presión de alimentación y quita impurezas sólidas que puede arrastrar el gas. Este sistema toma el gas provisto por la red de distribución, separa los compuestos que llegan en estado líquido, regula la presión de línea a una adecuada a la alimentación del regulador del motor. MONOGRAFÍA Página 75

76 Figura 3.4 Sistema alimentación de combustible gaseoso Fuente: Consta de un separador gas-líquido, un regulador de gas y un filtro de gas. El separador de líquido consta de un recipiente cilíndrico con placas en su interior donde choca el gas de entrada, haciendo chocar las gotas de líquido que arrastra el gas, depositándolas en su interior, esta acción se favorece aumentando el tiempo de residencia del fluido e incluyendo cambios en la dirección del flujo. La separación de líquido la realiza por expansión y cambio de dirección del flujo en un recipiente, haciendo disminuir la energía cinética del fluido cuando choca con placas en su camino, dejando el gas bajo la acción de la gravedad el mayor tiempo posible. MONOGRAFÍA Página 76

77 CAPÍTULO 4 ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS DIVERSOS SISTEMAS AUXILIARES EN LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA MONOGRAFÍA Página 77

78 4.1 DIFERENCIAS PRINCIPALES ENTRE EL MOTOR A GASOLINA Y EL MOTOR A DIESEL En este capítulo vamos a conocer la semejanzas y diferencias que existen entre el motor a gasolina, diesel y Gas L.P. Un motor a gasolina succiona una mezcla de gas y aire, los comprime y enciende la mezcla con una chispa. Un motor diesel sólo succiona aire, lo comprime e inyecta combustible al aire comprimido, el calor del aire comprimido enciende el combustible espontáneamente. Un motor diesel utiliza mucha más compresión que un motor a gasolina, la alta compresión se traduce en mejor eficiencia. Los motores diesel utilizan inyección de combustible directa, en la cual el combustible diesel es inyectado directamente al cilindro, esta técnica mejora la eficiencia del motor diesel. Los motores a gasolina generalmente utilizan carburación en la que el aire y el combustible son mezclados un tiempo antes de que entre al cilindro. La mayoría de motores diesel tiene un alambre calentado eléctricamente, que ayuda a encender el combustible cuando el motor está frío. El combustible diesel es más pesado y aceitoso. El combustible diesel se evapora mucho más lento que la gasolina -su punto de ebullición es más alto que el del MONOGRAFÍA Página 78

79 agua. El combustible diesel se evapora más lento porque es más pesado. Toma menos tiempo refinar para crear el combustible diesel, ya que es generalmente más barato que la gasolina. Figura 4.1 Comparacion entre un motor a gasolina y un motor a diesel Fuente: En los motores diesel no existe carburador, ni sistema de encendido. Como la compresión se realiza solo de aire, no existe peligro de detonación. Es un motor más pesado ya que necesita piezas más robustas por la presión final. Son muy usados por su elevado rendimiento y el combustible más barato. Tanto un carburador, como el sistema de inyección de combustible; funcionan sobre la base de una mezcla precisa de aire - combustible de 14.7 partes de aire por 1 de combustible. MONOGRAFÍA Página 79

80 El carburador permite ajustar la mezcla aire combustible, dentro de la tolerancia de 12 a 1 es rica; o de 16 a 1 es pobre, si se ajusta muy rica puede dañar válvulas, y pistones; y si se ajusta muy pobre, el motor pierde fuerza. En cambio el sistema de inyección de combustible, en base a un monitoreo constante de sensores, colocados en diferentes partes del motor, ajusta la mezcla, de tal manera, que la entrega de gasolina siempre será la correcta. Cuando aceleramos, en carburación inyecta gasolina y cuando aceleramos, en el sistema de inyección de combustible, abre una compuerta de aire. Una entrada de aire falso directamente al múltiple de entrada, en carburación apaga el motor. Una entrada de aire falso directamente al múltiple de entrada, en el sistema de inyección de combustible aumenta las revoluciones y/o desestabiliza el funcionamiento. Cuando el motor esta frio, el carburador ahoga la garganta para enriquecer la mezcla, y utiliza un termostato para desahogarla cuando está caliente. Cuando el motor esta frio, en el sistema de inyección de combustible, un interruptor térmico, hace funcionar un inyector, especialmente colocado para enriquecer la mezcla mientras el motor esta frio, cuando el motor calienta se desconecta. Un sistema con carburador, ocupa un múltiple de admisión. MONOGRAFÍA Página 80

81 El carburador, está diseñado, con mecanismos que funcionan sincronizadamente, administrando la entrada de aire y combustible. Tratando en todo momento de mantener una correcta relación de mezcla. Un sistema con TBI, ocupa igualmente un múltiple de admisión. El cuerpo de inyectores se encuentra instalado en forma similar a un carburador. Al activarse los inyectores, la gasolina es rociada dentro del múltiple; ahí se mezcla con el aire que ingresa por el mismo cuerpo. 4.2 GAS LP FRENTE A GASOLINA El Gas L.P. se puede utilizar como un reemplazo total de la gasolina, ya que el butano y el propano prenden con una chispa. Con un vehículo adaptado a Gas L.P. se obtiene un ahorro de entre un 40-50% en carburante. Este ahorro acompañado de un menor mantenimiento y mayor duración del motor al usar Gas L.P. son factores fundamentales a la hora de evaluar costos y plantearse la adaptación de un vehículo gasolina a Gas L.P. Entre las ventajas del gas natural se pueden mencionar: Número de octano alto, que lo hace buen combustible para motores de ignición por chispa. Es abundante en el mundo. MONOGRAFÍA Página 81

82 En países en los que el Gas L.P. ha tenido un gran desarrollo la diferencia de precio de este con los combustibles líquidos alternativos ha sido significativa por los altos precios de estos. El Gas L.P. posee innumerables beneficios medio ambientales entre los cuales podemos mencionar: No contiene Azufre ni plomo. Reducción de hasta 97% en emisiones de monóxido de carbono (CO) con respecto a los combustibles líquidos Reducción de hasta 97% de emisiones contaminantes con respecto a los combustibles líquidos El Gas L.P. al ser más liviano que el aire en caso de alguna fuga esta se disipará en la atmósfera sin formar acumulaciones peligrosas. El cilindro de almacenamiento de Gas L.P. para los vehículos está construido sin soldaduras evitando puntos de concentración de esfuerzos. Figura 4.2 Comparación del gas natural con los diferentes combustibles Fuente: MONOGRAFÍA Página 82