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2 Mecánica Diesel Volumen 1 Generalidades de los motores GRUPO DE TRABAJO Instructores Sigifredo Ayala Juan de la Cruz Sierra Oscar Marino Parra Joaquin Mendoza Educar Editores S.A. Coordinación editorial Diagramación e ilustración Alvaro Cotrés Guerrero Buga, Agosto de Centro Agropecuario

3 Tabla de Contenido

4 INTRODUCCIÓN El hombre para competir con las fuerzas de la naturaleza no ha tenido más remedio que recurrir a su inteligencia, creatividad y espíritu investigativo, con el propósito de crear otras fuerzas, dirigidas y dominadas por él. En esta larga historia de la fuerza contra la fuerza, el motor ha sido una de las más importantes conquistas del hombre y de la que todos, en general nos beneficiamos mucho. El propósito de la cartilla es presentar una clasificación general de los motores y sus aplicaciones. Usted adquirirá conocimientos sobre la clasificación de los motores por el ciclo de funcionamiento, por el control de la combustión, por la disposición de las válvulas, por el tipo de combustible utilizado, por el número de cilindros, por el sistema de enfriamiento, por el sistema de alimentación. Cada uno de estos conocimientos es de vital aplicación en el estudio y desarrollo de los contenidos del programa de MO- TORES, por ello es importante su interés, su participación, su consagración, su creatividad, su espíritu investigativo, para alcanzar el objetivo general propuesto. Usted puede consultar el contenido general de todo el Bloque Modular, conocer los Módulos Instruccionales y las Unidades Instruccionales y con esta información establecer su plan de formación y aprendizaje 6 7 OBJETIVO Una vez finalizado el estudio de la cartilla se considera logrado el objetivo por el T. A. Si: - Describe las clases de motores. - Describe las partes constitutivas de un motor. - Explica el funcionamiento del motor de combustión interna de 4 tiempos. - Explica el funcionamiento del motor de combustión interna de 2 tiempos. - Explica las diferentes clasificaciones de los motores. OBJETIVO ESPECIFICO - Ampliar los conocimientos con la consulta en otros textos y materiales bibliográficos. - Desarrollar los autocontroles y auto evaluar su aprendizaje. - Utilizar las ayudas reales y los medios audiovisuales. - Desarrollar la auto prueba final y auto evaluar su aprendizaje.

5 1. MOTOR Significa movimiento. Es un conjunto de mecanismos cuya función es trasformar un determinado tipo de energía, en trabajo mecánico o movimiento. A. CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS MOTORES Una primera clasificación de los motores hace relación al tipo de energía que transforman. De ahí toman su nombre. Veamos algunos ejemplos: 1. Los motores que transforman la energía calórica de un combustible en energía mecánica se denominan motores térmico. 2. Los motores que transforman energía eléctrica en energía mecánica se denominan motores eléctricos: Actualmente la maquinaria agrícola utiliza motores de los tipos anteriormente citados, sin embargo, la mayor fuente de potencia proviene de los motores térmicos. B. MOTORES TÉRMICOS (THERMICAL MOTORS) 1. De combustión externa, cuando la combustión se realiza en el exterior del cilindro de trabajo como en la máquina de vapor. 2. De combustión interna cuando la combustión se efectúa en el interior del cilindro de trabajo. Es el caso de los motores a gasolina, motores diesel, 1 pg. C. MOTORES DE COMBUSTIÓN EXTERNA E INTERNA 1. Motores de combustión externa: Son aquellas máquinas, en las que el proceso de combustión se realiza fuera del cilindro de trabajo del motor y el fluido motriz es vapor de agua. 3. Los motores que transforman energía hidráulica en energía mecánica se denominan motores hidráulicos. 8 9 Este vapor se produce en una caldera mediante el calor que le transmiten los productos de la combustión. A este grupo pertenecen la máquina alternativa de vapor y la turbina de vapor.

6 10 11 Figura 2. Gráfico que indica el proceso de un motor de combustión interna. D. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DIESEL Una de las formas de clasificar los motores diesel es por su aplicación. Deben tenerse en cuenta diferentes aspectos y características de ellos. 1. Motores de aplicación vehicular. (Figs. 3 y 4) Son los motores diesel que se encuentran instalados en vehículos automotores. Figura 1. Gráfico que indica el proceso de un motor de combustión externa. 2. Motores de combustión interna: Son aquellas máquinas en las que la combustión se realiza dentro del cilindro de trabajo del motor y el fluido motriz lo constituyen los mismos productos de la combustión. En este grupo están entre otros el motor diesel. Figura 3. Los motores de combustión interna son más simples en su proceso de funcionamiento. Figura 4.

7 Motores navales. (Fig. 5) Son aquellos utilizados para dar impulso a embarcaciones de mar y de río. FIGURA 7. DRAGAS. 3. Motores industriales o de construcción. Son aquellos instalados en montacargas Fig. 6, dragad, Fig. 7, tractores de oruga Fig. 8, motoniveladoras Fig. 9, volquetas de gran capacidad Fig. 10, cargadores Fig. 11. FIGURA 8. TRACTOR DE ORUGA. FIGURA 6. MONTACARGAS FIGURA 9 MOTO NIVELADOR

8 MOTORES PARA USO AGRÍCOLA: FIGURA 10. VOLQUETAS Aquellos que se instalan en tractores ( Fig. 12) FIGURA 12. TRACTOR AGRÍCOLA 5. MOTORES PARA USO EN EQUIPOS ESTACIONARIOS: FIGURA 11. CARGADORES Como grupos electrógenos para generación de corriente, motobombas para impulsar agua, petróleo u otros líquidos, equipos de soldadura, compresores de aire para utilización de equipos neumáticos. (Fig. 13.)

9 MOTORES EN V: (VENGINE) FIGURA 13. COMPRESOR. En estos los cilindros están dispuestos en el bloque formando un determinado ángulo. Con esta disposición se logra disminuir la longitud del motor (Fig. 15). E. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES POR LA DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS Otra forma de clasificar los motores para su identificación, es por la disposición de los cilindros. 1. Vertical y en línea: Las más popular es la colocación de los cilindros verticalmente y en línea, ubicados uno detrás del otro. (Fig 14.) FIGURA MOTOR HORIZONTAL: Cuando el movimiento de los pistones se hace en sentido horizontal (Fig. 16). FIGURA 14. FIGURA 16.

10 MOTOR DE CILINDROS RADIALES: (RADIAL ENGINE) Son aquellos motores en los cuales los cilindros están dispuestos en forma de estrella. (Fig 17). FIGURA 17. FIGURA 18. F. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES POR EL CICLO DE FUNCIONAMIENTO Otra forma de clasificar los motores es por el ciclo de funcionamiento del motor. Se tienen dos tipos: 6. MOTOR DE PISTONES OPUESTOS: (OPPOSED PISTÓN ENGINE) Es el que tiene dos pistones opuestos uno al otro en el mismo cilindro y conectados a un cigüeñal diferente cada biela del pistón (Fig. 20) 1. MOTOR DE DOS TIEMPOS. (FIG. 19) (TWO STROKE ENGINE) Observación: En los motores de dos tiempos a gasolina no hay válvulas de admisión, si no lumbreras en la parte media del cilindro. Otros la admisión la hacen por lumbreras en el cilindro y el escape por válvulas en la culata (Detroit)

11 G. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE ACUERDO CON LA INYECCIÓN Pueden clasificarse los motores diesel de acuerdo a la inyección teniéndose los siguientes tipos: 1. Motores de inyección directa: FIGURA MOTOR DE CUATRO TIEMPOS. (FIG. 20) (FPUR STROKE ENGINE) Son aquellos motores en los cuales la inyección del combustible se hace directamente en la cámara de combustión, que puede ser sin turbulencia (Fig. 23) y con turbulencia (Fig. 23A) FIGURA 23 FIGURA 23 A FIGURA 20. Observación: En los motores de cuatro tiempos encontramos válvulas de admisión y escape

12 2. MOTORES DE INYECCIÓN INDIRECTA: A. Motores con precámaras o antecámaras de combustión en las cuales se hace la inyección en una precámara anterior a la cámara de combustión. (Fig. 24). C. Motores con celdas de energía: Son aquellos motores en los cuales su cámara posee una o más celdas en las que se acumula el aire. Ej. La nova. FIGURA 24 FIGURA 24 B. Motores con cámara de turbulencia: En los cuales se tiene una cámara especial que produce turbulencia en el aire atrapado en el cilindro para mejorar la combustión va ubicada en la culata (Fig. 24) o a un costado del bloque. (Fig. 25) FIGURA 25

13 H. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES POR LA DISPOSICIÓN DE SUS VÁLVULAS Los motores también se clasifican por la forma en que levan dispuestas las válvulas de admisión y escape. Estas pueden ir en el bloque de cilindros o en la culata. Las formas más corrientes de disponerlas son: en l,h, L, F. FIGURA 23. CINCO MANERAS DE DISPONER LAS VÁLVULAS. FIGURA

14 26 27 I. CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES POR EL TIPO DE COMBUSTIBLE UTILIZADO Los motores se clasifican por el combustible que queman. Los más comunes son: 1. De gasolina. 2. De gas natural 3. De gasoil (A.C.P.M. o diesel). 4. De gas propano (L.P.G.) El funcionamiento de estos motores es similar diferenciándose únicamente en la forma en que son alimentados según el combustible, y la forma de su encendido. La maquinaria agrícola generalmente está equipada con motores diesel. 2. Policilíndricos: Cuando el motor tiene varios cilindros. Ej: Motor de cuatro cilindros. Motor de seis cilindros. L. CLASIFICACIÓN POR EL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO También pueden clasificarse los motores diesel por el sistema de enfriamiento utilizado, para mantener la temperatura normal de funcionamiento del motor. 1. Enfriados por agua: Es el motor que tiene sistema de enfriamiento a base de agua y aire, es por este medio que irradia el calor generado (Fig. 24). J. CLASIFICACIÓN POR EL NÚMERO DE CILINDROS También pueden clasificarse los motores por el número de cilindros así: FIGURA Monocilíndricos: Aquellos motores que tienen un solo cilindro

15 ENFRIADOS POR AIRÉ: Es el motor que irradia el calor generado por la combustión, con la ayuda de una corriente de aire producida por una turbina. Este aire circula a través de espacias construidos en las partes del motor que están sometidas a mayores temperaturas. (Fig. 25). FIGURA 25 M. CLASIFICACIÓN POR SISTEMA DE ADMISIÓN DE AIRE Otra forma de clasificar los motores diesel, es con relación al sistema de entrada de aire al cilindro, teniéndose dos grupos a saber: 2. MOTORES SOBREALIMENTADOS: FIGURA 26 Son aquellos en los cuales el aire que llena los cilindros del motores forzado por un dispositivo, que puede ser un turbo cargador o un soplador (Fig. 27).. 1. Aspiración natural: Es el que lleva a los cilindros el aire aspirado por los pistones sin ninguna ayuda. (Fig. 26).

16 FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR Los motores Diesel los podemos clasificar en dos grandes grupos de acuerdo a su ciclo de trabajo: motores de cuatro tiempos y motores de dos tiempos. A. MOTORES DE CUATRO TIEMPOS 1. Primer tiempo: aspiración (admisión) El pistón se halla en el P.M.S. (Punto muerto superior) y comienza a descender, en este preciso momento se abre la válvula de admisión y el pistón aspira aire a la presión atmosférica. Cuando el pistón llega al P.M.I. (Punto muerto inferior) el cilindro está lleno de aire a la presión de una atmósfera y a 1a misma temperatura que existe en el interior. En el diagrama de fase de aspiración se representa por la línea a, b. El cigüeñal ha girado media vuelta (180 ). Diagrama en el que puede apreciarse la línea. a-b, que representa la aspiración en el ciclo teórico de un motor diesel de 4 tiempos

17 SEGUNDO TIEMPO: COMPRESIÓN En el P.M.I. se cierra la válvula, de admisión y al ascender el pistón va comprimiendo el aire que hay en el interior del cilindro, hasta reducir su volumen al de la cámara de combustión. En el diagrama las variaciones crecientes de presión durante la fase de compresión las representa la curva b, c. Es una curva adiabática, que quiere decir que durante este período no existe ni absorción ni desprendimiento de calorías. Al final de la compresión la temperatura es de 600 C y la presión alrededor de unos 30 a 35 Kg/ cm2 (atmósferas). El cigüeñal ha girado otra media vuelta. (360 ) 3. TERCER TIEMPO: COMBUSTIÓN Y EXPANSIÓN En el momento en que termina la compresión se inicia la introducción gradual del combustible, finísimamente pulverizado, tan perfecta es la atomización de combustible, que se va quemando a medida que penetra en el seno del aire caliente de la cámara de compresión, cuya temperatura es superior a la de la combustión del combustible. La introducción del combustible está regulada de forma que dura desde el P.M.S. hasta que el pistón ha recorrido parte de su carrera descendente. De esta forma no existe un aumento súbito de la presión, como podría ocurrir en un motor de explosión, sino que la presión se mantiene constante en cierto espacio de la carrera de expansión. En el diagrama la combustión está representada por la línea a presión constante c, d. Grafico en el que se representa la línea de comprensión b-c en el ciclo teórico de un motor diesel de 4 tiempos En el diagrama puede observarse la linea c,d, que representan la combustión a presión constante

18 34 35 Observe que la presión de combustión (presión máxima) es la de final de compresión. Terminada la inyección, es decir, finalizada la introducción de combustible, termina la combustión y en d se advierte como empieza a bajar la presión. La expansión, pues, comienza en el punto muerto superior. Hasta d se realiza a presión constante (mientras dura la combustión) y a partir de d es a- diabática (curvad, e.). En e es el P.M.I. y se abre la válvula de escape. El cigüeñal ha girado su tercera media vuelta. (540 ) 4. CUARTO TIEMPO: ESCAPE Abierta la válvula de escape, por la presión que conservan los gases fluyen al exterior. Instantáneamente la presión se iguala a la atmosférica (línea e, b). El pistón sube hasta el P.M.S., Expulsando los gases que quedan en el cilindro, La expulsión se realiza a la presión de una atmósfera línea b, a. Así, pues, el escape se representa en el diagrama por las líneas e, b y b, a. Como se puede observar, durante el ciclo de cuatro tiempos las válvulas de admisión y escape se abren y cierran en momentos muy precisos. Esta precisión, se hace con la sincronización de la distribución mecánica del motor Aquí puede observarse que al llegar el pistón al PMI la presión en el cilindro es igual a la atmosférica. El cigüeñal ha girado su cuarta media vuelta (720 ). DIAGRAMA TEÓRICO DE LOS MOTORES DIESEL.

19 DIAGRAMA TEÓRICO DE LA DISTRIBUCIÓN DE UN MOTOR DIESEL. el motor de dos tiempos se efectúan también estas cuatro fases del ciclo pero con la diferencia de que se producen simultáneamente varias de ellas. En lo que se refiere a su construcción, vale todo lo dicho hasta aquí para ambos motores, mientras en los motores de dos tiempos hay una combustión a cada. Vuelta del cigüeñal, en los de cuatro tiempos solo hay una combustión cada dos vueltas. En el de dos tiempos ha por tanto un ciclo completo a cada vuelta. En este ciclo existen como base dos tiempos: B. MOTORES DE DOS TIEMPOS Llamamos al motor de dos tiempos, motor de dos carreras y al de cuatro tiempos, motor de cuatro carreras. Distinguiendo de esta manera la palabra carrera como un giro de del cigüeñal resulta muy correcto decir motor de dos carreras o de cuatro carreras. Diferenciándolo de la palabra tiempos. La palabra tiempos, en la definición, puede confundir el giro de 1800 del cigüeñal con cada una de las partes que forman el ciclo tales como la admisión, compresión, expansión y escape, a las cuales también se les designa con el nombre de tiempos,? esto ocasiona el error de que muchos crean que el llamado motor de dos tiempos no realiza la admisión, compresión. Expansión y escape que constituye cada uno de los tiempos y carreras del motor de cuatro tiempos. En Carrera de compresión. Carrera de expansión Combinados con estos dos tipos y el paso que media entre la expansión y la compresión, se efectúan escape y admisión, verdadero momento en que empieza el ciclo. A la admisión sigue la compresión, al final de ella se inyecta el combustible que se quema a medida que va entrando y encuentra el aire caliente. Este aire, está a una temperatura superior a los 6000 C. Al haber quedado comprimido en una reducida cámara de combustión, cuya relación compresión puede ser superior a 15:1. Veamos ahora como se efectúan estas operaciones observando el esquema.

20 señalan las flechas. Hay motores de dos tiempos en los cuales la admisión se hace por la lumbrera y el escape por intermedio de válvulas localizadas en la culata. Debido a que el motor Diesel de dos tiempos no hace aspiración dentro del cigüeñal durante la fase de admisión, el aire que llena el cilindro es forzado a entrar en él mediante la acción de un turbo alimentador o de un soplador. En (a) encontrándose el émbolo en el punto muerto inferior, entra aire por A, ventana practicada en la parte media del cilindro y que se denomina lumbrera de admisión. Mientras en el mismo momento salen por E (lumbrera de escape), los gases quemados en el ciclo anterior. Al girar el cigüeñal y subir el émbolo, éste va cerrando las lumbreras, ya partir del momento en que están ya completamente cerradas (b), el émbolo comienza a comprimir el airé hasta llegar al P.M.S. (C). Este es el momento en que el inyector inyecta el combustible a presión que, al quemarse con el aire caliente y expandiéndose, empujará al émbolo el cual, antes dé llegar al P.M.I. Abre la lumbrera de escape por donde saldrán los gases de escape al exterior, mientras por la lumbrera de admisión, entra el aire puro para el nuevo ciclo que empieza (d). Puede apreciarse en el esquema, que en el momento de transición admisión-escape, se origina una corriente A-E tal como 38 39

21 40 41 Menor peligro de incendio, que es prácticamente nulo, pues al ser él gas-oil poco volátil, sus vapores necesitan alcanzar los 80 C para inflamarse, mientras que los de gasolina lo hacen a temperatura ambiente.

22 42 43 AUTOCONTROLNo 2 1. El motor Diesel por su aplicación puede clasificarse en: A. B. C. D. E. 2. Según la posición de los cilindros los motores pueden clasificarse: A. B. C. D. E. 3. Por el ciclo de funcionamiento los motores pueden clasificarse en: A. B. 4. Por la alimentación de aire de los motores se clasifican en: A. B.

23 RESPUESTAS AUTOCONTROL N A. Motores de aplicación vehicular B. Motores navales. C. Motores industriales. D. Motores de uso agrícola. E. Motores estacionarios. 2. A. Motores en línea. B. Motores en V. C. Motores en cilindros opuestos D. Motores horizontales. E. Motores radiales 3. A. Dos tiempos. B. Cuatro tiempos 4. A. Motores de aspiración natural. B. Motores sobre alimentados RESUMEN TÉCNICO El motor Diesel participa en todos los campos de la actividad del hombre, la construcción, minería, naviera, explotación de petróleo, generación de energía eléctrica, transporte etc El motor diesel esta ubicado dentro de la familia de los motores térmicos como un motor de combustión interna Hay varias formas de clasificar los motores diesel entre otras: A Por su aplicación pueden ser vehiculares, navales, industriales, agrícolas estacionarios. B Por la disposición de los cilindros teniendo los motores en línea, en V, de cilindros opuestos, horizontales, radiales, motor de pistones opuestos. Por el ciclo de funcionamiento se clasifican así: A Motores de 2 y de 4 tiempos. Según el control de la combustión tenemos entre otros: A De inyección directa. B Con precámaras. C Con cámara de turbulencia

24 46 47 D Con celdas de energía Por el número de cilindros pueden llamarse monocilíndricos y Policilíndricos. Por el sistema de refrigeración pueden ser enfriados por aire Por la alimentación de aire pueden ser de aspiración natural o sobre alimentados. Por la carrera del pistón con relación al diámetro del cilindro pueden ser: A Cuadrados B super cuadrados. C Largos VOCABULARIO TÉCNICO CICLO: Período que se repite en el mismo orden COMBUSTIÓN: Acción y electo de quemar RADIAL: Relativo al radio. ENFRIAMIENTO: Disminución de calor TÉRMICO: Relativo al calor

25 Auto Prueba Final CONTESTE FALSO O VERDADERO 1. Motor térmico es el que transforma energía química mecánico: El motor diesel es un motor de combustión externa: Motor de combustión interna es el que realiza la combustión fuera del cilindro: Motor diesel vehicular son los que se aplican en generación de energía: Hay clasificación de motores por la disposición de los cilindros: La disposición de cilindros más popular es en línea: Motores en y son los que tiene cilindros en dos bloques uno frente a otro a 180 : Motor radial es el que tiene los cilindros dispuesto en forma de estrella: motor de cilindros opuestos es el que tiene pistones opuestos y dos cigüeñales: Según el ciclo de funcionamiento los motores diesel se clasifican de dos y cuatro tiempos: Motores de inyección directa son aquellos en que la inyección de combustible se hace en la cámara de combustión directamente: El motor con antecámara hace la inyección en la cámara formada por el pistón: En los motores diesel hay algunos con celdas de energía: Las celdas de energía mejoran la combustión: Un motor de dos cilindros puede llamarse monocilindrico: Los motores pueden ser enfriados por agua o por aire: Motores sobrealimentados son los que tienen válvulas de admisión de aire más grandes:...

26 50 51 BIBLIOGRAFIA NACIONAL, Universidad Documento sobre motores Diesel Bogotá, 1983 TOBOLDT, BilI Diesel Fundamentos servicio y reparación, Ed The good heart-illcox Cd. INC a. Ed. SIERRA, F. Albert. Control, Ajuste y Reparación del Sistema de inyección Diesel. Ed., Sintes, Barcelona, 1958.

27 Tabla de Contenido