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Aspectos generales: Se distingue entre los cigüeñales ensamblados, es decir, compuestos por piezas individuales, y los cigüeñales forjados o fundidos, que se elaboran de una sola pieza. Los elementos de un cigüeñal con: Muñones de bancada Se apoyan en los cojinetes básicos (cojinetes de bancada) y definen el eje de giro del cigüeñal. Muñones de biela Alojan las varillas de empuje (biela). Al funcionar describen una trayectoria circular en torno al eje de giro del cigüeñal. El diámetro de esta trayectoria circular corresponde exactamente con la carrera de los pistones. Gualderas del cigüeñal Comunican a los muñones de biela con los de bancada. Contrapesos Para el equilibrado se aplican generalmente contrapesos en las gualderas. Debido a las altas cargas mecánicas, en el motor TDI 2,0 l CR se utiliza un cigüeñal forjado. En lugar de los ocho contrapesos habituales, este cigüeñal solamente lleva cuatro contrapesos. Con ello se reducen las cargas en los cojinetes del cigüeñal. 3
Se distingue entre bielas cortadas y bielas fracturadas. Las bielas cortadas se mecanizan previamente de forma basta antes de cortarlas para obtener la biela y el sombrerete de biela. Después, las dos partes se atornillan la una a la otra para el mecanizado final. Las bielas fracturadas se mecanizan como un todo. Solo tras el mecanizado final se separa (fractura) la biela, dando lugar a su elemento superior y al sombrerete de biela. Para ello se aplica una gran cantidad de fuerza. Ventajas de la fractura: - fabricación es más económica - buen arrastre de fuerza - se consigue una superficie de fractura inconfundible Así solo encajan en cada caso las dos piezas idénticas. 4
Los requisitos principales que se plantean a los motores diésel de vanguardia son: una creciente concentración de la potencia, menos emisiones, sonoridad mínima y un bajo consumo de combustible y aceite. Para los pistones que han de aplicarse por ese motivo resultan de ahí unas exigencias de máximo nivel en lo que respecta a su resistencia, asociada a la menor masa posible. La geometría de la cámara en la cabeza del pistón depende del sistema de inyección aplicado y constituye un elemento esencial para la reducción de las emisiones. La cámara en el pistón del motor 2,0 l CR es muy ancha y plana. Esta geometría específica de la cámara sin un collar expreso ofrece una gran longitud libre para el chorro de la inyección. Con ello se reduce la aplicación de combustible líquido sobre el collar de la cámara. Esto aminora a su vez la tendencia a que se produzcan zonas enriquecidas localmente y la formación de la mezcla mejora. La generación de hollín durante la combustión se minimiza, reduciéndose con ello también las emisiones de partículas. 5
Los pistones para motores diésel de turismos ya solo pueden ser configurados con cámaras de refrigeración, a raíz de su creciente concentración de la potencia. Van empotradas en la zona de los segmentos del pistón y se refrigeran con aceite de motor proyectado mediante dispersores. 6
Para reducir las solicitaciones a que se someten los pistones y las bielas a raíz de las altas presiones de la combustión se ejecuta el cubo y el pie de la biela con geometría trapecial. Con la geometría trapecial se pueden repartir las fuerzas de la combustión sobre una superficie mayor (zonas en rojo). 7
Con la implantación asimétrica del bulón se reduce el basculamiento de los pistones en el punto muerto superior. Esto contribuye a reducir a su vez la sonoridad. La implantación asimétrica del bulón significa que este se aloja fuera del centro. 8
En la zona del punto muerto superior (PMS) se invierte el sentido de la fuerza lateral del pistón. Allí es donde se bascula el pistón contra la pared opuesta del cilindro y causa sonoridad. Para reducir este fenómeno se implanta el bulón fuera del centro de simetría del pistón. Con la implantación asimétrica del bulón, el pistón ya pasa a la pared opuesta del cilindro desde antes de llegar al punto muerto superior, y con ello desde antes que ascienda la presión. 9
El bloque motor del motor EA288 se ha fabricado en fundición gris. La fundición gris es una aleación de hierro fundido con grafito laminar (GG-GJL-250). El EA288 dispone de roscas de tornillos de asiento profundo para tornillos de culata largos. De esta manera consigue una buena distribución del flujo de fuerzas en la estructura del bloque motor y, con ello, una distribución compensada de la presión en todo el perímetro de la junta de la culata. El bloque motor del motor 1,6 l TDI solamente está disponible sin árboles equilibradores. El bloque motor del motor 2,0 l TDI se fabrica en las variantes con y sin árboles equilibradores. 10
Para garantizar una marcha suave del motor, desde el cigüeñal se acciona un árbol equilibrador por medio de un mando de cadena con tensor hidráulico para compensar las fuerzas y las inercias de 1. er orden que se producen en un motor de 3 cilindros en línea. El árbol equilibrador gira a régimen del motor, en sentido opuesto al del motor. El árbol equilibrador va agrupado conjuntamente con el módulo portasombreretes y la bomba de aceite en un solo componente llamado módulo de equilibrado rotacional. Las fuerzas y las inercias libres de primer orden se generan por el movimiento basculante del motor alrededor del eje transversal. Para contrarrestar este movimiento basculante, el árbol equilibrador mostrado del motor de 3 cilindros, por ejemplo, cuenta en sus extremos con dos contrapesos que giran en sentidos opuestos. 11
Los motores de 4 cilindros poseen dos árboles equilibradores que giran en sentidos opuestos para compensar las fuerzas y las inercias libres de segundo orden. Estos árboles equilibradores son impulsados por el cigüeñal a través de un accionamiento de piñones con dentado oblicuo, y giran al doble del régimen del cigüeñal. EA288: Ambos árboles equilibradores, así como el piñón intermediario están soportados tanto axial como radialmente con cojinetes en la carcasa del bloque motor. De esta manera, los árboles equilibradores son accionados con poco rozamiento. La inversión del sentido de giro de un árbol equilibrador se consigue mediante un piñón intermediario. La lubricación de los rodamientos se garantiza mediante aceite nebulizado. Los árboles equilibradores, los rodamientos y el piñón intermediario no se pueden sustituir. EA189: Como en el motor de 3 cilindros, también este cuenta con un módulo de equilibrado rotacional que incorpora los árboles equilibradores con la carcasa y la bomba de aceite. El piñón intermediario tiene que ser sustituido cada vez que se suelte el piñón intermediario o el piñón de accionamiento del árbol equilibrador 1. Esto se debe a que el piñón intermediario lleva un recubrimiento especial, con el que se ajusta un juego definido entre los flancos de los dientes. 12
Causas de las fuerzas y las inercias libres de 2º orden: Con las bielas inclinadas, la distancia del bulón respecto al muñón de biela, medida en paralelo al eje geométrico del cilindro, es inferior. Cuando los pistones se encuentran en sus puntos muertos, las bielas están en posición perpendicular. En cambio, cuando el cigüeñal está rotado en 90, todas las bielas están inclinadas y el centro de gravedad común de todos los pistones está, consiguientemente, más abajo que en los puntos muertos. Por lo tanto, este centro de gravedad común sube y baja constantemente, cada vez que el cigüeñal completa media rotación. La velocidad de los pistones no es constante. Esto implica que, a un régimen constante del cigüeñal, los pistones en la parte superior de los cilindros se mueven más rápido que los que se encuentran en la parte inferior. Esto tiene que ver con el movimiento vertical de las bielas y los pistones y el decalaje horizontal del cojinete de biela con un calado de 90 de las muñequillas del cigü eñal. Dado que la biela se inclina en el movimiento descendente del pistón, se produce una fuerza, por ejemplo durante la combustión, que empuja a los pistones por un lado contra la pared del cilindro. Esta presión contra la pared del cilindro hace que el motor se incline respecto a su eje longitudinal. Para contrarrestar esta inclinación, los dos árboles equilibradores se pueden montar a diferentes alturas, de manera que uno de ellos quede por encima del eje de giro y el otro, por debajo. 13
El árbol equilibrador se encarga de compensar las fuerzas y las inercias de primer orden. Este árbol gira con el régimen del motor, pero en el sentido contrario del mismo, y se acciona desde el cigüeñal por medio de una cadena. Los contrapesos para el equilibrado van atornillados y se encuentran fuera del bloque. 14
Los árboles de levas se diferencian por cuanto a su fabricación. Hay árboles de levas fundidos o forjados de una sola pieza, que luego se someten a un mecanizado con arranque de virutas y a un temple parcial. Desde cierto tiempo atrás se aplican árboles de levas compuestos por diversos materiales, es decir, los llamados árboles de levas "ensamblados". Para ensamblar los árboles de levas se utilizan varios procesos: Unión térmica: Las levas se calientan y se colocan en su posición sobre el árbol de levas. Al enfriarse, las levas y el árbol de levas se unen por arrastre de fuerza. Unión mecánica: Las levas, dotadas de un ligero dentado en su radio interior, se encajan aplicando una gran fuerza sobre un área del árbol de levas previamente ruleteada. Ventajas de los árboles de levas ensamblados: costes más bajos menor peso materiales de límite elástico superior para las levas (acero templado para cojinetes de bolas) mayor flexibilidad en la fabricación resulta más fácil aplicar nuevas geometrías a las levas 15
Carcasa de los árboles de levas La carcasa de los árboles de levas está compuesta por dos árboles de levas integrados en un módulo portacojinetes de fundición a presión de aluminio. Mediante una técnica de unión sólida e inseparable, los árboles de levas están unidos con las levas, con la rueda generatriz de impulsos para el sensor Hall G40, así como con el engranaje cilíndrico. Debido a la disposición de los conductos de entrada y de salida, cada árbol de levas controla tanto válvulas de admisión como de escape. Para reducir la fricción, el primer cojinete sometido a más esfuerzo por el accionamiento de correa dentada es un cojinete de agujas. Montaje de la carcasa de los árboles de levas : Para el montaje, primero se calientan las levas y, después, con ayuda de un dispositivo, se posicionan en el módulo portacojinetes cerrado. A continuación, se enfrían rápidamente los tubos de los ejes de levas que ya se han provisto con las piezas de los extremos y se introducen a través de los puntos de soporte del módulo portacojinetes y a través de las levas calentadas. En el momento en que los componentes alcanzan la temperatura ambiente, se produce la unión inseparable. En cuanto los componentes alcanzan la temperatura del entorno se produce una unión indivisible. 16
Con la vista puesta en el cumplimiento de futuras normativas de emisiones, la estrella de válvulas se encuentra girada hacia el eje longitudinal del motor. De esta manera, resulta que los conductos de entrada y de salida para cada cilindro se encuentran dispuestos unos detrás de otros en el sentido del flujo. Los árboles de levas accionan cada uno una válvula de admisión y una válvula de escape por cada cilindro. Los conductos de entrada y de escape vienen diseñados, por la disposición de las válvulas, de tal manera que se consigue un caudal máximo con una buena turbulencia espiroidal. 17
El elemento hidráulico de compensación del juego de válvulas está compuesto por dos piezas de movimiento mutuo: el émbolo y el cilindro. El muelle del émbolo separa estas dos piezas lo suficiente para que deje de haber juego entre el balancín flotante de rodillo y la leva. Junto con un muelle de compresión en la cámara inferior de aceite, una bola pequeña forma una válvula antirretorno. 18
Compensación del juego de la válvula: Si se produce un juego de válvula, el muelle del émbolo lo hace salir del cilindro en la medida justa para que el rodillo del balancín vuelve a entrar en contacto con la leva. Al mismo tiempo se reduce la presión en la cámara inferior de aceite. La válvula antirretorno abre y el aceite puede fluir en la cámara inferior de aceite. Si la presión de ambas cámaras de aceite está compensada de nuevo, la válvula antirretorno cierra. Alzada de la válvula: Si la leva se sube al rodillo del balancín, se incrementa la presión en la cámara inferior de aceite, puesto que el aceite encerrado en esta no se puede comprimir. El émbolo no se puede retraer más en el cilindro y actúa, por lo tanto, como un elemento rígido, sobre el que se apoya el balancín flotante de rodillo. 19
Accionamiento de correa dentada: Para el motor EA288, se ha instalado en el cigüeñal una rueda de correa dentada ovalada con la idea de reducir los esfuerzos a los que se ve sometida la correa dentada durante el ciclo de inyección. Cambios respecto al motor EA189 de 2.ª generación: Se elimina el rodillo de reenvío grande situado tras la rueda de accionamiento de la bomba de alta presión. Se ha modificado el sentido de marcha de la rueda de accionamiento de la bomba de líquido refrigerante. La longitud de la correa dentada de 160 cm (motor EA189) se ha reducido a 145 cm (motor EA288). 20
En la transparencia se muestra la distribución por cadena de un motor TDI V6 de 2.ª generación. El diseño de las cadenas permite reducir la cantidad de cadenas y tensores de cuatro a dos unidades respecto a la 1.ª generación. La supresión de los piñones intermediarios y el nuevo diseño del accionamiento de la bomba de alta presión, sin correa dentada adicional, también contribuyen a reducir fricciones y peso. La distribución impulsa ahora el árbol equilibrador. 21
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