M otores · Cálculos constructivos de los motores alternativos de dos y cuatro tiempos ... Elementos del motor ... de los elementos del bloque

M otores

Consulte nuestra página web: www.sintesis.comEn ella encontrará el catálogo completo y comentado

M otores

José Antonio San Lorenzo Ferriol

Empresas colaboradoras:

WärtsiläBlinker

Barto ValderramaJosé Miguel Aroca

Carmina LluecaChris Philpot

AjusaDucati Valencia

AutorMazda

Weinlich GmbH & Co. KGAudi

RectivalVDO

NGKMotorGiga

Automotive TVAutotecnica TVMotores Patelo

FrigAirMotor Service

FordGrupo PSA

HondaBMWFiat

RepsolMann Filter

© José Antonio San Lorenzo Ferriol

© EDITORIAL SÍNTESIS, S. A.Vallehermoso, 34. 28015 Madrid

Teléfono: 91 593 20 98www.sintesis.com

ISBN: 978-84-9171-124-7Depósito Legal: M-9.417-2018

Impreso en España - Printed in Spain

Reservados todos los derechos. Está prohibido, bajo las sancionespenales y el resarcimiento civil previstos en las leyes, reproducir,

registrar o transmitir esta publicación, íntegra o parcialmente,por cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio,

sea mecánico, electrónico, magnético, electroóptico, por fotocopiao por cualquier otro, sin la autorización previa por escrito

de Editorial Síntesis, S. A.

Índice

Índice

PRESENTACIÓN ............................................................................................................................................................... 13

1. PREVENCIÓN EN RIESGOS LABORALES Y PROTECCIÓN AMBIENTAL ................................. 15

Objetivos .................................................................................................................................................................... 15Mapa conceptual .................................................................................................................................................. 16Glosario ....................................................................................................................................................................... 161.1. Introducción ............................................................................................................................................. 171.2. Riesgos inherentes en un taller electromecánico ............................................................. 17

1.2.1. Factores físicos .......................................................................................................................... 171.2.2. Factores químicos .................................................................................................................... 18

1.3. Prevención y protección colectiva ............................................................................................. 191.4. Equipos de protección individual .............................................................................................. 21

1.4.1. Elección de los equipos de protección individual ................................................... 221.4.2. Elementos de que se compone un EPI para un taller de motores ....................... 22

1.5. Señalización de seguridad en el taller ..................................................................................... 241.5.1. Señales de advertencia o peligro ...................................................................................... 251.5.2. Señales de prohibición ......................................................................................................... 261.5.3. Señales de obligación ............................................................................................................ 261.5.4. Señales relativas a los equipos de lucha contra incendios ..................................... 271.5.5. Señales de salvamento o socorro ...................................................................................... 271.5.6. Señales acústicas ...................................................................................................................... 281.5.7. Señales luminosas .................................................................................................................... 281.5.8. Señales de comunicación por gestos.............................................................................. 291.5.9. Señales de comunicación verbal ....................................................................................... 28

1.6. Seguridad en el taller .......................................................................................................................... 301.7. Fichas de datos de seguridad ....................................................................................................... 301.8. Gestión y protección medioambiental .................................................................................... 321.9. Gestión y control de los residuos peligrosos ...................................................................... 32

1.9.1. Recogida de los residuos peligrosos ............................................................................... 321.9.2. Selección de residuos peligrosos ..................................................................................... 321.9.3. Almacenamiento y retirada de los residuos peligrosos ........................................... 33

6 Motores

Índice

1.10. Prevención de riesgos laborales en los procesos de desmontaje y montaje de motores, sistemas de refrigeración y lubricación ...................................................... 341.11. Métodos de orden y limpieza ....................................................................................................... 341.12. Compromiso ético con los valores de conservación y defensa del patrimonio ambiental y cultural de la sociedad ............................................................... 35Resumen ..................................................................................................................................................................... 36Ejercicios propuestos ......................................................................................................................................... 36Supuesto práctico ................................................................................................................................................ 37Lee y debate en clase ....................................................................................................................................... 37Actividades de autoevaluación ................................................................................................................... 37

2. CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DE DOS Y CUATRO TIEMPOS .................................. 39

Objetivos .................................................................................................................................................................... 39Mapa conceptual .................................................................................................................................................. 40Glosario ....................................................................................................................................................................... 402.1. Breve historia y curiosidades de los motores térmicos de combustión interna .. 412.2. Rendimiento o trabajo desarrollado ......................................................................................... 43

2.2.1. Rendimiento térmico .............................................................................................................. 432.2.2. Rendimiento mecánico (hm) ................................................................................................ 452.2.3. Rendimiento del diagrama (hd) .......................................................................................... 452.2.4. Rendimiento eficaz (he) ........................................................................................................ 462.2.5. Rendimiento volumétrico (hv) ............................................................................................. 46

2.3. Prestaciones de un motor térmico ............................................................................................. 482.3.1. Par motor ..................................................................................................................................... 482.3.2. Potencia ....................................................................................................................................... 492.3.3. Consumo específico de combustible ............................................................................. 512.3.4. Presión media efectiva ........................................................................................................... 51

2.4. Curvas características de un motor térmico ......................................................................... 522.4.1. Curvas características de varios motores ........................................................................ 542.4.2. Banco de pruebas ................................................................................................................... 55

2.5. Motores policilíndricos. Ubicación, disposición y número de los cilindros ..... 562.5.1. Ubicación de montaje de los motores térmicos en los vehículos ....................... 562.5.2. Disposición y número de cilindros ................................................................................... 58

2.6. Orden de encendido para un gasolina o combustión para un motor Diesel ...... 612.6.1. Motores en línea ....................................................................................................................... 632.6.2. Motores opuestos .................................................................................................................... 682.6.3. Motores en V ............................................................................................................................. 692.6.4. Motores en VR ........................................................................................................................... 702.6.5. Motores en W ............................................................................................................................ 712.6.6. Motores en estrella .................................................................................................................. 72

Resumen ..................................................................................................................................................................... 73Ejercicios propuestos ......................................................................................................................................... 73Supuesto práctico ................................................................................................................................................ 74Lee y debate en clase ....................................................................................................................................... 74Actividades de autoevaluación ................................................................................................................... 75

3. CONSTITUCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE CUATRO TIEMPOS ...... 77

Objetivos .................................................................................................................................................................... 77Mapa conceptual .................................................................................................................................................. 78Glosario ....................................................................................................................................................................... 78

7Motores

Índice

3.1. Introducción ............................................................................................................................................. 793.2. El motor de cuatro tiempos de combustión interna alternativo .............................. 803.3. Funcionamiento del motor de cuatro tiempos de gasolina ...................................... 80

3.3.1. Ciclo teórico Otto .................................................................................................................... 813.3.2. Diagrama P-V del ciclo teórico Otto ................................................................................ 823.3.3. Diagrama P-V del ciclo real Otto ....................................................................................... 833.3.4. Diagrama P-V del ciclo práctico Otto .............................................................................. 843.3.5. Comparación entre los diagramas P-V teórico, real y práctico de un ciclo Otto ............................................................................................................................................... 85

3.4. Funcionamiento del motor de cuatro tiempos de gasóleo ....................................... 863.4.1. Ciclo teórico Diesel ................................................................................................................. 863.4.2. Diagrama P-V del ciclo teórico Diesel ............................................................................. 883.4.3. Diagrama P-V del ciclo real Diesel ..................................................................................... 893.4.4. Diagrama P-V del ciclo práctico Diesel ........................................................................... 903.4.5. Comparación entre los diagramas P-V teórico, real y práctico de un ciclo Diesel ............................................................................................................................................ 91

3.5. Intercambio de gases común en motores de ciclo Otto y Diesel .......................... 923.6. Cálculos constructivos de los motores alternativos de dos y cuatro tiempos ...... 92

3.6.1. Carrera del pistón ..................................................................................................................... 933.6.2. Calibre o diámetro del cilindro .......................................................................................... 933.6.3. Volumen del cilindro .............................................................................................................. 943.6.4. Relación de compresión ....................................................................................................... 96


4. CONSTITUCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE DOS TIEMPOS Y ROTATIVO WANKEL ......................................................................................................................................... 101

Objetivos .................................................................................................................................................................... 101Mapa conceptual .................................................................................................................................................. 102Glosario ....................................................................................................................................................................... 1024.1. Introducción ............................................................................................................................................. 1034.2. Elementos de un motor alternativo de dos tiempos de ciclo Otto y Diesel ... 104

4.2.1. Bloque motor ............................................................................................................................. 1044.2.2. Cigüeñal y biela ......................................................................................................................... 1054.2.3. Cilindro ......................................................................................................................................... 1064.2.4. Culata y junta de culata .......................................................................................................... 1074.2.5. Pistón ............................................................................................................................................. 1084.2.6. Árbol equilibrador .................................................................................................................. 1104.2.7. Rodamientos y retenes ........................................................................................................... 110

4.3. Funcionamiento de un motor de dos tiempos de ciclo Otto .................................. 1114.3.1. Ciclo teórico Otto .................................................................................................................... 1114.3.2. Diagrama P-V del ciclo teórico ........................................................................................... 1134.3.3. Diagrama P-V del ciclo real Otto ....................................................................................... 1144.3.4. Diagrama P-V del ciclo práctico Otto .............................................................................. 1154.3.5. Comparación de los ciclos teóricos, reales y prácticos de ciclo Otto .............. 115

4.4. Funcionamiento de un motor de dos tiempos de ciclo Diesel ............................... 1174.4.1. Ciclo teórico Diesel ................................................................................................................. 1174.4.2. Diagrama P-V del ciclo teórico Diesel ............................................................................. 120

8 Motores

Índice

4.4.3. Diagrama P-V del ciclo real Diesel ..................................................................................... 1204.4.4. Diagrama P-V del ciclo práctico Diesel ........................................................................... 1214.4.5. Comparación de los diagramas P-V teóricos, reales y prácticos de ciclo Diesel .. 121

4.5. Motor rotativo Wankel de cuatro tiempos ............................................................................ 1234.5.1. Elementos del motor .............................................................................................................. 1244.5.2. Funcionamiento ........................................................................................................................ 1274.5.3. Ciclo teórico motor Wankel .................................................................................................. 1284.5.4. Diagrama de la distribución de un motor Wankel ....................................................... 129

4.6. Cálculos constructivos de los motores rotativos ............................................................... 1304.6.1. Volumen unitario ...................................................................................................................... 1304.6.2. Volumen total ............................................................................................................................ 1314.6.3. Relación de compresión ....................................................................................................... 1314.6.4. Orden de encendido ........................................................................................................... 132


5. LA CULATA ................................................................................................................................................................. 137

Objetivos .................................................................................................................................................................... 137Mapa conceptual .................................................................................................................................................. 138Glosario ....................................................................................................................................................................... 138 5.1. Introducción ............................................................................................................................................. 139

5.1.1. Características de las culatas ............................................................................................... 140 5.2. Tapa de culata o tapa de balancines ........................................................................................ 140

5.2.1. Junta de la tapa de balancines o de culata ................................................................... 1415.2.2. Deflector del aceite ................................................................................................................. 141

5.3. Tipo de cámaras en culatas de motores de dos tiempos ............................................ 1425.3.1. Ciclo Otto .................................................................................................................................... 1425.3.2. Ciclo Diesel ................................................................................................................................. 143

5.4. Tipo de cámaras en culatas de motores de cuatro tiempos ..................................... 1435.4.1. Ciclo Otto .................................................................................................................................... 1435.4.2. Ciclo Diesel ................................................................................................................................. 144

5.5. Construcción y materiales de una culata................................................................................ 146 5.6. Junta de culata........................................................................................................................................ 147 5.7. Tornillos de culata ................................................................................................................................. 150 5.8. Desmontaje y montaje de una culata al bloque ................................................................ 152

5.8.1. Herramientas y útiles necesarios ........................................................................................ 1525.8.2. Datos técnicos del fabricante ............................................................................................. 153

5.9. Averías y métodos de diagnóstico ............................................................................................. 1545.9.1. Planitud ........................................................................................................................................ 1545.9.2. Fisuras ........................................................................................................................................... 1565.9.3. Fugas de compresión en la junta de culata ................................................................... 1565.9.4. Altura de la culata .................................................................................................................... 1575.9.5. Comprobación de la capacidad de la cámara de compresión ............................ 1575.9.6. Daños físicos en la cara plana de la culata ..................................................................... 1575.9.7. Retraimiento de las válvulas en una culata de ciclo Diesel ...................................... 1585.9.8. Sobrepaso de las cámaras de combustión de inyección indirecta de ciclo Diesel .......................................................................................................................... 158

5.10. Procesos para realizar el desmontaje y montaje de una culata montada en el vehículo .......................................................................................................................................... 159

9Motores

Índice

5.10.1. Procedimiento ........................................................................................................................... 160Resumen ..................................................................................................................................................................... 161Ejercicios propuestos ......................................................................................................................................... 162Supuesto práctico ................................................................................................................................................ 162Lee y debate en clase ....................................................................................................................................... 163Actividades de autoevaluación ................................................................................................................... 163

6. BLOQUE Y TREN ALTERNATIVO ................................................................................................................... 165

Objetivos .................................................................................................................................................................... 165Mapa conceptual .................................................................................................................................................. 166Glosario ....................................................................................................................................................................... 1666.1. Elementos de un bloque y tren alternativo .......................................................................... 1676.2. El bloque ..................................................................................................................................................... 167

6.2.1. Construcción y material del bloque ................................................................................. 168 6.2.2. Tapones de montaje ............................................................................................................... 169 6.2.3. Cilindros ....................................................................................................................................... 169 6.2.4. Soportes de motor .................................................................................................................. 172

6.3. Tren alternativo ....................................................................................................................................... 172 6.3.1. Cigüeñal ....................................................................................................................................... 173 6.3.2. Bancada del cigüeñal ............................................................................................................. 174 6.3.3. Pistones ........................................................................................................................................ 175 6.3.4. Segmentos .................................................................................................................................. 178 6.3.5. Bulones ......................................................................................................................................... 180 6.3.6. Bielas ............................................................................................................................................. 180 6.3.7. Volante de inercia .................................................................................................................... 184 6.3.8. Polea cigüeñal............................................................................................................................ 185 6.3.9. Árboles de equilibrado o contrarrotantes ..................................................................... 1856.3.10. Semicojinetes y rodamientos .............................................................................................. 1866.3.11. Retenes de cigüeñal ................................................................................................................ 187

6.4. Averías y métodos de diagnóstico. Desmontaje, verificación y montaje de los elementos del bloque ........................................................................................................ 188

6.4.1. Interpretación de datos del fabricante ........................................................................... 188 6.4.2. Útiles y herramientas necesarios......................................................................................... 189 6.4.3. Bloque .......................................................................................................................................... 189 6.4.4. Cilindros ....................................................................................................................................... 190 6.4.5. Soportes de motor .................................................................................................................. 197 6.4.6. Cigüeñal, bancada y semicojinetes ................................................................................... 197 6.4.7. Bielas ............................................................................................................................................. 202 6.4.8. Pistones ........................................................................................................................................ 204 6.4.9. Segmentos .................................................................................................................................. 2066.4.10. Bulones ......................................................................................................................................... 2086.4.11. Volante de inercia .................................................................................................................... 2096.4.12. Polea del cigüeñal .................................................................................................................... 2096.4.13. Árboles de equilibrado ........................................................................................................ 2106.4.14. Retenes y rodamientos ........................................................................................................... 210

6.5. Procesos para realizar el desmontaje y montaje de un motor en un vehículo ... 211 6.5.1. Procedimiento ........................................................................................................................... 211


10 Motores

Índice

7. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN ........................................................................................................................... 217

Objetivos .................................................................................................................................................................... 217Mapa conceptual .................................................................................................................................................. 218Glosario ....................................................................................................................................................................... 2187.1. Elementos de una distribución ..................................................................................................... 2197.2. Cotas de la distribución ..................................................................................................................... 2197.3. Ubicación del árbol de levas en el motor ............................................................................. 2207.4. Sistemas de mando de la distribución ..................................................................................... 221

7.4.1. Por engranajes............................................................................................................................ 221 7.4.2. Por cadena de rodillos ........................................................................................................... 222 7.4.3. Por correa .................................................................................................................................... 223 7.4.4. Distribuciones mixtas .............................................................................................................. 227 7.4.5. Distribuciones variables ......................................................................................................... 228

7.5. Constitución y funcionamiento de los elementos de una distribución .............. 234 7.5.1. Válvulas de admisión y escape .......................................................................................... 234 7.5.2. Asientos de válvula ................................................................................................................. 235 7.5.3. Guía de válvula .......................................................................................................................... 236 7.5.4. Sistema de cierre de las válvulas ....................................................................................... 236 7.5.5. Cazoletas, chavetas y arandelas ......................................................................................... 238 7.5.6. Eje de balancines, balancines y varillas empujadoras ............................................... 238 7.5.7. Taqués .......................................................................................................................................... 240 7.5.8. Árbol de levas ........................................................................................................................... 243 7.5.9. Sombreretes de árboles de levas ...................................................................................... 2467.5.10. Retenes ......................................................................................................................................... 246

7.6. Desmontaje, comprobación y montaje de un sistema de distribución .............. 246 7.6.1. Válvulas, guías, asientos, cazoletas, chavetas y arandelas ....................................... 247 7.6.2. Sistema de cierre de las válvulas ....................................................................................... 251 7.6.3. Eje de balancines, balancines y varillas empujadoras ............................................... 252 7.6.4. Taqués .......................................................................................................................................... 253 7.6.5. Reglaje de válvulas o taqués ................................................................................................ 255 7.6.6. Árbol de levas, sombreretes y semicojinetes............................................................... 258 7.6.7. Retenes de válvula ................................................................................................................... 263 7.6.8. Comprobación del sistema de distribución de engranajes, cadena y de correas ... 264

7.7. Comprobación de las cotas de la distribución .................................................................. 2677.8. Procesos para realizar el desmontaje y montaje de una correa de distribución en un vehículo..................................................................................................... 269

7.8.1. Herramientas necesarias y equipos de medida........................................................... 270 7.8.2. Interpretación de documentos técnicos del fabricante .......................................... 270 7.8.3. Procedimiento ........................................................................................................................... 270


8. SISTEMA DE LUBRICACIÓN ............................................................................................................................. 275

Objetivos .................................................................................................................................................................... 275Mapa conceptual .................................................................................................................................................. 276Glosario ....................................................................................................................................................................... 2768.1. Introducción ............................................................................................................................................. 277

11Motores

Índice

8.2. Aceites y aditivos usados en los motores .............................................................................. 277 8.2.1. Misión de los aceites .............................................................................................................. 277 8.2.2. Tipos de aceites ....................................................................................................................... 278 8.2.3. Propiedades ............................................................................................................................... 278 8.2.4. Normativa para la clasificación de los aceites .............................................................. 280 8.2.5. Aditivos ........................................................................................................................................ 284

8.3. Esquema de un circuito de lubricación de un motor de cuatro tiempos ........ 2858.4. Tipos de lubricación para motores de cuatro tiempos................................................. 285

8.4.1. Por barboteo .............................................................................................................................. 286 8.4.2. Por presión .................................................................................................................................. 286 8.4.3. Por mezcla con el combustible ......................................................................................... 287

8.5. Elementos de un sistema de lubricación................................................................................ 287 8.5.1. Bomba de aceite ...................................................................................................................... 287 8.5.2. Trompa de aspiración ............................................................................................................ 291 8.5.3. Válvula reguladora de presión ............................................................................................ 291 8.5.4. Cárter y tapón del cárter ........................................................................................................ 292 8.5.5. Surtidores de la falda del pistón ....................................................................................... 293 8.5.6. Conductos internos y válvula antirretorno ...................................................................... 293 8.5.7. Ventilación del cárter ............................................................................................................. 294 8.5.8. Filtro de aceite ........................................................................................................................... 295 8.5.9. Intercambiador o radiador del aceite .............................................................................. 2988.5.10. Sensor e indicador de presión ........................................................................................... 2998.5.11. Sensor de nivel y temperatura del aceite ....................................................................... 3008.5.12. Varilla de nivel y tapón de llenado ................................................................................... 3008.5.13. Retenes de teflón ..................................................................................................................... 301

8.6. Funcionamiento de un sistema de lubricación .................................................................. 3028.7. Localizaciones de averías y métodos de diagnóstico.................................................... 303

8.7.1. Bomba .......................................................................................................................................... 303 8.7.2. Comprobación de la presión de aceite.......................................................................... 304 8.7.3. Cárter ............................................................................................................................................. 305 8.7.4. Circuitos internos y ventilación del cárter ...................................................................... 306 8.7.5. Fugas de aceite ......................................................................................................................... 306 8.7.6. Filtro de aceite ........................................................................................................................... 307 8.7.7. Intercambiador ........................................................................................................................ 308 8.7.8. Manocontacto ........................................................................................................................... 308 8.7.9. Manómetro ................................................................................................................................. 3088.7.10. Sensor de nivel y temperatura del aceite ....................................................................... 3088.7.11. Varilla de nivel y tapón de llenado ................................................................................... 309

8.8. Procesos para realizar el cambio de aceite y filtro en un motor .................................. 310 8.8.1. Herramientas necesarias y equipos de medida........................................................... 310 8.8.2. Interpretación de documentos técnicos del fabricante .......................................... 310 8.8.3. Procedimiento ........................................................................................................................... 311


9. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN ....................................................................................................................... 317

Objetivos .................................................................................................................................................................... 317Mapa conceptual .................................................................................................................................................. 318

12 Motores

Índice

Glosario ....................................................................................................................................................................... 3189.1. Introducción ............................................................................................................................................. 3199.2. Líquido refrigerante en los motores .......................................................................................... 319

9.2.1. Tipos de refrigerantes del motor ....................................................................................... 319 9.2.2. Composición ............................................................................................................................. 320 9.2.3. Ventajas de los refrigerantes orgánicos frente a los inorgánicos ........................... 321 9.2.4. Especificaciones de los fabricantes de automóviles................................................. 322

9.3. Tipos de refrigeración del motor ................................................................................................. 323 9.3.1. Refrigeración por aire ............................................................................................................. 323 9.3.2. Refrigeración por agua ........................................................................................................... 324

9.4. Elementos de un sistema de refrigeración por aire ........................................................ 3259.5. Elementos de un sistema de refrigeración por agua ...................................................... 325

9.5.1. Bomba de agua ......................................................................................................................... 326 9.5.2. Bomba de agua eléctrica ...................................................................................................... 327 9.5.3. Poleas y ruedas dentadas ..................................................................................................... 327 9.5.4. Manguitos y tuberías ............................................................................................................... 327 9.5.5. Purgadores de aire ................................................................................................................... 328 9.5.6. Termostato y cuerpo de termostato ................................................................................. 328 9.5.7. Radiador del motor y radiador de la calefacción ....................................................... 330 9.5.8. Ventilador .................................................................................................................................... 331 9.5.9. Termocontacto .......................................................................................................................... 3339.5.10. Sensor de temperatura .......................................................................................................... 3349.5.11. Indicador y testigo de temperatura en el cuadro de instrumentos ..................... 3349.5.12. Depósito de expansión, sensor de nivel y tapón ....................................................... 3359.5.13. Colectores de admisión caldeados .................................................................................. 3369.5.14. Tapones del bloque y culata ............................................................................................... 336

9.6. Funcionamiento de los sistemas de refrigeración ............................................................ 337 9.6.1. Por aire .......................................................................................................................................... 337 9.6.2. Por agua ....................................................................................................................................... 337

9.7. Localizaciones de averías y método de diagnóstico ...................................................... 339 9.7.1. Bomba de agua ......................................................................................................................... 339 9.7.2. Bomba de agua eléctrica ...................................................................................................... 340 9.7.3. Fugas de agua. Prueba de estanqueidad ....................................................................... 341 9.7.4. Termostato .................................................................................................................................. 341 9.7.5. Radiador y radiador de la calefacción ............................................................................. 342 9.7.6. Ventilador .................................................................................................................................... 342 9.7.7. Termocontacto y sensor de temperatura ........................................................................ 343 9.7.8. Depósito de expansión, sensor de nivel y tapón ....................................................... 343 9.7.9. Purgadores de aire ................................................................................................................... 3459.7.10. Colectores de admisión caldeados .................................................................................. 3459.7.11. Tapones del bloque y culata ............................................................................................... 345

9.8. Procesos para realizar el cambio de agua refrigerante en un motor ................... 346 9.8.1. Procedimiento ........................................................................................................................... 346


2

3 Conocer los inventores y emprendedores de los motores de los ciclos Otto y Diesel.

3 Aprender los rendimientos de un motor.3 Interpretar las curvas características de un motor.3 Saber identificar un motor según sus características constructivas.3 Comprender el orden de encendido y orden de combustión de un motor.

Objetivos

Características de los motores

de dos y cuatro tiempos

40 moTores

caPÍTuLo 2

CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DE DOS Y CUATRO

TIEMPOS

Térmico Volumétrico

Embolada de trabajo. Carrera del pistón donde se produce la energía para mover el pistón desde el PMS hacia el PMI.

kW. Kilovatios.

PMI. Punto muerto inferior.

PMS. Punto muerto superior.

Policilíndrico. Que tiene dos o más cilindros.

Radiación térmica. Emisión de calor a través del aire o medio material.

Soluble. Que se puede disolver al mezclarse con un líquido.

Vehículo. Aparato con o sin motor que se mueve sobre el suelo, en el agua o en el aire.

Glosario

Mapa conceptual

Inventores y emprendedores

PrestacionesRendimiento

Par motor PotenciaConsumo específico

Presión media efectiva

CurvasCaracterísticas constructivas

Ubicación del motor

Disposición, número de

cilindros y orden de encendido

41CaraCterístiCas de los motores de dos y Cuatro tiempos

Capítulo 2

2.1. Breve historia y curiosidades de los motores térmicos de combustión interna

El motor térmico se inventa tomando como base múltiples inventos y patentes; numerosos des-cubrimientos y mecanismos aplicados tendrán lugar a la fabricación del motor térmico de hoy en día, desde el sistema biela-manivela, el conocimiento de la composición del aire, la aparición de la teoría de la termodinámica y la fabricación de combustibles, hasta los rodamientos antigripaje.

Numerosos inventores y emprendedores de antes de 1900, como Louis Renault, Adam Opel, Henry Ford, André Citroën, Robert Bosch, Gottlieb Daimler, Wilhelm Maybach, Karl Benz, Armand Peugeot, André y Édouard Michelin, John Boyd Dunlop, Torakusu Yamaha, Mi-chio Suzuki, Shōzō Kawasaki y muchos más han contribuido al desarrollo de automóviles, motocicletas, tractores, motores, neumáticos y sistemas eléctricos y electrónicos.

Después de 1900 aparecieron Enzo Ferrari, Ferruccio Lamborghini, Ettore Bugatti, Felix Heinrich Wankel, August Horch, Ferdinand Porsche y otros más que llevaron el automóvil a la era moderna.

El motor de gasolina se le atribuye a Nicolaus August Otto, ingeniero alemán, inventor del ciclo Otto. En 1872 puso en marcha el motor de combustión interna después de realizar prue-bas con el motor de gas (figura 2.1).

La invención del motor de gasóleo corresponde a un ingeniero también alemán, Rudolf Diesel, inventor del ciclo Diesel y del combustible para su motor. En 1897, momento en que trabajaba en la empresa MAN, experimentó con aceite de cacahuete y consiguió la combustión de la mezcla sin ninguna chispa; entonces, refinó el fueloil, aceite que se usaba para las lámparas de la calle, hasta conseguir lo que hoy se conoce como gasóleo.

Dugald Clerk, ingeniero escocés, creó el motor de dos tiempos en el año 1879 a partir del desarrollo de un motor de cuatro tiempos, aunque sobre este particular hay distintos criterios: también se afirma, por otra parte, que la propiedad del descubrimiento corresponde a Karl Benz, ingeniero alemán, quien habría construido dicho motor un año antes.

Felix Heinrich Wankel, ingeniero alemán, inventó el motor Wankel en 1924, con 22 años. Este motor carece de tren alternativo biela-manivela. Se montó en el Citroën GS Birotor, en NSU, en Mercedes y en Mazda, siendo esta última marca la que lo comercializó en sus RX7 y RX8 (figura 2.2).

Figura 2.1 Vehículo histórico con motor de gasolina (a)

y motor de dos tiempos montado en un ciclomotor Moto Guzzi Hispania 65 c. c. (b)

a b

42 Motores

Capítulo 2

Figura 2.2 Motor rotativo Wankel

Uno de los motores de combustión interna más potentes construidos es el Wärtsilä-Sulzer 14RTFLEX96C, con 108 920 CV, 14 cilindros en línea y 25 000 cm3. Se montan en petroleros y portacontenedores. Son motores Diesel turboalimentados de dos tiempos, con un consumo de 160 g de combustible por cilindro y un total de 2,240 kg o 2,6 l por vuelta de cigüeñal. El consumo, sabiendo que gira a 102 r. p. m., sería de 15 912 l o 13,7 t a la hora de funcionamiento (figura 2.3a).

Figura 2.3 Motor Diesel de dos tiempos Wärtsilä-Sulzer 14RTFLEX96C (a) y seis motores estacionarios V20 como generadores de luz en una central de gas (b)

a b

Hay motores que son estacionarios, es decir, no están montados en ningún vehículo; se uti-lizan para mover motores eléctricos, para generar luz, para mover bombas de agua y abastecer un depósito o cualquier mecanismo de poleas, correas y cables que sirven para mover maqui-naria en una industria, grúas, etc. (figura 2.3b).

Recursos web

Para saber más sobre los inventores o descubridores de motores y sus sistemas, puedes escanear el primer QR y encontrar mucha información curiosa sobre cómo ha evolucionado el motor térmico. Y, en el segundo QR, podrás acceder a dos vídeos sobre la fabricación de motores de barco y motores estacionarios.

www


Capítulo 2

Los submarinos funcionaban con motores de pistones cuando navegaban a profundidad de periscopio. Esto era necesario para que el motor Diesel pudiera aspirar aire; ahora se usan como generadores de energía para cargar las baterías del submarino.

Los motores de combustión interna tienen una serie de características que los definen se-gún sus parámetros. En los siguientes apartados se van a tratar todos ellos.

Toma noTa

La potencia de los motores viene expresada en kilovatios (kW) en todo el mundo, excepto en tres países: EE. UU., Birmania y Liberia, que tienen su propia medida.

2.2. Rendimiento o trabajo desarrollado

El rendimiento de un motor es la aportación de calor en forma de combustible por la efectividad de llenar un cilindro, llamado rendimiento volumétrico. Se supone que toda energía que entra debe salir por el mismo punto, pero no es así; los motores de combustión interna alternativos tienen pérdidas de rendimiento por rozamientos, por absorción y por temperatura. El rendimiento obtenido al final se llama trabajo útil y el rendimiento perdido se llama trabajo absorbido.

El rendimiento ideal sería el de un motor donde no existieran el rozamiento y la pérdida de temperatura, siendo su valor igual a uno, pero la realidad es que el rendimiento es inferior. En un motor, el rozamiento de los elementos motrices, la temperatura que se pierde por las paredes de los cilindros y del tubo de escape y la absorción de la energía que se pierde en los elementos mecánicos como la bomba de agua, la bomba de aceite, el alternador, etc., provocan que el ren-dimiento sea de un 30% en el mejor de los casos. Los tipos de rendimiento son varios: los más importantes son el térmico, el mecánico, del diagrama, el eficaz y el volumétrico.

2.2.1. Rendimiento térmico

El rendimiento térmico es el resultado de dividir la energía de salida por la energía de entrada medida en porcentaje. Este valor siempre será uno o menor. Se puede expresar también en porcentaje de tanto por cien multiplicado por 100 (figura 2.4).

Energía que entra Energía que se obtiene

Energía que se pierde

Proceso

Figura 2.4 Proceso de entrada

y salida de la energía en un motor térmico

=Energía de salida

Energía de entrada100 %η ⋅ =

44 Motores

Capítulo 2

El calor generado en la combustión se traduce en un aumento de presión. Esta presión se pierde parcialmente al bajar la temperatura, la cual se disipa por el sistema de refrigeración y por el tubo de escape principalmente, y también por radiación. Esto provoca que el rendimien-to térmico del motor se vea afectado y, por lo tanto, menos potencia y menos par motor por embolada de trabajo al disminuir la presión media efectiva, pues con la bajada de temperatura se pierde presión.

Para calcular el rendimiento térmico en un motor alternativo se aplicará la siguiente fórmula:

Nm Ht

e

f c

η =⋅

Siendo:

ht: rendimiento térmico del motor, expresado en tanto por uno o por cien.Ne: potencia del motor, expresada en kW. mf: masa de combustible consumida, expresada en kg/s.Hc: poder calorífico del combustible, expresado en kJ/kg.

Actividad resuelta 2.1

Se dispone de un motor de 96 kW, con un consumo de 3 mg/s (0,003 kg/s), con un combustible para motor Diesel de poder calo-rífico 43,1 MJ/kg (43 100 kJ/kg). Calcula el rendimiento en tanto por uno y tanto por cien.

Solución:

η⋅

== 960,003 43100

0,74, o también 74%t

Para calcular el rendimiento térmico de un motor Wankel se aplicará la siguiente fórmula:

R1

1t

c0,33η = −

Siendo:

ht: rendimiento térmico del motor, expresado en tanto por uno o por cien.Rc: relación de compresión, expresada en tanto por uno.

Estos motores tienen un peor rendimiento y un mayor consumo de gasolina respecto a un ciclo Otto. A su favor cuentan con que, con menos volumen, se consigue más potencia. En el cuadro 2.1 se puede apreciar la diferencia de pérdidas de energía entre un motor de ciclo Otto y uno de ciclo Diesel.


Capítulo 2


Se dispone de un motor Wankel con una relación de compresión de 10/1. Calcula el rendimiento en tanto por uno y tanto por cien.

Solución:

η == 110

0,47 o también 47%t 0,33

Otto (%) Diesel (%)

Energía útil 31 35

Calor cedido por el escape 36 30

Calor cedido al agua de refrigeración 24 29

Calor cedido por radiación térmica 9 6

Así pues, la distribución del calor (Q) se repartirá en un 1/3 trabajo útil, 1/3 de pérdidas por el escape y un 1/3 de calor cedido por refrigeración y por radiación térmica.

Actividad propuesta 2.1

Se dispone de un motor Wankel con una relación de compresión de 11/1. Calcula el rendimiento en tanto por uno y tanto por cien.

2.2.2. Rendimiento mecánico (hm)

El rendimiento mecánico viene dado por la relación entre el trabajo útil obtenido en el volan-te de inercia y el trabajo teórico de un ciclo, que siempre será menos de uno. El rendimiento mecánico está entre el 70-90%, que dependerá del tipo de combustible y elementos auxiliares que arrastre la correa. En el cuadro 2.2 se puede apreciar que el rendimiento mecánico es muy similar entre los dos ciclos.

2.2.3. Rendimiento del diagrama (hd)

El rendimiento del diagrama es la relación entre la superficie del diagrama real y la superficie del diagrama teórico. Superpuestos ambos, se puede apreciar que el diagrama real obtenido tiene un trabajo útil muy inferior al diagrama teórico (figura 3.8).

Cuadro 2.1 Diferencias de pérdidas de energía entre un motor Otto y Diesel

46 Motores

Capítulo 2

Rendimiento mecánico (hm) Ciclo Otto Ciclo Diesel

Cuatro tiempos 0,80 a 0,90 0,70 a 0,90

Dos tiempos 0,80 a 0,90 0,80 a 0,85

2.2.4. Rendimiento eficaz (he)

El rendimiento eficaz es el resultado del producto de los rendimientos térmicos, mecánicos y del diagrama. En el cuadro 2.3 se puede apreciar que estos tres rendimientos determinarán la po-tencia final de un motor, siempre y cuando no haya pérdida de combustible sin quemar, ya que entonces el rendimiento del calor útil aprovechado sería menor, alrededor de un 5%.

Otto (%) Diesel (%)

Calor aportado por el combustible 100 100

Pérdidas por rendimiento térmico ht 45 35

Pérdidas por rendimiento del diagrama hd 10 10

Pérdidas por rendimiento mecánico hm 15 15

Pérdidas totales 70 60

Rendimiento eficaz he 30 40

2.2.5. Rendimiento volumétrico (hv)

El rendimiento volumétrico es la cantidad de fluido que entra en cada carrera de admisión llenando el cilindro. Lo ideal sería que entrara el 100% del volumen del cilindro, pero en la práctica no es posible, pues intervienen varios factores, como:

l Velocidad del pistón. Cuanto más rápido se desplaza, menos tiempo tiene de llenado el cilindro.

l Cruce de válvulas. Si tiene un cruce con un gran ángulo, el llenado será deficiente a me-dia carga y el ralentí, inestable.

l El fluido roza con la válvula de admisión para entrar y, por lo tanto, frena el llenado efi-ciente.

l Una vez quemada la mezcla, el fluido también roza con la válvula de escape y tarda en vaciarse el cilindro, ocupando el sitio del fluido de admisión.

Cuadro 2.2 Diferencias de rendimiento mecánico entre un Otto y un Diesel

Cuadro 2.3 Pérdidas totales por falta de rendimiento en los motores de ciclo Ottoy ciclo Diesel


Capítulo 2

l Altitud. La densidad del aire varía: a más altura, menos densidad, por lo tanto, menor rendimiento volumétrico.

Los motores sobrealimentados, los que llevan turbo, tienen un rendimiento superior a los motores atmosféricos, es decir, sin turbo, siendo el rendimiento volumétrico de un motor at-mosférico de entre 85-90%, y de los sobrealimentados, de casi el 100%.

Cantidad de fluido que entraCantidad de fluido que debería entrar

100 %vη = ⋅ =

Fundamental

La presión de un turbo varía entre 0,9-1,2 bar. Esta presión es regulada por una válvula llamada wastegate o válvula de sobrepresión, que se

puede modificar para conseguir mayor presión, obteniendo mayor potencia, en perjuicio del desgaste prematuro del motor (figura 2.5).

Válvula wastegate

Figura 2.5 Válvula wastegate o de sobrepresión de soplado del turbo

Aparte de los turbocompresores, para mejorar el rendimiento volumétrico, hoy en día se montan correctores de par motor, que logran que los diagramas de la distribución y la geometría de la admisión de aire sean variables. Por lo tanto, con motores de cilindrada pequeña se con-siguen potencias que antes eran impensables, por ejemplo, motores de 1000 c. c. con 125 CV.


Calcula el rendimiento de un motor térmico en tanto por uno y tanto por cien de un motor con una potencia de 110 kW, con un consumo de 7 mg/s (0,007 kg/s), de combustible gasolina, con un poder calorífico de 42,5 MJ/kg (42 500 kJ/kg).

48 Motores

Capítulo 2

2.3. Prestaciones de un motor térmico

Conocidas por curvas características de un motor, definen el rendimiento del mismo. Así, visuali-zando una gráfica se puede saber el tipo de motor del que se trata, pues en ella se pueden ver el par motor (Nm) y la potencia (W), que van a depender de una presión media efectiva (pme). Además, también se grafía el consumo específico de combustible (gKw/h). Se van a desarrollar estos conceptos y cómo se representan en una gráfica para identificar qué tipo de motor sería.

2.3.1. Par motor

El par motor es la fuerza con la que el pistón empuja a la muñequilla del cigüeñal cuando esta se encuentra a mitad de la carrera de trabajo. Si ha habido un buen llenado de cilindros, se habrá generado una buena presión, que empujará al pistón con fuerza hacia abajo.

El par motor se mide multiplicado la fuerza que genera la presión en la carrera de trabajo por la distancia que tiene el brazo de la muñequilla.

M = F · d

Siendo:

M: par motor, expresado en Nm.F: fuerza que actúa sobre la cabeza del pistón,

expresada en N.d: Longitud de la muñequilla, expresada en m.

La distancia (d) que tiene la muñequilla es el ra-dio del codo del cigüeñal o también media carrera del pistón. Cuanta mayor distancia (d), mayor fuerza o par motor. Por lo tanto, el máximo rendimiento volumétri-co generará la máxima presión dentro del cilindro, y de esta manera se conseguirá el máximo par motor. Rendi-miento volumétrico y par motor son directamente pro-porcionales, lo que significa que, a mayor rendimiento volumétrico, mayor par motor o fuerza (figura 2.6).


Calcula el par motor que desarrolla un motor con una fuerza en la explosión o combustión de 6500 N sobre la cabeza del pistón que se aplica en la muñequi-lla del cigüeñal, siendo el radio de la misma de 45 mm.

Solución:

M = 6500 · 0,045 = 292,5 Nm

Figura 2.6 Esquema de reparto de fuerzas del par motor


Capítulo 2

En un motor de gasolina se consigue el par motor a 3500 r. p. m. aproximadamente; en un motor Diesel es a 2000 r. p. m., pero si se sigue subiendo de vueltas el motor, el par motor des-cenderá debido al deficiente llenado de los cilindros, y si se está en una subida, el par resistente de las ruedas podrá vencer al par motor y harán descender de vueltas el motor por debajo de este. El problema se soluciona bajando una velocidad en la caja de cambios, para subir de vueltas el motor y obtener de nuevo el par motor máximo.


Calcula el par que desarrolla un motor con una fuerza en la explosión o combustión de 2500 N sobre la cabeza de pistón que se aplica en la muñequilla del cigüeñal, siendo el radio de la misma de 30 mm.

2.3.2. Potencia

La potencia es la cantidad de energía producida o consumida por unidad de tiempo y se mide en vatios (W). En un motor térmico, la potencia viene determinada por la fuerza alcanzada en el par motor y por la cantidad de veces (r. p. m.) que se produce esa fuerza en la unidad del tiempo.

La fórmula para calcular la potencia de un motor se expresa:

N = M · ω

Siendo:

N: potencia, expresada en W.M: par motor, expresado en Nm.ω (omega): velocidad angular del cigüeñal, expresada en rad/s (radianes/segundo).

Como, generalmente, la velocidad del motor se mide en revoluciones por minuto (r. p. m.), hay que convertir las r. p. m. en rad/s, para tener el resultado en vatios.


Se dispone de un motor que gira a 2000 r. p. m., y un par de 150 Nm. ¿Qué potencia tiene?

Sabiendo que:

P: potencia, expresada en W.M: par motor, expresado en Nm.n: número de revoluciones por minuto, expresado en r. p. m.k: 9,55 (este número constante es el resultado de convertir 1 r. p. m. en 1 rad/s).

50 Motores

Capítulo 2

Solución:

Aplicando la fórmula:

P = M nk⋅

Se obtiene:

P = 150 Nm 2000 r. p. m.9,55

= 31413,61 W⋅

Como la cifra dada en W es muy grande, se pasa a kW dividiendo entre 1000, donde:

P = 31413,61 W1000

= 31,41 kW

También la potencia se puede expresar en CV (caballos de vapor, en inglés, horse power, HP) y para convertir las unidades se hará lo siguiente:

Sabiendo que 1 CV son 736 W, o lo que es lo mismo, 0,736 kW, se calculará con una regla de tres:

1 CV 0,736 kW ? CV 31,41 kW

P = 31,41 kW 1 CV0,736 kW

= 42,67 CV⋅

Como: 1 CV 0,736 kW ? CV 1 kW

P = 1 kW 1 CV0,736 kW

= 1,358 CV⋅

Bastaría con multiplicar directamente los 31,41 kW por los 1,358 CV para saber la poten-cia, por ejemplo: P = 31,41 ∙ 1,358 = 42,67 CV.

El dato 1,358 se puede redondear a 1,36, pues no afecta para saber aproximadamente una potencia de un vehículo para comprar un recambio.

P = 31,41 ∙ 1,36 = 42,71 CV

Generalmente, la potencia viene dada en kW en las documentaciones de los vehículos a es-cala mundial. Esta medida viene dada en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Para pasarlo rápidamente a CV se multiplica por 1,36 CV.


¿Qué potencia tiene un motor que gira a 4500 r. p. m. y obtiene un par de 240 Nm? Calcula los datos en kW y en CV.

Documents

M otores · Cálculos constructivos de los motores alternativos de dos y cuatro tiempos ... Elementos del motor ... de los elementos del bloque