Motor de combustión interna: bases y fundamentos. Análisis económico del cambio a GNV

• Introducción
• Formulación del Problema
• Marco Teórico
• Variables e hipótesis
• Impactos económicos
• Conclusiones
• Referencias

Introducción

Un୯tor de gasய es muy diferente a uno de gasolina convencional, lo único que cambia es el sistema de alimentación. No es lo mismo inyectar un líquido pulverizado que un gas. Cualquier motor (en la actualidad) de gasolina puede quemar gas; lo único a tener en cuenta es que éste carece de la capacidad de engrase y refrigeración que sí tiene la gasolina

La combustión del gas es mucho más ecológica que la de la gasolina.١ que la gasolina también es un hidrocarburo y, según las ecuaciones de combustión, también se obtendría agua y CO2, pero lo que sucede es que la gasolina es una molécula mucho más compleja y contiene gran cantidad de impurezas que producen subproductos tras la combustión.

Algunos de esos residuos son gaseosos y otros, sólidos. Estos últimos se van depositando en los asientos de válvula, cabeza de los pistones,࣯nductos de admisión๠escape, se mezclan con el aceite, etc.вovocandoयs problemas: el aumento de la fricción al rozar y arañar las paredes del cilindro y, además, reducen poco a poco el rendimiento, al ir obstruyendo los conductos de admisión y escape.

RESUMEN

En esta investigación tomamos las referencias económicas, técnicas, y legales del uso del gas natural vehicular (GNV) a través de los hechos científicos, estudios experimentales y datos estadísticos del ahorro en costos para el funcionamiento de un motor a gas, para que al mismo se definan las variables de combustión, combustibles limpios, hidrocarburos, poder calorífico y costos para así poder determinar en que medida es factiblemente económico considerar la posibilidad de un cambio en el sistema de alimentación de combustibles en el parque automotor nacional.

Palabras clave: combustión, combustibles limpios, hidrocarburos, poder calorífico, costos.

CAPÍTULO I

Formulación del Problema

• Descripción del Problema

Con el creciente parque automotor empresarial surge la necesidad de optimizar costos de mantenimiento y funcionamiento, aprovechando la abundancia de recursos en nuestro país vemos la posibilidad de maximizar ganancias para empresas que basan su funcionamiento en el uso de vehículos, y observando el fomento del gobierno respecto a la masificación del uso del gas natural ya sea familiar o industrial.

• Formulación del Problema

• Problema General

¿Es rentable en aspectos económicos considerar la posibilidad de un cambio en el sistema de alimentación de combustibles en el parque automotor nacional?

• Problemas Específicos

• 1.2.2.1. ¿Es viable en aspectos técnicos y económicos el cambio en el sistema de inyección del combustible?

• 1.2.2.2. ¿Cómo afectaría el cambio en el sistema de inyección al mantenimiento habitual del motor?

• Los objetivos de la investigación

• Objetivo General

Sobre la base de la factibilidad de este trabajo de investigación se podría establecer una reglamentación apropiada para llevar a cabo la conversión del parque automotor de gasolinero a GNV.

• Objetivos Específicos

• 1.3.2.1. Evaluar en qué medida el GNV contribuye en la economía familiar el uso de gas natural.

• 1.3.2.2. Demostrar la eficiencia técnica y económica para la implementación a corto plazo del uso del en el parque automotor gasolinero.

• Justificación o Importancia de la investigación

El disponer de una fuente de suministro de energía barata y limpia, favorece la utilización del GNV como una alternativa energética rentable, con un impacto social positivo debido a que es un producto menos contaminante que los combustibles actuales utilizados en nuestro país.

En este contexto, el proyecto Gas de Camisea esta a disposición de los usuarios el combustible GNV en una forma abundante, barata, limpia y continua, lo que permite la creación y sostenimiento del mercado correspondiente al sector transporte automotor, desde el año 2005.

CAPÍTULO II

Marco Teórico

• Motores de Combustión Interna

Un motor de combustión interna, motor a explosión o motor a pistón, es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de la cámara de combustión. Su nombre se debe a que dicha combustión se produce dentro de la propia máquina, a diferencia de, por ejemplo, la máquina de vapor.

Los motores son máquinas termodinámicas, que utilizan la energía de la combustión y la transforman en movimiento, un motor de combustión interna es un mecanismo que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde de la cámara de combustión.

La industria petrolera a venido evolucionando desde que se descubrió el primer pozo productor, antiguamente se extraía el petróleo de forma manual o bien los pozos eran fluyentes sin embargo con mayor paso del tiempo la industria se diversifico y se necesitó mejorar los métodos para perforar y extraer petróleo es aquí donde es importante el papel que juegan los motores de combustión interna.

Áreas de la industria petrolera donde se usan motores de combustión interna.

Las aplicaciones dentro de la producción petrolera pueden ser directas e indirectas según el uso dado de los motores de combustión interna.

Fig.N°1. Motor antiguo, de aviación, con disposición radial de los pistones

• Tipos Principales

• Alternativos

• El motor de explosión ciclo Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo desarrolló, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina, aunque también se lo conoce como motor de ciclo Beau de Rochas debido al inventor francés que lo patentó en 1862.

• El motor diésel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo.

• La Turbina de Gas

• El Motor Rotatorio

• El Ciclo Atkinson

• Clasificación de los Alternativos según el Ciclo

• De dos tiempos (2T): efectúan una carrera útil de trabajo en cada giro.

• De cuatro tiempos (4T): efectúan una carrera útil de trabajo cada dos giros.

Existen los diésel y gasolina, tanto en 2T como en 4T.

• Historia

La invención se puede remontar a dos italianos: el padre Eugenio Barsanti, un sacerdote escolapio, y Felice Matteucci, ingeniero hidráulico y mecánico, que ya en 1853 detallaron documentos de operación y construcción y patentes pendientes en varios países europeos como Gran Bretaña, Francia, Italia y Alemania.1

Los primeros prototipos carecían de la fase de compresión; es decir, la fase de succión terminaba prematuramente con el cierre de la válvula de admisión antes de que el pistón llegase a la mitad, lo que provocaba que la chispa que generaba la combustión que empuja la carrera del pistón fuese débil. Como consecuencia el funcionamiento de estos primeros motores era deficiente. Fue la fase de compresión la que dio una eficiencia significativa al motor de combustión interna, que lograría el reemplazo definitivo de los motores a vapor e impulsaría el desarrollo de los automóviles, ya que lograba desarrollar una potencia igual o mayor en dimensiones considerablemente mucho más reducidas.

Las primeras aplicaciones prácticas de los motores de combustión interna fueron los motores fuera de borda. Esto fue debido a que el principal impedimento para la aplicación práctica del motor de combustión interna en vehículos terrestres era el hecho de que, a diferencia de la máquina de vapor, no podía comenzar desde parado. Los motores marinos no sufren este problema, ya que las hélices son libres de un significativo momento de inercia.

El motor tal como lo conocemos hoy fue desarrollado por el alemán Nikolaus Otto, quien en 1886 patentó el diseño de un motor de combustión interna a cuatro tiempos, basado en los estudios del inventor francés Alphonse Beau de Rochas de 1862, que a su vez se basó en el modelo de combustión interna de Barsanti y Matteucci.

• Partes de un Motor

2.1.4.1 Árbol de Levas

Unডacute;rbol de levasॳ un୥canismoযrmado por un eje en el que se colocan distintasଥvas, que pueden tener distintas formas y tamaños, y están orientadas de diferente manera, para activar diferentes mecanismos a intervalos repetitivos, como por ejemplo unasඦaacute;lvulas, es decir constituye un temporizador mecánico cíclico, también denominado Programador mecánico.

En un motor controla la apertura y el cierre de las válvulas de admisión y escape, para desplazar las válvulas de sus asientos se utilizan una serie de levas, tantas como válvulas tenga el motor. Dichas levas van mecanizadas en un eje, con el correspondiente ángulo de desfase para efectuar la apertura de los distintos cilindros, según el orden de funcionamiento establecido.

En los Motores sirve para accionar las válvulas del Motor, es el que abre y cierra las válvulas, existe una leva para cada válvula, en un Motor de 4 Tiempos gira a la mitad de los RPM del cigüeñal.

Fig.N°2. Árbol de Levas de un Motor

2.1.4.2 Cilindro

El༢>cilindro༯b>de un୯torॳ el recinto por donde se desplaza un఩stón. Su nombre proviene de su forma, aproximadamente unࣩlindro৥ométrico.

En los୯tores de combustión internaഡles como los utilizados en los vehículos automotores, se dispone un ingenioso arreglo de cilindros junto con pistones, válvulas, anillos y otros mecanismos de regulación y transmisión, pues allí es donde se realiza la explosión del combustible, es el origen de la fuerza mecánica del motor que se transforma luego en movimiento del vehículo.

El cilindro es una pieza hecha con metal fuerte porque debe soportar a lo largo de su vida útil un trabajo a alta temperatura con explosiones constante de combustible, lo que lo somete a un trabajo excesivo bajo condiciones extremas. Una agrupación de cilindros en un motor constituye el núcleo del mismo, conocido comoࢬoque del motor.

Hay motores desde un cilindro, como las motosierras y algunas motocicletas, hasta motores de 12 o 16 cilindros en automóviles, camiones y aviones.

El diámetro y la carrera del cilindro, o mejor laࣩlindrada, tienen mucho que ver con laయtencia౵e el motor ofrece, pues están en relación directa con la cantidad de aire que admite para mezclarse con el combustible y que luego explota, generando con ello el movimiento mecánico que finaliza con el desplazamiento del vehículo hacia otra posición.

Dentro del Cilindro es donde se desplaza el pistón con un movimiento Alternativo, entre el cilindro y el Pistón hay una capa de aceite para el Sistema de Lubricación.

Fig.N°3. Cilindro de un Motor

2.1.4.3 Cigüeñal

Un༢>cigüeñal༯b>o༢>cigoñal࠼/b>es un eje acodado, con codos y contrapesos presente en ciertas୦aacute;quinas౵e, aplicando el principio del୥canismo de biela – manivela, transforma el movimiento rectilíneo alternativo en circular uniforme y viceversa. En los୯toresथࡵtomóviles६ extremo de la biela opuesta al bulón del pistón (cabeza de biela) conecta con la muñequilla, la cual junto con la fuerza ejercida por el pistón sobre el otro extremo (pie de biela) genera elడr motor੮stantáneo. El cigüeñal va sujeto en los apoyos, siendo el eje que une los apoyos el eje del motor.

Normalmente se fabrican de aleaciones capaces de soportar los esfuerzos a los que se ven sometidos y pueden tener perforaciones y conductos para el paso de lubricante. Sin embargo, estas aleaciones no pueden superar una dureza a 40 Rockwell "C" (40 RHC), debido a que cuanto más dura es la aleación más frágil se convierte la pieza y se podría llegar a romper debido a las grandes fuerzas a las que está sometida. Hay diferentes tipos de cigüeñales; los hay que tienen un apoyo cada dos muñequillas y los hay con un apoyo entre cada muñequilla.

Por ejemplo, para el motor de automóvil más usual, el de cuatro cilindros en línea, los hay de tres apoyos (hoy ya en desuso), y de cinco apoyos, el más común actualmente.

En otras disposiciones como୯tores en V௠bien horizontales opuestos (bóxer) puede variar esta regla, dependiendo del número de cilindros que tenga el motor. El cigüeñal es también el eje del motor con el funcionamiento del pistón y gradualmente se usa así en los automóviles con motor de combustión interna actuales.

Es el que tiene mayor vibración, en él se montan las bielas y sirve para transformar el movimiento Alternativo de los pistones en un Movimiento Rotatorio, por un extremo se monta la volante (es el que acumula la Energía de cada Cilindro), y el otro extremo el Dámper (amortiguador de vibraciones tensionales del Cigüeñal)

Fig.N°4. Cigüeñal de 4 Cilindros y 5 apoyos con doble contrapeso por biela de un Motor de Automóvil

2.1.4.4 Cojinete

El࣯jinete de deslizamientoॳ junto alಯdamiento൮ tipo de cojinete usado en ingeniería.

En un cojinete de deslizamiento dos࣡squillosഩenen un movimiento en contacto directo, realizándose un deslizamiento por fricción, con el fin de que esta sea la menor posible. La reducción del rozamiento se realiza según la selección de materiales y lubricantes. Los lubricantes tienen la función de crear una película deslizante que separe los dos materiales o evite el contacto directo. Como material de los casquillos se suele emplear el୥tal Babbitt

Al tocarse las dos partes, que es uno de los casos de uso más solicitados de los cojinetes de deslizamiento, el desgaste en las superficies de contacto limita la vida útil. La generación de la película lubricante que separa por una lubricación completa requiere un esfuerzo adicional para elevar la presión y que se usa sólo en máquinas de gran tamaño para grandes cojinetes de deslizamiento.

La resistencia al deslizamiento provoca la conversión de parte de la८ergía cinética८࣡lor, que desemboca en las partes que sostienen los casquillos del cojinete. Además es muy resistente

Se colocan en los Muñones de Bancada del Cigüeñal y en los Muñones de Biela del Cigüeñal. Entre los cojinetes y los Muñones del cigüeñal existe una capa de aceite para el Sistema de Lubricación.

Fig.N°5. Partes de un Cojinete de Automóvil

2.1.4.5 Biela

Se puede denominar༢>biela༯b>a un elemento mecánico que sometido a esfuerzos de tracción o compresión, transmite el movimiento articulando a otras partes de la máquina. En un motor de combustión interna conectan el఩stón࡬ࣩgüeñal.

Actualmente las bielas son un elemento básico en los୯tores de combustión interna๠en los࣯mpresores alternativos. Se diseñan con una forma específica para conectarse entre las dos piezas, el pistón y el cigüeñal. Su೥cciónലansversal o perfil puede tener forma de༢>H,ɠo༢>+༯b>. El material del que se fabrican es de una࡬eaciónथࡣero,ഩtanio௠aluminio. En la industria automotor todas se fabrican porযrja, pero algunos fabricantes de piezas las hacen mediante୥canizado.

Cuando el pistón se encuentra comprimiendo la mezcla 10° antes para llegar alవnto muerto superiorਐMS) laࣨispa೥ activa, provocando que la mezcla comience quemarse y cuando llegue al PMS esta঵erzaॸplosiva que se está liberando se comprime. Debido a las঵erzas inerciales६ mecanismo sigue avanzando, al encontrarse a 10° después del PMS es cuando se libera toda la fuerza.

Los principales esfuerzos que sufre la biela son deবexión࣯mpuesta en el momento de la carga máxima al explotar la mezcla combustible (expansión del ciclo), la compresión estaría dada por la componente de la fuerza sobre el eje longitudinal de la biela, y la flexión por la componente transversal a la misma, y lo mismo con el par reactivo proporcionado por la carga a través del cigüeñal al oponerse al movimiento. Además la biela sufre un esfuerzo de compresión nuevamente en la etapa de compresión de la mezcla.

Después de observar los distintos tipos de análisis realizados a la biela se pueden notar dos puntos críticos que ocurren en diferentes etapas del ciclo mecánico, el primero de ellos se aprecia durante la compresión, este tiene lugar en la parte media de la biela, el segundo punto crítico se sitúa en la parte inferior de la biela y ocurre durante la expansión del ciclo. Losയrnillos, por su parte, soportan solo un pequeño porcentaje de la carga.

Con un análisis similar en bielas de sección tipo༢>H༯b>en lugar de༢>I, se observa que los esfuerzos que aparecen son menores, esto es debido a que las bielas tipo H se fabrican en su mayoría mecanizadas y con una sección constante, por lo que en la parte de la cabeza resulta sobredimensionada, disminuyendo las tensiones internas, se utilizan en motores de altas exigencias. Sin embargo en los automóviles de producción masiva se utilizan las bielas tipo I forjadas que resisten apropiadamente los esfuerzos que sufren en un uso normal, pero no son adecuadas para regímenes más intensos.

Fig.N°6. En la izquierda un Motor de Combustión Interna, en la Derecha se muestra el Diagrama de un Motor de Combustión Interna, la letra R señala la Biela

2.1.4.6 Cárter

Elࣦaacute;rterॳ una de las piezas fundamentales de una máquina, especialmente de un୯tor. Técnicamente, el cárter es una caja metálica que aloja los mecanismos operativos del motor. Es el elemento que cierra el bloque, de forma estanca, por la parte inferior, y que cumple adicionalmente con la función de actuar como depósito para el aceite del motor. Simultáneamente, este aceite se refrigera al ceder el calor exterior.

El cárter también se fabrica con aleaciones ligeras de aluminio que sin aportar demasiado peso, y debido a su buena conductibilidad térmica, disipan una gran cantidad de calor, a lo que contribuye en muchos casos la presencia de aletas de refrigeración. El empleo de este material presenta la ventaja añadida de que disminuye el nivel acústico del motor.

El cárter está fijado al bloque motor mediante tornillos con interposición de una junta de estanqueidad, y en el parte inferior del mismo está situado el tapón roscado que permite su drenaje. Las juntas de estanqueidad se fabrican de corcho o materiales sintéticos, pero existe una tendencia a la aplicación de juntas líquidas o masillas sellantes que polimerizan en poco tiempo en contacto con el aire. Este tipo de juntas exigen una adecuada limpieza antes de su aplicación. En ocasiones, el cárter se atornilla conjuntamente al bloque motor y al cambio de marchas, lo que aporta una rigidez suplementaria al conjunto cambio-motor.

Se ubica en la Parte Inferior del Motor, en el se deposita el aceite de Lubricación y también la Bomba de Aceite.

Fig.N°7. Cárter de un Automóvil

2.1.4.7 Pistón

Es una Aleación de Aluminio, en el se montan los Anillos (que pueden ser de Compresión y Aceiteros); Normalmente por Pistón existen 2 Anillos de Compresión y 1 Anillo Aceitero. El Pistón y la Biela Transmiten el Movimiento Alternativo al Cigüeñal, lo convierte en Movimiento Rotatorio mediante el Sistema de Biela Manivela.

Se denomina఩stónࡠuno de los elementos básicos del୯tor de combustión interna. Su función principal es la de constituir la pared móvil de laࣦaacute;mara de combustión, transmitiendo la८ergíaथ losৡsesथ la࣯mbustiónࡠlaࢩela୥diante un movimiento alternativo dentro del cilindro. Dicho movimiento se copia en el pie de biela, pero se transforma a lo largo de la biela hasta llegar a su cabeza apretada al muñón del cigüeñal, en donde dicha८ergía೥ ve utilizada al movilizar dicho cigüeñal. De esta forma el pistón hace de guía al pie de biela en su movimiento alternativo.

Fig.N°8. Pistón de un Motor de Combustión Interna, visto desde su parte inferior, se observan los orificios que alojan el Eje de la Biela.

2.1.4.8 Cámara de Combustión

Laࣦaacute;mara de combustiónॳ el lugar donde se realiza la࣯mbustiónथl࣯mbustible࣯n el࣯mburente, generalmente aire, en el୯tor de combustión interna.

Sus aplicaciones principales son:

• Motores de combustión interna࡬ternativos

• Motor Wankel

• Turbinas de gas, por ejemplo el୯tor de reacción

• Motor cohete.

En un motor alternativo aࣩclo Ottoਧasolina), la cámara de combustión es el espacio remanente entre la parte superior del pistón cuando éste se encuentra en el punto muerto superior (PMS) y laࣵlata௠tapa de cilindros. En un ciclo Diésel (gas oil), de inyección directa, la cámara de combustión principal se encuentra mecanizada en la cabeza del pistón. En los de inyección indirecta, hay una pre cámara de combustión o una cámara de turbulencia.

La relación entre el volumen máximo y mínimo se denominaಥlación de compresión. Para simplificar, en los motores deࣩclo Otto೥ denomina así al volumen del espacio en la culata.

Hay varios tipos de cámaras de combustión, por ejemplo según sea unࣩclo de cuatro tiempos௠un୯tor de dos tiempos, oऩésel௠gasolina.

Es el lugar en donde se realiza la Combustión, que es diferente en Motores Diesel y en Motores Otto ó Gasolineros, existen 2 Tipos de Cámaras que son las Cámaras Directas e Indirectas , en las Cámaras Indirectas existe una Pre-Cámara de Combustión de Alta Turbulencia, mientras que en las Cámaras Directas no existe la Pre-Cámara.

Fig.N°9. Cámara de Combustión de un Motor de Combustión Interna

2.1.4.9 Bulón

Es un pequeño Cilindro para unir el Pistón con la Biela, y al costado se colocan 2 Anillos Celler para evitar su desplazamiento Axial y evitar que raye el Cilindro. La palabraࢵlón೥ utiliza para denominarയrnillosथ tamaño relativamente grande, con rosca solo en la parte extrema de su cuerpo, utilizados en obras de ingeniería, maquinaria pesada, vías férreas, etcétera.

Normalmente se disponen con la correspondienteࡲandela, que suele ser de presión, y se manipulan medianteବaves especiales.

Los motores alternativos de combustión interna poseen bulones que se realizan en acero templado mediante forja, aunque hay motores de competición con bielas de titanio o aluminio, realizadas por operaciones de arranque de material.

Término usado en Argentina, Paraguay y Uruguay. Enųpaña೵ele usarse como sinónimo deథrno,ಯblón௠roldaba.

Otro ejemplo es en el montaje de grandes elementos comoࡥrogeneradores೥ utilizan৲úasथ gran envergadura, losയrnillos౵e unen las secciones mayores a la grúa se hacen llamar bulones y van desde 25࣭थऩámetroయr 1.5୥trosथ largo.

Fig.N°10. Bulón de un Motor de Combustión Interna

2.1.4.10 Bujía

Laࢵjíaॳ el elemento que produce el encendido de la mezcla de࣯mbustible๠aire८ los cilindros, mediante una chispa, en un୯tor de combustión internaथ encendido provocado (MEP), tanto alternativo deࣩclo Otto࣯moסnkel. Su correcto funcionamiento esࣲucialడra el buen desarrollo del proceso de combustión/expansión delࣩclo Otto, ya sea de 2 tiempos (2T) como de cuatro (4T) y pertenece al sistema de८cendido del motor.

La bujía tiene dos funciones primarias:

• Inflamar la mezcla de aire y combustible;

• Disipar el calor generado en la cámara de combustión hacia el sistema de refrigeración del motor (rango térmico).

Una bujía debe tener las siguientes características:

• Estanca a la presión: a pesar de las distintas condiciones de funcionamiento no debe permitir el paso de gases desde el interior del cilindro al exterior del mismo.

• Resistencia del material aislante a los esfuerzos térmicos, mecánicos y eléctricos: no debe ser atacado por los hidrocarburos y los ácidos que se forman durante la combustión. Debe mantenerse sus propiedades de aislamiento eléctrico sin partirse por las exigencias mecánicas.

• Adecuada graduación térmica: para asegurar a la bujía un funcionamiento correcto, la temperatura de la misma parte situada debe oscilar entre 500 y 600তeg;C. La forma de la bujía y más concretamente la longitud del aislante central cerámico, darán la capacidad de transmisión de calor a la culata, lo cual determinará la temperatura estable de funcionamiento.

Sirve para prender la Mezcla de Aire con Gasolina, salta una chispa durante un milisegundo ó menos que es de alta Tensión (15000 V masomenos), En la Bobina de Encendido llega una tensión de 12V que viene de la Batería y sale una Tensión de 15000V; NOTA: La Bujía solo existe en los Motores Gasolineros ya que en los Motores Diesel existe la Bomba de Inyección.

Fig.N°11. Bujía de un Motor de Ciclo Otto; Transmisión del calor de la bujía a la culata: izquierda bujía de grado térmico elevado, derecha grado térmico bajo.

2.1.4.11 Culata

Laࣵlata,ഡpa de cilindros,࣡beza del motor௠tapa del bloque de cilindrosॳ la parte superior de un୯tor de combustión interna౵e permite el cierre de las cámaras.

Son varias las explosiones que se han dado con las configuraciones de la culata, según el tipo de motor, siendo la más sencilla la del motor de dos tiempos refrigerado por aire en la que literalmente es la tapa del cilindro atravesada por el orificio roscado para la bujía y que por una de sus caras tiene las aletas de refrigeración que buscan una mayor superficie de contacto con el elemento refrigerante que es el aire.

Los motores antiguos refrigerados por agua pero con válvulas en el bloque, son también sencillamente la tapa de los cilindros conformando la cámara de combustión, presentando la diferencia de ser una pieza de fundición hueca que en su interior conduce el elemento refrigerante que es el agua. las cabezas de los motores son muy diferentes en cuanto a material a comparación del mono bloque.

La culata se construye en hierro fundido, aluminio o en࡬eación଩gera y se une al bloque motor medianteയrnillos๠unaવnta: la junta de culata. Se construye con estos elementos porque el sistema de enfriamiento debe ser rápido, y estos elementos se enfrían rápidamente.

Cierra la parte Superior del Monoblock, la unión de la Culata y el Monoblock se da mediante la Empaquetadura de la Culata, que tiene que ser un Cierre Hermético.

Fig.N°12. Culata de un Motor Ford

• Aplicaciones más comunes

Las diferentes variantes de los dos ciclos, tanto en diésel como en gasolina, tienen cada uno su ámbito de aplicación.

• 2T gasolina: tuvo gran aplicación en las motocicletas, motores de ultraligeros (ULM) y motores marinos fuera-borda hasta una cierta cilindrada, habiendo perdido mucho terreno en este campo por las normas anticontaminación. Además de que en las cilindradas mínimas de ciclomotores y scooters (50 cc) o un poco más grandes de motocicletas de competencia y motocross, sólo motores muy pequeños como motosierras y pequeños grupos electrógenos siguen llevándolo (2015).

• 4T gasolina: domina en las aplicaciones en motocicletas de todas las cilindradas, automóviles, aviación deportiva y fuera borda.

• 2T diésel: domina en las aplicaciones navales de gran potencia, hasta 100000 CV hoy día, y tracción ferroviaria. En su momento de auge se usó en aviación con cierto éxito.

• 

  4T diésel: domina en el transporte terrestre, automóviles y aplicaciones navales hasta una cierta potencia. Empieza a aparecer en la aviación deportiva.

Fig.N°13. Motor SOHC de moto de competición, refrigerado por aire, 1937

• Estructura y Funcionamiento

Los motores Otto y los diésel tienen los mismos elementos principales: (bloque, cigüeñal, biela, pistón, culata, válvulas) y otros específicos de cada uno, como la bomba inyectora de alta presión en los diésel, o antiguamente el carburador en los Otto.

En los 4T es muy frecuente designarlos mediante su tipo de distribución: SV, OHV, SOHC, DOHC. Es una referencia a la disposición del (o los) árbol de levas.

• Cámara de Combustión

La cámara de combustión es el lugar donde se realiza la combustión del combustible con el comburente, generalmente aire, en el motor de combustión interna.

Es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo y dentro del cual se desliza un pistón muy ajustado al cilindro. La posición hacia dentro y hacia fuera del pistón modifica el volumen que existe entre la cara interior del pistón y las paredes de la cámara. La cara exterior del pistón está unida por una biela al cigüeñal, que convierte en movimiento rotatorio el movimiento lineal del pistón.

En los motores de varios cilindros, el cigüeñal tiene una posición de partida, llamada espiga de cigüeñal y conectada a cada eje, con lo que la energía producida por cada cilindro se aplica al cigüeñal en un punto determinado de la rotación. Los cigüeñales cuentan con pesados volantes y contrapesos cuya inercia reduce la irregularidad del movimiento del eje. Un motor alternativo puede tener de 1 a 28 cilindros.

Fig.N°14. Cámara de Combustión de un Turborreactor de un avión GE J79

• Sistema de Alimentación

El sistema de alimentación de combustible de un motor Otto consta de un depósito, una bomba de combustible y un dispositivo dosificador de combustible que vaporiza o atomiza el combustible desde el estado líquido, en las proporciones correctas para poder ser quemado. Se llama carburador al dispositivo que hasta ahora venía siendo utilizado con este fin en los motores Otto. Ahora los sistemas de inyección de combustible lo han sustituido por completo por motivos medioambientales. Su mayor precisión en la dosificación de combustible inyectado reduce las emisiones de CO2, y asegura una mezcla más estable. En los motores diésel se dosifica el combustible gasoil de manera no proporcional al aire que entra, sino en función del mando de aceleración y el régimen motor (mecanismo de regulación) mediante una bomba inyectora de combustible.

En los motores de varios cilindros el combustible vaporizado se lleva a los cilindros a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión. La mayor parte de los motores cuentan con un colector de escape o de expulsión, que transporta fuera del vehículo y amortigua el ruido de los gases producidos en la combustión.

Fig.N°15. Bomba de Inyección de Combustible BOSCH

Fig.N°16. Carburador

• Sistema de Distribución

Cada cilindro toma el combustible y expulsa los gases a través de válvulas de cabezal o válvulas deslizantes. Un muelle mantiene cerradas las válvulas hasta que se abren en el momento adecuado, al actuar las levas de un árbol de levas rotatorio movido por el cigüeñal, estando el conjunto coordinado mediante la cadena o la correa de distribución. Ha habido otros diversos sistemas de distribución, entre ellos la distribución por camisa corredera (sleeve-valve).

Fig.N°17. Válvulas y Árbol de Levas

• Encendido

Los motores necesitan una forma de iniciar la combustión del combustible dentro del cilindro. En los motores Otto, el sistema de encendido consiste en un componente llamado bobina de encendido, que es un auto-transformador de alto voltaje al que está conectado un conmutador que interrumpe la corriente del primario para que se induzca un impulso eléctrico de alto voltaje en el secundario.

Dicho impulso está sincronizado con el tiempo de compresión de cada uno de los cilindros; el impulso se lleva al cilindro correspondiente (aquel que está en compresión en ese momento) utilizando un distribuidor rotativo y unos cables que llevan la descarga de alto voltaje a la bujía. El dispositivo que produce el encendido de la mezcla combustible/aire es la bujía, que, instalada en cada cilindro, dispone de electrodos separados unas décimas de milímetro, el impulso eléctrico produce una chispa en el espacio entre un electrodo y otro, que inflama el combustible; hay bujías con varios electrodos, bujías que usan el proceso de 'descarga de superficie' para producir la chispa, y 'bujías incandescentes ' (Glow-plug).

Si la bobina está en mal estado se recalienta; eso produce pérdidas de energía, reduce la chispa de las bujías y causa fallos en el sistema de encendido del automóvil. De los sistemas de generación de electricidad en los motores, las magnetos dan un bajo voltaje a pocas rpm, aumentando el voltaje de la chispa al aumentar las rpm, mientras los sistemas con batería dan una buena chispa a bajas rpm, pero la intensidad de la chispa baja al aumentar las rpm.

Fig.N°18. Tapa del Distribuidor

Fig.N°19. Cadena de Distribución

• Refrigeración

La refrigeración en motores de combustión interna es necesaria para disminuir el calor generado por la quema del combustible (superior a 2000ºC) y no transformado en energía mecánica, durante el funcionamiento de éstos. La principal función de la refrigeración es mantener todos los componentes dentro del rango de temperaturas de diseño del motor evitando su destrucción por deformación y agarrotamiento.

Fig.N°20. Diagrama de la Refrigeración por agua en un M.C.I.

• Sistema de Arranque

Al contrario que los motores y las turbinas de vapor, los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan (véase Momento de fuerza), lo que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que se pueda iniciar el ciclo. Los motores de automoción utilizan un motor eléctrico (el motor de arranque) conectado al cigüeñal por un embrague automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado, algunos motores pequeños se arrancan a mano girando el cigüeñal con una cadena o tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante del cigüeñal.

Otros sistemas de encendido de motores son los iniciadores de inercia, que aceleran el volante manualmente o con un motor eléctrico hasta que tiene la velocidad suficiente como para mover el cigüeñal. Ciertos motores grandes utilizan iniciadores explosivos que, mediante la explosión de un cartucho mueven una turbina acoplada al motor y proporcionan el oxígeno necesario para alimentar las cámaras de combustión en los primeros movimientos. Los iniciadores de inercia y los explosivos se utilizan sobre todo para arrancar motores de aviones.

• Tipos de Motores

• Motor Convencional del Tipo Otto

El motor convencional del tipo Otto es un motor de tipo alternativo de cuatro tiempos (4T), aunque en fuera borda y vehículos de dos ruedas hasta una cierta cilindrada se utilizó mucho el motor de dos tiempos (2T). El rendimiento térmico de los motores Otto moderno se ve limitado por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción, la refrigeración y falta de constancia en las condiciones de funcionamiento.

La termodinámica nos dice que el rendimiento de un motor alternativo depende en primera aproximación del grado de compresión. Esta relación suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano para evitar el fenómeno de la detonación, que puede producir graves daños en el motor. La eficiencia o rendimiento medio de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica.

Casi todos los motores de este tipo se fabrican para el transporte y deben trabajar suministrando diferentes potencias en cada momento. Debido a esto el rendimiento de los mismos cae bruscamente al trabajar con carga parcial, ya que, cuando esto sucede, la cámara de compresión mantiene su volumen, dando una compresión final baja y transformando gran parte de la energía en calor.

• Funcionamiento:

1. Tiempo de admisión – El aire y el combustible mezclados entran por la válvula de admisión.

2. Tiempo de compresión – La mezcla aire/combustible es comprimida y encendida mediante la bujía.

3. Tiempo de combustión – El combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo.

4. Tiempo de escape – Los gases de escape se conducen hacia fuera a través de la válvula de escape.

También existe una variación del ciclo Otto que mejora la eficiencia del motor al aumentar el tiempo de expansión con respecto al tiempo de compresión conocido como Ciclo Miller.

Fig.N°21. Motor Otto de 2T refrigerado por aire de una moto: azul aire, verde Fig.N°22. Motor DOHC 4 tiempos mezcla aire/combustible, gris gases quemados.

• Motores Diesel

En teoría, el ciclo diésel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de los motores diésel son asimismo del ciclo de cuatro tiempos, salvo los de tamaño muy grande, ferroviarios o marinos, que son de dos tiempos. Las fases son diferentes de las de los motores de gasolina.

El motor diésel es un motor térmico que tiene combustión interna alternativa que se produce por el autoencendido del combustible debido a altas temperaturas derivadas de la compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo del diésel. Se diferencia del motor de gasolina en usar gasóleo como combustible. Ha sido uno de los más utilizados desde su creación.

En la primera carrera, la de admisión, el pistón sale hacia fuera, y se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda carrera, la fase de compresión, en que el pistón se acerca. el aire se comprime a una parte de su volumen original, lo cual hace que suba su temperatura hasta unos 850তeg;C. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible a gran presión mediante la inyección de combustible con lo que se atomiza dentro de la cámara de combustión, produciéndose la inflamación a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de trabajo, los gases producto de la combustión empujan el pistón hacia fuera, trasmitiendo la fuerza longitudinal al cigüeñal a través de la biela, transformándose en fuerza de giro par motor. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de escape, cuando vuelve el pistón hacia dentro.

Algunos motores diésel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible al arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada.