Historia del motor de combustión interna

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

1.1

PERSPECTIVA HISTÓRICA.

El motor de combustión interna se desarrolla como una evolución de la máquina
de vapor. En este motor el trabajo se obtiene por la combustión interna de una
mezcla de aire y combustible, a diferencia de la máquina de vapor, que aprovecha
la presión del vapor de agua que se produce por una combustión externa.
Los motores térmicos han servido al hombre por más de dos siglos y medio. En
los primeros 150 años se usaron los motores de vapor. No fué sino hasta 1860
que el motor de combustión interna llegó a ser realmente práctico. Los primeros
motores desarrollados para uso comercial quemaban mezclas de carbón a presión
atmosférica (no había compresión antes de la combustión).
Figura 1. Etienne Lenoir (1822-1900)

Fuente: http://tinyurl.com/EtienneLenoir.
El ingeniero franco – belga Etienne Lenoir (1822-1900), desarrolló en 1859 el
primer motor de combustión interna con fines comerciales (fig. 1). El gas y el aire
eran llevados dentro del cilindro durante la primera mitad de la carrera de pistón, la
carga era luego encendida por una chispa lo cual incrementaba la presión y los
gases quemados entregaban energía al pistón durante la segunda mitad de la
carrera. El ciclo se completaba con una carrera de escape. Cerca de 5.000 de


estos motores se construyeron en 1860 y 1865 en tamaños hasta de de 6 h.p. la
eficiencia era alrededor de 5%.
Un desarrollo más exitoso fue un motor atmosférico introducido en 1867 por
Nikolaus August Otto (1832-1891) y Eugen Langen (1833-1895), el cual usaba el
incremento de presión producido por la combustión de la mezcla de aire y
combustible para acelerar un mecanismo de pistón y cremallera tal que su
momento generaría un vacío en el cilindro.
Para superar este motor de baja eficiencia y peso excesivo, Otto propuso un ciclo
motriz con cuatro carreras del pistón (fig. 2), una carrera de admisión, una carrera
de compresión, antes de la ignición, una carrera de expansión o de potencia,
donde el trabajo era entregado a cigüeñal y finalmente una carrera de escape. El
propuso, también la incorporación de un sistema de inducción de carga
estratificada, aunque este no fué llevado a la práctica
.
Figura 2. Nikolaus August Otto (1822-1900)

Fuente: http://tinyurl.com/3nw6syq.
El primer prototipo de este motor de cuatro carreras funcionó en 1876. Una
comparación entre el motor Otto de cuatro tiempos y su predecesor, el motor
atmosférico de Langen, se muestra en la tabla 1.1 y explica el éxito del primero: la


enorme reducción de peso y volumen. Debido a esto fué posible la verdadera
producción industrial del motor de combustión interna. En 1890, casi 50.000 de
estos motores habían sido vendidos. El motor de Otto era a gas, mientras un exdirector

de la empresa de Otto, Gottlieb Daimler (1834-1900), enfocó sus

esfuerzos en producir el primer motor ligero, de alta velocidad, que funcionara con
gasolina. Finalmente logró desarrollar un carburador que evaporaba la gasolina y
la mezcla con aire. El nuevo motor corría a 900 revoluciones por minuto, casi siete
veces más rápido que la máquina construida por Otto. La tabla 1.1 1 indica las
diferencias entre el motor Otto contra el motor a gasolina
Tabla 1.1 Comparación entre los motores Otto cuatro tiempos y Otto-Langen.
PARAMETRO

Potencia al freno
Peso, lb, aprox.
3
Desplazamiento del pistón, in
3
Carreras de potencia por minuto in
Velocidad del eje, rpm
Eficiencia mecánica, %
Eficiencia total, %
Relación de expansión

MOTOR
ATMOSFÉRICO
(OTTO-LANGEN)

2
4000
4900
28
90
68
11
10

MOTOR A GASOLINA
4T (OTTO)

2
1250
310
80
160
84
14
2,5

En 1884, una patente francesa no publicada en 1862 adjudicaba a Alphonse Beau
de Rochas (1815-1893) el principio del ciclo de cuatro tiempos. Este
descubrimiento puso entela de juicio la validez de la patente de Otto, y en
Alemania fué invalidada. Beau de Rochas también propuso condiciones bajo las
cuales se obtenía la máxima eficiencia en un motor de combustión interna, ellas
fueron:
1. El mayor volumen del cilindro posible con el mínimo de superficies.
2. La mayor velocidad de trabajo posible.
3. La mayor relación de expansión posible.
4. La mayor presión posible al comienzo de la expansión.
Las primeras dos condiciones minimizan las pérdidas de carga por calor.

1

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La tercera condición reconoce que entre más grande sea la expansión de los
gases después de la combustión mayor será el trabajo logrado.
La cuarta condición demuestra la razón proporcional entre la presión inicial y la
expansión del cilindro, a mayor presión se logrará una mayor expansión posible,
las presiones originadas son más altas en todos los procesos y como
consecuencia habrá una mayor transferencia de potencia. Aunque Beau de
Rochas hizo estos escritos antes que Otto, él nunca llevó estas ideas a la práctica.
Por esta razón e inventor del motor de combustión interna moderno se le atribuye
a N. Otto.
En los años 1880 varios ingenieros (por ejemplo: Dugald Clero (1854-1913) y
James Robson (1844-1929)) en Alemania alcanzaron gran éxito al desarrollar el
motor de dos tiempos en el cual los procesos de escape y de admisión ocurren
durante el final de la carrera de potencia y el comienzo de la carrera de
compresión.
James Atkinson (1846-1914) en Inglaterra construyó un motor con una carrera de
expansión más larga que la carrera de compresión, éste tenía una alta eficiencia
pero mecánicamente era muy débil. Esto comprobó que la eficiencia era una
función directa de la rata de expansión.
Sin embargo la relación de compresión utilizada fué limitada a un número menor
de cuatro debido a problemas de detonación del combustible. Fueron requeridos
desarrollos posteriores en los sistemas de carburación e ignición, antes de que los
motores a gasolina de alta velocidad para automóviles llegaran a ser disponibles a
finales del siglo XIX. El progreso en los motores estacionarios también tuvo gran
desarrollo. A finales de 1890 se desarrolló un motor monocilíndrico a gas con
diámetro del pistón de 1300 mm el cual producía 600 BHP a 90 RPM.


En gran Bretaña, a causa de las restricciones legales sobre combustibles volátiles,
se propició la construcción de motores que utilizaban Keroseno.

Motores de

aceite de relación de compresión baja con vaporizadores de combustible externo e
ignición eléctrica se desarrollaron con eficiencias comparables a las de los
motores a gas (14% a 18%). El motor Herbert-Ackroyd (fig. 3), llegó a ser el motor
de aceite más popular en Gran Bretaña, el cual también se construyó en gran
número en los Estados Unidos.
Figura 3. Herbert Ackroyd Stuar (1864-1927)

Fuente: http://tinyurl.com/5r7ytzw.
En 1892 el ingeniero Alemán Rudolf Diesel (1858-1913) bosquejó en su patente
una forma nueva de motor de combustión mediante la ignición de un combustible
líquido dentro de aire calentado únicamente por la compresión (fig. 4); éste
permitía duplicar la eficiencia sobre otros motores de combustión interna. Fueron
posibles relaciones de compresión mucho mayores, sin detonación, sin embargo,
tomó 5 años en desarrollar un motor práctico con esfuerzos de Diesel y recursos
de M.A.N. en Ausburg.


Figura 4. Rudolf Diesel (1858-1913)

Fuente: http://tinyurl.com/5r7ytzw.
Los desarrollos en los motores así como su mercado constantemente creciente ha
continuado desde entonces. Un desarrollo más reciente ha sido el motor de
combustión interna rotativo.
Figura 5. Félix Wankel (1902-1988).

Fuente: http://tinyurl.com/3gc4767.


Aunque una amplia variedad de motores rotativos experimentales han sido
propuestos a través de los años, el primer motor de combustión interna práctico, el
motor Wankel (fig. 5), no fué probado exitosamente sino hasta 1957. Este motor
evolucionó a través de muchos años de investigación y desarrollo, se basó en los
diseños del inventor Alemán Félix Wankel.

Los combustibles también han tenido un gran impacto en el desarrollo del M.C.I.
Los motores más antiguos quemaban gas, gasolina y fracciones livianas de
petróleo, estos fueron construidos a finales del siglo XIX y se desarrollaron varios
tipos de carburadores para vaporizar el combustible y mezclarlo con aire. Antes
de 1905 habían pocos problemas con la gasolina, aunque la relación de
compresión era baja (4 o menos) para evitar la detonación, la alta volatilidad del
combustible facilitaba el arranque y permitía un buen funcionamiento en ambientes
fríos. Debido a la gran escasez de crudo y para satisfacer el incremento en la
demanda de gasolina (quintuplicada) entre 1907 y 1915, la producción de crudo
debió aumentarse. Mediante el trabajo de William Barton (1865-1954)

y sus

asociados de la Standard Oil of Indiana, se desarrolló un proceso de cracking
térmico en el cual los aceites más pesados eran calentados a presión y
descompuestos en combustibles más volátiles y menos complejos.

Esas

gasolinas producidas a través de este método, satisficieron la demanda, pero
debido a su mayor punto de ebullición crearon problemas de arranque en
ambientes fríos. Afortunadamente los sistemas de arranque de accionamiento
eléctrico se introdujeron en 1912, justo en el momento que se necesitaban. En
zonas rurales, el Keroseno fue el combustible usado para motores de combustión
interna, ya que éste se usaba para calentamiento e iluminación.
En el periodo posterior a la I guerra mundial se tuvo un avance significativo en el
conocimiento de cómo los combustibles afectan la combustión y particularmente la
detonación. El efecto antidetonante del tetraetilo de plomo fue descubierto por la
General Motors y estuvo disponible como aditivo para la gasolina en los Estados


Unidos en 1923. A finales de los años 30s, Eugne Houdry encontró que al hacer
pasar petróleo vaporizado sobre un catalizador activado a temperaturas entre 450
y 480 ºC, éste era convertido en gasolinas de mayor calidad que las obtenidas por
el método de Cracking.
Estos desarrollos y otros permitieron que se produjeran combustibles con mejores
propiedades antidetonantes en grandes cantidades, así la relación de compresión
de los motores se incrementó constantemente mejorando la potencia y la
eficiencia. Durante las últimas décadas, han aparecido factores importantes que
afectan significativamente el diseño y la operación de los motores de combustión
interna. Estos factores son:
•

La necesidad de controlar la contaminación del aire.

•

La necesidad del consumo de combustible.

El problema de la contaminación del aire producida por los automóviles empezó a
notarse en las décadas de los 40s, en la ciudad de los Angeles. En 1952 el
profesor A.J. Haagen Smith demostró que el problema del smog resultaba de las
reacciones entre óxidos de nitrógeno e hidrocarburos en presencia de la luz solar.
Oportunamente se llegó a establecer que el automóvil era el mayor contribuyente
de emisiones de hidrocarburos y óxidos de nitrógeno, así como el primer causante
de los altos niveles de monóxidos de carbono en áreas urbanas. Los motores
Diesel son fuentes significativas de hollín o partículas de humo, así como de
hidrocarburos y óxidos de nitrógeno.
Como resultado de estos estudios, las normas sobre emisiones para automóviles
en los Estados Unidos fueron introducidas primero en California y luego en el resto
del país, al comienzo de los años 60s. La tabla 1.2 2 muestra los límites máximos

2

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permitidos para las emisiones en Estados Unidos a partir de 1968, año en el cual
se impusieron por primera vez controles a este respecto.3
Tabla 1.2 Límite de emisiones en los Estados Unidos
MODELO
(AÑO)

Precontrol
1968-69
1970-71
1972
1973-74
1975-76
1977-79
1980
1981-90
1991-93
1994-98
1994-98
19992003
19992003

VIDA UTIL
AÑOS/1000 MILLAS

EMISIONES MÁXIMAS g/millas
OXIDO DE
NITROGENO
(NOx)

MONOXIDO DE HIDROCARBONOS
CARBONO (CO)
(HC)

PARTICULAS
(PM10)

5/50
5/50
5/50
5/50
5/50
5/50
5/50
5/50
5/50
5/50
10/100

84
51
34
28
28
15
15
7,0
3,4
3,4
3,4
4,2

10,6
6,3
4,1
3,0
3,0
1,5
1,5
0,41
0,41
0,41
0,25
0,31

4,1
3,1
3,1
2,0
2,0
1,0
1,0
0,4
0,6

0,20
0,08
0,10

5/50

3,4

0,075

0,2

0,08

10/100

4,2

0,090

0,3

0,08

Las normas Europeas para emisiones de vehículos a gasolina y Diesel se
muestran en la tabla 1.3 y 1.4 respectivamente.
Se ha logrado una gran disminución en las emisiones contaminantes de motores
Diesel y de ECH. Para el control de emisiones la mayoría de los automóviles
modernos se equipan con convertidores catalíticos (se dará desarrollo en el
sistema de escape)
La norma euro V es el actual indicador de emisiones contaminantes, con base a
ella los diseños de nuevos sistemas de alimentación, sistema de tratamiento de
gases de escape y la implementación de nuevas tendencias en los combustibles,
se ha logrado aplicar el desarrollo sostenible en motores alternativos.

3

Ver anexo normas TIER I ( 2003) y TIER II (2009)


Los siguientes fueron los cambios más representativos de la Norma Euro IV, con
respecto a la vigente.
Emisiones procedentes de los coches diesel:


Monóxido de carbono: 500 mg/km;



Partículas: 5 mg/km (o una reducción del 80% de las emisiones respecto de la
norma Euro IV).



Óxidos de nitrógeno (NOx): 180 mg/km (o una reducción del 20% de las emisiones
respecto de la norma Euro IV).




Emisiones combinadas de hidrocarburos y óxidos de nitrógeno: 230 mg/km.
Emisiones procedentes de los coches de gasolina o que funcionan con gas natural
o con GLP:



Monóxido de carbono: 1000 mg/km;



Hidrocarburos no metanos: 68 mg/km;



Hidrocarburos totales: 100 mg/km;



Óxidos de nitrógeno (NOx): 60 mg/km (o una reducción del 25 % de las emisiones
respecto de la norma Euro IV);



Partículas (únicamente para los coches de gasolina de inyección directa que
funcionan con combustión pobre): 5 mg/km (introducción de un límite que no
existía en la norma Euro IV).
Figura 6. Normas que regulan las emisiones en el mundo.

Fuente: http://tinyurl.com/6hw2o24.


En la figura 6, se muestra las diferentes reglamentaciones a nivel mundial y su
influencia en cada continente. Nótese que para Colombia se rige por la normal
EPA Tier 0.
La preocupación por los efectos tóxicos del plomo en los aditivos antidetonantes
ha conllevado a la reaparición de la gasolina sin plomo (unleaded). También el
máximo contenido de plomo en la gasolina con plomo (leaded) ha sido
sustancialmente reducido.
Los requerimientos de los controles de emisiones contaminantes, así como el
desarrollo de combustibles han producido cambios importantes en la forma como
se diseñan y operan los motores de combustión interna.
Los motores de combustión interna son también una fuente importante de ruido.
Hay varias fuentes de ruido en el motor, el sistema de escape, el sistema de
admisión, el ventilador utilizado en el sistema de enfriamiento y otros.
El ruido puede ser generado por efectos aerodinámicos, por fuerzas que resultan
de los procesos de combustión o por excitación mecánica de componentes
rotativos o reciprocantes. La legislación sobre niveles de ruido en vehículos para
la conservación del medio ambiente se introdujo a comienzos de los 70s.
Durante los años 70s, el precio del petróleo se elevó rápidamente a varias veces,
esto preocupó demasiado la disponibilidad del petróleo a largo plazo.

Se

produjeron presiones para el mejoramiento de la eficiencia de los motores de
combustión interna.
No obstante las exigencias del control de emisiones han dificultado el
mejoramiento en la disminución del consumo de combustibles, esto impacta
directamente en la eficiencia del motor al disminuir las relaciones de compresión
en los motores de encendido por chispa. Actualmente está en proceso de


desarrollo las nuevas tecnologías en los combustibles que difieren de los
tradicionales (la gasolina y el Diesel), se presta especial atención a los
combustibles no derivados del petróleo, gas natural, metanos y etanos, mientras
que la gasolina sintética y el Diesel hecho de esquisto o Carbón y el hidrógeno
pueden ser posibilidades en el futuro.
Podría pensarse que después de más de un siglo de desarrollo el motor de
combustión interna ha alcanzado su máximo grado de optimización y rendimiento,
pero no es así.

Los motores continúan mostrando mejoras importantes en la

eficiencia, la potencia y la calidad de control de las emisiones nocivas.

Los

nuevos materiales ofrecen la posibilidad de reducir el peso, costo y las pérdidas de
calor, así como la fabricación de sistemas diferentes y más eficientes en los
motores.
El primer vehículo con motor híbrido que apareció en el mercado fue el Prius de
Toyota en 1997, y fue el único en combinar ambos sistemas para maximizar sus
ventajas. La finalidad de la aplicación de los motores híbridos en los automóviles
es reducir al mínimo el nivel de emisiones contaminantes y el consumo de
combustible.
Sin embargo, el ingeniero alemán Porche (1901), fue el pionero en la introducción
en la sociedad del coche híbrido. Su primer prototipo fue el Lohner-Porsche y
estaba propulsado por un motor de gasolina – de la marca Daimler – y dos
motores eléctricos montados en los bujes de las ruedas.
Los motores estaban alimentados por un paquete de baterías, que a su vez eran
cargadas por un generador de corriente movido por el propio motor de gasolina.
Las características básicas del diseño de estos automóviles con propulsores
híbridos son: la incorporación de motores de baja cilindrada y una carrocería


construida en materiales ligeros con una aerodinámica optimizada para minimizar
la resistencia del viento, y compensar así el peso de las baterías.
Figura 7. Motor Toyota Prius de 1500 cc, 58 cv de potencia con un motor eléctrico
de 40 cv.

Fuente: http://tinyurl.com/3e4bky2.
En el caso de híbridos gasolina-eléctricos (fig. 7), cuando el motor de combustión
interna funciona, lo hace con su máxima eficiencia. Si se genera más energía de la
necesaria, el motor eléctrico se usa como generador y carga las baterías del
sistema. En otras situaciones, sólo el motor eléctrico funciona al alimentarse de la
energía guardada en la batería. Todos los coches eléctricos utilizan baterías
cargadas por una fuente externa, lo que les ocasiona problemas de autonomía de
funcionamiento sin recargarlas. Este inconveniente habitual se evita con los
coches híbridos.
Entre las ventajas que tienen estos automóviles con motor híbrido se encuentran:
Menor emisión de contaminantes acústica y atmosférica que un motor
convencional, mayor autonomía que un eléctrico simple, en recorridos cortos no se
utiliza el motor convencional, por lo que éste no trabaja en frío y mejora su
envejecimiento.


Respecto de las desventajas, un coche híbrido tiene mayor peso que un coche
convencional (hay que sumar el motor eléctrico y las baterías), También tiene más
complejidad y más posibilidad de desperfectos y alto costo.
Aunque todavía no es un hecho muy concreto sí es cierto que los coches que
mezclan la propulsión eléctrica con motores a gasolina están ganando terreno. Lo
que está claro es que los avances tienden a una propulsión que reduzca de forma
notoria los contaminantes y aumente la autonomía.
La microtecnología es un área de investigación en creciente expansión, que surge
a partir de la miniaturización de los componentes electrónicos, algunas de estas
técnicas se usan para construir motores microtecnológicos (fig. 8).
Figura 8. Micromotores

Fuente: http://tinyurl.com/5r4ygp9.
Un grupo de investigadores europeos, han desarrollado un motor de combustión
en miniatura, que es mucho más eficiente que las baterías clásicas.La idea original
fue propuesta por Alan Epstein y Stephen Senturia del Instituto de Massachusetts
(MIT) en el año 1990 y ahora han retomado dicho proyecto.
El objetivo es producir un micromotor de combustible con un tamaño de
5x15x3mm (tamaño aprox.), que podría generar 11.2w de potencia con una
velocidad de 50.000 rpm.


Sin embargo el proyecto no está exento de problemas. Uno de ellos es la baja
tolerancia que tiene el silicio a las altas temperaturas que provoca la combustión.
Una de las soluciones propuestas es desarrollar los componentes con materiales
cerámicos, salvando así el gran limitante de la temperatura. En la fig. 9, se
observa las pequeñas dimensiones de una rueda dentada para un micromotor.
Figura 9. Dimensiones de las ruedas dentadas de un micromotor

Fuente: http://tinyurl.com/6k2dutj
La utilidad de estos micromotores es enorme, ya que su tecnología podría
aplicarse a dispositivos médicos, militares, ordenadores portátiles, teléfonos
móviles y mucho más. En la fig. 9 se observa una rueda dentada de un micromotor
que tiene unas dimensiones menores a 0.3 mm.
La innovación y desarrollo tecnológico seguirá para los motores de combustión
interna hasta el día en el cual el hombre se ingenie una máquina más sencilla y
versátil como lo son los motores alternativos en la industria.


1.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MÁQUINAS TÉRMICAS ALTERNATIVAS.

Las Máquinas Térmicas Alternativas se dividen en:



Compresores alternativos: Son máquinas de desplazamiento positivo en
las cuales sucesivas cantidades de gas quedan atrapadas dentro de un
espacio cerrado y, mediante un pistón, se eleva su presión sin que existan
algún tipo de ignición del gas.



Motores alternativos: Son máquinas térmicas en los que los gases
resultantes de un proceso de combustión empujan un émbolo, pistón o
rotor, desplazándolo en el interior de un cilindro y haciendo girar un
cigüeñal, obteniendo finalmente un movimiento de rotación.

Hay diferentes tipos de motores de combustión interna que pueden ser
clasificados de acuerdo a los siguientes criterios:
1. Según la aplicación, en motores de automóvil, camiones, locomotoras,
aviones, marinos, sistemas de generación de potencia portátiles y
generación de energía eléctrica.
2. Según el diseño básico del motor, en motores reciprocantes y rotativos.
Los motores reciprocantes (fig. 10), obtienen la energía mecánica
mediante un mecanismo alternativo, compuesto por un embolo o pistón,
que se mueve linealmente (alternativamente) en el interior de un cilindro, y
un sistema de biela-manivela que transforma este movimiento en un giro de
un eje denominado cigüeñal.


Figura 10. Motor reciprocante refrigerado

Figura11. Motor rotativo

por aire

Wankel

Fuente: http://tinyurl.com/6kc8usf.

Fuente: http://tinyurl.com/6epmwnt

Los motores rotativos (fig. 11) obtienen la energía mecánica mediante un
mecanismo de movimiento angular, compuesto por un rotor, que

gira

libremente sobre una excéntrica generando y transmitiendo el movimiento
directamente al eje de salida.

Por su simplicidad posee menos partes

móviles que el motor alternativo.
3. Según el ciclo de trabajo, en ciclo de cuatro tiempos, de aspiración natural,
sobrealimentado y turbocargado; en ciclo de dos tiempos, con barrido por el
cárter, sobrealimentado, supercargado y turbocargado.

4. Según diseño y localización de las válvulas o las lumbreras, válvulas sobre
la culata (fig. 12b), válvulas en el bloque (fig. 12a), válvulas rotativas,
lumbreras de barrido cruzado (lumbreras de admisión y escape ubicadas en
lados opuestos del cilindro en uno de sus extremos), lumbreras de barrido
en bucle (lumbreras de admisión ubicadas en un mismo lado del cilindro y


en uno de sus extremos), barrido uniflujo (válvulas o lumbreras de admisión
y escape ubicadas en diferentes extremos del cilindro).

Figura 12. Disposición de las válvulas: a) sobre el bloque, b) sobre la culata.

a)
Fuente: http://tinyurl.com/3byb3m4

b)
Fuente: http://tinyurl.com/3avv7t8

5. Según el combustible utilizado, en motores de gasolina, Diesel, gas natural,
GLP (Gas de Petróleo Licuado), alcohol (metanol, etanol), hidrógeno y
otros.
6. Según el método de ignición, en motores de ignición por chispa (MICH),
motores de ignición por compresión (MIC) (en Diesel convencionales así
como la ignición en motores a gas mediante la inyección piloto de aceite
combustible).
Los MOTORES DE IGNICIÓN POR CHISPA (MICH), llamados también
motores Otto, son máquinas que requieren de un agente externo (chispa)
para producir el encendido del combustible en la cámara de combustión
(Figura 13).


Figura 13. Motor a Gasolina Dodge Magnum, 5.7 l, V-8. (Daimler Chrysler)

Fuente: http://tinyurl.com/3t7zwjb

Los MOTORES DE IGNICIÓN POR COMPRESIÓN (MIC) o motores
Diesel. Son motores que utilizan el aumento de temperatura en el
combustible logrando el autoencendido del mismo al inyectarse a presión
en un volumen de aire comprimido, (Figura 14).
Figura 14. Motor Diesel Jeep Grand Cherokee 2003, 3.7 l. Direct injection.

Fuente: http://tinyurl.com/42fxbmy.


Las turbinas a gas son también por definición motores de combustión
interna.

Sin embargo convencionalmente el término se usa sólo para los

motores que se encienden por chispa (MICH) y por compresión (MIC).

7. Según el método de preparación de la mezcla, en motores de carburador
(fig. 15a), de inyección de combustible en las lumbreras de admisión o en el
múltiple de admisión, de inyección de combustible dentro de los cilindros
(fig. 15b).
Figura 15. Diferentes mecanismos de mezcla: a) Carburador, b) Inyección.

a)
Fuente: http://tinyurl.com/3u6alwh

b)
Fuente: http://tinyurl.com/3couwxz.

8. Según el diseño de la cámara de combustión, cámara cerradas (en forma
cilíndricas (fig. 16a y 16b), de cuña (fig. 16c), hemisférica (fig. 16d), dividida
de pistón cóncavo (fig.17), (pequeñas y grandes cámaras auxiliares por
ejemplo, cámaras de turbulencia, precámaras de combustión).


Figura 16. Cámaras de combustión cerrada a) cilíndrica, b) y c) en cuña, d)
hemisférica.

a)

b)

c)

d)

Fuente: http://tinyurl.com/3vx69oe

Figura 17. Cámara abierta (Pistón cóncavo).1

9. Según el método de control de carga, en MCI de estrangulamiento de
mezcla de aire y combustible sin que ésta varíe, control o estrangulamiento
del flujo de combustible únicamente, en sistemas de estrangulamiento
mixtos.

1

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10. Según el método de enfriamiento, enfriado por agua, enfriado por aire, sin
enfriamiento (solamente por convección natural y radiación).
11. Según el tipo de servicio, para vehículos de carretera, de aplicación
ferrovial, aviación, uso domestico, estacionario, marino, entre otros. Veasé
la tabla 1.52

Tabla 1.5 Clasificación de los motores reciprocantes según tipo de servicio.

ECH: Encendido por chispa; EC: Encendido por compresión.

1.3 CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ALTERNATIVOS

El objetivo de los motores de combustión interna es la de convertir una energía
química contenida en el combustible como gasóleo o gasolina, gas o electricidad,
2

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a una energía mecánica que suele ser el movimiento rotatorio de un árbol o un
eje. En los motores de combustión interna a diferencia de los motores de
combustión externa, dicha energía se libera mediante la combustión del
combustible dentro del motor. La mezcla de aire y combustible que se introduce al
cilindro antes de la combustión y los residuos de la combustión quemados son los
fluidos de trabajo reales. La combustión efectiva se produce en la interacción
directa entre estos fluidos de trabajo y los componentes mecánicos del motor. Los
motores de combustión interna se pueden clasificar:

1.3.1

SEGÚN EL CICLO DE OPERACIÓN.

La mayoría de los motores de combustión interna en la industria son máquinas
reciprocantes, los cuales contiene un pistón que realiza un movimiento lineal
dentro de un cilindro transmitiendo la energía por medio de un mecanismo biela –
manivela al eje de salida.
La rotación de la manivela es producida por un movimiento cíclico en el pistón, tal
como se observa en la figura 18. El pistón llega al punto muerto superior (PMS) y
al punto muerto inferior (PMI) cuando la manivela se encuentra en el punto mínimo
y máximo respectivamente de la carrera.
El volumen barrido por el pistón o la diferencia entre el volumen máximo o total
(Vd) y el volumen muerto (Vc). La relación entre el volumen máximo y el volumen
mínimo es la relación de compresión (Rc), valores típicos para la relación de
compresión están entre 8 y 12 para motores de encendido por chispa, y entre 12 y
24 para MIC.


Figura 18. Geometría básica de un motor reciprocante de combustión interna. 3

MOTORES DE CUATRO TIEMPOS.
La mayoría de los motores reciprocantes operan en lo que se conoce como el ciclo
de cuatro tiempos, cada cilindro requiere cuatro carreras de su pistón, dos
revoluciones del cigüeñal para completar la secuencia de eventos que producen
una carrera de potencia. Tanto motores de encendido por chispa como de
encendido por compresión usan este ciclo el cual consta de:
Una carrera de admisión (fig. 19a), la cual comienza desde el PMS
descendiendo, el pistón dentro del cilindro inicia su descenso por la acción de la
3

Adaptado de: Seminario virtual: Motores Diesel, manual de mantenimiento y reparación, Diseli editores
2009?


inercia completa del motor, (los otros pistones, el cigüeñal, el volante de inercia y
el sistema que se esté impulsando con el motor). La válvula de admisión está
completamente abierta y permite el llenado del cilindro con la mezcla aire
combustible (MICH) o aire (MIC) sin estrangular, ni mezclar. La válvula de escape
se encuentra cerrada. Hacia el final de la carrera de admisión la válvula de
admisión se cierra y finaliza el llenado del cilindro.
Una carrera de compresión (fig. 19b), que comienza desde el PMI. Las válvulas
de admisión y escape están completamente cerradas y el pistón comienza su
ascenso por acción de la inercia nombrada anteriormente, la mezcla dentro del
cilindro se comprime a una pequeña fracción de su volumen inicial. Para motores
Diesel el aire es comprimido entre 14 y 24 veces, según el diseño del motor,
generando unas temperaturas superiores a 900 ⁰C.
Figura 19. Ciclos de operación de cuatro tiempos a) Admisión; b) Compresión. 4

a)

b)

Unos instantes antes de finalizar el ascenso del pistón, se produce la inyección del
combustible a través del inyector. La razón por la cual se aplica dicha técnica
4

Adaptado de: Seminario virtual: Motores Diesel, manual de mantenimiento y reparación, Diseli editores
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antes de llegar el pistón al PMS radica en el tiempo que requiere el combustible
para inflamarse y liberar el máximo de su energía. La presión de inyección varía
mucho según los diseños del fabricante, sin embargo oscila entre los 350 a 2000
Bar de presión. Ésta presión es necesaria para que el combustible ingrese a la
cámara, se pulverice y se disperse. Para un MICH el frente de llama es producido
por una chispa eléctrica que se logra por medio de dos electrodos ubicados
frontalmente a pocos milímetros entre sí que permiten el salto de una chispa
eléctrica. Para motores a compresión el combustible se auto enciende a una
temperatura y presión característica.

Figura 20. Ciclos de operación de cuatro tiempos c) Potencia; d) Escape. 5

c)

d)

Una carrera de potencia o carrera de expansión (fig. 20c), la cual empieza con el
pistón en PMS) descendiendo hasta el PMI a causa de los gases a alta presión y
temperatura quienes empujan el pistón hacia abajo y fuerzan la manivela a rotar,
el trabajo obtenido durante la carrera de potencia es cerca de 5 veces mayor que
el realizado por el pistón durante la carrera de compresión. Cuando el pistón se
acerca al PMI, la válvula de escape se abre e inicia el proceso de escape.
5

Seminario virtual: Motores Diesel, manual de mantenimiento y reparación, Diseli editores 2009?


Una carrera de escape (fig. 20d), donde los gases producidos durante la
combustión salen del cilindro, primero porque la presión en el cilindro es
sustancialmente mayor que la presión en el escape, y porque son barridos por el
pistón cuando éste se mueve hacia el PMS. Cuando el pistón se acerca al PMS, la
válvula de admisión abre y es sólo hasta después de pasar por PMS que la válvula
de escape cierra e inicia el ciclo otra vez. Para obtener una mayor salida de
potencia a partir de un tamaño dado de motor, así como un diseño más sencillo de
válvulas, se desarrolló el ciclo de dos tiempos, el cual es aplicable tanto en
motores de encendido por chispa como en motores de encendido por compresión.
Por cada ciclo completo el cigüeñal recibe el impulso del pistón únicamente por
espacio de media vuelta; en las siguiente tres medias vueltas el pistón absorbe
trabajo. La energía para llevar a cabo estas carreras (escape, admisión y
compresión), es suministrada por el volante, cuya elevada masa le permite
almacenar durante la fase de explosión la energía necesaria para realizar este
trabajo

MOTORES DE DOS TIEMPOS.

Los motores de dos tiempos se diferencias de los de cuatro tiempos por la
admisión y escape de los gases no tiene válvulas. En lugar de ellas hay tres
agujeros que se llaman lumbreras o ventanas –las lumbreras de escape, de carga
y de admisión- y que están construidos en la superficie del cilindro. Las lumbreras
cierran o abren por medio del mismo pistón cuando éste se mueve hacia arriba y
hacia abajo.
El motor de dos tiempos debe completar la admisión, la combustión y el escape en
un movimiento completo del pistón hacia arriba y hacia abajo.


La carrera de potencia (fig. 21a), comienza cuando el pistón se eleva del punto
muerto inferior (PMI), con lo que se descubre la lumbrera de admisión y se
introduce una carga de combustible en la carcasa o cárter hermético. Al continuar
ascendiendo el pistón, cierra la lumbrera de escape y también la de carga, al
tiempo que completa la compresión de la mezcla de combustible y aire en la
cámara de combustión.
Figura 21. Ciclo dos tiempos en un motor a gasolina: a) Potencia o expansión, b)
Compresión

a)

b)

Fuente: http://tinyurl.com/3p97rb5.
La carrera de compresión (fig. 21b), comienza Inmediatamente antes del punto
muerto superior (PMS), se enciende la mezcla, y el pistón desciende impulsado
hacia abajo. Al descender, descubre la lumbrera de escape y permite que los
gases quemados salgan. Al mismo tiempo la parte inferior del pistón actúa como
una bomba e impulsa la mezcla de combustible y aire que se encuentra en el


cárter hacia la lumbrera de carga, por la que pasa, y llega a la cámara de
combustión preparada para entrar en ignición.
El ciclo de dos tiempos se desarrolla para una vuelta o revolución del cigüeñal, sin
embargo es difícil llenar el volumen desplazado con mezcla fresca pues una parte
de ella fluye directamente a la atmósfera durante el proceso de barrido.
En los motores de dos tiempos modernos, la lumbrera de carga suele tener la
forma adecuada para dirigir el vapor combustible hacia la parte más alta del
cilindro, bien separada de la lumbrera de escape. Con estas precauciones, es
inevitable, sin embargo, que haya alguna mezcla de gases quemados y sin
quemar. Esta es la razón por la que el motor de dos tiempos produce más
contaminación atmosférica que su equivalente de cuatro tiempos.
Como cada pistón del motor de dos tiempos produce un tiempo de explosión por
cada revolución del cigüeñal, el motor de dos tiempos debería tener teóricamente
el doble de potencia que el motor de cuatro tiempos con cilindros de las mismas
dimensiones, pero en la práctica rara vez tiene más potencia que una y media
veces.
Hay varias razones que justifican dicho comportamiento. Una de ellas es que las
lumbreras de admisión y de carga son aperturas inalterables cuya banda de
eficacia operativa es relativamente pequeña. Si esas lumbreras están diseñadas
para utilizar una gran cantidad de combustible, el motor tenderá a funcionar bien
solamente a altas revoluciones. Si, por el contrario, las lumbreras están diseñadas
para dar paso a pequeñas cantidades de combustible, el motor funcionará bien
únicamente a régimen reducido, pero mal a velocidad elevada.
Por el contrario, en el motor de cuatro tiempos las operaciones de ciclo completo
admisión, compresión, combustión y escape, están exactamente ordenadas con
independencia de unas respecto a las otras, y de la misma forma se gradúa cada
una por separado para conseguir en cada caso el máximo de rendimiento posible.


En el motor de dos tiempos no hay posibilidad de conseguir el cruzado de
válvulas, puesto que no las tiene, y es el pistón, de dimensiones invariables, quien
realiza todas las operaciones de apertura y cierre en una sucesión que no tiene la
mínima posibilidad de alteración.
Una segunda razón para que el motor de dos tiempos no tenga la eficacia que se
podía haber esperado es que, como el pistón se mueve al doble de velocidad de lo
que se necesita en un motor de cuatro tiempos de un número de revoluciones por
minuto semejante, está sometido a un calentamiento mayor; pero su papel extra
de abridor y cerrador de lumbreras exige que se lo fabrique y mantenga para
tolerancias más estrechas.
Por esta razón es inevitable un desgaste superior al del motor de cuatro tiempos,
lo que afecta también de manera inevitable su rendimiento.

1.3.2

CICLOS TERMODINÁMICOS.

Los ciclos termodinámicos indican la equivalencia teórica sobre los ciclos de
operación real en los motores alternativos.

Los ciclos termodinámicos que

permiten el análisis de los Motores alternativos son:


Ciclo Otto: ciclo de motores de ignición por chispa. En la figura 22, se
observa los diferentes ciclos de operación para un motor de cuatro
tiempos. Para una mejor comprensión véase:
http://www.youtube.com/watch?v=u7geC32XZrY


Figura 22. Ciclo termodinámico Otto.

Fuente: http://tinyurl.com/3cb94d3. Editada por el autor.

0 - 1 Admisión

3 – 4 Potencia

1 – 2 Compresión

4 – 1 Apertura de la válvula de escape

2 – 3 Chispa

1 – 0 Escape



Ciclo Diesel: Ciclo de motores de ignición por compresión en el que se
omite

las fases de renovación de carga y asume que el fluido

termodinámico que trabaja es un gas perfecto. En la figura 23, se observa
los diferentes ciclos de operación para un motor de cuatro tiempos. Para
una mejor comprensión véase:
http://www.youtube.com/watch?v=ci6QP33yCp4


Figura 23. Ciclo termodinámico Diesel.

Fuente: http://tinyurl.com/3lkdkes. Editada por el autor.

0 - 1 Admisión.

3 – 4 Potencia

1 – 2 Compresión.

4 – 1 Apertura de la válvula de escape

2 – 3 Detonación.

1 – 0 Escape



Ciclo Atkinson: Ciclo de motores rotativos; fue diseñado para ofrecer
mayor eficiencia (relación de compresión) a expensas de la potencia, se
aplica en algunas aplicaciones hibridas modernas, (fig. 24).

Este tipo de máquina tiene una fase de potencia por revolución, junto con los
diferentes volúmenes de compresión y de expansión. La relación de compresión
real comienza cuando las válvulas están cerradas, y lo que ocurre en este motor
es que el pistón empieza la carrera de compresión con las válvulas de admisión
abiertas. Los gases de escape se expelen de la máquina por aire comprimido.
Permite el uso alternativo de combustibles diesel e hidrogeno. Para una mejor
comprensión véase:


http://www.youtube.com/watch?v=uhtMEvfZkdM

Figura 24. Ciclo termodinámico Atkinson.

Fuente: http://tinyurl.com/3tgysaw. Editada por el autor.

1.4 ORDEN DE ENCENDIDO DE LOS MOTORES ALTERNATIVOS.
En los motores con varios cilindros, para hacer uniforme el par motor las carreras
de trabajo han de sucederse con intervalos regulares, para ello es necesario que
entre cada dos carreras de trabajo el cigüeñal gire un ángulo de:

Siendo:
t: Número de tiempos.
n: número de cilindros.


Esto, junto a la disposición de las manivelas a la que obliga el equilibrado del
cigüeñal obliga a considerar un orden lógico de encendido o de inyección del
combustible.
En el caso de un motor de cuatro tiempos con dos cilindros horizontales el desfase
entre los encendidos debe ser de θ= (180 * 4) / 2 = 360⁰, y el cigüeñal debe tener
una conformación como la que se presenta en la figura 25:
Figura 25. Cigüeñal de motor de dos cilindros.

Fuente: http://tinyurl.com/3ok4xjh.

El orden lógico de encendido se obtiene de la siguiente tabla, en la que para cada
cilindro se presentan las diferentes carreras del ciclo:
Tabla 1.6 Orden de encendido (cuatro tiempos).

De la observación de la tabla anterior se desprende que el orden de encendido
tiene que ser: 1 – 2.


En el caso de motores de cuatro tiempos con cuatro cilindros en línea (fig. 26), son
los más utilizados actualmente, las muñequillas del cigüeñal deben estar
dispuestas en un ángulo dado por: θ= (180 * 4) / 4 = 180⁰, y las condiciones de
equilibrio obligan a la conformación del cigüeñal que se presenta en la siguiente
figura:
Figura 26. Cigüeñal de motor de cuatro cilindros

El orden lógico de encendido se obtiene de las siguientes tablas, en las que, para
cada cilindro, se presentan las diferentes carreras del ciclo:

Tabla 1.7 Encendido del motor de cuatro cilindros en línea.


Los posibles órdenes de encendido son: 1 –3 – 4 – 2; 1 –2 – 4 – 3.
En los motores de cuatro tiempos con seis cilindros en línea (fig. 27), el cigüeñal
debe llevar sus muñequillas dispuestas a θ= (180 * 4) / 6 = 120⁰, y las condiciones
de equilibrio obligan a su conformación como se presenta en la siguiente figura:
Figura 27. Cigüeñal de motor de cuatro cilindros

Construyendo tablas como las presentadas anteriormente, el orden lógico de
encendido en este tipo de motores puede ser:
1–5 – 3 – 6 –2 – 4; 1 –3 – 5 – 6 –4 – 2.
De igual manera se llega a demostrar que uno de los posibles órdenes de
encendido de los motores de cuatro tiempos y ocho cilindros en línea es:
1− 6 − 2 − 5 − 8 − 3 − 7 − 4
y que el de un motor de cuatro tiempos con seis cilindros en V puede ser:
1 − 3 − 6 − 5 − 4 − 2.


1.5 PRINCIPALES COMPONENTES DEL MOTOR.
Figura 28. Principales componentes del motor.

Fuente: http://tinyurl.com/6egkx3s


Un motor está constituido por un cilindro, en cuyo interior se desliza un pistón. La
parte superior del cilindro está cerrada por la culata, pieza que contiene la bujía
(MICH) o el inyector (MIC), las válvulas de admisión y escape. En la figura 28, se
observa un despiece del motor con sus principales partes.

El pistón va unido, por medio de la biela al cigüeñal el cual permite transformar el
movimiento alternativo en movimiento rotativo. La mezcla (aire – gasolina o
gasóleo), que constituye el combustible del motor, es introducida al cilindro a
través de la válvula de admisión, mientras los gases expulsados salen por la
válvula de escape.
La apertura y cierre de ambas válvulas dependen del sistema de distribución,
compuesto por el eje excéntrico o árbol de levas, los empujadores o tanques, las
varillas los balancines y los muelles de las propias válvulas. El árbol de levas está
conectado al cigüeñal mediante

el sistema de distribución (piñones, cadena

dentada) de distribución y gira con relación de 1:2 respecto al cigüeñal, es decir
por cada dos vueltas de cigüeñal el árbol de levas da una. Las características
constructivas del sistema de distribución varían para cada motor según el
fabricante.

El BLOQUE (fig. 29), es el elemento constitutivo del motor más voluminoso y
pesado. Su función es dar soporte a todo el conjunto móvil de piezas dentro del
motor. Soporta las camisas de los cilindros y contiene los conductos que permiten
la circulación del agua de enfriamiento alrededor de las camisas. Sin embargo,
algunos bloques tienen conductos integrales para su enfriamiento y para la
circulación del aceite lubricante y del aire (en los motores 2 tiempos).
Para comprender el proceso de fabricación del bloque véase:
http://www.youtube.com/watch?v=4V9-ZeQIFFg


Figura 29. Bloque para motores a) 6V y b) 4 en línea de cuatro tiempos.

a)

Fuente: http://tinyurl.com/3qf5tmb

b)

Fuente: http://tinyurl.com/62awxq3

El CILINDRO es el hueco por el que el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo
(fig. 30). En la mayor parte de los casos, el bloque del cilindro se hace de hierro
fundido, que es relativamente barato, se puede trabajar fácilmente y tiene gran
fortaleza mecánica. Sus inconvenientes son que es pesado y bastante quebradizo.
También se pueden fabricar cilindros de aleación ligera
El aluminio, por ejemplo, es menos pesado y quebradizo, y dispersa mejor el calor,
pero es mucho más blando y necesita que las paredes de los cilindros tengan
forros o camisas de acero y además resulta más caro. Los bloques de hierro
fundido suelen tener sus cilindros directamente vaciados como parte del propio
bloque, pero también se utilizan en ellos camisas de acero.


Figura 30. Camisas, pistón, anillos y bulón.

Fuente: http://tinyurl.com/6hgbvy5.
Los PISTONES están hechos de Aluminio en los motores pequeños y de Acero
fundido en motores grandes de baja velocidad. Ambos pistones sellan el cilindro y
Figura 31. Despiece del pistón.1

1

Extraída de A-PUNTO, Fichero practico del automóvil, editorial SARPE, 1982.


transmiten la presión generada por los gases productos de la combustión al codo
del cigüeñal por medio de la biela. En la figura 31, se observa los elementos que
componen el conjunto biela – pistón.
El BULÓN del pistón es usualmente hueco para reducir su peso, es el elemento
de unión entre la biela y el pistón (fig. 31). El movimiento oscilatorio de la biela
produce una fuerza oscilatoria en la falda del pistón (la región debajo de los anillos
del pistón). El pistón está ajustado con anillos los cuales se ubican en unas
ranuras en la cabeza del pistón para evitar fugas de gas y hacer control del flujo
de aceite.
La biela, que usualmente de de Acero o aleación forzada, está unida al pistón por
medio de un bulón de Acero a través del pie de biela. La combustión depende de
la geometría de la cabeza del pistón como se muestra en la figura 32.
Para comprender el proceso de fabricación del bloque véase:
http://www.youtube.com/watch?v=4V9-ZeQIFFg

Figura 32. Pistones de diferentes configuraciones.

Fuente: http://tinyurl.com/3ceuwo4.


Figura 33. Biela. (a) Acero Forjado, (b) Aluminio.

a)

b)

Fuente: http://tinyurl.com/6b8skoe.
Las BIELAS se encargan

de convertir el movimiento rectilíneo del pistón en

movimiento rotatorio al centro del cigüeñal por medio de los muñones de biela.
Están fabricadas en aleaciones muy resistentes debido a que reciben gran presión
por el empuje del pistón, también se fabrican de acero forjado (fig. 33a),
aleaciones o aluminio (fig. 33b), en motores pequeños. La figura 34 indica un
despiece total del conjunto cilindro – pistón – anillos – bulón y biela.
Figura 34. Despiece conjunto biela – pistón.2

2

HEYWOOD, John B. Internal combustion engine fundamentals, Mc Graw Hill1988.


El CIGÜEÑAL está constituido por un eje con semiejes excéntricos, sobre los que
se apoyan las bielas (fig.35), está enlazado a los conjuntos de pistones y a la
transmisión, convierte el movimiento vertical de los pistones en movimiento
giratorio, que se puede transmitir a las ruedas por diversos procedimientos.
Además de transmitir ese movimiento, el cigüeñal cumple otras varias funciones;
entre éstas se hayan hacer girar el árbol de levas, la polea del ventilador y el
engranaje del volante que enlaza con el motor de arranque.

Figura 35. Despiece de un cigüeñal.3

3



El cigüeñal internamente tiene canales para lubricar los casquetes de la biela y
bancada. El cigüeñal tiene un conjunto de paletas que se emplea para “salpicar” el
aceite del cárter y balancear el eje para que no vibre mientras está girando.
Se fabrican por lo general en Hierro forjado aunque existen de fundición modular
aceptados normalmente en motores de automóvil. Mientras que los propios
cigüeñales se hacen de aleaciones de acero duras, usualmente acero al níquelcromo-molibdeno, y los gorrones de los codos están especialmente endurecidos,
los cojinetes se hacen de un metal más blando. Esto quiere decir que la parte más
barata y más fácil de sustituir se desgasta antes.

Las VÁLVULAS mostradas en la son usadas normalmente en los motores de
cuatro tiempos. Las válvulas (fig. 36), son de Acero aleado forjado; el enfriamiento
de la válvula de escape que operar cerca de los 700°C puede ser implementada
pero usando un eje de válvula hueco parcialmente inyectado con Sodio que a
través de la evaporación y condensación lleva calor de la cabeza de la válvula a la
base refrigerada. Los motores modernos de encendido por chispa tienen
localizadas las válvulas en la parte superior del conjunto (a veces llamadas
válvulas en cabeza o configuración de cabeza).

El vástago de la válvula se desliza sobre una guía de fundición, que suaviza el
rozamiento y atenúa el desgaste debido al funcionamiento de la válvula (fig. 36).
Dicha guía se monta a presión en la culata. La holgura entre la cola de la válvula y
su guía debe ser el adecuado a fin de impedir que pase aceite a la cámara de
combustión a través de ambos. En algunas ocasiones se dispone un retén en
forma de anillo de caucho, emplazado en la guía de la válvula. El muelle descansa
en la culata sobre el platillo y por su extremo opuesto apoya en este, que a su vez
aloja a las chavetas, que forman el sistema de fijación de la cola de la válvula.


Figura 36. Válvulas y sus empaques.

Fuente: http://tinyurl.com/62ya3qv

Los asientos de válvula se fabrican en la actualidad de aleaciones especiales de
acero, capaces de soportar las elevadas temperaturas a que estarán sometidos.
En algunas ocasiones se recubre de estelita (aleación de cobalto, tungsteno y
cromo) la superficie de apoyo con la válvula. Las válvulas se abren desplazándose
hacia el interior de la cámara de combustión, con lo que se favorece la
estanqueidad, dado que la presión de los gases tiende a cerrarlas. La forma de la
cabeza de la válvula y su acoplamiento al asiento se realizan de manera que, en
consonancia con la alzada, se permita una gran sección de paso al gas y una
orientación adecuada que frene lo menos posible su velocidad. Esta es la razón
por la que el asiento forma generalmente un ángulo de 45° con el plano de la
cabeza de la válvula. La unión de ésta al vástago se redondea siguiendo la forma
más idónea para el recorrido del gas. Con el mismo objeto se adapta el colector a
la cámara de combustión con la inclinación más propicia.


Figura 37. Configuración de las válvulas.4

Un EJE DE LEVAS (fig. 38), se fabrica de Acero fundido o Acero forjado con una
leva por válvula es usado para abrirlas y cerrarlas. Las superficies de las válvulas
están endurecidas para obtener una vida útil adecuada. En los motores de cuatro
tiempos, los ejes de levas giran a la mitad de velocidad que el cigüeñal.
Figura 38. Árbol de levas y sistema de distribución árbol – válvulas.

Fuente: http://tinyurl.com/3gpfc53
4

Fuente: http://tinyurl.com/6chtyzs

HEYWOOD, John B. Internal combustion engine fundamentals, Mc Graw Hill1988.


Los árboles de levas tienen diferentes disposiciones en el motor, los más usados
en motores es el montaje sobre la culata (Over Head Valves) (fig. 39 b), doble
árbol de levas (fig. 39 a), para mayores requerimientos de potencia en motores de
cilindros en V; también existen árbol de levas sobre el bloque en motores de gran
tamaño y de inercias considerables, ubicadas de esta manera para disminuir el
impacto del peso del árbol sobre los elementos del mecanismo biela – pistón y
lograr un mejor aprovechamiento de la transmisión con el cigüeñal.

Figura 39. Disposición del Árbol de levas: a) DOHV (Double Over Head Valves) b)
OHV (Over Head Valves).

a)
Fuente: http://tinyurl.com/67rdjfo

b)
Fuente: http://tinyurl.com/3uuz9un.

La CULATA (Fig.40), tapa los cilindros y está hecha de hierro fundido o aluminio.
Esta debe ser fuerte y rígida, para distribuir las fuerzas que los gases ejercen
sobre ella, a través del bloque del motor, lo más uniformemente posible y de alta
conductividad térmica logrando que el calor de la combustión sea evacuado al
exterior, evitándose la formación de puntos calientes que pueden ocasionar la
detonación. La culata contiene la bujía en los motores de encendido por chispa o


el inyector de combustible en los motores de encendido por compresión, y parte
del mecanismo de válvulas en los motores con válvulas en la culata.
Figura 40. Culata o cabeza de cilindros.

Fuente: http://tinyurl.com/6cxha9p
La culata se manufactura con sistemas evacuadores de calor alrededor de las
cámaras de combustión para producir el debido enfriamiento ya sea ductos para
agua o aletas de refrigeración dentro de una corriente de aire fresco para la
transferencia térmica.
El CÁRTER (Fig.41), es el elemento que cierra al bloque por la parte inferior, su
forma cóncava actúa aporta la capacidad de funcionar como depósito para el
aceite del motor. Con el objeto de evitar el oleaje del aceite, que suelen disponer
en el cárter de chapas que frenan el desplazamiento del mismo, especialmente en
el sentido de la marcha.
Normalmente el cárter se fabrica por estampación a partir de chapa de acero, 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.
Figura 41. Cárter con aletas para motores VAG 1.8T 20VT

Fuente: http://tinyurl.com/3naokzd

1.6

SISTEMAS AUXILIARES DE LOS MOTORES ALTERNATIVOS

Para su funcionamiento el motor debe controlar ciertas variables que permiten el
óptimo desarrollo de cada elemento que compone el motor.
Es necesario comprender los sistemas que permiten mantener una temperatura de
operación sobre el rango permisible, como se logra eliminar y transportar el calor
producto de la combustión en el pistón y disminuir al mínimo los desgastes por
fricción en los elementos cinemáticos del mismo. Además, el sistema de
distribución mecánica, el sistema de arranque, el mecanismo que permita la


admisión y escape del combustible y los gases productos de la combustión, los
principales componentes y actualidades.
También es de suma importancia conocer los sistemas de alimentación del
combustible, diseñados para controlar el consumo, las emisiones contaminantes y
control en las variaciones de carga del motor.

El SISTEMA DE LUBRICACIÓN a presión dosifica la circulación de aceite entre
los diferentes elementos cinemáticos, permitiendo su movimiento con facilidad y
suavidad sobre la marcha del motor.
Para reducir el rozamiento en los acoplamientos metálicos móviles se interpone
entre ambas superficies, una fina película de aceite, de tal manera, que forme una
cuña de aceite que mantenga separada e impida el contacto entre sí. También, el
aceite funciona como medio de transporte para liberar el calor producto de las
altas temperaturas generadas sobre los elementos que producen el movimiento
alternativo.
En la mayoría de los motores el aceite se encuentra alojado en el cárter, es
succionado por una bomba rotativa (fig. 42), la cual lo impulsa hacia el filtro de
aceite eliminando impurezas y luego se lanza a presión hacia los casquetes
axiales del cigüeñal, al muñón de biela, los cojinetes, apoyos, al bulón del pie de la
leva, los engranajes de transmisión; también se suministra lubricación a cada
pistón y a su cilindro correspondiente.

Esta presión debe ser la correcta para que el aceite llegue a los puntos a
engrasar, no conviene que sea excesiva, ya que aparte de ser un gasto
innecesario llegaría a producir depósitos carbonosos en los cilindros y las válvulas.
Luego el aceite usado se dirige hacia un intercambiador de calor 5 (permite
5

Se incorpora un radiador para el aceite para motores de alto cilindraje y potencia. (Diesel).


mantener la temperatura del aceite en los rangos admisibles de lubricación), se
recolecta o descarga en el cárter para repetir el ciclo (cárter húmedo).
Figura 42. Sistema de lubricación por cárter húmedo.

Fuente: http://tinyurl.com/3weuhwf.

En los sistemas de cárter seco, la mayor parte del aceite está contenida en un
depósito separado. El aceite que cae del motor al cárter vuelve a aquel depósito
por medio de una segunda bomba auxiliar, y desde él la bomba principal impulsa
al aceite por el conducto principal de lubricación del motor. Es usada en
automóviles de carreras, Ralley y aviones. En la figura 43, se presenta el sistema
de alimentación Porshe 911 GT3 por cárter.


Figura 43. Motor Porshe 911 GT3, con cárter seco.

Fuente: http://tinyurl.com/6gd6bvs
La bomba (fig. 44), recibe el movimiento del árbol de levas y, por tanto, su
velocidad de funcionamiento está de acuerdo con la velocidad de giro del motor. Si
el motor gira deprisa, también lo hará la bomba y, por tanto, enviará más aceite a
las conducciones de lubricación.
Figura 44. Bomba de rotores excéntricos. a) Despiece del rotor, b) En corte.

a)
Fuente: http://tinyurl.com/6aplvnr

b)


Si el aceite está frío, ofrecerá dificultad a pasar por las canalizaciones,
produciendo un aumento de presión en las tuberías, superior a la normal, que
traerá consigo mayor trabajo para la bomba y un aumento de deterioro de aceite.
Para mantener la presión adecuada existe la válvula limitadora o válvula de
descarga, que tiene por misión descargar las tuberías de lubricación del aceite
sobrante cuando hay un exceso de presión limitando esta presión máxima de
funcionamiento. Normalmente la válvula de alivio está incorporada en la bomba de
aceite.
El elemento filtrante del aceite es cilíndrico y está contenido en un bote metálico
atornillado al lado del bloque del motor. Una varilla y un muelle dentro del bote
fijan con firmeza el elemento filtrante a la cabeza del filtro.
Figura 45. El tipo de filtro de aceite de
flujo total suministra aceite limpio al
conducto principal. Es el filtro que se
coloca en la mayoría de los automóviles
actuales. 6

Figura 46. El filtro de derivación
(“bypass”) envía aceite limpio de vuelta
al cárter y un restrictor, evita el filtrar
parte del flujo de aceite impulsado por
la bomba.

Los filtros de aceite de flujo total (fig. 45), este tipo de filtro se acopla entre la
bomba de aceite y el conducto principal, filtrando todo el aceite que se envía al
6



motor. El elemento filtrante no debe ser tan fino como para restringir el flujo de
aceite, debido a que produciría una sobrepresión en el sistema (estado
deteriorado), por ello es necesario colocar un bypass en la carcasa del filtro, de
manera que se disponga de un circuito alternativo para el aceite de engrase.
Los filtros de desvío de aceite (fig. 46), utiliza una materia filtrante más fina que un
filtro de flujo total, pero filtra solamente una parte del aceite que envía la bomba. El
filtro se instala en un circuito de desvío, que devuelve el aceite filtrado al cárter.
Sin embargo, debido a que una parte del aceite está siendo filtrada
continuamente, éste se mantiene limpio razonablemente. También, el filtro debe
ofrecer la suficiente resistencia al flujo del aceite para mantener la presión del
sistema de lubricación.
En los motores generalmente se disponen dos filtros, uno en el suministro y otro
en la parte de alta presión del sistema de lubricación, inmediatamente después de
la bomba de aceite. Normalmente, el pequeño filtro del cárter se denomina
“colador”, ya que su paso o trama es relativamente grande para reducir al mínimo
el riesgo de estrangular el efecto de succión. El colador sólo puede atrapar las
partículas de mayor grosor y es principalmente el filtro de aceite de alta presión el
que conserva el aceite limpio.
Los sistemas de lubricación de última generación, son instalados en vehículos de
altas prestaciones y de competencia, añadiendo por ejemplo más puntos de
succión en el cárter y mediante gestión electrónica aumentar el caudal de aceite
antes de que el motor produzca una alta aceleración para que ya esté prelubricado
antes de llegar a ese régimen.
En el mercado existen algunos vehículos que incorporan una pequeña bomba
auxiliar eléctrica de aceite, la cual se activa antes de arrancar el vehículo envían
aceite a la parte superior del motor y a aquellas zonas en las que con el vehículo
parado hay deficiencia del mismo garantizando una suavidad plena en el arranque
y favoreciendo el ahorro de carga eléctrica procedente de la batería para mover el
motor de arranque.


La finalidad del SISTEMA DE ENFRIAMIENTO (fig. 47) es mantener el motor a su
temperatura de funcionamiento más eficiente a todas las velocidades y en todas
las condiciones. Durante la combustión, las temperaturas son altas y se genera
una gran cantidad de calor. Alrededor del 25% del calor se utiliza para efectuar
trabajo útil, 31% se disipa con los gases de escape y 33% se absorbe en el
sistema de enfriamiento. El resto del calor se utiliza para vencer la fricción del
motor.
Parte del calor de las cámaras de combustión lo absorben las paredes de los
cilindros, culatas de cilindros y pistones. Éstos a su vez deben ser enfriados por
algún medio a fin de que las temperaturas no se vuelvan excesivas. La
temperatura en la pared de los cilindros no debe subir por arriba de 300°C.
Figura 47. Sistema de refrigeración.

Fuente: http://tinyurl.com/6y547t


Las temperaturas más altas hacen que se desintegre la película de aceite y pierda
sus propiedades lubricantes: sin embargo, es deseable que el motor funcione a
una temperatura lo más cercana, hasta donde sea posible, a los límites impuestos
por las propiedades del aceite. Si se disipa demasiado calor a través de las
paredes y de la culata de los cilindros, se reduciría la eficiencia térmica del motor.
Dado que el motor es muy poco eficiente cuando está frío, el sistema de
enfriamiento incluye componentes que evitan el enfriamiento normal durante el
periodo de calentamiento. Estos componentes permiten que las piezas del motor
alcancen con rapidez su temperatura de funcionamiento y reducen el ineficiente
periodo de funcionamiento en frío.
Por tanto, el sistema de enfriamiento hace bajar la temperatura con rapidez
cuando el motor está caliente y sólo permite enfriamiento lento o no lo permite
durante el periodo de calentamiento y cuando el motor está frío.
Para motores de mayor tamaño se utiliza un sistema de refrigeración que consiste
en hacer circular agua a presión por el interior del bloque y la culata. Para extraer
a su vez el calor del agua una vez recorrido el interior del motor, se emplea un
radiador externo compuesto por tubos y aletas de enfriamiento. En los vehículos
antiguos, las aspas del ventilador de radiador y la bomba que impulsa en
circulación el agua se movían juntamente con el cigüeñal por medio de una correa.
Actualmente se emplean ventiladores con motores eléctricos, el cual comienza a
funcionar automáticamente cuando el termostato se lo indique.

La bomba de agua, es una bomba centrífuga accionada por el motor mediante una
correa, la capacidad de la misma debe ser suficiente para proporcionar la
circulación del líquido refrigerante por el circuito de refrigeración, transportando el
calor sobrante hacia el exterior, el flujo del líquido refrigerante regresa a la bomba
de agua a través del desviador cuando está cerrado el termostato y por el radiador
cuando el termostato está abierto.


Figura 48. La bomba de agua (izquierda) impulsa agua hacia el bloque del motor.
A la derecha, un ventilador con embrague fluido. Cuando la temperatura del aire
que pasa por el radiador sube, la espiral bimetálica se dilata y abre la válvula de
control. Entra más fluido dentro de la cámara del rotor, el embrague agarra con
más fuerza y el ventilador gira con más rapidez. Al enfriarse el motor, la velocidad
disminuye. 7

Los motores refrigerados por agua (fig. 47), tienen canales que atraviesan el
bloque alrededor del cilindro y en ellos circula continuamente agua, que hace
pasar el calor desde el motor a la atmósfera por el intermedio de un radiador.

Los bloques de cilindros que no tienen camisa tienen las cámaras de agua
alrededor de los huecos de los cilindros con sólo el metal suficiente entre unas y
otros para resistir las presiones que se crean en el interior de los cilindros. En los
motores que tienen camisas, por el contrario, las cámaras de agua pueden entrar
7



en contacto con ellas (camisas húmedas) o puede que haya una pared de metal
entre la camisa y la cámara de agua (camisas secas) (fig. 49).

Figura 49. Las camisas de los cilindros son de dos tipos: húmedas y secas. Las
húmedas son adyacentes a las cámaras de agua, mientras que las secas no lo
son. 8

El radiador (fig. 50), es un dispositivo para contener una gran cantidad de agua en
íntimo contacto con un volumen considerable de aire, con el fin que el calor resulte
transferido del agua al aire. Constructivamente, un radiador está formado por dos
compartimientos, totalmente aislados uno del otro.
El termostato tiene por finalidad lograr que el motor llegue a su temperatura
normal de funcionamiento lo más rápidamente posible y además regular el paso
del agua hacia el radiador, según temperatura, cuando el motor está frío el
termostato está cerrado, (no deja pasar el agua al radiador) motor caliente, el
termostato está abierto.

8

Extraida de A PUNTO Fichero Práctico Del Automóvil 1983 SARPE ediciones, España


Figura 50. Un radiador típico (izquierda), con su vía de agua. A la derecha, corte
de los paneles de dos tipos de radiador. El tipo tubular (arriba) es actualmente
menos común que el celular (abajo), pero durante muchos años fue el dominante. 9

En la actualidad el ventilador que logra forzar el aire a pasar por el radiador es
alimentado

por un motor eléctrico, en los modelos antiguos se montaba una

transmisión mecánica al cigüeñal para producir dicho efecto.
Para motores a condiciones climáticas bajo 0⁰C, es necesario añadir al agua
sustancias anticongelantes que eviten la expansión que sufre ésta al congelarse.
Existen sistemas de refrigeración constituidos por una cámara de expansión que
comunica con el exterior mediante una válvula de seguridad y cuando el vapor de
agua se enfría y condensa por diferencia de presión, vuelve al radiador (fig. 51).
El sistema por refrigeración es de uso común en motores de motocicletas como en
aviones, además de motores de bajo rango de potencias (fig. 52).
9



Figura 51. El termostato de cera se contrae cuando el agua está fría y cierra las
válvulas. Cuando el motor funciona, el agua se calienta, el termostato se dilata y
vuelve a abrir la válvula. Su operación es gradual según la velocidad del motor.10

Entre los sistemas más utilizados se encuentra el propio aire atmosférico o el tiro
de aire forzado que se obtiene con la ayuda de un ventilador. Se emplean para
motores que desarrollan poca potencia como las motocicletas y vehículos
pequeños.
Figura 52. Refrigeración por aire.

Fuente: http://tinyurl.com/6d2wzua
10



El SISTEMA DE ADMISIÓN es el encargado de suministrar el flujo de aire o
mezcla (carburador) a la velocidad adecuada al pistón, para aprovechar al máximo
el llenado del mismo y lograr una

mejor combustión del motor. El sistema lo

componen el filtro de aire, la mariposa de aceleración y el múltiple de admisión
(fig. 53).
Figura 53. Múltiple de admisión tradicional.

Fuente: http://tinyurl.com/3tqvfw7.

El sistema de admisión variable ( múltiple de flujo variable) se utiliza para mejorar
la entrada de aire a los cilindros en dependencia del régimen al que se encuentre
el motor, mejorando directamente el par motor a esos regímenes y en
consecuencia las prestaciones de motor (fig. 54)
Los colectores de admisión convencionales no disponen de la flexibilidad, con la
que cuentan los colectores de admisión variable, para adaptarse a los distintos
regímenes del motor. Con los colectores de admisión convencionales se consigue
un par motor elevado a un numero de revoluciones bajo o una potencia elevada
para un numero de revoluciones alto, pero no se consigue las dos condiciones a la
vez, por eso la necesidad de un sistema eficaz para todos los regímenes de
funcionamiento del motor.


Figura 54. Colector de admisión variable Porsche

Fuente: http://tinyurl.com/4xtfcul
El aire necesario para la combustión en el motor fluye a través del colector de
admisión hasta la válvula de admisión. Los sistemas de inyección de combustible
modernos para motores de gasolina inyectan el combustible en el colector de
admisión justo antes de la válvula de admisión.
Figura 55. Sistema de admisión variable.

La longitud del colector de admisión está sujeta a demandas variables − y de
hecho contradictorias − en diferentes estados de marcha, a fin de asegurar la


mayor tasa posible de afluencia de aire a cualquier régimen de revoluciones del
motor y proporcionar una buena carga de los cilindros (fig. 55).
Mientras que, a bajas revoluciones, el par debe suministrarse lo más rápidamente
posible − lo ideal para ello es un colector de admisión corto −, la potencia máxima
a regímenes elevados requiere colectores de admisión largos. El colector de
admisión variable presenta un sistema de aletas controlado electrónicamente para
satisfacer ambas demandas, canalizando el aire por el colector de admisión corto
a regímenes bajos y por la sección larga a regímenes elevados. En la figura 56, se
observa el circuito que rige la admisión variable
Figura 56. Circuito electróneumático del sistema de admisión variable


En los motores de 4 válvulas por cilindro, tenemos 2 válvulas de admisión, por lo
que podemos utilizar en vez de un conducto de admisión por cada cilindro, 2
conductos, uno para cada válvula de admisión. Uno de los conductos estará
controlado por una válvula mariposa, para cortarlo a bajas r.p.m. y abrirlo a altas
r.p.m. Para poder funcionar con un inyector por cilindro, se realiza una pequeña


abertura en la pared de separación entre ambos conductos justo antes de llegar a
las válvulas de admisión.
En algunos círculos se defiende el pulido a espejo de los colectores eliminando
totalmente su rugosidad. Sin embargo en otros se argumenta que un primer pulido
dejando el colector más refinado es suficiente, y se consiguen los mismos
resultados que con el pulido a espejo.
La base de esta argumentación es que la película de aceitosa que se forma en el
interior del colector, funciona como un pulido a espejo, anulando la ligera
rugosidad que podamos dejar y disipando las ventajas de un trabajo más afinado.
Esto se ha demostrado en competencias deportivas

donde los más mínimos

cambios afectan la potencia y la puesta punto del motor.
Algunos sistemas de admisión tienen depósitos extra (puertos de vacio), para
activar P.C.V, la purga del canister, la purga de EGR, en el campo de camperos la
activación del 4x4, sistemas que funcionan por vacio.
Un sistema de filtrado (fig. 57), efectivo provee al motor aire limpio con una
restricción mínima, separando del aire los materiales finos como el polvo, arenas,
etc. También debe permitir la operación del motor por un período de tiempo
razonable antes de requerir servicio.

El SISTEMA DE ESCAPE permite la evacuación a gran velocidad de los gases de
escape hacia el exterior. Sin embargo éste sistema está en cambio permanente
debido a las exigencias ambientales que actualmente legislan los MICH y MIC.
El colector de escape (fig. 58), se fabrica en fundición de hierro para que soporte
las altas temperaturas de los gases de escape


Figura 57. Filtro de aire.

Fuente: http://tinyurl.com/6bw2k7y

Figura 58. Colector de escape y sonda Lamba.

Fuente: http://tinyurl.com/3quperz

El en múltiple de escape también, al igual que en múltiple de admisión, se han
preocupado por lograr que las distancias recorridas por los gases antes

de


encontrar el punto en común sean iguales. Ello se explica por las contrapresiones
que se ejercen sobre los pistones, si las distancias son diferentes existe un
desbalanceo en los pistones del motor. Ésta tecnología se conoce como Múltiples
de escape armónicos.
El turbocompresor es una combinación de turbina y compresor (fig. 59), utiliza la
energía disponible de los gases de escape para lograr la compresión del flujo de
entrada. Son usados en motores Diesel para incrementar la máxima potencia que
puede obtenerse de un motor con un desplazamiento determinado.
Figura 59. Vista isométrica del conjunto turbina-compresor.

Fuente: http://tinyurl.com/5vvdcqp

El trabajo transferido por ciclo por cada pistón, el cual controla la potencia
entregada por el motor, depende de la cantidad de combustible quemado por ciclo
en cada cilindro.


Esto a su vez depende de la cantidad de aire fresco que inducido en cada ciclo.
Incrementando la densidad del aire antes de entrar al motor se incrementa la
máxima potencia que un motor de un desplazamiento dado puede entregar. La
figura 60, muestra un turbocargador utilizado en motores a gasolina.

Figura 60. Turbocargador: a) Vista general, b) compresor.

a)

b)

Fuente: http://tinyurl.com/3v9fbrf

El flujo de aire pasa a través del compresor, el intercooler11, al sistema de
alimentación luego por la válvula de admisión al cilindro. La presión del aire al
entrar a la cámara de combustión está alrededor de 100Kpa por encima de la
presión atmosférica. El flujo de salida a través de la válvula de escape conduce la
turbina que a su vez proporciona la potencia al compresor (fig. 61).

11

Sistema de enfriamiento sobre el aire después de la compresión accionada por el turbocompresor.


Figura 61. Vista isométrica del conjunto turbina-compresor (funcionamiento).

Fuente: http://tinyurl.com/3dp364p

El turbocargador de geometría variable (TGV), (Fig. 62)

permite orientar los

alabes de la turbina según sea el estado de carga del motor. Para conseguir la
máxima compresión del aire a bajas r.p.m. deben cerrarse los alabes ya que
disminuyendo la sección entre ellos, aumenta la velocidad de los gases de escape
que inciden con mayor fuerza sobre las paletas del rodete de la turbina.
Cuando el motor aumenta de r.p.m y aumenta la presión de soplado en el colector
de admisión, la cápsula neumática lo detecta a través de un tubo conectado
directamente al colector de admisión y lo transforma en un movimiento que
empuja el sistema de mando de los alabes para que estos se muevan a una
posición de apertura que hace disminuir la velocidad de los gases de escape que
inciden sobre la turbina.


Figura 62. Turbocompresor de geometría variable.

Fuente: http://tinyurl.com/5sqpghq

Una válvula de By-pass (Wastegate) controla el flujo de escape en la turbina,
derivando parte de éste cuando se presenta algún aumento brusco de presión en
la misma. Con este sistema se logro implementar la sobrealimentación a motores
de gasolina.
Los elementos catalíticos (fig. 63), que se usan son metales preciosos como el
rodio, el platino, etc; que se colocan en un sustrato cerámico de celdillas situados
en el escape, de este modo los gases al pasar por estas celdillas entran en
contacto con los catalizadores y gracias a ellos se acelera enormemente las
reacciones de oxidación. El panel de celdillas lo que hace es que todo el gas pase
por pequeños conductos de manera que todo el gas así repartido entra en
contacto con el catalizador.


Figura 63. Catalizador del sistema DENOXTRONIC – BOSH.

Fuente: http://tinyurl.com/3rqnx9n

Para cumplir los futuros valores de emisiones límite, ya no es suficiente con aplicar
modificaciones técnicas sobre la combustión en el interior de los motores para
reducirlas. Por ejemplo, bajar el ajuste en el comienzo de inyección en sentido de
retardo, elimina los óxidos de nitrógeno pero al mismo tiempo por el contrario,
eleva la emisión de partículas y el consumo de combustible. Precisamente en el
servicio de los vehículos industriales, con una alta prestación en kilómetros, esto
último conllevaría una rápida elevación de los costes de explotación y con
respecto a la emisión de partículas, aunque ya se desarrollan filtros para minimizar
este componente, todavía no está disponible esta técnica para su introducción en
la fabricación en serie en el área del vehículo industrial.
Para alcanzar la exigida reducción en las emisiones y al mismo tiempo reducir el
consumo de combustible son necesarios los sistemas de tratamiento posterior de
los gases de escape (fig. 64).
La Reducción Catalítica Selectiva - SCR, es una tecnología de control postcombustión, basadas en la reducción química de los óxidos de nitrógeno (NO x) a


nitrógeno molecular (N2) y vapor de agua (H2O). El uso de un catalizador permite
que este proceso ocurra a unas temperaturas relativamente bajas.
El AdBlue es una solución del 32,5% de urea (amoníaco) en agua destilada. La
sustancia activa del aditivo AdBlue, la urea, se fabrica industrialmente a partir del
gas natural calentando el carbamato amónico, que se obtiene a su vez haciendo
reaccionar a presión el amoníaco y el

anhídrido carbónico, es una sustancia

estable y no tóxica que carece de restricciones en cuanto a su almacenamiento o
transporte.
Figura 64. Sistema DENOXTRONIC – BOSH.

Fuente: http://tinyurl.com/3r8ales

El proceso se realiza como sigue: un agente reductor basado en el nitrógeno tal
como el amoníaco o la urea (AdBlue), es inyectado dentro del gas de
poscombustión. El reactivo reacciona selectivamente con el gas de combustión
NOx (óxidos de nitrógeno) dentro de un rango específico de temperatura, y en la
presencia del catalizador y oxígeno, para reducir al NO x en nitrógeno molecular
(N2) y vapor de agua (H2O).


Un filtro previo filtra primero las partículas más grandes que son mayores a 100
μm. El filtrado fino se realiza, a continuación, a través del elemento filtrante, que
retiene el 95 por ciento de las partículas que son mayores a 10 μm. Sólo después
de ese filtrado riguroso, el “AdBlue” llega al módulo de dosificación que se ocupa
de medir la cantidad exacta que se va a inyectar en el flujo de gases de escape.
El sistema

DENOXTRONIC – BOSH cumple con las especificaciones de

emisiones aprobadas con la norma EURO V.

Los silenciadores (fig. 65), están previstos para amortiguar el ruido del escape
reduciendo gradualmente la presión de los gases de escape conforme son
expulsados de los cilindros en los motores de combustión interna y de turbinas a
gas.
Figura 65. Silenciadores.

Fuente: http://tinyurl.com/6z4lpgl
El silenciador, convierte esta energía de la onda de sonido en calor, haciéndola
pasar por diversas cámaras con reflectores y tubos en forma de laberintos
perforados con diferentes tamaños.
El SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN es el conjunto de elementos que regulan la
apertura y cierre de válvulas en el momento oportuno y a su vez la entrada de la
mezcla, (gases frescos) y la salida de los gases residuales de los cilindros, en el
momento adecuado después de producirse la combustión.


Figura 66. Diferentes sistemas de distribución: a) por cadena, b) por banda
dentada

a)

b)

Fuente: http://tinyurl.com/64n635x
En la figura 66a, se observa la distribución por cadena, se utilizan piñones con
huecos en forma de semicírculo (cigüeñal-árbol de levas) a los que se acoplan los
rodillos de los eslabones de la cadena.
En estos montajes se pueden utilizar cadenas simples, dobles o triples, el sistema
de mando por cadena consiste en realizar la unión de los dos piñones (cigüeñal
árbol de levas) por medio de una cadena dotada de un tensor. Este tensor puede
ser de tipo mecánico o hidráulico. Su lubricación es necesaria y se realiza por
medio del aceite del propio motor. En cuanto al ruido, es menor que el de piñones,
pero aún lo es más que el de correa dentada.
El sistema de banda dentada (fig. 66b), es más utilizado actualmente y presenta
una serie de ventajas frente a las demás:
- Menos ruidosa.
- No necesita engrase.
- Puede situarse en el exterior del bloque.
- Menos costosa.


- Más fácil de sustituir.
Sin embargo, tiene la dificultad de ser menos resistente y duradera, porque
necesita un mantenimiento más periódico. Los distintos componentes de una
correa de distribución son:
El dorso de la correa, el cabo de tracción, el lecho, el dentado y el tejido protector.
El dorso de la correa y también los dientes son de materiales de gran calidad
sobre una base de policloropreno. Estos se adhieren de forma excelente al cabo
de tracción y al tejido protector. Las correas de distribución necesitan tener una
gran resistencia a la tracción. Unos cabos de fibra de vidrio, en forma de tornillo,
cumplen esta exigencia de forma óptima.
Las correas han de estar tensadas correctamente ya que de estarlo
insuficientemente, podrían dar lugar al salto de un diente y provocar una avería.

La distribución variable permite cambiar el momento de apertura y cierre de las
válvulas en función del régimen del motor. Los sistemas más sofisticados también
pueden controlar el tiempo durante el que la válvula permanece abierta.
Para una mejor comprensión véase:
http://www.youtube.com/watch?v=MYflBZHV_wo
Cuanto más rápido gira un motor, más difícil resulta llenar los cilindros, puesto que
las válvulas abren y cierran mucho más deprisa. Lo ideal es que la válvula de
admisión se abra un poco antes del inicio de la carrera de admisión, y la de
escape un poco antes de iniciarse la carrera de escape, para ayudar así al vaciado
y llenado de los cilindros (fig. 67). El inconveniente proviene que el momento
óptimo de apertura de las válvulas es diferente para cada régimen del motor, por
lo que resulta imprescindible sacrificar rendimiento en todos los regímenes de giro
para obtener un resultado aceptable también en todos los regímenes de giro.


Figura 67. Diagrama del cruce de válvulas.

Fuente: http://tinyurl.com/67cab5s
En un motor de cuatro tiempos las válvulas de admisión y escape no se abren y
cierran justo en el momento en que el pistón se encuentra en el punto muerto
superior (P.M.S.) o en el punto muerto inferior (P.M.I.), tal como se explica en el
funcionamiento teórico de un motor (fig. 67b). En realidad la válvula de admisión
su apertura comienza antes de que el pistón alcance el P.M.S. Esto permite
beneficiarse de la inercia de los gases aspirados y conseguir llenar más el cilindro
así como limpiar los gases quemados y se denomina Avance a la Apertura de la
Admisión (A.A.A).
Cuando el pistón llega al P.M.I. en su carrera descendente, la inercia de los gases
que están entrando en el cilindro sigue introduciéndolos aún cuando el pistón ya
inicia su ascenso en la carrera de compresión. Por ello, si la válvula de admisión
se cerrara exactamente en el P.M.I., los volúmenes serian constantes, limitando la
potencia producida por el motor.
Conviene, cerrar la válvula de admisión en plena carrera ascendente de
compresión y lograr un mejor llenado; se conoce por Retardo al Cierre de
Admisión (R.C.A.).


La válvula de escape tampoco se abre en el P.M.I. exactamente, uno poco antes;
su proceso de apertura no es de una forma instantánea, si al iniciar el pistón su
carrera ascendente de escape no estuviera parcialmente abierta la válvula de
escape, se originarían fenómenos de choque por los gases procedentes de la
combustión. Este adelanto se llama Avance a la Apertura del Escape (A.A.E.).
Cuando el pistón alcanza nuevamente el P.M.S. después de su carrera
ascendente de escape, los gases continúan saliendo del cilindro, por lo que
conviene cerrar la válvula de escape un poco después que el pistón haya vencido
el P.M.S., de esta manera, se facilita la total evacuación de los gases quemados,
con lo que el cilindro queda más limpio y por tanto tiene una mejor calidad la
mezcla. Esto es lo que llamamos Retardo al Cierre del Escape (R.C.E.).

Al instante en que las válvulas de admisión y escape permanecen abiertas se
denomina cruce de válvulas. Estos avances y retardos expuestos anteriormente se
miden en grados y vienen especificados en los manuales de cada motor. Se
representan mediante un diagrama donde se completan los giros pertenecientes a
todo el ciclo.

El SISTEMA DE ENCENDIDO generalmente se define al sistema necesario e
independiente capaz de producir el encendido de la mezcla de combustible y aire
dentro del cilindro en los motores de gasolina o LPG, conocidos también como
motores de encendido por chispa, ya que en el motor Diesel la propia naturaleza
de la formación de la mezcla produce su auto-encendido.


Figura 67. Sistema de encendido convencional (con platinos).

Fuente: http://tinyurl.com/6goeowr

El encendido por magneto suele ser utilizado en motores aeronáuticos mientras
que el encendido por batería y bobina es clásico en motores de automóvil, aunque
en estos últimos está siendo desplazado por el encendido electrónico.
En los motores de gasolina resulta necesario producir una chispa entre dos
electrodos separados en el interior del cilindro en el momento justo y con la
potencia necesaria para iniciar la combustión.

En un motor (ciclo otto) con sistema de encendido convencional, la bujía
necesita de una tensión (voltaje) que está entre 8.000 a 15.000 voltios (8 - 15 kV),
para producir la chispa.
El sistema de encendido convencional ( fig. 67), consta de la llave de encendido
(1), batería(2), bobina (3), Distribuidor (4), cables (5) y bujías (6).


Esta tensión depende de muchos factores, como:
• Desgaste de las bujías (apertura de los electrodos).
• Resistencia de los cables de encendido.
• Resistencia del rotor del distribuidor.
• Distancia entre la salida de alta tensión del rotor y los terminales de la tapa del
distribuidor.
• Punto de encendido (tiempo del motor).
• Compresión de los cilindros.
• Mezcla aire/combustible.
• Temperatura del motor.

El sistema de encendido electrónico (fig. 68), consta de la llave de encendido
(1), batería (2), unidad de comando (3), pre-resistencia (4), bobina (5), distribuidor
(6) y bujía (7).
En los actuales sistemas de inyección electrónica de gasolina se combinan con un
encendido electrónico integral aprovechando muchos de los sensores que les son
comunes y la propia unidad de control (UCE) para gobernar ambos sistemas.
El encendido electrónico posee muchas ventajas sobre el sistema de platino:
• No utiliza platino y condensador, que son los principales causantes del desajuste
del sistema de encendido.
• Mantiene la tensión de encendido siempre constante, garantizando más potencia
de la chispa en altas revoluciones.
• Mantiene el punto de encendido (tiempo del motor) siempre ajustado.


Figura 68. Sistema de encendido electrónico.

Fuente: http://tinyurl.com/6goeowr

El SISTEMA DE ARRANQUE tiene por finalidad girar al motor con una fuente
externa que le permita vencer la resistencia inicial de los componentes
cinemáticos, al ponerse en marcha. Pueden ser para motores de dos o cuatro
tiempos.
El arrancador consume gran cantidad de corriente al transformarla en energía
mecánica para dar movimiento al cigüeñal y vencer la enorme resistencia que
opone la mezcla al comprimirse en la cámara de combustión.
El arranque por aire comprimido se usa para algunos grandes motores en los que
la potencia necesaria hace difícil el uso del arranque eléctrico debido a las
altísimas corrientes necesarias, y en algunos vehículos especiales adaptados para
funcionar a muy bajas temperaturas donde las baterías como acumuladores no


pueden utilizarse. También en estos grandes motores el proceso de arranque es
más complejo y por lo general, deben hacerse girar hasta que se lubriquen las
partes internas antes de someterlos al funcionamiento por ellos mismos.
El arranque por motor de combustión auxiliar se usa en algunas máquinas de la
construcción que usan motores Diesel. Estas máquinas pueden prescindir de las
baterías de acumuladores y así ser más adaptables a condiciones climáticas de
fríos severos. Usan un pequeño motor de gasolina que se arranca por el método
manual o con motor eléctrico, este a su vez acciona el motor principal a través de
un acoplamiento de engranajes desplazables. Estos pequeños motores pueden
hacer girar por largo tiempo al motor principal para permitir la lubricación antes de
la puesta en marcha.
También existen automotores que no poseen el sistema de arranque incorporado
en el motor, son elementos externos y accionan el motor justo al momento de
iniciar su operación. Un ejemplo son los automóviles de la F1.
En un MICH, El sistema de arranque está compuesto por:


La Batería



El alternador



El motor eléctrico.

El principio de funcionamiento se basa en inducir una corriente sobre un motor
eléctrico (fig. 69), en el cual es forzado a girar. Esta capacidad se logra a
expensas de sobrecargar eléctricamente las partes constituyentes ya que el
tiempo de funcionamiento es muy breve, por tal motivo no debe mantenerse en
acción por largo tiempo, so pena de terminar averiado por sobrecalentamiento. El
consumo de electricidad durante el arranque es elevado (hasta 1000 Amp para
grandes motores de combustión), de manera tal que también la batería funciona
en un régimen muy severo durante este proceso


Figura 69. Despiece de un motor eléctrico de arranque.

Fuente: http://tinyurl.com/6ktdg5u
La transmisión de la rotación desde el motor de arranque al motor de combustión
se realiza a través de engranajes. Un pequeño engrane deslizante está acoplado
al eje del motor de arranque, este engrane es desplazado sobre estrías por el relé
a través de una horquilla pivotante, de manera que se acopla a un engrane mayor
que rodea el volante del cigüeñal del motor haciéndolo girar.
Este engrane funciona a través de un mecanismo de rueda libre, de manera que
el torque del motor de arranque se trasmita al engrane del cigüeñal, pero una vez
que el motor de combustión se ponga en marcha, no pueda arrastrar al motor de
arranque.
Cuando el motor de combustión se ha puesto en marcha y el conductor suelta la
llave de encendido, se corta la alimentación eléctrica a la bobina del relé y el
muelle de recuperación retira el núcleo cortando la alimentación con electricidad y
desacoplando ambos engranes.


El SISTEMA DE ALIMENTACIÓN tiene por objeto extraer el combustible del
depósito y conducirlo a los cilindros en las mejores condiciones, para que la
combustión se realice correctamente. Se realiza por métodos físicos que ocurren
dentro de un dispositivo, el cual posee un conjunto de mecanismos que nos
permitirán administrar la dosis aproximadamente adecuada a los pistones en el
momento que lo requiera.
En todos los sistemas de alimentación por presión, es necesaria una bomba de
combustible para enviar éste desde el depósito luego pasa por un filtro que retiene
las partículas sólidas que pudiera contener el líquido, hasta otra bomba de mayor
presión de salida (motores Diesel) o hasta los inyectores de gasolina (inyección
electrónica MICH).
En Motores a gasolina antiguos, la mezcla del aire-combustible se realizaba en
un solo elemento, el carburador.
El objetivo del carburador (Fig. 70), es conseguir la mezcla de aire-gasolina en la
proporción adecuada según las condiciones de funcionamiento del automóvil. El
funcionamiento del carburador se basa en el efecto venturi que provoca que toda
corriente de aire que pasa por una canalización, genere una depresión (succión)
que se aprovecha para arrastrar el combustible proporcionado por el propio
carburador. La depresión creada dependerá de la velocidad de entrada del aire
que será mayor cuanto menor sea la sección de paso de las canalizaciones.
Si dentro de la canalización tenemos un estrechamiento (venturi) para aumentar la
velocidad del aire y en ese mismo punto se coloca un surtidor comunicado a una
cuba con combustible a nivel constante, la depresión que se provoca en ese punto
producirá la salida del combustible por la boca del surtidor que se mezclara con el
aire que pase en ese momento por el estrechamiento, siendo arrastrado hacia el
interior de los cilindros del motor.

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