Universidad Nacional de Tucumn Instituto Tcnico

Seccin Mecnica

Gua de Trabajos Prcticos

MOTORES DE COMBUSTION INTERNA PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

ING JOS FRANCISCO MORENO DAZ

T.M.E. GUILLERMO ALBERTO RIVADEO

T.M.E. AMERICO MARCELO MARCHIANO

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Referencia histrica

Ya en la Edad Media, cuando se precis una mquina capaz de desagotar las minas, se construy un motor a plvora del que en la actualidad no se conocen detalles. A medida que fu transcurriendo el tiempo se fueron creando nuevos tipos de motores con distintos principios de funcionamiento; podemos mencionar a E. Lenoir (1.860 motor a gas), Beau de Rochas (1.862 principio del ciclo de cuatro tiempos), Otto (1.876 constructor del primer motor que emple con xito este ciclo), Daimler, Mateucci, Benz, Rudolph Diesel y otros como los principales autores.

Desde el primitivo motor a plvora, como el antes mencionado, hasta el conocido motor Otto, transcurren aproximadamente 300 aos. Clasificacin

Existen diversas formas de clasificar los motores, usaremos aqu un cuadro que nos permitir conocer prcticamente en detalle las caractersticas ms sobresalientes de cualquier motor.

FORZADA: POR AIRE POR LIQUIDO

NATURAL: POR AIRE POR LIQUIDO

EN LINEA OPUESTOS EN V. RADIAL O EN

ESTRELLA ETC.

4 TI

EMPO

S

CIC

LO D

IESE

L

DISPOSICION

POLI

CIL

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CIL

IND

RIC

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2 TI

EMPO

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CICLO REFRIGERACION

MAQUINAS ALTERNATIVAS

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Podemos entonces determinar por ejemplo, el tipo de combustible, el lugar donde se

realiza la combustin, el nmero de carreras que utiliza el mbolo para completar un ciclo, etc.

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Nos dedicaremos ahora a los motores de cuatro tiempos, haciendo la salvedad, cuando fuera necesario, de las diferencias entre Otto y Diesel, pues sern stos los ciclos sobre los cuales basaremos nuestro curso. El motor de cuatro tiempos Breve descripcin de las piezas El block:

Es la parte ms voluminosa del motor, est construdo de hierro fundido o de aluminio, al igual que la tapa de cilindros; posee los alojamientos para instalar all los cilindros (cilindros de acero), por los que se desplazarn los mbolos (pistones), los soportes de los cojinetes (bancadas) del rbol principal (cigeal), los conductos para la circulacin del lubricante y del lquido refrigerante, si lo tuviera. El cigeal: Est construdo de acero estampado o por shellmolding y posee orificios taladrados que unen los soportes del rbol principal con las muequillas; en l se encuentran los acodamientos necesarios para alojar los correspondientes pies de biela, acordes a la disposicin y el nmero de cilindros que posea el motor. El pistn:

Es un cuerpo que se desliza dentro del cilindro empujando en su marcha a la barra articulada (biela), la cual hace girar al cigeal. Normalmente son de una aleacin de aluminio, conocida como duraluminio, pero existen modelos que son de acero. En la actualidad algunos motores incluyen pistones de materiales cermicos y, en forma experimental, se estan realizando pruebas con materiales plsticos. En la parte superior pueden observarse una serie de ranuras las cuales contienen a los aros de cierre; estos se asemejan a arandelas metlicas seccionadas, que tienen como misin cubrir el intersticio entre el pistn y el cilindro, impidiendo que los gases de la cmara de combustin escapen al carter (recipiente del aceite) y

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que el aceite de lubricacin que arrastra el pistn ingrese en la cmara de combustin.

Los aros son de acero y son sometidos a diversos tratamientos trmicos. En un pistn encontramos normalmente dos tipos de aros perfectamente identificables, los aros de cierre, normalmente instalados en la parte superior, y los hidrulicos o rascaceite en la inferior. La cmara de combustin:

Es un recinto al cual ingresa la mezcla (aire - nafta) en el caso del motor Otto y aire en el motor Diesel. All se producir la explosin, cuando entre los electrodos de la buja salte una chispa, o la inflamacin, cuando el inyector introduzca el combustible finamente pulverizado. Tubera de admisin:

Tambin denominada mltiple de admisin, procede del carburador o sistema de inyeccin (nafta), y por ella llegar la mezcla carburante o el aire, segn el ciclo, que entrar al cilindro cuando se abra la vlvula de admisin y el pistn, en su carrera descendente, produzca la succin que se denomina aspiracin. Normalmente, estn construdas de aluminio y su caracterstica fundamental es la de originar la menor e idntica prdida de carga a todos los cilindros que ella alimenta. El conducto de escape:

Tambin denominado mltiple de escape, permite la salida de los gases quemados hacia la atmsfera cuando se abre la vlvula correspondiente y el pistn en movimiento ascendente los empuja hacia afuera, operacin denominada escape. Generalmente, son de fundicin de hierro y deben ser capaces de soportar la alta temperatura de los gases de escape y provocar prdidas de carga idnticas en todos los cilindros. Las vlvulas:

Son los elementos encargados de comunicar a los mltiples con los cilindros correspondientes, permitiendo as el ingreso de mezcla fresca (o aire) al interior, o bien

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permitir la evacuacin, a travs del mltiple de escape, de los gases quemados. Las vlvulas, para realizar su objetivo, asientan sobre unos elementos postizos, ya sea en el block o en la tapa de cilindros, que se denominan asientos de vlvula, y se desplazan axialmente por otros elementos postizos denominados guas de vlvula. Todos los elementos antes mencionados son construdos de acero y sometidos a diversos tratamientos trmicos. El rbol de levas:

Este eje es el encargado de abrir y cerrar las vlvulas en el momento oportuno y, para ello, se encuentra conectado mecnicamente al cigeal, mediante engranajes, cadenas de transmisin o una correa dentada; a la sincronizacin de esta accin se la denomina puesta a punto de la distribucin. Est construdo de acero estampado, posteriormente mecanizado y tratado trmicamente. Las bielas:

Son los elementos que junto al cigeal conforman el mecanismo biela-manivela necesario para convertir un movimiento lineal alternativo en movimiento de rotacin. Su fabricacin es similar a la del rbol de levas. Descripcin de los cuatro tiempos

Para que el motor de cuatro tiempos cumpla su ciclo de funcionamiento completo, es necesario que el pistn realice cuatro recorridos, dos ascendentes y dos descendentes, ocurriendo en cada uno de ellos una operacin distinta:

Primer tiempo : ADMISION Segundo tiempo: COMPRESION Tercer tiempo : EXPANSION Cuarto tiempo : ESCAPE

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Antes de explicar los cuatro tiempos del ciclo de funcionamiento, definiremos algunos conceptos importantes: Punto muerto inferior: (P.M.I.) es el punto ms bajo del recorrido del pistn. Punto muerto superior: (P.M.S.) es la posicin ms alta posible del pistn.

Admisin:

El pistn est en el punto muerto superior y comienza a descender, en este instante se abre la vlvula de admisin y los gases que existen en la tubera de admisin son aspirados por el pistn que desciende y van llenando el cilindro. Cuando el pistn llega al P.M.I. se cierra la vlvula de admisin. En este tiempo de admisin el pistn ha bajado desde el P.M.S. al P.M.I. y el cigeal ha dado media vuelta. Compresin:

El pistn se encuentra ahora en el P.M.I. y sube hasta el P.M.S.; permaneciendo las vlvulas cerradas. Los gases que llenaban el cilindro van ocupando un volumen cada vez menor, comprimindose hasta llenar slo el que queda entre la cara superior del pistn en su P.M.S. y el fondo del cilindro. Este espacio se denomina cmara de combustin. Durante la compresin, el cigeal ha girado otra media vuelta. Porhaberse comprimido la mezcla (o el aire si fuera ciclo Diesel) est ahora ms caliente que al ingresar al cilindro y las molculas de combustible y comburente se encuentran ms prximas. El tiempo de compresin ha servido para acondicionar la mezcla para la explosin. Alfinal de la compresin en el ciclo Otto saltar una chispa entre los electrodos de la buja que iniciar la explosin; en el ciclo Diesel, encambio, un elemento denominado inyector introducir al interior del cilindro el combustible finamente pulverizado, el cual al ponerse en contacto con el aire caliente, se inflamar.

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Expansin:

En el momento posterior a la explosin o inflamacin (segn el ciclo) los gases incrementan la presin lanzando el pistn desde el P.M.S. al P.M.I., transmitindose por la biela al cigeal y finalmente el impulso lo recibe el volante. Durante todo este tiempo las dos vlvulas han permanecido cerradas y el cigeal efecta una tercera media vuelta, siendo sta la nica que entrega trabajo. Escape:

Al iniciarse este tiempo, el pistn est en el P.M.I., la vlvula de escape se abre y el pistn asciende hasta el P.M.S., empujando los gases quemados fuera del cilindro a travs de la tubera de escape . El cigeal gir otra media vuelta. Cuando el pistn comienza a bajar de nuevo, se repiten todas las fases anteriores en la misma forma y en el mismo orden, mientras el motor permanezca en funcionamiento. Al conjunto de estas cuatro operaciones se lo denomina ciclo de cuatro tiempos y se realiza en dos vueltas completas del cigeal. El ciclo prctico de cuatro tiempos

El ciclo anteriormente descripto presenta serios problemas para su funcionamiento desde el punto de vista prctico; mencionaremos slo algunos: en la prctica nos encontramos con gases reales y stos poseen inercia; los sistemas presentan prdidas que hacen imposible el uso de isotermas y adiabas (en relidad son politrpicas); tanto la explosin como la inflamacin tienen velocidades de propagacin (no son instantneas). Por estos motivos, es que nos vemos obligados a modificar, entre otras cosas, el momento de apertura y cierre de las vlvulas y el instante en que debe realizarse la chispa (o la inyeccin en Diesel) en el interior del cilindro.

Cuando el pistn comienza a recorrer su carrera descendente, o de aspiracin, a partir del P.M.S., la vlvula de admisin

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ya se encuentra abierta (Avance a la apertura de la admisin -A.A.A ), creando el movimiento rpido del pistn una regin de depresin en la cabeza del cilindro. Siendo la presin a la entrada del mltiple de admisin igual a la atmosfrica, la diferencia de presiones existentes obligar al fludo a pasar desde la tubera de admisin hacia el cilindro, a travs de la vlvula de admisin. Cuando el pistn llega al P.M.I. el cilindro no se encuentra de ningn modo lleno de fludo, ya que la tendencia es que, al moverse el pistn ms rpidamente, se adelante al fluido que aspira. Se ha comprobado que, entonces, es esencial prolongar el tiempo de apertura de la vlvula de admisin, despus que el pistn pasa el P.M.I.; con esto se logra mejorar el llenado del cilindro al aprovechar la inercia de los gases; esto se conoce como retraso al cierre de la admisin (R.C.A.).

La etapa siguiente del ciclo corresponde a la carrera de compresin. Al cerrarse la vlvula de admisin despus del P.M.I., el pistn comprime al fluido que no puede escapar, debido a que las vlvulas estn cerradas y porque los aros del pistn aseguran el cierre . A primera vista parecera que la ignicin (inyeccin en Diesel) debera producirse exactamente en el P.M.S., pero en la prctica, en los motores de alta velocidad, es preciso iniciar este proceso con mucha anterioridad. Esta anticipacin o avance a la ignicin (A.I.) (o avance a la inyeccin en Diesel) se elige para que la mxima presin de combustin ocurra 12 despus del P.M.S.. En este instante se considera que el pistn comienza a descender en su carrera til expansin.

Como en la ltima parte del recorrido de la carrera motora el momento desarrollado es comparativamente pequeo, no hay desventaja en abrir la vlvula de escape con anticipacin, es decir, antes del P.M.I. ( Avance a la apertura de escape - A.A.E. ); este anticipo asegura la completa apertura de la vlvula de escape, cuando el pistn pasa el P.M.I., de modo tal que, en su prxima carrera, el pistn deber vencer una menor contrapresin en el cilindro. Adems el hecho de abrir la vlvula, mientras an existe presin, permite que los gases comiencen a escapar bajo la accin de su propia presin.

La vlvula de escape permanecer abierta un tiempo despus del P.M.S., siendo este ngulo el retardo al cierre del escape ( R.C.E.).

La inercia natural del fludo se vence abriendo previamente la vlvula de admisin antes de que se cierre la de escape; este cruce de vlvulas tiene la ventaja de producir una mejor eliminacin de los gases residuales que se hallan en la cmara de combustin y aprovechar la formacin de una vena fluida en los gases de escape, que facilitarn el ingreso de gases frescos.

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CARATULAREFERENCIA HISTORICAEL MOTOR DE 4 T. LAS PIEZASLA CAMARA DE COMBUSTION, TUBERIA DE ADMISIONLAS VALVULAS, EL ARBOL DE LEVASLAS BIELAS, DESCRIPCION DE LOS CUATRO TIEMPOSEL CICLO PRACTICO DE CUATRO TIEMPOS