Catalizador acumulador

El catalizador acumulador NOx juega un papel importante en la lucha de los sistemas para conseguir que el diesel sea aún más limpio y cumpla los límites de emisiones futuros, que serán aún más estrictos que los de ahora. Se coloca detrás del catalizador de oxidación y del filtro de partículas y dispone de una capa especial que recoge los óxidos de nitrógeno de los gases de escape.

En el catalizador acumulador NOx se diferencian dos tipos de servicio diferentes: En el servicio magro normal (Lambda > 1) se oxida primero el NO en NO2 y, a continuación, bajo formación de nitrato (NO3), se acumula en el catalizador en un óxido de metal alcalino (p. ej. óxido de bario). Igual que en el filtro de partículas, el reto real para el catalizador acumulador NOx es la regeneración, es decir, el vaciado periódico del acumulador. Para la regeneración del acumulador se tienen que crear en los gases de escape unas condiciones grasas (Lambda < 1). Bajo estás condiciones de servicio hay tanto reductor (monóxido de carbono, hidrógeno u diferentes hidrocarburos) que se suelta de golpe la unión de nitrato y se convierte en el catalizador de metal noble en nitrógeno (N2) no tóxico. La duración de la carga es de unos 30 a 60 segundos, en dependencia del punto de servicio y la regeneración dura entre 1 y 2 segundos.

Para detectar la necesidad de realizar la regeneración se requieren muchos sensores de temperatura y de presión. 

El catalizador acumulador puede reducir las emisiones de NOx hasta en un 85 %.

SENSORES Y ACTUADORES EN EL AUTOMOVIL

Intercooler.

Inter-enfriador.

El intercooler es un intercambiador de calor (Heat exchanger) muy parecido a un radiador común. Construido con paneles de tubos aleteados de sección rectangular. Por el interior de estos circula el aire que viene desde el supercargador o turbocargador. En este paso por el intercooler es enfriado gracias a que por el exterior de los tubos circula agua o aire frío esta última opción es la más empleada en motores de transporte comercial por ser mas económica y sencilla, el intercool va colocado por lo general directamente delante del radiador, por lo tanto el aire que ataca el frente del vehículo pasa enfriando primero el intercooler y luego el radiador. Un intercooler es tan bueno mientras más calor extraiga del aire.

Recuerda que remover el calor de la carga de aire de entrada tiene dos grandes meritos. Primero, la reducción de la temperatura hace la carga más densa. El incremento en densidad es proporcional al cambio de la temperatura (medida en la escala absoluta). La carga de aire de entrada más denso produce más potencia. Segundo pero no menos importante, es de enorme beneficio para el proceso de combustión. El riesgo de detonación es reducido con cualquier reducción de la temperatura. Estas dos áreas de mérito son las razones por las que un intercooler apropiado puede incrementar la potencia y la reserva de potencia del motor turbo.

TIPS SOBRE EL INTERCOOLER
En un motor a diesel, la temperatura del aire que sale del turbo puede llegar a 120 C o más, en el intercooler se enfría hasta 60ºC o menos.

El intercooler puede incrementar la potencia de salida un 1.8 % por cada 5.56 grados Centígrados de reducción de temperatura. La potencia puede ser incrementada en aproximadamente un 8% por cada 10% de incremento en la densidad del aire.

Una tolerancia mayor a la detonación permite obtener 3 a 4 psi adicionales de presión de turbo (boost pressure “BP”) sin incrementar el octanaje o adelantar el tiempo.

Los efectos refrigerantes se trasladan a la temperatura de escape, reduciendo la temperatura de escape hasta en 93 ºC

El motor supercargado funciona perfectamente bien con lo que llamaríamos árbol de levas "económico" o de stock, de bajo traslape, y levas de bajo perfil  (low-lift cams) todos trabajan bien con los supercargadores.

Sistemas de inyección unitarios UIS/UPS.

(Unit Injector System - Unit Injector - Unit Pump System).

Las exigencias impuestas a los motores diesel respecto a  factores como la manejabilidad, economía, torque,  potencia, y sobre todo  límites cada vez más estrictos para las emisiones nocivas, han conducido al desarrollo de conceptos nuevos que satisfagan estos requerimientos.

Los sistemas UIS/UPS representan el tope actual de estos esfuerzos, gracia a que su especial concepto de diseño permite el control preciso e instantáneo tanto del comienzo de la inyección como de la cantidad de combustible inyectado,  así como la posibilidad de inyección piloto, son además las que  alcanzan las presiones más altas de inyección de entre todos los sistemas (2050 bares).

Los sistemas UIS y UPS incorporan bombas unitarias de inyección ( “pistón-embolo único”) para cada uno de los cilindros del motor, esta bombas son accionadas por levas montadas en el árbol de levas del motor, es decir son sistemas parecidos a los de “bomba unitaria PF”, pero a diferencia de estas, la cantidad de combustible entregado no está controlada por la hélice tallada en el pistón, sino por una válvula solenoide que controla tanto comienzo de la inyección como el tiempo de duración de la misma y por tanto la cantidad de diesel inyectado, esto les da un altísimo grado de control sobre las demandas actuales del motor.

El alto grado de flexibilidad de estos sistemas, ha hecho que se adapten con igual perfomance a un amplio rango de aplicaciones que van desde, automotores ligeros para pasajeros, vehículos comerciales y camiones pesados con potencias de salida de 30 – 80  Kw/cilindro, hasta motores de 500 Kw/cilindro usados enlocomotoras y barcos.

Finalmente, las etapas de  suministro de combustible y control diesel electrónico (EDC),  son similares para los dos sistemas  UIS / UPS así como su diseño y construcción, difieren solamente en la etapa de alta presión.

1.- Sistema de inyector unitario UIS (unit injector system)

El sistema de inyector unitario se caracteriza porque  la bomba de alta presión y el inyector forman una sola unidad ver Figura, y se  instalada una de estas unidades en la cabeza de cada cilindro, son accionadas directa o indirectamente por levas  montada en el árbol de levas del motor. Comparado con las bombas de inyecciónen línea y distribuidoras el sistema UIS trabaja con  presiones de inyección considerablemente más elevadas (hasta 2050 bar), debido a la eliminación de las cañerías de alta presión. Presiones de infección Los parámetros de la inyección del combustible son calculados por la ECU, y la inyección es controlada por la apertura y cierre de la válvula solenoide de alta presión.

Componentes de alta presión del sistema de inyector unitario (UIS):

1.     Leva accionante

2.     émbolo de la bomba

3.     válvula solenoide de alta presión

4.     tobera de inyección

SISTEMA DE INYECTOR UNITARIO UIS UI UPS

2.- Sistema de bomba unitaria (UPS)

Inglés: Unit Pump System.

El sistema de bomba unitaria usa el mismo concepto de operación del UIS pero, en contraste con este, el inyector (2) y la bomba están separados y unidos por un tramo corto de cañería de alta presión (3) acoplada con precisión a los respectivos componentes. La separación entre la etapa de generación de alta presión y el inyector, simplifica la instalación en el motor. El sistema UPS consta de una unidad de inyección por cada cilindro la misma que consta de una bomba de alta presión, línea de descarga, e inyector. Las bombas unitarias son accionadas por las jorobas montadas en el árbol de levas del motor.
También en el UPS, Los parámetros de la inyección del combustible, esto es la duración y comienzo de la inyección, son calculados por la ECU, y controlados por la apertura y cierre de la válvula solenoide de alta presión.
 

Inyección electrónica diesel 

Llamada en ingles EDC (Electronic Diesel Control). La inyección electrónica diesel es propiamente un sistema de gestión del motor capaz de monitorear y controlar todas la variables y sistemas involucradas en la entrega del combustible diesel a los cilindros bajo cualquier condición de operación con la finalidad de que dicha entrega de combustible se de en la cantidad exacta y en el momento preciso y con el mínimo de emisiones contaminantes.

De forma general, el sistema de gestión electrónica tiene sensores que miden en cada intervalo de tiempo las rpm y temperatura del motor, la presión y temperatura del aire en el múltiple de admisión, la posición del árbol de levas, y la posición del acelerador entre otras variables.

Estas señales son enviadas al CPU (Central Process Unit), donde son digitalizadas, de este modo pueden ser manipuladas y procesadas en intervalos de tiempo muy pequeños el resultado es una orden emitida a los actuadores electromecánicos encargados de inyectar el combustible, y/o controlar el adelanto o atraso de lainyección. Los sistemas EDC pueden operar tanto en lazo abierto como cerrado. Ver figuras.

El EDC es aplicable a todos los sistemas de inyección diesel modernos, esto es:
 

• Bombas de inyección en-línea, PE
• Bombas de inyección de distribución, VE y VR
• Sistemas de inyector unitario, UIS
• Sistemas de bomba unitaria, UPS
• Sistemas de riel común, CRS

Aunque estos sistemas de inyección difieren en muchos aspectos, y están instalados en una amplia variedad de diferentes vehículos, todos ellos están equipados con una forma similar de EDC.

Definición de "Ingeniería Mecánica"

Definición de "Ingeniería Mecánica"

Joseph Fourier

La Ingeniería Mecánica es la rama de la ingeniería que se dedica al estudio del diseño y construcción de elementos, máquinas, equipos y sistemas mecánicos para ponerlos al servicio de la humanidad, liberando al hombre del esfuerzo físico y dignificando su labor, para fomentar el desarrollo social y económico de la comunidad con su labor. La Ingeniería Mecánica analiza las necesidades y pone al servicio de ella los desarrollos de la “Ciencia universal”, traduciéndolos a los elementos, máquinas, equipos y sistemas, que presten un servicio adecuado, mediante el uso eficiente de los recursos disponibles.

La Ingeniería Mecánica es la profesión que aplica los conocimientos científicos y tecnológicos en las áreas de conversión de energía, manufactura y diseño; para desarrollar creativamente productos, maquinaria y sistemas teniendo siempre en mente aspectos ecológicos y económicos para el beneficio de la sociedad.

La Ingeniería Mecánica se encarga de la investigación, el diseño, la producción, la operación, la organización y los aspectos económicos de la generación, transmisión y utilización de la energía en forma térmica, y de los problemas relacionados con la producción de maquinaria, herramientas y sus productos, así como con la calefacción, la ventilación, la refrigeración y las instalaciones sanitarias.

PARTES FIJAS DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

BLOQUE DE CILINDROS

La función del bloque es alojar el tren alternativo, formado por el cigüeñal, las bielas y los pistones. En el caso de un motor por refrigeración líquida, la más frecuente, en el interior del bloque existen también cavidades formadas en el molde a través de las cuales circula el agua de enfriamiento, así como otras tubulares para el aceite de lubricación cuyo filtro también está generalmente fijo a la estructura del bloque.

Cuando el árbol de levas no va montado en la culata (como es el caso del motor OHV) existe un alojamiento con apoyos para el árbol de levas de las válvulas.

El bloque tiene conexiones y aperturas a través de las cuales varios dispositivos adicionales son controlados a través de la rotación del cigüeñal, como puede ser la bomba de agua, bomba de combustible, bomba de aceite y distribuidor (en los vehículos que los poseen).

Los materiales más usados son el hierro fundido y el aluminio, este último más ligero y con mejores propiedades disipadoras, pero de precio más elevado.

Resistiendo peor al roce de los pistones, los bloques de aluminio tienen los cilindros normalmente revestidos con camisas de acero.

El material del que son construidos los bloques tiene que permitir el moldeado de todas las aperturas y pasajes indispensables, así como también soportar los elevados esfuerzos de tracción de la culata durante la combustión, y alojar a las camisas de cilindro por donde se deslizan los pistones. Asimismo van sujetas al bloque las tapas de los apoyos del cigüeñal, también llamadas apoyos de bancada. Además, tiene que tener apoyos del cigüeñal reforzados.

 

Hay dos formas de hacer la parte interior del cilindro, por donde corre el pistón. Una es dar un tratamiento superficial al propio metal del bloque, que consiste en recubrirlo de un capa muy resistente de otro material distinto del que tiene el bloque. Por ejemplo, los recubrimientos a base níquel y silicio son de este tipo.

La otra es colocar dentro del cilindro una pieza aparte, que es la que se denomina «camisa». Una ventaja de la camisa es que, en caso de desgaste o deformación, se puede cambiar. Un inconveniente es que hacen que el motor ocupe más espacio.

Las camisas de cilindros deben reunir las condiciones siguientes:

• Suficiente solidez para aguantar la fuerza de los gases.
• Buena resistencia al desgaste del espejo del cilindro durante un largo plazo de funcionamiento del motor.
• Altas propiedades anti fricción y anticorrosivos.
• Empaquetadura firme.
• Posibilidad de dilatarse en sentido longitudinal (para las camisas húmedas)

Hay camisas secas y camisas húmedas. Las camisas bañadas directamente por el líquido de refrigeración se llaman húmedas , y las camisas cuya superficie externa está en contacto con la superficie interna del cilindro reciben el nombre de camisas secas .

Camisas húmedas

Las camisas húmedas extraen mejor el calor y se usan en los motores forzados. Los bloques-cárter de camisas húmedas son menos rígidos que los de camisas secas. 

Para aumentar la rigidez de las camisas húmedas su superficie externa se hace algunas veces con tendones circulares.

Las camisas húmedas se refrigeran mejor y se pueden sustituir con facilidad cuando se deterioran, sin necesidad de quitar el motor del chasis. En este caso se montan camisas, émbolos y segmentos nuevos por lo que se encarece el costo a diferencia de las camisas secas.

Para que conserve su forma geométrica, la camisa tiene dos resaltes anulares guiadores (uno arriba y otro abajo), siendo el diámetro del inferior algo más pequeño que el del superior. Las superficies de apoyo de las camisas húmedas se colocan en unos salientes anulares que tiene el bloque de cilindros cuya rigidez debe ser suficiente para que al apretar los espárragos se altere lo menos posible la forma geométrica de la camisa.

Camisas secas

El empleo de camisas secas postizas da la posibilidad de conseguir superficies altamente resistentes al desgaste con pequeños gastos de materiales de aleación caros.

Las camisas secas se colocan a todo lo largo del cilindro (fig. 1, a) o solamente en su parte superior (fig. 1, b), donde se observa el mayor desgaste. A veces las camisas secas se colocan en el cilindro libremente en toda su longitud, dejando un pequeño huelgo. Así, en algunos motores el huelgo entre la camisa y el cilindro llega a 0,05 mm. Cuando el motor funciona esta holgura desaparece, debido a que la [[temperatura]Τ de las camisas no es igual a la de las paredes del bloque. Las camisas secas ajustadas a presión que se colocan a todo lo largo del cilindro pueden carecer de rebordes anulares de apoyo.

A diferencia de las camisas húmedas este tipo de camisas permite ser maquinada, aumentando el diámetro interior, hasta un número de veces especificados por el fabricante para lo cual se disponen de émbolos y segmentos nuevos que se ajusten a las nuevas medidas y cuando no admite reparación puede ser sustituida por una nueva de medida original.

Estructura

El bloque-cárter de los motores de automóvil se hace frecuentemente con camisas postizas. La rigidez del bloque de cilindros depende del tipo de camisa y de su ajuste.

Para evitar que la camisa se desplace axialmente si se agarrota el émbolo se deben utilizar anillos de apoyo de seguridad 1 (fig. 2). La holgura s permite que la camisa se desplace libremente al deformarse termicamente.

Los salientes anulares en que descansan los planos de apoyo de las camisas se pueden hallar junto a la superficie del bloque (fig. 3, a), o a una distancia de dicha superficie igual a 1/3 - 1/2 del diámetro del cilindro (fig. 3, b), o en la parte inferior del bloque (fig. 3, c).

Con la posición más baja del plano de apoyo de la camisa con respecto a la culata de los cilindros, mejoran las condiciones de refrigeración de la parte superior de la camisa y desciende la temperatura de los segmentos del émbolo.

La junta de la camisa con la culata de los cilindros se puede empaquetar haciendo una ranura circular 1 (fig. 3, b) en la culata de los cilindros, lo que da la posibilidad de disminuir el espesor de la parte superior de la camisa y, de esta forma, conseguir que se caliente un poco menos. El área de la superficie anular de apoyo de la camisa húmeda de fundición no excede del 15% del área del émbolo (fig. 4, a). Los salientes de apoyo pueden ser de formas diversas (fig. 4, a y b). A pesar de las ventajas que hemos indicado, el uso de las camisas cambiables complica la construcción del motor y aumenta su masa y costo.

Materiales

En la mayoría de los casos las camisas se hacen de fundición ácido-resistente de alta aleación con estructura austenítica, a veces se hacen de acero 38XM1OA. El desgaste de las camisas, que depende de la dureza de la superficie del espejo del cilindro, aumenta al disminuir la dureza. Así, por ejemplo, las camisas cuya dureza es HB 140 - 160 se desgastan 2 veces antes que las que tienen la dureza HB 220 - 250 (siendo la dureza de los segmentos de los émbolos HB 230 -260).

Para elevar su resistencia, el espejo de los cilindros se recubre de una capa delgada de cromo poroso (de 0,05 -0,08 mm de espesor). Cuando el diámetro del cilindro no es mayor de 250 mm el recubrimiento antedicho es seguro.

Las camisas de acero se colocan solamente en los motores de gran potencia. El espejo de estos cilindros se distingue por su elevada resistencia al desgaste, ya que la superficie interna de la camisa se nitrura. La dura capa nitrurada resiste bien el desgaste y posee una considerable resistencia a la corrosión a alta temperatura. Al mismo tiempo aumenta la duración de los segmentos de fundición de los émbolos, porque el coeficiente de rozamiento de éstos con la superficie nitrurada es pequeño.

En el desgaste de las camisas y de los segmentos de los émbolos ejerce gran influencia el acabado de sus superficies (0,35 - 0,45 µ). El recubrimiento con una capa de cromo poroso del segmento superior del émbolo y el acabado antedicho de la superficie interna de la camisa contribuyen a elevar la resistencia al desgaste de las camisas y los segmentos.

Dimensiones estructurales

El espesor de las paredes de las camisas secas se hace igual a 3 - 5 mm, y el de las húmedas se determina por la correlación S=(0,06 - 0,10) D, teniendo en cuenta la posibilidad de mandrilar las camisas al hacer la reparación. El espesor de la pared de la camisa en las secciones de las ranuras de empaquetamiento no debe ser menor de 5 mm, y en las secciones de los resaltes anulares guiadores, 2 -3 mm mayor que el espesor mínimo.

Modos de aumentar la durabilidad

La duración de las camisas se puede aumentar de los modos siguientes:

Instalando un termostato en el sistema de refrigeración, en cuyo caso el desgaste de la camisa disminuye en 2 veces por término medio.

Utilizando ventilación en el cárter para desalojar los gases que llegan a él desde los cilindros.

Empleando filtros de papel de depuración fina.

Depurando el aire en dos etapas.

Colocando delante del radiador persianas mandadas por un termostato independiente.

CICLO TERMODINÁMICO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

El ciclo termodinámico consta de seis procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la carga del mismo:

E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga) 

A-B: compresión isoentrópica 

B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil 

C-D: fuerza, expansión isoentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo 

D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante 

A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la carga) 

Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos.

Descripción del ciclo termodinamico: 

1. Durante la primera fase el pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro (esto no significa que entre de forma gaseosa). 
2. Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla. 
3. Durante la tercera fase se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón. Él la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización. 
4. En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS, expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo (renovación de la carga) 

Para mejorar el llenado del cilindro, también se utilizan sistemas de sobre alimentación, ya sea mediante empleo del turbocompresor o mediante compresores volumétricos o también llamados compresores de desplazamiento positivo.

El motor de combustión interna

Se denomina así al motor que transforma la energía térmica en energía mecánica, mediante la combustión de una mezcla de aire y carburante que se quema interiormente generando un trabajo mecánico.

Los motores térmicos de combustión interna empleados en automoción deben reunir una serie de cualidades:

- Buen rendimiento, es decir, que transforme en trabajo buena parte de la energía que produce la combustión.

- Bajo consumo en relación a su potencia. - Gases de escape poco contaminantes

- Fiabilidad y durabilidad

- Bajo coste de fabricación y mantenimiento.

El motor de combustión interna fue diseñado a finales del siglo XIX. Su funcionamiento es, en algunos aspectos, similar al de la máquina de vapor: un pistón situado en un cilindro se expande y contrae ejerciendo una fuerza. El líquido introducido dentro del cilindro es un derivado del petróleo al que, a continuación, se prende fuego. Al estar sometido a presión, el combustible no arde normalmente, sino que estalla. Esta explosión empuja el pistón hacia afuera, ejerciendo un trabajo. Posteriormente, entra nuevo combustible en el cilindro y se vuelve a comprimir para empezar de nuevo el ciclo. 

Los motores comerciales se fabrican con varios cilindros, ya que este sistema permite obtener más potencia y ofrece menos problemas que los que plantea un motor provisto de un único cilindro de mayor tamaño. En este dispositivo, la posición de los cilindros se calcula para que, en un momento dado, cada uno se halle en un ciclo distinto, uno en admisión, otro en compresión, otro en explosión y otro en escape. De este modo, se obtiene un funcionamiento más estable, sin vibraciones, y en el que cada cilindro, al hacer explosión, ayuda a los demás a moverse.

Los cilindros de un motor pueden estar dispuestos de varias formas, siempre en relación con su número y con las dimensiones del vehículo que deban impulsar. En el motor de los automóviles, se colocan generalmente en línea, si van todos paralelos; en y, si la mitad se halla inclinada en un pequeño ángulo con respecto a la otra mitad; y en Boxer o contrapuestos, si unos se encuentran enfrentados a los otros.

El motor de combustión interna ha sustituido a la gran mayoría de máquinas de vapor debido a sus considerables ventajas. En primer lugar, el aprovechamiento de la energía es mayor. El origen de la energía se sitúa en el interior del cilindro, y no en el exterior como en la máquina de vapor. Por otra parte, no es necesario cargar con grandes cantidades de agua. Los vapores empleados son los propios del combustible al explosionar. El tamaño del motor se reduce considerablemente y facilita su instalación en vehículos pequeños. Por último, este motor es capaz de realizar en poco tiempo una gran variación de energía, comparado con la máquina de vapor. Un motor de combustión interna ligero puede pasar en pocos segundos de una posición de reposo a otra en la que proporcione la máxima energía, tardando sólo unos minutos en sistemas de grandes dimensiones, como los barcos. Esta característica lo convierte en el mecanismo ideal para aplicaciones con cambios frecuentes de energía, como puede ser el motor de un automóvil, un tren o un barco.

Clasificación de motores de combustión interna

Existen distintos criterios para clasificar los motores de combustión interna: según el combustible utilizado, el número y la disposición de los Cilindros, el tipo y la colocación de las válvulas o el sistema de enfriamiento empleado. La clasificación más frecuente se basa en el tipo de ciclo, es decir, en el número de tiempos por ciclo (entendiendo por tiempo una carrera hacia arriba o hacia abajo del émbolo a lo largo del cilindro).

En el denominado motor de explosión de cuatro tiempos, en cada ciclo de motor (llamado ciclo de Otto) se suceden cuatro tiempos (admisión, compresión, explosión y escape).

En el denominado motor de dos tiempos, cada ciclo de motor consta de sólo dos tiempos, combinándose en uno la admisión y la compresión y en el otro la expulsión y el escape. Estos motores se emplean con gasolina.

Funcionamiento del motor de explosión de cuatro tiempos

El motor de explosión de cuatro tiempos es utilizado en la mayor parte de los automóviles. En su funcionamiento se suceden cuatro tiempos o fases distintas, que se repiten continuamente mientras opera el motor. A cada uno de estos tiempos le corresponde una carrera del pistón y, por tanto, media vuelta del cigüeñal.

En el primer tiempo, llamado de admisión, el pistón se encuentra en el punto muerto superior y empieza a bajar. En ese instante se abre la válvula de admisión, permaneciendo cerrada ¡a de escape. Al ir girando el cigüeñal, el codo va ocupando distintos puntos de su recorrido giratorio, y, por medio de la biela, hace que el pistón vaya bajando y provocando una succión en el carburador a través del conducto que ha abierto la válvula de admisión, arrastrando una cantidad de aire y gasolina, que se mezclan y pulverizan en el carburador. Estos gases van llenando el espacio vacío que deja el pistón al bajar. Cuando ha llegado al punto muerto inferior, se cierra la válvula de admisión y los gases quedan encerrados en el interior del cilindro. Durante este recorrido del pistón, el cigüeñal ha girado media vuelta.

Al comenzar el segundo tiempo, llamado de compresión, el pistón se encuentra en el punto muerto inferior y las dos válvulas están cerradas. El cigüeñal sigue girando y, por tanto, la biela empuja al pistón, que sube. Los gases que hay en el interior del cilindro van ocupando un espacio cada vez más reducido a medida que el pistón se acerca al punto muerto superior. Cuando alcanza este nivel, ¡os gases ocupan el espacio de la cámara de compresión y, por tanto, están comprimidos y calientes por efecto de la compresión. Al elevarse la temperatura, se consigue ¡a vaporización de ¡a gasolina y la mezcla se hace más homogénea, por lo que existe un contacto más próximo entre la gasolina y el aire. Durante esta nueva carrera del pistón, el cigüeñal ha girado otra media vuelta.

El tercer tiempo es el llamado de explosión. Cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior después de acabada la carrera de compresión, salta una chispa en la bujía, que inflama la mezcla de aire y gasolina ya comprimida y caliente, la cual se quema rápidamente. Esta combustión rápida recibe el nombre de explosión y provoca una expansión de los gases ya quemados, que ejercen una fuerte presión sobre el pistón, empujándolo desde el punto muerto superior hasta el inferior. A medida que el pistón se acerca al punto muerto inferior, la presión va siendo menor, al ocupar los gases un mayor espacio. En este nuevo tiempo, el pistón ha recibido un fuerte impulso, que transmite al cigüeñal, que por inercia seguirá girando hasta recibir un nuevo impulso. Cuando el pistón llega al punto muerto inferior, se abre la válvula de escape, y permanece cerrada la de admisión. Durante esta nueva carrera del pistón, denominada motriz por ser la única en que se desarrolla trabajo, el cigüeñal ha girado otra media vuelta.

Al comenzar el cuarto tiempo, llamado de escape, el pistón se encuentra en el punto muerto inferior, y la válvula de escape se ha abierto, por lo que los gases quemados en el interior del cilindro escaparán rápidamente al exterior a través de ella, por estar sometidos a mayor presión que la atmosférica. El cigüeñal sigue girando y hace subir al pistón, que expulsa los gases quemados al exterior. Cuando llega al punto muerto superior, se cierra la válvula de escape y se abre ¡a de admisión. Durante el tiempo de escape, el pistón ha realizado una nueva carrera y el cigüeñal ha girado otra media vuelta. Acabado el tiempo de escape, el ciclo se repite.

Como ha quedado expuesto, las válvulas se abren y cierran coincidiendo con el paso del pistón por el punto muerto superior e inferior. Para conseguir un mayor rendimiento en los motores, se hace que las válvulas se abran y cierren con un cierto adelanto o retraso respecto a los momentos indicados. Son las llamadas cotas de la distribución, cuyos valores son determinados por el fabricante y calculados para que el motor desarrolle la máxima potencia.

Ciclo real  de funcionamiento 

En el ciclo teórico que estudiamos anteriormente no tuvimos en cuenta ciertos fenómenos que ocurren en los procesos termodinámicos como:

·        Tiempo en que se realiza la combustión

·        Evolución politrópica tanto en la compresión como en la expansión.

·        Resistencia de los conductos al paso de los fluidos.

·        Transferencias de calor de las masas metálicas  

Si tomamos el diagrama real un motor notaremos la incidencia de aquellos factores y las correcciones que se realizan con el fin de mejorar el rendimiento térmico.

Admisión : En esta carrera para lograr que la mezcla de aire combustible ingrese al cilindro, se debe vencer la resistencia del filtro de aire, y conductos.

Todo esto trae como consecuencia que el pistón en su carrera descendente debe realizar un trabajo negativo, tanto mayor como sean estas resistencias antes mencionadas.

Compresión: En esta evolución la mezcla aire combustible es comprimida dentro del cilindro hasta alcanzar la temperatura optima.

Luego de esto se produce el encendido de la chispa. En el cilindro en este tipo de motores es una masa metálica refrigerada. Los elementos fundamentales que constituyen el sistema de refrigeración son el radiador, la bomba de agua termostatos y mangueras. Todo esto hace que el resultado de la transformación sea politrópica. Debemos recordar que la temperatura del motor se debe mantener dentro de cierto rango para  lograr  una efectiva lubricación de sus componentes.

Ignición: La ignición se produce por el salto de la chispa dentro del fluido comprimido a una determinada temperatura. La combustión es rápida pero no es instantánea como la pretende el ciclo teórico.

El tiempo real oscila entre 0.01-0.001 seg. , por lo tanto debemos tener en cuenta que si hacemos saltar la chispa al llegar al PMS la combustión se realizara cuando el motor esta retrocediendo, lo mencionado anteriormente produce una perdida importante en el ciclo.

Para dar solución a este problema se anticipa la chispa antes de llegar al PMS, está es lo que denomina avance al encendido, corrección en el ciclo real.

Expansión: La expansión de los gases se produce según una transformación politrópica.

Podemos apreciar una perdida de trabajo respecto al ciclo ideal.

Escape: Finalizada la combustión de la mezcla los gases deben ser retirados del cilindro para el ingreso de la nueva mezcla y completar el ciclo.

Si esperamos abrir la válvula de escape en la coincidencia con el final de la carera de expansión la carrera de escape se iniciara con precisión dentro del cilindro. Para corregir este problema que demanda una potencia adicional  se procede a comenzar la apertura de la válvula de escape antes de finalizar la carrera de expansión, por tanto cuando iniciamos la carrera de escape la presión interna a disminuido notablemente reduciendo en gran medida el trabajo requerido para dicha operación.