Resumen

Los motores de combustión interna revolucionaron el mundo de la energía, se dio origen a un nuevo tipo de cambio de energía calorífica a mecánica.

En este informe veremos los puntos más resaltantes sobre Los motores de combustión interna como su división por el tipo de ciclo que siguen ; donde puede ser un motor de combustión interna de cuatro tiempos o uno de dos tiempos, esta diferencia se basa en la carrera que realiza el pistón y en las vueltas del cigüeñal.

Un motor de combustión interna depende básicamente de una combustión entre un hidrocarburo y aire, si bien hay dos tipos de motores más resaltantes como son el motor Otto y el motor diésel la diferencia se basa en el tipo de encendido de la combustión que también la explicaciones era extendida en el presente informe.

La función de un ingeniero mecánico se basa en saber el porqué de las cosas y es que cada pieza de un motor de combustión interna está diseñado de tal forma que las propiedades del material del que están hechos mejoran la eficiencia, el tiempo de duración y el correcto funcionamiento del motor por lo que es importante conocer el material de cada componente.

Por último, se obtendrán los parámetros constructivos de un motor de combustión interna, mediante una experiencia previa donde se utilizara los métodos necesarios para hallar cada uno ya sea la carrera del pistón, la cilindrada, el volumen muerto y la relación de compresión.

Motor de 4 tiempos

Historia

Cuando se piensa en un motor de 4 tiempos inmediatamente lo relacionamos al ciclo que

realiza y a un automóvil, y es que el primer motor de cuatro tiempos fue construido por

Carl Benz, el padre del automóvil, en 1885. Sin embargo el motor de Carl Benz tenía un

antecedente , el belga Etienne Lenoir que construyo su primer diseño practico de un

motor de combustión interna 25 años antes que Benz dando origen a una evolución y dio

una serie de principios técnicos que han permanecido inmutables hasta hoy , le mas

resaltante es sobre la combustión interna .

En 1876, un ingeniero alemán Nicholas Otto construyo el motor de encendido por chispa

que en la actualidad se sigue usando.

En 1895, Rudolf Diesel presento su primer motor el cual llamo la atención debido a que

consumía menos combustible y por sus novedosos encendido por compresión. Sin

embargo a pesar de las ventajas del motor Diesel, un inconveniente era que este motor

no podía alcanzar regímenes altos de revoluciones.

A finales de 1922 Robert Bosch comenzó a desarrollar un sistema de inyección para

motores Diesel ya en 1925 logro culminar la bomba de inyección la cual se hizo muy

famosa y comenzó su producción en serie .Esta bomba le proporciono al motor Diesel

alcanzar la velocidad deseada.

Partes de un motor de 4 tiempos de encendido por chispa

Bujía

La bujía es el elemento que enciende el combustible por medio de una chispa que se genera entre los electrodos que lleva en la parte inferior,

Partes de la bujía:

Conexión: En esta parte se conecta el cable de encendido desde donde deberá transportarse un voltaje hacia el otro extremo .Esta hecho de acero SAE o rosca 4 mm.

Aislador: Es un cerámico que impide que se produzca un salto de la tensión alta a la masa del vehículo y conducir el calor de la combustión a la culata.

Barreras de corriente de escape: Es la parte externa del aislador que no permiten el paso del voltaje, aumentan la resistencia

Resistencia antiparasitaria: En el interior de la bujía hay un vidrio fundido que sirve como resistencia a las interferencias

Electrodo central: Están hechos de aleación de níquel para la resistencia a la corrosión y en el núcleo tienen cobre para tener una buena conductividad.

Carcasa metálica: Esta hecho de acero niquelado y sirve para la buena conducción del calor.

Anillo obturador: Evita que salga el gas de combustión de la bujía además conduce el calor a la culata permitiendo equilibrar los diferentes comportamientos de expansión entre la culata y la caja de la bujía.

Electrodo de masa: Esta fabricado de una aleación de níquel, sirve como polo opuesto al electrodo central para el encendido de la chispa.

Fuente: Sitio web NGK

Colector de admisión:

El colector de admisión esta hecho de aluminio debido a que no es necesario que soporte altas temperaturas presenta pequeñas dilataciones y así siendo de este material se reduce el peso del motor.

El colector de admisión sirve para la correcta distribución de ingreso de aire al cilindro donde se realizara la combustión , por su diseño distribuye el aire a cada cilindro de manera que disminuyen las pérdidas de carga ; y para que esto se cumpla las longitudes de los tubos deben ser cortas y los más equidistantes posibles al carburador .

Ya que el ingreso del aire es constante la superficie interior debe ser rugosa con lo que se genera una turbulencia del aire y contribuye a una mejor pulverización del combustible.

Colector de escape:

El colector de escape esta hecho de hierro fundido debido a que soporta altas temperaturas y altas presiones por los gases de combustión, el colector de escape tiene que tener un conducto para cada cilindro debido a que si los gases de escape del primer cilindro se juntan con el segundo puede que algunos gases vuelvan hacia el motor y eso puede causar problemas.

Su diseño está pensado en la correcta distribución de expulsión de gases de escape.

Fuente: Fotografiada en Laboratorio de motores

Válvula de admisión

Están hechas de acero al cromo silicio debido a que estos materiales tienen buena resistencia mecánica ya sea a la compresión y al desgaste sin embargo no tienen buena resistencia a la corrosión.

Las válvulas de admisión sirven para el ingreso del aire hacia la cámara de combustión, estas se emplean para que la admisión sea hermética. La válvula de admisión consta de dos partes la cabeza y el vástago.

Cabeza de vástago: tiene que ser resistente a la compresión al desgaste y totalmente hermética además de resistir altas temperaturas por la cara que va a ir en contacto a la cámara de combustión entre 200 a 400 °C; en los automóviles se usa la cabeza con cara plana

Vástago: El vástago es la parte que recorrerá la “carrera” de la válvula. El cual usualmente tiene un hueco interior donde se coloca sodio, al funcionar el motor el sodio se vuelve líquido y con el movimiento permite la refrigeración de la válvula y la disminución de su temperatura.

Válvula de escape

Están hechas de acero cromo níquel debido a que las temperaturas que soporta son mayores gracias a los gases de combustión que salen entre 600 a 800 °C. Tienen una particularidad ya que está sometidas a elevados esfuerzos térmicos y químicos el asiento esta recubierto de estelita que ayudara a reforzar el asiento de la válvula.

Una diferencia que se puede notar entre las dos válvulas es que el asiento de la válvula de admisión es mayor que la de escape sin embargo los vástagos tienen la misma longitud.

Ambas válvulas tienen un funcionamiento por medio de un resorte, se las presiona y se desplazan hacia abajo cuando quieren abrir la válvula, y vuelven a cerrarse por medio del resorte.

Fuente: Wikipedia – Válvula de asiento

Culata

Es la pieza que sirve de cierre de los cilindros, formándose generalmente en ella las

cámaras de combustión. En la culata se instalan las válvulas de admisión y escape, los

colectores de admisión y escape, el árbol de levas, también los elementos de encendido o

inyección, según el tipo de motor de que se trate. Además de las cámaras de combustión

la culata tiene cámara para el líquido de refrigeración y conductos para los gases de

escape y aire de admisión.

El material que se usa puede ser una aleación de aluminio, silicio y magnesio debido a su

resistencia, su bajo peso y su buena transferencia de calor. Sin embargo también hay

culatas hechas por hierro fundido debido a que soportan altas temperaturas y por ende

soporta deformaciones que el aluminio no.

Pistón

Es el elemento básico de la combustión es aquel que por medio de su movimiento se da

la transformación de energía química en mecánica. Se trata de un embolo ajustado en el

cilindro por medio de los anillos, efectuando un movimiento alternativo que implica las

diferentes fases del ciclo del motor .El material del que está hecho tiene que tener las

siguientes características:

Soportar altas temperaturas y altas presiones

Soportar el esfuerzo mecánico aplicado por la biela

Ser resistente al desgaste sobre todo la parte de los anillos

Debe soportar altas velocidades y aceleraciones.

Entonces habiendo reunido todos estos requerimientos se llega a la conclusión que el

material base del pistón es el aluminio, las aleaciones de aluminio más usadas son

aluminio cobre níquel o aluminio –silicio debido a que cumplen todos los requisitos

anteriores y además ofrecen una óptima resistencia y un elevado coeficiente de

conductividad térmica.

El silicio es un componente que es un agente grafitizante , desoxida el hierro y aumenta el

carbono con lo cual aumenta la resistencia mecánica del hierro además hace que el

pistón mejore su maleabilidad y maquinabilidad.

Hay dos formas de fabricar los pistones

Aluminio fundido: Es común encontrar este tipo de pistón ya que es más

económico y sencillo de realizar al ya tener la matriz y obtener el producto casi

listo solo es maquinada la parte de los anillos.

Aluminio forjado: Al ser forjado sus propiedades mecánicas como resistencia a la

compresión y al desgaste son mejores en comparación al fundido.

Fuente: Sitio web http://es.wikipedia.org

Anillos del pistón

Son los elementos que estar en contacto permanente con el cilindro, por la tanto al sufrir desgaste por parte de él, el material que debe ser usado debe ofrecer dureza, resistencia al desgaste , esto se obtiene con el acero .

Los anillos del pistón cumplen las siguientes funciones

Cerrar la cámara de combustión de manera que los gases no escapen al cárter Conecta el pistón con el cilindro evitando el desgaste del primero y ayudando a la

trasferencia de calor. Regula el consumo de aceite debido a los agujeros que presenta ; ya que su

espesor es menor al del fundido

Fuente: Sitio web http://www.itacr.com/source02.html

Biela

Es el componente que va acoplado al pistón y al eje del cigüeñal. Cumple la función de transmisión de movimiento. La biela se divide en tres partes

Parte trasera: que es la que va acoplada al pistón y tiene un eje de menor diámetro

Cuerpo: esta parte de la biela es sometida a esfuerzos de tracción y compresión dependiendo de la fase en la que se encuentre el motor.

Cabeza: está conectada al eje del cigüeñal tiene un mayor diámetro además de subdividirse en dos partes. la parte inferior a la que s ele llama sombrerete esto se hace con el fin de hacer desmontable el cigüeñal.

El material que se usa para este componente es acero templado en la gran mayoría sin embargo hay autos de competencia en donde se usa titanio o aluminio.

Fuente: Sitio web http://www.saenzgroup.net/bielas.html

Bulón

Es el componente que conecta el pistón con la biela, e s un eje hueco que pasa a través

del agujero del pistón. Este eje es sometido a desgaste debido al continuo movimiento

lineal del pistón y rotativo respecto a la biela.

El material del que está hecho el bulón es acero 45 de refinación selectiva; acero 45XA,

templando después el bulón, Una parte importante para ayudar al bulón a que tenga un

mayor tiempo de duración es la lubricación del mismo, este se da por medio de los anillos

del pistón donde entra continuamente el aceite y vuelve al cárter, esto sirve para ayudar al

mejoramiento de anti desgaste desde bulón

Fuente: Sitio web http://www.ecured.cu/index.php/Archivo:Bul%C3%B3n_procediimientos.PNG

Cigüeñal

Es un eje compuesto por contrapesos que tiene la función de transformar el movimiento

alternativo del pistón en movimiento giratorio del automóvil, por medio de la conexión

pistón biela eje de cigüeñal.

Posee las siguientes características:

Resistente a la torsión ya que necesita resistir la fuerza de empuje de la biela

cuando se da la combustión, por eso es que esta hecho de una aleación de acero.

Resistente a los golpes debido a la combustión evitando agrietamientos en el

cigüeñal

Resistente al desgaste donde el material debe poseer un bajo coeficiente de

fricción

El material debe poseer un alto coeficiente de amortiguamiento para poder

disminuir el efecto delas vibraciones

Su diseño está pensado en el equilibrio estático y es por eso que la mayoría hace que el

cigüeñal sea hueco por dentro y el equilibrio dinámico colocando contrapesos ya si

evitando vibraciones en el motor.

Tiene dos partes importantes que son los casquetes de bancada que es la manera de fijar

el cigüeñal al bloque del motor y la otra parte que es el casquete de biela que es donde se

da la conexión biela cigüeñal. La lubricación del cigüeñal se da por unos conductos que

presenta en los codos del cigüeñal donde el recorrido del aceite va desde casquetes de

bancada es dirigido hacia los casquetes de las bielas.

Si bien el material debe ser resistente a la torsión no debe exagerar en cuanto a dureza

(<40 HRC) y a que si es más duro se hace más frágil lo cual haría que el cigüeñal

colapse

Dependiendo de la cantidad de cilindros que se necesite se dará forma al orden del

cigüeñal puede ser en V puede ser lineal.

Cárter

El cárter es el depósito de aceite del motor que sirve como sistema de protección para el cigüeñal las bielas de la suciedad y las partículas que puedan haber en el ambiente afectando el proceso de funcionamiento del motor ; además sirve para lubricar las partes del motor que necesiten engrase y evitar el desgaste de los anillos .

El material del cárter en los automóviles modernos es aluminio ya que es resistente a las presiones ejercidas en el motor y a la vez es ligero y quita peso al motor.

Su diseño se divide en dos partes

Carter superior: donde va todos los cojinetes del cigüeñal además de los cilindros y en si todo el bloque del motor

Carter inferior: dónde va el aceite que será bombeado a todas las partes del motor que lo necesiten además ahí se ubica la bancada donde se fija el cigüeñal.

Fuente: Sitio Web http://www.mecanicaymotores.com/el-carter-del-motor.html

Principio de funcionamiento de un motor de 4 tiempos

En el ciclo de un motor tenemos cuatro fases que se dan en un total de 2 vueltas en el

cigüeñal

ADMISION

La primer fase es la admisión donde se da el ingreso del aire y es cuando la válvula de

admisión se abre y la válvula de escape está cerrada, y el pistón se desplaza hacia abajo

hasta llegar al PMI y luego se da el retraso del cierre de válvula de admisión, hasta ahí el

cigüeñal ha dado media vuelta.

En un motor Otto en la fase admisión es una mezcla de aire y combustible gasolina la que

entra a la cámara de combustión.

En un motor Diesel en la fase admisión solo entra aire.

COMPRESION

La segunda fase es la compresión y es donde ambas válvulas están cerradas.

En un motor Otto en la fase de compresión se enciende la chispa en la bujía y comienza

la combustión

En un motor Diesel en la fase de compresión se comprime el aire hasta que llega a una

temperatura de 700 a 900 °C cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior

se comienza la inyección de combustible Diesel a una alta presión y se sigue

comprimiendo hasta que la mezcla se encienda y comience el siguiente proceso.

EXPANSION

Esta fase es también conocida como la fase de trabajo ya que es aquí donde se le da

trabajo al cigüeñal y donde por medio de la combustión el pistón se desplaza provocando

un movimiento giratorio al cigüeñal .

En un motor Otto y en un motor Diesel la fase de expansión es similar ya que la mezcla

que combustiono hace desplazar al pistón. Esta expansión se da hasta el adelanto de la

apertura de la válvula de escape hasta aquí el cigüeñal gira media vuelta más.

ESCAPE

Esta es la última fase del proceso de funcionamiento de un motor y se divide en dos partes escape libre y escape forzado

Empieza cuando se abre la válvula de escape por donde salen los gases de combustión a través del desplazamiento del pistón del PMI al PMS sin embargo no todos los gases logran salir por si solos necesitan un segundo empujón y eso se dará con la abertura de la válvula de admisión donde el aire desplazara a los gases que aún se encuentren en la cámara de combustión y otra vez comenzara el proceso de admisión.

FUNCIONAMIENTO DE MOTOR DE DOS TIEMPOS

El motor de dos tiempos depende más de su cigüeñal de su forma y a diferencia de un

motor de cuatro tiempos en el lado del cárter no hay aceite ya que este tipo de motor se

usa cuando el sistema donde se usara el motor es móvil .

ADMISION Y COMPRESION

El volante aspira la mezcla de combustible y aire por medio de la lumbrera de admisión y

entra en la parte inferior del motor; por medio del giro del cigüeñal arrastra y lo expulsa

por medio de una tobera hacia la cámara de combustión donde la lumbrera de admisión

esta cerrada y la lumbrera de transmisión abierta al igual que la de escape .

El pistón comprime la mezcla y así el pistón cierra la lumbrera de admisión y la de escape

de tal manera que la mezcla se enciende por medio de la chispa de la bujía.

Produciéndose el siguiente tiempo.

EXPLOSION Y ESCAPE

En el segundo tiempo se da la explosión de la mezcla y por la tanto el pistón se expande y

se da el escape de los gases de combustión teniendo a la lumbrera de admisión abierta

para que ingrese la nueva mezcla la lumbrera de transmisión. La explosión produce un

desplazamiento del pistón haciendo que se vuelva a repetir el ciclo.

METODOLOGIA

Se trabajó con el motor Diesel NISSAN SD 22

Procedimiento:

1. Se retiró la tapa del motor

2. Posteriormente se separó los colectores de admisión y escape del motor.

3. Para poder observar los cilindros se retiró la culata reconociendo el primer cilindro

con el cual trabajaríamos a partir de ese momento

4. Cuando se veía el cilindro se midió el diámetro para poder hallar su volumen

desplazado.

5. Se realizó el localizamiento del punto muerto superior usando un reloj comparador

donde el embolo estaría en su punto muerto superior hicimos este nivelado con la

ayuda del volante. Girando el volante ubicamos nuestro punto de referencia.

6. A partir de ahí contamos los dientes del volante para poder ubicar la mitad del total

de dientes donde se ubicaría el punto muerto inferior. Es así que se marcó el

punto muerto inferior y el punto muerto superior.

7. Se halló el volumen muerto por medio de la inyección de aceite en la cámara

donde se almacena el volumen muerto además de la superficie desnivelada entre

punto muerto superior y la cara de la culata.

8. Se midió la carrera del pistón con la ayuda del vernier

9. Una vez hallado el volumen muerto se volvió a armar el motor para poder realizar

el cálculo de los ángulos del ciclo del motor Diesel y poder realizar cada fase del

proceso.

10. Se calibro las válvulas con la ayuda de una platina de aluminio, una vez calibradas

se comenzó con el proceso.

11. Evaluando cada una de las fases comenzando con la expansión ya que ambas

válvulas estaban cerradas y el pistón iba a desplazarse desde el punto muerto

superior al punto muerto inferior.

12. Entonces nos tocaba la siguiente etapa que es la abertura de la válvula de escape.

13. Luego se da la abertura de la válvula de admisión y un poco después se da la

cierre de la válvula de escape; ahora se da una vuelta para lograr el cierre de la

válvula de admisión.

TOMA DE DATOS

D= 82.7 mm

Espesor de empaquetadura = 1.5 mm

Z : Angulo de paso

N=número de dientes

Z=360N

=36099

=3.63 °

Vm : volumen muerto hallado por medio de la diferencia inicial y final de aceite

Vm=23 ml

S : carrera

S= 101.3 mm

αAVE=12 x3.63 °=43.56 °

αAVA=6.5 x 3.63°=23.59 °

βCVE=5 x3.63 °=18.15 °

βCVA=26.5 x 3.63°=96.195 °

CALCULOS

Vh: volumen útil de desplazamiento

Vh= π x 82.72 x101.34

Vh= 543863.76 mm3

Vm= 23x1000 mm3

Ve=π x 82.72 x 1.54

Ve=8053.26

K=1+ 543863.7631053.26

K= 17.5

K: relación de compresión

CONCLUSIONES