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Tema 7: Motores térmicos
Tecnología Industrial II
Motores
térmicos
Combustión
interna
Combustión
externa
Alternativos
Rotativos
Alternativos
Rotativos
Explosión (gasolina)
Diesel
4 tiempos
2 tiempos
Motor Wankel
Turbina de gas c.a.
Máquina de vapor
Turbina de vapor
Turbina de gas de ciclo cerrado
Turborreactor
Estatorreactor
Turbohélice
Máquinas que tiene por misión transformar energía térmica en mecánica que sea directamente utilizable para producir trabajo.
Cuando la energía procede de quemar combustibles se llaman motores de combustión.
La combustión se produce en una cámara interna al propio motor, y son los gases generados los que causan directamente el movimiento de los mecanismos del motor.
El calor desprendido al quemarse el combustible es transmitido a un fluido intermedio, el cual produce la energía mecánica.
El fluido de trabajo actúa sobre pistones dotados de movimiento alternativo de subida y bajada
El fluido actúa sobre pistones rotantes o sobre turbinas.
Motor de explosión de cuatro tiempos
Elementos del motor ( exteriores o de soporte)
Motor de explosión de cuatro tiempos
Elementos del motor ( internos )
Motor de explosión de cuatro tiempos
Válvulas
Elementos de un motor de explosión de cuatro tiempos
Elementos del motor
Cilindro Pieza hueca que se encuentra en el interior del motor donde tiene lugar la explosión de la mezcla ( aire-gasolina), y por donde se desliza el pistón en su movimiento alternativo.
Consta de cuerpo, de forma cilíndrica, y de culata que es desmontable, donde se sitúan las válvulas y la bujía. Rodeando al cilindro va la camisa de agua,
que sirve para su refrigeración.
Los cilindros se construyen en una sola pieza llamada bloque.
Se construyen de hierro fundido o de aleación de aluminio.
Dispone de una serie de orificios para el agua de refrigeración y para el aceite de lubricación.
Aloja a los cilindros, con los pistones y bielas, y soporta el cigüeñal.
El bloque está cerrado por arriba por la culata y por debajo por el cárter inferior o de aceite.
Puede llevar camisas intercambiables, que son piezas independientes ( de hierro) que se añaden al bloque, que están en contacto con el pistón.
Si no lleva camisas, las paredes del cilindro tienen un tratamiento superficial para soportar la fricción de los pistones.
Bloques de cilindros
Elementos del motor
Culata Cubre el bloque de cilindros (al que va unido mediante tornillos o pernos) por la parte superior, y contiene los conductos por los que entran y salen los gases al motor, las canalizaciones para la circulación de los líquidos refrigerante y lubricante, y además alojan el mecanismo de la distribución.
Se fabrica generalmente de fundición aleada con otros metales, que añaden características especiales de resistencia, rigidez y conductividad térmica.
En otras ocasiones se utilizan aleaciones de aluminio, ya que este material combina la ligereza con un alto grado de conductividad térmica.
La culata se acopla al bloque motor con interposición de una junta de material antitérmico forrada con láminas metálicas, que realiza una unión estanca entre ambos, impidiendo las fugas de los gases de la compresión o del líquido refrigerante que circula desde el bloque a la culata.
Elementos del motor
Culata
La culata se trata de uno de los elementos más complejos del motor por diseño, fabricación y por soportar elevados esfuerzos térmicos.
Junta de culata: Lámina de material deformable que se interpone entre el bloque de cilindros y la culata para asegurar la estanqueidad en la cámara de combustión.
En la culata pueden observarse huecos labrados, que forman la cámara de combustión, donde quedan encerrados los gases al final de la compresión.
Rodeando a estas cámaras existen unas cavidades, que comunican con las camisas de agua del bloque a través de orificios por los que llega a la culata el líquido refrigerante que enfriará esta zona.
En la cámara de combustión y debidamente emplazado se dispone un orificio roscado en el que se aloja la bujía.
Elementos del motor
Cárter El cárter sirve de apoyo a los cilindros y encierra los demás órganos del motor.
Cárter del cigüeñal o cárter superior, es la pieza inferior de un bloque motor. Esta pieza soporta al cigüeñal mediante los cojinetes.
Cárter inferior: pieza que cierra el motor por debajo. Sirve de depósito del aceite de lubricación. Es normalmente de chapa de acero.
Es la pieza por donde se apoya el motor al bastidor del coche.
Elementos del motor
Pistón Es la pieza móvil que se desplaza en el interior del cilindro al recibir el empuje de la explosión de la mezcla de aire-combustible.
Está constituido por una sola pieza dividida en dos partes:
La cabeza, soporta directamente las presiones y temperaturas del gas.
En la cabeza del pistón se practican unas gargantas, donde se alojan unos anillos circulares y elásticos llamados segmentos,
La falda, que sirve de guía al pie de biela y soporta el empuje lateral y el rozamiento contra las paredes del cilindro.
que ajustan perfectamente a las paredes del cilindro evitando las fugas del gas.
En la falda va practicado un orificio que aloja a un eje llamado bulón, que realiza la unión del pistón a la biela.
Se construyen de duroaluminio, aleación de aluminio, cobre y níquel, que endurece el aluminio manteniendo su ligereza.
Elementos del motor
PistónLa fuerza que actúa sobre la cabeza del pistón en el momento de la explosión, puede ser superior a una tonelada. Por esta causa, el pistón debe ser resistente para soportar las altas presiones y elevadas temperaturas. El pistón debe ser ligero, con lo que se disminuyen las
fuerzas de inercia generadas en su movimiento, permitiendo aumentar la velocidad del pistón y alcanzar regímenes elevados de rotación de los motores.
Dado que el coeficiente de dilatación del aluminio es muy superior al correspondiente al cilindro, es necesario adoptar un huelgo notable entre la falda del pistón y el cilindro, al objeto de que no se produzca el agarrotamiento entre ambos con la elevación de temperaturas propias del funcionamiento del motor
Esto presenta el inconveniente de que en el funcionamiento en frío se produce un "cabeceo" debido a la holgura de montaje.
La solución se obtiene dando a la cabeza del pistón un diámetro inferior al de la falda, en cantidad suficiente para compensar la dilatación que sufrirá al calentarse, sin que se agarrote en el cilindro.
En la falda también se practica en ocasiones una ranura vertical con cierta inclinación, que permite la dilatación de la falda sin que se produzca el agarrotamiento en el cilindro.
Otra solución consiste en fabricarlo con la falda ligeramente ovalada.
En otras ocasiones se colocan metal invar, cuyo coeficiente de dilatación es prácticamente nulo, con el cual se consigue limitar la dilatación del pistón.
Elementos del motor
Segmentos del pistón
Son aros o anillos elásticos, de diámetro algo mayor que el del cilindro.
Segmentos de compresión, impiden que los gases de la explosión pasen al cárter. El que se coloca más alto se llama segmento de fuego, pues tapona el paso de las llamas.
Segmentos de engrase, impiden que el lubricante que sube del cárter , engrasando las paredes entre el pistón y el cilindro, pase a la cámara de explosión
Elementos del motor
BielaUne el pistón con la correspondiente manivela del cigüeñal.
Se pueden distinguir tres partes:
El pie es la parte más estrecha, y en la que se introduce el casquillo en el que luego se inserta el bulón (cilindro metálico que une la biela con el pistón).
El cuerpo es la parte central, y por lo general tiene una sección en forma de doble T
La cabeza es la parte más ancha, y se compone de dos mitades, una unida al cuerpo y una segunda denominada sombrerete, que se une a la primera mediante pernos. Entre estas dos mitades se aloja un casquillo a presión que es el que abraza a la correspondiente muñequilla en el cigüeñal.
Por lo general, las bielas se realizan en acero templado mediante forja, aunque hay motores de competición con bielas de titanio, y se está experimentando con la fibra de carbono.
Elementos del motor
Biela
Elementos del motor
Cigüeñal El cigüeñal es la pieza del motor que recoge el esfuerzo de la explosión y lo convierte en par motor a determinadas revoluciones.
Está sometido a violentos esfuerzos provocados por las explosiones y las reacciones debidas a la aceleración de los órganos dotados de movimiento alternativo.
Se construye generalmente por proceso de estampación, de acero cementado y templado, con aleaciones de níquel y cromo.
El cigüeñal gira sobre cojinetes unidos al cárte superior, por medio de sombreretes, con interposición de casquillos de antifricción.
A los codos o muñequillas se unen las cabezas de biela y en su prolongación, oponiéndose a ellos, se encuentran los contrapesos, que equilibran el cigüeñal.
Elementos del motor
En uno de los extremos del cigüeñal se forma el plato, donde se monta el volante de inercia por medio de tornillos roscados.
En el otro extremo se monta un piñón del que se saca movimiento para el árbol de levas.
También se monta una polea que da movimiento generalmente a la bomba de agua y al generador de energía eléctrica.
También se apoya el eje primario de la caja de velocidades, sobre el que se monta el disco de embrague, que ha de transmitir el movimiento del cigüeñal a las ruedas.
El número de muñequillas y su situación depende del tipo de motor (número de cilindros y disposición de los mismos).
Es corriente el empleo de cigüeñales con cinco apoyos (bancadas), en los motores de cuatro cilindros,
Los cigüeñales van taladrados desde los codos a los apoyos para permitir su engrase. El aceite se hace llegar a presión a los apoyos de bancada, pasa desde éstos, por el interior del cigüeñal hasta los codos, desde los cuales es salpicado al exterior después de engrasar las articulaciones, formando la correspondiente película de aceite.
Cigüeñal
Elementos del motor
Cigüeñal
Elementos del motor
Volantede
inercia Es una rueda de acero que se monta en un extremo del cigüeñal con el objeto de regularizar su giro.
Almacena energía cinética durante los momentos que el motor entrega potencia (el momento de explosión en los cilindros), para devolverla y permitir que el motor siga girando cuando el motor no se encuentra en uno de esos momentos en los que genera trabajo
Sus dimensiones dependen del tipo de motor (cilindrada, número de cilindros, etc) y de la longitud del cigüeñal.
Elementos del motor
Distribución Es el conjunto de piezas que regulan la entrada y salida de los gases en el cilindro.
Consta de:
Árbol de levas
Válvulas
Elementos del motor Distribución
Válvulas Es el elemento encargado de abrir y cerrar las canalizaciones por donde entra el aire de admisión (válvulas de admisión) y por donde salen los gases de escape (válvulas de escape) del cilindro.
Constan de cabeza y cola o vástago.
La cabeza tiene forma de seta , y tapa o abre el orificio de admisión o de escape.
La cola se desliza dentro de una guía, y mediante un muelle recupera su posición inicial.
Las válvulas son sometidas a una temperatura muy elevada proveniente de la cámara de combustión.
El esfuerzo mecánico se origina al flexionarse la cabeza de válvula por la presión que ejerce el encendido y por el fuerte contacto al cerrar (impacto).
Las válvulas de admisión alcanzan temperaturas de 300º a 500º C. aproximadamente, y las de escape pueden llegar hasta los 1000º C. de calor.
Las válvulas de admisión son siempre más grandes que las de escape, porque es más difícil introducir el aire en el cilindro que sacar los gases quemados.
Las válvulas son piezas sujetas a altos esfuerzos mecánicos, a altas temperaturas y a influencias corrosivas.
Elementos del motor Distribución
ÁrbolDe
levas
Es el elemento del motor que se encarga de abrir y cerrar las válvulas de admisión y escape según los tiempos e intervalos preestablecidos por el diagrama de distribución.
Se trata de un eje o árbol realizado en acero forjado dotado de levas o excéntricas que accionan las válvulas, que gira sobre unos rodamientos específicos mediante una conexión con el cigüeñal.
Cada dos vueltas que da el cigüeñal el árbol de levas da una sola.
