03 Mem ria

David Asensio Bueno      CAPÍTULO 1: MOTOR TÉRMICO    El motor es el encargado de aprovechar la energía calorífica aportada por el combustible en energía mecánica, gracias a la fuerza expansiva de los gases inflamados en el interior del motor, y a través del cigüeñal y la transmisión la energía mecánica hace girar las ruedas. Y la energía que se transmiten a las ruedas es la energía útil del proceso. Los motores térmicos son motores de combustión interna, unos son de explosión a través de una chispa que origina la explosión (en este caso serían los de gasolina), y los de combustión por compresión (que se trataría de los motores diesel o combustión). En ambos casos quien recibe esta explosión es el pistón que gracias a un movimiento de biela manivela transforma el movimiento rectilíneo en un giro. Las partes de un motor de explosión es muy similar al motor de combustión o diesel, en la fig.1 se muestra un motor de explosión. ϴ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Figura 1. Motor explosión y sus partes  El pistón se aloja en el interior del cilindro y gracias a los aros, que se encuentran en contacto con las paredes del cilindro, cierran estancamente el cilindro con el cárter. Este pistón está unido a la biela a través de un eje llamado bulón. La biela se une al cigüeñal con la muñequilla o codo del cigüeñal, fig.2 Figura 2. Cigüeñal con bielas y pistones ϵ  David Asensio Bueno  La culata se encarga de cerrar la parte superior del cilindro o cilindros, y aloja las válvulas de admisión y escape que cierran o abren según incida sobre ellas el árbol de levas. El giro del árbol de levas y el cigüeñal se une con una cadena o correa dentada porque las válvulas deben estar accionadas cuando el pistón no se encuentra en la parte de superior. Cuando el pistón se encuentra en el recorrido más alto y tiene que volver a bajar en ese instante el pistón está en P.M.S. (punto muerto superior), y cuando se encuentra en la parte inferior se denomina P.M.I. (punto muerto inferior). La combustión en un motor de explosión se lleva a cabo carburando una mezcla de gasolina y aire, que entra en el interior del cilindro a través de la válvula de admisión. La mezcla consigue explosionar gracias al salto de chispa de una bujía. Ésta explosión provocada expansiona y mueve el pistón, y este hace girar el cigüeñal. En cambio, los motores diesel utilizan combustibles que se inflaman a temperaturas elevadas. Para llevar a cabo esta inflamación se recurre al aumento de la presión para aumentar la temperatura, y por eso los motores diesel son más robustos y pesados que los motores de explosión, y además incorpora un sistema de inyección de combustible. Pero por lo demás la estructura y los elementos del motor son muy parecidos. El sistema de inyección es necesario porque, cuando en el cilindro se comprime el aire su presión es tan elevada que es necesario inyectarlo con una bomba, para poder forzar la penetración del combustible. La relación de compresión, es la relación entre el volumen total del cilindro y el de la cámara de combustión. En el motor de explosión ésta se comprende entre 7 y 10:1, porque de ser superior podrían haber explosiones no deseadas en tiempos equívocos. La del diesel es superior, está entre 15 y 25:1 incluso a 30:1, ya que no hay peligro de inflamación porque el combustible no se inyecta hasta que queramos la inflamación. 1.1. Ciclos operativos Estos ciclos son las fases que se efectúan en el interior del cilindro. La repetición continua es necesaria para mantener el motor en marcha de aquí la palabra ciclos. La duración de cada ciclo del motor se mide en el número de carreras de pistón que se efectúa para poder llevar a cabo un ciclo. En el caso de los motores de explosión y diesel para realizar trabajo se necesitan cuatro carreras de pistón y solo una da rendimiento, de aquí el nombre de motor de 4T. ϭϬ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  1.1.1. Ciclo operativo de los motores de explosión  1.1.1.1. Primera fase (admisión) El pistón se encuentra en P.M.S. (punto muerto superior), que es el punto en el cual no puede alargar más su longitud, y desciende hasta el P.M.I. (punto muerto inferior) es el punto más bajo de su recorrido. Mientras hace este recorrido la válvula de admisión está abierta. En esta primera fase el cigüeñal ha hecho un giro de 180º que sería un tiempo, y se ha producido la aspiración de una mezcla de oxígeno y combustible. 1.1.1.2. Segunda fase (compresión) Se cierra la válvula de admisión, y el pistón que se encontraba en P.M.I. sube hasta el P.M.S., y como el cilindro es estanco comprime la mezcla, elevando su presión y temperatura a unos 13-14 bares y 200ºC. El cigüeñal ha recorrido otros 180º y ya se ha dado una vuelta completa al cigüeñal, y todavía no se ha realizado trabajo. 1.1.1.3. Tercera fase (explosión) Las válvulas están cerradas y el pistón está en P.M.S., entonces se origina una deflagración, gracias al salto de chispa ocasionado por una bujía. El aumento de presión es tal que llega a unos 23-24bares y la temperatura en algunos puntos puede ascender a 2000ºC, de este modo el pistón se ve obligado por la expansión a deslizarse hasta el P.M.I. recorriendo el cigüeñal 180º, y es la única fase que realiza trabajo. 1.1.1.4. Cuarta fase (escape) Cuando el pistón llega al P.M.I. comienza la cuarta fase que consiste en abrir la válvula de escape, y con la inercia que el cigüeñal a acumulado sube hasta el P.M.S. empujando los gases viciados por la combustión a través de los conductos de escape. Y con el recorrido de 180º más se han realizado dos vueltas de cigüeñal en la que solo se ha producido trabajo en media vuelta. ϭϭ  David Asensio Bueno  Figura 3.Diagrama teórico de motor explosión 4t 1.1.2. Ciclo operativo de los motores de combustión 1.1.2.1. Primera fase (admisión) En la primera fase el pistón desciende del P.M.S. al P.M.I., con la válvula de admisión abierta, de éste modo el cilindro se llena de aire a presión atmosférica, aparentemente. 1.1.2.2. Segunda fase (compresión) La válvula de admisión se cierra, y el pistón que se encuentra en P.M.I. asciende hasta el P.M.S. comprimiendo el aire hasta 40bares de presión, aumentando la temperatura hasta los 700ºC. 1.1.2.3. Tercera fase (explosión) En esta fase se produce el trabajo del ciclo. El pistón se encuentra en P.M.S. con el aire comprimido y a elevada temperatura, entonces se inyecta el combustible (gasóleo), y este se inflama aumentando la presión a unos 80bares, y esto ocasiona que el pistón descienda brutalmente hasta el P.M.I., aporta giro al cigüeñal. ϭϮ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  1.1.2.4. Cuarta fase (escape) Se abre la válvula de escape y la presión residual desciende, y el pistón recorre del P.M.I. al P.M.S. empujando a los gases de escape fuera del cilindro. La conclusión de un ciclo operativo de un motor 4T es que para realizar una fase de trabajo que transcurre en medio giro (180º) del cigüeñal, hay que dar dos vueltas al mismo, y que las válvulas de escape y admisión se abren una vez. Entonces cuando el cigüeñal gira dos veces el árbol de levas gira una, entonces la corona dentada o piñón del cigüeñal tendrá que ser el doble de pequeña que el del árbol de levas. Si el motor gira dos vueltas y solo en media se genera trabajo, el pistón sigue girando gracias a l energía almacenada en el volante de inercia. 1.1.3. Fase o ciclo real del motor de 4T Para conseguir un mayor rendimiento de los motores, se retrasan o adelantan las aperturas de válvulas. Incluso el salto de chispa o inyección se adelanta. 1.1.3.1. Primera fase real (admisión) En la fase de admisión es necesario realizar un avance de apertura de admisión, de tal manera que se pueda conseguir el llenado de admisión. Se realiza abriendo la válvula de admisión antes de que el pistón llegue al punto muerto superior, y además se retrasa el cierre de ésta, para aprovechar la inercia de los gases a través de los conductos. 1.1.3.2. Segunda fase real (compresión) El comienzo de la segunda fase se lleva a cabo desde que se cierra la válvula de admisión, hasta que el pistón llega al punto muerto superior. 1.1.3.3. Tercera fase real (explosión) Para la fase de explosión se adelanta el salto de chispa o inyección, porque la combustión tarda un tiempo en realizarse y es necesario que la expansión se produzca en el momento ideal de bajada del pistón. ϭϯ  David Asensio Bueno  Figura 4. Diagrama de avance de encendido  1.1.3.4. Cuarta fase real (escape) La salida de los gases de escape es muy importante, ya que si no se vacía no se puede llenar. Para ello se hace un avance de apertura de la válvula de escape así se consigue una succión en el interior del cilindro provocada por la rapidez de salida de los gases viciados. Cuando se obtiene dicha succión se aprovechará para abrir la válvula de admisión antes de tiempo, y comenzar otra vez todo el proceso. El momento en el cual se encuentran las dos válvulas abiertas se le llama cruce de válvulas, y en función de la duración del cruce de válvulas se considera mayor o menor carácter deportivo. La válvula de escape se cerrará con un retraso, para evitar retener la salida de estos gases en la línea de escape. Figura 5. Diagrama de fases real de un motor de explosión de 4t ϭϰ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  1.1.4. Diferencias entre los ciclos teóricos y prácticos Las pérdidas de calor de los motores, ya sean por el rozamiento o fricción de los elementos del motor o por la refrigeración necesaria para lograr el buen funcionamiento del motor, son pérdidas de trabajo útil que en el ciclo teórico no se tienen en cuenta. En el caso de los motores de explosión, el salto de chispa no inflama la mezcla de aire y gasolina instantáneamente. Por ese motivo se debe adelantar el salto para que la inflamación total ocurra cuando el pistón se encuentra en P.M.S., y así el valor de la presión que se ejerce sobre el pistón es máxima. 1.2. Estructura del motor de 4T En los motores de explosión, la mezcla de aire y gasolina se realiza y se dosifica mediante un carburador, un sistema de inyección mecánico o electrónico. En el caso del carburador se realiza en su interior, y en el sistema de inyección un inyector inyecta el combustible en el colector de admisión. El motor consta de partes móviles y partes estáticas. El bloque motor, la culata y el cárter son las partes estáticas donde se alojan todos los elementos del motor. El bloque motor es de fundición y en algunos casos de aluminio. Está totalmente mecanizado para el alojamiento de conductos de aceite, refrigeración, alojamiento de cilindros y mecanizados para soportar elementos interiores y exteriores. En la parte inferior del bloque se encuentra alojado el cigüeñal, que va sujetado a una bancada mecanizada del bloque, con unos apoyos de bancada, entre la bancada y el cigüeñal se alojan unos semicojinetes, para poder proporcionar el giro a éste, reduciendo su fricción. El cigüeñal esta unido a través de sus muñequillas o codos a las bielas, y éstas a su vez con el pistón. Todo esto en el interior del bloque y el pistón está en contacto con los cilindros con los aros que lleva alojados. Estos elementos son elementos móviles muy importantes en el motor. En un extremo del cigüeñal nos encontramos con el volante de inercia y éste aloja el embrague, que es el encargado de transmitir el giro del motor a la caja de cambios. En el extremo contrario se encuentra una polea dentada o piñón que va unido al sistema de distribución. ϭϱ  David Asensio Bueno  Si continuamos detallando la parte inferior del bloque nos encontramos con la bomba de aceite, que suministra el lubricante a todo el motor. Ésta bomba aspira el aceite del cárter. El cárter es un depósito de aceite que tapa la parte inferior del motor. En el bloque a veces se aloja la bomba de agua refrigerante, y además exteriormente al bloque, se ensamblan elementos como el motor de arranque, alternador compresor de aire acondicionado, la culata, la bomba de dirección asistida y un sinfín de soportes y elementos que en función del vehículo puede alojar. La culata es el elemento que más va evolucionando en dimensiones y complejidad, ya que aloja muchos elementos que pueden desarrollar mucho las características del motor. En la culata se aloja el árbol de levas que es el encargado de bajar y subir las válvulas de admisión y escape, entre estos elementos se encuentran los balancines y taqués, para ajustar el juego. Las válvulas van alojadas en la culata, con mecanizados que incorpora las guías de válvula y asientos de válvula. Las bujías se encuentran entre ellas y van roscadas en la culata, se encargan de generar el arco voltaico. En un extremo del árbol de levas se encuentra una polea dentada o piñón que enlaza con el sistema de distribución. En la culata hay mecanizados orificios de lubricación y refrigeración, y además conductos de gases de admisión y gases de escape que van unidos a los colectores de admisión y escape. En la parte superior se encuentra la tapa de balancines que cierra la culata por la parte superior. La cámara de combustión se puede encontrar en la parte inferior de la culata, o alojado en el propio pistón. Los colectores de escape se enlazan con el tubo de escape con silenciosos, y si el motor es actual se incorpora catalizador, que sirve para bajar la contaminación. En los colectores de admisión se incorpora el carburador o los inyectores y la mariposa estranguladora, para el suministro de combustible y aire. En la fig. 6 se observa un motor de explosión donde se pueden incorporan todos estos elementos. El motor diesel tiene una disposición muy similar a la del motor de explosión. Este motor incorpora un sistema de inyección e inyectores, para el suministro de combustible. Como el gasóleo es menos volátil y necesita mucha temperatura para inflamarse, cuando el motor está frío cuesta arrancar, por eso incorpora calentadores roscados en la culata para calentar la cámara de combustión, en la fig.7 se puede observar un motor diesel seccionado. ϭϲ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Figura 6. Motor explosión seccionado Figura 7. Motor diesel seccionado ϭϳ  David Asensio Bueno  1.3. Características de los motores 1.3.1. Cilindro Los cilindros se miden en milímetros, y las dimensiones para medir su volumen es el diámetro interior (calibre) y su carrera (distancia entre el p.m.s y el p.m.i.). Hay motores denominados alargados, cuadrados y supercuadrados. Los alargados tienen la carrera más grande que el calibre y los cuadrados tienen la carrera igual que el calibre. Los motores cuadrados ofrecen más potencia, válvulas más grandes mejorando el llenado y vaciado del cilindro, bielas más cortas y rígidas, menor rozamiento entre cilindro y pistón porque la carrera es más cortas, cigüeñales más rígidos porque los codos son más cortos. Los motores alargados tienen la cámara de compresión más pequeña y ofrecen más rendimiento, mejor evacuación de calor por tener mayor superficie, y al ser la carrera más larga la combustión es total y mejor, contaminando menos. 1.3.2. Cilindrada La cilindrada unitaria es el volumen geométrico del cilindro que está delimitado por el pistón en p.m.i. y p.m.s., lo cual significa que si es te volumen unitario se multiplica por el número de pistones, obtendremos la cilindrada motor. Ecuación del volumen unitario, siendo C la carrera del pistón y D el calibre del cilindro:    ²   4 1.3.3. Relación de compresión Es la relación entre el volumen del cilindro y el de la cámara de combustión, que el volumen de la cámara de combustión es el volumen que se encuentra en el cilindro cuando el pistón asciende hasta el p.m.s., esta relación viene dada por la siguiente ecuación, donde ρ es la relación de compresión, Ѵ es la cilindrada y ѵ es el volumen de la cámara de combustión: ϭϴ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones   Ѵ ѵ ѵ Cuanta mayor sea la relación de compresión, se incrementa la potencia y el rendimiento mejora. Esto es debido a que al aumentar la presión en la cámara de combustión el combustible se mezcla mejor con el aire, y al aumentar la presión la expansión de los gases, aportan un impulso mayor al pistón. Al expandirse más bruscamente hay más energía que se transforma en energía mecánica y menos se tiene que disipar, esto indica que se mejora el rendimiento porque hay menos energía que se transforma en calor. La relación de compresión ha ido aumentando mediante han ido pasando los años, porque se han ido mejorando los materiales, diseños y procesos de fabricación de los componentes del motor. Un problema del aumento de la relación de compresión, es que la cámara de combustión es más pequeña. Con ello las carbonillas, que se pueden generar por malas combustiones se pueden acumular más, reduciendo la cámara de manera que la relación de compresión aumente de tal manera que se pueda llegar a la rotura de algún órgano del motor. Los motores diesel tienen una elevada compresión entre18:1 y 25:1 frente a los 7:1 y 10:1 de los motores de explosión, lo que supone una mayor eficiencia térmica. 1.3.4. Potencia del motor El trabajo que se consigue es la fuerza por la distancia recorrida por el pistón, y esta fuerza es el producto de la presión ejercida por los gases de la combustión por la superficie de éste. Siendo W el trabajo, F fuerza y d distancia recorrida la ecuación del trabajo es:  Y si este trabajo se realiza en un tiempo t determinado podemos determinar la potencia P con la siguiente ecuación:   La potencia es un factor que depende mucho del tipo de motor, porque depende de la cilindrada y de la relación de compresión, y también del número de cilindros, la carrera y el régimen de giro del motor. ϭϵ  David Asensio Bueno  Hay tres potencias fundamentales en un motor: potencia indicada, potencia efectiva y potencia absorbida. 1.3.5. Potencia indicada Es la potencia que realmente se desarrolla en el interior del cilindro por la combustión. Esta se puede calcular con la presión media, que es la presión constante con la que es necesaria para impulsar el pistón durante su carrera. Esta presión varía con la velocidad y la relación de compresión del motor. Entonces la ecuación de trabajo indicado Wi, siendo ρi la presión media y V la cilindrada unitaria, sería:    La potencia indicada Pi es el producto del trabajo desarrollado durante una carrera útil, por el número de ellas realizadas en la unidad de tiempo. Si n es el número de revoluciones motor y que un ciclo en un motor de cuatro tiempos se necesitan dos vueltas del cigüeñal, la ecuación de la potencia indicada es:    2   60 1.3.6. Par motor. Potencia efectiva El par motor es un esfuerzo de rotación, por la fuerza que transmite la biela al codo del cigüeñal. El par motor se calcula multiplicando esta fuerza por la longitud del codo. El par máximo del motor no se produce en un régimen de revoluciones motor alto, si no que sucede cuando el llenado y las explosiones son más efectivas. Para el cálculo del par es necesario utilizar un dispositivo que frene el motor, esto se consigue haciendo palanca con una fuerza. Se utiliza un mecanismo llamado freno prony (actualmente se utiliza mecanismos más modernos), que a través de una cincha frena el eje del motor hasta pararlo y se toma la medida del dinamómetro. En la fig. 8 se puede observar un freno prony. ϮϬ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Figura 8. Freno prony La ecuación de trabajo absorbido por el freno prony, siendo R el radio del brazo de torque y F la fuerza del dinamómetro, sería: 2 Este es el trabajo efectivo del motor con todas sus pérdidas. La potencia efectiva es el producto del trabajo absorbido por n que es el número de revoluciones del motor en la unidad de tiempo. La ecuación de la potencia efectiva es la siguiente:   2 75  60 1.3.7. Potencia absorbida La potencia absorbida es difícil de medir, por eso se mide la potencia indicada y la potencia efectiva y la diferencia de ambas es la potencia absorbida. Normalmente el 75% del total de la potencia absorbida es por el rozamiento de los segmentos con las paredes del cilindro. 1.3.8. Curvas de características del motor Las curvas de características del motor nos indican la potencia y el par motor en función de las revoluciones del motor. Cada motor tiene su curva de características, porque los valores de potencia y par van en función de la cilindrada, la carrera, el número de válvulas por cilindro, el tamaño de éstas, el número de cilindros, etc. En el punto donde se cruzan estas dos curvas, es el punto de mayor rendimiento, porque se combinan las dos características (par y potencia), y esto significa que es un punto equilibrado en el cual el consumo es el más bajo y la potencia y par es más alto. Ϯϭ  David Asensio Bueno  Las curvas llegan a un punto en el cual decrecen, por el hecho de que a ciertas revoluciones la válvula de admisión no es capaz de abrirse el suficiente tiempo para llenar el cilindro, esto conlleva a una disminución de la potencia. En la fig.9 podemos observar un diagrama de características de motor. Figura 9. Curva de características de un vehículo deportivo ϮϮ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  1.4. Posición del motor en el automóvil Se pueden diferenciar tres colocaciones del motor en un automóvil: - Motor delantero: el motor se sitúa en la parte delantera del vehículo fijándolo al chasis, normalmente sobre el eje delantero y mediante tres soportes motor. El motor a la vez puedes ir colocado transversalmente al sentido de la marcha o longitudinalmente, teniendo esta importancia a la hora de realizar el reparto del peso. Cuando el vehículo tiene el motor transversal fig. 10, normalmente es tracción delantera, y tiene todo el peso motor y transmisión en el tren delantero. En cambio si el motor es longitudinal fig. 11 suele tener tracción trasera y el diferencial en la parte trasera, entonces el peso está más repartido y en el paso de una curva la transferencias de masas están más repartidas. Figura 10. Motor delantero transversal Ϯϯ  David Asensio Bueno  Figura 11. Motor delantero longitudinal tracción trasera - Motor trasero: se considerará que un motor está en posición trasera, cuando esté unido al chasis por detrás del eje trasero. Este tipo de vehículo tendrá un reparto de pesos del 60% atrás y 40% adelante. Figura 12. Motor trasero Porsche 911-996 - Motor central: cuando la masa del motor está en su totalidad o en la mayor parte, situada por delante del eje trasero. Los vehículos que montan un motor central, son vehículos biplazas con espíritu Ϯϰ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  deportivo, porque la masa queda repartida entre los dos ejes de forma equilibrada. Figura 13. Motor central Porsche 986 Boxster 1.5. Número y disposición de los cilindros Los motores monocilíndricos, son motores con un par inestable. En el automóvil no se usan porque deberían ser motores muy grandes, de gran cilindrada para poder dar una potencia apreciable. Esto es un problema porque todos los órganos móviles deberían se grandes y robustos. Por este motivo se utilizan motores policilíndricos, que están formados por varios cilindros situados en uno o más bloques, y unidos entre sí, cuyas bielas atacan a un solo cigüeñal. La finalidad es la de aumentar la potencia, conseguir una rotación más uniforme y compensar los momentos de inercia de las masas en movimiento. Muchos cilindros de pequeña cilindrada nos aportan las siguientes ventajas: - Potencias específicas superiores aumentando el régimen máximo del motor. Mayor uniformidad del motor. Mejor equilibrado de las masas en movimiento, es decir, menores vibraciones. Mejor rendimiento, porque los cilindros son de menor diámetro y permiten altas compresiones. Ϯϱ  David Asensio Bueno  Las desventajas son: - Aumento del peso total del motor y su volumen. - Empeoramiento del rendimiento mecánico, disminuyendo la potencia. - Cigüeñal de mayor longitud, dando problemas de vibraciones torsionales. El número de cilindros empleados por los constructores es muy variado, suelen ser entre 2 y 12 cilindros, los cuales según están dispuestos en el motor reciben el nombre de V, en línea, y horizontales opuestos (BOXER). - - En línea: son aquellos que tienen los cilindros dispuestos en línea, uno a continuación del otro y en un solo bloque en posición vertical, se puede observar en la fig. 1. En V: tienen los cilindros repartidos en dos bloques unidos por su base a la bancada, y formando un cierto ángulo. Cada bloque lleva el mismo número de cilindros y atacan todos a un único cigüeñal. Figura 14. Motor en V Ϯϲ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  - En Boxer: tienen sus cilindros dispuestos como en V, con la particularidad de que su ángulo es de 180º. Figura 15. Motor Boxer  1.5.1. Motores de dos cilindros Estos motores están en disposición bóxer, en línea incluso en V. Suelen ser motores de 4tiempos pero los hay de dos. Se consigue una explosión por vuelta y necesitan un volante de inercia grande para equilibrarlo, por tema de vibraciones y aguante del ralentí. La mejor disposición es la bóxer, el motor queda más equilibrado ya que se consigue una explosión cada media vuelta, porque los codos del cigüeñal quedan opuestos. El orden de encendido es sencillo, cilindro 1 y después el 2. Estos motores se emplean en vehículos de poca potencia y poca cilindrada, que se utilizan en circulación urbana. El orden de encendido viene dado en la fig.16 donde en el eje vertical izquierdo son los cilindros, los grados son los que ha girado el cigüeñal, y A es admisión, C compresión, T explosión y E escape. Ϯϳ  David Asensio Bueno  Figura 16. Orden de encendido motor de 2 cilindros  1.5.2. Motores de tres cilindros Los motores de tres cilindros, tienen la peculiaridad de tener los codos del cigüeñal desfasados 120º los unos a los otros. Las explosiones van desfasadas entre cilindros 60º, esto quiere decir que tras un explosión de un cilindro, no empieza otra hasta que el cigüeñal no gira 60º más. Si se seccionase un motor de tres cilindros en línea, y un pistón se encontrase en p.m.s. los otros dos pistones del cilindro 2 y 3 se encontrarían en la misma altura, pero uno subiendo y el otro bajando. El orden de encendido de un motor de tres cilindros, sería 1-3-2. Figura 17. Orden de encendido motor de 3 cilindros 1.5.3. Motores de cuatro cilindros Normalmente la disposición que se utiliza para estos motores es en línea, de manera que los pistones 1 y 4 están en p.m.s. y el 2 y 3 en p.m.i., y el orden de encendido es 1-3-4-2. Este orden de encendido, y esta disposición de los pistones equilibra la fuerzas centrífugas y alternativas de giro del cigüeñal. Además los cigüeñales van provistos de contrapesos. Ϯϴ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Figura 18. Orden de encendido motor de 4 cilindros en línea La disposición de los cilindros en bóxer o opuestos horizontales, tienen la peculiaridad de que el cilindro 1 y 3 son los que suben y bajan a la vez, y el 2 y 4 por igual, y mientras el 1 y 3 se encuentran en p.m.s. el 2 y 4 están en p.m.i., y el orden de encendido cambia en 1-4-3-2. Figura 19. Orden de encendido motor de 4 cilindros en bóxer En algunos casos se disponen en V de 60º, con el cigüeñal con desfase de las muñequillas de 180º, consiguiendo que los pistones suban emparejados en bloques distintos. El orden de encendido es igual que en la disposición en línea, numerando los cilindros por bancadas. Esta disposición necesita un cigüeñal especial de equilibrado. Ϯϵ  David Asensio Bueno  Figura 20. Orden de encendido motor de 4 cilindros en V Los motores de cuatro cilindros se emplean para potencias pequeñas y medias incluso para grandes cilindradas. 1.5.4. Motores de cinco cilindros Los motores de cinco cilindros tienen una disposición en línea, y las muñequillas del cigüeñal están desfasadas unas de otras 72º. Quedando el orden de encendido 1-2-4-5-3, haciendo las cinco explosiones en dos vueltas del cigüeñal, solapándose unas con otras. Con este sistema se consigue una regularidad que con un motor de cuatro cilindros no se puede conseguir, bajando las vibraciones. Los contrapesos del cigüeñal son más grandes en las muñequillas de los extremos y en el centro, para lograr un mejor equilibrado. Figura 21. Orden de encendido motor de 5 cilindros ϯϬ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  1.5.5. Motores de seis cilindros Los motores de seis cilindros van en línea, en V y Porsche los hace en Bóxer. Los seis cilindros en línea tienen un inconveniente, la longitud del mismo motor para alojarlo en un vano motor, porque la tendencia es reducir este espacio. Las muñequillas del cigüeñal están desfasadas 120º, y los cilindros 1 y 6, 2 y 5, y 3 y 4, suben y bajan a la par. El orden de las explosiones es 1-5-3-6-2-4, en dos vueltas de cigüeñal se consiguen las explosiones de los cilindros, con lo que el giro del motor es muy regular, y los esfuerzos torsionales se reducen. Figura 22. Orden de encendido motor de 6 cilindros en línea En disposición en V los cigüeñales son más cortos pero más robustos, ya que solo tienen 3 muñequillas y las bielas de cada dos cilindros comparten la misma muñequilla. Los motores en V con los bloques a 90º, tienen las muñequillas desfasadas a 120º entre sí, y el orden de encendido es 1-4-2-5-3-6. Las explosiones de los cilindros que están unidas sus bielas por la misma muñequilla, se solapan 90º, y entre los pistones de diferentes muñequillas se solapan 30º, y esto ayuda al buen equilibrado de las fuerzas alternativas y centrífugas. Los bloques en V a 60º utilizan cigüeñales con seis muñequillas desfasadas entre sí 60º, de tal manera que los cilindros 1 y 5, 2 y 6, y 3 y 4 suben y bajan a la vez. Las explosiones de los cilindros van solapadas a 60º, y su orden de encendido es el mismo que en los bloques a 90º (1-4-2-5-3-6). Gracias a este solape de explosiones a 60º el motor, tiene un orden lineal en los codos del cigüeñal, de lo que resulta una regularidad de marcha excelente. Actualmente se utilizan motores en V de seis cilindros con un ángulo de 15º, logrando que las dos culatas se puedan unir. Con esto se logra un ϯϭ  David Asensio Bueno  motor corto y estrecho que se puede montar en el espacio de un motor de cuatro cilindros. Este motor dispone de seis muñequillas una para cada biela, las muñequillas están caladas 22º, para repartir las explosiones. 1.5.6. Motores de ocho cilindros La disposición actual es en V a 90º, antiguamente se fabricaban en línea pero por la envergadura ahora se fabrican en V. El cigüeñal que monta es de cuatro muñequillas, y a cada una de las cuales se les une dos bielas. Los pistones suben y bajan de dos en dos, el 1 y 6, 3 y 5, 4 y 7, y 2 y 8. El orden de encendido es 1-5-4-8-6-3-7-2, y las explosiones se solapan a 90º. 1.6. Componentes del motor 1.6.1. Bloque motor Constituye la arquitectura de base de los motores. El bloque motor está provisto de fuertes nervaduras que aumentan su rigidez. En la zona trasera y delantera se colocarán generalmente los soportes que lo sustentan al chasis. Además todos los órganos como la culata, el alternador, la distribución, cárter inferior, etc. se fijan al bloque. Contiene numerosos conductos por refrigeración y lubricación del motor. donde circulan los fluidos de Al bloque motor se le suelen colocar unos tapones de registro o de protección, para que en caso de solidificación del líquido refrigerante, no se rompa ni se agriete el bloque motor, si no que salten los tapones. Está fabricado con materiales con buena conductividad térmica. Los bloques motor se pueden clasificar en función de su material y en función de su sistema de refrigeración. ϯϮ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  1.6.1.1. Por su sistema de refrigeración - Camisas secas: los cilindros están mecanizados en el propio bloque y rodeado por espacios huecos por donde circulan los fluidos, de refrigeración y engrase, pero nunca contactan directamente con las camisas. Figura 23. Camisa seca - Camisas húmedas: los cilindros son componentes independientes, que se insertan por su parte inferior en el bloque motor, con interposición de una junta de estanqueidad (o tórica) para evitar que el fluido de refrigeración se mezcle con el aceite del cárter. Estas camisas suelen tener un recubrimiento de aluminio o cerámica para evitar la oxidación por la parte exterior. Figura 24. Camisa húmeda ϯϯ  David Asensio Bueno  - Refrigeración por aire: en estos motores los cilindros son independientes entre sí, y están rodeados por aletas que aumentan la superficie radiante facilitando la evacuación del calor. 1.6.1.2. Por material - - De fundición: son bloques de fundición gris aleada de cromo y níquel. Tienen como ventaja su facilidad para el mecanizado, su precio y su rigidez, pero su desventaja es el peso elevado. De aluminio: es aluminio con aleaciones con cromo y níquel, tienen una mayor conductividad térmica que los bloques de fundición, un menor peso y también una gran rigidez. El problema es su elevado coste de fabricación. La parte superior del bloque, está planificado y pulido, para montar una junta de culata que se encarga de sellar la cámara de combustión, interponiéndose entre el bloque y la culata. Esta junta se centra gracias a dos casquillos centradores. La junta de culata normalmente está constituida por una lámina de acero, recubierta por un material esponjoso que se adapta a las superficies del bloque y la culata. Este material esponjoso es denso, como el amianto o la fibra de caucho. En la parte inferior del bloque se aloja el cigüeñal, en una bancada de apoyos que sujetan al cigüeñal con unas tapas o sombreretes. 1.7. Pistón El pistón es el encargado de transformar la energía térmica desarrollada en el interior del cilindro en energía mecánica, recibiendo directamente la fuerza de expansión de los gases durante la combustión, y debe cumplir durante su funcionamiento las siguientes funciones: - Transmitir a la biela los esfuerzos producidos durante la expansión. - Mantener cerrada la cavidad volumétrica con el fin de evitar la fuga de gases y los pasos de aceite a la cámara de combustión. - Absorber parte del calor de la combustión y transmitirlo a las paredes del cilindro. ϯϰ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  - Facilitar el proceso de intercambio de calor sin variaciones bruscas en la estructura. 1.7.1. Funcionamiento - Debe disponer de una estructura robusta, sobre todo en las zonas de la cabeza y en el bulón. - Mínimo peso posible y equilibrado. - Resistir temperaturas elevadas. - Resistir máxima resistencia al desgaste y agentes corrosivos. - Coeficiente de dilatación mínima. - Alta conductividad térmica. 1.7.2. Material Actualmente se fabrican en duraluminio Al/Si + Cu +Ni + Cr, este material tiene un mayor nivel de evacuación de calor, con lo que se alcanzan temperaturas medias en la cámara inferiores, y en consecuencia se puede aumentar la relación de compresión obteniendo un mayor rendimiento del combustible. Como la cabeza del pistón está sometida a temperaturas más altas que la falda por el fenómeno de la dilatación, esta tendría que ser más pequeña que la falda. Para disminuir el coeficiente de fricción del pistón o mejorar el deslizamiento del mismo durante la fase del rodaje, se adhiere a la falda estaño, plomo (actualmente no se utiliza) y cadmio, o grafito en polvo mediante galvanoplastia. 1.7.3. Partes del pistón - Cabeza: es la parte más pesada y de mayor sección del pistón, y debe ser capaz de transmitir los esfuerzos al bulón. Debido a las temperaturas que se alcanzan en la cabeza del pistón, y en consecuencia a las dilataciones que sufre el diámetro será menor que el de la falda. ϯϱ  David Asensio Bueno  - Falda: tiene la misión de transmitir el calor al cilindro, y guiar al pistón en su carrera ascendente y descendente. Figura 25. Pistón y sus partes - - - Alojamiento de segmento: se mecanizan unas ranuras alrededor del pistón de una profundidad determinada para que el aro pueda ser alojado. En el alojamiento del aro de engrase se suelen realizar unos taladros, para el retorno del aceite sobrante de las paredes del cilindro al cárter. Alojamiento del bulón: es necesario realizar en el pistón un alojamiento para el bulón que unirá el pistón con la biela. Este alojamiento en algunos casos no estará en el centro de simetría del pistón para compensar el desgaste de las paredes del cilindro. Alojamiento de válvulas: en ocasiones cuando los pistones están sometidos a altas relaciones de compresión, y el cruce de válvulas en el motor es importante, se practican unos alojamientos o rebajes en la cabeza del pistón, para evitar que las válvulas choquen con éste doblándose, cuando el pistón se encuentre en p.m.s. y las válvulas en fase de cruce. ϯϲ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  - Cámara de combustión: cuando el motor sea de dirección directa, es decir la mezcla de combustible se introduce directamente en el cilindro, y no en el colector de admisión ni en ninguna precámara, la cámara de combustión estará en el propio pistón. En la actualidad los pistones se construyen de duraluminio, y en ocasiones para controlar la dilatación de la falda se colocan placas de acero al níquel o también llamadas metalinvar. Sea cual sea el tipo de pistón a montar la diferencia de diámetros entre pistón y cilindro, debe ser de 0,05mm y cuando el pistón dilate la diferencia entre el pistón y cilindro debe guardar entre 0,02 y 0,005mm, que es cuando se produce una película lubricante de buena calidad o eficaz. 1.8. Segmentos o aros Los segmentos o aros tienen la misión de evitar el paso de los gases, entre la cámara de combustión y el cárter motor, así como evitar el paso de aceite de la parte inferior del motor a la cámara de compresión. Adicionalmente los aros reducen el rozamiento y transmiten el calor contenido en el pistón a las paredes del cilindro. 1.8.1. Tipos de segmentos y aros - Segmento de fuego: tiene la función de mantener la compresión del motor. Está situado en el extremo superior de la cabeza del pistón, y suele presentar una sección trapezoidal o rectangular. Se fabrica de un material más resistente a las temperaturas que los restantes, debido a que soporta mayores cargas térmicas. Los materiales más empleados son la fundición gris endurecida con cromo y grafito. Con el material empleado en la construcción, el límite elástico de los aros se encuentra en el mismo punto que el de rotura, por este motivo se ha de prestar especial atención cuando se manipulen los aros. - - Aros de compresión: tiene como misión complementar y/o ayudar la función del anterior segmento, y en ocasiones ayudar a limpiar las paredes del cilindro de posibles impurezas y de renovar la película de aceite, además de guiar la cabeza del pistón. Suele tener la forma escalonada, y ser de sección mayor que el de fuego. Aro de engrase: recoge el excedente de película de aceite, y retornarla al cárter a través de unos orificios practicados en el ϯϳ  David Asensio Bueno  alojamiento del aro del pistón. En ocasiones se aprovechan también estos orificios para lubricar el bulón. Para dificultar la salidas del gas y ayudar a la misión propia de los segmentos, los aros se montan con sus ranuras caladas 120º. Nunca deben de coincidir una obertura sobre la otra. Durante la operación de desmontaje y montaje, se debe tener especial atención a la flexibilidad de los segmentos para evitar que se parta así como asegurar su correcta posición de montaje. 1.8.2. Tipos de aros según su forma - - - - - - Rectangular: se utiliza como segmento de fuego, y se le da un revestimiento de cromo. Cónico: se emplea como segmentos de estanqueidad, y se sitúa debajo del aro de fuego. La cara superior debe venir marcada para no invertir su posición, puesto que aumentaría mucho el paso de aceite. Torsión: este aro conserva su forma cilíndrica en la parte exterior y tiene una cierta conicidad en su cara interna, con lo que a cada desplazamiento del émbolo tiende a bascular en la ranura, aumentando la estanqueidad y el rascado. Trapecial: hay dos tipos lateral y bilateral. Las características del funcionamiento es igual que el anterior, con la diferencia que este tipo de aros se utiliza en motores con mayor temperatura interna. Con expansor: conserva las mismas características de fundición en cuanto la cara exterior, pero lleva en su zona interior un resorte con banda de acero. Aros de engrase: pueden presentar diferentes formas en sus labios, tienen una forma de U con unos orificios en el centro, a través de los cuales pasa el aceite al interior del émbolo, para su retorno al cárter. Aro compuesto: se emplea también como aro de engrase y está formado por una arandela guía a cada lado, un cuerpo hueco en el centro, y un expansor de lámina de acero (con orificio). ϯϴ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Figura 26. Aros de fuego, compresión y engrase 1.9. Biela Se define como el elemento mecánico que une el pistón con el codo del cigüeñal, y está sometido a esfuerzos de compresión y flexión, por su movimiento lineal y rotativo a la vez. Las bielas se construyen en fundición aleada con Cromo al Vanadio (material muy duro) o cromo al níquel, y posteriormente se equilibran. Para disminuir el peso de las bielas en algunos motores, se montan de titanio (para competición). En función de su peso y su diámetro en pie y cabeza las bielas se clasificarán en un motor por familias, teniéndose que montar en un motor siempre bielas de la misma familia. ϯϵ  David Asensio Bueno  Figura 27. Biela y sus partes Las dos pestañas de los semicojinetes de la biela van en el mismo lado, es decir, encarados una con otra. Si no tienen pestañas se colocan a través de la identificación. 1.10. Bulón El bulón se encarga de mantener unidos el pistón y la biela. Está sometido a esfuerzos de corte y compresión, por lo que se construye del mínimo diámetro posible, hueco en su interior y en acero cementado. En función del sistema de montaje, se pueden montar de tres tipos: - - - Montaje solidario a la biela: el bulón se monta por interferencia a la biela, de 0,04 a 0,08mm. En ocasiones puede ir fijo a la biela, por un tornillo o perno (motores ingleses, o antiguos), también en algunos casos debido a la gran interferencia es necesario calentar el alojamiento y enfriar el bulón. Montaje solidario al pistón: el bulón queda fijado por interferencia al pistón (0,06), quedando libre el pie de biela en este caso es necesario un casquillo de fricción, entre la biela y el bulón. Montaje flotante: el bulón se desliza suavemente en el pie de biela y en el pistón (0,02mm), para limitar el movimiento lateral del bulón, se colocan unos anillos de seguridad en los alojamientos que el pistón tiene para tal fin. Este montaje permite relaciones de compresión mayores y es el más usado actualmente. Figura 28. Bulón ϰϬ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  1.11. Cigüeñal Es la pieza del motor que recoge el esfuerzo de la explosión, y lo convierte en movimiento rotativo. Se construye generalmente en acero cementado, y templado con aleaciones de cromo y níquel. Además se les da un recubrimiento especial a los apoyos de bancada y muñequillas de biela llamado nitruración. Se diferencian las siguientes partes de los cigüeñales: - - - - - Apoyo de bancada: son los puntos donde apoya y sustenta el cigüeñal con el bloque motor, por norma general es de 3 o 5 apoyos (antiguamente eran 3) en un motor de cuatro cilindros, siendo de la misma anchura o ancho, a excepción del más próximo al volante de inercia que es de mayores dimensiones. Muñequilla de biela: también llamados codos de cigüeñal, y determinan la carrera del motor. Son los puntos que acoplan las bielas, y no siempre son del mismo diámetro debido a pequeñas diferencias en el proceso de mecanizado (pueden variar 0,02mm). Contrapeso: su misión es la de equilibrar lo mejor posible el cigüeñal. Se colocan en sentido opuesto a la muñequilla de biela correspondiente, y su peso es normalmente el del codo del cigüeñal. Suelen presentar formas que no perjudiquen al giro del mismo, aunque en la actualidad los contrapesos no chocan nunca con el depósito de aceite que hay en el cárter del motor. Normalmente en el primer o último contrapeso se encuentran las letras, números o códigos de identificación de las medidas de los apoyos de bancada y de biela del cigüeñal. Orificios de equilibrado: para ajustar el equilibrado del cigüeñal se realizan unos taladros de diferente profundidad, y normalmente el mismo diámetro en los extremos de los contrapesos. Arandelas de juego axial (lateral): es necesario el uso de más arandelas que limiten el juego lateral del cigüeñal, principalmente debido al movimiento del propio cigüeñal cuando se acciona el embrague, y estas arandelas tienen siempre posición de montaje. ϰϭ  David Asensio Bueno  Figura 29. Cigüeñal 1.12. Volante de inercia El volante de inercia sirve para regularizar el giro del motor. Cada explosión significa un impulso en el cigüeñal, que le proporciona giro y este no es continuo. Por este motivo colocamos una grande masa equilibrada en el extremo del cigüeñal, que almacene o acumule una gran cantidad de inercia (energía cinética), que se irá liberando en función de la energía que le mande el motor, para cubrir el resto de ciclos nulos de éste. El volante de inercia se fabrica en fundición gris perlítica, y adicionalmente participa en el conjunto de mecanismos o sistemas de transmisión y arranque. El tamaño y masa del volante de inercia, va en función del número de cilindros, de la cilindrada y de la relación de compresión. Figura 30. Volante de inercia ϰϮ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  1.13. Culata La culata está sometida a altas presiones y temperaturas, ya que cierra por la parte superior al cilindro y es donde se producirán las explosiones. Por este motivo está sometida a fuertes dilataciones, teniendo que tener especial atención en los siguientes puntos: - Planitud de la superficie de unión con el bloque. - Junta de estanqueidad o de culata. - - Tornillos de fijación de la culata con el bloque. Se deben sustituir cada vez que se monte y se desmonte la culata. Realizar el apriete de los tornillos de la culata, siguiendo el procedimiento de apriete en cruz o circular en el centro a los extremos para repartir la tensión, y evacuar el aire que pueda haber entre la base del bloque y de la culata. La culata se fabrica generalmente de aluminio, ya que se necesita una buena conductividad térmica, y para no crear puntos calientes en su interior que den lugar a dilataciones ni autoencendidos. 1.13.1. Cámara de combustión en las culatas - - - Cámara de forma de cuña: en este tipo de cámara de combustión, la explosión comienza en un extremo, y por lo tanto no se propaga el frente de llama de manera homogénea y veloz en todos los puntos de la cámara. Cámara en forma de bañera: al igual que en las cámaras de cuña la bujía se encuentra alojada en un lateral, por lo que las combustiones no son homogéneas en su propagación, aunque al tener el final de la cámara en forma hemisférica, la explosión se dirige hacia el pistón con mayor precisión. Cámara hemisférica: en este tipo, la bujía se encuentra en la parte central superior, obteniendo de esta manera una explosión homogénea y rápida, al colocar la bujía en esta posición. Las válvulas se ven obligadas a variar su posición y tamaño, llegándose al caso de poner dos válvulas de admisión pequeñas en lugar de una grande. Es el tipo de cámara que mayor rendimiento obtiene. ϰϯ  David Asensio Bueno  Figura 31. Parte inferior de la culata con cámara de combustión hemisférica señalizada 1.14. Componentes de culata 1.14.1. Válvulas Permiten la entrada y salida de los gases de admisión y escape, en el tiempo adecuado en cada momento cerrando herméticamente y asegurando dicha hermeticidad, en el resto de los momentos del ciclo. Las válvulas están sometidas a fuertes presiones y temperaturas, siendo esta última un factor clave a la hora de diseñar la longitud de su vástago y el diámetro del mismo, a más grosor y longitud mayor evacuación de calor, pero mayor peso. La cabeza de la válvula también debe traspasar el calor al vástago, por este motivo a más reducida sea la superficie expuesta al calor mejor será la evacuación del mismo. También las válvulas de escape son de menor diámetro que las de admisión, además de tener que soportar una presión en la cámara en el momento de abrirse. El ángulo de la cabeza de la válvula es generalmente de 45º, a excepción de los motores de competición que las utilizan de 30º. Normalmente las válvulas de escape son de mayor diámetro que las de admisión, porque siguen un criterio, que para poder llenar hace falta vaciar. Composición de las válvulas: - Admisión: acero austenítico al níquel o titanio. ϰϰ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  - Escape: se fabrica en acero austenítico al níquel más cromo o cromo al sílice, algunas rellenas de sodio en polvo, que pasa a estado líquido por temperatura y refrigera la válvula de esta manera. Figura 32. De izquierda a derecha tenemos: muelle de válvula, guía de válvula, válvula y retén de guía de válvula 1.14.2. Guías de válvulas Se montan en la culata a presión y se fabrican en fundición gris o en latón, dependiendo de si trabajan con una pequeña película de aceite o si trabajan en seco (latón). Deben encargarse de asegurar el correcto guiado de la caña de la válvula, así como de transmitir el calor de la válvula a la culata. Todas las guías de las válvulas deben sobresalir desde el plano superior de la culata, la misma distancia. 1.14.3. Retén de guías de válvulas Impiden el paso de aceite desde la culata a la cámara de combustión, a través del vástago de la válvula y la propia guía de válvula. Suelen estar ϰϱ  David Asensio Bueno  construidos de material plástico de caucho, con junta tórica y muelle de presión en la parte superior colocándose a presión sobre la guía de válvula. 1.14.4. Muelles de válvulas Aseguran el cierre de la válvula de manera rápida y precisa. Como el uso de muelles favorece la aparición de resonancias a unas determinadas revoluciones, se monta doble muelle, uno interior y otro exterior. En otras ocasiones por las características de las crestas del árbol de levas, se montan muelles progresivos con diferentes separaciones entre espiras, colocándose las espiras más separadas hacia arriba, o bien una marca de pintura nos indicará la posición de montaje. 1.14.5. Asiento de válvula Los asientos de válvula son anillos postizos colocados a presión por interferencia (0,08mm) en la culata, sobre los que apoyan las válvulas cuando permanecen cerradas. Siempre están fabricados en un material extremadamente duro, para poder soportar el continuo golpeteo durante el funcionamiento del motor. Se fabrican en fundición gris nitrurada aleada con cromo y níquel, y en lo motores que funcionan con gasolina sin plomo con un recubrimiento superficial, denominado estelita (aleación de cobalto, tungsteno y cromo). Los asientos de válvulas se diferencian tres zonas: - - Zona interior o superior que puede ir a 75º, 60º o 90º. Zona media que es la zona principal del asiento y en la mayoría de los casos es de 45º, a excepción de competición que es a 30º igual que las válvulas. Zona exterior con un ángulo de 20º. La zona interior y exterior del asiento de válvula, sirven para poder ajustar la anchura exacta de la parte central del asiento. 1.15. Sistema de distribución El sistema de distribución tiene la misión de sincronizar el momento de apertura y cierre de las válvulas con el giro del motor, teniéndose en cuenta que en un motor de cuatro tiempos el árbol de levas siempre dará la mitad ϰϲ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  de vueltas que el cigüeñal, es decir, para dos vueltas del cigüeñal el árbol de levas solamente dará una vuelta. En función del número de válvulas, número de árboles de levas, el sistema de accionamiento y el tipo de modo (cadena, correa o engranajes), se pueden diferenciar infinidad de diferentes sistemas de distribución. 1.16. Componentes del sistema de distribución 1.16.1. Árbol de levas Es el elemento del sistema que mediante rotación, fuerza la apertura de las válvulas de manera directa o indirecta. El árbol de levas se fabrica en una sola pieza por el procedimiento de fundición en molde o coquilla, una vez mecanizado el árbol se templa en la zona de rozamiento, obteniéndose las medidas finales de acabado por medio del rectificado. En la actualidad los árboles de levas se construyen de tubo hueco, pasando las levas sobre estriado y el perno de fijación de las levas, se hace pasar por el interior del tubo a presión de aceite, suficiente para aumentar ligeramente el diámetro de los laterales del estriado, y fijar definitivamente la posición de las levas. Tanto en un caso o en el otro, el árbol de levas no tiene reparación y siempre en caso de avería debería de sustituirse. Si el árbol de levas está fabricado por fundición por coquilla y templado, es muy frágil. A su vez los árboles de levas disponen de apoyos sobre los que giran, con más dimensiones determinadas en función de la tensión que tengan los muelles de válvula, y suelen haber tantos apoyos como pares de cilindro más uno, tenga el motor. Las levas determinarán la alzada de las válvulas y se distinguen dos partes en la leva: - - Flanco de leva: que es la posición de la leva comprendida entre dos ejes del árbol de levas y la cresta. Podríamos decir que se trata del lateral de la leva. Cresta de leva: es la parte de la leva determinada por la unión de los flancos de la leva. La altura de la cresta tiene relación directa con la apertura máxima de la válvula, ya que la longitud desde el centro del ϰϳ  David Asensio Bueno  árbol de levas hasta la punta de la cresta es la distancia que recorre la válvula. Figura 33. Árbol de levas 1.16.2. Elemento de arrastre El árbol de levas suele presentar diferentes sistemas para arrastrar la bomba de gasolina, distribuidor, bomba de vacio (turbo) mediante excéntricas, engranajes ranuras o chavetas. 1.16.3. Perfil de leva Los más empleados en los motores actuales son los siguientes: - - Flancos convexos: están formados por un círculo base que se une a la curva de la cresta, por medio de dos círculos tangentes cuyo radio de curvatura está en función de la altura y el ángulo de apertura de la válvula. Flancos tangenciales: en este tipo de leva los flancos están formados por dos rectas tangentes al círculo base y a la curva de la cresta. ϰϴ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  1.16.4. Ángulo de la leva (apertura) La válvula debe estar abierta durante un tiempo, que corresponde a los 180º del giro del cigüeñal más los adelantos de apertura y retrasos al cierre. Como que el árbol de levas gira a la mitad de rpm que el cigüeñal, el ángulo de la leva correspondiente a la apertura de la válvula debe ser la mitad. 1.17. Disposición de las válvulas en el cilindro Una de las diferencias básicas que podemos encontrar en un sistema de distribución, es la disposición que adoptan las válvulas en el cilindro. De hecho estas disposiciones se estudian convenientemente, para conseguir el máximo rendimiento del motor y ya se han adoptado distintas soluciones, alguna de las cuales ya han caído en desuso. - - - - Sistema SV: válvulas en bloque y árbol de levas en bloque. Este sistema es el principio de todos los demás sistemas. La posición de las válvulas y los colectores no favorece el llenado de los cilindros, además de utilizar una cámara de compresión con tendencia al autoencendido, y de no contar con el mando directo de ataque de las válvulas. Sin embargo el sistema de distribución está simplificado al máximo. Sistema OHV: válvulas en culata y árbol de levas en bloque. El sistema incorpora las válvulas en cabeza, con lo que el problema de sistema SV queda en parte solucionado. No obstante la configuración del sistema, hace que sea ruidoso y poco eficaz frente a otros sistemas , además de limitar de manera muy evidente el número de revoluciones del motor Sistema OHC: válvulas en culata y árbol de levas en culata. Ubica las válvulas en culata y como que el árbol de levas también se encuentra en la parte superior, permite que la apertura y cierre de la válvula sea casi instantáneo. Adicionalmente las válvulas pueden adoptar diversas disposiciones en la cámara de compresión, según interese para conseguir o aumentar el rendimiento térmico del motor como puede ser la cámara de tipo hemisférico. Sistema DOHC: válvulas en culata y doble árbol de levas en culata. Actualmente está en alza, una de las ventajas frente al sistema ϰϵ  David Asensio Bueno  anterior, se caracteriza de utilizar un doble árbol de levas, lo que permite realizar un mayor número de válvulas. Con lo que diseñando una cámara de compresión adecuada y un diagrama de distribución adecuado o mejor, se consigue un sistema de distribución casi perfecto. 1.18. Balancines empujadores y taqués Los balancines son unas palancas que transmiten el movimiento de la leva, bien directamente o a través de varillas empujadoras o empujadores a las válvulas. Podemos encontrar dos tipos de balancines según su funcionamiento: - - Balancines basculantes: aquel cuyo eje de giro no está situado en un extremo de este. Se utiliza generalmente cuando el árbol de levas se encuentra separado del conjunto de válvulas, y el movimiento se transmite al balancín mediante varilla u otro mecanismo similar. Balancín oscilante: es aquel que está formado por un solo brazo de palanca que se interpone entre la leva y el vástago de la válvula. Se emplea normalmente cuando el árbol de levas se encuentra por encima de la culata. Figura 34. Balancines 1.18.1. Empujadores Son elementos que sirven de enlace entre el taqué y el balancín. En los sistemas de montaje con árbol de levas en bloque y válvulas en cabeza (OHV). ϱϬ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Las varillas empujadoras deben tener la suficiente fuerza a la flexión, para poder vencer la acción del muelle sin deformación elástica ninguna. 1.18.2. Taqués Se puede definir un taqué como el elemento que se interpone entre la leva del árbol, y la válvula para aumentar la superficie de contacto de ataque de la leva. Existen dos tipos de taqués con posibilidad de reglaje: - - Los que incorporan la pastilla de reglaje en el interior del vaso, en este tipo de taqué será necesario extraer el árbol de levas para sacar el taqué de su alojamiento, y extraer o cambiar la pastilla de reglaje. Taqués con la pastilla de reglaje en la cara exterior y en contacto con la leva. En este tipo de taqué es posible extraer las pastillas levantando levemente el árbol de levas, aunque sea recomendable extraer todo el sistema de distribución. Figura 35. Taqués hidráulicos 1.19. Reglaje de válvulas Siempre que el sistema de distribución cuente con balancines o taqués de reglaje por pastilla, será necesario realizar el reglaje de válvulas. Estas cotas de reglaje suelen variar para cada tipo de distribución y de válvula, siendo generalmente mayores las de escape, por estar sometidas a mayor temperatura. Las cotas que marca el fabricante están dadas con el motor frío, por lo tanto el reglaje se ha de realizar en estas circunstancias. La forma de realizarlo varía dependiendo si se tienen balancines o si ataca directo. ϱϭ  David Asensio Bueno  Cuando se trata de balancín se introduce la galga entre la cola de la válvula y el balancín, y se ajustará la medida por medio del tornillo del extremo opuesto del balancín, bloqueándolo seguidamente con la tuerca correspondiente. Si el montaje es de ataque directo, el reglaje se realizará midiendo la holgura con la galga correspondiente, en aquellas válvulas que presenten su lado circunferencial al taqué. La operación se realiza colocando los cilindros que suben y bajan simultáneamente en cruce, y regulando el taqué, está en compresión. 1.20. Sistema de lubricación En un motor, cualquiera que sea el sistema de lubricación empleado, su misión es la de suministrar la cantidad de aceite suficiente a todas las partes móviles, para realizar el engrase de forma conveniente. El funcionamiento básico es el siguiente: - A través de un colador, se aspira el aceite de un depósito (cárter) por medio de una bomba y se envía a una canalización principal en el cárter, desde donde se reparte a los diferentes órganos del motor (cigüeñal, árbol de levas, etc.). Con la interposición de filtros y enfriadores, y controlando la presión y la temperatura con un posterior retorno al depósito. Figura 36. Sistema de lubricación ϱϮ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  1.21. Sistema de refrigeración Tiene por misión mantener estable la temperatura de servicio del motor, evitando el exceso de dilatación de los componentes mecánicos, y de esta manera evitando la rotura de los mismos. En la actualidad también se encargará de aumentar el confort de los ocupantes (sistema de calefacción), y reducir al máximo posible la fase de arranque en frío. Si un motor debe alcanzar grandes prestaciones, la temperatura de trabajo será baja (entorno de 50 a 60ºC). Si un motor busca rendimiento la temperatura de trabajo será alta (entorno 90 a 105ºC). 1.21.1. Sistema por agua El agua será el fluido a utilizar en los sistemas de refrigeración por líquido en los motores. Para solucionar la cristalización (congelación) a 0ºC se le añade “etilinglicol”, nunca se debe superar el 60% de este anticongelante. Para solucionar el punto de ebullición del agua el circuito cerrado deberá trabajar a presión (de 0,8 a 1,1bar). El agua del sistema de refrigeración debe tener PH neutro, no debe ser ácido. Para localizar las fugas en el circuito el líquido tiene un color fosforescente, y estos líquidos no deben mezclarse nunca. Hay dos clases de anticongelante, uno rosa y el otro verde. El rosa trata mejor a los plástico y va en motor de aluminio, y el verde ataca un poco a los plásticos. Para evitar la ingestión del líquido refrigerante este tendrá un sabor altamente amargo, ya que es altamente tóxico por ingestión. Para evitar que el agua evapore a altas temperaturas se presurizará el circuito, aprovechando las microfugas que se producen en la junta de culata. Esta presurización se hará gracias al tapón del radiador (coche japonés, americano o moto) o en el tapón del vaso de expansión si es coche europeo. En el vaso de expansión a parte de servir para presurizar el sistema en muchos casos, servirá principalmente para guardar la dilatación del propio líquido de refrigeración, que es aproximadamente un 5%, a más anticongelante tiene más dilatación. ϱϯ  David Asensio Bueno  Figura 37. Sistema de refrigeración ϱϰ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  CAPÍTULO 2: Diseño de pistones El diseño de un pistón depende de muchos estudios previos, y depende mucho de cada fabricante de motores, porque cada uno tiene sus teorías y estudios realizados para cada motor. Cada pistón tiene unas medidas, en las cuales se encuentran las siguientes: - - - - - Diámetro: es el diámetro que tiene la falda del pistón, que es la medida aproximada del cilindro. Altura de compresión: es la altura desde el centro del bulón hasta la parte más alta del pistón, que dependerá también si lleva deflector o no. Deflector: es un saliente del pistón, que según su forma o tamaño, que depende de la cámara de combustión alojada en la culata y las válvulas de está, puede ser muy distinto. Por ejemplo lo utiliza la motovespa y porsche. Profundidad del rebaje de válvulas: se trata de hacer unos alojamientos en los pistones, para que el pistón no pise las válvulas cuando éste suba y las válvulas estén abiertas. Cámara de combustión: en algunos motores la cámara de combustión se aloja en el pistón, y no en la culata. Esta cámara puede ser de ϱϱ  David Asensio Bueno  varias formas distintas que dependen de la entrada de combustible y aire, de tal manera que se mezclen bien en la cámara y aportando una buena expansión de gases. También según el motor puede estar desplazada del centro del pistón. - - - - - - Altura total: es la altura desde la falda hasta la cabeza del pistón, o en caso de que tenga deflector hasta el deflector. Distancia entre bosajes: es la distancia entre las paredes del pistón en las que se aloja la cabeza de biela con el bulón. Esta distancia puede variar en función del tamaño del pistón y biela, y la forma de la cabeza de biela porque algunas son más estrechas de la parte superior de la cabeza que la inferior. Altura del cordón de fuego: se trata de la distancia que hay entre el aro de fuego y la cabeza del pistón, es una distancia la cual cada fabricante la utiliza bajo su criterio. Altura entre cordones de segmentos: es la distancia que hay entre aros. Diámetro alojamiento del bulón: este diámetro depende del bulón que se tenga pensado montar, porque depende de los esfuerzos que sea capaz de soportar se montará de mayor o menor diámetro. Longitud de falda: es la longitud desde el aro de engrase hasta la parte inferior de la falda. La falda del pistón es una distancia que depende también del destino del pistón y del criterio del fabricante del motor, porque a mayor falda menor campaneo de éste en el interior del cilindro, pero cuanto mayor sea mayor superficie de fricción y menor rendimiento, y depende del material del pistón o del tratamiento que lleve la falda. Altura de dilatación: la distancia de dilatación se mide en el interior del pistón, y su parte inferior es desde el bulón, hasta la parte inferior e interior de la cabeza del pistón. ϱϲ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Figura 38. Pistón seccionado Para cada tipo de motor se aplica el diseño y la aleación más apropiados, para facilitar una resistencia estructural e integridad dimensional que tengan una buena seguridad funcional y vida útil. En la zona portasegmentos, los alojamientos de los segmentos se obtienen mediante torneado. En tiempos no muy lejanos podían contarse hasta cinco alojamientos; en la actualidad, dada la eficiencia de los segmentos, éstos se han reducido a tres para los pistones de motores de turismo comunes y a cuatro para los de motores Diesel. El primer alojamiento, comenzando por arriba, aloja un segmento de retención, el segundo (o el segundo y el tercero) puede incluir un segmento rascador con rebaje, o bien, un segmento de retención y otro con rebaje; el último alojamiento lleva un segmento clásico recogedor de aceite, con ranuras, que tiene la función de recuperar una parte del aceite de lubricación lanzado contra las paredes del cilindro. No todo el aceite es retenido por el segmento correspondiente en su carrera de bajada, una parte permanece y sirve para mejorar las condiciones de rozamiento de los demás segmentos. La función del primer segmento es bloquear la parte residual de aceite que sube hasta él. La porción comprendida entre los 2 segmentos finales, tiene 1 mm menos de diámetro, que los demás aproximadamente. Esto tiene como finalidad ϱϳ  David Asensio Bueno  crear un espacio regulador, donde se forma un anillo líquido que retarda la marcha del aceite hacia arriba y produce una zona de retención más. El área de los alojamientos del bulón, zona de unión del pistón con la cabeza de la biela mediante el bulón, es muy delicada, por los esfuerzos a los que está sometido. Un acoplamiento realizado defectuosamente implica la rotura de los apoyos, gripado y avería total del cilindro. El agujero del bulón se mecaniza con herramientas de diamante, con una rugosidad superficial hasta de 0,5µm y con tolerancias de mecanización de 4-7µm, y el bulón (de acero bonificado), con superficie exterior cementada, se rectifica con tolerancias de 5-7µm. Generalmente, se usan 3 acoplamientos: bulón fijo a la biela y flotante sobre los apoyos, bulón sujeto al pistón y libre sobre la biela, y bulón libre en los apoyos y en la biela (flotante). En el caso de los bulones libres en los apoyos, éstos no pueden deslizarse y salir de sus alojamientos, puesto que se lo impiden unas arandelas del tipo Seeger de sección rectangular. Las aleaciones de aluminio empleadas normalmente para la construcción de pistones pueden clasificarse en 3 categorías: aluminio-cobre, aluminiocobre-níquel (o hierro) y aluminio-silicio. Las aleaciones más empleadas son las de aluminio-silicio, puesto que ofrecen óptima resistencia mecánica y coeficiente de dilatación bajo, junto con elevado coeficiente de conductividad térmica. Además de éstas, existen aleaciones de aluminio al cobre, al silicio y al magnesio adecuadas para pistones estampados en prensa, de resistencia mecánica elevada. Estas aleaciones sirven, sobre todo, para construir pistones para motores de competición y de aviación. Como ya se ha explicado, en los motores de combustión interna, se confían al pistón las siguientes funciones: transmitir al cigüeñal a través de la biela, los impulsos producidos por los gases de combustión, garantizar la retención de los gases y del aceite de lubricación, y transmitir al cilindro el calor que recibe de los gases. La primera función está relacionada esencialmente con su resistencia mecánica, y es una de las principales consideraciones que el diseñador debe tener en cuenta al proyectar los grosores y al elegir el material. La segunda función (retención de gases), permite utilizar toda la energía producida en el momento de la combustión, y evita que los gases al pasar al cárter, quemen el aceite y provoquen el gripado o el encolado de los segmentos. La retención del aceite es necesaria, además de para limitar el consumo, para evitar depósitos de carbonilla entre las aletas y en la cámara de combustión. Estos últimos pueden provocar el preencendido por puntos incandescentes e incluso perforar el pistón. Las dimensiones de la falda y de las aletas contribuyen a garantizar la retención, puesto que, por encima de ciertos valores de juegos de acoplamiento entre el pistón y el cilindro, el ϱϴ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  sistema no puede funcionar, por el peligro de gripado, por lo que dicha función se confía sobre todo a los segmentos. La tercera función (disipación del calor), favorece el mantenimiento de las características mecánicas del material, reduce el peligro de trabamiento de los segmentos y el desgaste de los alojamientos. La gama de los tipos de pistones, diferentes por su forma, sus funciones y dimensiones, es muy amplia. Cada motor tiene su pistón. De todos modos, puede aceptarse una subdivisión en dos grandes clases, pistones para motores de encendido por chispa y diesel. 2.1. Pistones para motores de encendido por chispa Son los pistones que se emplean preferentemente en los motores de 4 y 2 tiempos. Su diámetro va desde 30-70 mm para las motocicletas hasta 52110 mm para los automóviles. Pueden construirse de varias formas: la cabeza, por ejemplo, puede ser plana, cóncava o convexa. Puede presentar rebajes circulares en correspondencia con la posición de las válvulas de admisión y de escape. La cabeza de los pistones Citröen es especial, puesto que tiene un resalte asimétrico de forma no definible geométricamente. Estas diferentes cavidades representan la investigación continua de los diseñadores para conseguir una combustión completa y, por tanto, un menor porcentaje de gases no quemados en el escape. La zona inferior de la falda tiene generalmente aletas con la función de aumentar la guía, y reducir el golpeteo del pistón contra las paredes del cilindro. El área de la falda próxima a los agujeros del bulón muchas veces se rebaja para aligerar el peso del pistón sin comprometer su resistencia. También puede hacerse otra distinción tomando en consideración las diferentes técnicas de construcción ideadas para controlar la dilatación térmica. Pistones monometálicos de falda completa. Son los más sencillos y los más usados. La dilatación térmica de la falda es relativamente grande, por ese motivo se necesitan grandes juegos de acoplamiento y ovalizaciones de compensación. Antiguamente, este tipo de pistón tenía un corte, vertical u oblicuo, con la función de hacer más elástica la falda y absorber las dilataciones, pero su rigidez disminuía y a veces la falda se rompía. En la misma categoría pueden incluirse los pistones de forja para competición. Tienen la cabeza de forma convexa con gran curvatura para ϱϵ  David Asensio Bueno  permitir relaciones de compresión elevadas. En la zona portasegmentos existen alojamientos para 2 segmentos o, como máximo, para 3, y la falda tiene una superficie muy reducida cuya función es solamente de guía. Presentan nervios muy pronunciados, con la única finalidad de reducir al mínimo el peso que, dado el elevado número de ciclos (9.000-11.000 por minuto), para reducir las fuerzas de inercia y los problemas que conllevan. Pistones de dilatación térmica controlada. Son pistones con pequeñas placas de acero, incorporadas durante la fundición, que les confieren altas prestaciones desde el punto de vista de la dilatación térmica. En 1925, A. L. Nelson construyó un pistón con placas de invar, aprovechando que este material posee un coeficiente de dilatación muy pequeño respecto al de las aleaciones de aluminio. Posteriormente, en Alemania aparecieron los pistones Autothernik y Autothermatik de la empresa Mahle. El pistón Autothermik se caracteriza tanto por el tipo de placas como por la presencia de un corte en el alojamiento del segmento recogedor de aceite, que interrumpe la unión de la cabeza con la falda. El corte determina que la falda esté más fría y, por tanto, que sea más fácilmente controlable. El pistón Autothermatik es muy similar al Autothermik, se diferencia únicamente en que la unión de la cabeza con la falda no está cortada, sino sólo interrumpida por agujeros situados de manera que permiten aún cierto flujo de calor desde la cabeza a la falda, que permanece más fría. Además de esto, se evitan las deformaciones de la cabeza, que en este caso apoya toda la circunferencia sobre el cuerpo del pistón. Los pistones de este tipo ofrecen las mismas ventajas que los monometálicos no cortados y que los autotérmicos, por lo que se emplean en motores rápidos y sometidos a solicitaciones elevadas. Los pistones con anillos de dilatación, se caracterizan por una pieza de acero de sección transversal circular, con la parte exterior lisa o dentada, incorporada en el momento de la colada. Esta pieza especial tiene la capacidad de reducir notablemente la dilatación de la parte superior de la falda, es decir, la contigua al alojamiento del segmento rascador de aceite. Una variante de este tipo es la del pistón Cinturato, de la empresa Borgo, en el cual la función de reducir las dilataciones está confiada a un aro de acero, de sección transversal ovalada que tiene 1 mm de espesor y una altura de 15 mm, aproximadamente. Otro pistón de esta categoría es el Duotherm de la marca Mahle, pieza circular y por tanto, reúne las características de ambos. El sistema Duotherm se utiliza muchas veces en pistones para motores Diesel rápidos. Para las mismas aplicaciones se produce el pistón Perimatic, de la marca Karl Schmidt. La particularidad de este último consiste en que posee una placa de acero cilíndrica que rodea completamente a la falda, aportándole cualidades de resistencia especiales. ϲϬ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  2.2. Pistones para motores Diesel Las cabezas de estos pistones varían de forma, pero presentan los mismos problemas. Elevado rendimiento de la combustión, disipación del calor de la cámara de combustión y transferencia del impulso de los gases a la biela a través del bulón. De estos problemas, los 2 primeros son los más difíciles de resolver. Las cámaras del tipo de turbulencia esférica, las de doble turbulencia (Saurer) y las de turbulencia simétrica (Ricardo), son las más usadas y con ellas se trata de obtener una velocidad de rotación del aire aspirado y comprimido muy elevada y simétrica. De esta manera, las partículas de combustible pulverizado por el inyector, al mezclarse íntimamente con el aire, se queman por completo. El borde de la cámara de combustión es una zona muy delicada a causa de las posibles grietas de origen térmico. Esto se remedia aumentando los radios de acorde o también incorporando en esta zona elementos de fundición que tengan un coeficiente de dilatación muy próximo al de la aleación de aluminio. Esta técnica se emplea normalmente para pistones sometidos a solicitaciones elevadas. La disipación del calor de la cabeza se obtiene: - Perfilando adecuadamente el interior del pistón, sobre todo en la zona de unión con la falda. - Enfriando con chorros de aceite la parte inferior de la cabeza del pistón. - Efectuando rebajes circulares o en serpentina, en el cuerpo de la cabeza o alrededor de la cámara de combustión donde se desliza el aceite de refrigeración. El borde superior de estos pistones, al quedar directamente expuesto a los efectos de la combustión, constituye la primera barrera contra los gases en expansión. Un juego demasiado grande favorece la formación de depósitos de carbonilla, que rellenan el espacio libre y pueden causar el gripado cuando se exige una elevada potencia del motor. Si el juego es demasiado pequeño, el segmento del primer alojamiento trabaja casi en condiciones de gripado. Este segmento al estar tan cerca de la cámara de combustión, está expuesto a trabarse en su alojamiento, de ahí que es aconsejable colocarlo lo más bajo posible. Generalmente, la altura óptima de la primera aleta es 1/5 del diámetro. Para los motores con elevada carga térmica, las técnicas descritas anteriormente tienen escasa importancia, puesto que la elevada temperatura del primer alojamiento (200-230 ºC) produce un gran desgaste ϲϭ  David Asensio Bueno  de la misma y la posibilidad de encolado del segmento. Este inconveniente se ha solucionado incorporando durante la colada, en la zona del primer alojamiento, una pieza de fundición resistente al desgaste y en la que se realiza el alojamiento del segmento. Antiguamente, no se podría conseguir ya que este sistema no hubiese dado buen resultado, porque las técnicas de fundición han mejorado con el paso del tiempo. El incremento de potencia de los motores diesel, con la inyección directa y el control electrónico, aporta temperaturas superiores a los 360ºC y presiones de hasta 170bar en la cámara de combustión. Esto implica un desarrollo importante y un estudio en profundidad del material y el diseño del pistón. El departamento de investigación y desarrollo mahle, produce una clase de pistón llamado FERROTHERM, que tiene una cabeza de acero forjado y un cuerpo de aluminio. La combinación de estas dos aleaciones aporta al pistón mayores prestaciones. En el caso de la cabeza de acero forjado, soporta mayores temperaturas, una presión mucho mayor en el buje y el pistón, y mejora el comportamiento al desgaste del pistón aumentando su vida útil. El inconveniente de la cabeza de acero es que no es tan buen conductor térmico como el aluminio, pero esa función la hacen unos conductos o canales de refrigeración por aceite. Pero la cabeza de acero tiene menor dilatación térmica y aporta un ajuste mejor en el cilindro. El cuerpo de aluminio hace de guía en el cilindro, aportando una mayor conductividad térmica, disipando calor al cilindro y aportando en menor peso posible reduciendo las fuerzas de inercia del pistón. 2.3. Antes del diseño Las causas del desgaste del pistón son de 3 tipos: - Rozamiento con el cilindro. - Acción abrasiva producida por pequeñas partículas. - Efecto corrosivo de los productos de la combustión, que son ácidos fuertes (pH = 2) durante el funcionamiento a temperaturas bajas (en particular en arranque en frío). Los remedios para disminuir al mínimo los efectos de estas causas son: - Reducción de la fuerza transversal, obtenida descentrando el bulón respecto al diámetro del pistón. ϲϮ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  - Disminución del coeficiente de rozamiento mantenimiento de una capa de aceite lubricante. mediante el Este último factor se consigue tanto eligiendo la mejor combinación de los tipos de segmentos, y combinando los valores de rugosidad de las superficies de contacto. Por regla general, acabados bastos dan mejores resultados, puesto que, una vez efectuado el rodaje, los surcos profundos ofrecen aún, buenos alojamientos de permanencia del aceite (rugosidad media de 0,9 para los cilindros y de 2,5 para los pistones). En especial, para evitar que los surcos se conviertan en canales que se dirijan hacia la cámara de combustión y que, por consiguiente, faciliten el paso del aceite, se suele rectificar la superficie del cilindro de manera que se obtengan hélices entrecruzadas con ángulos de 120º. La duración del pistón depende esencialmente de la calidad del material utilizado y de los tratamientos térmicos a que ha sido sometido. Durante el funcionamiento, el pistón produce ruido, puesto que su movimiento no es perfectamente rectilíneo, sino que se compone de un desplazamiento transversal, que le hace chocar con el cilindro, y de una rotación alrededor del eje del bulón, que le hace tocar alternativamente con la cabeza y con la base de la falda. Otro ruido se debe al juego de los apoyos con el bulón. La disminución del ruido puede conseguirse dando a la falda una forma bombeada y oval. En los motores de competición en que el cigüeñal tiene una velocidad angular muy elevada, es necesario reducir al máximo el peso de los pistones. Este problema no afecta solamente a los preparadores de motores de competición, sino, a los constructores, a causa del aumento continuo del número de revoluciones del motor. A 5.000 rpm, cada pistón realiza ya 10.000 carreras/min. Los efectos más perjudiciales de la temperatura en el cuerpo del pistón son: la disminución de las características mecánicas del material, se desgasta más rápido, al gripado, el agrietamiento de la cabeza, el encolado de los segmentos y la dilatación excesiva de los bordes y de la falda. Un aspecto muy importante del problema térmico, desde el punto de vista de la construcción, es el efecto de la dilatación de la falda, depende de 3 factores fundamentales: - Coeficiente de dilatación del material. - Temperatura. - Grosor de la zona considerada. ϲϯ  David Asensio Bueno  Si se toma en consideración una sección vertical de la falda, se observará que se caracteriza por grosores y temperaturas decrecientes hacia abajo, con las consiguientes dilataciones mayores en la parte alta respecto a la baja. Este inconveniente se remedia dando a la falda una forma cónica o bombeada con diámetros inferiores en la parte alta. 2.4. Procesos de fabricación de pistones En los procesos de fabricación, influye mucho el material que se utiliza, las propiedades que se necesitan adquirir y el proceso escogido (estos dos últimos van ligados). 2.4.1. Material El material a utilizar son aleaciones de aluminio y en algunos casos acero, principalmente el aluminio. El aluminio puro es un material con una resistencia muy baja a la tracción, y posee poca dureza. Pero es un material fácil de alear con otros, que le aportan propiedades mecánicas superiores. La aleación principal es el duraluminio que mejora su propiedad de dureza, pero hay muchas más aleaciones que aportan esta propiedad. El duraluminio consta de una aleación de aluminio con cobre (Cu) (3-5%) y pequeñas cantidades de magnesio (Mg) (0,5-2%), manganeso (Mn) (0,251%) y zinc (Zn) (3,5-5%). Son también importantes los diversos tipos de aleaciones llamadas anticorodal, a base de aluminio (Al) y pequeños aportes de magnesio (Mg) y silicio (Si). Pero que pueden contener a veces manganeso (Mn), titanio (Ti) y cromo (Cr). Los principales elementos aleantes del aluminio son los siguientes y se enumeran las ventajas que proporcionan. - Cromo (Cr). Aumenta la resistencia mecánica combinado con otros elementos Cu, Mn, Mg. - Cobre (Cu). Incrementa las propiedades mecánicas pero reduce la resistencia a la corrosión. - Hierro (Fe). Incrementa la resistencia mecánica. - Magnesio (Mg). Tiene alta resistencia tras el conformado en frío. ϲϰ  cuando está Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  - Manganeso (Mn). Incrementa las propiedades mecánicas y reduce la calidad de embutición. - Silicio (Si). Combinado con magnesio (Mg), tiene mayor resistencia mecánica. - Titanio (Ti). Aumenta la resistencia mecánica. - Zinc (Zn). Reduce la resistencia a la corrosión. Las aleaciones de aluminio para fundición han sido desarrolladas habida cuenta de que proporcionan calidades de fundición idóneas, como fluidez y capacidad de alimentación, así como valores optimizados para propiedades como resistencia a la tensión, ductilidad y resistencia a la corrosión. Difieren bastante de las aleaciones para forja. El silicio en un rango entre el 5 al 12% es el elemento aleante más importante porque promueve un aumento de la fluidez en los metales fundidos. En menores cantidades se añade magnesio, o cobre con el fin de aumentar la resistencia de las piezas. 2.4.2. Fundición La fundición de piezas consiste fundamentalmente en llenar un molde con la cantidad de metal fundido requerido por las dimensiones de la pieza a fundir, para que después de la solidificación, obtener la pieza que tiene el tamaño y la forma del molde. Existen tres tipos de procesos de fundición diferenciados aplicados al aluminio: - Fundición en molde de arena. - Fundición en molde metálico. - Fundición por presión o inyección. La fundición utilizada para la fabricación de de pistones, es la fundición en molde metálico. La fundición en molde metálico permanente llamados coquillas, sirve para obtener mayores producciones. ϲϱ  David Asensio Bueno  El aluminio se funde en un horno de 32 toneladas de capacidad. Los controles de calidad empiezan inmediatamente con discos de muestra tomados de la fundición para ser verificados en su composición química. Algunos de los metales agregados al aluminio son: zinc, manganeso, cobre, silicio, magnesio, sodio y níquel. Con la fundición lista y la calidad asegurada, se prepara el horno para llenar un crisol de 1,150 kilogramos. El aluminio fundido es enviado a la estación de desgasificado para remosión de los óxidos e impurezas. Luego es depositado en un horno suspendido para las operaciones de colado. Las empresas grandes pueden disponer de su propia fundición, pero otras compran el aluminio en lingotes que después funden en crisoles. Estos crisoles pueden tener diferentes dimensiones, que va en función de la producción de la empresa. En el método de la fundición empieza vertiendo la colada del metal fundido en un molde metálico permanente bajo gravedad, el aluminio se encuentra en estado líquido a unos 682ºC aproximadamente. Este método utiliza un molde permanente hecho de metal o grafito. Estos moldes se cubren con una sustancia refractaria y luego con negro de humo, la cual reduce los efectos de enfriamiento en el metal y facilita la remoción de la pieza de fundición. No se utiliza presión excepto la obtenida por la altura del metal en el molde. La fundición en molde permanente usa un molde metálico construido en dos secciones, que están diseñadas para cerrar y abrir con precisión y facilidad. Los moldes se hacen comúnmente de acero o hierro fundido. La cavidad junto con el sistema de vaciado se forma por maquinado en las dos mitades del molde a fin de lograr una alta precisión dimensional y un buen acabado superficial. En este proceso es posible usar corazones para formar las superficies interiores del producto de fundición. Los corazones pueden ser metálicos, pero su forma debe permitir la remoción de la fundición, o deben ser mecánicamente desmontables para permitir esta operación. Si la remoción del corazón metálico es difícil o imposible se pueden usar corazones de arena, en este caso el proceso de fundición es frecuentemente llamado fundición en molde semipermanente. Los núcleos para los pernos se colocan en el molde para formar los alojamientos del perno del pistón. Los insertos autotérmicos se colocan en el molde antes de verter el aluminio fundido. Los protectores de ranura son colocados en el molde, de manera que el aluminio pueda rodearlos y fijarlos al pistón. Los insertos conformatic también se colocan en el molde y se mantienen en su lugar por medio de las ranuras de fijación. También se utilizan máquinas ϲϲ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  manuales de fundición para algunos diseños de pistones. El tiempo de cada ciclo es automáticamente controlado para asegurar la calidad de la fundición. El operador de la máquina manual de fundición carga primeramente los componentes de acero. Las mangueras dirigen cantidades de agua al molde para que el pistón se solidifique en la secuencia correcta. El proceso de cierre de las matrices puede realizarse automáticamente con pistones neumáticos, o el tipo más simple de molde permanente está embisagrado de un lado del molde, teniendo en el otro lado del molde dispositivos para mantener juntas las dos mitades. Los moldes permanentes producen piezas libres de arena con un buen acabado y buenos detalles en la superficie, se adaptan en la superficie a la producción de piezas pequeñas y de tamaño medio, son capaces de mantener tolerancias que van desde 0.064 a 0.25 mm. Figura 39. Proceso de fundición permanente Pasos en la fundición en molde permanente de una pieza similar y con proceso parecido fig. 39: (1) el molde se precalienta y se recubre; (2) se insertan los corazones (en su caso) y se cierra el molde; (3) el metal fundido se vacía en el molde y (4) el molde se abre. La parte terminada se muestra en (5). ϲϳ  David Asensio Bueno  Los moldes se precalientan primero para prepararlos, y se rocía la cavidad con uno o más recubrimientos. El precalentamiento facilita el flujo del metal a través del sistema de vaciado y de la cavidad. Los recubrimientos ayudan a disipar el calor y a lubricar la superficie del molde para separar fácilmente la fundición. Tan pronto como solidifica el metal, el molde se abre y se remueve la fundición. A diferencia de los moldes desechables, los moldes permanentes no se retraen, así que deben abrirse antes de que ocurra la contracción por enfriamiento a fin de prevenir el desarrollo de grietas en la fundición. Las ventajas de la fundición en molde permanente incluyen buen acabado de la superficie y control dimensional estrecho. Además, la solidificación más rápida causada por el molde metálico genera una estructura de grano más fino, de esta forma pueden producirse fundiciones más resistentes. El proceso está limitado generalmente a metales de bajo punto de fusión como el aluminio para la fabricación de pistones. La manufactura de formas geométricas más simples, que las fundidas en molde de arena (debido a la necesidad de abrir el molde) constituye otra limitación, además del costo. Debido al costo sustancial del molde, el proceso se adapta mejor a producciones de alto volumen que pueden automatizarse. Los rechupes, que son cavidades que se forman en las piezas debido a la falta de metal, son deformaciones de la pieza que pueden suceder mostrándose como porosidad de rechupe, que son unos poros que aparecen con los cambios abruptos de sección en el molde. Por esto deben evitarse estos cambios en el diseño del mismo, cuando sea posible. Otra causa de rechupes es que en el momento de vaciar el metal este se enfrié y solidifique en el canal de entrada al molde por el que pasa, antes de llenar una sección de la pieza. Para evitar estos rechupes los que se puede hacer es alimentar el metal fundido simultáneamente en ambos lados de la pieza a fabricar y así se reducirá el riesgo de que se produzca rechupes. Se debe tener en cuenta la ventilación interior de los moldes, de esta manera no hay inclusiones de burbujas de aire. Los conductos de ventilación son conductos pequeños que en el momento en el que entra la fundición, ésta solidifica. Con el desgaste del molde, la marca de la línea de división será más intensa en el vaciado. Deberá, por tanto, estar en una posición en que sea fácil de eliminar de la pieza, si la pieza lo requiere. Los rechupes, que son cavidades que se forman en las piezas debido a la falta de metal, son deformaciones de la pieza que pueden suceder mostrándose como porosidad de rechupe, que son unos poros que aparecen con los cambios abruptos de sección en el molde. Por esto deben evitarse estos cambios en el diseño del mismo, cuando sea posible. ϲϴ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Otra causa de rechupes es que en el momento de vaciar el metal este se enfrié y solidifique en el canal de entrada al molde por el que pasa, antes de llenar una sección de la pieza. Para evitar estos rechupes los que se puede hacer es alimentar el metal fundido simultáneamente en ambos lados de la pieza a fabricar y así se reducirá el riesgo de que se produzca rechupes. Se debe tener en cuenta la ventilación interior de los moldes, de esta manera no hay inclusiones de burbujas de aire. Los conductos de ventilación son conductos pequeños que en el momento en el que entra la fundición, ésta solidifica. Con el desgaste del molde, la marca de la línea de división será más intensa en el vaciado. Deberá, por tanto, estar en una posición en que sea fácil de eliminar de la pieza, si la pieza lo requiere. A continuación del proceso de fundición si lo precisa el pistón, éste es cizallado por un proceso automático para eliminar los sobrantes de material, como se muestra en la fig. 40. Figura 40. Pistón después de la fundición y cizallado Cuando el pistón es cizallado, es conducido a un horno en el cual recibe un tratamiento térmico, de ocho horas a 204ºC, para controlar el crecimiento del aluminio y asegurar su dureza correcta, y serán controlados para ver si cumplen con sus expectativa. Las operaciones de mecanizado comienzan con el desbaste, torneando la falda y refrentando la cabeza. Posteriormente son controlados en su diámetro de falda, perpendicularidad y espesor de cabeza. Las ranuras para anillos son torneadas a precisión, donde se requieren tolerancias extremadamente ajustadas. A medida que se cortan las ranuras para anillos, los pistones se achaflanan para facilitar la instalación de los anillos y de los pistones del cilindro. Los diámetros de las landas son cortados ligeramente más pequeños que la falda, porque están más cerca de la cámara de combustión. La dilatación debida a la temperatura, es mayor. ϲϵ  David Asensio Bueno  Se controlan en los pistones las profundidades, anchos, diámetros, espaciamientos y alturas de compresión semiterminadas. Los radios en el fondo de las ranuras para anillos se controlan por medio del proyector de perfiles, porque con galgas no es preciso. El próximo paso es el rectificado del alojamiento del bulón, una operación muy crítica debido a las cargas impuestas sobre el bulón de pistón. El diámetro, la redondez, conicidad y acabados de superficie deben ser extremadamente precisos. El diámetro y paralelismo del alojamiento del bulón son calibrados en la máquina rectificadora. La rugosidad o acabado del alojamiento del bulón es verificada en el rugosímetro. Entre las variadas operaciones de maquinado se encuentra el taladro de los agujeros de aceite en la ranura del anillo rascador. Las ranuras para los seguros son maquinadas por pequeñas herramientas de corte dentro del alojamiento del bulón de pistón. La operación de maquinado final comprende el rectificado de la falda del pistón, el perfil elíptico especificado, la conicidad, el acabado superficial y el diámetro para asegurar su ajuste correcto en el cilindro. Por último los pistones se lavan con vapor de agua desionizada quitando impurezas, virutas y aceites, que pueden tener después del mecanizado, y seguidamente se secan los pistones. Los pistones una vez acabados pueden recibir un proceso de estañado o de grafito en su falda, para su montaje y rodaje del motor. 2.4.3. Forja Es un proceso de deformación, en el que el material es obligado a deformarse a una velocidad rápida por impacto o de forma gradual. Es un proceso muy antiguo pero efectivo. En la actualidad se utiliza este proceso para la fabricación de componentes del automóvil, vehículos aeroespaciales y otras aplicaciones. El material ha sufrido una modificación de su forma y de su estructura interna, mediante la acción de un trabajo mecánico de forja realizado a temperatura superior a la de recristalización. La deformación por forja normalmente, se lleva a cabo con aumentando la temperatura del material por encima o por debajo de la temperatura de recristalización de éste, aunque también se utiliza el forjado en frío. La particularidad de aumentar la temperatura hasta la zona de recristalización, aumenta la fluidez del material. ϳϬ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  La finalidad del acero forjado industrialmente, es producir piezas que luego tendrán procesos de mecanizado donde la cantidad de viruta a remover sea la menor posible, con objeto de abaratar los costes del mecanizado. Para eliminar las tensiones internas como consecuencia de la forja, se hace necesario someter a las piezas a un tratamiento térmico de recocido llamado Normalizado. Los sistemas de forjado se diferencian por la forma de realizarla, si es por impacto se realizaría con un martinete y si es de forma gradual con una prensa. Otra diferencia, entre las operaciones de forjado es el grado en que los dados restringen el flujo del metal de trabajo. Atendiendo a esta clasificación, hay tres tipos de operaciones de forjado: forjado en dado abierto, forjado en dado impresor y forjado sin rebaba. Para el proceso de fabricación de los pistones se utiliza el forjado sin rebaba. 2.4.3.1. Forjado sin rebaba Es un proceso similar al forjado impresor, pero su particularidad es que no tiene rebaba. Por este motivo el control del proceso es más exigente, el volumen del material a introducir en la matriz, debe ser igual al de la cavidad del molde, bajo unas pequeñas tolerancias. Este forjado se ha de realizar bajo esta petición ya que la rotura del molde se podría producir, si hay un exceso de volumen. A este proceso también se le llama forjado de precisión. Debido a su peculiaridad, las piezas a producir deben ser de geometría sencilla y simétrica. Para la producción de pistones, se utiliza una matriz o molde donde se inserta el material a temperatura de recristalización, y este es golpeado por una prensa de forma gradual. Se realiza con una punzonadora de forja, que tiene elaborado en el punzón la geometría deseada. La fuerza con la que es necesario deformar el material, ha de ser gradual y se consigue con una prensa hidráulica. 2.4.3.2. Proceso de fabricación de un pistón forjado A continuación se describirá paso a paso y con ilustraciones el proceso de fabricación de un pistón forjado. ϳϭ  David Asensio Bueno  Figura 41. Suministro de aluminio en barras El suministro del material de aluminio, que se representa en la fig. 41 es un aluminio con menos silicio, que el utilizado para el proceso de fundición. El aluminio es suministrado por un proveedor, en forma cilíndrica y de barras. La longitud de estas barras puede variar de entre 3 a 6 metros, que dependerá del proveedor y del transporte. Figura 42. Sierra de corte En la fig. 42 se puede observar una sierra girando para producir un corte a la barra de aluminio. Se trata de cortar la barra en discos, cuya longitud puede variar en función de la cavidad del molde y la forma de la punzonadora. ϳϮ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Figura 43. Discos de aluminio El tamaño de la cavidad nos determinará el tamaño y forma del pistón a producir, y con eso el tamaño del disco de material. En este caso el disco es de 70mm de longitud, como se representa en la fig.43. Figura 44. Matriz con soplete La matriz y la punzonadora son calentados a unos 426ºC aproximadamente, que es la temperatura de recristalización del aluminio. Se logra gracias al uso de un potente soplete a gas que sube la temperatura. Los discos son calentados a la misma temperatura gracias a un horno. ϳϯ  David Asensio Bueno  Figura 45. Matriz con punzonadora La matriz y la punzonadora se encuentran en reposo fig.45, y en la matriz hay una deflagración, que es producida por el lubricante que tiene el disco para facilitar la deformación. Figura 46. Impacto de la punzonadora ϳϰ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Una vez se introduce el material, este es sometido a una fuerza de 200 toneladas de forma gradual gracias a la prensa que acciona la punzonadora fig.46. La forja solo necesita dos segundos para realizar este trabajo. Figura 47. Retirada de la punzonadora Según la fig.47 la punzonadora a deformado el disco y se ha producida la forma inicial del pistón. La matriz tiene un sistema que cuando el disco ha sido forjado, éste es expulsado de hacia arriba para que el operario pueda cogerlo. Figura 48. Pistón forjado ϳϱ  David Asensio Bueno  Cuando el pistón ha sido forjado, muestra la imagen que tiene la fig. 48. Cada diez pistones forjados, uno es sumergido en agua para comprobar posibles imperfecciones producidas en la forja, como grietas y deformaciones. La forja se realiza a elevada temperatura, y se deben dejar enfriar los pistones al menos una hora hasta el siguiente proceso. Figura 49. Pistones en horno Una vez enfriados los pistones que han pasado por la forja, éstos son introducidos en un horno fig.49. En el horno, los pistones son sometidos a dos calentamientos, uno a elevada temperatura para endurecer el material y la segunda a temperatura más baja para estabilizarlo. Figura 50. Pistón en torno ϳϲ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Cuando el pistón se saca del horno y se enfría, es transportado a la zona de mecanizados. Donde el pistón es montado en un torno, se sujeta por ambos lados fig.49. Por un lado el pistón se sujeta con una pinza especial por su parte interior, y por el otro lado se sujeta por un punto. Figura 51. Refrentado y cilindrado del pistón En la fig. 51 se puede observar como el pistón es desbarbado por una cuchilla, realizando dos operaciones, una de refrentado y la otra de cilindrado exterior. Figura 52. Taladrado de orificios de engrase ϳϳ  David Asensio Bueno  Después del desbarbado se practican unos orificios con unos taladros, que servirán de conductos de lubricación del aro de engrase. Estos orificios se practican sustentando el pistón con un plato divisor y un punto para centrarlo. El plato divisor tiene unas garras que agarran el pistón por su parte inferior y lo hace rotar el ángulo necesario, fig.52. Figura 53. Cilindrado de 3mm con torno Figura 54. Ranurado de los alojamientos de los aros en torno ϳϴ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  A continuación de elaborar los taladros del aro de engrase, se monta el pistón en un torno que reduce su diámetro 3mm y reduce su falda hasta la medida diseñada final fig. 53. Con el mismo torno, pero con herramienta de ranurar se elaboran los ranurados de los alojamientos de los aros fig.54, y se elabora un refrentado. Figura 55. Taladrado del alojamiento del bulón En la fig.54 se elabora un taladrado en el pistón para el alojamiento del bulón. Este taladro se realiza en una taladradora vertical, que dispone de una sujeción especial de 4 garras, para poder centrar la broca en la posición deseada. ϳϵ  David Asensio Bueno  Figura 56. Rebaje para aligerar peso en el pistón en ambos lados Figura 57.Elaboración de la cabeza del pistón Para reducir el peso del pistón y con ello las fuerzas de inercia de éste, se practican dos fresados laterales, uno a cada lado fig.56, que elimina 2mm de material. Se realiza en centro de mecanizado, con una fresa. Sin sacar el pistón del centro de mecanizado, se elabora la cabeza del pistón fig.57. La forma de la cabeza del pistón, se realizará en función del motor al que vaya montado este pistón, creando un deflector, una cámara ϴϬ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  de combustión, un alojamiento de válvulas o cualquier forma que necesite, utilizando la fresa necesaria. Figura 58. Reducción del diámetro de la falda Figura 59. Taladros de lubricación ϴϭ  David Asensio Bueno  Después de hacer el pistón, se monta en un torno en el cual se elimina una fina capa de la falda, para la dilatación de ésta en el interior del cilindro fig.58. En el mismo torno se elaboran unos taladros en los alojamientos del bulón para poder lubricar la biela, fig.59. Además se repasan los agujeros de lubricación del aro de engrase. Figura 60. Marcado del pistón Otra máquina se encarga de grabar en la cabeza del pistón, el modelo y fecha de producción del pistón. Figura 61. Desbarbado ϴϮ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Un operario se encarga de eliminar las rebabas que han generado otras operaciones de mecanizado, utilizando una cinta para pulir superficies fig.61. Figura 62. Mandrinado del alojamiento del bulón La última operación es el mandrinado del alojamiento del bulón fig.62, se trata de repasar el agujero para reducir las tolerancias al máximo. Una vez sean realizado todas las operaciones y los pistones están acabados, se introducen una máquina de limpieza. Esta máquina vaporiza los pistones a alta presión con agua caliente desionozada. De esta manera se eliminan los restos de lubricante y aceite, que se han utilizado durante todo el proceso de fabricación. Los pistones son secados con una pistola de aire a presión. 2.5. Elección de un pistón para mejorar el rendimiento de un motor Como se ha nombrado, el pistón es una de las piezas más importantes en un motor y por ello se ha llevado a un estudio exigente. El pistón debe cumplir muchos requisitos importantes para poder llevar a cabo su función. ϴϯ  David Asensio Bueno  El pistón debe ser ligero, y a la vez tener una gran resistencia y rigidez. Estos dos factores no se llevan muy bien, pero con la tecnología, los adelantos y las buenas aleaciones se puede llegar a ese fin. El pistón tiene que ser ligero para reducir al máximo las fuerzas de inercia, que se producen al aumentar las revoluciones del motor. La resistencia y la rigidez son factores muy importantes, ya que los pistones no dejan de estar sometidos a las fuerzas y sacudidas provocadas por las deflagraciones producidas por las combustiones. Son de gran magnitud y se repiten en un número de ciclos con tiempos tan pequeños que necesitan mucha resistencia y rigidez, sobre todo a fatiga por el número de repeticiones. Los factores como la resistencia a la corrosión los cumple el mismo material con el que está fabricado el pistón, el aluminio. El aluminio aleado soporta las condiciones de corrosión a las que puede estar sometido el pistón, y el aceite de lubricación también aporta esa protección. La resistencia al calor es un punto en el cual, las temperaturas que se producen en la cámara de combustión y por fricción del pistón con el cilindro, no deben fundir, ni dañar, ni variar las propiedades del pistón. Los pistones fundidos se fabrican con aluminio con mayor aleante de silicio que los pistones forjados, eso es debido a que en el proceso de fundición el material se vierte en el molde en estado líquido bajo gravedad. Entonces el aluminio rellena la cavidad y se enfría solidificándose, creando el cuerpo del pistón que será mecanizado posteriormente. Los pistones forjados no requieren esa fluencia aportada por el silicio, porque la misión del forjado es la de introducir un material pastoso, casi a la temperatura de recristalización del aluminio que son 450ºC. De esta manera, cuando la punzonadora ejerce la presión contra el disco pastoso, el material fluye con resistencia, creando una estructura fibrosa constituida por los granos de los átomos. Éstos se deforman provocando dislocaciones con tensiones residuales que almacenan energía, y los límites de grano estarían deformados. Pero a medida que disminuye la temperatura del aluminio, al trabajar bajo presión y a una temperatura tan alta, los granos no están deformados, pero los granos son más pequeños. En la fig.62 se muestra cómo cambian de aspecto los granos al forjar el material, de manera que empieza a deformarse y después se crean granos pequeños, de izquierda a derecha. ϴϰ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Figura 63. Evolución de la estructura de un material forjado Si generamos granos pequeños, aumenta el número de granos por unidad de volumen. Esto beneficia a la resistencia mecánica, ya que al tener tantos granos hay muchas fronteras de grano, y para superarlas habría que romper muchas. Al utilizar una prensa en la forja, y no golpes el núcleo de los granos se deforma más que la zona superficial, y se obtienen mejoras en la macroestructura. Los materiales aleantes, impurezas e inclusiones del aluminio a utilizar, son aplastados y alargados generando generando la estructura fibrosa que mejora las propiedades mecánicas en la dirección de la fibra. Con el proceso de fundición se pueden crear burbujas y fisuras, por puntos de temperatura alta cuando se enfrían. En los pistones forjados no es posible ya que el material es sometido a gran presión. Por este motivo los pistones pueden estar sometidos a mayores cargas y presiones que los pistones fundidos. Una vez se dejan enfriar a temperatura ambiente los pistones forjados se someten a un tratamiento térmico, para eliminar un poco las tensiones residuales de manera que su estructura no se modifica, se hace a temperaturas bajas. Los pistones forjados son mecanizados con cnc, eso los hace cumplir con las especificaciones y tolerancias más ajustadas, que el fabricante exige. Esto los hace estructuralmente más durables. Al conseguir más resistencia en los pistones forjados, se consiguen paredes de espesores más finos siendo más ligeros. También se aligeran en la zona donde va alojado el bulón, y sus faldas son más cortas. La elaboración de la cámara de combustión, deflector y demás alojamientos que se puedan hacer en la cabeza del pistón, pueden ser ajustados al máximo. Por el motivo de mejorar el rendimiento motor, porque con un pistón forjado que tiene mucha más resistencia mecánica y mejores ϴϱ  David Asensio Bueno  propiedades, se puede aumentar la relación de compresión al máximo, para poder aumentar la potencia aumentando el rendimiento de cada explosión, ya que se pueden aprovechar los mismo volúmenes de cilindro de aire y mezcla de gasolina, para crear explosiones más potentes. Como se ha explicado anteriormente, la fuerza de empuje del pistón va en función de la combustión, y esta combustión puede aportar más fuerza a la cabeza del pistón si aumentamos la relación de compresión. Una manera de aumentar la relación de compresión sería como ya se ha dicho, disminuyendo el volumen de la cámara de combustión. Pero no es la única forma también se podría sobrealimentar el motor, montando un turbo o turbocompresor, que estos turbocompresores se montan en motores de todas las cilindradas. La ventaja de montar un turbocompresor, es que el llenado del volumen del cilindro se consigue forzando el aire a entrar, y además el turbocompresor ayuda a comprimir ese aire. Un turbo es una solución perfecta ya que además de asegurar el llenado además aporta presión. Uno de los puntos importantes de los pistones forjados es que al tener menor silicio, las dilataciones del pistón son más grandes, importantísimo en la zona de la falda que es de menor espesor y su dilatación es mayor. Este problema causa un mayor consumo de aceite, y un pequeño campaneo en el cilindro, cuando el motor está frío. Ya que en el proceso de mecanizado de los pistones forjados, se elimina una capa muy fina de la campana para poder absorber mejor la dilatación. Pero esta mayor evacuación de calor y dilatación, hace trabajar el motor a menor temperatura de trabajo. Esto influye en las moléculas de aire que al tener menor temperatura no se expanden tanto y ocupan menor volumen. Ventajas de los pistones forjados: - Pistones más ligeros. - Los pistones más ligeros entregan mayor aceleración y aumento de rapidez en la subida de revoluciones. - - Los Pistones forjados trabajan a temperaturas más bajas que los fundidos, aumentando la eficiencia volumétrica y maximizando el caballaje, porque permiten una mayor disipación de temperatura. Son más resistentes debido a la naturaleza del proceso de forjado que elimina la porosidad, aumentando significativamente la firmeza, ductilidad y características térmicas. ϴϲ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  - - - - - - - Su duración es incluso más del doble que los pistones fundidos. Mantienen un mayor nivel de rendimiento por un mayor periodo de tiempo sobrepasando a los de otro tipo de fabricación, ya que los pistones forjados son más densos y fuertes, logrando soportar mayores cargas y temperaturas más elevadas. Tienen sus faldas maquinadas con perfil de diamante para minimizar perdidas por roce, maximizando potencia. Su cabeza maquinada por computador de control numérico ( CNC ) para obtener un tiempo de lumbreras exacto, maximizando su potencia aumentando la relación de compresión. Aunque los pistones fundidos o hipereutécticos son más baratos, no se iguala su dureza con los Pistones forjados que son fabricados bajo presión. La excelente elección de los pistones les ofrecerá mayor durabilidad y potencia al motor. Los Pistones forjados se venden con pasador 20% más ligero que los originales del pistón de fundición. Se venden con aros cromados de acero que minimizan roce mientras maximizan el sellado al cilindro, reduciendo la posibilidad de quemado de los anillos. Soportan mayor número de rpm de motor sin riesgo de rotura. Desventajas de los pistones forjados: - Sufren una mayor dilatación, porque el espesor de sus paredes es más fino y su material contiene poco silicio. - Debido a esta dilatación los cilindros tendrán más luz que haya más consumo de aceite. - El motor se volverá más ruidoso cuando esté frío. - El proceso de fabricación es más caro, y el valor del pistón forjado es alto (es más costoso a nivel económico). ϴϳ  provocando David Asensio Bueno  Después de describir el funcionamiento del motor y sobre todo del pistón, se puede decir que es un componente muy importante a la hora de pensar su diseño, y las características que debe cumplir. Además de explicar sus procesos de fabricación más importantes paso a paso, para poder asimilar él porque de sus características y propiedades. Se puede afirmar que un pistón forjado es superior en todos los aspectos, frente a un pistón fundido, excepto en el tema de la dilatación. Entonces cundo se quiera aumentar la potencia y el rendimiento de un motor, un factor a tener en cuenta sería la sustitución de los pistones por unos forjados. Antiguamente no existía la inyección directa, y se empezó a practicar con los motores diesel. Se trata de comprimir el aire en el interior del cilindro, y cuando se encuentra a temperatura y a una relación de compresión alta, se introduce el combustible (en este caso diesel). El combustible introducido es sometido a entrar a una gran presión con un inyector, en la cámara de combustión. Ahora bien, los motores de gasolina el problema que tienen es que la relación de compresión no se puede aumentar más de 10:1, por peligro a la detonación del combustible. Pero si el combustible se introduce con una inyección directa, en el momento adecuado, y subimos la relación de compresión, se lograría aumentar el rendimiento del motor. ϴϴ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  CAPÍTULO 3: PRESUPUETO Para efectuar un cálculo de los costes de generación, de un estudio en profundidad del pistón de un motor de combustión interna, se divide en dos partes: - Presupuesto del estudio. - Presupuesto del trabajo a elaborar en un taller de automoción en un vehículo, para la sustitución de los pistones forjados. El presupuesto se ha logrado con un programa de taller, Auto data 2009. ϴϵ  David Asensio Bueno  3.1. Presupuesto del estudio Análisis de horas de trabajo Concepto Horas Precio/hora Subtotal (€/h) (€) Recopilación de información 100 60 6000 Análisis y explicación motor 75 60 4500 Análisis del diseño de un pistón 50 60 3000 75 60 4500 Conclusión y aplicación 50 60 3000 Presupuesto 10 60 600 360 60 21600€ Análisis proceso de fabricación de los pistones TOTAL Análisis de materiales Concepto Coste (€) Material variado de oficina Subtotal (€) 50 50 TOTAL Horas de trabajo Material Total 21600€ 50 € 21650 € El coste del estudio son 21.650€ + IVA16% =25.114€ ϵϬ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  3.2. Presupuesto del taller La suma de los dos presupuestos asciende a: 27.692,11€ ϵϭ  David Asensio Bueno  CAPÍTULO 4: BIBLIOGRAFÍA 4.1. Referencias bibliográficas Schey, John A. Procesos de manufactura. Tercera edición. Mc Graw Hill. Méjico: ISBN 970-10-3573-9 GMBH, Mahle. Catálogo Mhle ’94. Stuttgart/Germany. Alonso, J.M. Técnicas del automóvil, Motores. 10ª Edición. THOMSON PARANINFO. - http://www.iresa-web.com/index.php?id=4&pr=83 - http://foro.pocket-bike.com.es/ftopic31248.html - http://books.google.es/books?id=xF7MukIeqFoC&pg=PA129&lpg=PA 129&dq=pistones+fundidos&source=bl&ots=Djm2ALpdkh&sig=O67S 82SqhFJViMSVZZNHOSLWH0&hl=es&ei=wYPxS8HBCYvgmAOdpcT0Cw&s a=X&oi=book_result&ct=result&resnum=7&ved=0CDkQ6AEwBg#v= onepage&q=pistones%20fundidos&f=false ϵϮ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  4.2. Bibliografía de consulta Toda la información relacionada con los pistones, no se encuentra en libros. Para elaborar el proyecto se han leído libros en páginas web, y se ha sustraído información de páginas de foros de vehículos y de empresas. - http://www.mahle.com/C12570B3006C0D49/CurrentBaseLink/W27HNL6P262 STULES - http://campus.fortunecity.com/duquesne/623/home/piston/piston.htm - http://www.reycomotor.com/Reyco/Dana/Piston1.htm - http://www.scribd.com/doc/5813013/Moldeo-y-fundicion - http://www.automotriz.net/tecnica/pistones.html - http://www.fundicioncolon.com.ar/0000009c200e0980d/0000009c240e9c105/in dex.html - http://personales.com/mexico/mexico/Documentaciones_Cs/forjado.html - http://ingenieriademateriales.wordpress.com/2009/12/11/%C2%A1nuevointroduccion-a-las-aleaciones-de-aluminio/ - http://spanish.alibaba.com/product-gs/forged-piston-286189337.html - http://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:jwRfu5ds9VEJ:materias.fcyt.umss .edu.bo/tecno-II/PDF/cap226.pdf+fundicion+en+molde+permanente+por+gravedad&hl=es&gl=es&pid=b l&srcid=ADGEEShHzIibNfkYOofT2Lpp8g9H5deFKJRK3QaI2f7EcIi7w8y9q H7hrYxltCM5crVF8PU7K_JhnpyLkXML1dSJS2k0Y7g_ufvaJGSViBoCNPWzOoeYjHlu39SzOgP3NyODzVREWb&sig=AHIEtbTDhfWNY61XaG-HGWJV7LQSuC_bpg - http://www.rolcar.com.mx/Tecno%20Tips/Pistones/Piston%20del%20motor%2 0automotriz.asp - http://img4.xooimage.com/files/b/a/2/tema-2-fundicion-...nda-parte-aceee2.swf ϵϯ  David Asensio Bueno  - http://www.aprendizaje.com.mx/Curso/Proceso1/Temario1_V.html - http://wapedia.mobi/es/Aluminio?t=8. - http://books.google.es/books?id=SVBGgraQiREC&pg=PA175&lpg=PA175&d q=fundicion+en+molde+permanente+por+gravedad&source=bl&ots=2nhs9QD Nin&sig=vQHzTaGFi_PQ76I9aVOvkCuOzIY&hl=es&ei=gbzyS73qJczz_AbPs dCeDQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=8&ved=0CDYQ6AEwBw# v=onepage&q&f=false - http://www.uc3m.es/portal/page/portal/biblioteca/aprende_usar/como_citar_bibl iografia - http://es.wikipedia.org/wiki/Aluminio - http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm13/Imagenes/Fig13-25.jpg - http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm13/Imagenes/Fig13-26.jpg - http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm13/Imagenes/Tabla13-8.jpg - http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm13/Imagenes/Tabla13-9.jpg - http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm13/Imagenes/Tabla13-11.jpg ϵϰ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  CAPÍTULO 5: ANEXOS 5.1. OBJETO, MOTIVACIÓN Y JUSTIFICACIÓN 5.1.1. Objeto El objeto de este proyecto es mejorar el rendimiento de un motor de combustión interna, a través de un elemento básico del motor, como es el pistón. La función del pistón es la de soportar la fuerte explosión que se genera en el interior de la cámara de combustión de un motor, y con ello deslizarse por el cilindro, sufriendo el mínimo desgaste posible. Sobre todo tiene que soportar la fatiga, sufrida por la repetición de ciclos a diferentes cargas e intervalos distintos de tiempo. No es lo mismo someter a fatiga un elemento a un número de ciclos determinado en un tiempo establecido, que reducir ese tiempo y aumentar el esfuerzo, es decir, un pistón que está sometido a 800 rpm que es el estado de un motor a régimen de ralentí, que ejercer el mismo esfuerzo hasta 6000 rpm (o más rpm que puede soportar según el motor) sin que éste sufra mucho acortando su vida útil. Se trata de buscar una clase y un tipo de pistón, que según su proceso de fabricación y diseño aporte las características y propiedades necesarias, para mejorar un motor ya estudiado, sin preocuparnos de los costes de fabricación de dicho pistón. La mejora del rendimiento de un pistón se basa sobre todo en el diseño y proceso de fabricación escogido, que es lo que le aporta mejoras en cuanto a calidad y propiedades mecánicas. Nos centraremos en un motor de turismo de 4 tiempos en el cual se modificará su pistón, para ello se explicará la base de funcionamiento de ϵϱ  David Asensio Bueno  todos los motores de combustión interna, con sus variaciones y diferentes propiedades que los distinguen. Figura 5.1 Motor explosión y sus partes 5.1.2. Motivación La realización de este proyecto se llevará a cabo, para demostrar las cualidades y conocimientos adquiridos en la carrera de ingeniero técnico industrial mecánico. Pero realmente se pone en práctica lo que he aprendido desde la salida de la ESO hasta ahora, ya que soy titulado en grado medio de electromecánica de vehículos y grado superior de automoción. Mi paso a través de los talleres de BMW y PORSCHE en los que estuve trabajando, me han enseñado a buscar el porqué de las averías, y porqué unos motores son mejores que otros, viendo sus diferencias en cuanto a prestaciones. El proyecto se basa en que un motor se puede mejorar, ya que muchos fabricantes utilizan la misma base de motor de hace 15 y 20 años aumentando sus prestaciones mejorando los procesos de fabricación. Incluso hay talleres que se dedican a la preparación de motores desfasados, dando una mejora de rendimiento y prestaciones que cuando se fabricaron estos motores no tenían pensado ni sus creadores. Esto es debido a los avances técnicos desarrollados y la variación en los procesos de fabricación. 5.1.3. Justificación Con la experiencia laboral he visto que los pistones han mejorado, sobretodo en cuanto a técnica, maquinaria, diseño y material. La técnica ha mejorado en cuanto a simulación y cálculo por elementos finitos, esto facilita mucho la decisión de cómo será todo el proceso.  ϵϲ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  También se adelantarán los resultados sin tener que desperdiciar tanto material y tiempo realizando pruebas y esto es un ahorro. La mejora de la maquinaria es un punto fundamental ya que, los costes de fabricación de los pistones se reducen y se pueden fabricar de mejor calidad, con tolerancias más reducidas y se consiguen menos pistones defectuosos. El diseño y material, son los más importantes porque gracias a la combinación de varios materiales se consiguen pistones más resistentes y duraderos. El diseño es un punto que depende de muchos factores, en los cuales influye mucho el fabricante y el motor en el que se va a montar dicho pistón. 5.2. Motor de explosión Es el mecanismo capaz de transformar energía química en calorífica y posteriormente a mecánica. La energía ni se crea ni se destruye, se transforma y un motor de explosión tiene un rendimiento como máximo de un 30% aproximadamente, ya que mucha energía se disipa en calor por las temperaturas en las que se trabaja y en rozamiento. El motor de combustión interna o motor de explosión, aprovecha la fuerza expansiva de los gases inflamados en el interior del cilindro, para empujar un pistón que gracias a la biela y el cigüeñal transforma una energía rectilínea en energía giratoria. La composición de la gasolina es carbono e hidrógeno, y este se separa mediante el aumento de la presión y la temperatura en la fase de compresión del pistón, y gracias al salto de chispa ocasionado por la bujía los gases comprimidos explotan y hacen bajar el pistón. La gasolina para ser comprimida entra en fase gaseosa y se mezcla con el oxígeno. 5.2.1. Fase o ciclo teórico del motor de 4T 5.2.1.1. Primera fase (admisión) El pistón se encuentra en P.M.S. (punto muerto superior), que es el punto en el cual no puede alargar más su longitud, y desciende hasta el P.M.I. (punto muerto inferior) es el punto más bajo de su recorrido. Mientras hace este recorrido la válvula de admisión está abierta. En esta primera fase el cigüeñal ha hecho un giro de 180º que sería un tiempo, y se ha producido la aspiración de una mezcla de oxigeno y combustible. ϵϳ  David Asensio Bueno  5.2.1.2. Segunda fase (compresión) Se cierra la válvula de admisión, y el pistón que se encontraba en P.M.I. sube hasta el P.M.S., y como el cilindro es estanco comprime la mezcla, elevando su presión y temperatura a unos 13-14 bares y 200ºC. El cigüeñal ha recorrido otros 180º y ya se ha dado una vuelta completa al cigüeñal, y todavía no se ha realizado trabajo. 5.2.1.3. Tercera fase (explosión) La válvulas están cerradas y el pistón está en P.M.S., y entonces se origina una deflagración, gracias al salto de chispa ocasionado por una bujía. El aumento de presión es tal que llega a unos 23-24bares y la temperatura en algunos puntos puede ascender a 2000ºC, de este modo el pistón se ve obligado por la expansión a deslizarse hasta el P.M.I. recorriendo el cigüeñal 180º, y es la única fase que realiza trabajo. 5.2.1.4. Cuarta fase (escape) Cuando el pistón llega al P.M.I. comienza la cuarta fase que consiste en abrir la válvula de escape, y con la inercia que el cigüeñal a cogido sube hasta el P.M.S. empujando los gases viciados por la combustión a través de los conductos de escape. Y con el recorrido de 180º más se han realizado dos vueltas de cigüeñal en la que solo se ha producido trabajo en media vuelta. Figura 5.2 Diagrama teórico de motor explosión 4t ϵϴ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  5.2.2. Fase o ciclo real del motor de 4T Para conseguir un mayor rendimiento de los motores, se retrasan o adelantan las aperturas de válvulas. Incluso el salto de chispa se adelanta. 5.2.2.1. Primera fase real (admisión) En la fase de admisión es necesario realizar un avance de apertura de admisión, de tal manera que se pueda conseguir el llenado de admisión. Se realiza abriendo la válvula de admisión antes de que el pistón llegue al punto muerto superior, y además se retrasa el cierre de ésta para aprovechar la inercia de los gases a través de los conductos. 5.2.2.2. Segunda fase real (compresión) El comienzo de la segunda fase se lleva a cabo desde que se cierra la válvula de admisión, hasta que el pistón llega al punto muerto superior. 5.2.2.3. Tercera fase real (explosión) Para la fase de explosión se adelanta el salto de chispa, porque la combustión tarda un tiempo en realizarse y es necesario que la expansión se produzca en el momento ideal de bajada. Figura 5.3 Diagrama de avance de encendido 5.2.2.4. Cuarta fase real (escape) La salida de los gases de escape es muy importante, ya que si no se vacía no se puede llenar. Para ello se hace un avance de apertura de la válvula de ϵϵ  David Asensio Bueno  escape así conseguiremos una succión en el interior del cilindro provocada por la rapidez de salida de los gases viciados. Cuando se obtiene dicha succión se aprovechará para abrir la válvula de admisión antes de tiempo, y comenzar otra vez todo el proceso. El momento en el cual se encuentran las dos válvulas abiertas se le llama cruce de válvulas, y en función de la duración del cruce de válvulas se considera mayor o menor carácter deportivo. La válvula de escape se cerrará con un retraso, para evitar retener la salida de estos gases en la línea de escape. Figura 5.4 Diagrama de fases real de un motor de explosión de 4t 5.2.3. Componentes básicos de un motor - Bloque motor: es la parte más voluminosa del motor, donde se contienen a los cilindros y es la base de la arquitectura del motor. Figura 5.5 Bloque motor ϭϬϬ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  - Cilindro: es el elemento estático por el que se desplaza el pistón por movimiento rectilíneo. Figura 5.6 Cilindro  - Biela: cuerpo que se interpone entre el pistón y el cigüeñal. Tiene la misión de transmitir el esfuerzo que se aplica sobre la cabeza del pistón hacia el cigüeñal, por este motivo es necesario que esté articulada.  Figura 5.7. Biela - Cigüeñal: es el componente del tren alternativo que recibiendo el esfuerzo transmitido por la biela crea movimiento circular, y lo transfiere a la transmisión del vehículo. Es el componente dinámico más pesado y necesita un equilibrado perfecto. ϭϬϭ  David Asensio Bueno  Figura 5.8. Cigüeñal - Culata: es el cierre superior de los cilindros y en ella se contienen los siguientes elementos: • Cámara de combustión • Válvulas • Guías de válvula • Retenes de guía de vlavulas • Muelles • Taqués • Asiento de válvula • Árbol de levas (antiguamente no llevaban árbol de levas en culata) ϭϬϮ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Figura 5.9. Culata - Válvulas: son las que permiten la entrada de mezcla al interior de la cámara de de combustión, o bien la salida de gas ya quemado. Como tienen la misión de abrir y cerrar el paso, en determinadas ocasiones se precisa de un mecanismo que sincroniza el movimiento de los pistones y el cigüeñal, que es el sistema de distribución. Figura 5.10. Sistema de válvulas ϭϬϯ  David Asensio Bueno  - Cámara de compresión y bujías: la cámara de de compresión es el recinto donde el pistón comprimirá la mezcla, para conseguir las condiciones óptimas de presión y de temperatura de la misma. Figura 5.11. Cámara de combustión alojada en la cabeza del pistón - Cárter inferior: se encarga de cerrar el motor por la parte inferior, el cual contendrá el aceite para la lubricación de los órganos móviles. 5.2.4. Pistón El pistón es el encargado de transformar la energía térmica desarrollada en la cámara de combustión, en energía mecánica recibiendo directamente la fuerza de expansión de los gases durante la combustión y debe cumplir las siguientes funciones: - - Transmitir a la biela los esfuerzos producidos durante la expansión. Mantener cerrada la cavidad volumétrica con el fin de evitar la fuga de gases y para evitar los pasos de aceite a la cámara de combustión. Absorber parte del calor del calor de la combustión y transmitirlo a las paredes del cilindro (la cabeza del pistón está a unos 400ºC y la falda a 200ºC). ϭϬϰ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  - Facilitar el proceso de intercambio de calor sin variaciones bruscas en la estructura. 5.2.4.1. Características de un pistón • Funcionamiento: - Debe de disponer de una estructura robusta sobretodo en las zonas de la cabeza y el bulón. - Mínimo peso posible y equilibrado. - Resistir temperaturas elevadas. - Resistir máxima resistencia al desgaste y agentes corrosivos. - Coeficiente de dilatación mínimo. - Conductividad térmica elevada. • Material: Actualmente se fabrican en duraluminio Al/Si + Cu + Ni + Cr. Este material tiene un mayor índice de dilatación, pero también mayor nivel de evacuación de calor con lo que se alcanzan temperaturas medias en la cámara inferiores, y en consecuencia se puede aumentar la relación de compresión obteniendo un mayor rendimiento del combustible. Como la cabeza del pistón está sometida a temperaturas más elevadas que la falda, por el fenómeno de la dilatación, ésta tendría que ser más pequeña que la falda. Para disminuir el coeficiente de fricción del pistón o mejorar el deslizamiento del mismo durante la fase del rodaje, se adhiere a la falda estaño, plomo y cadmio o grafito en polvo, mediante galvanoplastia o fosfatación (proceso que ya no se utiliza por la prohibición del plomo), y la serigrafía. 5.2.4.2. Partes de un pistón - Cabeza: es la parte más pesada y de mayor sección del pistón. Debe ser capaz de transmitir los esfuerzos al bulón. Debido a las dilataciones tendrá un diámetro menor que la falda. ϭϬϱ  David Asensio Bueno  - - - - - Falda: Tiene la misión de transmitir el calor al cilindro y guiar al pistón en su carrera ascendente y descendente. Alojamiento del segmento: se mecanizan unas ranuras alrededor del pistón de una profundidad determinada para que el segmento pueda ser alojado. En el alojamiento del segmento de engrase se suelen realizar unos taladros para el retorno del aceite sobrante de las paredes del cilindro al cárter. Alojamiento del bulón: es necesario realizar en el pistón un alojamiento para el bulón que unirá el pistón con la biela. Este alojamiento en algunos casos no estará en el centro de simetría del pistón para compensar el desgaste de las paredes del cilindro. Alojamiento de las válvulas: en ocasiones cuando los pistones están sometidos a altas relaciones de compresión, y el cruce de válvulas en el motor es importante, se practican unos alojamientos o rebajes en la cabeza del pistón para evitar que las válvulas choquen con éste doblándose, cuando el pistón se encuentre en PMS y las válvulas en fase de cruce. Cámara de combustión: cuando el motor sea de inyección directa, es decir, la mezcla de combustible se introduce directamente en el cilindro y no en el colector de admisión, ni en ninguna precámara, la cámara de combustión estará en el propio pistón. Figura 5.12. Pistón y sus partes ϭϬϲ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  5.3. Clasificación de pistones según su forma o diseño Cabeza plana Figura 5.13. Pistón de cabeza plana Cabeza convexa Figura 5.14. Pistón con cabeza convexa Cabeza cóncava Figura 5.15. Pistón con cabeza cóncava ϭϬϳ  David Asensio Bueno  Con cámara de combustión Figura 5.16. Pistón con cámara de combustión Con deflector Figura 5.17. Pistón con deflector Con falda aligerada Figura 5.18. Pistón con falda aligerada ϭϬϴ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Pistones de alta compresión Figura 5.19. Pistón de alta compresión  5.4. Pistones según su aplicación, proceso de fabricación y material 5.4.1. Pistones fundidos Se utilizan tanto en motores gasolina como en diesel, y se pueden utilizar tanto en el motor de modelismo hasta en los grandes motores. Los pistones fundidos tienen una gran vida útil. La cabeza del pistón, la zona de segmentos y el bulón es toda una unidad robusta. Figura 5.20. Pistón fundido 5.4.2. Pistones forjados Estos pistones son muy ligeros, gracias al proceso de fabricación tienen una resistencia muy elevada y de ahí que sus paredes sean más pequeñas y ligeras. Se utilizan en motores de carreras y de serie de cargas altas. ϭϬϵ  David Asensio Bueno  Figura 5.21. Pistón forjado 5.4.3. Pistones AUTOTHERMIK / HYDROTHERMIK Tienen bandas de acero fundidas y están ranurados en la transición de la parte de los segmentos a la parte del bulón. Su cabeza es convexa, se utilizan en motores para turismos. Figura 5.22. Pistón AUTOTHERMIK / HYDROTHERMIK 5.4.4. Pistones AUTOTHERMATIK / HYDROTHERMATIK Forman un bandas de cargas que en motores cuerpo uniforme que tiene mayor resistencia, ya que tienen acero fundidas, pero no están ranurados. Gracias a las altas pueden estar sometidos se pueden utilizar para turismos, tanto gasolina y motores diesel, son de alta compresión. Figura 5.23. Pistones AUTOTHERMATIK / HYDROTHERMATIK ϭϭϬ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  5.4.5. Pistones ECOFORM Constan de una tecnología de fundición especial, que aporta una alta resistencia estructural y un peso reducido. Su uso es para turismos de gasolina. Figura 5.24. Pistones ECOFORM 5.4.6. Pistones con portadora de segmentos y casquillo de bulón Son pistones especiales para motores diesel, porque incorporan un portasegmentos de hierro fundido unido al material del pistón, además lleva un casquillo de material especial para el alojamiento del bulón, de esta manera aumenta la resistencia al desgaste. Figura 5.25. Pistones con portadora de segmentos y casquillo de bulón 5.4.7. Pistones con portadoras de segmentos refrigerados Como en los pistones anteriores este incorpora unas portadoras de segmentos, pero además tiene un canal de refrigeración en su interior. Con el fin de incorporar este canal de refrigeración, la evacuación del calor es mucho mayor, sobretodo en el alojamiento del aro de fuego que es el que está sometido a mayor temperatura. ϭϭϭ  David Asensio Bueno  Figura 5.26. Pistones con portadoras de segmentos refrigerados 5.4.8. Pistones con portadora de segmentos, canal refrigeración y protección adicional en la cabeza de Son pistones equipados con portadora de segmentos y canal de refrigeración, pero además llevan un tratamiento en la cabeza del pistón especial, creando una capa de anodización dura (capa HA). Esta capa evita fisuras y grietas en la cámara y cabeza del pistón, soportando altas cargas en motores diesel. Figura 5.27. Pistones con portadora de segmentos, canal de refrigeración y protección adicional en la cabeza 5.4.9. Pistones con refrigeración portadora de segmentos y canal de Son pistones preparados para muy altas temperaturas de servicio, y aparte de llevar portadora de segmentos y canal de refrigeración, a través del canal circula aceite creando una refrigeración intensiva. ϭϭϮ  Evolución del rendimiento de un motor de combustion interna. Aplicación a pistones  Figura 5.28. Pistones con portadora de segmentos y canal de refrigeración 5.4.10. Pistones FERROTHERM Se componen de dos materiales, en la cabeza se utiliza acero y en la falda fundición de aluminio. Se unen entre sí de forma móvil a través del bulón. Estos pistones tienen una alta resistencia y un aumento a la resistencia al desgaste. Se montan en motores diesel sometidos a cargas elevadas y estos pistones gracias a sus características cumplen con valores bajos de emisiones en los gases de escape. Figura 5.29. Pistones FERROTHERM 5.5. Diagrama de gant ϭϭϯ  David Asensio Bueno  ϭϭϰ