Partes del Motor. Ciclo del Motor de Cuatro Tiempos
A muchos de nosotros nos apasiona la tecnología existente alrededor de los motores de combustión interna. Conocer sus componentes, la función de cada una de sus partes, es lo básico para seguir comprendiendo esta tecnología. Aquí te daremos una explicación sencilla de las principales partes del motor.
Por supuesto, un motor está compuesto de muchísimos componentes, y es realmente difícil explicarlos todos.
El motor es el corazón de un automóvil. Más que eso, es el alma de la máquina. Gracias a él, puedes pisar el acelerador y pasar de 0 a 100 km/h en menos de 4 segundos en algunos casos, y esta es una de las sensaciones más increíbles que puede brindar un automóvil.
Escondido bajo el capó, el motor es una brillante pieza de ingeniería que está presente en nuestra vida diaria. Dos o cuatro tiempos, con uno o 12 cilindros, el motor tiene su encanto.
La inmensa mayoría de ellos son de combustión interna. Como su nombre lo indica, el combustible se quema internamente, transformando la energía térmica en energía mecánica.
Hay diferentes tipos, como el ciclo Otto (gasolina, Flex o Etanol) el ciclo diésel. Para comprender exactamente cómo funciona un motor, debes desentrañarlo y observar la función de cada parte.
¿Qué es un motor térmico y para qué sirve?
Denominamos motor térmico o de combustión a cualquier dispositivo que proporcione energía mecánica a partir de la combustión de gasolina, gasóleo, queroseno, etc.
Tomemos como ejemplo la bicicleta, algo común en nuestros días. Cuando andas en bicicleta, transformas la energía de tu cuerpo en potencia (músculo) que transmites a través de tus piernas a un juego de bielas que transforma este movimiento lineal en movimiento rotatorio.
Este es el principio de la máquina térmica, el aprovechamiento de una energía o potencia, para transformarla en movimiento, solo tienes que reemplazar la energía y el poder.
Para eso tomaremos gasolina como energía que mezclaremos con aire y para obtener una potencia comprimiremos fuertemente esta mezcla la cual estallaremos.
Así, tenemos el principio básico del motor y vamos a ver los elementos que lo componen.
El Principio de funcionamiento del motor
Para producir la potencia tenemos que almacenar, comprimir y explotar la energía de la mezcla aire-gasolina. Para eso utilizaremos un cilindro cerrado en su parte superior y un pistón móvil que comprimirá la mezcla dentro del pistón.
Teniendo esto, solo necesitamos una chispa para causar la explosión, lo que provocará un empuje en la cabeza del pistón que lo obligará a moverse hacia abajo del cilindro.
El resultado de esta explosión es un movimiento lineal hacia abajo, con una potencia increíble, y solo basta transmitirla. Para ello se necesita una biela fijada al pistón en su parte superior y a un cigüeñal en su parte inferior. Es el cigüeñal el que se encargará de transformar el movimiento lineal del pistón de la biela en rotativo.
A partir de este movimiento rotatorio, ya se puede entender que es posible transmitir este movimiento a cualquier cosa que necesites mover, no solo la bicicleta.
De forma simplificada pero real hemos visto el principio, ahora es un poco más complicado y detallaré las diferentes etapas, a saber, la admisión de la mezcla gasolina aire, la chispa para la explosión y la evacuación del gas quemado.
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Partes del Motor
El motor de combustión interna tiene una gran cantidad de elementos y componentes, pero aquí te nombraremos los básicos y necesarios para que comprendas su funcionamiento.
1. Bloque
Es la parte más grande del conjunto y es compatible con todos los demás componentes. Su composición puede ser de hierro fundido o aluminio. El bloque determina la disposición de los cilindros, en línea, en “V”, de cilindros opuestos, etc.
También determina el número de cilindros donde ocurre la combustión, que puede ir desde 1 hasta 16. El bloque también tiene cámaras de lubricación y enfriamiento, agua o aire, según la aplicación.
Dentro del bloque, los componentes más importantes son los pistones, las bielas y el cigüeñal.
2. Pistón
Es responsable del movimiento de expansión y compresión de los gases. Tiene una forma cilíndrica y su composición está hecha de aleaciones de aluminio. Los pistones se mueven dentro de los cilindros.
Puede ser de cabezal recto, en el caso de motores de ciclo Otto, o con cámara de combustión en su parte superior, como el ciclo Diésel. Hay tres tipos de anillos a su alrededor: el anillo de sellado, el de disparo y el anillo de lubricación. El pistón se conecta a la biela mediante un pasador central.
3. Los anillos
El pistón y el cilindro son elementos de fundición en bruto y, por lo tanto, el deslizamiento del pistón en el cilindro no está sellado ya que existe un pequeño espacio que lo da el ajuste entre los dos.
Para evitar pérdidas de compresión, este espacio debe reducirse. Este juego debe rellenarse de forma flexible para evitar tensiones entre estos dos elementos, por lo que se inventaron los anillos.
Estos anillos se envuelven alrededor del pistón y actúan como una pared sellada. Estos círculos están abiertos y se separan un poco como resortes hasta que chocan contra la pared del cilindro.
En resumen, el papel de los anillos es:
- Sellar la parte superior del pistón.
- Evitar que el aceite suba.
- Esparcir el aceite uniformemente en la pared del cilindro.
- Guiar la carrera del pistón.
Hay tres tipos de anillos:
- El anillo de fuego o "disparo" es el segmento superior que sella contra la combustión. Debe resistir la temperatura, la falta de lubricación y la corrosión.
- El segundo, el anillo de estanqueidad, en posición intermedia, debe, junto con el anillo de disparo, sellar contra la presión de combustión, y con el sello raspador entre el aceite y la combustión.
- El anillo raspador se coloca en la parte inferior del pistón. Raspa el exceso de aceite depositado en las paredes del cilindro para evitar que suba a la cámara de combustión, pero debe dejar una fina película de aceite en estas paredes. Consiste en una hoja superior y una hoja inferior, entre las cuales se inserta una varilla en forma de celosía o resorte.
4. La biela del pistón
La parte que conecta el pistón al cigüeñal. Utiliza acero forjado en su composición. Se divide en tres partes: cabeza, cuerpo y pie, estando la cabeza unida al pistón por medio del pasador y el pie está conectado al cigüeñal mediante un material antifricción llamado cojinete.
La biela es como una especie de brazo que se conecta por debajo del pistón, y a la vez, se conecta al cigüeñal en su base. La biela se encarga de transmitir el movimiento lineal del pistón, generado por la explosión, al cigüeñal del motor.
Las bielas están fabricadas de aceros especiales muy resistentes, ya que esta transferencia de movimiento y potencia la hace en condiciones realmente extremas.
Existe una biela por cada pistón, y existe un pistón por cada cilindro del motor.
5. El Cigüeñal
Esta pieza forma parte importante dentro del motor. Sin su diseño, forma y función, sencillamente el motor no funciona. El cigüeñal se encarga de recibir el movimiento y la potencia del pistón, para convertirlo en un movimiento giratorio.
El cigüeñal es el eje principal del motor y traslada directamente este mismo movimiento a la transmisión del coche.
Está fabricado de aleación especial que resiste tanto las fuerzas generadas internas en el motor, como la temperatura de trabajo. Su forma convierte el movimiento lineal del conjunto pistón-biela, en un movimiento giratorio. Y permite que el ciclo continúe al ayudar a subir al pistón nuevamente.
6. Escape y admisión
Ya sabemos entonces, que para conseguir potencia, basta con comprimir una mezcla de gasolina y aire y hacerla explotar, ahora vamos a ver cómo meterla entre la cabeza del pistón y la parte superior del cilindro.
Primero una pequeña definición, la parte superior del cilindro se llama culata, así que de ahora en adelante usaremos este término. Tienes dos tipos de culatas:
- La fija, que es integral con el cilindro y por lo tanto forma una sola parte con el cilindro
- La extraíble, que es independiente del cilindro y se fija a él mediante pernos y la junta.
Hemos visto que para la compresión, el espacio entre la cabeza del pistón y la culata tenía que ser hermético, este espacio se llama cámara de combustión, por lo que para inyectar el combustible allí es necesario crear un orificio de entrada que se pueda cerrar y abrir en conveniencia.
Para abrir y cerrar este orificio, se utiliza un dispositivo conocido como válvula. La válvula se abre para permitir la entrada de la mezcla, y se cierra herméticamente para sellar la cámara y permitir la explosión. A esto se le conoce como Admisión.
Luego de la explosión, se deben desalojar los gases quemados producto de la explosión, y para esto, se usa el mismo principio anterior pero con otro orificio y otra válvula, un poco más grande. A esto se le conoce como Escape.
7. La culata
La culata controla el paso de aire y combustible a los cilindros. Se ubica en la parte superior del bloque y se acopla con el uso de tornillos o tacos, siempre con una junta entre las piezas. Suele estar compuesto del mismo material que el bloque.
Dentro de la culata están las válvulas de escape y admisión, y ocurre el proceso descrito arriba. El accionamiento de las válvulas se realiza mediante el mando, un eje con elevaciones que realiza el movimiento sincronizado de las válvulas.
El movimiento del cigüeñal se transmite a través del árbol de levas por medio de engranajes y correas, generalmente la correa dentada.
En la mayoría de los casos, sin embargo, el comando está en la propia culata. Puede ser simple (SOHC - acrónimo de Single Overhead Cam, generalmente para motores con 2 válvulas por cilindro) o doble (DOHC, Double Overhead Cam, para motores con 4 válvulas por cilindro).
En los motores más modernos, también hay una transmisión por cadena, que reemplaza la correa dentada y tiene una vida útil más larga, lo que requiere reemplazo con al menos 100 mil kilómetros.
8. El árbol de levas
Para la apertura y cierre de estas válvulas, se necesita un mecanismo que esté sincronizado con el movimiento del pistón y el cigüeñal. La sincronización es clave para la entrada de la mezcla, el sellado y después la expulsión de los gases.
Esta operación tiene un nombre, y se conoce como la distribución, de hecho es necesario que la válvula de admisión se abra en el momento adecuado y lo mismo ocurra con el escape.
En el cigüeñal o más exactamente en el extremo del cigüeñal tienes un piñón con un eje en el que hay dos levas: una para la admisión, otra para el escape, luego tienes las varillas de balancín.
Cuando el cigüeñal gira, las levas que están fijas y colocadas en el eje, empujan los balancines que accionan las válvulas para el movimiento de admisión y escape. Las válvulas se cierran automáticamente por efecto de los resortes cuando las levas ya no están en contacto con los balancines.
Para un funcionamiento correcto es necesario que exista un juego de algunas décimas entre la válvula y el balancín cuando la válvula está en posición cerrada.
El movimiento del árbol de levas, se da por dos engranajes, uno pequeño al final del cigüeñal que impulsa el piñón grande de la leva. Por lo tanto, es necesario que el posicionamiento de estos dos engranajes sea preciso porque determinan el momento preciso de la apertura de las válvulas.
A veces la transmisión de movimiento entre estos dos mecanismos, y por supuesto, su sincronización, viene dada por una cadena de acero, si la configuración del diseño lo permite.
9. El encendido
Luego hay que tener en cuenta el tiempo de explosión el cual transformará la energía en potencia, para ello usamos una bujía, esta bujía provocará la chispa necesaria para la explosión de la mezcla.
Para eso necesitas una energía eléctrica que generalmente está controlada por un volante magnético y una bobina. El punto de encendido o creación de la chispa debe ser preciso y realizarse con precisión.
Esta creación de la chispa debe ser sincronizada con el punto más alto de carrera del pistón
10. Sistema de alimentación
El sistema de alimentación no es un componente propio del motor, pero depende mucho de él para su buen funcionamiento. Existen dos sistemas principales de alimentación, muy diferenciados en la actualidad:
- El sistema por carburación.
- El sistema por inyección.
El sistema por carburación fue ampliamente aceptado por muchos años para todos los motores de combustión interna, hasta la década de los 70, cuando comenzaron a salir los coches con inyección directa.
El carburador también tiene un papel importante porque es él quien dosificará la mezcla aire / gasolina y permitirá regular el régimen del motor aumentando y disminuyendo esta mezcla. El carburador convencional funciona por depresión, es decir, el pistón en su descenso crea una depresión con el efecto de una succión en el carburador.
El sistema de carburación ya no se utiliza en coches, aunque todavía lo puedes ver en motores pequeños como motos, generadores eléctricos, cortadoras de césped, etc.
El sistema de inyección funciona con un sistema a presión que se encarga de inyectar directamente el combustible a la mezcla o a la cámara. Su componente principal es el inyector.
Este sistema es mucho más preciso que el sistema de carburador, además de consumir menos combustible y hacer más eficiente el proceso de combustión.
11. El cárter
El cárter tiene la función de depósito para el aceite lubricante del motor, ubicada en la parte inferior del bloque. Suele estar compuesto por placa dura prensada.
El cárter es responsable de almacenar el aceite lubricante del motor. También hay modelos que utilizan un cárter seco, que no está unido al bloque. En tales casos, el lubricante se almacena en un depósito separado, que lleva el aceite al motor por medio de una bomba de presión.
Normalmente, los motores de alto rendimiento están equipados con este tipo de cárter.
El Ciclo de Funcionamiento del Motor de 4 Tiempos
El pistón se desliza en el cilindro en un movimiento de abajo hacia arriba:
- En su posición descendente, creará un vacío en la parte superior del cilindro - una succión - por lo que será necesario aprovechar este momento para abrir la válvula de admisión y succionar la mezcla de combustible y aire. Este es el llamado “Tiempo de Admisión”.
- Luego, el pistón comenzará su ascenso. Aquí, la válvula de admisión se cierra para que la mezcla no escape y se pueda comprimir. Este es el llamado “Tiempo de Compresión”.
- Se enciende la chispa y la mezcla está comprimida. Ocurre la explosión, y el pistón baja violentamente. Este es el llamado “Tiempo de Explosión”.
- El pistón vuelve a subir, pero esta vez, para desalojar los gases quemados. Aquí se abre la válvula de escape. Este es el llamado “Tiempo de Escape”.
Aquí se lleva a cabo el ciclo de 4 tiempos, de hecho después de esta fase de escape, el pistón vuelve a bajar iniciando la fase de admisión.
Habitualmente hablamos del tiempo de explosión, de hecho se trata de una multitud de combustiones muy rápidas.
El respiradero
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Durante el funcionamiento, el motor se calienta y parte del aceite que se encuentra en el cárter se convierte en vapor, lo que genera una presión dañina. Además, dado que el sello no está completo entre el pistón y el cilindro, una pequeña parte de la compresión y algunos residuos de combustión pueden pasar al cárter inferior.
Por lo tanto es necesario evacuar esta presión y esta posible condensación. La función del respiradero es trasladarla al exterior, el respiradero estará conectado por una manguera al filtro de aire en general. El aire puede fluir desde el cárter hacia el exterior, pero no al revés, lo que genera un vacío en el cárter.
Se debe mantener un vacío parcial en el cárter para evitar que el aceite salga de los segmentos o sellos.
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