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INTRODUCCIÓN
“Existe la meta pero no el camino. Lo que llamamos camino es sólo vacilación.”
Frank Kafka
Para nadie es un secreto la exigencia que plantea una economía
globalizada, mercados altamente competitivos y un entorno variable donde la
velocidad de cambio sobrepasa en mucho nuestra capacidad de respuesta. En
este panorama estamos inmersos y vale la pena considerar algunas posibilidades
que siempre han estado pero ahora cobran mayor relevancia.
En todos los ámbitos de la actividad humana, es necesario reconocer los actuales
procesos de globalización, que también incluyen la educación, que hoy se
caracteriza por ser un proceso dinámico cuya transformación responde a los
cambios de orden social, político, económico y cultural que la sociedad mexicana
ha experimentado en los últimos años. La transformación que se está produciendo
en las relaciones sociales y laborales se fundamenta básicamente en la revolución
del conocimiento y en el desarrollo de los sistemas de comunicación. Es por ello
que las personas constituyen ya el eje del progreso y, su voluntad y “saber hacer”
serán claves para la promoción de una sociedad con visión de futuro.
La innovación y el cambio se asientan sobre el plano tecnológico, en la estructura
organizativa y de desarrollo del capital humano, promoviéndose nuevas
competencias profesionales, la tendencia mundial es cambiar el centro del
proceso hacia el aprendizaje del estudiante. El estudiante ya no puede
permanecer pasivo dentro del proceso, tiene que realizar actividades que le
permitan construir sus conocimientos, desarrollar sus habilidades y fortalecer su
formación integral, así se han ido modificando los contenidos de los programas de
estudios universitarios incorporándose a la función principal otras relacionadas con
la organización como son el trabajo en equipo, el control de la calidad,
introduciéndose poco a poco el concepto de polivalencia.
Se busca simplemente que los egresados de la universidades estén preparados
para responder a las exigencias del entorno, de la sociedad actual, del mundo
moderno; que sean capaces de resolver problemas, de comunicarse, de trabajar
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en equipos multidisciplinarios e interdisciplinarios, en fin que sean competentes
profesionalmente.
Una competencia profesional es un conjunto interrelacionado de conocimientos,
habilidades, actitudes y valores, que hace posible desempeños flexibles, creativos
y competitivos, en un campo profesional específico y en un contexto determinado.
Es decir, la competencia no reside en los recursos, sino en la movilización misma
de los recursos para realizar una tarea, resolver un problema, abordar una
situación compleja.
Para ser competente es necesario poner en juego el repertorio de recursos, ante
diferentes situaciones.La Ingeniería Mecánica es un campo muy amplio de la
ingeniería que implica el uso competente de los principios físicos para el análisis,
diseño, fabricación y mantenimiento de sistemas mecánicos. Ser un buen
ingeniero mecánico en los momentos actuales, un ingeniero mecánico formado
bajo el enfoque de competencias, implica mostrar que se tienen las competencias
requeridas por la sociedad, las empresas y la industria. Debe tenerse en cuenta
que en el mercado laboral, producto de la globalización, competimos con
ingenieros graduados no sólo en México, sino que, competimos con graduados de
todo el mundo. La tarea consiste entonces en tener una formación, que nos
permita competir exitosamente, en ese mercado laboral globalizado.
En el nuevo plan de estudios del Colegio de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (IME)
impulsado por el Modelo Universitario Minerva (MUM), los programas de
asignación se basan en las necesidades de la industria; para satisfacerlas es
necesario realizar convenios ya que en el área de influencia de la universidad, la
industria automotriz es la más fuerte y con esto se justifica la necesidad que los
alumnos tengan amplio conocimiento de este ramo industrial.
El objetivo del colegio es brindar conocimientos que implican el área automotriz y
que sean aplicados a la sociedad buscando solucionar problemáticas de diversas
índoles tanto a nivel económico como de funcionalidad y eficiencia, lo cual se
refiere en el perfil de egreso que en su sección de conocimientos indica que los
alumnos de esta licenciatura, que se formen en la opción de máquinas , dentro
de otras competencias podrán planear, desarrollar y controlar programas de
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mantenimiento de plantas industriales y de servicio e instalar, montar y poner en
marcha maquinaria y equipo. [1]
La realización de este trabajo de tesis sobre el armado y puesta en marcha del
motor de combustión interna a gasolina 335 in3 V8.se basa en diversas razones, a
saber:
- El mantenimiento en general tiene varios objetivos entre los que se
encuentran: optimización de la disponibilidad del motor, optimización de los
recursos humanos, maximización de la vida de la máquina, evitar, reducir y en su
caso reparar, las fallas sobre los bienes, disminuir la gravedad de las fallas que no
se lleguen a evitar, evitar detenciones inútiles o paro de máquinas y prolongar la
vida útil de los motores.
- En el laboratorio de mecánica de IME de la Benemérita Universidad
Autónoma de Puebla se tiene en existencia un motor, el cual en el año 2008 fue
desarmado por algunos alumnos de intercambio estudiantil de nacionalidad
alemana para darle mantenimiento y conocer el funcionamiento de este tipo de
motores, debido a que del lugar de donde ellos provienen ya no son comunes los
automóviles con este tipo de máquinas, hicieron el desarmado y el motor quedo
inhabilitado.
- En el artículo del Dr. Filiberto Candia García y el Ing. Víctor Galindo López
titulado: El Aprendizaje Basado En Proyectos Un Nuevo Reto Para Incrementar El
Índice de Egresados de un Programa de Estudios en Ingeniería, se menciona “el
Colegio de Ingeniería Mecánica y Eléctrica se propone el diseño, uso, aplicación e
implementación de estrategias didácticas basadas en el Aprendizaje Basado en
Proyectos Sociales (ABPS), ya que este utiliza el método de proyectos el cual
consiste en un conjunto de experiencias de aprendizaje que involucran a los
estudiantes, sus profesores y personas de la comunidad en la solución de algún
problema de orden social.”[2]
- Durante la carrera se otorga al estudiante de ingeniería mecánica y eléctrica
un cúmulo de aprendizaje de tipo teórico, conocimientos que requieren de práctica
y experimentación y que complementados con una actitud propositiva y de
disposición complementan la formación del egresado.
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- Los alumnos de servicio social dispuestos al trabajo colaborativo pueden
dar apoyo para realizar actividades innovadoras que les ofrezcan aprendizaje
extracurricular.
Además de la falta de material informativo completo, dentro de las limitantes de
este trabajo estuvo la carencia de espacios específicos para el armado de
motores, por lo que se trabajó en el departamento de manufactura, sobre una
base hecha de herrería previamente construida por alumnos de servicio social,
compañeros que practicaron técnicas sobre el uso del material de soldadura, en
donde el motor fue colocado para poder armarlo y ponerlo en marcha; además de
la falta de herramienta y refacciones originales necesarias, mismas que fueron
conseguidas por partes.
Haber compartido esta experiencia con compañeros, alumnos del mismo colegio,
que estaban haciendo servicio social, permitió la realización del trabajo práctico
del armado y puesta en marcha en un tiempo de quince días por las mañanas.
La presentación del trabajo de tesis contiene cinco secciones:
En el primer capítulo se muestra el protocolo de investigación que incluye el
planteamiento del problema, la justificación del trabajo, los objetivos, la hipótesis
planteada y las variables que esta considera.
El capítulo II presenta el marco de referencia sobre el cual se fundamenta el
trabajo, se incluye la información de los componentes que integran el ensamblaje
del motor y tiene como propósito reunir información para poder conocer cada una
de las partes del motor, sus características y funcionamiento, además de la
manera de relacionarse entre ellas, posteriormente se encuentra marco
metodológico que contiene el diseño y tipo de la investigación realizada, su
alcance, método, técnicas e instrumentos.
El capítulo III presenta como resultado de la investigación un panorama un poco
mas claro de los problemas que fuimos ubicando a lo largo del armado y posterior
puesta en marcha y la forma en como los pudimos resolver de la forma mas
correcta.
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El Capítulo IV presenta como resultado de la investigación la secuencia del
armado y puesta en marcha del motor de combustión interna a gasolina 335 in3
V8, cuyo procedimiento indica ocho pasos para el armado y un paso para la
puesta en marcha.
En la parte final se presentan las conclusiones que se derivan del trabajo, con los
resultados obtenidos se plantean propuestas de líneas de investigación futuras
que conduzcan a nuevos caminos de interés y búsqueda de oportunidades y
soluciones.
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Capítulo I “GENERALES DEL PROYECTO”
1.1 Planteamiento del problema
Partiendo de la discrepancia que existe entre la situación real en la que se
tiene a un motor desarmado e inhabilitado, con un cierto número de piezas
originales faltantes y cuyo procedimiento para armarlo, se asumió el reto de darle
funcionalidad y ponerlo en marcha teniendo como situación deseada realizar una
investigación para obtener una guía documentada para el armado y puesta en
marcha de un motor combustión interna a gasolina 335 in3 V8, al que futuras
generaciones podrán darle nueva utilidad teniendo acceso a una guía que les
indique cómo darle un mantenimiento adecuado, se genera el problema ¿qué
hacer para darle funcionalidad, armar y poner en marcha un motor inhabilitado y
dejar la documentación para que sea usada por alumnos interesados en ello?
1.2 Justificación
Pensando en los beneficios generales del mantenimiento y con la inquietud
por encontrar a la vez la práctica en un motor utilizando un recurso inhabilitado
que se tenía en el colegio, y dado el hecho de la inexistencia de su manual de
armado, se pensó en investigar acerca del armado y puesta en marcha del motor
de combustión interna a gasolina para autos, el motor 335pulg3 V8; procediendo
a la ejecución sobre el recurso con el que ya se contaba, pensando en darle
funcionamiento al motor como tal y con una visión a futuras transformaciones en el
mismo para que funcionase con otro tipo de combustible, quizás de tipo biológico,
o bien modificarlo para crear una planta eléctrica.
El motor que se refiere es un ensamble de varias piezas donadas que no
pertenecían al modelo del motor original y que al ser desarmado por los
estudiantes extranjeros por completo, se tuvo que hacer una serie de
adaptaciones que permitieron ensamblar todas y cada una de las piezas hasta
lograr el funcionamiento sin fallo dándole un uso a todo ese material y
optimizando los recursos.
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1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo general
El objetivo de la tesis es habilitar un motor de combustión interna a gasolina
335pulg3 V8 con el reconocimiento de sus partes, verificar su funcionamiento y la
presentación documentada de todo el procedimiento.
1.3.2 Objetivos específicos
- Hacer una investigación documental de las partes del motor combustión
interna a gasolina 335 in3 V8 y del funcionamiento de cada una de ellas, para
conocerlo completamente.
- Disponer de una lista de piezas opcionales o alternativas que pudiesen
suplir a las faltantes para decidir con qué otras serían sustituidas y completar las
necesarias para el armado del motor en cuestión.
- Escribir paso a paso el procedimiento que se sigue para armar y poner en
marcha el motor de combustión interna a gasolina 335 in3 V8 para poder contar
con una guía que describiera la estrategia práctica llevada a cabo.
- Armar el motor sintetizando el análisis que se había hecho a nivel teórico y
revisar su funcionamiento correcto al ponerlo en marcha para validar los pasos
descritos en la guía del armado y puesta en marcha del motor de combustión
interna a gasolina 335 in3 V8.
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1.4 HIPÓTESIS
Si se conocen las partes y procedimiento de armado de un motor de
combustión interna a gasolina 335 in3 V8 entonces el armado y puesta en marcha
es posible realizarlo como una practica de taller en la carrera de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica y asignaturas pertinentes.
1.5 VARIABLES
Variable independiente: tipos de piezas y su funcionamiento
Variables dependientes: guía de procedimiento, armado y puesta en marcha del
motor.
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Capítulo II “MOTORES DE COMBUSTION INTERNA”
Los ciclos teóricos del motor a combustión a volumen constante fueron
estudiados por Beau Rochas, pero su aplicación práctica se la debemos a Otto
que construyó los primeros motores aproximadamente en 1862.
El ciclo Otto es un ciclo cerrado, que utiliza una mezcla de aire y gasolina o aire y
gas y para su ignición tiene la ayuda de una chispa eléctrica producida por el
sistema de encendido. Este ciclo consta de 4 etapas o tiempos (fig.1). Aspiración,
compresión, combustión y expansión. El flujo del fluido en su interior sería el
siguiente:
En la carrera descendente del pistón, aspira un volumen de mezcla aire-
combustible, que ingresa en una cámara, cuando el pistón sube comprime esa
mezcla que cuando alcanza el punto muerto superior se enciende y se quema a
volumen constante (teórico), para luego producir una expansión (carrera útil) en
cuyo transcurso aporta el trabajo, luego en la carrera ascendente se eliminan los
gases de la combustión y el ciclo se inicia nuevamente.
Fig. 1 Ciclo Otto teórico
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El ciclo ideal o teórico difiere bastante del real por diversos motivos entre los
cuales podemos mencionar:
Disociación química de los combustibles, combustión no a volumen constante sino
variable debido al tiempo de apertura de las válvulas de admisión y escape,
avance al encendido para evitar la detonación de los combustibles, etc., todo lo
cual hace que el ciclo no se realice como el teórico.
La mezcla de aire y gasolina, o aire y gas puede hacerse actualmente en el
carburador o en la cámara de combustión en los sistemas de inyección
electrónica. El calor producido por la combustión de gasolina se convierte en
energía motriz dentro del motor. Los pistones, las bielas y el cigüeñal son las
partes del motor que convierten la energía calorífica en energía motriz mediante lo
conocido como ciclo de cuatro tiempos:
1.- Tiempo de admisión. La válvula de admisión se abre y el pistón baja dentro
de su cilindro y permite la entrada de la mezcla de aire y gasolina. Fig. 2 [3]
Pistón
Biela
Válvula de admisión
Fig.2
TIEMPO DE ADMISIÓN
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2.- Tiempo de compresión. La válvula de admisión se cierra, el pistón sube y
comprime la mezcla de aire y gasolina en la parte superior del cilindro, cerca de la
bujía.
3.- Tiempo de potencia o expansión. Cuando el pistón esta cerca de la parte
superior del cilindro, la bujía inflama la mezcla y los gases en expansión hacen
que el pistón baje en el cilindro. Fig.4 [3]
Bujía
Cigüeñal
Cámara de combustión
Cilindro
Fig.3
TIEMPO DE COMPRESIÓN
Fig.4
TIEMPO DE EXPANSIÓN O
POTENCIA
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4.- Tiempo de escape. La válvula de escape se abre, el pistón vuelve a subir y
expulsa los gases quemados que están dentro del cilindro por la lumbrera de
escape. Fig. 5 [3]
Solo el tercer tiempo produce energía y los demás solo la absorben, ya que el
pistón y las válvulas trabajan en forma de bomba que mueve y comprime gases.
De toda la energía que se produce en una vuelta, una parte es absorbida por los
otros tres pistones para sus carreras. La energía restante es la utilizada para
impulsar el automóvil.
La relación de compresión es conocida como la diferencia de volumen que hay
dentro del cilindro cuando el pistón esta en al principio y final de su carrera.
Cuando hay una mayor mezcla de aire y gasolina comprimida dentro de la cámara
de combustión, mas elevada será la potencia del motor y menor el gasto de
gasolina. Las relaciones de compresión muy altas son malas para el entorno en
que vivimos pues al generar temperaturas excesivas de combustión, aumentan la
contaminación del medio ambiente al producir óxidos de nitrógeno.
La bujía tiene como trabajo el hacer la quema de la mezcla de aire-gasolina
comprimida rápida y uniformemente en la parte de arriba debemos tomar en
cuenta que en el caso de que el octanaje de la gasolina utilizada es muy bajo, la
Válvula de
escape
Fig.5
TIEMPO DE ESCAPE
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mezcla que no esta en contacto directo con la bujía puede inflamarse
repentinamente durante la compresión, dándonos como resultado lo comúnmente
conocido como golpeteo o cascabeleo.
2.1 SISTEMA DE ENCENDIDO
Cada motor de combustión interna requiere de un sistema de encendido que
pueda proporcionar una chispa de suficiente fuerza al cilindro correcto en el
momento preciso para encender la mezcla de aire-combustible, anteriormente los
sistemas de platinos utilizaban un rotor y una leva que están emplazados
mecánicamente al cigüeñal para abrir o interrumpir un juego de puntos de contacto
que controlan la operación de la bobina de encendido y crean una chispa, para
suministrar la chispa al cilindro correcto; el sistema de platinos utiliza un
distribuidor mecánico impulsado desde el cigüeñal con el mismo mecanismo que
los platinos, el distribuidor enrruta voltajes altos generados por la bobina de
encendido al cilindro apropiado que necesita la chispa en el tiempo de
compresión, los sistemas de encendido actuales controlados por computadora o
electrónicamente también requieren bobinas para generar voltajes altos pero
utilizan transistores electrónicos en lugar de puntos del interruptor para abrir y
cerrar el aterrizaje de las bobinas y en lugar de un rotor mecánico y leva cuentan
con una computadora o un modulo de control del motor que le envía señales a un
transistor de potencia cuando un cilindro requiere una chispa, los actuales
sistemas de encendido sin distribuidor eliminan incluso la necesidad de un
distribuidor dedicando una bobina a cada par de cilindros según sea necesario
dependiendo del diseño del motor, en los sistemas de inyección sin distribuidor
una computadora utiliza sensores para determinar cual cilindro se encuentra en su
tiempo de compresión y a veces distribuye la chispa con la velocidad de la
electricidad. Idealmente la combustión en un motor de combustión interna debe
ocurrir cuando el pistón llega a la parte más alta de su rango (carrera) en el tiempo
de compresión se conoce como Punto Muerto Superior y en relación con el se
deben sincronizar las chispas sin embargo, realmente el encendido no siempre
comienza en el PMS, si el tiempo de combustión estaba desarrollando su presión
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máxima y el pistón ya había pasado por el tiempo de compresión esta combustión
tardía daría como resultado menos potencia por tanto para que se pueda
maximizar la transferencia de potencia al pistón, el tiempo de encendido, es decir,
el momento en que se suministra la chispa debe adelantarse un poco si se
adelanta el tiempo de encendido adecuadamente la presión resultante de
combustión se encontrara con el pistón justo cuando el pistón comienza a
descender y transmitirá la máxima potencia al pistón, los requerimientos del
tiempo de encendido también se ven afectados por la proporción de aire-
combustible, la presión en el cilindro, la calidad del combustible y otros factores,
también el tiempo de encendido se debe controlar para suministrar una chispa a
través de un rango de sincronización justo antes de que termine el tiempo de
compresión.
2.1.1 Orden de encendido de los cilindros
Los codos del cigüeñal están dispuestos de manera que no todos los
pistones suban y bajen al mismo tiempo. Esto permite que en la mayoría de los
motores los tiempos de potencia se sucedan a intervalos iguales, lo cual
contribuye a minimizar la vibración. En un motor de cuatro tiempos, estos se
enumeran de frente hacia atrás. Si las bujías encienden en orden numérico
1-2-3-4, el motor estaría fuera de balance y vibraría excesivamente. La vibración
se reduce con un orden de encendido 1-3-4-2 ó 1-2-4-3. El orden de encendido en
los motores de seis cilindros en línea es generalmente 1-5-3-6-2-4 y los motores
V8 su orden de encendido es 1-3-7-2-6-5-4-8.
Fig.6 [3]
15
2.2 PISTONES Y BIELAS
Los pistones son los encargados de transmitir la fuerza que impulsa al
motor. Por lo general en una maquina pequeña a toda marcha, cada uno de los
pistones sube y baja en su cilindro hasta 100 veces por segundo. Los pistones de
un motor V8 se mueven en promedio, 35 veces por segundo cuando el coche
corre a 100Km/h. los pistones son de aluminio liviano que permite la rápida
sucesión de carrera ascendente, descendente e inversión.
Las bielas son las encargadas de transmitir la potencia generada de los pistones
para el cigüeñal. Son hechos de acero forjado o fundidas de hierro maleable y
cuentan con orificios paralelos en cada extremo. El perno de pistón, atraviesa el
orificio pequeño de la parte superior del pistón, y a su vez fija este a la biela. La
parte inferior de la biela esta hecha de modo que se pueda atornillar alrededor del
cigüeñal ya que esta cortada en dos piezas y en su interior se colocan los metales
que ayudan a reducir la fricción.
Los cojinetes de motor son componentes vitales para el buen funcionamiento y
larga vida de un motor. Por ello es que los fabricantes de motores exigen exactas
especificaciones que determinan la composición metálica de los cojinetes, todo de
acuerdo al tipo de motor donde serán instalados.
Las composiciones de material más comunes, económicas y duraderas en la
fabricación de los cojinetes comprendidas en el área automotriz se desarrollan y
distribuyen por parte de la marca Federal Mogul y en este caso en particular se
agrupan en:
a) Las BIMETALICAS, que usan mezclas de
capas de aluminio sobrepuestas sobre acero.
Los cojinetes con esta formulación son
usados en una gama extensa de motores.
Son recomendados para utilizarlos en
motores con carga de trabajo mediana,
ofreciendo larga duración. Se identifican por
las letras (RA ó A) al final del número de parte indicado en los empaques de
Federal Mogul y en el reverso de los cojinetes.
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b) Las BIMETALICAS SUPERIOR, son usadas en cojinetes de avanzada
tecnología para los motores modernos. Las aleaciones de capas de aluminio
incluyen silicón, lo que les permite soportar mayores cargas, ofrecer mayor
resistencia al desgaste y evitar las fracturas en la superficie de fricción. Estos
cojinetes pueden ser instalados en motores de uso normal, pero son
especialmente recomendados para motores que trabajan bajo condiciones
severas y de mayor esfuerzo. Se pueden identificar por las letras (AP ó P) al final
del número de parte indicado en los empaques o en el reverso del cojinete.
c) Las TRIMETALICAS, como sugiere su nombre, emplean aleaciones de tres
metales, el cobre, el plomo y el acero. Son altamente resistentes a la fatiga pero
son menos resistentes a los daños producidos por efectos de la corrosión. Estos
cojinetes son usados en motores de trabajo pesado y se identifican mediante las
letras (CP ó P) y para los motores de alto desempeño con las letras (CH) al final
del número de parte indicado en el empaque de Federal Mogul y en le reverso del
cojinete.
Las de BABBITT se utilizan frecuentemente en los cojinetes de los árboles de
leva. Los cojinetes de biela y de bancada con esta formulación normalmente se
utilizan en motores de competición o alto desempeño. Esto por su capacidad de
adaptación a la deformación y absorción de partículas metálicas limitando los
riesgos de daños más costosos a la superficie del cigüeñal cuando el motor
trabaja bajo carga severa.
Su uso es recomendado especialmente en los motores súper cargados de
competencia que utilizan combustibles especiales como el nitrometanol o en
motores de carrera que usan alcohol. Los cojinetes de Babbitt se identifican con
las letras (SA-SB-SI) al final del número de parte indicado en el exterior del
empaque y en el reverso del cojinete.
d) El solo uso de componentes de alta calidad como los de Federal Mogul, no
garantiza un trabajo exitoso. Es necesario que los componentes y partes que se
tengan que rectificar sean trabajados en establecimientos especializados y que
ofrezcan garantía de precisión en las medidas exigidas, todo según las
especificaciones del fabricante. [4]
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2.3 ANILLOS DEL PISTÓN
Se colocan en las ranuras de la parte superior del pistón. Los gases de
combustión a alta presión pasan entre el pistón y la pared del cilindro y empujan el
anillo superior de compresión hacia abajo dentro de su ranura y hacia fuera contra
la pared.
Como una pequeña cantidad de gas pasa por el anillo superior, se utiliza el
segundo anillo. El anillo de aceite recoge el exceso de aceite de la pared del
cilindro. El gas que logra pasar estos tres anillos se va al cárter.
Los anillos de compresión del pistón hechos de hierro y de acero de muelle, sellan
ese espacio, impidiendo que los gases de combustión a alta presión escapen por
el y se reduzca la potencia del motor.
El anillo de aceite, debajo de los anillos de compresión, recoge (rasca) el exceso
de aceite de las paredes del cilindro y lo devuelve al cárter; cuando el anillo de
aceite esta gastado, puede dejar pasar aceite a la parte de arriba del pistón y se
produce humo en el escape. Fig. 7 [3]
18
Cabeza del pistón
Anillo superior de compresión
Segundo anillo de
compresión
Anillo de aceite
Perno del pistón
Seguro del perno Falda del pistón
Brazo de la biela
Tapa de la biela
Cojinetes
Tornillos de la
biela
Fig.7
EL PISTON Y LA BIELA
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2.3.1 La posición de los pistones
Todos los motores funcionan de manera parecida al de cuatro cilindros en
línea; mientras más cilindros tenga el motor, mayor será la potencia que genere.
Antes de la Segunda Guerra Mundial, los motores de ocho cilindros en línea eran
muy populares, y la General Motors siguió produciéndolos hasta 1954. Hoy, todos
los motores, y muchos de seis, tienen los cilindros colocados en dos bancos que
forman una V.los bancos de un motor en V forman, por lo general, un ángulo de
90° y, rara vez, de 60°. Si el ángulo entre los bancos de los cilindros es de 180°,
estos quedan horizontalmente opuestos como se puede observar en el motor de
Volkswagen Sedan de cuatro tiempos opuestos. [3]
Motor de cuatro cilindros en línea.
Se usan en coches pequeños y autos
deportivos y por su tamaño se pueden
colocar de lado (instalación trasversal) en
algunos modelos con tracción delantera.
La mayoría de estos motores vibran, en
especial a baja velocidad. El motor con
flecha silenciosa es una excepción – lo
tienen algunos de los modelos K de
Chrysler-: cuenta con dos flechas de
balance que giran en dirección opuesta al
cigüeñal y funciona más suavemente que
algunos motores V-8. Fig. 8 [3]
Fig.8
20
Motor de cuatro cilindros opuestos.
Motor de seis cilindros V6
Motor de seis cilindros en línea.
Banco de los cilindros
Tiene dos pares de cilindros dispuestos
horizontalmente. Volkswagen popularizo en
todo el mundo estos motores enfriados por
aire en los Sedan. Fig. 9 [3]
Más potentes que los de cuatro cilindros,
tienen la ventaja que por ser pequeños
pueden montarse en autos compactos. Si
tienen los bancos de los cilindros a 60°,
funcionan tan suavemente como los motores
V-8, sobre todo si cada biela tiene su propio
codo; no asi si tienen los bancos a 90°, con
dos bielas en cada codo, porque las bujías no
encienden sincronizadamente. Fig.10 [3]
Aunque son más largos y pesados que los de
cuatro o cinco, funcionan con más suavidad y
son más potentes. Casi todos estos motores
están colocados verticalmente, pero los Chrysler
de seis cilindros se montan con una inclinación
de 30° lo que hace que baje el centro de
gravedad del automóvil y mejoren así la
estabilidad y las condiciones de manejo. Fig.
11[3]
Fig.9
Fig.10
Fig.11
21
Motor de ocho cilindros V8.
2.4 CIGÜEÑAL
El cigüeñal forma parte del mecanismo biela-pistón, y su función específica
es transformar la energía desarrollada por la combustión en energía mecánica. El
cigüeñal recoge y transmite al cambio la potencia desarrollada por cada uno de los
cilindros. Por consiguiente, es una de las piezas más importantes del motor.
Cada articulación está formada por dos brazos y por la muñequilla de biela, que
gira sobre el cojinete de la cabeza de biela. Las muñequillas del eje de rotación del
cigüeñal se denominan muñequillas de bancada.
En los motores con los cilindros en línea el cigüeñal está formado por tantas
articulaciones como cilindros. En los motores con los cilindros opuestos el número
de articulaciones puede ser el mismo que el de cilindros o sólo la mitad. En los
motores en V, generalmente el número de articulaciones es la mitad del de
cilindros.
El equilibrado se consigue por medio de contrapesos aplicados, a las manivelas
para obtener, cuando sea necesario, el equilibrado estático y el dinámico del
cigüeñal en todo su conjunto y, muchas veces, de cada una de las manivelas.
Sirve además para
reducir el efecto de algunas de las fuerzas debidas a las masas en movimiento
alternativo. Los objetivos del equilibrado son esencialmente dos:
Son más pequeños y funcionan con más
suavidad y potencia que los de seis cilindros en
línea, constan de dos motores de cuatro cilindros
unidos a un solo cigüeñal. A cada codo se
acoplan dos bielas, y el múltiple de admisión está
ubicado en el vértice de la V y el de escape a
cada uno de los lados del motor. Fig. 12 [3] Fig.12
22
Reducir las vibraciones del motor causadas por las fuerzas y momentos
generados por la presión de los gases en los cilindros y por las piezas en
movimiento alternativo y giratorio (pistones, bielas, y cigüeñal).
Reducir las cargas sobre los cojinetes de bancada.
2.4.1 Fuerzas centrífugas y alternativas.
El cigüeñal está equilibrado estéticamente cuando la resultante de las
fuerzas centrífugas es nula, es decir, cuando el baricentro se encuentra sobre el
eje de rotación. Es característico el ejemplo del cigüeñal con una sola manivela.
Es obvio que para que el cigüeñal esté en equilibrio en cualquier posición, el peso
de la manivela debe ser equilibrado por el de los contrapesos.
Pero el cigüeñal, además de estar equilibrado estéticamente, puede estarlo
dinámicamente, es decir, puede dar lugar, cuando se halla en movimiento, a un
momento flector originado por las fuerzas centrífugas que se encuentran en planos
distintos. Puede suceder, en definitiva, que en los motores con varios cilindros la
resultante de los momentos respecto a un punto cualquiera del eje no sea nula.
Este concepto resulta más claro si se concreta en el caso de un cigüeñal con 2
manivelas de un motor de 2 cilindros opuestos, de 4 tiempos. Las fuerzas
centrífugas actúan en planos diferentes, cuya distancia entre ellos es igual a la
que hay entre los ejes de los cilindros. El momento resultante es igual al producto
de la fuerza centrífuga por la distancia entre los ejes y puede ser equilibrado con
uno igual y opuesto por medio de contrapesos.
En los cigüeñales que tienen más de 2 manivelas, éstas se disponen
angularmente de manera que las combustiones resulten distanciadas igualmente
una de otra para obtener la máxima regularidad del par motor, y en estas
condiciones, en la mayor parte de los casos, la disposición de los brazos de
manivela es tal que, sin añadir contrapesos, la condición de equilibrio estático se
satisface automáticamente, ya que el cigüeñal admite un plano de simetría que
pasa por su eje.
En cuanto al equilibrio dinámico, los cigüeñales con más de 2 manivelas resultan
equilibrados cuando, estando ya compensados estáticamente, admiten un plano
23
de simetría perpendicular al eje de rotación respecto al cual las manivelas resultan
simétricas en número, posición y dimensiones. Todos los demás cigüeñales
pueden ser equilibrados solamente con la ayuda de contrapesos. No obstante,
muchos cigüeñales, aun estando en conjunto equilibrados dinámicamente, incluso
sin contrapesos, tienen equilibradas cada una de las manivelas por separado. Este
tipo de contrapesado sirve para reducir la carga impuesta a los cojinetes de
bancada. Efectivamente, contrapesando cada una de las manivelas se reducen, o
se anulan, los diversos momentos Electores, debido a las masas giratorias que,
actuando sobre las diferentes partes del cigüeñal, tienden a flexionarlo cargando
los cojinetes de bancada y dificultando su lubricación.
Además de las fuerzas centrífugas de las masas de rotación, influyen sobre las
muñequillas de manivela las fuerzas debidas a las masas en movimiento
alternativo. Estas fuerzas causadas por las variaciones de velocidad del pistón y
de la biela, se distinguen 'en fuerzas de primer orden y de segundo orden. Las
primeras alcanzan su valor máximo, positivo o negativo, cada vez que el pistón se
encuentra en el PMS o en el PMI. Las segundas varían con una frecuencia doble
que las primeras.
Una fuerza de primer orden puede ser equilibrada por la componente, según el eje
de los cilindros, de una fuerza centrífuga producida por una masa igual a la de la
masa alternativa, aplicada al cigüeñal en contraposición a la muñequilla de
manivela. Pero en este caso se crea una fuerza dirigida perpendicularmente al eje
cilíndrico, con una amplitud y frecuencia iguales. En la práctica se contrapesa la
mitad de la masa alternativa, por lo que queda activa sobre el eje del cilindro la
mitad de la fuerza alternativa de primer orden, mientras que la otra mitad se
transforma en una fuerza perpendicular al eje del cilindro.
En los motores de varios cilindros (en línea, en V u opuestos) las fuerzas
alternativas de primer orden se equilibran cuando el cigüeñal está por sí mismo
equilibrado (es decir, sin contrapesos). De manera análoga, los pares debidos a
las fuerzas alternativas de primer orden están equilibrados cuando lo están los
pares debidos a las masas en rotación, es decir, cuando el cigüeñal está
equilibrado dinámicamente. En lo que se refiere a las fuerzas alternativas de
24
segundo orden, no existe posibilidad de reducirlas con técnicas especiales en la
construcción del cigüeñal, puesto que varían con una frecuencia doble al número
de revoluciones. En los automóviles, las vibraciones causadas por las fuerzas de
segundo orden son absorbidas, mediante técnicas especiales, por la suspensión
del motor.
2.4.2 Procesos de fabricación
El material empleado generalmente para la construcción de los cigüeñales
es de acero al carbono; en los casos de mayores solicitaciones se emplean aceros
especiales al cromo - níquel o al cromo -molibdeno-vanadio tratados
térmicamente. Se construyen también cigüeñales en fundición nodular que poseen
unas características de resistencia semejantes a las del acero al carbono.
En un principio, el cigüeñal se obtenía de un cilindro de acero, eliminando con el
torno las partes sobrantes. Los brazos de manivela, al ser circulares, se aligeraban
eliminando las partes laterales, y por esta razón la sección de los brazos de
manivela resultaba rectangular. Inicialmente, no se solían aplicar contrapesos.
Más adelante, se comenzaron a construir los cigüeñales forjándolos con
operaciones sucesivas de estampación en caliente. La técnica de estampación,
perfeccionada con la experiencia y el tiempo, permitió modelar los brazos de
manivela de manera que incluían ya los contrapesos. Actualmente, los
contrapesos en los motores para automóviles forman siempre una parte integral
del cigüeñal. Sólo en casos especiales y en motores para vehículos industriales
son montados independientemente.
El cigüeñal es la pieza del vehículo, entre las que tienen movimiento, que gira a
mayor velocidad y pesa más; no obstante, está proyectado para durar, sin ser
reparado, tanto como el automóvil. Las técnicas de construcción modernas, los
juegos de montaje cuidadosamente controlados y los progresos en el campo de
los lubricantes le aseguran un amplio margen de seguridad y una óptima fiabilidad.
Sin embargo, no es raro - y esto sucedía con mayor frecuencia en el pasado- que
se produzcan averías en el cigüeñal, que deben achacarse casi siempre al
25
conductor. Las más importantes son: la rotura por fatiga del cigüeñal y el rayado
de las muñequillas. Fig. 13 [3]
2.5 BLOQUE DE CILINDROS (MONOBLOCK)
La mayoría de los monoblocks son fabricados de hierro fundido, y algunos
pueden ser también de aluminio, que es más ligero y conduce mejor el calor,
aunque deben contener las camisas de hierro fundido en los cilindros pues el
aluminio es muy blando y no resiste el constante roce de los pistones
También tiene fundidos a el los conductos de agua para enfriar los cilindros y se
conectan con los conductos de agua de la cabeza por medio de otros conductos
que están en la parte superior del monoblock. Para evitar que se agriete o pique
con las propiedades corrosivas del agua tiene unos tapones de expansión
comúnmente llamados sellos de monoblock. Por eso es importante agregar
anticongelante que ayuda a reducir ese agente corrosivo y alarga la vida útil tanto
de mangueras como del sistema de enfriamiento en general. Fig.14 [3]
Montaje para
engrane de
árbol de levas
Nariz del
cigüeñal donde
se monta la
polea
Codos de biela
Apoyo del
cigüeñal
Contrape
so
Cara
(cachete)
Muñones principales
Contrape
so Conducto de
aceite al codo
de biela
Conducto de
aceite al codo
de biela
Brida de
montaje del
volante
Fig.13
CIGÜEÑAL
26
2.6 LA CABEZA
Las cabezas de motor por lo regular están echas de hierro fundido, aunque
al igual que los monoblocks las hay de aluminio. En algunos motores el monoblock
es de hierro fundido y la cabeza de aluminio. Sin embargo, una cabeza de
aluminio tiene una desventaja pues necesita poseer insertos especiales que sirvan
de asientos y guías de las válvulas y además, por tener coeficientes de dilatación
distintos, es difícil sellar bien una cabeza de aluminio en un bloque de hierro. Para
compensar este coeficiente debemos moldear la base inferior de la cabeza de
modo que ajuste perfectamente con la parte superior del monoblock; cualquier
Cojinete de árbol de levas
Cojinete principal que
sostiene el cigüeñal
Montaje para bomba de
gasolina
Montaje para filtro de
aceite
Montaje para distribuidor
Montaje para bomba de
agua (esta hace circular
mezcla de agua y
anticongelante por el
bloque y la cabeza
Agujero para birlos
Conductos para mezcla de
agua y anticongelante
Cilindros por donde se
deslizan los pistones Orificios para las varillas
Fig.14
MONOBLOCK
27
variación puede provocar fugas y un sobrecalentamiento que por lo regular es
resultado de una operación del motor con poco agua en el sistema de enfriamiento
Para diferenciar las válvulas encargadas tanto de la admisión como del escape
debemos observar que las válvulas de admisión son mas grandes que las de
escape, pues el paso de gas hacia adentro del cilindro es mas lento que el escape
que sale a presión.Fig.15 [3]
2.7 ÁRBOL DE LEVAS
Muchos motores pequeños de alto rendimiento tienen el árbol de levas en la
cabeza y no en el bloque. Este tipo de levas acciona las válvulas más
directamente que el de varillas. Al haber menos piezas, la inercia es menor, de
modo que un motor con árbol de levas colocado en la cabeza es más potente que
el del árbol de levas con varillas.
Agujero para el birlo
Agujeros roscados para fijar la
tapa de punterías en la cabeza
Lumbreras de admisión
Caja para el termostato, el cual
controla el paso de la mezcla de agua
y anticongelante entre el motor y el
radiador
La varilla sube y baja para
accionar el balancín
Los resortes cierran las válvulas
Reten del resorte
Flecha de balancines donde oscila
el balancín
Tornillo para ajustar el juego del balancín
en motores sin alzaválvulas hidráulicos
El balancín se mueve para abrir la válvula
Fig.15
CULATA O CABEZA
28
Engrane Levas
Los antiguos arboles de levas colocados en la cabeza tienen cadenas largas que
los hacen girar; los modelos recientes tienen bandas de hule dentadas que van
montadas fuera del bloque. Estas no necesitan lubricación y están hechas de hule
resistente al aceite y cuerdas de fibra de vidrio o de acero, y para evitar que
patinen, los dientes que tienen en la cara interna se acoplan con los engranes del
árbol de levas y del cigüeñal.
El número de árboles de levas (uno o más) que tiene el motor en la cabeza
depende de la posición de las válvulas. Un motor en V que tiene un árbol de levas
doble sobre cada banco de cilindros, cuenta en total con cuatro arboles de levas.
Estos árboles accionan bien directamente las válvulas, o bien indirectamente
cuando hay balancines intermedios llamados dedos. Cuando la leva acciona la
válvula directamente, se coloca un impulsor en forma de cubo entre la leva y el
vástago de la válvula para que esta resista el empuje lateral de la leva.
Los motores modernos con árboles de levas en la cabeza tienen alzaválvulas
hidráulicos que se ajustan automáticamente y son más silenciosos que los
mecánicos.
Las válvulas en los motores antiguos necesitan calibrarse periódicamente; esto se
hace quitando o poniendo lainas (laminillas de metal) o un tornillo cónico en el
impulsor de cubo. Las válvulas que funcionan por medio de dedos se calibran
ajustando el eje del dedo, y las que funcionan con varillas y balancines se calibran
con los tornillos de ajuste. Fig. 16 [3]
Fig.16
ÁRBOL DE LEVAS
29
Las levas se distribuyen a lo largo del árbol de tal manera que abren las válvulas
en el momento preciso. El perfil (romo o agudo) de cada leva determina la
velocidad con que se abre la válvula, cuanto se abre y cuanto dura abierta. Hay
una leva por cada válvula. El engrane acciona el distribuidor y la bomba de aceite
mediante las cadenas de distribución. Fig. 17 [3]
El engrane del árbol de levas gira
a la mitad de la velocidad del
cigüeñal
Impulsor de cubo
Los resortes cierran las válvulas
Tensor
El engrane intermedio gira a tres
cuartas partes de la velocidad del
cigüeñal
El tensor evita que la cadena chicotee
a alta velocidad
Los pistones y las bielas accionan
el cigüeñal y el engrane
La leva abre la válvula
Árbol de levas
Leva
Árbol de levas
Engrane del árbol de levas
Impulsor de cubo
Resorte
Válvula de admisión
Válvula de escape
Fig.17
30
2.8 PRINCIPIOS DE COMBUSTIÓN
El motor de combustión interna ideal proporciona a la cámara de
combustión la menor cantidad de combustible posible para su operación
satisfactoria, el combustible, la gasolina, es una mezcla liquida de hidrocarburos
(HC) los cuales se combinan perfectamente con el oxigeno del aire, el aire esta
constituido por un 20% de Oxigeno y un 80% de Nitrógeno, aunque normalmente
el nitrógeno pasa a través del proceso de combustión sin verse afectado, la
mezcla de combustible y aire se encenderá en el momento preciso y se consumirá
completamente a fin de lograr el mayor ahorro de combustible, idealmente el calor
y la presión generada durante la combustión se convertirán totalmente en energía
mecánica transmitiendo el máximo de poder al pistón, la combustión interna ideal
será tan compleja que todos los hidrocarburos disponibles se combinaran con los
oxígenos para formar compuestos inofensivos de H2O (agua) mientras que los
carbonos residuales se combinaran con el oxigeno restante para formar CO2
(Bióxido de carbono) y ya que el agua y el bióxido de carbono son productos
relativamente inofensivos para el medio ambiente este motor de combustión
interna ideal generara también un control ideal de emisiones, por todo ello, el
motor de combustión interna ideal generara constantemente un ahorro de
combustible ideal, un máximo de poder y un control ideal de las emisiones.
En un motor de combustión interna real, en cambio, la mezcla de aire y
combustible nunca es perfecta en todas sus condiciones y aunque en cierto
momento se proporcione la proporción ideal también esta cambiara, por ello la
combustión nunca es 100% eficiente algunos de los hidrocarburos, por ejemplo,
permanecerán sin consumirse pasando hacia afuera de la cámara en forma de
combustible HC y serán expulsados como productos dañinos, cierta parte del
oxigeno también permanecerá sin haberse consumido y junto con los
hidrocarburos no consumidos o solo parcialmente consumidos, formara monóxido
de carbono (CO) que es también una emisión dañina. Cuando la cámara de
combustión se calienta excesivamente, alrededor de 1300°C, entonces partes del
nitrógeno que tenía que haber pasado por la cámara sin ser afectado, formara
óxidos de nitrógeno con el oxigeno restante (NOx) que constituyen la mayor parte
31
del smog, por tanto, los motores de combustión interna reales siempre implican
dificultades entre los tres elementos de la combustión: Potencia, Ahorro de
combustible y Control de Emisiones.
2.9 CÁMARA DE COMBUSTIÓN
La cavidad que se encuentra en la parte superior del cilindro constituye la
cámara de combustión. La forma de la cámara determina el funcionamiento del
motor, el tipo de combustible que necesita y la cantidad que quemará por cada
caballo de fuerza producido, así como el volumen de contaminantes que saldrá
por el tubo de escape.
Una cámara de combustión eficiente debe reunir ciertos requisitos: ser pequeña
para reducir al mínimo la superficie que absorbe calor al inflamarse el combustible;
no tener rincones o grietas que causen combustión espontanea o cascabeleo;
permitir la entrada de la mezcla de aire y gasolina y la salida de los gases
quemados. Por otra parte, debe tener espacio disponible para la bujía, la cual se
debe colocar en el centro con el fin de reducir el tiempo necesario para que se
inflame toda la gasolina, puesto que la velocidad con la que avanza la llama de la
combustión en la cámara está limitada. Además, la cámara debe trabajar 50 o más
veces por segundo.
La forma ideal de la cámara de combustión seria esférica con una bujía en el
centro, lo cual permitiría la combustión uniforme en todas direcciones, en un
espacio mínimo, pero no serviría para un motor de trabajo pesado.
Para que el rendimiento de un motor sea óptimo, la cámara hemisférica es la mas
conveniente, aunque su fabricación es costosa porque necesita bien dos arboles
de levas en la cabeza, bien un sistema muy complejo de balancines y varillas para
poder accionar las válvulas que están en posición oblicua en lugar de vertical. Las
cámaras de tina, de cuña, de expulsión y la situada en la cabeza del pistón son las
mas comunes.
En la cámara de combustión de tina las válvulas de admisión y de escape están
juntas en la parte inferior de una tina invertida, y las acciona un árbol de levas
32
sencillo o una hilera sencilla de balancines. La bujía está en la parte lateral de la
tina y forma así una cámara reducida y eficiente.
La cámara de cuña tiene un corte en uno de los lados de la tina, y en la parte
superior, inclinada, están las válvulas colocadas paralelamente, lo que hace que
se abran con facilidad.
La cámara de expulsión se parece a la de cuña, pero tiene los vértices
redondeados y una superficie plana que expulsa a chorros los gases hacia la
cámara de combustión cuando sube el pistón. Este tipo de cámara hace que la
mezcla forme remolinos y se distribuya así uniformemente, aunque también la
enfría, y esto causa excesiva contaminación.
A continuación podremos observar los distintos tipos de cámaras que pueden
encontrarse y su respectivo uso y características principales:
La cámara de combustión hemisférica tiene suficiente espacio para lumbreras
de admisión y escape de gran tamaño, que sirven para que el motor tenga un
máximo de entrada y salida de gases en cada cilindro, lo cual produce gran
potencia cuando el motor esta muy revolucionado. La bujía, colocada en el centro,
inflama toda la gasolina en el menor tiempo posible. Fig. 18 [3]
Válvula de
escape Válvula de
admisión Bují
a
Lumbrera
de
escape Lumbrera
de admisión
Cámara de
combustión
Pistó
n
Cámara
hemisférica
Fig.18
CAMARA HEMISFÉRICA
33
La cámara de combustión de tina tiene la forma de una tina invertida con
las válvulas en la parte inferior de la misma. Puesto que las válvulas se pueden
colocar en una sola hilera, el mecanismo quelas hace funcionar es muy sencillo.
La forma alargada y ovalada de la tina controla la turbulencia excesiva, y las
paredes lisas por donde sube el pistón hasta su tope hacen que se produzcan los
chorros necesarios para que la mezcla forme remolinos. Los cilindros de gran
diámetro y las cortas carreras del pistón de los motores modernos hacen posible el
uso de válvulas grandes para lograr el paso adecuado de los gases. Fig.19 [3]
La cámara de combustión de cuña es mas bien reducida. El corto
recorrido de la llama (que va desde la bujía hasta el punto mas distante de la
cámara) reduce la propensión a la pre ignición o cascabeleo. La explosión produce
remolinos turbulentos cuando el pistón expulsa la mezcla de la zona más estrecha.
La turbulencia mantiene la gasolina y el aire bien mezclados de principio a fin para
que haya combustión uniforme. La expulsión también enfría la mezcla que está en
las esquinas y reduce los puntos calientes que causan pre ignición. Fig. 20 [3]
Cámara de tina Fig.19
CAMARA DE TINA
34
La cámara de combustión situada en la cabeza del pistón la tienen los
motores diesel para camión y algunos motores de gasolina para autos europeos.
La ventaja que representaría fabricar una cabeza con superficie plana desaparece
al elevarse el costo de fabricación de este tipo de pistones y al aumentar el peso
de estos. Fig. 21 [3]
Fig.20
CAMARA DE CUÑA
Fig.21
CAMARA DE COMBUSTION
EN LA CABEZA DEL PISTON
35
2.10 SISTEMA DE IGNICIÓN
Está conformado por principalmente bujías que es un electrodo el cual
genera un arco eléctrico (chispa) y enciende la mezcla de aire-combustible, para
generar este arco se necesita un voltaje muy elevado el cual es producido por las
bobinas.
2.11 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben disponer
de un sistema de refrigeración. Algunos motores estacionarios de automóviles y
de aviones y motores fuera de borda se refrigeran con aire. Los cilindros de los
motores que utilizan este sistema cuentan en el exterior con un conjunto de
láminas de metal que emiten el calor producido dentro del cilindro. En otros
motores se utiliza refrigeración por agua, lo que implica que los cilindros se
encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los automóviles se hace
circular mediante una bomba. El agua se refrigera al pasar por las láminas de un
radiador. Es importante que el liquido que se usa para enfriar el motor no sea
simplemente agua porque los motores de combustión trabajan regularmente a
temperaturas más altas que la temperatura de ebullición del agua, esto provoca
una alta presión en el sistema de enfriamiento dando lugar a fallas en los
empaques y sellos de agua, así como en el radiador; se usa un refrigerante
anticongelante pues no hierve a la misma temperatura que el agua, si no a mas
alta temperatura (aproximadamente 120°C), tampoco se congelara a temperaturas
muy bajas.
Otra razón por la cual se debe usar un anticongelante es que este no produce
sarro ni sedimentos que se adhieren en las paredes del motor y del radiador
formando una capa aislante que disminuirá la capacidad de enfriamiento del
sistema.
La eficiencia de los motores Otto de cuatro tiempos se ve limitada por varios
factores, entre otros la perdida de energía por la fricción y la refrigeración.
En general la eficiencia de un motor de este tipo depende del grado de
compresión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 (generalmente para motores
36
turbocargados) o 10 a 1(generalmente para motores con aspiración natural) en la
mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores,
como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere
la utilización de combustibles de alto índice de octano. La eficiencia media de un
buen motor Otto es de un 20 a un 25%: solo la cuarta parte de la energía calorífica
se transforma en energía mecánica.
2.12 SISTEMA DE ESCAPE
Otro sistema que proporciona un soporte secundario a la combustión es el
sistema de escape, su función principal es proporcionar un paso sin obstrucciones
para expulsar los derivados de la combustión e incluso tratar esos derivados a
través de un proceso de conversión catalítica que actúa como si fuera una
“segunda cámara de combustión” el sistema de escape también reduce el ruido
que es el resultado natural de la combustión.
37
Capítulo III “Resultados de la investigación”
Para poder comenzar con el armado del motor en conjunto se requiere
contar con todas las piezas que forman parte del mismo de acuerdo a las
especificaciones del fabricante en óptimas condiciones, para este trabajo de
investigación se consiguieron algunas piezas alternativas debido a que había
faltantes y no era posible conseguirlas, ese fue el mayor reto al que nos
enfrentamos para la realización de este proyecto pues estos faltantes los cubrimos
con piezas que no correspondían a ese tipo de modelo de motor en especial
desarrollando una serie de adaptaciones que trajeron como consecuencia varios
imprevistos que sobre la marcha pudimos resolver, tales como:
Culatas de motor
Aquí tuvimos el contratiempo de que las culatas no correspondían al
modelo original del motor 335in3 por lo tanto no sellaba por completo y teníamos
filtraciones de agua de los conductos de refrigeración hacia los cilindros del
monoblock y fugas hacia el exterior del motor, las acciones que realizamos fueron
el fabricar nuevas juntas con molde de las originales que deberían llevar pero
cuidando que quedaran tapados los lugares donde se presentaban las fugas y
filtraciones con un silicón especial llamado formajuntex lo amoldamos a las zonas
de fuga y dejamos secar por unas horas y con ello solucionamos el problema.
Juntas en general
Como comentamos con anterioridad el motor fue el resultado de un
ensamble de varias piezas de motores de características similares pero con una
que otra variación en su estructura por lo que a la hora de realizar el armado
tuvimos que hacer una serie de adaptaciones al kit de juntas que teníamos desde
un principio y en otros lados como en los múltiples de escape no pudimos utilizar los
que teníamos y se adquirieron las correspondientes por separado.
38
El armazón o chasis
La base de herrería con la que contamos para depositar nuestro motor
terminado, ha sido desarrollada especialmente y por lo tanto cuando quisimos
dejar en su lugar los soportes y bases nos encontramos con que los agujeros para
que los tornillos sujeten quedaban poco corridos de su lugar por lo que
procedimos a hacer ajustes en la base y sobre todo el lugar del alternador sufrió
una modificación en su base apoyo pues la anterior se había desoldado y fue
necesario encontrarle una mejor posición para que no existieran vibraciones que
pusieran en riesgo que la banda de accesorios se escapara de su lugar.
El instrumental de medición
El panel de instrumentos fue habilitado para poder tener un control del
comportamiento del motor durante su trabajo y monitorear su temperatura, el
porcentaje de combustible con el que se cuenta y la carga de la batería con la que
se alimenta
Las conexiones eléctricas
Las conexiones del instrumental de medición así como la alimentación de
corriente del motor se tuvo que llevar a cabo para que el motor trabajara
eficientemente se reemplazaron los cables de las bujías y pusieron terminales
eléctricas en cada uno de los cables para tener una mejor presentación del motor.
Líneas de combustible y refrigeración.
Las mangueras de combustible así como las encargadas de transportar
agua a través del sistema fueron reemplazadas por nuevas para evitar fugar
innecesarias dado que las anteriores ya presentabas un deterioro considerable y
ponían en riesgo el funcionamiento posterior de nuestro motor.
39
Falta de herramienta especializada para el armado
Cabe hacer mención que el laboratorio de IME nos facilito el uso de
herramientas comunes como lo son dados, llaves, desarmadores y extensiones
pero al no contar con herramienta especializada como torques, expansor de
anillos y arco levanta válvulas, nos vimos en la necesidad de traerlas de un taller
mecánico automotriz que con mucho gusto nos facilito estas para poder
desarrollar este proyecto.
De manera necesaria se expone la disposición al trabajo colaborativo de los
compañeros alumnos de servicio social quienes en todo momento manifestaron
actitud de disposición, apoyo, atención y entendimiento, estando siempre prestos
al trabajo necesario e indicado.
Una vez revisada la información teórica y reconocida cada tipo de pieza y su
funcionamiento, se elabora un borrador de manual para usarlo en el paso a paso
de la parte práctica del armado del motor.
El borrador elaborado del procedimiento se va validado al comprobar que
realmente indica la secuencia coherente y completa del proceso cuando se
obtiene el motor funcionando correctamente, para proceder finalmente a escribir el
procedimiento o guía de armado del motor y su puesta en marcha.
40
CAPITULO IV “ARMADO DE MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA V8 335 in3”
I. ARMADO DE BLOQUE DE CILINDROS (MONOBLOCK) Y MONTAJE DEL
CIGÜEÑAL.
1. Asegurar que el bloque de cilindros esté bien limpio.
2. Seleccionar los cojinetes principales correctos.
3. Instalar los cojinetes principales en el bloque y lubricarlos.
4. Colocar el cigüeñal dentro del bloque de cilindros.
5. Instalar las arandelas de empuje o metal de centro de carrete.
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41
6. Limpiar y lubricar todos los pernos de tapa.
7. Instalar todas las tapas de cojinetes principales.
Apretar alternadamente los pernos en dos pasos,
Paso 1: 27 N·m (20 lbs. pie).
Paso 2: Girar los pernos de las tapas principales 90° adicionales.
8. Medir el juego longitudinal del cigüeñal.
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42
9. Instalar árbol de levas previamente lubricado.
10. Instalar el mecanismo de impulsión de distribución respetando las marcas
que se observan.
Instalar la tapa de la caja de la cadena de distribución.
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11. Instalar la junta principal trasera y el retenedor.
II. INSTALACION DE LOS SEGMENTOS DE PISTÓN Y BIELAS.
A) AJUSTE DEL SEGMENTO DE PISTÓN O ANILLO
1. Verificar la separación entre los extremos de segmentos
NOTA: La medición de la separación entre los extremos del segmento debe
efectuarse con el segmento colocado por lo menos a 0.012 mm (0,50 pulg.) de la
parte inferior del hueco del cilindro.
2. Limpiar el hueco del cilindro.
3. Insertar el segmento en el hueco del cilindro.
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44
4. Presionar con un pistón el segmento hacia abajo para asegurarse de que
calce a escuadra en el hueco.
5. Verificar la separación entre los extremos de segmentos con un calibrador
de espesor y si no cumple con la holgura del cilindro, de 0.008 a 0.010 mm,
reemplazar los segmentos.
b) MEDICION DE LA SEPARACION LATERAL DEL SEGMENTO
1. Asegurar que las ranuras de los segmentos no tengan mellas ni rebabas.
2. Medir la holgura lateral del segmento como se muestra en la figura y
asegurarse de que el calibrador de espesor (1) calce ajustado entre el reborde del
segmento y el calibrador.
3. Hacer girar el segmento alrededor del pistón. El segmento tiene que girar
libremente en la ranura sin atorarse.
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CUADRO DE ESPECIFICACIONES DE SEGMENTOS
Posición del
segmento
Segmento/Ranura Máximo
Holgura lateral Holgura
Segmento
superior
0,002-0,007mm
(0,0008-0,0028 in.)
0,011 mm
(0,004 in.)
Segmento
intermedio
0,002-0,006 mm
(0,0008-0,0023 in.)
0,010 mm
(0,004in.)
Separación entre los
extremos del segmento
Límite de desgaste
Segmento
superior
0,23-0,38 mm
(0,0090-0,0149 in.)
0,43 mm
(0,017 in.)
Segmento
intermedio
0,35-0,60 mm
(0,0137-0,0236 in.)
0,74 mm
(0,029 in.)
Anillo de control
de aceite
0,015-0,66 mm 0,76 mm
46
C) INSTALACION DE SEGMENTOS O ANILLOS DE ACEITE
1. Asegurar que el segmento nº 2 se instala con la marca de identificación del
fabricante (punto) mirando hacia arriba, en dirección a la parte superior del pistón.
Los segmentos nº 1 y nº 2 tienen un corte transversal diferente.
2. Instalar los segmentos en el orden siguiente:
1) Expansor de anillo de aceite.
1.1 Instalar el expansor del anillo de aceite.
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47
2) Larguero lateral del anillo de aceite inferior.
2.1 Instalar el larguero lateral inferior colocando un extremo entre la ranura
del segmento y el aro expansor. Sostener firmemente el extremo y presionar hacia
abajo la porción a instalar hasta que el larguero lateral esté emplazado.
3) Larguero lateral del anillo de aceite superior.
3.1 Instalar el larguero lateral superior colocando un extremo entre la ranura
del segmento y el aro expansor. Sostener firmemente el extremo y presionar hacia
abajo la porción a instalar hasta que el larguero lateral esté emplazado.
4) Segmento intermedio nº 2.
4.1 Instalar el segmento intermedio nº 2 utilizando un instalador de
segmentos (expansor de anillos).
5) Segmento superior nº 1.
5.1 Instalar el segmento superior nº 1 utilizando un instalador de segmentos
(expansor de anillos).
El escalonamiento de la separación entre los extremos del anillo es importante
para el control de aceite. La colocación de los segmentos se realizara de tal forma
que la separación quede como se ve en la Figura, cuando el pistón se ve desde la
parte superior.
La orientación de los segmentos se debe realizar en forma alternada para evitar
un paso de aceite excesivo y producir humo en el motor.
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48
Colocar al expansor de aceite de forma que la separación del anillo quede
en la posición (1,3,5).
Colocar los largueros del anillo de aceite de forma que la separación del
anillo quede en la posición (2,4).
Colocar el segundo anillo de compresión de forma que la separación del
anillo quede en la posición (1, 3,5).
Colocar la compresión superior de forma que la separación del anillo quede
en la posición (1, 3,5).
IV. MONTAJE DE LOS CONJUNTOS DE BIELA Y PISTÓN EN LOS HUECOS
DEL BLOQUE DE CILINDROS.
1. Sumergir la cabeza de pistón con los segmentos en aceite de motor limpio.
2. Colocar un compresor de segmentos sobre los segmentos y el pistón,
apretando el compresor de segmentos.
NOTA: Asegurarse de que la posición de los segmentos no se modifique
durante esta operación.
3. Colocar el cojinete sobre la biela y lubricar la superficie del cojinete con aceite
de motor limpio.
4. Verificar que las guías de biela y las roscas de los pernos de biela estén en
óptimas condiciones.
5. Los pistones están marcados en la superficie del hueco del perno de pistón
con una F en relieve, o una flecha en la parte superior del pistón, que indica la
posición de instalación.
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49
Esta marca debe orientarse hacia la parte delantera del motor en ambas hileras de
cilindro.
6. Limpiar con un trapo el hueco del cilindro y lubricar con aceite de motor
limpio.
7. Girar el cigüeñal hasta que la tapa de la biela llegue al centro del hueco de
cilindro.
8. Insertar el pistón y biela en el hueco del cilindro y colocar con cuidado las
guías de biela sobre la tapa de chumacera del cigüeñal.
9. Golpear el pistón hacia abajo en el hueco del cilindro mediante una
empuñadura de martillo. Al mismo tiempo, hacer girar la biela en posición en la
tapa de chumacera del cigüeñal.
PRECAUCION: Los pernos de biela no deben volver a utilizarse. Reemplazar
siempre los pernos de la biela cada vez que se aflojen o se retiren.
10. Limpiar la tapa de biela e instalar el cojinete.
11. Lubricar con aceite de motor limpio e instalar los pernos de biela nuevos si
fueron reemplazados.
12. Lubricar las superficies de cojinete con aceite de motor limpio.
13. Apretar los pernos con una torsión aproximada de 21 N·m (15 lbs. pie) más
una vuelta de 90°.
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14. Instalar el tubo captador de aceite.
15. Instalar la bomba de aceite con su junta de papel.
16. Instalar el colector de aceite/cárter.
V. INSPECCIÓN, MONTAJE DE CULATAS (CABEZAS) Y TAPAS DE CULATAS
A) INSPECCIÓN DE CULATA O CULATAS DE CILINDRO.
1. Inspeccionar si los asientos de válvula están dañados y realizar el servicio
de los asientos de válvula según sea necesario.
2. Medir las guías de válvula en tres lugares (1, 2, 3) de la figura para
determinar si hay desgaste.
3. Revisar si hay grietas u holgura y reemplace la culata de cilindros dadas
cualquiera de esas condiciones.
4. Revisar los vástagos de pistón. Reemplazar los que estén doblados o
desgastados
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B) MONTAJE DE CULATAS DE MOTOR EN BLOQUE DE CILINDROS
1. Limpiar todas las superficies del bloque de cilindros y las culatas de
cilindros.
2. Limpiar las superficies de las juntas delantera y trasera del bloque de
cilindros con un disolvente apropiado.
PRECAUCION: Las juntas de culatas NO son intercambiables entre los lados
izquierdo y derecho.
3. Situar las juntas nuevas de las culatas de cilindros (5) en el bloque de
cilindros.
4. Situar las culatas de cilindros (4) en las juntas de culata (5) y el bloque de
cilindros.
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5. Apretar los pernos de las culatas en tres pasos empleando la secuencia
provista en la figura.
Paso 1: Asentar los pernos interiores de culatas de cilindros en orden con una
torsión de 34 N·m (25 lbs. pie) y los pernos exteriores con 20 N·m (15 lbs. pie).
Paso 2: Apretar los pernos interiores de culatas de cilindros en orden con una
torsión de 54 N·m (40 lbs. pie) y comprobar que los pernos exteriores tengan una
torsión de 20 N·m (15 lbs. pie).
Paso 3: Apretar los pernos interiores de culatas de cilindros en orden 90 grados y
apretar los pernos exteriores con una torsión de 34 N·m (25 lbs. pie).
6. Instalar los conjuntos de vástago de empuje y balancín en sus posiciones
originales, utilizando la placa de retención de vástago de empuje
7. Repetir el procedimiento para la culata del lado opuesto.
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8. Instalar el conjunto de múltiple de admisión y carburación con su junta
apretando los tornillos con una torsión de 25 N·m (18 lbs.pie)
9. Instalar las bujías. Si fuese necesario, ajustar las bujías a 0.035 mm
C) MONTAJE DE TAPAS DE CULATAS DE CILINDROS
1. Instalar las tapas de culata de cilindros con su junta y apretar de acuerdo al
orden mostrado en la figura.
2. Conectar las mangueras del calefactor.
3. Instalar el conducto de suministro de combustible y el sistema de
enfriamiento con abrazaderas para evitar fugas.
VI. INSTALACION DEL COLECTOR DE ESCAPE
Instalar el colector de escape con su respectiva junta y apretar los tornillos con
una torsión de 25 N·m (18 lbs.pie).
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VII. COLOCACIÓN DEL DISCO VOLANTE O CREMALLERA
Colocar en la parte trasera del motor el disco volante o cremallera.
VIII. INSPECCIÓN PREVIA AL ARRANQUE
1. Abrir el tapón ubicado en la tapa de culata y agregar aceite
(aproximadamente 5 litros), comprobando que el nivel de aceite de motor en el
cárter sea el adecuado al observar que se cubran las marcas de medición de la
varilla indicadora.
2. Llenar el sistema de refrigeración con anticongelante.
3. Conectar los cables, cable negativo de un extremo al bloque de cilindros y
del otro a la batería y el cable positivo de un lado a la marcha y al switch y del otro
a la batería.
4. Agregar combustible en el depósito.
IX. PUESTA EN MARCHA DEL MOTOR
1. Poner en marcha el motor activando el switch
2. Comprobar si existen fugas.
3. Monitorear la temperatura de funcionamiento.
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CONCLUSIONES
La importancia del armado y puesta en marcha de la máquina de combustión
interna con el apoyo tanto de la dirección, los profesores y sobre todo de
compañeros que colaboraron en este proyecto demuestra que es posible trabajar
en aplicaciones diversas que permitan explotar al máximo el potencial de los
estudiantes.
En la realización de la tarea estuvo presente un potencial investigativo, el mismo
se manifiesta a través de diferentes componentes, entre los que se encuentran: el
informativo, organizativo, formativo y humano expresados en la investigación
documental y el uso de informática, la posibilidad de ser gestor del
autoconocimiento al aprender haciendo y en el desarrollo de una mentalidad
científica que propició un trabajo más efectivo.
Durante el trabajo de investigación se propiciaron cualidades de independencia
para pensar y trabajar por sí mismo y lograr vencer los inconvenientes que
surgieron en el proceso investigativo; cualidades de iniciativa para buscar
diferentes alternativas de solución, valorarlas y tomar las decisiones más
adecuadas alcanzando valía en el actuar.
Existe por parte de los estudiantes de servicio social y el tesista un consenso
favorable sobre la realización de la tarea y los resultados obtenidos como una
forma de estimular el aprendizaje. Los resultados obtenidos han creado las bases
para plantearse empeños mayores en el proceso formativo con los estudiantes a
través del vínculo multidisciplinario. La experiencia obtenida puede ser extensiva
a otras asignaturas o disciplinas que conforman el currículo para la formación del
Ingeniero Mecánico, en las que se pueda complementar los cuatro pilares del
aprendizaje: saber conocer, saber hacer, saber ser y saber convivir. [6]
Es necesario poner de manifiesto la ventaja de la utilización de la red internet para
la realización de la tarea de investigación documental ya que representa un salto
cualitativo incuestionable.
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El cumplimiento de los objetivos de la carrera de ingeniería mecánica y eléctrica
durante este trabajo se reflejan de acuerdo a:
El uso del conocimiento en materias básicas y tecnológicas y de los
principios de teoría de máquinas y mecanismos adaptadas a nuevas situaciones
que representaban un problema, demostró capacidad de resolver problemas con
iniciativa, toma de decisiones, creatividad, razonamiento crítico y de comunicar y
transmitir conocimientos, habilidades y destrezas en uno de los campos de la
Ingeniería.
La aplicación de habilidades para el análisis, diseño, simulación y
optimización de procesos y productos, capacidad para el manejo de
especificaciones, reglamentos y normas de obligado cumplimiento además de ser
capaz de organizar y coordinar o participar en equipos de trabajo.
El compromiso social, al habilitar un recurso que puede ser interesante para
ser usado por otros motivado por el espíritu de servicio. [1]
Cabe mencionar que el motor ya en funcionamiento puede tener un sinfín de
utilidades que sin duda alguna pueden beneficiar a la facultad y que podrían a su
vez apoyar a otros alumnos en un nuevo proyecto de tesis o trabajo
extracurricular, podría utilizarse para implementar una planta de emergencia de
energía eléctrica que ayudaría a economizar en gastos de consumo de luz o
también acondicionarla y buscar nuevas fuentes de combustibles ya sean
químicas (diesel) o biológicas (biocombustibles).
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BIBLIOGRAFÍA
[1] http://www.ingenieria.buap.mx/mecanica.html
[2] Candia, G.F. y Galindo L. V. El aprendizaje basado en proyectos un nuevo
reto
para incrementar el índice de egresados de un programa de estudios
en
ingeniería. 2010. BUAP, México. Articulo no publicado.
[3] Selecciones de Reader´s Digest, En marcha servicio y reparación de su
automóvil
1983. Reader´s Digest, México
[4] http://www.federalmogul.com
[5] www.dealerconnect.com
[6] www.cinterfor.org.uy/public