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UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA

CENTRO UNIVERSITARIOS DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS

CUCEI

MAQUINAS TERMICAS II

SECCION D04

ING. VICTOR MANUEL ESPARZA ORTIZ

MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

FECHA REALIZADA: 15 DE DICIEMBRE 2011

OMAR ALEJANDRO LLAMAS HERNANDEZ

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Un motor de combustión interna, motor a explosión o motor a pistón, es un tipode máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de uncombustible que arde dentro de una cámara de combustión. Su nombre se debe, a quedicha combustión se produce dentro de la máquina en sí misma, a diferencia de, porejemplo, la máquina de vapor. 

El motor de combustión interna fue diseñado a finales del siglo XIX. Sufuncionamiento es, en algunos aspectos, similar al de la máquina de vapor: un pistónsituado en un cilindro se expande y contrae ejerciendo una fuerza. El líquidointroducido dentro del cilindro es un derivado del petróleo al que, a continuación, seprende fuego. Al estar sometido a presión, el combustible no arde normalmente, sinoque estalla. Esta explosión empuja el pistón hacia afuera, ejerciendo un trabajo.Posteriormente, entra nuevo combustible en el cilindro y se vuelve a comprimir paraempezar de nuevo el ciclo.

Los motores comerciales se fabrican con varios cilindros, ya que este sistema

permite obtener más potencia y ofrece menos problemas que los que plantea un motorprovisto de un único cilindro de mayor tamaño. En este dispositivo, la posición de loscilindros se calcula para que, en un momento dado, cada uno se halle en un ciclodistinto, uno en admisión, otro en compresión, otro en explosión y otro en escape. Deeste modo, se obtiene un funcionamiento más estable, sin vibraciones, y en el quecada cilindro, al hacer explosión, ayuda a los demás a moverse.

Los cilindros de un motor pueden estar dispuestos de varias formas, siempre enrelación con su número y con las dimensiones del vehículo que deban impulsar. En elmotor de los automóviles, se colocan generalmente en línea, si van todos paralelos; eny, si la mitad se halla inclinada en un pequeño ángulo con respecto a la otra mitad; y en

Boxer o contrapuestos, si unos se encuentran enfrentados a los otros.

El motor de combustión interna ha sustituido a la gran mayoría de máquinas devapor debido a sus considerables ventajas. En primer lugar, el aprovechamiento de laenergía es mayor. El origen de la energía se sitúa en el interior del cilindro, y no en elexterior como en la máquina de vapor. Por otra parte, no es necesario cargar congrandes cantidades de agua. Los vapores empleados son los propios del combustibleal explosionar. El tamaño del motor se reduce considerablemente y facilita suinstalación en vehículos pequeños. Por último, este motor es capaz de realizar en pocotiempo una gran variación de energía, comparado con la máquina de vapor. Un motorde combustión interna ligero puede pasar en pocos segundos de una posición de

reposo a otra en la que proporcione la máxima energía, tardando sólo unos minutos ensistemas de grandes dimensiones, como los barcos. Esta característica lo convierte enel mecanismo ideal para aplicaciones con cambios frecuentes de energía, como puedeser el motor de un automóvil, un tren o un barco.

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CLASIFICACION DE LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

1.1 POR SU PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Existen distintos criterios para clasificar los motores de combustión interna: según elcombustible utilizado, el número y la disposición de los Cilindros, el tipo y la colocaciónde las válvulas o el sistema de enfriamiento empleado. La clasificación más frecuentese basa en el tipo de ciclo, es decir, en el número de tiempos por ciclo (entendiendo portiempo una carrera hacia arriba o hacia abajo del émbolo a lo largo del cilindro).

  Alternativos. 

El motor de explosión ciclo Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemánque lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina.

El motor diésel, llamado así en honor del ingeniero alemán nacido en FranciaRudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. 

La turbina de gas. 

El motor rotatorio. 

En el denominado motor de explosión de cuatro tiempos, en cada ciclo de motor(llamado ciclo de Otto) se suceden cuatro tiempos (admisión, compresión, explosión yescape).

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En el denominado motor de dos tiempos, cada ciclo de motor consta de sólo dostiempos, combinándose en uno la admisión y la compresión y en el otro la expulsión yel escape. Estos motores se emplean con gasoil.

1.2 POR LA DISPOSICION DE CILINDROS

En VOtra disposición es el motor en V. En él los cilindros se agrupan en

dos bancadas o filas de cilindros formando una letra V que convergen en el mismocigüeñal. En estos motores el aire de admisión es succionado por dentro de la V y losgases de escape expulsados por los laterales. L y RSe usa en motores a partir de 2 cilindros como es el caso de muchas motocicletas,véase por ejemplo el típico motor Ducatti, también existen V4 para motocicletas. Enautomóviles suelen ser los más comunes los V6 aunque ha habido V4 e incluso V5, yaque acorta la longitud del motor a la mitad. La apertura de la V varía desde 54º o 60ºhasta 90º o 110º en función sobre todo del número de cilindros para tratar dehomogenizar el par lo máximo posible y anular las fuerzas alternas de segundo orden.Aunque las más habituales son 90º y 60º. El motor VR6 de Volkswagen es un V6 deapenas 15º de apertura, que permite reducir ligeramente la longitud del motor (endisposición transversal).Los motores con disposición en V más comunes son los siguientes:

  V6

  V8

  V10

  V12a) motor en línea

b) motor en Vc) motor VR6

Existen también, aunque es muy poco frecuente, motores V5. Por ejemplo, elmotor 2.3 del Seat Toledo de segunda generación monta un motor V5.

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En LEl motor en línea (L) normalmente disponible en configuraciones de 2 a

8 cilindros, el motor en línea es un motor con todos los cilindros alineados en unamisma fila, sin desplazamientos. Es el motor comúnmente mas utilizado enautomoción, con la configuración L4 ya que tiene como ventaja que es un motor

bastante estable y sencillo.

Cilindros en oposiciónExisten tres tipos diferentes de motores con cilindros en oposición, comúnmente

referidos al término en inglés flat-cylinder engine :1. el motor bóxer2. la V de 180º,3. el motor de cilindros horizontalmente opuestos.

Erróneamente se tiende a hablar indistintamente de estos tres tipos de motor con

cilindros en oposición o a confundirlos entre sí. En Alemania, el término boxermotor esun grupo en el que el motor boxer y el motor con V en 180º se toman como una mismadisposición.

Diagrama de cilindros en oposición de un motorboxer, patentado por primera vez por Karl Benz en 1896.

El motor boxer es el utilizado en los Volkswagen Escarabajo, Volkswagen

Kombi, el Porsche 911, y es muy usado actualmente por Subaru (en el Impreza,Legacy, etc.) y tienen por lo general entre 4 y 6 cilindros.

El motor con V de 180º, de configuración muy similar al motor boxer, es usadopor algunas ediciones especiales de Ferrari y Alfa Romeo. La diferencia básicaconsiste en que ocasionalmente, los motores con V en 180º no usan un muñón largocomo en el boxer, sino que las bielas comparten la misma posición en el cigüeñal, haciendo que mientras un pistón se acerca al cigüeñal el otro se aleje, opuesto a lo quesucede en el Boxer en el que los pistones se alejan y acercan al mismo tiempo. La V de180º se usa en motores de más de 8 cilindros donde ha resultado más efectiva,mientras que el boxer se usa en pares con menos de 6 cilindros y por ello se han

asociado mutuamente como un mismo tipo de disposición.

El motor de cilindros horizontalmente opuestos otro nombre para bóxer.La ventaja de estos tres tipos de motores con cilindros en oposición es que tienen unaaltura menor y el centro de gravedad más bajo que el de sus pares en línea y en "V",tiene una disposición más compacta, y sus elementos al ser de menor longitudgarantizan mayor estabilidad. La principal desventaja de los motores Boxer es sumayor costo de desarrollo y fabricación porque necesita mayor cantidad de piezas. Los

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motores boxer presentan vibraciones muchos menores a los motores en línea, ya queel centro de masa permanece invariable a través de una revolución del motor; solo losmomentos de segundo orden se mueven al girar el volante.

Los motores Boxer se han montado en motocicletas además de coches. Se ha

montado en toda la saga de motocicletas BMW y motos Ural

Mientras tanto y de forma menos exclusiva, los motores de cilindroshorizontalmente opuestos se han usado desde finales de los años treinta en miles deaeronaves pequeñas, y han sufrido ligeras mejoras al igual que todos los motores apistón, tales como el sistema de inyección o los cada vez más eficientes sistemas desobrealimentación, sin embargo son motores que presentan una configuración deválvulas en la culata (OHV) y una relativa baja compresión (usualmente 6.6:1) encomparación con motores de automoción modernos, ya que son usados bajo otro tipode condiciones; así mismo, no se han producido motores de aviación que tengan turbocargador de geometría variable como se viene desarrollando desde mediados de la

década de los ochentas para automóviles, y el ciclo Diesel en estos motores seencuentra en fase experimental.

Forma radial o en estrella

En este grupo se encuentran dos tipos de motores, ambos con disposición radialde los cilindros: los motores de tipo radial y los motores de tipo rotativo, utilizadosambos principalmente en los motores de aviación y como motores estáticos. Ladiferencia entre ambos consiste en que los motores de tipo radial mantienen el bloquefijo, girando el cigüeñal en su interior, mientras que los de tipo rotativo, el cigüeñalpermanece fijo y es el bloque entero el que gira.

Forma de H

También se encuentra la disposición en H, la cual es una especie de hibridaciónde dos motores con cilindros en oposición con el uso de dos cigüeñales, quedando unabancada por encima de la otra que generan potencia para un solo eje de transmisiónintermedio entre los dos cigüeñales.

Forma de W

Otra disposición es en W que es una especie de doble V combinada en tres o

cuatro bancadas de cilindros y un cigüeñal, que data de la década de 1920, y sonusadas en algunos vehículos modernos del Grupo Volkswagen, como el Audi A8, el Volkswagen Touareg, el Volkswagen Phaeton, o el Bentley Continental GT, quellevan un W12; mientras que el Bugatti Veyron monta el W16. 

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1.3 POR EL POSICIONAMIENTO DE VALVULAS

En los primeros diseños de motores las válvulas estaban al revés, en el bloque decilindros, y paralelas a éstos, disposición que se conoce también como válvulaslaterales. A pesar que este diseño es más sencillo y barato de construir, tiene dos

grandes desventajas; el tortuoso camino seguido por la mezcla aire/combustible paraentrar al cilindro limita el flujo de aire, e impide velocidades superiores a las 2.000-2.500 RPM, y el camino seguido por los gases de escape a través del bloque produceun sobrecalentamiento cuando el motor trabajo bajo carga en forma sostenida. Estediseño evolucionó en el IOE ("Escape Sobre Admisión", por sus siglas en inglés),donde la válvula de admisión estaba en el bloque y la de escape en la culata; mástarde ambas válvulas se colocaron en la culata, disposición que se conocecomo válvulas a la cabeza.

En la mayoría de los diseños, el árbol de levas se mantuvo en el bloque decilindros relativamente cerca del cigüeñal, y las válvulas son operadas a través

de varillas y balancines. Esto dio lugar a importantes pérdidas de energía del motor,pero era más simple, especialmente en los motores en "V" donde un solo árbol delevas puede actuar las válvulas de los dos bancos de cilindros; por esta razón, estediseño persistió más tiempo en esta configuración que en otras.

Diseños más modernos tienen el árbol de levas en la culata de cilindros,presionando directamente el vástago de la válvula (de nuevo a través de taqués); sitiene sólo un árbol de levas, es un motor SOHC ("Single OverHead Camshaft", árbol delevas simple a la cabeza). A menudo hay dos árboles de levas, uno para las válvulasde admisión y otro para las de escape, creando un DOHC ("Dual OverHead Camshaft",doble árbol de levas a la cabeza). El árbol de levas es movido por el cigüeñal, a través

de engranajes, cadena o correa dentada. 

Desgaste de las válvulas

En los primeros tiempos de la construcción de motores, las válvulas eran elmayor problema. La metalurgia no era lo que es hoy día, y el rápido abrir y cerrar de lasválvulas contra la culata de cilindros producía su rápido desgaste. Era necesarioreemplazarlas cada dos años o más, en un proceso caro y que demandaba muchotiempo. Agregar tetraetilo de plomo a la gasolina reducía el problema en algunamedida, debido a que se formaba una película de plomo en el asiento, actuando comolubricante del metal. Al construir los asientos de las válvulas con una aleación mejorada

de acero al cromo-cobalto hizo que este problema desapareciera completamente e hizoinnecesaria la gasolina con plomo.

Características constructivas de las válvulas de un motor de combustión interna

Como consecuencia de la elevada potencia específica los órganos de ladistribución están sujetos a un duro trabajo, que sólo pueden soportar si los materialesempleados para su construcción son elegidos oportunamente.

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Desde el punto de vista funcional las válvulas deben resistir las elevadas yrepetidas solicitaciones causadas por los golpes sobre los asientos, y mantenerse sindeformaciones también bajo la acción de las altas temperaturas a las que estánsometidas; la válvula de escape puede alcanzar la temperatura de 750 ºC.

La válvula debe estar en condiciones de poder transmitir al aire o al agua derefrigeración el calor que recibe; la disipación del calor tiene lugar a través del contactoentre el vástago y su guía, y entre el plato y su asiento. Tiene, por tanto, granimportancia el grado de refrigeración de la guía y del asiento, así como su material. Lasválvulas están tanto mejor refrigeradas cuanto menor es su diámetro (porque menor esla superficie expuesta a los gases en proporción a la superficie de contacto con elasiento) y cuanto mayor es la longitud de la guía y el diámetro del vástago (siendomayores las superficies a través de las cuales es disipado el calor). Por ello, a losefectos de la residencia contra las solicitaciones térmicas, las válvulas de escape sehacen, en general, de diámetro menor que las de aspiración y, en los cilindros degrandes dimensiones, es preferible disponer dos (o también más) en lugar de una sola

de gran diámetro.

La temperatura de la válvula desciende al usar una mezcla rica y combustible dealto calor latente de vaporización, como es por ejemplo el metanol; aumenta, por elcontrario, al aumentar el número de revoluciones y a disminuir el grado de adelanto alencendido; el valor de la relación de compresión no tiene influencia directa sobre latemperatura

1.4 POR EL TIPO DE ASPIRACIONEl término “Aspiración” se refiere a la manera en que el aire necesario para la

combustión del combustible es suministrado a los cilindros.

a) Motor de aspiración natural o atmosférica. Es aquel motor en el que la presiónen el colector de admisión es sensiblemente la atmosférica o menor, siel motor está estrangulado por la regulación de la carga.

b) Motor sobrealimentado. Se dice que un motor está sobrealimentado cuando lapresión en el colector de admisión a la entrada del cilindro es superior a laatmosférica. Este resultado se consigue mediante la utilización de un compresoraccionado por una turbina o un compresor accionado mecánicamente

Los motores John Deere (diesel) cuentan con cinco tipos distintos de aspiración.

1. Aspiración natural

Son los motores que succionan aire debido a la acción de los pistones.

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2. Turbo cargados

Aquellos motores que cuentan con un dispositivo (turbo cargador) que mete aire apresión a los cilindros, de esta manera se logra contar con mayor cantidad de aire en elmismo espacio, permitiendo quemar más combustible. Por eso, los motores turbo

cargados son capaces de entregar más potencia que un motor de aspiración natural delmismo desplazamiento.

3. Turbo cargados postenfriados aire-agua

Cuando el turbo cargador comprime el aire, se incrementa la temperatura de éste aniveles entre 120 y 200 °C, según el modelo y el tamaño del motor. El postenfriamientoconsiste en enfriar el aire de admisión después de ser comprimido para aumentar sudensidad, de esa manera en el mismo espacio (el cilindro) habrá mayor cantidad deaire disponible para mezclarse con una mayor cantidad de diesel.

Los motores postenfriados aire-agua hacen pasar el aire de admisión por una camisarefrigerada con agua del sistema de enfriamiento, que se encuentra a una temperaturacercana a los 95°C, y de ahí a los cilindros.

4. Turbo cargados postenfriados aire-aire.

En estos modelos, el aire se enfría al hacerlo pasar por un postenfriador, quebásicamente es un radiador. El postenfriador se coloca enseguida del radiador deenfriamiento del agua, y ambos reciben aire del ventilador.

De esta manera se logra bajar la temperatura del aire de admisión a por debajo de los

60°C. turbo cargador

post enfriador múltiple de escape

aire-aire

radiador

múltiple de admisión

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5. Turbo cargados postenfriados aire-agua de mar (motores marinos).

El aire de admisión se hace pasar por un intercambiador de calor. El medio refrigerante

de éste es agua  “cruda”  (agua sin ninguna preparación, que inclusive puede ser aguade mar), aprovechando que las propiedades del agua son mejores que las del aire para

esta función. De esta manera, se logra una temperatura equivalente a la de los motorespost-enfriados aire-aire.

1.5 POR EL TIPO DE LUBRICACION

Si se rompe el cárter, sube la temperatura de manera alarmante y se lleva al motor a laindisposición casi inmediata. Un problema común en los autos pequeños es que se

rompa el cárter de aceite.

El cárter es una singular pieza que se utiliza comorecipiente para alojar el aceite de lubricación del motor y

está situado en la parte inferior del bloque. Es de granimportancia ya que cuando se rompe o se daña, el aceiteencargado de disminuir la fricción de los componentes delauto se pierde. Podemos distinguir entre cárter seco y cárterhúmedo.

CARTER SECO: Almacena el aceite del motor en un depósito externo. Su función es lade permitir colocar el motor en una posición más baja y así obtener un mejor centro degravedad, que garantiza una perfecta lubricación del motor en situaciones de altasfuerzas G, que en un cárter húmedo retirarían el aceite del área de absorción de labomba de aceite. Optimiza las capacidades dinámicas del vehículo, por lo que los

automóviles de carreras y deportivos de lujo utilizan este sistema de lubricación.Además, la aireación del aceite es menor en este sistema debido a que el aceite seexpone menos tiempo al viento del cárter del cigüeñal. El aceite distribuido a loscojinetes, por lo general, es superior al de un sistema de cárter húmedo.

CARTER HUMEDO: Es el más común y es sólo un recipiente colocado en la parteinferior del motor donde se deposita el aceite, es filtrado y bombeado de nuevo por todoel interior de éste. Durante las maniobras altamente dinámicas tales como el manejo encurvas cerradas, frenado y aceleración en el caso de los autos de carreras, este tipo decárter no garantizaría una lubricación confiable, provocando daños en los cojinetes ouna falla catastrófica en el motor. La mayoría de los motores utilizan un sistema de

cárter húmedo, en el cual todo el aceite del motor se almacena dentro del cárter delcigüeñal, una característica nueva que tiene el cárter es el de reforzar la estructura delmotor y minimizar los ruidos cuando éstos son hechos de aluminio fundido y no desimple latón. 

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Diferencias  

El cárter húmedo recoge el aceite y lo almacena hasta que la bomba lo recoge y loenvía al circuito de lubricación. El cárter seco dispone de una bomba que recoge elaceite y lo envía a otro depósito de donde lo recoge la bomba principal. El cárter seco

permite bajar el motor o aumentar la distancia libre al suelo.

2 DESCRIPCION DEL FUNCIONAMIENTO

a) Motores de encendido provocado, encendido por chispa (motor Otto) o motor deexplosión. En estos motores, al final de la etapa de compresión, se dispone deuna mezcla de aire y combustible prácticamente homogénea o una carga nouniformemente estratificada, en la cual se inicia el proceso de combustión con laayuda de un agente externo, usualmente una descarga eléctrica oportuna(chispa producida en una bujía), para su posterior propagación mediante un

frente de llama al resto de la cámara de combustión.

b) Motores de encendido por compresión (motor Diesel). En estos motores elfluido admitido en el cilindro, corrientemente aire, es comprimido de forma deelevar la temperatura del mismo a valores que garanticen la auto inflamación delcombustible en el momento de su inyección al final de la etapa de compresión.

Existen motores diésel tanto de 4 tiempos (los más usuales en vehículos terrestrespor carretera) como de 2 tiempos (grandes motores marinos y de tracción ferroviaria

Una forma más general de clasificar los motores se puede establecer como aparece enla tabla a continuación 

Según el modo de operar 

1.-Motores con

mecanismo pistón-biela-

cigüeñal 

Son los motores mas utilizados en los automóviles desde sus orígenes.

Este esquema de trabajo es el mas representativo del motor de

combustión interna y es el que se tratará en el portal. 

2.-Motores rotatorios  Se usan casi exclusivamente por algunos fabricantes de automóviles,

principalmente para los amantes de la velocidad. 

Según el tipo decombustible 

1.- Motores de gasolina  Motores que se alimentan con una mezcla de aire-gasolina que luego es

encendida por una chispa eléctrica. 

2.- Motores Diesel  Motores que se alimentan solo de aire que comprime y calienta. Luego se

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inyecta el combustible finamente pulverizado para que se auto-inflame. 

3.-Motores de gas  En realidad son motores o bien Diesel, o bien de gasolina, a los que se le

modifica el sistema de alimentación para usar gases combustibles. 

4.- Motores poli-

combustibles

Son escasos y en general están dirigidos a motores utilizados en

maquinaria militar. 

Según el sistema de

alimentación 

1.- Motores de aspiración

natural 

Son motores en los que el cilindro de trabajo se llena por la aspiración

natural del pistón al descender y hacer vacío. 

2.- Motores sobre-

alimentados

Están dotados de un compresor que fuerza la mezcla de aire-combustible

o aire solo, según el caso de que sea Diesel o de gasolina, en el cilindro de

trabajo. 

Según los ciclos de trabajo 

1.- Motores de dos

tiempos 

Motores donde todo el ciclo de trabajo se realiza en cada vuelta de

cigüeñal o manivela. 

2.- Motores de cuatro

tiempos 

En este caso el ciclo de trabajo se realiza por cada dos vueltas del

cigüeñal. 

Según el modo de

lubricación 

1.- Motores de cárter

húmedo 

Motores donde existe un cárter (recipiente) que contiene aceite

lubricante y donde se toma y circula a las partes móviles del motor a

través de una bomba de desplazamiento positivo. 

2.- Motores de cárter seco  En este caso el cárter está vacío y el lubricante entra al motor mezclado

con el combustible.