Componentes del motor: Órganos del movimiento alternativo

 INTRODUCCIÓN

            En los motores de combustión interna, recibe el nombre de tren alternativo el conjunto de elementos que transforman el movimiento y de los que se obtiene la potencia en el eje del motor. Básicamente lo forman el pistón, la biela y el cigüeñal, a los que se unen otros componentes, como el volante de inercia o el bloque motor.

 

            Cada uno de estos componentes presentan unas características bien determinadas para lograr un correcto funcionamiento, soportando los elevados esfuerzos a los que ha de estar sometido en el funcionamiento.

            ESTRUCTURA Y COMPONENTES DEL MOTOR

 

            Todos los motores presentan una estructura similar, como ya hemos visto anteriormente al describir los diferentes tipos. De todos modos sea cual sea el motor deberá cumplir estas condiciones:

  • Resistir los esfuerzos producidos durante la evolución de los gases.
  • Asegurar la rigidez necesaria para un guiado correcto de los órganos móviles.
  • Transmitir a las estructuras próximas el mínimo número de vibraciones.
  • Permitir los montajes, desmontajes y conservaciones fáciles.

            Entre estas condiciones habrá muchas variaciones, según el tipo de motor y los medios de fabricación de los cuales dispone el fabricante. Posteriormente iremos detallando los componentes del motor. En la figura 5 se puede ver como se estructura los elementos que vamos a comentar.

figura-5-elementos-fundamentales-base-logica

Figura 5: Elementos fundamentales.

            Bloque motor

            Los cilindros se disponen formando el llamado bloque de cilindros, que constituye la arquitectura de base de los motores. En la figura 6 se representa un bloque perteneciente a un motor de cuatro cilindros en línea, donde pueden apreciarse que los cilindros están mecanizados en el propio bloque y rodeados por espacios huecos o cavidades, a las que se hace llegar el líquido de refrigeración.

Figura 6: Bloque motor.

           El bloque motor esta provisto de fuertes nervaduras que aumentan su rigidez. En su parte inferior aloja el árbol motor y en la parte delantera y trasera se encuentran sus soportes de fijación al chasis. En el bloque motor se fijan los diferentes órganos y elementos como el cárter, culata, árbol de levas etc.

       Por el interior del bloque circula el líquido refrigerante y el aceite de engrase, así que debe tener sus correspondientes conductos y fabricado de una material con buena conductividad térmica como por ejemplo la fundición gris, aleada con níquel y cromo.

           Existen varios tipos de bloques, estos se caracterizan por el número de cilindros y sus disposiciones, aunque también por el número de apoyos del cigüeñal.

            La parte inferior del bloque recibe el nombre de cárter superior o bancada. La cara delantera del bloque recibe el nombre de cárter de mando. Por debajo del cárter superior se sitúa el cárter de aceite o cárter inferior, que se una al primero por medio de tornillos, con interposición de una junta, este cárter sirve como deposito de aceite, ver figura 7.

Figura-7-carter-base-logica

Figura 7: Cárter.

            En uno de los costados de bloque se aloja el árbol de levas, apoyados en los cojinetes de fricción emplazados convenientemente en sus apoyos. En otros motores el árbol de levas esta emplazado en la culata, como se verá más adelante.

            Culata

            Generalmente los motores que están refrigerados por agua, están provistos de una culata independientemente del bloque motor que se une a él por medio de tornillos dispuestos de forma adecuada. La culata se acopla al bloque motor con interposición de una junta de amianto forrada de láminas de cobre o acero.

            La culata se fabrica generalmente de fundición aleada con otros metales, que añaden características especiales de resistencia, rigidez y conductividad térmica. Otras veces se utiliza el aluminio por su ligereza y alta conductividad, ver figura 8.

figura-8-la-culata-base-logica

Figura 8: Culata.

            En esta figura  se pueden ver los huecos, labrados en la culata, que forman las cámaras de combustión. Rodeando estas cámaras existen unas cavidades, que comunican con las camisas de agua del bloque a través de otros orificios, por los que llega a la culata el líquido refrigerante que enfriará a esta zona.

            En las cámaras de combustión se aloja la bujía, en los motores diesel se prevé el acoplamiento del inyector y en algunas ocasiones una precámara. En esta cámara se combustión también se sitúan las válvulas de escape y de admisión. El diseño de la cámara viene impuesto por la disposición y tamaño, tanto de las bujías como de las válvulas. Las hay de varios tipos y se clasifican por su geometría:

  • Cámara cilíndrica: es muy utilizada por su sencillez en el diseño y un buen funcionamiento producido por la proximidad de la chispa al punto de máximo aprovechamiento.
  • Cámara de bañera y en cuña: se fabrican generalmente con válvulas en la culata y la bujía se sitúa lateralmente. Tienen la ventaja de que el recorrido de la chispa es muy corto y reduce el exceso de turbulencia del gas. Produce, a la entrada de los gases, un soplado sobre la cabeza del émbolo que reduce el picado de bielas.
  • Cámara hemisférica: Por su simetría, acorta la distancia que debe recorrer la llama desde la bujía hasta la cabeza del pistón, consiguiéndose una buena combustión. Es la más próxima a la forma ideal. Permite montar válvulas de grandes dimensiones así como, un mejor llenado de los cilindros.

            Pistón

            En la explosión el pistón recibe un fuerte impulso y la fuerza con la que actúa sobre la cabeza de éste puede ser superior a una tonelada, por esta causa, el pistón debe ser resistente para soportar altas presiones y elevadas temperaturas que se desarrollan en el momento de la explosión, ver figura 9.

figura-9-pistones-bulones-base-logica

Figura 9: Pistones y bulones.

            El pistón está constituido por dos partes fundamentales: la cabeza que soporta directamente las presiones y temperaturas del gas, y la falda que sirve de guía al pie de biela. En la falda hay un orificio que aloja un eje llamado bulón, que realiza la unión del pistón a la biela. En la cabeza del pistón hay unas gargantas donde se alojan unos anillos circulares denominados segmentos, que ajustan perfectamente a las paredes del cilindro evitando la fuga de gas. La ligereza del pistón es muy importante en los automóviles actuales ya que disminuyen enormemente las fuerzas de inercia generadas en su movimiento, lo que permite aumentar su velocidad y alcanzar regímenes elevados de rotación. Se construyen de duroaluminio, aleación de aluminio, cobre y níquel, que endurece el aluminio manteniendo su ligereza.

            Dado que el coeficiente de dilatación del aluminio es muy superior al correspondiente al material del cilindro, se debe adoptar un huelgo notable entre presión y cilindro (en motor en frío). Esta es la razón de que el funcionamiento en frío del motor produzca un cabeceo debido a la holgura del montaje, con la correspondiente humorosidad de funcionamiento. Para evitar este inconveniente se fabrica el pistón de manera que su cabeza tenga un diámetro inferior a la falda, así la cabeza esta parcialmente separada de la falda por una ranura horizontal que limita la transmisión del calor. También existen otros elementos que evitan el campaneo del pistón, consiste en fabricarlo con la falda ligeramente ovalada, con el diámetro mayor orientado en el sentido perpendicular al del eje de unión del pistón con la biela.

       La superficie de la cabeza del pistón suele ser plana o cóncavo-convexa. La superficie de la falda des perfectamente lisa y pulida para diminuir el rozamiento con la pared del cilindro. En los motores diesel, la cabeza del pistón toma formas y rebajes especiales, en los cuales se forma la cámara de combustión o parte de ella.

            Bulón

            La unión entre el pistón y la biela se realiza a través del bulón, fabricado de acero de cementación, de manera que se permita a la biela un cierto movimiento pendular con respecto al pistón. El bulón es retenido en su alojamiento del pistón por los anillos elásticos, en la figura 9 se puede ver varios bulones y anillos elásticos.

             La unión del bulón al pie de biela se realiza generalmente por el sistema denominado bulón flotante, para que de esta forma el bulón pueda girar libremente en sus alojamientos del pistón y biela. Para evitar su salida hacia los extremos, se disponen de unos anillos elásticos. En otros casos el bulón entra a presión en el pie de biela y queda libre en los alojamientos del pistón.

            Segmentos

            El acoplamiento entre el pistón y las paredes del cilindro debe ser lo más hermético posible, con el fin de evitar fugas de gases. Los segmentos tienen la misión de asegurar la estanqueidad a la presión del gas, e impedir que el aceite lubricante que baña las paredes del cilindro pase a la cámara de combustión, ver figura 10.

            El aceite depositado en las paredes del cilindro llega allí como consecuencia de las salpicaduras propias del movimiento de rotación del cigüeñal y la cabeza de biela. En las carreras descendentes, los segmentos rascan de las paredes del cilindro la mayor parte del aceite depositado, dejando una mínima cantidad, suficiente para asegurar el engrase y evitar que el rozamiento entre el pistón y el cilindro se produzca en seco. Los anillos elásticos construidos de fundición gris de grano fino confieren al material una buena elasticidad y adecuada dureza o en otras ocasiones de fundición centrífuga o acero con un recubrimiento de cromo.

            Existen dos clases de segmentos: los de compresión y los de engrase. Los primeros realizan la estanqueidad entre el pistón y las paredes del cilindro y los segundos evitan que en las paredes del mismo quede depositada una cantidad excesiva de aceite. Los dos se montan adecuadamente en las gargantas practicadas en la cabeza del pistón (por encima del bulón). Así en este huelgo queda interpuesta una película de aceite, que asegura la estanqueidad con el motor ya en funcionamiento, aunque de todas formas con el motor en frío, el segmento presenta una cierta separación entre sus puntas que permite su dilatación, adaptándose perfectamente a las paredes en todas las condiciones, ver figura 10. Los segmentos de compresión suelen tener una sección rectangular o trapezoidal y están en la parte mas próxima a la cámara de combustión, dos generalmente. El segmento mas cercano a la cabeza del pistón se le llama fuego dado que es el que soporta la explosión. El de fuego 1, esta redondeado en su periferia, de manera que el roce de la pared con el cilindro resulta mas suave, con lo que se atenúa el desgaste. El segmento 2 es cónico se manera que su mayor diámetro quede hacia abajo. En la tercera ranura del pistón se aloja el segmento de engrase 3, cuyo objetivo es ejercer adecuadamente la función de rascado del aceite. En el montaje del pistón hay que evitar la coincidencia de los cortes de los segmentos en la misma línea generatriz del cilindro.

figura-10-segmentos-base-logica

Figura 10: Segmentos.

            Biela

            La biela trasmite el esfuerzo del pistón al codo del cigüeñal. Este acoplamiento realiza la función de transformar el movimiento alternativo del pistón en giratorio del cigüeñal. La biela debe combinar una gran resistencia y rigidez con un peso ligero por lo que se fabrican de acero al cromo-vanadio o cromo níquel, obteniéndolas por un proceso de forja o estampación. Posteriormente son equilibradas perfectamente y agrupadas de manera que todas las pertenecientes a un mismo motor tengan idéntico peso.

figura-11-biela-base-logica

Figura 11: Biela.

            En la biela (figura 11) se distinguen tres partes fundamentales: el pie de biela, por donde se une al bulón, el cuerpo o caña de biela, en sección de doble T y la cabeza de biela, por donde se une al cigüeñal en el codo, con interposición de los medios casquillos.

            En los orificios del pie de biela se inserta el bulón. Para atenuar el desgaste propio del rozamiento entre el bulón y el casquillo del pie de biela, se realiza una lubricación de esta articulación. Se dispone un taladro en la parte superior del pie de biela, por el que puede llegar al bulón el aceite allí depositado. La cabeza de la biela esta partida en dos mitades en la cual se encuentra el sombrerete. Las dos superficies cilíndricas de la cabeza de biela se interponen con un cojinete dividido en dos mitades. Se impide la rotación del cojinete en su alojamiento por medio de unos resaltes que están provistos de semi-cojinetes.

            Cualquiera que sea el tipo de cojinete empleado, es evidente que necesita una adecuada lubricación para su buen funcionamiento, para lo cual van provistos de canales o ranuras longitudinales que facilitan el engrase. El aceite se hace llegar a ellos a presión a través del mismo codo del cigüeñal y se le da salida por medio de un taladro.

            Los motores con disposición de cilindros en V, presentan la peculiaridad en ocasiones de que a un mismo codo del cigüeñal se le unen las bielas, cada una de las cuales pertenece a un bloque de cilindros diferente.

            Cigüeñal

         Es la pieza del motor que recoge el esfuerzo de la explosión y lo convierte en par motor a determinadas revoluciones. Durante su funcionamiento está sometido a violentos golpes provocados por las explosiones y las reacciones debidas a la aceleración de los órganos dotados de movimiento alternativo. El material utilizado en su fabricación son aceros con aleaciones de níquel y cromo o silicio y posteriormente son tratados térmicamente a partir del temple superficial y cementado que se le da a las muñequillas y apoyos de bancada, llamado nitruración, ver figura 12.

Figura 12: Cigüeñal.

            El cigüeñal va posicionado sobre el bloque motor, al que se fija los apoyos de bancada por medio de sombreretes, con interposición de casquillos antifricción. A los codos o muñequillas se le unen las cabezas de biela y en su prolongación, oponiéndose a ellos, se encuentra los contrapesos, que equilibran el cigüeñal

            Las muñequillas están situadas formando pares, con un ángulo de desplazamiento que depende de la disposición y número de cilindros del motor y es de 180º para el caso representado de cuatro cilindros en línea. En uno de los extremos del cigüeñal se forma un plato, al que se une el volante de inercia por medio de tornillos. En esta zona se dispone el alojamiento de un cojinete, donde se apoya el eje primario de la caja de velocidades, sobre el que se monta el disco de embrague que ha de trasmitir el movimiento a las ruedas. En el extremo opuesto del cigüeñal se monta un piñón, por mediación de chavetero, del que se saca movimiento para el árbol de levas, y por delante de el se monta una polea, también por medio del chavetero, que da movimiento generalmente a la bomba de agua y al generador de energía eléctrica.

            Generalmente, el apoyo más cercano al volante, o el central en otros casos, esta provisto de unos cojinetes axiales en su acoplamiento a la bancada, con forma de media luna, que limitan el desplazamiento axial del cigüeñal cuando se acciona el embrague.

            En la fase de mecanizado del cigüeñal tiene bastante importancia el equilibrado estático y dinámico del mismo. Teniendo en cuenta que las muñequillas no están alineadas con el eje del cigüeñal, resulta fácil superponer que se generan desequilibrios, que se van aumentando por los que producen las bielas, dotadas de un movimiento alternativo junto con los pistones unidos a ellas. Estas masas en movimientos producen vibraciones, para ellos se disponen de unos contrapesos en oposición a los codos, estampados en una sola pieza.

            Volante de inercia

            El volante de inercia se constituye de una rueda pesada, que unida al cigüeñal en uno de sus extremos, se opone a las variaciones de régimen de giro por los efectos de inercia debidos a su peso, almacenando la energía recibida con cada impulso, que devuelve una vez finalizado este. Como su nombre indica tiene forma circular además de otros elementos de inercia, ver figura 13.

figura-13-volante-inercia-base-logica

Figura 13: Volante de inercia.

            Su fabricación generalmente es de fundición y se monta en el cigüeñal en su única posición posible, equilibrándose juntamente con él. Cuantos más cilindros tenga un motor mas regular es su giro y necesita un volante de inercia de menor masa.

            En las dimensiones del volante de inercia influyen muchos factores, como por ejemplo, las condiciones de arranque del motor, marcha a ralentí, aceleraciones… El arranque se facilita con un gran volante de inercia, con el que se acumula gran cantidad de energía en la primera fase útil, para superar después las fases pasivas. Lo mismo ocurre en la marcha a ralentí. Por el contrario, para asegurar una aceleración rápida, es importante reducir al mínimo el peso del volante.

            En la periferia del volante se monta a presión una correa, que es utilizada para dar movimiento al cigüeñal por medio del motor de arranque, en los momentos de puesta en marcha del motor de combustión.