(I) Elementos Constructivos en Los MCIA

Captulo I

Elementos constructivos de losmotores de combustin interna

alternativos.El conocimiento exhaustivo de los componentes de un motor de

combustin interna alternativo desde el punto de vista de la finalidad,partes y aspectos que influyen en su diseo resulta enormementeinteresante para un ingeniero mecnico y, ms an en el caso de quese intensifique en construccin de maquinaria. Por ello, a lo largo deeste captulo se explica el funcionamiento de los distintos elementosque componen el motor y, a partir de sus condiciones de trabajo sejustifica el diseo geomtrico, de materiales, de proceso defabricacin, etc.

1.- INTRODUCCIN. 2.- LA BANCADA Y EL BLOQUE DE CILINDROS. 3.- LA CULATA.

4.- EL PISTN. 5.- LOS SEGMENTOS.

6.- EL BULN. 7.- LA BIELA.

8.- EL CIGEAL. 9.- LOS COJINETES.

10.- LA DISTRIBUCIN.10.1.- Definicin y funciones.10.2.- Factores que influyen en el diseo de la distribucin.10.3.- Componentes.10.4.- Motores multivlvula.

Captulo I.- Elementos constructivos de los motores de combustin interna alternativos.

Sistemas Auxiliares de Motores y Mquinas2

Ilustr. 1.1.- Seccin de un MEC-4T DI 16 Vlvulas.

Ilustracin 1.2.- Sistema Pistn-biela-manivela.

1.- Introduccin.

Los motores de combustin interna alternativos transforman en trabajo la energa trmica procedentede la combustin de un combustible a travs del movimiento alternativo de un rgano llamado pistn.La relacin entre este motor y la turbina de gas es anloga a la existente entre la mquina de vapor y laturbina de vapor. Esta analoga podra inducir a pensar que se trata de una solucin tcnica obsoleta. Noobstante, el grado de perfeccionamiento en el diseo y ejecucin de sus componentes hace que sigasiendo la solucin ms ventajosa para muchas aplicaciones. Sus elevados rendimientos y potenciasespecficas, as como su mejor adaptacin a distintas condiciones de trabajo y de funcionamiento (cargay velocidad), les permite encontrar aplicacin en campos tan diversos como la propulsin marina, laaviacin, la automocin y la traccin ferroviaria.

Este captulo tratar aspectos relativos a la finalidad, caractersticas constructivas y condicionantesdel diseo de los rganos constitutivos del motor ms importantes (Ilustr. 1.1).

La conversin de la energa asociada alcombustible en energa trmica se realiza en lacmara de combustin. All, la presin originadapor la combustin acta sobre el pistnprovocando su movimiento rectilneo. ste, pormedio de la biela, transmitir el movimiento y elesfuerzo al cigeal, que se ocupa de transformarel movimiento rectilneo en circular. A travs deleje del cigeal, el motor transmitir su potenciaal exterior mediante un movimiento rotativo. Esdecir, transmitir un par motor a una velocidad degiro dada (Ne = Me x ).

El conjunto pistn-biela-cigeal constituyelas barras mviles de un sistema biela-manivela enel que la barra fija la forman el bloque decilindros y la bancada (Ilustr. 1.2). Por estemotivo los elementos que forman el motor puedendividirse en fijos y mviles. Los elementos fijosson el bloque y la culata (cierre superior de lacmara de combustin). Por otra parte loselementos mviles son el sistema pistn-biela-cigeal y la distribucin, esta ltima formada por losrganos que colaboran a la apertura y cierre de las vlvulas de admisin y escape. Existen tambinelementos auxiliares que no son clasificables segn este criterio: los aros de pistn o segmentos y loscojinetes que llevan los rganos con movimiento relativo.

I.2.- La bancada y el bloque de cilindros.

E.U.I.T.Industrial 3

Ilustracin 2.1.- Estructura del bloque de cilindros.

Naturalmente, el MCIA lleva muchos otros elementos auxiliares indispensables para sufuncionamiento. A pesar de ello, este captulo se centrar en los anteriormente mencionados por ser losque intervienen directamente en el proceso de transformacin de energa trmica en mecnica.

2.- La bancada y el bloque de cilindros.

2.1.- Funciones y partes en las que se divide.

El bloque de cilindros y/o la bancada (Ilustr. 2.1) es el elemento estructural que soporta los elementosalternativos y giratorios del motor y, en consecuencia, sirve de punto de aplicacin de las fuerzasoriginadas por la combustin. Adems, sirve de anclaje de componentes perifricos del motor e integraparte de los circuitos de refrigeracin y lubricacin.

Salvo en el caso de grandes motores, los cilindros y la bancada superior se encuentran integrados enuna misma pieza, formando lo que habitualmente se conoce con el nombre de bloque de cilindros. Parael caso de motores pequeos y medios, las partes que lo constituyen son:

1.- Bloque de cilindros: Estructura rgida que soporta a los cilindros.2.- Bancada: Estructura rgida que soporta al cigeal. A su vez, se divide en dos partes:

a) Bancada superior: Unida rgidamente al bloque de cilindros forma la parte superior delalojamiento del cigeal. En motores no excesivamente grandes transmite losesfuerzos del motor hacia el bastidor dnde vaya sustentado.

b) Bancada inferior: Constituye la parte inferior del alojamiento del cigeal.

2.2.- Esfuerzos que actan sobre el bloque y factores que influyen en su diseo.El diseo del bloque debe perseguir la obtencin de una estructura rgida capaz de soportar los

esfuerzos que acten sobre l con el mnimo de deformaciones y utilizando la menor cantidad posiblede material. Para ello, el espesor debe ser mayor en aquellas direcciones en las que acten las principalesfuerzas y menor en el resto de las paredes. Los esfuerzos ms importantes que actan sobre el bloqueson:

L Los derivados de la presin de combustin.L Los derivados de la de inercia de los elementos mviles.L Los de origen trmico, derivados del gradiente trmico y de la dilatacin impedida.



Ilustracin 2.2.- Diversas disposiciones constructivas del bloque.

La consideracin de los esfuerzos a los que est sometido el bloque tiene una importancia capital enel diseo del mismo y encontrar el espesor de material idneo es difcil. Los espesores grandes favorecenla resistencia a los esfuerzos mecnicos derivados de la presin de combustin y de las inercias de loselementos mviles asociados al bloque. Sin embargo, los espesores pequeos ayudan a minimizar lastensiones trmicas. Habr que buscar siempre una solucin de compromiso.

Las distintas alternativas de ejecucin del bloque vendrn dadas por el tipo de motor que se deseerealizar y habr que tener en cuenta un gran nmero de condicionantes y factores a la hora de su diseo.Entre otros, estos factores pueden ser los siguientes:

1.- Configuracin del motor.El nmero y disposicin de los cilindros de un motor suelen estar condicionados por el tamao del

habitculo disponible, por los requerimientos de suavidad de la marcha, por el coste de fabricacin y/opor la resistencia mecnica del cigeal. En lo que al nmero de cilindros respecta, cuanto mayor sea,ms suave ser el funcionamiento del motor pero mayor su coste. Por lo que se refiere a la disposicinde los cilindros, algunas de las ms usuales son (Ilustr. 2.2):

L En lnea: Es la disposicin ms sencilla y econmica. Tiene gran suavidad de funcionamientoaunque cuando el nmero de cilindros es elevado, el diseo del cigeal se complicapor las vibraciones torsionales.

L En V: Reduce la longitud y la altura del motor y, adems, modificando el ngulo de la V sepuede controlar la altura y la anchura del motor. Es mas caro y su funcionamiento esmenos suave salvo en el caso de V-120 o en el motor Bxer.

L Estrella: Reduce la longitud del bloque al mximo. Muy utilizado antiguamente en aviacin.

2.- Tipo de refrigeracin.Para mantener las propiedades mecnicas del material de los cilindros es preciso refrigerarlos.

Dependiendo del motor y de su aplicacin, esta refrigeracin podr llevarse a cabo utilizando dos tiposde fluido refrigerante:

L Aire: El pequeo coeficiente de pelcula existente entre el aire y el cilindro hace que slo seaaplicable a motores no demasiado cargados trmicamente. Para aumentar la transmisinde calor se aumenta la velocidad del aire con una soplante y se aumenta la superficiede contacto utilizando aletas de refrigeracin (Ilustr. 2.3). El ruido producido por lasaletas y por la soplante y/o el tamao de las aletas pueden hacer inviable este sistemaen multitud de aplicaciones.

L Lquido: La refrigeracin lquida resulta mucho ms efectiva que la refrigeracin por aire peroobliga al diseo de las cmaras de refrigeracin alrededor del cilindro que garanticen

I.2.- La bancada y el bloque de cilindros.


Ilustracin 2.3.- Motor Boxer 4T refrigerado por aire.

Ilustr. 2.4.- Tipos de camisas.

un flujo de lquido en toda su periferia evitando a toda costa los puntos de remanso.Pueden aparecer problemas de cavitacin importantes agravados con las vibraciones delmotor. El lquido utilizado habitualmente es una mezcla de agua y etilenglicol.

3.- Tipo de camisa.La camisa es la parte del bloque

que se encuentra directamente encontacto con el pistn haciendo decierre lateral de la cmara decombustin. El uso de los distintostipos de camisas existentes(integrales, secas o hmedas) estarcondicionado por sus diferentescualidades (Ilustr. 2.4). Losmotores sin camisa o, lo que es lomismo, con camisas integrales sonaquellos en los que el pistn desliza por el propio bloque de cilindros. Las camisas secas son unoscilindros de pequeo espesor que se interponen entre el pistn y el bloque de cilindros. Este tipo decamisas tiene unas extraordinarias propiedades mecnicas para el deslizamiento pero no tienen ningunaresponsabilidad estructural. Finalmente, las camisas hmedas son aquellas en las que el fluidorefrigerante circula directamente por su parte exterior, de ah su nombre. Su espesor es mayor que el delas secas pues tiene que soportar las tensiones generadas por la combustin.

El uso de los distintos tipos de camisas estar condicionado por algunos de los factores que acontinuacin se relacionan:

L Longitud del bloque: Los bloques sin camisa son ms cortos y los de camisa hmeda ms largos.Los de camisa seca son una solucin intermedia.

L Vida total del motor: La utilizacin de camisas resulta especialmente interesante en aquellasaplicaciones que, por su elevado grado de utilizacin, la vida del motordebe ser mucho mayor que la de la superficie del cilindro. As, en los



Ilustr. 3.1.- Culata de un MEC-4T 4V/cilindro.

motores industriales la instalacin de camisas es una solucin habitual,cosa que no ocurre en los motores de los turismos.

L Coste de utilizacin: El coste de adquisicin de un bloque de cilindros con camisas es superioral de otro sin ellas y el de un bloque de camisas secas superior al decamisas hmedas. Esto se debe a que los motores con camisa secarequieren el mecanizado de los cilindros antes y despus de ser montadas,mientras que las camisas hmedas no. El coste de sustitucin de lascamisas secas ser, por el mismo motivo, mayor que el de las hmedasaunque la vida de las secas pueda ser mayor. En consecuencia, el costetotal de utilizacin vendr condicionado por la vida del motor, por la vidade las camisas y por el coste de las revisiones.

4.- Tipo de distribucin.Cuando el rbol de levas va colocado en la parte lateral del bloque deben ubicarse los conductos de

engrase, los pasos de las varillas y el alojamiento del propio rbol de levas. Si va colocado en la culata,el diseo del bloque se simplifica.

5.- Materiales.El material utilizado en la construccin del bloque vendr condicionado por aspectos tales como el

tamao, el peso, el coste, la rigidez, la emisin de ruido, etc. Existen tres posibilidades de fabricacin:L Fundicin de acero: Se utiliza por su elevada rigidez, bajo precio, baja emisin de ruido y

posibilidad de adoptar formas complejas. El elevado peso, principalinconveniente de esta solucin constructiva, puede hacerlo no apto paraciertas aplicaciones.

L Aleacin ligera: Mejor que el de acero fundido por su menor peso, su mayor conductividadtrmica y la mejor adaptacin al pistn cuando ste es del mismo material. Sinembargo, son mayores su coste y su emisin sonora.

L Chapa soldada: La posibilidad de construir una pieza por fundicin tiene un limite de tamao.Por ello, sta ser la nica solucin constructiva para los grandes motoresestacionarios y marinos.

3.- La culata.

3.1.- Funciones y generalidades.

La culata es el elemento que cierra la cmara decombustin por su parte superior. Aloja los conductosde admisin (pipas de admisin) (1), de escape (pipasde escape), de refrigeracin (2) y de engrase, algunosde los componentes de la distribucin (3), losinyectores (4) o las bujas, a veces una precmara decombustin y otros elementos (5). Adems, al igual queel bloque, sirve de punto de anclaje para otroselementos del motor.

I.3.- La culata.


Ilustracin 3.2.- Culata enteriza de un MEP de 6 cilindros y 2V/cilindro.

Ilustr. 3.3.- Doble rbol de levas en cabeza (DOHC) y 4V/cil.

La culata es una de las partes del motor cuyo diseo es ms difcil debido a:L La propia complejidad geomtrica.L La carga mecnica que debe soportar a causa de la presin de la cmara de combustin.L La carga trmica: Gradiente trmico existente a causa de la presencia de la propia cmara de

combustin y de los conductos de admisin, escape, refrigeracin y engrase.

3.2.- Factores que influyen en el diseo de la culata.A continuacin se analizan algunos de los factores ms importantes que condicionan el diseo de la

culata.

1.- Nmero de vlvulas por cilindro.Las elevadas exigencias de los

motores modernos obligan a mejorar losprocesos de renovacin de la carga y decombustin. Para ello, en multitud deocasiones se recurre al aumento delnmero de vlvulas por cilindro, a pesarde que el uso de una vlvula para laadmisin y otra para el escape (Ilustr.3.2) sigue siendo acertada para motorescon unas exigencias no muy elevadas.No obstante, tendr ocasin decomprobarse que el inters de losmotores multivlvula (Ilustr. 3.1 y 3.3)va mucho ms all del simpleincremento del rea de paso. Acontinuacin se enuncian algunas de las ventajas e inconvenientes ms importantes de su uso:

( Mayor rea de paso y, por ello, mejor renovacin de la carga. Este efecto se hace ms patentecuando las vlvulas estn inclinadas.

( El puente de vlvulas se encuentra situado en una zona menos cargada trmicamente.( El inyector o la buja pueden colocarse verticalmente en el centro de la cmara de combustin

con las ventajas que ello implica por la mayor simetra del proceso de combustin.( Las distintas pipas de admisin pueden generar distinto tipo de turbulencia en la cmara de

combustin. Controlando el flujo por cada una de ellas es posible modificar la turbulencia enfuncin de las condiciones operativas, aspecto vital en los MEP de inyeccin directa.



Ilustracin 3.4.- Tipos de culata segn el nmero de cilindros cubiertos.

; El aumento del nmero de pipas de admisin y escape y la mayor complejidad del sistema dedistribucin dificultan su diseo y su fabricacin y, en consecuencia, su coste es ms alto.

La adopcin de un sistema u otro depender del tipo de motor que se est diseando. La tendenciaactual es hacia los motores multivlvula, que a altas revoluciones consiguen mantener un rendimientomuy superior a los de dos vlvulas por cilindro. Lo ms usual es montar cuatro vlvulas por cilindro:dos de admisin y dos de escape. Sin embargo, tambin se recurre a las tres vlvulas por cilindro, dosde admisin y una de escape.

2.- Nmero de cilindros cubiertos.

Cuando el dimetro del cilindro de un motor es inferior a 100 mm resulta habitual el empleo deculatas de una nica pieza (enterizas - Ilustr. 3.2). Sin embargo, para motores mayores y, enconsecuencia, con mayor dimetro de cilindro, el uso de culatas partidas o culatines individuales (Ilustr.3.4) presenta ciertas ventajas desde el punto de vista del diseo. La adopcin de una u otra solucin vaa depender de los requerimientos del propio motor y del balance de las ventajas e inconvenientes queello conlleva. Algunas de las ventajas e inconvenientes ms importantes al reducir el nmero decilindros cubiertos por la culata se enuncian a continuacin:

( El sellado entre culata y bloque mejora.( Las cargas trmicas son menores.( La fundicin es ms sencilla.( Es posible normalizar los culatines y hacerlos aptos para diferentes motores.; La distancia entre cilindros aumenta.; El peso y el coste del motor y de la culata aumentan.; El rbol de levas en cabeza hace necesario el uso de culatas enterizas.; Las conexiones entre los conductos de refrigeracin y engrase deben realizarse por el exterior.

En resumen, las culatas enterizas son soluciones baratas aptas para ser aplicadas en pequeosmotores de gran serie pero que pierden parte de su inters en motores industriales. Una solucinintermedia muy usada son las culatas partidas que cubren simultneamente 2 3 cilindros.

I.3.- La culata.


Ilustr. 3.5.- Distintos tipos de cmara de combustin.

Ilustracin 3.6.- Posibles tipos de flujo en la culata de un MCIA.

3.- Tipo de cmara de combustin.L a c m a r a d e

combustin del motorm a r c a p r o f u n d a sdiferencias entre lasculatas de distintosmotores (Ilustr. 3.5). LosMEC de inyecc inindirecta (MEC IDI) llevanla precmara labrada en laculata mientras que losMEC de inyeccin directa(MEC DI) no. Este hechohace que la culata de losp r i m e r o s p r e s e n t edificultades de diseoaadidas. Los MEP suelenllevar labrada en la culatala cmara de combustinaunque al tratarse de cmaras abiertas no complica apenas su diseo. En este tipo de motores tambinexiste la posibilidad de que la cmara vaya labrada en el pistn (System Porsche).

4.- Forma y disposicin de los conductos de admisin y escape.La disposicin de los colectores de admisin y escape en la culata determina el tipo de flujo que el

fluido tiene en el motor dotndole de ciertas ventajas e inconvenientes (Ilustr. 3.6). Existen dos formasposibles:

a) Flujo Paralelo: Los colectores de admisin y de escape se encuentran en el mismo lado.b) Flujo Cruzado: Los colectores de admisin y de escape se encuentran en lados distintos.

El flujo paralelo incrementa las tensiones trmicas por la alternancia de zonas fras y calientes yempeora el rendimiento volumtrico por la transferencia de calor entre los colectores. Por otra parte,tiene la ventaja de tener libre uno de los lados de la culata para la colocacin de otros elementos yaccesorios.



Ilustr. 3.7.- Posibles formas de los conductos dela culata (pipas).

Ilustracin 3.8.- Distintas posiciones del rbol de levas en el motor.

La forma de los conductos, especialmente los de admisin (Ilustr. 3.7), condiciona tambin el diseode la culata. En funcin del tipo de motor existen distintos tipos de conductos:

a) Direccionales: Utilizados en la admisin de losMEP y de los MEC-IDI, tienenun coeficiente de gasto elevadoy no generan torbellino (swirl)en el flujo de admisin.

b) Helicoidales: Utilizados en la admisin de losMEC-DI, generan torbellino(swirl) en el flujo de admisin.Tienen un coeficiente de gastobajo a causa del aumento de lafriccin y de la reduccin delrea efectiva de paso.

c) De escape: En los conductos de escape, ana costa de sacrificar sucoeficiente de gasto, se alarga la gua para mejorar la refrigeracin de la vlvula.Las velocidades admisibles son superiores a las de las pipas de admisin.

5.- Tipo de distribucin.Cuando el rbol de levas se coloca en la culata, generalmente en su parte superior, deben ubicarse

sus apoyos y cojinetes y nuevos conductos de engrase (Ilustr. 3.8).

6.- Tipo de refrigeracin.La refrigeracin de la culata es uno de los factores que influyen de forma ms importante en su

diseo por ser ste uno de los elementos del motor que se ve sometido a mayores cargas trmicas. Lasopciones existentes en cuanto al tipo de refrigeracin son, al igual que para el bloque, la refrigeracinlquida y la refrigeracin por aire. La refrigeracin debe evacuar el calor de las zonas ms calientes:

L El puente de vlvulas.L Los conductos de escape.

I.4.- El pistn.


L La zona del inyector en los MEC.L La garganta de la precmara de los MEC-IDI.La refrigeracin por aire (Ilustr. 2.3) tiene serias limitaciones para motores con elevada carga

trmica. La menor efectividad de este sistema obliga a utilizar aletas de refrigeracin de aluminio.La refrigeracin lquida (Ilustr. 3.1) es ms efectiva y resulta ms adecuada para motores con altas

exigencias pero complica el diseo geomtrico de la culata al utilizar galeras por las que debe circularel refrigerante. Es importante evitar la formacin de remansos en la circulacin del refrigerante, ya queen estos puntos podran formarse burbujas de vapor que reduciran drsticamente la transmisin de calory ocasionaran aumentos locales de temperatura.

Los espesores de las paredes de las cmaras de refrigeracin de la culata deben ser estudiados concuidado. Las paredes gruesas aumentan la resistencia frente a las cargas mecnicas pero sonperjudiciales frente a las tensiones trmicas. Habr que buscar una solucin de compromiso.7.- Materiales.

El material empleado en la fabricacin de la culata debe poseer alta resistencia, bajo coeficiente dedilatacin y buena conductividad trmica. Su precio y su peso son tambin factores a tener en cuenta.La fundicin gris y las aleaciones de aluminio son los materiales empleados de forma ms habitual. Enlos MEC resulta habitual el uso de la fundicin de hierro. En los MEP se hace ms necesario el empleodel aluminio para mejorar la refrigeracin de la cmara de combustin y evitar la autoinflamacin.

4.- El pistn

4.1.- Definicin, funciones y partes.El pistn es el rgano del motor de combustin interna alternativo que acta de cierre mvil inferior

de la cmara de combustin desplazndose por el interior del cilindro. Sus funciones fundamentales son:L Transformar la energa trmica de la combustin en energa mecnica y transmitirla al siguiente

elemento de la cadena cinemtica, la biela.L Sellar inferiormente la cmara de combustin con ayuda de los segmentos.L Eliminar parte del calor no transformado en trabajo hacia el cilindro por medio de los segmentos.L Controlar la entrada de gases al cilindro y su posterior salida en los motores de 2 tiempos.L En los motores de cuatro tiempos de inyeccin directa y en los de dos tiempos es, en parte,

responsable de generar un flujo adecuado de la carga fresca en la cmara de combustin.Para desempear todas estas funciones, el pistn consta de tres partes claramente diferenciadas:L Cabeza: Es la parte superior del pistn. Se encuentra en contacto directo con la cmara de

combustin y, por lo tanto, es la zona ms cargada trmica y mecnicamente, lo que requieretratamientos trmicos y superficiales adecuados.

L Portasegmentos: Es la zona del pistn dnde se alojan los aros o segmentos. Para mejorar laspropiedades mecnicas y trmicas de esta zona se colocan insertos de materiales especialesen los alojamientos de los segmentos.

L Falda del pistn: Es la parte inferior del pistn. Se encarga del guiado del pistn, de latransmisin del calor al cilindro y de soportar los esfuerzos transversales y de friccin a losque el pistn se encuentra sometido.



Ilustr. 4.1.- Fuerzas que actan sobre el pistn.

Ilustr. 4.2.- Formas tpicas de la cabeza del pistn.

4.2.- Esfuerzos que actan sobre el pistn y factores que influyen en su diseo.Sobre el pistn actan los esfuerzos debidos a

los siguientes conceptos (Ilustr. 4.1):L Su propia inercia.L La presin en la cmara de combustin

(MEC: 80180 bar y MEP: 5090 bar).L El rozamiento, choques y la reaccin con el

cilindro.L La reaccin con la biela.L Tensiones trmicas originadas por la

combustin (Frreos: 350500C y aleacinligera 250380C).

1.- Tipo de motor.Las funciones que desempea el pistn y las

condiciones de trabajo a las que se encuentra sometido van a determinar su forma. Pero estas funcionesy condiciones de trabajo van a verse afectadas por el tipo de motor, especialmente en lo que se refierea proceso de combustin y velocidad de giro.

Por un lado, la forma de la cabezadepender del proceso de combustin queen el motor tenga lugar. Las formas mshabituales (Ilustr. 4.2) son:

L MEC-IDI y MEC-DI de bajaturbulencia: Forma plana (b, d, e).

L MEP-IDI: Forma plana oligeramente abombada (a, b, c).

L MEC-DI de alta turbulencia: Alojala precmara de combustin(Cmara Saurer) (f, g, h).

L MEP-DI: Provisto de una cuadeflectora de geometra complejaresponsable, junto con las pipas de admisin y el equipo de inyeccin, de la preparacin de lamezcla.

L Motores de 2 tiempos de admisin o barrido por crter: Disponen de una cua deflectora que seencarga de dirigir convenientemente los flujos de admisin y escape.

L En general: Cuando en las proximidades del PMS existe peligro de contacto entre las vlvulasy el pistn se labran en la cabeza cavidades especficas que lo evitan (b, d, e, f).

2.- Condiciones de trabajo.El gradiente de temperaturas existente entre la cabeza del pistn y la falda (Ilustr. 4.3), as como el

desigual reparto de material como consecuencia del moy (zona donde se aloja el buln) hacen que elperfil deba tener una geometra muy particular:

L El portasegmentos tiene forma cnica, ms estrecho en su parte superior, para compensar ladilatacin desigual que va a ocasionar la diferencia de temperatura.

I.4.- El pistn.


Ilustr. 4.3.- Temperaturas y deformaciones trmicas delpistn en funcionamiento.

Ilustracin 4.4.- Diferentes posibilidades de refrigeracin de pistones.

L El perfil de la falda es abarrilado paracompensar la dilatacin no uniforme ypara mejorar el guiado del pistn. Aveces la falda est incompleta con el finde eliminar material innecesario yconseguir reducir la masa alternativa o,incluso, con el fin de no tropezar con elcigeal en las proximidades del PMI.

L La seccin transversal del pistn es ovalo elptica con el eje mayorperpendicular al alojamiento del buln.Esto se debe a que la mayor cantidad dematerial de esta zona provoca unamayor dilatacin en esta direccin.

En definitiva, estas soluciones persiguenque la geometra del pistn se aproxime lo msposible a un cilindro cuando el motor estfuncionando.

3.- Refrigeracin.Al ser los pistones uno de los elementos

ms cargados desde el punto de vista trmicodebe tenerse previsto un sistema de refrigeracin (Ilustr. 4.4). El caso ms usual es la refrigeracin porchorros de aceite que parten desde la cabeza de la biela, desde el pie de la biela o desde alguna boquillafija situada en el bloque (a, b). No obstante, para el caso de motores diesel grandes se suele recurrir ala refrigeracin por circulacin forzada de aceite o incluso de agua en los mayores (c, d, e).

4.- Materiales.El material utilizado en la fabricacin del pistn debe cumplir, entre otros, los siguientes requisitos,

incluso cuando funcionan a una temperatura elevada:L Alta resistencia al desgaste por deslizamiento, al rayado y al gripado.L Resistencia mecnica esttica y a la fatiga.L Conductividad trmica elevada.L Estabilidad dimensional y dilatacin trmica controlada.L Bajo peso especfico.L Maquinabilidad.



Antiguamente el material ms utilizado para la fabricacin de pistones era la fundicin de hierro. Estematerial es el usado habitualmente en los cilindros y, por ello, ambos elementos tienen el mismocoeficiente de dilatacin, lo que supone una ventaja importante. Actualmente, el uso de aleacionesligeras que consiguen reducir su masa e inercia se ha generalizado. No obstante, este material presentados inconvenientes:

L Menor resistencia trmica y mecnica.L Coeficiente de dilatacin 1.5 veces superior al del bloque si ste ltimo es de fundicin de hierro.Estos inconvenientes obligan a adoptar ciertas medidas especiales que complican el diseo (los dos

primeros no sern necesarios cuando se usen bloques de aleacin ligera):L Aumentar las holguras entre cilindro y pistn - Aumenta el ruido.L Colocar anillos de expansin controlada, que impiden parcialmente la dilatacin radial del pistn.L Aplicar tratamientos trmicos y superficiales que eviten un desgaste prematuro o el agrietamiento.L Colocar piezas postizas de acero sinterizado o materiales cermicos en las zonas ms cargadas

trmica o mecnicamente (cmara Saurer o alojamiento del primer segmento).

5.- Los segmentos.

5.1.- Definicin y funciones.Los segmentos, tambin llamados aros por su forma, son los elementos que se encargan de garantizar

la estanqueidad entre el pistn y el cilindro, separando as la cmara de combustin del crter. Susmisiones fundamentales son:

L Hermetizar la cmara de combustin: impedir el paso de los gases de combustin al crter y delaceite lubricante a la cmara de combustin.

L Transmitir calor desde el pistn al cilindro.

La forma de los segmentos, anillo abierto, garantiza la presin uniforme sobre las paredes delcilindro. Cuando el motor se encuentra en funcionamiento, la ranura del segmento se debe cerrar casipor completo pero nunca totalmente para evitar el gripado.

5.2.- Tipos.

Los segmentos se clasifican en funcin de su finalidad y/o de su forma, aspectos que estnntimamente ligados (Tabla 5.1):

L De compresin o estanqueidad: Garantizan la hermeticidad de los gases de la cmara decombustin. La forma de su seccin tiene fines especficos como reducir el consumo de aceite,disminuir el tiempo de rodaje, disminuir el paso de gases al crter (soplo del motor), etc. Formashabituales son: rectangular, trapecial, de periferia cnica, rascador, abarrilado, torsional etc.

L De engrase: Garantizan la hermeticidad del aceite del crter. Su finalidad es recoger el aceitedepositado en las paredes del cilindro y, a travs de unos orificios que comunican con el crter,conducirlo a l. A veces, para aumentar la presin de contacto con el cilindro llevan en su interiorun muelle helicoidal que los empuja contra la pared del mismo. La forma de su seccin difierede los segmentos de compresin por el distinto cometido que tienen encomendado.

I.5.- Los segmentos.


FORMA TIPO NOMBRECANAL DE COLOCACIN EN EL PISTN

MEP-2T MEP-4T MEC-IDI MEC-DI

COMPRESIN RECTANGULAR 1, 2 1 1 1

COMPRESIN PERIFERIA CNICA 2 2 2

COMPRESIN TRAPECIAL 1 1

COMPRESIN TORSIONAL 1 1

COMPRESIN CNICO - TORSIONAL 2

COMPRESIN TORSIONAL 1

COMPRESIN RASCADOR 2 2 2

ENGRASECON EXPANSOR

HELICOIDAL Y CONLUMBRERAS

3 3 3

ENGRASE TRES PIEZAS DE ACERO 3

Tabla 5.1.- Formas, tipos, denominaciones y utilizacin de los tipos de segmentos ms usuales.

5.3.- Materiales.

Los materiales empleados para la fabricacin de los segmentos deben tener las siguientescaractersticas:

L Buenas cualidades de deslizamiento, incluso con engrase precario.L Buen comportamiento elstico, incluso a alta temperatura.L Alta conductividad trmica.L Elevada resistencia al desgaste y a la rotura.L Estabilidad trmica.L Fcil mecanizado.

Por todo ello se suele utilizar acero o fundiciones grises con grafito laminar y esferoidal, con unposterior tratamiento trmico para reducir su coeficiente de rozamiento. Tambin se les suele dar unbao de Cromo o Molibdeno para aumentar su resistencia al desgaste o abrasin.



Ilustr. 6.1.- Sistemas de anclaje delbuln a la biela y al pistn.

Ilustr. 7.1.- Partes de la biela.

6.- El buln.

6.1.- Definicin y tipos.El buln es el elemento que sirve de unin y transmite los

esfuerzos entre el pistn y la biela. Este elemento se calcula aflexin y a fatiga y sus dimensiones estn muy relacionadas conel tipo de motor y con el dimetro del cilindro.

El tipo de fijacin del buln a la biela y al pistn (Ilustr. 6.1)viene condicionado por la presin de contacto entre el pistn yel buln. As, las configuraciones ms habituales son:

L Buln flotante en biela y pistn (a): Utilizado en motoresmuy cargados (MEC y MEP-2T).

L Buln fijo a biela y flotante en pistn (b): Utilizado enmotores menos cargados (MEP-4T).

L Buln fijo a pistn y flotante en biela: Menos usado.

6.2.- Materiales.

Los bulones son elementos que requieren gran durezasuperficial pues deben trabajar en condiciones de lubricacinprecaria y, en consecuencia, se ven sometidos a una friccinimportante. Por otro lado, el ncleo debe tener una elevadaresistencia y mdulo elstico para soportar los importantes esfuerzos que debe transmitir. El acero alCr-Ni cementado cumple muy bien con dichas especificaciones aunque tambin es comn el uso deacero con alto contenido de carbono con tratamiento de bonificado y temple superficial.

7.- La biela.

7.1.- Definicin, partes y esfuerzos que soporta.La biela es el elemento encargado de transmitir al cigeal los

esfuerzos generados por la combustin sobre el pistn, para que elcigeal termine convirtiendo el movimiento alternativo del pistn enrotativo. La biela est compuesta por tres partes bsicas:

L Cabeza de la biela: Extremo ms ancho de la biela por dndese realiza la unin al cigeal.

L Cuerpo de la biela o caa: Parte central que sirve para conectarla cabeza y el pie de biela. Tiene forma de doble T parasoportar adecuadamente el pandeo y se fabrica con grandesradios de acuerdo para evitar la concentracin de tensiones.

L Pie de biela: Extremo ms estrecho de la biela por dnde seune al pistn a travs del buln.

I.7.- La biela.


Ilustr. 7.2.- Esfuerzos que actan sobre la biela.

Los esfuerzos ms importantes que la biela soportase enuncian a continuacin:

L La combustin de los gases origina esfuerzos decompresin importantes. Por tratarse de unapieza esbelta el clculo a pandeo resulta vital.

L La aceleracin longitudinal del conjunto biela-pistn, especialmente en las proximidades delPMS de escape, somete a la biela a esfuerzos detraccin considerables como consecuencia de lainercia del conjunto.

L La aceleracin transversal de la biela,especialmente en la zona central de la carrera,somete a la biela a esfuerzos de flexinconsiderables como consecuencia de su inercia.

La combinacin de estas fuerzas se traduce en quela biela trabaja a traccin-compresin de forma alternativa, combinados con esfuerzos de flexin quepueden aumentar el problema del pandeo. La seccin de la caa se disear persiguiendo obtener laresistencia suficiente con la mnima masa, para as disminuir la inercia. Por la forma de trabajo de labiela se puede adivinar que el estudio a fatiga resulta primordial.

7.2.- Factores que influyen en el diseo de la biela.La eleccin de un tipo de biela u otro vendr dada, lgicamente, por el tipo de motor. Su diseo debe

ser acorde con las solicitaciones a las que se ve sometida procurando, adems, un coste de fabricacinbajo. Tres aspectos importantes a tener en cuenta a la hora del diseo son:1.- Material.

Los materiales utilizados en la fabricacin de las bielas son fundamentalmente:L Aceros aleados y aceros al carbono: Es el material ms resistente aunque presenta como

contrapartida su elevado peso. Se fabrican por forja.L Fundicin nodular: Las bielas de fundicin tienen la ventaja de ser las ms baratas aunque su

resistencia menor y su peso igual o superior a las de acero. Se fabrican por fundicin en moldesde arena.

L Aleaciones ligeras: Este material tiene menor resistencia y mayor coste que los anteriores perosu menor densidad reduce inercias y las hace idneas para motores que giran a alta velocidad. Sufabricacin tambin es por fundicin.

2.- Forma de particin de la cabeza de biela.La particin de la cabeza de la biela viene condicionada por criterios de montaje y desmontaje. As,

cuando el ancho de la cabeza de biela es mayor que el dimetro del cilindro, es necesario realizar unaparticin inclinada si se pretende desmontar el pistn sin desmontar el cigeal. Por ello, la particinde la cabeza de la biela puede realizarse de dos formas diferentes:

L Particin recta: Se utiliza cuando el tamao de la cabeza de la biela no impide su desmontaje atravs del cilindro (Ilustr. 7.1).



Ilustr. 7.3.- Particin de la cabeza de biela.

Ilustr. 7.4.- Pie de biela trapecial.

L Particin oblicua: Se utiliza en el caso de quela cabeza de la biela no pueda pasar a travsdel cilindro. Este tipo de particin obliga almecanizado de dentados en la superficie deasiento de ambas partes evitando as eldeslizamiento de las mismas (Ilustr. 7.3).

3.- Forma de ejecucin del pie de biela.La forma del pie de biela resulta fundamental pues

de ella depende la magnitud de las tensiones decontacto entre los distintos elementos del conjuntopistn-buln-biela. En funcin de la carga mecnicadel motor, el pie de biela puede adoptar dos formas:

L Pie de biela recto: El utilizado en aplicacionesno demasiado cargadas mecnicamente.

L Pie de biela trapecial: Se emplea en motoressobrealimentados sometidos a elevadaspresiones de combustin. Persigue reducir lastensiones mecnicas originadas por lacombustin, aumentando el rea detransmisin del esfuerzo tanto entre el pistn yel buln como entre el buln y la biela.Tambin se consigue disminuir la flexin delbuln al aplicar el pistn ms centradas lasfuerzas.

4.- Disposicin de los cilindros y tipo de motor.La biela puede adoptar una geometra peculiar

cuando se trata de motores en los que una muequilladel cigeal debe servir de soporte a varias cabezasde biela (motores con cilindros en V o enestrella) (Ilustr. 7.5):

L Biela maestra y bieleta: Muy utilizada en losmotores en V y en estrella. La biela principallleva en su parte lateral, junto a la cabeza, elalojamiento para un buln que permite suconexin con una bieleta de la que recibir los esfuerzos de otro cilindro. Tiene comopeculiaridad que las carreras de los pistones que conectan son distintas (Ilustr. 7.5).

L Montaje en horquilla: En este caso, el punto de anclaje de ambas bielas se desplaza al eje de lacabeza por lo que la carrera que determinan es idntica. La biela principal dispone en la zona dela cabeza de un casquillo cilndrico que sobresale y que sirve de buln de conexin con la otrabiela, que tiene forma de horquilla para mantener el mismo plano de giro (Ilustr. 7.5).

L Bielas gemelas: Son bielas idnticas que se colocan una a continuacin de la otra sobre la mismamuequilla del cigeal. Este sistema hace que los planos de rotacin de ambas bielas seencuentren ligeramente desplazados, aumentando as la longitud del bloque.

I.8.- El cigeal.


Ilustracin 7.5.- Tipos de bielas utilizados en los motores en V y en estrella.

Ilustr. 8.1.- Cigeal de un MEP-4T de 4 cilindros.

8.- El cigeal.

8.1.- Definicin, partes y esfuerzos que soporta.El cigeal es el elemento que transforma,

en ltima instancia, el movimiento rectilneoalternativo del pistn en rotativo. De igualforma, el esfuerzo lineal recibido del pistna travs de la biela queda convertido en unpar, conocido como Par motor.

Se puede decir que el cigeal es una vigacontinua simplemente apoyada en n puntoscon una serie de codos decalados entre s uncierto ngulo en el que pueden diferenciarselas siguientes partes (Ilustr. 8.1):

L Muequillas: Zonas cilndricas por dnde se conectan las bielas.L Apoyos: Zonas cilndricas que sirven de apoyo y de puntos de transmisin de fuerzas a la bancada.L Palas: Placas que unen las muequillas con los apoyos.L Contrapesos: Las masas que, a modo de prolongacin de las palas, sirven para equilibrar

dinmicamente el conjunto pistn-buln-biela-cigeal. Pueden ser integrales o postizos(atornillados).

El cigeal soporta distintos esfuerzos:L Fuerzas transmitidas por las bielas: Las debidas a la combustin y las fuerzas de inercia del

conjunto pistn-buln-biela.L Fuerzas debidas al propio cigeal: Las de inercia y las causadas por las vibraciones torsionales.L Otros: Momentos aplicados por el accionamiento de elementos auxiliares (distribucin, bomba

de aceite, bomba de inyeccin, etc.).



Ilustracin 8.2.- Operaciones de mecanizado y tratamiento superficial de los apoyos, muequillas y acuerdos.

La composicin de estos esfuerzos hace que el cigeal trabaje a flexin y torsin combinadas. Noobstante, debido al carcter alternante de los esfuerzos que intervienen, su clculo se hace a fatiga. Elestudio dinmico conduce a la determinacin de las velocidades de rotacin para las que el cigealentra en resonancia. Dichas velocidades crticas deben estar lejos de las de funcionamiento normaldel motor.

8.2.- Alternativas de ejecucin.Hoy en da hay tambin se pueden obtener por fundicin y se deben tener en cuenta los siguientespuntos:

L Proceso de fabricacin: La fabricacin por forja en fro y/o en caliente es el sistema defabricacin que permite obtener las mejores propiedades mecnicas del cigeal aunque tambinel de mayor coste. La fabricacin de cigeales forjados en motores de 2 4 cilindros esrelativamente sencilla, pero cuando es mayor el nmero de cilindros el proceso se complica al noestar todos los codos sobre el mismo plano. Para cigeales no demasiado cargados o degeometra compleja, el uso de la fundicin resulta ms econmico y ms verstil. Tanto para loscigeales forjados como para los fundidos, las muequillas y los apoyos son finalmentemecanizados y tratados.

L Materiales: Para cigeales forjados se suele utilizar aceros aleados con Cr-Mo, con Cr-Mn o conCr-Ni-Mo. Mientras que en los fundidos es la fundicin con grafito esferoidal la ms adecuada.

L Tratamientos: Tras mecanizar los apoyos, muequillas y radios de acuerdo se les debe de daralgn tipo de tratamiento para aumentar su resistencia mecnica y dureza. El temple por induccin(Ilustr. 8.2.c) o la nitruracin son soluciones habituales. No obstante, despus del temple se deberealizar un rectificado de la superficie y despus de la nitruracin, un pulido.

L Realizacin de los radios de acuerdo (Ilustr. 8.2.a-b): Los radios de acuerdo entre lasmuequillas o los apoyos y las palas tienen una importancia vital en la resistencia mecnica a lafatiga del cigeal. Por ello, la dureza y el acabado superficial de estos radios debern seradecuados. Estos acuerdos pueden fabricarse mediante rectificado o bien mediante rulinado. Elrulinado es un proceso de conformacin por deformacin en fro (forja) en el que unos rodilloscon forma llamadosrulinas consiguen un acabado superficial de calidad.

I.9.- Los cojinetes.


Ilustr. 8.3.- Cigeal de un motor de 6 cilindros con 7 apoyos.

L Nmero de apoyos: Los MEP de altasprestaciones y los MEC llevan n+1apoyos, siendo n el nmero demuequillas, esto es, llevan un apoyointercalado entre cada dosmu e q u i l l a s ( I l u s t r . 8 . 3 ) .Habitualmente, los MEP llevan n/2 +1 apoyos, es decir, el apoyo vaintercalado entre cada dos parejas demuequillas (Ilustr. 8.1). La relacinentre el nmero de apoyos y el nmero de muequillas viene condicionado por la carga mecnicatransmitida por las bielas al cigeal. Por ello, los motores diesel, cuya presin de combustines mayor, utilizan mayor nmero de apoyos.

9.- Los cojinetes.9.1.- Definicin, propiedades y partes.

Los cojinetes son las piezas que se interponen entre los elementos del motor que tienen entre smovimiento relativo rotativo u oscilante, con el fin de reducir el rozamiento. Para su funcionamientorequieren lubricacin hidrodinmica (Ilustr. 9.1.a). Deben poseer las siguientes propiedades:

L Resistencia mecnica, fundamentalmente a fatiga.L Deformabilidad: Capacidad de deformarse para adaptarse a la forma del eje.L Embebilidad: Capacidad para embeber pequeas partculas de polvo o virutas que puedan daar

al cigeal.L Compatibilidad: Dificultad para formar soldadura con sus ejes.L Resistencia a la corrosin: Capacidad de soportar los contaminantes qumicos del aceite.L Resistencia a la alta temperatura: Su temperatura de funcionamiento alcanza los 150C.L Alta conductividad trmica: Permite evacuar el calor generado por la friccin viscosa y evita su

calentamiento.

En general, los cojinetes o semicojinetes tienen dos partes claramente diferenciadas (Ilustr. 9.1.b,c):L Soporte o tejuelo: Es la parte estructural de la pieza y sirve para soportar el material antifriccin.L Material antifriccin: Se deposita sobre el tejuelo por fusin o sinterizado y, al ser la parte que

est en contacto con el eje, es la que confiere las propiedades caractersticas al cojinete. Estformada por una o varias capas de materiales (cojinetes bimetlicos o trimetlicos) para que elconjunto posea las propiedades anteriormente mencionadas. La unin de las distintas capas serealiza mediante una microcapa de nquel que aumenta la adherencia y evita la difusin del estaode la capa de rodadura.

Nota: La menor resistencia a la fatiga y la posibilidad de rotura repentina de los rodamientos haceque su uso en los MCIA quede restringido a aquellas aplicaciones que carecen de engrase apresin. As, los pequeos motores de 2T cuyo engrase se realiza por mezcla con elcombustible, no usan cojinetes.



Ilustracin 9.1.- Perfil de presiones, forma y estructura de un semicojinete.

Ilustr. 9.2.- Cojinetes utilizados por un MCIA.

9.2.- Materiales.

El soporte o tejuelo est fabricado con acero suave. En lo que se refiere al material antifriccinexisten varias posibilidades:

L Metal blanco: Aleaciones a base de plomo, estao y cobre, siendo alguno de los primeros elcomponente principal. Actualmente estn en desuso por su baja capacidad de carga.

L Cupro-plomo: No son aleaciones, son mezclas en las que el cobre forma una matriz porosa quealoja al plomo en sus intersticios. Se pretende unir la resistencia mecnica del cobre con laspropiedades antifriccin del plomo. El inconveniente de esta mezcla es la tendencia al gripaje yla tendencia a la corrosin del plomo, motivos por los cuales se suele recubrir con una capa demetal blanco (capa de rodadura). Dentro de este grupo se encuentran tambin los bronce-plomoscon porcentajes considerables de estao.

L Aleacin de aluminio: Aunque tienen menor resistencia mecnica que los cupro-plomos nonecesitan de la incorporacin de la capa de metal blanco (bimetlicos). Son tpicas las aleacionescon Al-Sn o Al-Si aunque esta ltima necesita recubrimiento con metal blanco.

9.3.- Forma.

Los cojinetes pueden clasificarse segnlos esfuerzos que deben soportar y segn suforma del siguiente modo (Ilustr. 9.2):

L Axiales: Cuando la componenteprincipal del esfuerzo a soportartiene la direccin del eje. Tienenforma de corona circular si sonenterizos o de semicorona si sonpartidos (p.e. los cojinetes axialesdel cigeal).

L Radiales: Cuando la componenteprincipal del esfuerzo a soportar tiene la direccin perpendicular al eje. Tienen forma de cilindrosi son enterizos (los del rbol de levas) o de semicilindros si son partidos, caso ms habitual (losde bancada).

10.- La distribucin.

I.10.- La distribucin.


Ilustr. 10.1.- Disposiciones de la distribucin.

10.1.- Definicin y funciones.El funcionamiento de los MCIA exige la introduccin a la cmara de combustin del aire, la

compresin y combustin de la mezcla y por ltimo, la expulsin de los gases quemados. La distribucines, precisamente, el conjunto de mecanismos o dispositivos que regulan la entrada de los gases a lacmara de combustin y su posterior salida. Para ello las vlvulas que controlan la entrada y salida dela cmara deben abrir y cerrar en el momento oportuno de forma fiable y silenciosa y con un desgastey consumo de potencia reducidos.

El accionamiento de las vlvulas se hace desde el cigeal a travs de ciertos elementos intermedios,por ello, su movimiento estar sincronizado con el del cigeal y, en consecuencia, con el de lospistones. Este sincronismo permite:

L La entrada de los gases frescos al cilindro cuando el pistn desciende en su carrera de admisin.L La estanqueidad de la cmara de combustin cuando el pistn asciende a lo largo de la carrera

de compresin y cuando el pistn desciende durante la carrera de expansin.L La salida de los gases quemados al ascender de nuevo el mbolo, durante la carrera de escape.

10.2.- Factores que influyen en el diseo de la distribucin.El diseo de la distribucin condiciona aspectos importantes del motor como la mxima velocidad

de giro, el rendimiento volumtrico, el tamao, el peso, la sonoridad, etc. Esencialmente depende de:L La disposicin del rbol de levas (en bloque OHV o en culata OHC).L El tipo de accionamiento (correa, cadena o engranajes).L El nmero y la disposicin de las vlvulas (longitudinales al eje del motor, en ngulo, etc.).En el diseo de la distribucin tiene gran importancia la inercia de los distintos componentes que la

forman. As, cada elemento se comporta dentro de la cadena dinmica como un muelle cuyadeformacin puede originar desfases en el movimiento. Adems, el calentamiento de algunos elementosdel sistema provoca dilataciones que, con un mal diseo, pueden ocasionar un mal funcionamiento.

1.- Disposicin del rbol de levas.Al disear la distribucin se tiende a acercar en

lo posible el rbol de levas a las vlvulas, lo quepermite reducir las masas en movimientoalternativo y aumentar su rigidez total. Lasdeformaciones elsticas que tienen lugar en cadaciclo en las distintas piezas del accionamientooriginan vibraciones que perturban el normalfuncionamiento del sistema, desplazan eldiagrama de distribucin e incluso puedenoriginar la desconexin cinemtica entre ellas. Elaumento de la velocidad de giro acrecienta estosproblemas y obliga a aumentar la rigidez de losresortes y/o de todo el sistema en su conjunto.



Ilustr. 10.2.- Esquema de la distribucin por correa.

A partir de lo anterior se comprende que cuando los motores giran a altas velocidades se haganecesario el empleo del rbol de levas en cabeza. Esta disposicin reduce el nmero de componentesintermedios y, en consecuencia, aumenta la rigidez del sistema y disminuye la masa, responsable de losefectos dinmicos.

Las configuraciones ms habituales de la distribucin, atendiendo a la posicin del rbol de levas sonlas que figuran en la ilustracin 10.1:

a) rbol de levas en culata (OHC) que acta sobre la vlvula por medio de un empujador. b,c) rbol de levas en culata (OHC) que acta directamente sobre el balancn que mueve la vlvula.

d) rbol de levas en culata (OHC) que acta, a travs de un empujador, sobre el balancn que muevela vlvula.

e) rbol de levas en bloque (OHV), idntico al anterior, pero el empujador acta sobre el balancna travs de una varilla.

Disposicin OHV OHC

Rigidez media / baja altaMasa media / alta baja

Altura motor baja altaVelocidad mxima media / baja alta

Tabla 10.1.- Comparacin de las disposiciones de rbol de levas en bloque y en culata.

2.- Tipo del accionamiento.El accionamiento es el conjunto de mecanismos que transmiten el movimiento desde el cigeal al

rbol de levas y a la bomba de inyeccin de los MEC o al distribuidor del los MEP. La relacin detransmisin de este accionamiento es , debido a que el movimiento de las vlvulas, la inyeccin decombustible en los motores diesel o el salto de la chispa en los de gasolina tiene lugar una vez por cicloo, lo que es lo mismo, una vez cada dos vueltas de cigeal. El accionamiento puede realizarsemediante:

L Correa: (Ilustr. 10.2) Se trata de unacorrea dentada de neopreno, reforzadacon cables de polister interiormente ycon un recubrimiento de nylon que reducela friccin e incrementa la resistencia aldesgaste. Tiene una aplicacin similar a lacadena. No precisa lubricacin y es unmecanismo ms silencioso aunque escapaz de transmitir menos potencia.

L Cadena: (Ilustr. 2.3) Cuando el rbol delevas est dispuesto en la zona alta delbloque o en la culata, el empleo de lacadena es frecuente. El funcionamiento esms silencioso que con engranajes. Coneste montaje, la precisin en la distancia entre los centros de los ejes no precisa ser tan alta como



Ilustr. 10.3.- Componentes de la distribucin.

en el caso del accionamiento por engranajes. Por otro lado, la cadena va provista de un tensor quecompensa el desgaste y la elongacin que el conjunto adquiere con el funcionamiento. Resultacomn el uso de cadenas de rodillos y, con menos frecuencia, cadenas dentadas. stas ltimas sonms silenciosas que las de rodillos y se suelen emplear con pequeas distancias entre centros.

L Engranajes: (Ilustr. 3.8) Se utilizan cuando la distancia entre el cigeal y el rbol de levas espequea. A medida que aumenta esta distancia aumenta la dificultad para conseguir laconcentricidad de los engranajes y aumenta el ruido. Este sistema requiere reducir la toleranciade mecanizado de la distancia entre ejes. El uso del dentado helicoidal reduce el ruido.

Accionamiento CORREA CADENA ENGRANAJES

Potencia transmisible baja / media media / elevada elevadaVida cambios peridicos media vida del motor similar al motor

Mantenimiento sustitucin lubricacin lubricacin

Ruido bajo medio / bajo medio / altoCoste bajo medio alto

Tabla 10.2.- Comparacin de los distintos tipos de accionamiento

3.- Disposicin de las vlvulas.Dependiendo de la forma de la cmara de combustin y del tipo de motor, las vlvulas se colocan

paralelas al eje del motor pero con distintas configuraciones:L En una sola fila (Ilustrs. 3.2, 3.8), con o sin inclinacin vertical.L En dos filas (Ilustr. 3.1), con o sin inclinacin vertical (habitual en motores multivlvula). Esta

disposicin suele ir combinada con el uso de dos rboles de levas en cabeza (DOHC).

10.3.- Componentes de la distribucin.

1.- rbol de levas:Las levas son los elementos mecnicos que

regulan la apertura y cierre de las vlvulassegn una ley que depende de lascaractersticas del motor. En la leva sedistinguen dos partes: una circular crculobase que se corresponde con el tramo ADCde la leva en la ilustracin 10.3 y otra lobuladaperfil activoque se corresponde con el tramoABC de la leva en la ilustracin 10.3. Cuandocontacta con el siguiente elemento de lacadena cinemtica, el empujador, por la zonadel crculo base, no transmite movimiento y lavlvula no se mueve. Cuando acta el perfilactivo, transmite movimiento hacia la vlvulaoriginando su apertura o cierre.



Ilustr. 10.4.- Tipos de empujadores o taqus.

Para que la apertura y el cierre de las diferentes vlvulas se realice en el momento oportuno esnecesario sincronizar el movimiento de las levas y el cigeal. El rbol de levas es el eje donde se sitanlas levas convenientemente decaladas para que se produzca la sincronizacin. El rbol dispone de doslevas por cada cilindro del motor ya que una controla la admisin y la otra el escape. Dependiendo dela disposicin de las vlvulas puede hacerse necesario el uso de dos rboles de levas por fila de cilindros(Ilustr. 10.2). El rbol de levas suele incorporar el accionamiento de la bomba de aceite y deldistribuidor de los MEP (Ilustr. 9.2). Intercalados entre las levas se encuentran los apoyos que,convenientemente lubricados, permiten transmitir las reacciones a la culata o al bloque. En el caso derbol en bloque, el radio de los apoyos debe ser mayor al de la cresta de la leva para que sta puedapasar por los alojamientos en el proceso de montaje.

Las levas, en general, se forjan o se funden junto con el eje. ste debe poseer gran rigidez yresistencia para absorber los esfuerzos flectores y de torsin, as como las vibraciones defuncionamiento. El material utilizado en los rboles fundidos es fundicin gris por su bajo precio yresistencia al desgaste. La periferia de las levas y apoyos deben recibir un tratamiento trmico o decementado para aumentar la resistencia al desgaste e incluso a veces se fabrican con una capa defundicin blanca.

2.- Empujadores o taqus.Los empujadores estn en contacto con las

levas y convierten su rotacin en unmovimiento de traslacin, transmitindolo alsiguiente componente de la distribucin,varilla, balancn o vlvula segn el caso.Pueden tener distintas formas constructivas enfuncin de su ubicacin y del espaciodisponible siendo las ms comunes la tiposeta y la tipo vaso. Aunque a simple vistaparece plana, la superficie de contacto deltaqu con la leva es esfrica para evitar desgastes locales por defectos de fabricacin.

El eje longitudinal del empujador suele estar desplazado respecto del eje de simetra de la leva. Poresta razn, durante el funcionamiento se produce una rotacin del empujador que asegura un desgasteuniforme de las superficies de contacto.

Existe un tipo especial de empujadores, los hidrulicos, que utilizando el aceite del motor consigueneliminar las holguras de funcionamiento de la distribucin en cada ciclo del motor. Su funcionamientose basa en que durante el periodo de reposo del taqu y, por el efecto de la presin del aceite del circuitode engrase, se separan dos cilindros deslizantes hasta eliminar las holguras existentes entre las distintaspiezas. La existencia de una vlvula antirretorno impide que el aceite se salga de la cmara de presintras una parada del motor o al comienzo del desplazamiento. Con los taqus hidrulicos se eliminan loschoques de contacto entre piezas, los rebotes, el mantenimiento peridico y, adems, se reduce el ruido.

Los taqus se suelen fabricar de acero con las zonas de contacto y deslizamiento cementadas o defundicin gris, aleada o no, con zonas de contacto y deslizamiento templadas o de fundicin blanca. Encasos especiales se puede recurrir al uso de materiales especiales soldados para las zonas ms cargadaso, incluso, a la incorporacin de un rodillo seguidor. En cualquier caso el material debe estar elegidoen funcin del material de las levas.



Ilustr. 10.5.- Diferentes tipos de varillas.

Ilustr. 10.6.- Vlvulas huecas.

3.- Varillas.Este componente se u t i l iza

exclusivamente en los motores OHV. Sufuncin es transmitir el movimiento de losempujadores al balancn (Ilustr. 10.5). Suconstruccin puede ser de acero macizo conextremos tratados trmicamente (c) o tubularde aleacin de aluminio con extremospostizos de acero endurecido (a-b).

La esbeltez de las varillas les hace ser unode los elementos ms flexibles de ladistribucin, de hecho, son responsablesaproximadamente del 55% de la deformacintotal del sistema. Para minimizar el problema debe tratarse de reducir su longitud al mximo y de reducirsu masa. Las de tipo tubular son ventajosas pues, a pesar de ser menos resistentes, su masa provocaefectos dinmicos menores.

4.- Balancines.El balancn es una palanca que permite amplificar el levantamiento determinado por la leva en

funcin de la relacin de sus brazos (Ilustr. 10.1). Valores del 150% son habituales. Conseguirlevantamientos en vlvula importantes con levas de altura reducida conlleva una serie de ventajas siendolas ms importantes la reduccin de los efectos dinmicos y la de velocidades de deslizamiento. As, losmotores OHC que no usan balancines necesitan aumentar la altura de la leva.

Los balancines de dos brazos (tpicos de los motores OHV) van todos montados sobre un eje comndescentrado que les permite girar. Los de un brazo (tpicos de los motores OHC) son independientes ypueden pivotar respecto un extremo. Tanto los de un tipo como los de otro deben llevar algn dispositivoque permita regular la holgura total del conjunto a no ser que el motor utilice empujadores hidrulicos.El sistema ms utilizado es el de tornillo y contratuerca aunque existen otros.

Los balancines se fabrican habitualmente por estampacin. La zona que acta sobre la vlvula(martillo) y, en su caso, la zona de contacto con el rbol de levas se ven sometidas a deslizamientocombinado con altas presiones de contacto, por lo que necesitan superficies perfectamente mecanizadasy endurecidas para disminuir la posibilidad de gripajes y desgastes prematuros. Actualmente en estaszonas se tiende a incorporar insertos de materiales sinterizados, muchoms resistentes al desgaste que los aceros ordinarios.

5.- Vlvulas.Son los elementos encargados de la apertura y cierre de los

conductos de admisin y escape. Las vlvulas utilizadas actualmente enla casi totalidad de los motores son las llamadas vlvulas de plato quepresentan rea de paso y coeficiente de gasto elevados y un coste defabricacin reducido aunque su capacidad de refrigeracin es baja. Eneste tipo de vlvulas pueden distinguirse dos partes (Ilustr. 10.6):

L Pie o vstago: Es la parte recta responsable del guiado y de lasujecin de la vlvula. Su longitud depende en gran medida de laaltura de la culata y de la longitud del resorte.



Ilustr. 10.7.- Vlvula de escape conrefrigeracin lquida.

L Cabeza: Es la parte circular sobre la que se mecaniza la superficie cnica de cierre y que, juntocon el asiento mecanizado en la culata, forma una junta estanca.

Algunos de los aspectos importantes que se deben determinar en el momento del diseo son:L El ngulo de asiento.L rea de paso de la vlvula.L El material a utilizar.La importancia del ngulo de asiento reside en que, a medida que aumenta, mejora el cierre por

aumentar el efecto de enclavamiento, mejora el coeficiente de gasto por la menor deflexin del flujopero empeora el rea de paso que es casi proporcional al coseno del ngulo. Son valores habituales 30para la vlvula de admisin y 45 para la de escape.

El valor del rea de paso tiene gran importancia por afectar directamente al rendimiento volumtrico,parmetro que mide la efectividad de la renovacin de la carga. A mayor rea de paso menor velocidadde paso y mejor coeficiente de gasto. Son valores mximos para las velocidades de admisin y escape60 y 100 m/s respectivamente. El rea de paso de una vlvula depende de su levantamiento mximo yde su dimetro estando el cociente de estos parmetros, L/D, comprendido entre valores de 0.20 y 0.35.Valores mayores no hacen crecer sensiblemente el coeficiente de gasto y aumentar los problemas deinercia del sistema.

Por ltimo, el material que se debe utilizar en la fabricacin delas vlvulas debe decidirse en funcin de las condiciones detrabajo tan particulares de estos componentes. Las vlvulas seencuentran sometidas, por un lado, a una carga mecnica percusivaconsiderable y, por otro lado, a una importante carga trmica,particularmente en la vlvula de escape que trabaja en torno a los700 C. Adems, la composicin de los gases de escape combinadacon sus altas temperaturas le dotan de una capacidad corrosivaconsiderable. La evacuacin del calor se hace parte por el asiento(.75%), parte por la gua y una pequea parte por los gases dealrededor. Por lo anterior, el material utilizado en la construccinde vlvulas debe cumplir, entre otros, los siguientes requisitos:

L Capacidad de soportar altas temperaturas.L Tenacidad en presencia de entallas.L Resistencia a la corrosin.L Resistencia a la formacin de cascarilla.L Resistencia al desgaste.L Conductividad trmica elevada.Se suelen emplear aceros aleados con Cr, Ni, Si, etc. con estructura martenstica o austentica. Los

primeros presentan buena conductividad trmica pero menor resistencia a altas temperaturas por lo quese utilizan en las vlvulas de admisin o el pie de las de escape. Los segundos tienen mejor resistenciaa la corrosin, al impacto y a las altas temperaturas aunque su peor conductividad hace que slo seutilicen en la cabeza de las vlvulas de escape, utilizando en el vstago un acero martenstico y soldandoambas partes por friccin. El extremo del vstago, donde acta el balancn o el empujador, est sometidoa elevados esfuerzos de compresin y rozamiento, por lo que se suele reforzar por temple. En ocasiones,en el asiento de la cabeza de vlvula se aporta un blindaje de metal duro (MEC: Stellite o MEP:Eatonite).



Ilustr. 10.8.- Funcionamiento de un rotador de vlvulas.

Para reducir el problema de refrigeracin de la vlvula se pueden utilizar vlvulas huecas semillenasde sodio que transmiten calor hacia el pie, mejorando la refrigeracin (Ilustr. 10.6). Las vlvulas deescape de los grandes motores diesel pueden ser refrigeradas mediante una corriente lquida forzada(Ilustr. 10.7).6.- Tapa de muelles y semiconos.

La tapa de muelles es la pieza que, colocada en el extremo superior del vstago de la vlvula, letransmite los esfuerzos del muelle a travs de una pieza cnica partida, los semiconos. Adems, tienecomo misin mantener el o los resortes en posicin correcta.

Los semiconos tienenexteriormente forma cnicainvertida para acoplar en elorificio cnico de la tapa demuelles. La forma interior escilndrica con uno o variossalientes en forma de collary acopla perfectamente en elvstago de la vlvula quelleva mecanizadas unasacanaladuras para alojar loscollares de los semiconos. A mayor nmero de ranuras y collares, mejor reparto del esfuerzo. El conoslo transmite fuerza en la direccin en que la ejerce el resorte. Segn estos semiconos comprendan unarco igual o menor de 180 grados, el montaje vlvula-tapa de muelles ser fijo o flotanterespectivamente. En este ltimo caso se produce el giro de la vlvula durante el funcionamiento delmotor con las ventajas que ello conlleva en cuanto a desgastes y estanqueidad. Los llamados rotadores(Ilustr. 10.8) obligan a la vlvula a girar un ngulo determinado mediante un mecanismo de trinquete,cada vez que sta abre y cierra.

7.- Asientos de vlvula.El asiento de vlvula es el elemento de la culata donde apoya la vlvula cuando se produce el cierre.

Puede estar mecanizado directamente sobre la culata o bien sobre un anillo postizo de acero sinterizadoque se monta por interferencia en un alojamiento mecanizado en la culata. En este ltimo caso hay quecuidar el centrado del postizo para asegurar una buena alineacin de su eje con el de la gua de lavlvula. Para mejorar el cierre, el asiento se mecaniza con un ngulo ligeramente menor al de la vlvula.

El asiento de la culata est sometido a una carga percusiva importante, que aumenta con la velocidaddel motor, y a una elevada temperatura, fundamentalmente en el escape. Estos parmetros influyendecisivamente en el desgaste del asiento y, por supuesto, en la eleccin del material.

8.- Guas de vlvula.La gua de la vlvula es el elemento por el que se desliza el vstago de la vlvula en su movimiento

alternativo sirvindole de gua. Por lo general son postizas y van montadas en la culata por interferencia,aunque en algunas ocasiones se mecanizan directamente sobre ella. Su dimetro interior ha de ser tal,que el juego resultante vstago-gua admita la dilatacin debida al calentamiento que origina elfuncionamiento del motor y permita, al mismo tiempo, la existencia de una delgada pelcula de aceiteque evite el contacto metal-metal. Juegos excesivos provocan pelculas de aceite de elevado espesor con



el consiguiente consumo de aceite mientras que juegos escasos provocan gripajes. Para evitar elconsumo de aceite se colocan en la parte superior de la gua retenes de aceite. En la gua de admisinla succin de aceite que efecta el colector es importante sobre todo en los MEP a baja carga.

La refrigeracin de la vlvula es otra misin, no menos importante, de la gua de la vlvula. El quelas guas de admisin sean ms cortas que las de escape se debe, por un lado, a que las vlvulas deadmisin no necesitan tanta refrigeracin como las de escape y, por otro, a que el entorpecimiento delflujo de gases de admisin afecta ms al rendimiento del motor que el del escape.9.- Muelles.

Tienen por objeto forzar a la vlvula y dems componentes de la distribucin a seguir el perfil de laleva durante el proceso de cierre, venciendo las fuerzas de inercia producidas durante el movimiento.Adems, mantiene a la vlvula presionada contra su asiento garantizando la estanqueidad de la cmarade combustin.

En la actualidad se emplean resortes de torsin en forma de muelles helicoidales cilndricos. El usode dos resortes por vlvula se justifica para mantener las tensiones en el resorte dentro de lo admisible.Sin embargo, el uso de materiales con mejores caractersticas permite utilizar un nico resorte porvlvula con las ventajas que ello conlleva (menor peso y menor nmero de componentes).

10.4.- Motores multivlvula.

Para estudiar la conveniencia del uso de vlvulas mltiples (varias vlvulas de admisin y/o escapeen un mismo cilindro) es preciso definir previamente una serie de parmetros:

L Ap: rea de paso de la o las vlvulas (relacionada con el rendimiento volumtrico del motor).L Av: rea transversal de la o las vlvulas (relacionada con la masa o inercia de la distribucin).L Ac: rea de contacto con el asiento de la o las vlvulas (relacionada con la transmisin de calor).L cd: Velocidad de la distribucin (relacionada con problemas de inercia de la distribucin).De la misma manera, se definen la relacin de dichas magnitudes con parmetros de la vlvula (el

dimetro, D, el nmero de vlvulas, N, el levantamiento mximo, L, y la velocidad de giro, n):

Ahora, manteniendo constante alguno de los parmetros se estudia como evoluciona el resto cuandose utilizan vlvulas mltiples. Se denotarn con subndice 1" a los valores relativos a vlvulas nicasy con subndice 2" a los relativos a vlvulas mltiples:

1.- Suponiendo Ap = cte y L/D = cte.De stas consideraciones, se obtiene que:



Ilustracin 10.9.- Esquema de dos culatas una multivlvula y otra normal (a) Ac = Cte y (b) Av = Cte..

El rea de contacto entre la o las vlvulas y el o los asientos aumenta con el nmero de vlvulas delmotor. Cuando se mantienen constantes el rea de paso total y la relacin L/D, lo que mejora es surefrigeracin.

Cuando se mantienen constantes el rea de paso y la relacin L/D, el rea transversal de la o lasvlvulas es independiente del nmero de vlvulas del motor, por lo que la masa del sistema no semodifica.

Cuando se mantienen constantes el rea de paso, la relacin L/D y la velocidad de giro del motor,la velocidad caracterstica de la distribucin disminuye con el nmero de vlvulas del motor. Por ello,los problemas de inercia disminuyen y es posible aumentar la velocidad de funcionamiento del motor.

En definitiva, se comprueba que los parmetros anteriormente definidos siempre mejoran o, cuandomenos, se mantienen. Se llega a conclusiones similares cuando se realiza este estudio partiendo dehiptesis diferentes.

2.- Suponiendo Ac = cte y L/D = cte (Ilustr. 10.9.a)Ap2/Ap1 < 1 (empeora)Av2/Av1 < 1 (mejora)cd2/cd1 < n2/n1 (mejora)



De todo lo visto se deduce que la utilizacin de vlvulas mltiples conlleva una serie de ventajasdesde el punto de vista de funcionamiento del motor (refrigeracin, inercia y rendimiento volumtrico):

L Aumenta el rea de paso, Ap, con lo que mejora la renovacin de la carga. En el caso b noocurre as pero se comprueba visualmente que es debido al deficiente aprovechamiento de lasuperficie de la culata.

L Disminuye la velocidad caracterstica de la distribucin, cd, y, en consecuencia, los esfuerzosde inercia.

L Aumenta el rea de contacto de la vlvula con el asiento, Ac, con lo que mejora su refrigeracin.L Disminuye el rea transversal de la vlvula, Av, y, en consecuencia, la inercia de la distribucin.

Por otro lado existen otra serie de beneficios:L La buja o el inyector podrn estar centrados lo que implica una mayor simetra en la cmara

de combustin. En los MEC, la ventaja ser mayor para los motores de inyeccin directa ya quesi tienen precmara de combustin, la mayor simetra no es en realidad tan importante. En losMEP, se conseguir que la longitud a recorrer por el frente de llama sea menor.

L Los distintos conductos de admisin pueden generar distinto grado de turbulencia de modo que,controlando con una vlvula de mariposa el flujo que circula por alguno de ellos, es posiblemodificar la turbulencia en funcin de las condiciones de funcionamiento. Este fenmeno esfundamental para los MEP-DI y til en los MEC-DI.

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(I) Elementos Constructivos en Los MCIA