1. Motores alternativos de combustión interna...................................................................................3 1.1 Esquema y elementos del motor............................................................................................... 3 1.2 Dimensiones y valores fundamentales.....................................................................................4 2. Motores de dos y cuatro tiempos de compresión y explosión........................................................5 2.1 Motores de 2 tiempos de compresión.......................................................................................5 2.2 Motores de 4 tiempos de compresión.......................................................................................6 2.3 Motores de explosión................................................................................................................ 7 2.4 Diferencia entre motores de explosión y de compresión..........................................................7 3. Componentes de un motor............................................................................................................. 8 3.1 Órganos principales de un motor.............................................................................................. 8 3.1.1 Bastidor y bloque de cilindros............................................................................................. 8 3.1.2 Culatas............................................................................................................................... 9 3.1.3 Bancada........................................................................................................................... 12 3.1.4 Cárter............................................................................................................................... 12 3.1.5 Polín................................................................................................................................. 13 3.1.6 Pistones y aros................................................................................................................. 13 3.1.7 Biela................................................................................................................................. 15 3.1.8 Eje de cigüeñal................................................................................................................. 16 3.1.9 Volante............................................................................................................................. 18 3.1.10 Distribución..................................................................................................................... 19 3.2 Funcionamiento del tren alternativo........................................................................................26 3.3 Sistema de refrigeración......................................................................................................... 27 3.3.1 Refrigeración por agua..................................................................................................... 28 3.3.2 Circulación forzada........................................................................................................... 29 3.3.3 Circulación por termosifón................................................................................................29 3.3.4 Órganos de refrigeración.................................................................................................. 30 3.4 Sistema de lubricación............................................................................................................ 34 3.4.1 Elementos del circuito de lubricación..............................................................................37 3.4.2 Circuito de lubricación...................................................................................................... 41 3.4.2 El aceite lubricante........................................................................................................... 42 3.5 Sistema de alimentación de aire.............................................................................................43 3.5.1 Sobrealimentación en los motores de encendido por compresión...................................43 3.5.2 Circuito de sobrealimentación por turbocompresor..........................................................44 3.6 Sistema de alimentación de combustible................................................................................50 3.6.1 Circuito de baja presión.................................................................................................... 50 3.6.2 Circuito de alta presión..................................................................................................... 52 3.6.3 Sistema de inyección del combustible..............................................................................53 3.6.4 El regulador de la bomba de inyección............................................................................61 4. Sistemas de arranque.................................................................................................................. 63 1 Julio César Merino Naranjo

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4.1 Arranque eléctrico................................................................................................................... 63 4.2 Arranque con motor neumático...............................................................................................65 4.3 Arranque por inyección directa de aire comprimido................................................................65 5. Inversión de marcha..................................................................................................................... 67 6. La hélice....................................................................................................................................... 68

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1. Motores alternativos de combustión interna. Reciben este nombre por tratarse de un movimiento lineal de un pistón que cambia de sentido, y porque transforman la energía química contenida en los combustibles en energía mecánica, más concreta mente en el movimiento de un eje. Los motores alternativos se dividen en dos grandes grupos: los motores de encendido por chispa y los motores de encendido por compresión.

1.1 Esquema y elementos del motor. En la figura 1 se representa un motor alternativo de combustión interna. El cilindro es la parte en cuyo interior se moverá el pistón con movimiento rectilíneo alternativo. El cilindro forma parte del bloque del motor o bloque de cilindros. El bloque forma parte de la bancada, formando la estructura principal del motor. En los motores de mayor tamaño, bloque y bancada forman dos piezas separadas, unidas entre ellas por medio de pernos.

Fig. 1. Esquema de un motor alternativo

En la parte superior del bloque se encuentra la culata, que cierra al cilindro por la parte superior. El espacio comprendido entre el cilindro, el pistón y la culata es la cámara de combustión, en la cual se produce la combustión de la mezcla del combustible y del aire. En los motores de encendido por chispa, la mezcla se produce en el carburador y entra por el colector de aspiración al cilindro a través de la válvula de aspiración. Una bujía se encarga de producir la chispa haga que dicha mezcla explosione. En los mo tores de encendido por compresión, lo que entra a través de la válvula de aspiración es aire, mientras que el combustible es introducido por medio del inyector, produciéndose la combustión. El pistón incluye unos aros que impiden que los gases escapen entre éste y el cilindro. Cua ndo se produce la combustión, el pistón transmite el empuje de los gases a la biela, y ésta al cigüeñal, que mediante la manivela, produce el movimiento rotativo del motor. El cigüeñal se encuentra apoyado en la bancada por medio de los cojinetes de bancada o cojinetes de apoyo. Los gases producidos por la combustión salen al exterior por medio de la válvula de escape y del colector de escape. 3 Julio César Merino Naranjo

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Las válvulas de aspiración y de escape están accionadas por la distribución. El eje de distribución o eje de camones, accionado por el cigüeñal, hace que los camones actúen sobre el conjunto formado por los taqués, los empujadores, y los balancines. La válvula se mantiene en su asiento por el muelle mientras no esté accionada.

1.2 Dimensiones y valores fundamentales. Para entender el estudio de los motores, necesitaremos conocer la siguiente terminología (ver figuras 2 y 3): Punto muerto superior (PMS): posición del pistón más próximo a la culata. Punto muerto inferior (PMI): posición del pistón más alejada de la culata.

Fig. 2. Cilindrada del motor.

Diámetro: Se denomina diámetro de un cilindro al diámetro de la circunferencia del cilindro. Carrera: es la distancia entre el PMS y el PMI. Es igual al doble del radio de giro de la manivela en el eje del cigüeñal. Volumen total del cilindro: es el espacio comprendido entre la culata y el pistón cuando se encuentra en el PMI. Volumen de la cámara de combustión: está comprendido entre la culata y el pistón cuando se encuentra en el PMS. Cilindrada: es el generado por el pistón en su movimiento alternativo desde el PMS hasta el PMI.

Fig. 3. Relación de compresión.

Relación de compresión: es la relación que hay entre el volumen total del cilindro y el volumen de la cámara de combustión.

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2. Motores de dos y cuatro tiempos de compresión y explosión. Definimos el ciclo operativo la sucesión de operaciones que el combustible realiza en el interior del cilindro de forma periódica. Los ciclos vienen denominados según el número de carreras del pistón necesarias para completarlos. Se dice que un ciclo es de dos tiempos cuando son necesarios dos carreras del pistón (una vuelta del eje), y de de cuatro tiempos cuando son necesarias cuatro carreras (dos vueltas del eje).

2.1 Motores de 2 tiempos de compresión. En los motores de 2 tiempos, la combustión y el escape se realizan en la misma carrera, al igual que la admisión y la compresión Para que la admisión sea efectiva, el aire o la mezcla deben ser previamente comprimidos para te ner la presión suficiente para entrar en el cilindro. El escape se realiza por la propia presión de la combus tión (ver figura 7).

Fig. 4. Fases de un motor de 2 tiempos sin válvulas.

a) En el primer tiempo se produce la carrera de trabajo. Consiste en la combustión y en la expansión de los gases desplazando el pistón hasta que se descubre la lumbrera de escape a unos 60º de giro del cigüeñal antes de llegar al PMI, y los gases salen por su propia presión residual de la combustión. El adelanto es para permitir la salida de todos los gases, puesto que disponen de poco tiempo para hacerlo. Posteriormente se abre la lumbrera de transferencia o de barrido, a unos 50º antes de llegar al PMI, que permite la entrada de aire nuevo al cilindro procedente del cárter, presurizado por el propio pistón en su ca rrera descendente. Esta presión permite al aire fresco empujar a los gases procedentes de la combustión hacia la lumbrera de escape. b) En el segundo tiempo se mantiene la admisión del aire hasta que el pistón en su carrera as cendente cierra primero la lumbrera de barrido, y después la de escape, comprimiendo el aire en el interior del cilindro. A su vez, abre la lumbrera de admisión permitiendo la entrada de aire procedente del exterior hacia el cárter debido a la depresión que se produce, para posteriormente ser presurizado y entrar en el ci lindro. El motor de 2 tiempos fue construido con la idea de simplificar la distribución eliminando las válvulas de admisión y de escape, y para obtener una mayor potencia a igualdad de tamaño. Existen modelos que incorporan una válvula de escape en lugar de lumbreras. En estos motores, se tiene una carrera útil (combustión y expansión de los gases) por cada giro completo del cigüeñal, por lo que la potencia es teóricamente el doble que el de 4 tiempos, que necesita dos vueltas para obtener una carrera útil. El aumento de la frecuencia de la carrera útil conlleva un aumento de la temperatura del motor, lo que perjudica seriamente la lubricación del cilindro, con el consiguiente riesgo de avería en el pistón y en el cilindro. Este tipo de motores, por tanto, se limita a los que necesiten un régimen de funcionamiento a bajas revoluciones.

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2.2 Motores de 4 tiempos de compresión. El ciclo de 4 tiempos comprende las cuatro fases siguientes (figura 5):

Fig. 5. Fases de un motor de cuatro tiempos

a) Admisión: en su carrera descendente aspira el aire a través de la válvula de aspiración situada en la culata. Esta válvula comienza a abrir antes de iniciar la carrera descendente (10º de giro del cigüeñal), al objeto de que cuando el pistón inicie su camino descendente, ya esté ligeramente abierta, puesto que si bien la forma de la leva hace que esta apertura sea rápida, necesita un tiempo para abrirse. Cierra después de que el pistón llegue al PMI (30º de giro del cigüeñal) aprovechando la inercia del aire que está entrando y al objeto de meter la mayor cantidad de aire en el cilindro, cerramos la válvula cuando esa inercia ha cesado. b) Compresión: una vez cerrada la válvula de aspiración después del inicio de la carrera ascendente, el aire queda encerrado en el interior del cilindro siendo comprimido por el pistón en la cámara de combustión. Debido a la alta relación de compresión (con valores entre 15 y 20), la temperatura del aire al final de la compresión es del orden de 500 a 700 °C, con presiones que van desde los 35 kg/cm² en motores pequeños hasta los 100 kg/cm² en los motores grandes actuales. c) Combustión y expansión: antes de finalizar la carrera de compresión se produce la inflamación del combustible inyectado en la cámara de combustión. Este adelanto está justificado porque una cosa es el comienzo de la inyección y otra es el comienzo de la combustión, desde que la bomba comienza a impulsar el combustible hasta que la primera partícula se enciende pasa determinado tiempo, que traducido a grados de giro de cigüeñal supone unos 15º. Dependiendo del tipo de motor y del régimen de potencia que estemos desarrollando la inyección se prolonga hasta 20° e incluso 30° después de PMS. Esta combustión provoca un aumento de presión y temperatura del fluido, lo que hace que el pistón sea empujado hacia abajo expandiéndose los gases. Antes de que finalice esta carrera, la válvula de escape comienza a abrir y empiezan a salir los gases. d) Escape: esta fase comienza con la apertura de la válvula de escape, unos 40° antes de que el pistón llegue a PMI. En primera instancia lo lógico seria que la expansión de prolongase hasta PMI para así aprovechar al máximo el empuje de los gases, pero teniendo en cuenta que al final de la expan sión los gases realizan muy escaso trabajo y que el máximo esfuerzo que soporta el sistema pistón-biela-cigüeñal es justo en el PMI cuando el pistón invierte su movimiento, se abre la válvula en el punto dicho anteriormente para aligerar al sistema de esfuerzos innecesarios y peligrosos. Al volver el pistón al PMS empuja a los gases a salir por la válvula de escape. Antes de llegar al final de la carrera, comienza a abrir la válvula de as piración mientras poco después cierra la de escape.

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2.3 Motores de explosión. El funcionamiento mecánico del motor de explosión tanto en 2T como en 4T es muy similar al del motor diesel, las diferencias fundamentales están en el modo de introducir el combustible, la naturaleza del mismo y su encendido y combustión. En el tiempo de aspiración, el pistón obliga al aire exterior a entrar en el cilindro, pero en este caso el combustible es aspirado junto con el aire por medio del carburador, que a su vez lo dosifica convenientemente. La apertura y cierre de la válvula de aspiración es similar a como se efectúa en el motor die sel. Una vez cerrada la válvula de aspiración la mezcla es comprimida hasta PMS; en este caso la compresión es menos enérgica (con una relación de compresión del orden de 6 a 12) para evitar que se alcancen temperaturas tan altas que puedan producir el encendido prematuro de la mezcla. Este encendido se debe realizar por medio de una chispa de alta tensión producida entre los electro dos de una bujía unos grados antes de que el pistón llegue arriba. La inflamación de la mezcla es casi instantánea, sin embargo la demora existente entre que salta la chispa y se enciende la mezcla es suficiente para que el pistón haya sobrepasado el PMS.

2.4 Diferencia entre motores de explosión y de compresión. Entre los motores de explosión y los diésel, aparte de las diferencias mencionadas, existen las siguientes: los motores diesel son de construcción mucho más robusta debido a los mayores esfuerzos que tienen que soportar sus órganos y son por ello más caros. Para la misma potencia pesan más y tienen una velocidad limitada por la duración del proceso de combustión, que en cualquier caso es mucho más lento que en los motores de explosión. A favor de estos está también una mayor sencillez en el sistema de en cendido del combustible y una más rápida respuesta a las variaciones de potencia deseadas. En contra de los motores de explosión está que tienen peor rendimiento térmico para las mismas características, lo que se traduce en un consumo específico mayor, los combustibles para motor de explosión son más caros y el mantenimiento también. Los motores diesel son más duraderos que los otros. Para grandes potencias los esfuerzos térmicos son tan grandes en los motores de explosión que estos no se construyen. MOTORES DIESEL

Potencia ilimitada

Construcción más robusta Más caros

MOTORES DE EXPLOSION

Más lentos

Construcción más ligera

Mejor rendimiento térmico

Más baratos

Menos consumo

Más rápidos

Más duraderos

Peor rendimiento térmico 7

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Más consumo

Limitación de potencia

Mejor respuesta a las demandas de potencia

3. Componentes de un motor.

3.1 Órganos principales de un motor. Los órganos principales los componen el bloque de cilindros, la culata, la bancada, los pistones, las bielas, el eje de cigüeñales y la distribución.

3.1.1 Bastidor y bloque de cilindros. El bastidor es una pieza, generalmente de hierro fundido, que mantiene a la distancia debida a los cilindros del cigüeñal. Los bastidores van apoyados sobre los refuerzos transversales de la bancada y atornillados a ella. Toman formas diversas según el tipo de motor, uno para motores en línea y otro para motores en V. En los motores de cruceta los bastidores soportan la corredera que sirve de guía a los émbolos. Los bastidores deben tener una gran rigidez, pues sobre ellos van los cilindros y son los encargados de absorber todo el esfuerzo de los gases sobre la culata. En motores de pequeño y mediano tamaño, el bastidor forma una unidad con el bloque de cilindros (figura 6). En la parte inferior del bastidor se practican agujeros de acceso al interior del motor, son las llamadas puertas o tapas del cárter que suelen estar provistas de válvulas de seguridad, las cuales permiten el desahogo de la presión interior cuando esta sube anormalmente por cualquier causa. Los cilindros son los orificios practicados en el bloque motor en los cuales se alojan y desarrollan su labor los pistones (figura 6). Además de estos orificios, también se encuentran los de circulación del agua de refrigeración. En el interior de los cilindros se encuentran las camisas, elementos cilíndricos huecos que revisten el interior del cilindro (figura 7) y están en contacto con el pistón y los aros, con la finalidad de proteger el cilindro, y por extensión el bloque, de las altas temperaturas que se alcanzan durante la combustión, y de la fricción producida por el pistón. La parte superior de la camisa tiene un reborde o solapa que apoya sobre el bloque con interposición de una junta de cartón y otra de goma en la parte lateral y queda inmóvil apretada por la culata. La di8 Julio César Merino Naranjo

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latación de la camisa se realiza hacia abajo por lo que el cierre en esa zona debe permitir la libre dilatación, y esto se consigue por medio de unas juntas de goma (de 2 a 4) que entran en ranuras de la parte in ferior de la camisa y que pueden deslizarse ajustadas sobre la pared lisa del bloque. Al montar la camisa hay que tener gran cuidado con estas juntas puesto que cualquier defecto de montaje origina que el agua de refrigeración del cilindro pueda pasar al cárter contaminando el aceite. El interior de la camisa en el cual se desliza el pistón es, cuando están nuevas, un cilindro perfecto, con sus paredes completamente lisas para disminuir en lo posible el roce entre las piezas en movimiento. Este roce es inevitable y a la larga produce el desgaste de las piezas, principalmente de los aros del pistón que son fácilmente reemplazables, y también, aunque en menor medida porque el material es más duro, de la camisa. Esta se gasta más en la parte alta donde existen mayores presiones y temperaturas y el desgaste es mayor en el diámetro transversal que en el longitudinal puesto que el pistón tiende a apoyarse al ternativamente en ese diámetro y no en el sentido de proa a popa. Por esta causa se dice que las camisas se ovalan, lo que es permisible hasta ciertos valores máximos a partir de los cuales se hace necesa rio reemplazar la camisa por otra nueva. Las camisas pueden ser húmedas, si están bañadas por el agua de refrigeración, o secas, si están en contacto directo con el bloque.

Fig. 6. Bloque motor y cilindros.

Fig. 7. Camisa

3.1.2 Culatas. Es la pieza que sirve, entre otras cosas, de cierre a los cilindros por su parte superior (figura 8). Está sometida por tanto a altas presiones y temperaturas. En motores de 4 tiempos llevan alojadas, las válvulas de admisión y escape, inyector de combustible, válvula de arranque, válvula de seguridad, válvula de purga, conductos de circulación de agua para la refrigeración, y agujeros por los que han de pasar los es párragos que la afirman al bloque de cilindros. También conforma la cámara de combustión en aquellos motores en los que no posean pistones con cámara incorporada. Sirve como soporte y alojamiento, para los distintos elementos de encendido o inyección según el tipo de motor que se trate. La culata se construye de fundición gris, de gran resistencia. La superficie inferior en contacto con la cámara de combustión y la superior que soporta los mecanismos de la distribución, unidas por una pared lateral que la cierra y por unos fuertes nervios interiores que le dan la rigidez necesaria. Entre ambas paredes van los conductos para la refrigeración, aire, gases de escape y los diferentes alojamientos de las válvulas.

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Fig. 8. Culata

En motores con árbol de levas en cabeza es decir, con dicho árbol situado en la parte superior de la culata, la culata dispone de una serie de apoyos para albergar al árbol de levas. En caso de que el motor tenga árbol de levas lateral o en bloque, en la culata se albergará el eje de balancines (figura 9).

Fig. 9. Detalle de las válvulas y balancines en la culata

Al igual que el bloque la culata posee una serie de orificios por los cuales circula el agua del circui to de refrigeración y que están comunicados a su vez con los orificios del bloque. La refrigeración de la culata se realiza con agua, proveniente de la refrigeración de camisas, que entra por la parte más baja y sale por la parte superior. Al agua se le obliga a seguir un camino determinado con el objeto de en friar aquellas partes más expuestas al calor, como son la pared en contacto con la cámara de combustión y la válvula de escape.

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En los motores de mediano y gran tamaño, las culatas son individuales para cada cilindro, permitiendo así su desmontaje para operaciones de mantenimiento y reparación. En los pequeños, la culata se realiza de una sola pieza para abaratar el coste. La unión entre la culata y el bloque se realiza por medio de pernos que garanticen la estanqueidad e impidan deformaciones causadas por el calor. El número de pernos de afirmación de la culata al bloque varía entre 4 y 16 dependiendo principalmente del diámetro y presiones en el cilindro. Una cuestión muy importante es el correcto apriete, para ello los constructores dan las normas en cada motor, en general se procurará apretar gradualmente, haciéndolo sucesivamente en tornillos opuestos. La fuerza de apriete también es un dato del constructor y no por apretar más estará mejor apretado, por el contrario puede darse lugar a tensiones excesivas origen de grietas. El apriete debe realizarse con una llave dinamométrica. Si una culata pierde gases a través de la junta lo correcto no es apretar más en esa zona, sino desmontar la y cambiar la junta. La estanqueidad del agua y de los gases se consigue por medio de una junta de metal y amianto (figura 10) que, además, soporta las duras condiciones térmicas. Dicha junta también tiene orificios para la circulación del agua de refrigeración.

Fig. 10. Junta de culata en el bloque del motor

Los asientos de las válvulas (figura 11), principalmente la de escape, sufren un fuerte desgaste debido a la elevada temperatura a que están sometidos, por lo que son postizos (figura 12), lo que facilita y abarata su sustitución. Los orificios para la válvula de aspiración son mayores que los de descarga, al ser menor la variación de presión, y por lo tanto más necesidad de paso.

Fig. 11. Asientos de las válvulas en la culata

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Fig. 12. Asientos postizos de válvulas

En su parte superior, la culata está cerrada por la tapa de los balancines, que protegen al mecanismo de accionamiento de las válvulas de aspiración y escape de la intemperie, así como de fugas del aceite de lubricación. Va atornillada a la culata, con una junta que permite el sellado.

3.1.3 Bancada. Soporta por medio de cojinetes el eje motor y une entre sí los diferentes grupos mecánicos, ade más de cerrar y proteger los órganos rotativos y el aceite lubricante (figura 3). También se encarga del an claje del motor a la estructura que lo sostiene. Está fabricada normalmente de fundición de acero En los motores pequeños, forma una sola pieza con el bloque, por simplicidad de construcción, mientras que en los grandes motores marinos, son dos piezas independientes unidas por pernos. La bancada lleva orificios para el paso del aceite, para los soportes del eje de camones, para las guías de las válvulas y taqués. También lleva ancladas la tapa del cárter, donde se recoge el aceite de lu bricación, la bomba de inyección, la bomba de aceite, el retén para la salida del eje para su acople al eje de cola.

Fig. 13. Bancada con eje cigüeñal

3.1.4 Cárter. El cárter no es propiamente una pieza del motor, sino el espacio cerrado por la bancada y el bastidor donde se mueve el tren alternativo. En el cárter se recogen todas las descargas de aceite de las distin 12 Julio César Merino Naranjo

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tas piezas lubricadas del motor excepto el engrase de camisas en los motores de cruceta. Al ser el cárter un espacio cerrado, las pérdidas de gases a través de los aros del pistón podrían hacer aumentar la pre sión hasta valores que haría abrir las válvulas de seguridad de las tapas del cárter, y para evitar que esto suceda el cárter va siempre comunicado con el exterior por medio de una tubería a la atmósfera a la que se llama respiradero del cárter, que se encarga de mantener la presión atmosférica en el interior. Las vál vulas de seguridad de las tapas solo deben abrir en caso de explosión, lo que rara vez sucede.

3.1.5 Polín En realidad esta no es una pieza del motor, sino la base de sustentación del mismo. En los barcos el polín suele estar constituido por cuadernas convenientemente reforzadas en el caso de motores propulsores, o cualquier otra superficie suficientemente rígida que no permita desplazamientos del motor respecto al órgano a mover. Una cuestión muy importante es la alineación del motor, de forma que el eje de cigüeñales con el eje del motor han de constituir una línea recta. El polín ha de permitir pues, que al colocar el motor sobre él quede aproximadamente a la altura e inclinación correctas, La alineación final se consigue interponiendo entre el polín y la base de apoyo del motor unas pie zas, generalmente de acero, a las que llamamos calzos o tacos, mecanizados a la medida exacta individualmente. La unión entre polín, calzo y base de sustentación se realiza mediante los llamados pernos de anclaje, que, repartidos por todo el perímetro del motor, impiden cualquier desplazamiento de éste.

3.1.6 Pistones y aros. El pistón es el elemento móvil que se desplaza en el interior de cilindro el cual recibe directamente sobre él el impacto de la combustión de la mezcla y transmite la fuerza motriz al eje del motor por medio de la biela. También debe transmitir el calor de la combustión a las paredes del cilindro para que se disipe por medio del sistema de refrigeración. Se divide en dos partes fundamentales: cabeza del pistón y falda del pistón. Ha de tener una construcción robusta para soportar el esfuerzo, pero a su vez ha de ser ligero para disminuir en lo posible la inercia debida al movimiento. Cabeza del pistón: Es la parte superior del pistón que se encuentra en contacto directo con la cámara de combustión y que por lo tanto es la parte que se encuentra sometida a un mayor castigo mecáni co, térmico y químico. Es esta parte del pistón se encuentran mecanizadas unas ranuras las cuales sirven de alojamiento a los aros o segmentos (figura 14). La cabeza del pistón puede llegar a tener varias formas dependiendo del tipo de motor, bien sea por su disposición o por su principio de funcionamiento. Así pues existen pistones con la cabeza plana, los cuales son de uso frecuente en motores con cámara de combustión en culata, y pistones con la cabeza mecanizada con formas determinadas formando la cámara de combustión, lo que nos permite montar cula tas completamente planas. Cabeza con deflector; este tipo de pistones se utilizan en motores de dos tiem pos para conducir los gases. Falda del pistón: Es la parte baja del pistón y la cual posee la misión de servir de guía en su movimiento alternativo. Es de dimensiones ligeramente mayores que las de la cabeza del pistón lo cual evita su cabeceo, soportando el empuje lateral y por lo tanto un desgaste descompensado en el cilindro y en el pistón. En esta parte se mecaniza un alojamiento para el bulón de unión entre la biela y el pistón. En ocasiones, en esta parte (la falda), se practican unas ranuras en forma de T o de U, las cuales sirven de compensadores térmicos que evitan el aumento de dimensiones del pistón cuando alcanza altas temperaturas. Llevan también otras ranuras por encima y por debajo del bulón para alojar los aros rascadores de aceite. En los motores de cruceta de 4T la faldilla no tiene ninguna misión y en ese caso los pistones son muy cortos. En los de 2T cumplen la misión de obturar las galerías de barrido y escape y han de hacerlo incluso con el pistón en P.M.S. por lo que estos pistones van dotados de largas faldillas. Debido a las condiciones de trabajo a las que están sometidos los pistones han de construirse de tal manera que sean robustos, ligeros, resistentes a las altas temperaturas, resistentes al desgaste, bajo coeficiente de dilatación y gran conductividad térmica.

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Fig. 14. Pistón, bulón y aros

Los aros van alojados en unas ranuras practicadas en la cabeza del pistón y se componen por unos anillos circulares abiertos y elásticos que se encuentran en contacto con las paredes del cilindro. La apertura de los aros permite que se puedan cerrar parcialmente al alojar el pistón en el interior del cilindro y debido a la elasticidad se abran y sellen. Su misión es la de separar herméticamente el recinto volumétrico generado por el pistón en su desplazamiento; lubricar las pares del cilindro y transmitir el calor que le comunica el pistón a las paredes del cilindro. Gracias a los aros, es posible que el pistón tenga un diámetro menor que el interior de la camisa que permita compensar las dilataciones, sin que existan fugas de gases desde el cilindro al cárter. Los aros se dividen en tres tipos: aros de compresión y son los encargados de realizar un cierre hermético con la parte superior del cilindro. Son de una sección trapezoidal. Se colocan en número de tres a seis normalmente en la cabeza del pistón. Es inevitable que por el corte del aro se escapen los gases, que pasarán hacia el segundo aro por lo que el corte de este no debe coincidir con el anterior y por eso se ponen en diámetros opuestos. Aros rascadores o de engrase, los cuales van colocados por debajo de los aros de compresión en número de 1 o 2. Sirven para rascar el aceite de las paredes del cilindro y mantener una película de aceite de pocas décimas de milímetro (de 0,2 a 0,4) impidiendo que pase aceite en exceso a la cámara de combustión. No son de sección rectangular, sino cortados en bisel con uno o dos filos rascadores. Para evacuar el aceite rascado, disponen de orificios en el fondo a través de los cuales el aceite pasa al interior del pistón. Tanto los aros de compresión como los de engrase, especialmente estos, han de montarse en una posición determinada, a tal objeto suelen llevar la palabra TOP grabada en una de sus caras y debe quedar siempre en la parte superior. Si no la llevaran los aros de compresión se montarán de cualquier forma y los de engrase con el biselado hacia abajo. En estado libre el diámetro interior de los aros es más pequeño que el del pistón por lo que una vez en su ranura no se caen, al montarlos hay que expandirlos para que puedan pasar por la cabeza. Se procurará siempre abrirlos lo justo para su montaje, pues si se abren demasiado se puede pasar su límite de elasticidad y luego el aro no trabaja bien. Al igual que los pistones y debido a sus condiciones de funcionamientos deben cumplir una serie de condiciones mecánicas y térmicas como por ejemplo; ser elásticos, buenos conductores térmicos, resistentes a las altas temperaturas y sobre todo, resistentes al desgaste pero no excesivamente duros para no dañar la superficie del cilindro. El bulón es el eje que une el pie de biela al pistón y que además permite el movimiento de giro de aquél. Es perpendicular al eje geométrico del pistón en la dirección longitudinal del motor, de forma cilíndrica y generalmente hueco para disminuir peso (figura 15).

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Fig. 15. Bulón en el interior del pistón.

El bulón se puede montar fijo al pistón, fijo a la biela o flotante. Las dos primeras formas tienen la ventaja de que permanece en una posición fija sin posibilidad de desplazarse hacia la camisa y además elimina un casquillo de cojinete, ya sea el del pistón o el de la biela. En su contra tiene la dificultad de montaje y desmontaje. El bulón flotante es el más utilizado en la actualidad, se aloja en dos casquillos, generalmente de bronce, que lleva el pistón en su parte baja en una zona convenientemente reforzada, ya que a través del bulón se transmite todo el empuje de los gases a la biela. Para impedir el movimiento lateral, en los extremos de los casquillos van unas ranuras en las que entran unas arandelas “seeger” que se manejan con unos alicates de puntas especiales.

3.1.7 Biela Es el elemento que sirve de unión entre el pistón y el cigüeñal y por lo tanto, es el que transmite todo el esfuerzo del pistón a las muñequillas del cigüeñal (figura 16).

Fig. 16. Biela

La biela se divide en; cabeza, caña o cuerpo y pie (figura 17). La cabeza es la parte de la biela que va acoplada a la muñequilla de la manivela del cigüeñal. Esta unión se realiza a través de un elemento llamado sombrerete el cual va unido a la cabeza de la biela por medio de dos fijaciones roscadas. Entre medias se colocan unos casquillos antifricción los cuales sirven para evitar el desgaste prematuro entre las superficies en contacto. Estos elementos se denominan semicasquillos de biela o semicojinetes de biela. Los semicasquillos llevan un tetón que se encaja en la cabeza de biela y en el sombrerete para evitar su desplazamiento. En motores medianos y pequeños el semicojinete superior forma parte del cuerpo de biela mientras que el inferior es postizo. Si estos motores son muy cargados la cabeza de biela hay que hacerla suficientemente grande para que los esfuerzos por unidad de superficie sean tolerables y entonces es frecuente que con la construcción anterior la biela no pueda pasar por la camisa cuando se desmonta, en ese

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caso suele construirse con la cabeza biselada (figura 17) que si permitiría el desmontaje sin disminución del área de trabajo. La lubricación del cojinete de cabeza de biela se realiza a través del cigüeñal. El pie de biela se suele lubricar con este mismo aceite que se conduce hasta allí por un taladro en el interior del cuerpo. La caña es la parte que une el pie con la cabeza y por lo tanto la que transmite el esfuerzo. Sometida a esfuerzos de flexión y compresión posee una sección transversal que varía de formas pero que sue len ser en forma de H la cual proporciona a la biela la suficiente resistencia mecánica para soportar tales esfuerzos con una considerable reducción de peso. En su interior, y de forma longitudinal, pueden tener un orificio para llevar el aceite lubricante desde la cabeza al pie. El pie es la parte que une se al pistón por medio del bulón. Tiene un cojinete de bronce que hace de elemento rozante con el bulón. Se lubrica por medio del aceite salpicado por la manivela, por el aceite procedente del aro recogedor o por un orificio practicado a lo largo de la caña.

Fig. 17. Despiece del pistón y la biela

3.1.8 Eje de cigüeñal Es el elemento que junto con la biela y el pistón realiza la transformación del movimiento alternativo en movimiento rotativo. Transmite también el giro y fuerza motriz a los demás órganos de transmisión. Constituido por un árbol acodado (figura 18) el cual posee unas muñequillas de apoyo, llamadas cuello que descansan sobre los apoyos del bloque motor y respecto al cual giran. El cigüeñal va fijado en sus apoyos, al igual que la cabeza de biela, por unos sombreretes, denominados sombreretes de bancada. Entre medias se colocan unos casquillos denominados semicasquillos de bancada o semicojinetes de ban cada, los cuales tienen la misión de reducir el rozamiento al máximo y evitar el desgaste prematuro entre las piezas en contacto. El número de apoyos de un cigüeñal suele ser, el número de cilindros menos uno.

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Fig. 18. Eje de cigüeñal

Adosadas a los cuellos se encuentran las guitarras, que en un extremo van unidas a las muñequillas y por el otro llevan un ensanchamiento que hace de contrapeso de la muñequilla para reducir la carga sobre los cojinetes de bancada. Los muñones o muñequillas de biela, sobre los que se acoplan las bielas por medio de la cabeza de biela. Siendo el numero de muñones igual al de cilindros en caso de motores con cilindros en línea, y la mitad en caso de motores en V. En este caso, la muñequilla será más ancha para permitir el acople de dos bielas. La distancia entre los ejes geométricos del cuello y el muñón marca la excentricidad de la cigüeña y el radio de giro de ésta. Esta distancia es la que define la carrera del pistón, el cual se mueve junto con el muñón y la biela. La carrera es siempre el doble de ese radio, mientras el orden de encendido y calaje vie nen dado por la disposición de las cigüeñas (figura 19).

Fig. 19. Calado de las cigüeñas.

Es una pieza de formas complicadas y de tolerancias muy pequeñas. En motores pequeños se construye de una sola vez por procedimientos de forja o estampado. En los medianos y grandes no es po sible fabricar una pieza de estas dimensiones por esos procedimientos y se recurre a la construcción en diferentes partes, en los medianos es frecuente que se construyan aparte las cigüeñas y los cuellos y des pués se ensamblen ambos, en los grandes se suelen construir guitarras, cuellos y muñones aparte. La forma más frecuente de ensamblaje es dimensionando los agujeros de la guitarra donde se van a alojar los cuellos y muñones de diámetro ligeramente inferior al de estos, posteriormente la guitarra se calienta y al dilatar los agujeros permiten la entrada de cuello y muñón, luego, al enfriarse, la contracción da una unión completamente rígida sin necesidad de atornillado. 17 Julio César Merino Naranjo

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Los principales esfuerzos a que está sometido el cigüeñal son los de torsión y flexión, por lo que han de ser lo suficientemente rígidos para no deformarse y lo suficientemente elásticos para absorber la flexión a que están sometidos. El material que se utiliza es normalmente aleaciones de acero con cromo, níquel o molibdeno, aunque se han hecho algunos de fundición. Alineación.- Una cuestión muy importante es la correcta alineación de los cojinetes de bancada. Alineamientos incorrectos dan origen a flexiones que a la larga producen roturas. Para medir la alineación correcta se utilizan unos aparatos llamados flexímetros que colocados entre las guitarras miden el paralelismo de estas durante una vuelta. Lo ideal es que este sea perfecto, pero eso es muy difícil de conseguir y se permiten algunas centésimas de m/m de tolerancia en función del tamaño del cigüeñal. En los apoyos situados en los extremos del motor, se montan unos retenes que eviten las pérdidas de aceite hacia el exterior, tanto en el lado de la distribución como en el lado del volante. Posee unos orificios que comunican entre sí y que sirven como conductos para la circulación del aceite de engrase. Estos orificios se encuentran en los apoyos y en los muñones para que lubriquen las piezas que se encuentran sometidas a mayor desgaste. Los cojinetes de biela y bancada (entre el eje de cigüeñal y la bancada) están divididos en dos mitades para facilitar el montaje y desmontaje, llamadas casquillos formados por un delgado tubo de acero o bronce revestido interiormente de un metal llamado antifricción formado por una aleación de varios metales, especialmente estaño, cobre y plomo con pequeñas cantidades de antimonio, níquel o cinc. Llevan unos canales para la distribución de la lubricación, y en el caso de los cojinetes de bancada, tienen un orificio para llevar el aceite desde la propia bancada hacia el eje de cigüeñal para distribuirlo hacia las bielas.

Fig. 20. Casquillos del cigüeñal

Fig. 21. Casquillos de bancada

Los casquillos se adaptan con precisión al interior de la cabeza de biela y al interior del asiento de la bancada para no deformarse (figuras 20 y 21).

3.1.9 Volante. El volante tiene la misión de regular la velocidad de giro del motor dentro de un ciclo de trabajo. En la carrera de expansión el motor desarrolla todo el trabajo del ciclo, el par motor es mayor que el par resistente y el motor tiende a embalarse, en el resto de las carreras el par resistente supera al par motor, que es nulo, por lo que el motor tiende a frenarse. Las masas del motor en movimiento (pistón, biela, cigüeñal), así como los elementos arrastrados por el mismo (hélice, alternador, etc.) poseen una inercia al movimiento que impiden que el motor se pare o se embale excesivamente, sin embargo esas masas no son adecuadas para mantener una velocidad de giro suficientemente uniforme, siendo el volante de inercia el que contribuye a hacer mas regular este movimiento. Consta esencialmente de una llanta de relativamente gran peso y diámetro firmemente unida al eje de salida del motor. Debido a su peso y diámetro tiene una gran inercia al movimiento, de forma que cuesta trabajo hacerla cambiar de velocidad, aprovechándose esta cualidad para regularizar el movimiento del motor. En la carrera de expansión cuando el motor tiende a embalarse el volante lo frena acumulando parte del trabajo desarrollado, la velocidad no permanece constante, pero el aumento es menor que si el volante no existiera. En el resto de las carreras inactivas el motor tiende a pararse y el volante lo impide de volviendo al eje el trabajo acumulado anteriormente, aunque las revoluciones descienden, si bien lo hacen en menor grado que si no existiera. Aparte de la función reguladora se utilizan para los siguientes cometidos:

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Normalmente en ellos van marcados los puntos muertos, tanto altos como bajos, de los diferentes cilindros. Suelen ir divididos en 360 partes iguales, correspondientes cada una a un grado de giro del cigüeñal, para facilitar la regulación. En motores medianos para poder mover el motor cuando está parado se practican unos agujeros en la periferia en dirección radial donde encaja una palanca. En los pequeños con arranque eléctrico, en el volante va labrado un dentado en el que engrana el piñón del motor de arranque.

3.1.10 Distribución. La comprenden el conjunto de elementos auxiliares necesarios para el perfecto funcionamiento de los motores. Tiene por misión la de abrir y cerrar las válvulas de admisión y escape en el momento adecuado para el llenado y evacuado perfecto de los gases de admisión y escape (figura 22). Se emplean principalmente en los motores de 4 tiempos, pues los de 2 tiempos, la forma más habitual de aspirar y expulsar los gases es por lumbreras, excepto algunos modelos que utilizan un sistema de distribución para el escape.

Fig. 22. Distribución y tren de engranajes en un motor

Las válvulas son las encargadas de abrir y cerrar los orificios de entrada y salida de gases al interior del cilindro. En su movimiento están guiadas por una pieza embutida en la culata llamada guía, por la que se desliza el vástago. Constituidas por la cabeza o plato la cual hace el cierre hermético con el orificio de la culata. Suelen estar mecanizadas con un ángulo de inclinación de 45º para evitar fugas y permitir un mejor cierre. Esta parte de la válvula apoya en la culata sobre un elemento llamado asiento de válvula. Uni da a la cabeza se encuentra el vástago o cuerpo de válvula cuya misión es la de servir de guía a la válvula en su desplazamiento. Al final del vástago, llamado cola posee unas hendiduras las cuales sirven para fijar el resto de elementos que van acoplados a la válvula (figura 23).

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Fig. 23. Partes de la válvula

La estanqueidad en el cierre se consigue por medio de una superficie tronco-cónica en la periferia del plato. Dicha superficie se apoya en los asientos, ubicados en la culata. Estos asientos también tienen una conicidad en la zona en contacto con la válvula, pero menor que la de ésta, para compensar el des gaste. La válvula abre hacia el interior del cilindro, de manera que la presión favorece un cierre estanco. El montaje de la válvula se realiza por medio de una serie de elementos (figura 24) que permiten que la válvula cierre tras ser accionada. Esto se consigue por medio de un muelle sometido a una elevada tensión que le proporciona un movimiento rápido. En el desmontaje, es preciso tener esto en cuenta para evitar accidentes por la proyección de dicho muelle. En ocasiones, el muelle es doble, con arrollamiento inverso para evitar el “rebote” al cerrar.

Fig. 24. Elementos acoplados a la válvula: A: válvula, B: platillo, C: retén, D y E: muelles de retención, F: platillo, G: chavetas de media luna.

El desplazamiento total de la válvula desde su posición de cierre al de apertura total se denomina alzada, que se consigue por medio de un camón que gira arrastrado por medio del eje motor.

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Fig. 25. Accionamiento de las válvulas

Fig. 26. Acople del eje de camones al motor

El camón transmite el movimiento alterno a las válvulas a través de elementos intermedios forma dos por el taqué, que es un empujador colocado entre el camón y la válvula para regular el huelgo y soportar el esfuerzo lateral que ejerce el contacto con el camón (figura 25). Otro elemento es el balancín, emple ado para válvulas con accionamiento en culata con un solo eje de camones (figura 26). El balancín es un elemento que bascula en torno a un eje, recibiendo el accionamiento procedente del camón directamente o a través de la varilla de empuje y transmitiéndoselo a la válvula. Dispone de un tornillo para el ajuste del huelgo (figura 27) existente entre la cola de la válvula y el extremo del balancín. En motores de dos válvu las de aspiración o escape por cilindro el balancín para estas es único así como el camón que las mueve y el extremo que las ataca se bifurca para actuar sobre cada una de ellas. También tenemos el vástago o varilla de empuje, una barra que transmite el movimiento desde el camón hasta el balancín cuando se trata de válvulas con eje de camones en el bloque (figura 28). Las varillas son las encargadas de transmitir la excentricidad del camón al balancín. Son simples barras, de longitud adecuada para llevar el movimiento de los camones, generalmente a la altura del bloque de cilindros hasta los balancines en la culata. Han de ser lo suficientemente rígidas para no deformarse con el trabajo y lo más livianas posible para evitar iner cias, por lo que generalmente son huecas. Se mueven guiadas por unos casquillos embutidos en el bloque. El extremo sobre el que actúa el camón suele ir provisto de un rodillo que convierte el movimiento de deslizamiento en rodadura, lo que prolonga la vida de los camones. La parte superior es generalmente en forma de cazoleta y allí se aloja el extremo del balancín. En la actualidad, cuando se trata de motores grandes, las varillas de empuje están siendo sustituidas por lo que se llama el accionamiento hidráulico, que consiste en la transmisión de la excentricidad del camón a las válvulas por medio de un pistón hidráulico situado encima del camón que impulsa el aceite a otro situado encima de las válvulas. La ventaja de este sistema consiste en que las tuberías de conducción de aceite pueden llevarse por cualquier sitio que no moleste al resto del motor, cosa que no ocurre con las varillas, que al ser rígidas obligan a ser conducidas directamente desde el camón al balancín.

Fig. 27 Balancín con tornillo de ajuste.

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Fig. 28. Balancines accionados por vástago

Válvulas con accionamiento en cabeza: tienen el eje de camones en la culata (figura 29). Se emplean en motores rápidos y de pequeño tamaño. Esta construcción elimina los elementos intermedios de accionamiento de las válvulas, pero complica las operaciones de montaje y desmontaje de ésta y dificulta la regulación de los huelgos. El movimiento se transmite del eje de cigüeñal al eje de camones por medio de cadena o correa dentada. A su vez, el camón acciona la válvula directamente o por medio de un balancín oscilante (figura 30)

Fig. 29. Eje de camones en culata

Fig. 30. Balancín oscilante

Válvulas con accionamiento en bloque: el eje de camones se sitúa en el bloque, cerca del cigüeñal. Se emplean en motores de gran tamaño (industriales y marinos). El movimiento se transmite con una cadena o directamente mediante engranajes (figura 31) al eje de camones.

Fig. 31. Eje de camones en bloque

Fig. 32. balancín basculante

En este caso se emplean balancines basculantes (figura 32). Por un extremo (1) empujan el extremo del cuerpo de la válvula mientras por el otro reciben el movimiento del vástago (2) y tienen la regulación del huelgo de dilatación (3).

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El funcionamiento de la válvula de aspiración debe permitir el máximo llenado del cilindro, mientras que la de escape debe producir la menor contrapresión posible. Por ello, debe cumplir con las siguientes condiciones: a) Abertura y cierre en el instante más apto para el mejor desarrollo de las fases del ciclo. b) Abertura y cierre con la máxima rapidez posible, a fin de obtener a su vez la máxima sección de paso durante la mayor parte del tiempo de que se dispone para realizar la aspiración y la descarga. c) Mínima resistencia al paso del fluido. La refrigeración de la válvula de aspiración se realiza por medio del propio aire de aspiración, mientras que la válvula de escape, al ser el elemento que se encuentra sometido a las mayores temperaturas del motor, debe refrigerarse por agua, pasando ésta por una galería lo más próximo posible a su aloja miento. La válvula de escape hay que desmontarla con relativa frecuencia para pulir los asientos, y en condiciones normales será necesario desmontar la culata completa puesto que salen hacia el interior del cilindro. Para evitar esto, en los motores medianos y grandes, la válvula forma parte de un bloque independiente que se desmonta sin necesidad de sacar la culata lo que supone un considerable ahorro de tiempo. Dicho bloque incluye la galería de refrigeración. Reglaje de válvulas. Debido a las dilataciones térmicas, se puede dar el caso de que el contacto entre la válvula y el camón o el balancín, según sea el caso, sea continuo, con el riesgo de que la válvula no pueda cerrar bien y se quede abierta. Para evitar que eso suceda, existe un huelgo calibrado entre el balancín y la válvula que permita la dilatación. El huelgo ha de ser lo suficientemente grande para garanti zar que la válvula cierra cuando el camón no actúa y lo suficientemente pequeño para que las piezas trabajen sin golpes. El fabricante nos proporciona el valor del huelgo. Este huelgo debe ser medido en frío mediante unas galgas en un tiempo del motor en el que la vál vula esté cerrada (por ejemplo, final de la compresión, inicio de la combustión). Una galga de espesor ade cuado se coloca entre la cola de la válvula y el otro extremo del balancín y el tornillo del otro ex tremo (figura 32) se va apretando hasta que la galga se mueve justa entre balancín y válvula. Conseguido esto se aprieta la contratuerca, lo que mantiene la regulación hasta una nueva operación. Habrá que tener en cuenta para hacer la regulación que la varilla de empuje descanse sobre el círculo base. El motor se hace girar de forma manual, ya sea por medio de palanca insertada en unos orificios realizados en el volante de inercia, como por medio de un virador eléctrico o neumático. Árbol de levas o eje de camones. El árbol de levas es el elemento encargado de vencer la fuerza que ejercen los muelles sobre las válvulas a través de los mecanismos de mando para poder abrirlas y cerrarlas en el momento adecuado. Constituido por un árbol al cual se le han mecanizado una serie de elementos excéntricos denominados levas o camones (figura 33), que son los encargados de mandar el empuje a través de los elementos de mando hacia las válvulas. Al igual que el cigüeñal posee una serie de apoyos los cuales pueden ir alojados o bien el bloque (árbol de levas en bloque), o bien en la culata (árbol de levas en cabeza o en cu lata), dependiendo del tipo de distribución que tenga el motor.

Fig. 33. Eje de levas o camones

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El principal elemento del eje son los camones o levas (figura 34). Consisten en una parte concéntrica con el eje a cuyo perímetro exterior se le denomina círculo base. Mientras las varillas o rodillos de empuje están sobre él las válvulas permanecen cerradas y los émbolos de las bombas de inyección quietas. Una parte excéntrica con la anterior es la que efectúa el movimiento de las válvulas y émbolo de la bomba de inyección. Esta parte excéntrica se caracteriza por tres magnitudes principalmente: L es la excentricidad del camón y es la que nos va a dar la magnitud de apertura de las válvulas o lo que se desplaza el émbolo de la bomba.

Fig. 34. Camón con sus medidas principales.

El ángulo α es el que corresponde al adelanto de la apertura de la válvula o comienzo de la carrera ascendente del émbolo de la bomba respecto al pistón en PMS. El ángulo ß nos dice el tiempo que va a estar abierta la válvula, en la bomba de inyección este ángulo no tiene importancia. Si variamos cualquiera de esos parámetros afectaremos al funcionamiento del motor. La apertura y cierre de las válvulas debe de estar perfectamente sincronizada con la posición de los pistones. Debido a esto el árbol de levas recibe el movimiento del cigüeñal el cual debe estar perfecta mente sincronizado en su movimiento con el del árbol de levas. En el caso de motores en V, existe un eje por cada línea de cilindros (figura 35). Según el diseño, la transmisión del movimiento entre el cigüeñal y el árbol de levas se hace por medio del tren de engranajes, que puede estar formado por una transmisión por correa (figura 35), habitual cuando la distancia entre ambos ejes es excesiva, y por engranajes, ya sea directo o mediante engra naje intermedio, cuando se trata de árbol de levas en el bloque (figura 36). Debido a que en los motores de 4 tiempos cada válvulas abren una vez cada dos vueltas del cigüeñal, la relación de engranajes es 2:1, es decir, que el eje de levas da una vuelta por cada dos vueltas del cigüeñal, lo que implica que la rueda den tada que mueve al eje de levas tiene un diámetro igual al doble del de la rueda dentada motriz del cigüeñal. En el caso de los motores de 2 tiempos, la relación es 1:1. La válvula de escape abre una vez por cada vuelta que da en cigüeñal.

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Fig. 35. Transmisión por correa

En el caso de la transmisión por correa, existen unos tensores que compensan los estiramientos de la misma por el uso continuado.

Fig. 36 Transmisión por rueda de engranajes

Cuestión importante es el ensamblaje de los engranajes para que los camones actúen en los momentos precisos. Normalmente las ruedas llevan unas marcas para colocarlas en una posición determina da (figura 37) que se corresponde con el correcto funcionamiento del motor, en caso de no existir esas marcas, antes de desmontar un tren de engranajes conviene hacerlas, de forma que al montarlas posteriormente queden en la misma posición. En caso de no existir esas marcas al montar el tren, habrá que remi tirse al diagrama circular de regulación y con el pistón en un cilindro cualquiera, generalmente el más cercano al volante, adelantado al PMS. El número de grados de adelanto a la apertura de la válvula de aspiración se colocará el camón correspondiente a esa válvula justamente cuando empiece a abrirse, el resto de los camones al ser fijos al eje quedarán en posición correcta.

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Fig. 37. Marcas en el tren de engranajes para el reglaje.

3.2 Funcionamiento del tren alternativo. El movimiento alterno del pistón se transforma en movimiento circular continuo del eje mediante el sistema biela-manivela. El pie de biela, por su unión con el pistón, está sometido a un movimiento rectilíneo alterno, y la cabeza de biela es obligada a describir un movimiento circular con la manivela (figura 38). La unión del pie de biela con el pistón posee movimiento giratorio respecto al bulón, limitado por la falda del mismo pistón. Esto permite que la cabeza de biela tenga el mismo movimiento pero amplificado por la longitud de la caña. La combinación de estos movimientos giratorios y el rectilíneo del pistón, hacen que la cabeza de la biela pueda desarrollar un movimiento circular.

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Fig. 38. Transformación del movimiento alternativo en circular

Al unirse la cabeza de biela con el cigüeñal en los codos o muñequillas, y estando unida éste al bastidor por los apoyos, se produce el movimiento giratorio. El volante de inercia es el elemento de gran masa que se acopla al cigüeñal y que tiene la misión de almacenar energía cinética para regular el giro del cigüeñal y transmitir esa energía en los tiempos no operativos del ciclo (aspiración, compresión y escape). También tiene como función amortiguar las vibraciones del cigüeñal causadas por las explosiones en el cilindro. De los cuatro tiempos, uno es motriz y ace lera el pistón, mientras que los otros tres no, reduciendo su velocidad. El volante de inercia dispone de una corona dentada donde engrana el motor de arranque, en el supuesto de que arranque de esta manera, y de un motor virador en los grandes motores, si lo llevase. En caso de no llevar motor virador, dispone de unos orificios donde encajar una barra de acero para virar el motor manualmente para hacer las operaciones de mantenimiento (reglaje de válvulas, toma de flexiones del cigüeñal, etc.). En motores grandes, es posible encontrarse sobre el volante de inercia unas marcas correspondientes a las posiciones de los pistones (PMS y PMI) para facilitar el reglaje de válvulas.

3.3 Sistema de refrigeración. La combustión produce temperaturas máximas comprendidas entre 1.700 y 2.500º C. Gran parte de ese calor es absorbido por las paredes del cilindro y del pistón, de la culata y válvulas. Este calor d ebe ser disipado por medio de un sistema de refrigeración para evitar daños en la estructura del motor y en las partes mecánicas. Las temperaturas máximas en estas partes del motor son las siguientes: Paredes del cilindro: la temperatura máxima debe estar en torno a los 150-200º C, pues una temperatura superior producen la degeneración del aceite lubricante, lo que perjudica la lubricación entre la camisa y el pistón, gripándose. Pistón: la temperatura en la cabeza del pistón (punto más caliente) no debe superar los 300º C para no verse reducida su resistencia mecánica. El calor que absorbe el pistón se transmite a las paredes del cilindro. Paredes de la cámara de combustión: la temperatura en la superficie interna es del orden de los 250º C para disipar eficazmente el calor en el asiento de las válvulas y de las bu jías o inyectores. La distribución de la temperatura debe ser lo más uniforme posible para evitar puntos calientes que puedan producir la detonación de la mezcla aire-combustible. Válvula de escape: la temperatura máxima admisible está en torno a los 700-750º C, a partir de la cual la resistencia mecánica y a la corrosión disminuye sensiblemente. La válvula de aspiración se refrigera por el aire entrante en la aspiración. El circuito de refrigeración debe de enfriar, pero no excesivamente, ya que un enfriamiento excesivo reduciría la vaporización del combustible, evitando que la mezcla con el aire sea lo más homogénea po sible, con el riesgo de que entre combustible líquido al interior del cárter diluyendo el lubricante. Además, provocaría un aumento en la viscosidad del lubricante, aumentando el rozamiento. Se debe conseguir también que la subida de la temperatura sea lo más uniformemente distribu ida para evitar dilataciones irregulares, lo que perjudicaría por un lado la estanqueidad y por otro someter las distintas partes del motor a tensiones, deformándolo.

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La refrigeración se consigue por medio de la circulación de un fluido por unas galerías en el interior del motor. Este fluido está en contacto con las paredes del cilindro o entre el cilindro y la camisa y pasa por el interior de la culata, enfriando ésta y las válvulas (figura 39).

Fig. 39. Refrigeración del cilindro y la culata

3.3.1 Refrigeración por agua. Es necesario que el cilindro o las camisas, en su caso, sean de un espesor lo más pequeño posible con la mayor superficie de contacto posible, con el fin de mejorar la transmisión del calor a través de sus paredes hacia el agua de refrigeración. Como regla general, el agua entra por la parte inferior del cilindro, subiendo y pasando a la culata, desde donde retorna. De esta manera se evita la formación de bolsas de vapor. Existen dos sistemas de refrigeración por agua: sistema de agua consumida, muy empleada en pequeños motores marinos, consistente en un circuito abierto en el que el agua se toma directamente del mar, retornando a él después de refrigerar el motor. Tiene el inconveniente de que se producen oxidacio nes y corrosiones en las paredes metálicas. Después de su uso se recomienda hacer una recirculación con agua dulce.

Fig. 40. Circuito cerrado de refrigeración. 1 radiador, 2 panal radiador, 3 depósito de agua, 4 manquito flexible, 5 ventilador, 6 bomba de agua, 7 válvula termostática, 8 sensor temperatura, 9 camisa húmeda, 10 calefacción, 11 regulador calefacción.

El sistema de recuperación total de agua, consiste en un circuito cerrado de agua de refrigeración, donde el agua circula entre el motor y un intercambiador de calor, donde cede el calor que le roba al motor. Este intercambiador puede ser agua-aire (figura 40) o agua-agua (intercambiador tubular o de pla cas). En el caso de los motores marinos, se utiliza el intercambiador agua-agua, utilizando como agua refri gerante el agua del mar. La circulación del agua puede conseguirse por medio de una bomba (circulación forzada) o por d iferencia de densidad entre el agua en el motor y en el enfriador (circulación por termosifón).

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3.3.2 Circulación forzada. Se consigue una mejor refrigeración, ya que al aumentar el régimen de giro, aumenta el caudal de refrigerante al estar la bomba acoplada al motor. El uso de la bomba permite que el radiador o intercambia dor de calor sea de menor tamaño, al igual que los manguitos flexibles. El radiador podrá estar a la misma altura del motor, reduciendo el tamaño del motor en general (figura 41). La circulación del agua se diseña de forma que la diferencia de temperatura no sea superior a 10ºC y deseable 5ºC, ya que así disminuimos la diferencia de temperatura entre motor y radiador y aumentamos la diferencia entre radiador y aire.

Fig. 41. Circuito de refrigeración forzada

Para conseguir un funcionamiento equilibrado del sistema de refrigeración, se necesita una regulación. Esta regulación se puede hacer actuando sobre el caudal de agua en circulación, o actuando sobre el caudal de aire que atraviesa el radiador. Primero se alcanza rápidamente la temperatura de régimen, espe cificada por el fabricante, y posteriormente se mantiene esta temperatura. Para conseguir esta regulación podemos conseguirlo de la siguiente forma: - Mediante regulación de la circulación de agua por termostato. - Mediante un dispositivo que permita el funcionamiento del ventilador a intervalos. - Mediante un dispositivo de obturación del radiador, reduciendo la circulación de aire a su través o de obturación del intercambiador, reduciendo la circulación de agua del mar. La eficacia de la refrigeración depende de la temperatura ambiente, teniendo que actuar en invierno o navegando en aguas más frías para limitar la refrigeración. Interesa además que la temperatura de régimen se obtenga lo antes posible, ya que en frío, el lubricante no se reparte bien por la superficie de las piezas en movimiento, además parte del carburante no se vaporiza y se condensa en las paredes del cilin dro, resbalando hacia el cárter y transformándose en gases corrosivos y contaminantes

3.3.3 Circulación por termosifón. La circulación se consigue aprovechando la diferencia de densidad existente entre el agua caliente del motor y la fría del radiador (figura 42). Al aumentar la temperatura, aumenta el volumen del agua y disminuye su densidad, subiendo por tanto el agua caliente hacia arriba, y generando un movimiento natural del líquido refrigerante.

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Fig. 42. Circuito de refrigeración por termosifón

Para que se establezca la circulación según la figura 41, es necesario que la densidad media de la columna de agua en el radiador sea mayor que la densidad media de la misma altura de la columna de agua en el motor. Para ello, es necesario que el radiador esté situado a una altura superior a la del motor, y con la finalidad de reducir las caídas de presión y facilitar la circulación, los conductos entre el radiador y el motor deben ser lo más amplios y cortos posible y con el menor número de curvas. La diferencia de temperatura a la entrada y salida del radiador oscila en torno a los 40º C, y la cir culación se autorregula en función de la temperatura del motor, aumentando con la temperatura. Tiene la ventaja de que sigue circulando con el motor parado, refrigerando. El inconveniente es el incremento de las dimensiones del motor. Es un sistema sumamente sencillo, aunque solo puede utilizarse en motores de poca potencia, donde se necesite poco caudal de refrigerante, pues para medias y grandes potencias se necesitaría un radiador muy grande.

3.3.4 Órganos de refrigeración. Bomba de agua. Son del tipo centrífugo por ser aptas para grandes caudales con poca presión (figura 43). Están formadas por un cuerpo o carcasa, de fundición o aluminio que contiene al conducto de entrada y el de sa lida del agua. En su interior se encuentra el rotor o impulsor, formado por una placa circular en la que se encuentran unas paletas o álabes, curvos o radiales, que son los que se encargan de impulsar el agua. Ésta entra al interior de la bomba por el centro y es impulsada de forma radial. Se construyen de bronce o aluminio. La estanqueidad se consigue por medio de una empaquetadura La bomba de agua fuerza al líquido refrigerante a entrar en el bloque de cilindros a medida que gira el impulsor. Él líquido refrigerante procede de la salida del radiador o intercambiador y es impuls ado para crear un flujo en el bloque de cilindros. La bomba de agua es normalmente accionada por una correa trapezoidal que viene de una polea del cigüeñal, por cadena o por engranajes. La capacidad de la bomba de agua debe ser suficiente para proporcionar la adecuada circulación del líquido refrigerante.

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Fig. 43. Bomba centrífuga de agua

En motores más pequeños, se emplean también impulsores flexibles (figura 44), fabricados de goma, más económicos y de sustitución más sencilla. Sufren un mayor desgaste debido al rozamiento con las paredes interiores del cuerpo

Fig. 44. Bomba de rotor flexible

Radiador. Los radiadores están diseñados para permitir una rápida disipación del calor y un buen flujo de aire a través del núcleo del radiador. El radiador se encarga de enfriar el líquido refrigerante lo suficiente para evitar que hierva y pueda seguir circulando por el sistema de refrigeración. Los factores que influyen para disipar el calor, además de la diferencia de temperatura entre el líquido refrigerante y el aire del ambiente, son la superficie frontal del radiador, la permeabilidad del radiador al líquido y al aire y la superficie de con tacto del líquido en la superficie radiante. Debido al bajo coeficiente de transmisión de calor entre la super ficie del radiador al aire, la superficie de transmisión debe ser grande y el flujo de aire turbulento. Un radiador consiste en dos tanques metálicos o de plástico conectados uno contra otro por medio de un núcleo que consiste en una serie de tubos delgados por donde pasa el agua, y aletas (figura 45) que direccional el aire proporcionándole el flujo turbulento necesario. El refrigerante fluye desde el tanque de entrada a través de los tubos al tanque de salida siempre que esté abierto el termostato en el motor. El tanque de entrada está equipado con un cuello llenador y un tapón del radiador, adicionalmente un tubo de sobre flujo, el cual permite que el exceso de presión escape al piso o al tanque de reserva del líquido refrigerante. Se construyen en aluminio, cobre o latón, siendo éste el más económico. Algunos radiadores poseen el tanque de entrada en la parte superior y el tanque de salida en la parte inferior; este tipo de radiador se denomina de flujo vertical. El radiador de flujo horizontal tiene un tanque a cada lado. El tanque de entrada está conectado al compartimiento del termostato, mientras que el tanque de salida está conectado a la entrada de la bomba de agua. Los tanques del radiador pueden ser de metal o de plástico y las mangueras se utilizan para unir el radiador al motor, para dar elasticidad al conjunto, absorbiendo las vibraciones, y se sujetan con abrazaderas metálicas a los tubos que salen de ambos elementos.

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Fig. 45. Radiador

Ventilador. Son los encargados de forzar la circulación del aire a través del radiador para que absorba el c alor procedente del agua de refrigeración. Su tamaño, diseño y velocidad de giro debe garantizar el caudal de aire suficiente para disminuir adecuadamente la temperatura del agua de refrigeración antes de volver al motor, independientemente de la velocidad de giro y la carga del motor. Según diseño, el ventilador puede estar accionado por el propio motor, acoplado al eje del cigüeñal, o por un motor eléctrico. Intercambiadores de calor. Se emplea en espacios donde no es posible el enfriamiento del agua por aire al no existir ventilación suficiente, como puede ser la sala de máquinas del barco. Está formado por un haz tubular cerrado en los extremos por dos placas taladradas, con tantos orificios como tubos hayan en el haz (figura 46).

Fig. 46. Haz tubular de un enfriador.

Todo ello está cubierto por una carcasa con las aberturas necesarias para el paso de ambos fluidos (figura 47). La unión entre el haz tubular y la carcasa está sellada por una junta tórica de goma, que proporciona estanqueidad al cerrar las tapas de los extremos. Uno de los fluidos para por el interior del haz tubular en doble etapa, es decir, hace un viaje de ida por el interior de la mitad de los tubos, y el de vuelta por la otra mitad, mientras que el otro fluido circula por el exterior del haz. Dentro del haz tubular, pero por fuera de los tubos existen unas placas deflectoras que producen en el fluido que circula por el exterior un flujo turbulento a la par que incrementa el tiempo de contacto con los tubos mejorando así la transmisión de calor.

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Fig. 47. Corte longitudinal de un intercambiador de calor tubular.

Estos intercambiadores utilizan como fluido enfriador el agua del mar, que circula por el interior del haz tubular, para absorber el calor del agua de refrigeración, por lo que deben ser construidos por materiales resistentes a la corrosión marina. El haz tubular suele estar fabricado de cobre o latón, que resisten la corrosión y tienen un buen coeficiente de transmisión de calor. La carcasa suele ser de acero, lo que hace necesario dotarla de ánodos de sacrificio para evitar su deterioro. Los intercambiadores necesitan ser limpiados periódicamente, pues el agua del mar deja depósitos de origen salino o incluso partículas que las bombas aspiran del fondo marino en el interior de los tubos, que pueden convertirse en incrustaciones. Para la limpieza es necesario abrir las dos tapas y pasar una larga varilla roscada por el interior de todos y cada uno de los tubos, empujando la suciedad hacia el otro lado. Posteriormente se hace pasar agua limpia. Antes de volver a cerrar las tapas, es necesario revisar el estado de las juntas, sustituyéndolas si fuera necesario. En el caso de que uno de los tubos se perforase, ante la dificultad de su reparación, la mejor opción es condenar dicho tubo por ambos lados con tapones. Termostato. Es un dispositivo sensible a la temperatura que regula la refrigeración del motor. Deriva parcial o totalmente el agua de refrigeración hacia el enfriador al alcanzar una determinada temperatura. Cuando el motor está frío, no permite el paso del agua al enfriador, obligándolo a circular entre el motor y la bomba. De esta manera el motor aumenta su temperatura de forma más rápida hasta alcanzar la temperatura ópti ma de funcionamiento (dato especificado por el fabricante). Esta temperatura permite una combustión más eficiente al facilitar la vaporización del combustible y su mezcla con el aire en el cilindro. También evita que un motor a una temperatura excesivamente baja absorba parte de la energía de la combustión para calentarse. A partir de cierto valor por debajo de la temperatura óptima de funcionamiento del motor, el termostato empieza a abrir permitiendo el paso gradual hacia el enfriador, con el fin de no sobrepasar dicha temperatura. Existen principalmente dos tipos de termostatos. El primero de ellos es del tipo que aprovechan la volatilidad de algunos líquidos por su elevada tensión de vapor. Este líquido se encuentra encerrado en una cápsula con forma de mu elle de latón. Al evaporar, el muelle se expande abriendo la válvula y permitiendo el paso del líquido de refrigeración al enfriador. El otro tipo es de cápsula de cera. Utiliza el alto coeficiente de dilatación de algunas ceras especiales que, al dilatarse, empujan un vástago que hace que la válvula abra (figura 48).

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Fig. 48. Válvula termostática cerrada (motor frío) y abierta (motor caliente).

Circuito de refrigeración. Consiste en un circuito cerrado donde el agua, impulsada por la bomba, entra en el motor por la zona inferior, el bloque, refrigerando los cilindros, y subiendo hasta llegar a la culata donde absorbe el calor generado en la cámara combustión y en la válvula de escape. A su salida pasa por el termostato el cual, en función de la temperatura del agua, la envía hacia la bomba o la deriva al enfriador, de donde retorna a la bomba para comenzar de nuevo el circuito

Fig. 49. Circuito de refrigeración de un motor.

Las bombas pueden estar acopladas al motor o ser independientes, movidas eléctricamente. Es recomendable disponer de más de una bomba, para que la instalación pueda seguir en funcionamiento si fallase. El depósito de reserva siempre estará situado en la parte alta del motor, o fuera de él pero siempre en un plano superior. Compensa las pérdidas por gravedad. Es necesario mantener vigilado siempre su nivel. Un descenso del nivel indica pérdida de agua de refrigeración por algún punto de la instalación, dentro o fuera del motor. Durante las rondas en la sala de máquinas, es importante observar con frecuencia la ins talación en busca de posibles pérdidas con una linterna

3.4 Sistema de lubricación. Cuando dos superficies en contacto se mueven una respecto a la otra, se produce una fricción. Esta fricción puede generar, por un lado que pequeñas partículas de dichos materiales se desprendan, desgastándose, y por otro lado causa un aumento considerable de temperatura alcanzado valores tales que los materiales puedan llegar a soldarse, produciéndose el gripaje. Este último efecto se acentúa aún más si existe una fuente de calor externa que hace que la temperatura suba mucho más, y más rápido aún, llegando a la temperatura de fusión de uno de los materiales. Esto sucede en el interior del motor, y más concretamente en puntos tales como los casquillos de bancada y biela y los apoyos del eje de camones, donde hay un movimiento rotativo; entre el pistón, aros y cilindro o camisa y en las guías de las válvulas, donde el movimiento es alternativo; bulón del pistón y ba 34 Julio César Merino Naranjo

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lancines, con movimiento oscilatorio. También se producen contactos de deslizamiento en los engranajes, y contactos de rodadura, como los rodamientos. Para evitar que esto ocurra se emplea la lubricación, que impide el gripaje y reduce hasta valores tolerables la fuerza de rozamiento y la energía disipada en él en forma de calor. La lubricación consiste en interponer entre las superficies metálicas una delgada película de lubricante sobre la cual resbalan, sustitu yendo el rozamiento entre los metales por el rozamiento interno del lubricante. La finalidad de la lubricación en los motores de combustión interna es la siguiente (figura 50): 1. Impedir el contacto directo entre partes acopladas en movimiento relativo. 2. Refrigerar las partes lubricadas. 3. Ayudar a la estanqueidad del pistón.

Fig. 50. Cometido de la lubricación en las diferentes partes del motor.

Se comprende que el lubricante será de calidad tal que resista las fuertes temperaturas del motor sin que se queme y sin que se rompa la película con las presiones de trituración de los cojin etes. Ello se consigue con los aceites minerales derivados del petróleo bruto. El lubricante más empleado es el aceite mineral, de un grado de viscosidad determinado y de elevada temperatura de inflamación. Ha de resistir grandes temperaturas sin llegar a quemarse. Denomina ción de aceites según la Society of Automotive Engineers, (S.A.E), de Estados Unidos: SAE-70 (espeso), SAE-60 (extra- denso), SAE-50 (denso), SAE-40 (semidenso), SAE-30-(semifluido), SAE-20-(fluido), las cuales se midieron a 100º C de temperatura. Más fluidos son los tipos “W” (winter), 20W (fluido) hasta –12º C, 10W (ligero) hasta –23º C, 5W entre –7º y – 34º C. Los factores principales que influyen sobre la lubricación, además de las características del lubricante, son las siguientes: 1. El acabado de las superficies en contacto. 2. La naturaleza y dureza de los materiales que componen las partes acopladas. 3. El huelgo existente en el acoplamiento. Una lubricación deficiente causa graves desgastes con deformación de las superficies del acoplamiento y aumento excesivo del huelgo, lo que dificulta el funcionamiento. 35 Julio César Merino Naranjo

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Un exceso de lubricante puede causar defectos en el encendido por exceso de suciedad en la b ujía en los motores de explosión y excesivos depósitos carbonosos y humo en el escape en todos los tipos de motores. Los residuos carbonosos se eliminan por medio del filtro. Las partes a lubricar en un motor son (figura 51): paredes del cilindro, pie de biela en su articula ción al bulón o en la de éste sobre los cojinetes del émbolo, cabeza de biela sobre el codo del cigüeñal, cojinetes de cigüeñal y árbol de levas; taqués, colas y guías de válvulas; balancines, engranajes, etc.

Fig. 51. Partes a lubricar en un motor

La bomba principal es la encargada de hacer circular el aceite por todo el circuito de lubricación. Aspira directamente del cárter y lo envía al filtro para retener las impurezas antes de e ntrar en el circuito, pasando por la válvula de seguridad que evita las sobrepresiones que puedan dañar el motor. A la salida del filtro se encuentra con el enfriador donde cede el calor absorbido en su circulación por el motor. El flui do refrigerante puede ser la propia agua dulce de refrigeración del motor o agua salada del mar. A partir de aquí ya se distribuye el aceite por los puntos a engrasar: cojinetes de apoyo del cigüe ñal y cojinetes de biela por el interior del eje de cigüeñales, bulón del pistón por el interior de la biela, pare des interiores de la camisa por medio de una cánula de engrase (figura 52), cojinetes de apoyo del eje de camones, taqués, balancines y guías de válvulas, y engranajes de la distribución. El aceite posteriormente retorna al cárter por gravedad escurriendo por los elementos lubricados. Otra bomba auxiliar envía el aceite a la reductora, de donde retorna al cárter después de haber lubricado.

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Fig. 52. Cánula de lubricación de la pared interior del cilindro.

3.4.1 Elementos del circuito de lubricación. Bomba de aceite. Las más usadas suelen ser la de engranajes externos, la de engranajes internos y la de lóbulos. Las bombas de engranajes externos (figura 53) son muy empleadas por su simplicidad y fiabilidad. Disponen de un mínimo de partes mecánicas. Uno de los engranajes está acoplado a la distribución del motor y el otro es arrastrado por el primero. Al girar, el aceite es aspirado y queda atrapado entre cada dos dientes y la carcasa, hasta que el giro del rotor lo comunica con la salida de la bomba. Proporcionan una elevada presión y ocupan un espacio pequeño.

Fig. 53. Bomba de engranajes exteriores

La bomba de rotor es también de piñones. El cuerpo de la bomba ubicada en el cárter de cili ndros, lleva en su interior un anillo loco con su eje excéntrico. El rotor interno que posee un diente menos que el externo, impulsa éste mediante un engranaje parcial, pero debido a la diferencia en el número de dientes de ambos, la velocidad de rotación del rotor externo es menor que la del rotor interno (figura 54).

Fig. 54. Bomba de engranajes interiores.

Ambos rotores están montados dentro del cuerpo de la bomba, cuyas más importantes características son las aberturas de admisión y de salida en forma de media luna. Un sistema de transmisión desde el árbol de levas hace girar el rotor interno, que a su vez hace girar el rotor externo. El aceite pasa a través de la abertura de admisión y queda atrapado entre los dientes opuestos y aumenta la presión hasta que el ori 37 Julio César Merino Naranjo

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ficio de queda expuesto. AI pasar el borde del rotor por el orificio de salida, el aceite es forzado a penetrar a presión en el sistema de lubricación. Cada espacio formado por los dientes repite el proceso y se crea así un flujo continuo. Cuando el motor gira el volumen A aumenta. El aumento de volumen crea una depre sión y el aceite es aspirado. Cuando el volumen es máximo no hay comunicación con el aceite que llega. Seguidamente el rotor continúa girando, el volumen A es puesto en comunicación con el orificio de salida, y el volumen comienza a disminuir. El aceite es evacuado a presión por el orificio de salida. De todos los ti pos de bombas de aceite, la bomba de rotor es la más eficaz. La bomba de lóbulos trabaja de forma similar a la de engranajes externos. Para reducir ruidos, el rotor tiene forma helicoidal (figura 55).

Fig. 55. Bomba de lóbulos helicoidales.

Filtro. Los filtros son instalados en los sistemas de lubricación con el fin de eliminar del aceite impurezas (partículas metálicas que proceden del rodaje de las piezas, partículas debidas a los residuos de la combustión y producto de alteración del aceite, etc.) las cuales pueden arañar las superficies por donde circule y causar un desgaste mayor del normal en los aros del pistón y en los cilindros, así como en los casquillos. El elemento filtrante puede estar constituido por una o varias mallas metálicas, o por un tejido, un cartucho de paño o papel poroso para retener impurezas de menor tamaño. Los filtros metálicos son lava bles tras un tiempo en uso. Para ello se extraen de su recipiente, se eliminan los residuos más gruesos a mano, y posteriormente se lavan con un disolvente que los deja totalmente limpios. El disolvente debe de jarse secar o ser secado con aire a presión en sentido inverso al flujo de aceite a través de él. Los filtros más gruesos se presentan normalmente en forma de cartucho (figura 56). No suelen ser lavables. Una vez se saturan deben ser sustituidos. Para ello, en los motores que pasan mucho tiempo en servicio continuo, los filtros deben estar por duplicado, de manera que con válvulas de corte podemos seleccionar uno de los dos, dejándolo en servicio, mientras que el otro queda fuera de servicio (figura 57), que será el que necesi te ser sustituido. La sustitución debe hacerse inmediatamente para evitar confusiones si hay un relevo del mecánico. Se purga totalmente el recipiente antes de su apertura, se abre y se retira el cartucho sucio. Se limpia el interior del recipiente con un paño, evitando la estopa por la cantidad de hilos que deja, y se colo ca el cartucho nuevo, prestando atención a las juntas. Para evitar que éstas se muevan al ser colocadas, se pueden untar en aceite limpio. Se quedan adheridas al sitio. Se cierra, se llena de aceite, y queda listo para el servicio. El recipiente de estos filtros lleva incorporado una válvula de seguridad que, en caso de satur ación de impurezas con el consiguiente aumento de la diferencia de presión a la entrada y salida del filtro, abre comunicando la entrada con la salida permitiendo el paso del aceite sin filtrar, con el fin de evitar la rotura del filtro y el arrastre de toda la suciedad acumulada hacia el interior del motor.

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Fig. 56. Filtro de cartucho.

Fig. 57. Sistema de filtros duplicados.

Existen también otro tipo de filtros mecánicos formado por un cilindro de láminas metálicas con un eje en el centro, entre las que hay otras láminas que están fijas al cuerpo (figura 58). El esp acio entre las láminas es de décimas de milímetro. El aceite, al atravesar el filtro, deja los residuos sólidos atrapados en tre las láminas metálicas. Cuando se satura el filtro, se hace girar el eje del cilindro de láminas arrancando la suciedad que se queda entre ellas. Esto permite mantener el filtro operativo durante más tiempo antes de su limpieza.

Fig. 58. Filtro mecánico autolimpiable.

Válvula de seguridad. 39 Julio César Merino Naranjo

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De acuerdo con las bombas de aceite tratadas anteriormente la presión del aceite depende directamente de la velocidad de rotación del motor y de la viscosidad del aceite. En el motor no es conveniente que aumente demasiado la presión del aceite, ya que puede producir fuertes proyecciones de aceite sobre la parte inferior de las camisas; provocando un consumo alto de aceite, daño de la bomba o rotura del sistema de arrastre de la bomba y de otro modo también puede existir una falta de presión de salida. Por estos motivos se suele utilizar un limitador de presión, válvula de desahogo o válvula de des carga (figura 59). El limitador de presión puede ir situado en la salida de la bomba o en un punto próximo del conducto principal de lubricación. El limitador de presión está constituido por una válvula a bola, la cual es mantenida sobre su asiento por un resorte. Cuando la presión es inferior a la tensión del resorte la vál vula esta cerrada. Cuando la presión es superior a la tensión del resorte, la válvula se abre y se descubre un orificio que permite al aceite retornar al cárter, por lo tanto la presión disminuye.

Fig. 59. Válvula de seguridad por sobrepresión.

Enfriador de aceite. Se trata de un intercambiador de calor tubular en la mayoría de los casos, entre el aceite y agua, dulce o salada, según la instalación. El aceite tras circular por el motor, sobre todo al pasar por el pistón, absorbe una gran cantidad de calor, lo que hace subir su temperatura. La subida de temperatura produce la caída de la viscosidad, perjudicando la propiedad lubricante a partir de cierto valor. Una temperatura excesiva del aceite también produciría la degeneración del mismo, quemándose y generando residuos sólidos que pueden obstruir los conductos por donde pasa y depositarse en determinadas partes del motor formando una costra dura y difícil de eliminar, sólo por métodos físi cos. Y lo más peligroso: genera vapores inflamables en el interior del motor, sobre todo en el cárter, por encontrarse a presión atmosférica, siendo necesario instalar en motores de cierto tamaño válvulas de seguri dad que evacuen ese exceso de vapores, o un sensor de niebla que obligue a parar el motor. Al igual que en el enfriador de agua de refrigeración, consiste en un haz tubular con dos placas perforadas en sus extremos, con tantos orificios como tubos tiene el haz (figura 60). A lo largo del haz exis ten unas placas deflectoras que generan un flujo turbulento en el aceite e incrementan el tiempo de contac to para mejorar la transferencia de calor. Por el interior de los tubos circula el agua en dos etapas, hacien do un camino de ida y vuelta, aprovechando la diferencia de temperatura durante más tiempo.

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Fig. 60. Intercambiador de calor.

3.4.2 Circuito de lubricación. En motores marinos de gran tamaño, es posible encontrarse que el cárter no lo forma la propia estructura del motor, sino que puede ser un depósito del propio buque alojado debajo de los polines, de don de el aceite lo aspira la bomba y cae de vuelta por gravedad. Las bombas pueden estar acopladas mecánicamente al motor o ser bombas eléctricas independientes del mismo. Es necesario disponer, como míni mo, de dos bombas, por si una de ellas falla. Al tratarse de un circuito de vital importancia para el funcionamiento y la vida del motor, está provisto de un sistema de alarma en caso de caída de la presión. Dicho sistema de alarma está formado por un presostato, que cierra un contacto eléctrico cuando la presión baja de cierto valor, un zumbador y una luz piloto. En caso de que salte la alarma, es necesario detener el motor cuanto antes para evitar que gire sin lubricación. El cárter necesita ser sondado con periodicidad verificando que su nivel se mantiene o que, al m enos, las pérdidas son admisibles. Durante las rondas en la sala de máquinas, es importante tener controla do el manómetro que mide la presión del aceite lubricante y observar con frecuencia la instalación en bus ca de posibles pérdidas con una linterna, así como manchas en la sentina bajo el motor y la línea de acei te.

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3.4.2 El aceite lubricante. Los lubricantes vienen definidos por una serie de características que los hace idóneos para la pr oteger el motor de su propio funcionamiento: 1. Viscosidad: es la resistencia interna de un fluido. Es una propiedad fundamental para la lubrica ción. La viscosidad ideal varía en función de la dureza del trabajo. Un valor de la viscosidad demasiado alto requeriría una elevada energía para su bombeo al tener un rozamiento elevado. También generaría una elevación de la temperatura indeseable por el mismo motivo. En cambio, si el valor es demasiado bajo, se perdería la propiedad lubricante al romperse fácilmente la película que separa las superficies. La viscosidad varía con la temperatura, disminuyendo según ésta aumenta, y viceversa. 2. Índice de viscosidad: es la variación de la viscosidad con la temperatura. Si el valor es bajo, la viscosidad será muy elevada a bajas temperaturas, y bajará mucho al calentarse, lo cual dificultará el arranque en frío y comprometerá la lubricación en caliente. Para motores, lo ideal es un índice de viscosi dad bajo, que facilite el arranque en frío y mantenga las propiedades lubricantes en caliente. 3. Punto de inflamabilidad y grado de carbonización: debido a las altas temperaturas a las que está sometido el aceite lubricante, sobre todo a la hora de lubricar y refrigerar el cilindro y el pistón, despide vapores inflamables con riesgo de producir un incendio en el interior del motor. Por lo tanto, es necesario que el punto de inflamabilidad (temperatura a la que el aceite empieza a emitir vapores inflamables) sea lo más alto posible. Cuando el aceite se quema en el interior del cilindro, es importante que genere la menor cantidad posible de residuos sólidos porque reducen la capacidad lubricante del aceite restante y porque forma incrustaciones en la cámara de combustión y en las válvulas, creando puntos incandescentes que favorecen el autoencendido y la detonación. También se producen residuos gomosos que dejan pegados los aros en sus cajeras en los pistones. 4. Punto de congelación: es la temperatura a la que el aceite lubricante empieza a cristalizar por bajas temperaturas. Interesa que sea lo más bajo posible a fin de permitir el funcionamiento a bajas tempe raturas. 5. Grado de acidez y oxidación: el aceite debe estar exento de ácidos que puedan corroer las superficies metálicas que debe proteger, pero es algo inevitable debido a la propia circunstancia del aceite base y de los aditivos. La acidez del aceite aumenta con el uso debido a la oxidación y a las altas tempera turas. Los aceites de mayor uso en motores de combustión interna son aceites de base mineral a los que se le han agregado aditivos para mejorar sus propiedades. Los aditivos son productos químicos añadidos a los aceites base obtenidos del petróleo que mejoran algunas de sus propiedades, agregan otras que no tienen o reducen el efecto de otras que son perjudi 42 Julio César Merino Naranjo

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ciales, para lograr un aceite lubricante que cumpla perfectamente con la misión, prestaciones y necesida des que debe realizar en el motor. Los aditivos se añaden a los aceites lubricantes base en muy diversas proporciones, desde partes por millón hasta un 20% en peso, de algunos aceites de motor, aumentando su número en función de las características exigidas en las especificaciones del lubricante. Cada aditivo tiene una o varias misiones que cumplir, clasificándose como unifuncionales o multifuncionales. Con ellos se pretenden alcanzar varios objetivos: 1. Limitar el deterioro del lubricante a causa de fenómenos químicos ocasionados por razón del entorno o actividad. 2. Proteger la superficie lubricada de la agresión de ciertos contaminantes. 3. Mejorar las propiedades físico-químicas del lubricante o aportar otras nuevas. 4. Aumentar la protección del motor, alargando su vida útil. 5. Mantiene durante más tiempo el rendimiento mecánico del motor.

3.5 Sistema de alimentación de aire. Tiene la misión de introducir en el motor el aire para la combustión en condiciones óptimas de li mpieza, presión y temperatura. En función del tipo de sistema de alimentación, los motores se pueden clasificar en atmosféricos y sobrealimentados. En los motores atmosféricos, el aire entra a través de un filtro que retiene las impurezas procedentes de la atmósfera (polvo, contaminación, polen,...), pasa por el colector de aspiración y entra en el cilin dro. El aire se mueve únicamente por efecto de la aspiración producida por el cilindro en la etapa de aspiración. Ya en el interior del cilindro se mezcla con el combustible para producir la combustión. En los motores sobrealimentados, el aire entra movido por un turbocompresor que proporciona una cantidad mayor de aire, mejorando la calidad de la combustión e incrementando la potencia del motor.

3.5.1 Sobrealimentación en los motores de encendido por compresión. En los motores de 2 tiempos, la sobrealimentación es indispensable para un correcto funcionamiento del motor, mientras que en los de 4 tiempos, se emplea principalmente en motores de elevada potencia. La sobrealimentación consiste en introducir una cantidad de aire en los cilindros superior a la que aspiraría de forma natural. La utilización de la sobrealimentación se fundamenta en la mejora de la combustión del motor, debido a un mayor llenado del aire en los cilindros, lo que provoca un aumento de poten cia, un menor consumo específico y una menor contaminación. La finalidad de la misma puede ser: 1. Aumentar la presión de alimentación que ha descendido por condiciones de operación. Se aplica en motores de aviación y para motores que operan en condiciones de baja presión atmosférica, como por ejemplo, a elevada altitud. 2. Aumentar la potencia por unidad de cilindrada, aumentando la cantidad de fluido activo respecto a la aspiración atmosférica. La sobrealimentación la proporciona un compresor normalmente del tipo centrífugo, lo que suministra un gran caudal, alimentando con un gran exceso de aire, y con la mayor turbulencia posible. Esto es precisamente lo que hace el compresor, aún con un mayor caudal de inyección, caudal quemando la ma yor parte de combustible obteniendo un incremento notable de potencia que puede llegar al 40%. El compresor puede ser accionado por una fuente de energía externa o bien por el propio motor que se pretende sobrealimentar. Para aprovechar la energía que aún tienen los gases de escape a la salida del motor, se utilizan éstos para mover el compresor. Los de este tipo se denominan turbocompresores. Para evitar presiones excesivas en el tiempo de compresión debido a la sobrealimentación, es necesario reducir la relación de compresión de los cilindros, lo cual produce una disminución del rendimiento 43 Julio César Merino Naranjo

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térmico del motor. Pero por otro lado, el aumento de presión, junto con la mayor masa de aire que se intro duce en el motor, produce una mejora notable en el rendimiento térmico. También se produce una mejoría del rendimiento volumétrico causado por la evacuación forzada de los gases procedentes de la combustión, tanto en los motores de 2 tiempos al mejorar el barrido, como en los de 4 tiempos, recordando que la apertura de la válvula de aspiración se produce antes del cierre de la válvula de escape. En ese instante, entra el aire fresco ligeramente presurizado empujando a los gases de escape a salir. Uno de los factores fundamentales del buen funcionamiento del motor Diésel es el exceso de aire: a mayor exceso, más fácil se obtendrá una combustión total del combustible. La sobrealimentación permite tener el exceso de aire necesario, teniendo la ventaja de permitir el uso de combustibles de inferior calidad y por lo tanto, más económicos.

3.5.2 Circuito de sobrealimentación por turbocompresor. Describiremos el circuito siguiendo el flujo de aire fresco de alimentación, posteriormente haremos lo mismo con el flujo de los gases de escape (figura 61).

Fig. 61. Circuito de sobrealimentación por turbocompresor.

Filtro de aire de alimentación. Tienen la misión de retener las impurezas del aire atmosférico (polvo, polen, contaminación,...) antes de su entrada en el motor. Estas impurezas pueden depositarse en los asientos de las válvulas de aspi ración, impidiendo un cierre estanco y produciendo erosiones el los asientos; también pueden entrar en el cilindro quedando atrapadas entre éste y el pistón, erosionando las paredes, generando más partículas sólidas. En caso del polvo, mezclado con el aceite lubricante pueden formar fangos en el mismo cilindro comprometiendo la lubricación. Se colocan en la aspiración del turbocompresor (figura 62) en un soporte en forma anular que forma parte del mismo turbocompresor, rodeado de una cubierta en forma de rejilla desmontable. Los filtros normalmente están formados de una malla tupida o paño de tejido similar a la lana. Suelen ser lavables, en el caso de motores de tamaño mediano y grande. Para ello, se desmonta la rejilla exterior, se extrae el ele mento filtrante y se lava en algún líquido disolvente. La suciedad retenida en el filtro de aire tiene una con sistencia grasienta debido a los vapores de aceite y combustible que hay en el interior de la sala de máquinas, por lo que se puede utilizar el propio gasóil para su limpieza, dejándolo secar bien antes de volver a montarlo. Es recomendable tener más de un juego de paños para sustituir y que el motor vuelva a estar en funcionamiento mientras se realiza la limpieza.

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Fig. 62. Filtro de aspiración montado a la entrada de aire en el turbocompresor.

Turbocompresor. Es el componente que se encarga de incrementar el caudal y la presión del aire de entrada a los cilindros. Es quien nos va a proporcionar la sobrealimentación. Está formado por un compresor rotativo rodeado por una carcasa en forma de caracol, movido a través de un eje que por otro lado dispone de una turbina, también rodeada por una carcasa en forma de caracol (figura 63).

Fig. 63. Turbocompresor

El compresor es accionado por la turbina que utiliza para ello la energía procedente de los gases de escape que le llegan a través del colector de escape (figura 64). Estos gases salen de los cilindros con una presión aproximada entre los 2 y los 4 kg/cm 2 y con una temperatura que ronda los 300-500 grados centígrados en los motores grandes y medianos. Esta energía es la que mueve la turbina. Una vez que los gases hayan hecho girar la turbina, salen al exterior por la chimenea. Este tipo de accionamiento sale gra tuito, puesto que la contrapresión que ofrece la turbina a la salida de los gases roba al motor una pequeña fracción de su potencia, lo que resulta sobradamente compensada por la sobrealimentación. 45 Julio César Merino Naranjo

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Fig. 64. Accionamiento de la turbina por los gases de escape y entrada del aire.

El compresor es del tipo centrífugo, es decir, aspira el aire por el centro, de forma axial, y lo impulsa de forma radial, perpendicular al eje de giro. Está formado por un plato atravesado por el eje, sobre el que hay unas paletas o álabes que son los que desplazan al aire (figura 65). Levantan una presión que ronda 1 kg/cm2

Fig. 65. Compresor centrífugo.

Al otro lado del eje se encuentra la turbina, compuesta de un disco de álabes orientados en un cierto ángulo respecto al plano del disco. Recibe los gases procedentes del colector de escape de forma tangencial debido al diseño de la carcasa en forma de caracol, éstos la hacen girar y posteriormente son eva cuados por el centro hacia la chimenea. Este hecho hace que la sobrealimentación sea proporcional al ré gimen de funcionamiento del motor. Con este giro, por medio del eje, mueve al compresor. Debido a las altas temperaturas y al elevado régimen de revoluciones del turbocompresor (desde las 10.000 r.p.m. en los motores grandes hasta superar las 100.000 en los pequeños y rápidos), es imprescindible dotarlos de un eficiente sistema de lubricación en los apoyos del eje. El eje se apoya en el turbocompresor por medio de cojinetes o rodamientos (turbos muy pesados) en sus extremos y está en contacto con el circuito de engrase para conseguir un perfecto movimiento del eje y una refrigeración debido a las altas temperaturas. La falta de una lubricación correcta puede provocar la destrucción del turbo en cuestión de minutos. De forma resumida se puede decir que al aceite que pasa por el turbo se le asignan dos principales tareas: – Establecer una pantalla de estanqueidad entre los gases de escape, el aire introducido y las partes internas del turbocompresor. 46 Julio César Merino Naranjo

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– Transportar una parte muy elevada del calor cedido por los gases de escape a la turbina. Rebaja en unos 200º C las partes del turbo que están en contacto con el aceite. Para garantizar siempre la lubricación de los cojinetes, el motor no debe pararse inmediatamente después de haber efectuado recorridos a alta velocidad, recomendándose mantener el motor en ralentí du rante un breve espacio de tiempo. El funcionamiento al ralentí hará que los gases de escape tengan una menor temperatura que el turbocompresor, de manera que al pasar por él lo refrigerarán. De lo contrario, su temperatura será excesiva produciendo la degradación del aceite lubricante. Por otra parte, si las paradas son repetitivas con el motor en caliente se ocasionarán erosiones y desprendimientos de incrustaciones de las paredes del cuerpo central. Existen dos tipos principales de lubricación del turbocompresor. Uno de ellos consiste en formar parte del circuito de engrase general del motor, de donde una derivación del aceite llega hasta los cojine tes. Se aplica en los motores pequeños. El otro consiste en un cárter en el mismo turbocompresor que al girar hace que todas las piezas se lubriquen. Estos turbocompresores disponen de un visor de vidrio para controlar el nivel de aceite en su interior. El aceite necesita ser cambiado con la periodicidad que indique el fabricante del turbocompresor o del aceite. Enfriador de aire de alimentación. Tanto por el efecto de la compresión como por el contacto con el rotor del compresor, el aire de so brealimentación aumenta de temperatura incrementando la carga térmica sobre los elementos del motor afectados por la combustión, como el pistón, aros, inyector, válvulas, lo que limita la presión de sobrealimentación. Por otro lado, el aumento de temperatura disminuye la densidad de los gases, de manera que para un mismo volumen, es menor la cantidad de aire que entra en el cilindro, y por lo tanto se produce una disminución de rendimiento térmico al no aprovecharse adecuadamente la combustión. Con una adecuada refrigeración, reducimos la temperatura del aire de sobrealimentación permitiendo una mayor presión, así como la entrada de una mayor cantidad de aire en una misma cilindrada.

Fig. 66. Enfriador del aire de sobrealimentación.

El enfriador va instalado justo después del turbocompresor (figura 66), de donde sale el aire de alimentación a una temperatura excesivamente alta. En su interior se pone en contacto térmico con el agua de refrigeración en un sistema similar al de los enfriadores de aceite de lubricación y de agua de refrigeración del motor. Posteriormente, a su salida, el aire entra en el colector de aspiración, por donde entrará a los cilindros en la etapa de aspiración (figura 67).

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Fig. 67. Circuito del sistema de refrigeración del aire de alimentación.

Regulación de la presión de sobrealimentación. La regulación de la presión de sobrealimentación permite suministrar al motor una presión límite variable de sobrealimentación, la cual está acorde con las condiciones de trabajo, tanto de solicitud de car ga como a las climatológicas, temperatura del aire y presión atmosférica. Para ello, el turbocompresor dis pone de una válvula mecánica wastegate encargada de regular la presión de soplado del mismo (figura 68). Esta válvula está situada en derivación (by-pass) con el conducto de escape. Está constituida por una cápsula sometida a la presión de sobrealimentación, una membrana y una cámara de presión con un muelle tarado. El accionamiento de esta válvula puede ser de tipo neumático o eléctrico.

Fig. 68. Válvula wastegate para el control de la presión.

– Regulación de la presión por accionamiento neumático (figura 69). Durante el funcionamiento del motor en ralentí o carga parcial la velocidad de los gases de escape es moderada creando una presión de sobrealimentación en el tubo (1) que es incapaz de abrir la válvula (4). Cuando el motor gira a plena carga (elevadas revoluciones) la presión en el colector de admisión supera unos valores preestablecidos. Esta presión de soplado se transmite del colector de admisión a la válvula wastegate a través del tubo de cone xión, que hace desplazar la membrana (2) y esta, a su vez, comprime el muelle (3) de la válvula (4) despla zándola de su asiento. En esta situación parte de los gases de escape dejan de fluir por la turbina del turbocompresor, reduciéndose el efecto del compresor y disminuyendo la presión de alimentación en el lado de admisión.

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Fig. 69. Accionamiento neumático de la válvula wastegate.

– Regulación de la presión por accionamiento eléctrico (figura 70). La única diferencia con el sistema neumático es que se ha instalado una electroválvula de regulación intercalada en el tubo de unión entre el colector y la válvula mecánica. Esta electroválvula para limitación de la presión de sobrealimentación es excitada por la unidad de control del motor y la señal que reciba va a variar en función de las señales que llegan a la unidad de control, como las revoluciones del motor, temperatura del aire aspirado, presión en el colector de admisión, posición del pedal del acelerador y transmisor altimétrico. Está compuesta por un bobinado eléctrico (3) que controla la posición de un inducido constituido por un émbolo (2) que, al desplazarse, puede cerrar el paso permanente que se establece entre A (colector de admisión) y B (conducto hacia la wastegate). Según el valor de la corriente recibida en el bobinado, el émbolo pasa a cerrar el conducto A y a establecer el paso directo entre C (presión atmosférica) y B. La presión de control con que se acciona la válvula wastegate viene determinada por la proporción de periodo de la señal. De esta forma se gestiona la cantidad de caudal de gases de escape que pasa a accionar la turbina del turbocompresor.

Fig. 70. Accionamiento eléctrico de la válvula wastegate.

La presión de control se obtiene por medio de la combinación de la presión atmosférica y la pre sión de sobrealimentación. Cuando el motor gira a bajas y medias revoluciones (figura 71), la electroválvula de control deja pasar la presión de sobrealimentación que hay en el colector de admisión (conducto después del compresor) directamente hacia la válvula wastegate, cuya membrana es empujada para provocar la apertura de la vál 49 Julio César Merino Naranjo

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vula, pero esto no se producirá mientras que no se supere una presión de soplado suficiente para vencer la fuerza de tarado del muelle de la válvula. Si las revoluciones aumentan demasiado, la fuerza de soplado abrirá la válvula y disminuirá el paso de gases de escape por la turbina, es decir, se disminuirá la sobrealimentación. También puede ocurrir que la unidad de control considere que la presión en el colector puede sobrepasar ciertos límites de funcionamiento (circulación en altitud, elevada temperatura ambiente o aceleraciones fuertes) sin que esto sea un riesgo para el motor. Para ello actuará sobre la electroválvula y comunicará el conducto de presión atmosférica situado antes del compresor (colector de admisión) con el de la válvula wastegate, manteniéndose esta cerrada por no vencerse la presión del muelle, y provocando un aumento de la sobrealimentación al entrar en contacto todos los gases con la turbina.

Fig. 71. Funcionamiento de la válvula wastegate con accionamiento eléctrico.

3.6 Sistema de alimentación de combustible. Se denomina combustión al fenómeno por el cual un combustible se combina con el oxígeno del aire con producción de luz y calor. La combustión no es más que una oxidación que toma ese nombre a partir de ciertas velocidades de reacción, cuando estas velocidades sobrepasan también un cierto límite el fenómeno de la combustión deja de llamarse así y en su lugar decimos que se ha producido una explosión. Para que exista combustión no basta solo la presencia del combustible y el oxígeno, sino que además es necesario que la temperatura alcance un valor mínimo por debajo del cual las reacciones no se producen. El estudio de la combustión es fundamental en el conocimiento de los motores para saber que ocurre cuando una cierta cantidad de combustible se combina con el oxígeno en el interior del cilindro. Es necesario que el combustible esté lo más finamente pulverizado cuando entra en contacto con el aire para que la mezcla sea óptima y la superficie de absorción del calor sea lo mayor posible. Los fenómenos ocu rren de forma diferente según el tipo de motor y ello es una de las características principales que los dife rencian. En el capítulo anterior vimos el sistema de alimentación de aire. Ahora veremos cómo se suministra el combustible desde el depósito hasta el motor en las condiciones idóneas para la combustión.

3.6.1 Circuito de baja presión. Está formado por el depósito, un filtro de malla para eliminar las partículas gruesas, la bomba de alimentación para hacer circular el combustible desde el depósito hasta el circuito de alta presión, los filtros finos para un mejor filtrado del combustible, una válvula de presión que mantiene el circuito a una presión suficiente para alimentar la bomba de inyección y evitar la entrada de aire, y una conexión hacia la bomba de inyección (figura 72).

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Fig. 72. Circuito de baja presión de alimentación de combustible.

Bomba de alimentación. Esta bomba va integrada en la bomba de alta presión y presenta un accionamiento común con ella, o bien esta fijada directamente al motor y tiene un accionamiento propio. Las formas de accionamiento convencionales son acoplamiento, rueda dentada o correa dentada. Los elementos constructivos esenciales son dos ruedas dentadas que giran en sentido opuesto y que engranan mutuamente, transportando el combustible en los huecos entre dientes, desde el lado de aspiración al lado de impulsión (figura 73). La línea de contacto de las ruedas dentadas permite la estanquei dad entre el lado de aspiración y el lado de impulsión, e impide que el combustible pueda fluir hacia atrás.

Fig. 73. Bomba de engranajes de alimentación de combustible.

El caudal de suministro es aproximadamente proporcional al nº de revoluciones del motor. Por este motivo, la regulación del caudal, se realiza bien por regulación de estrangulación en el lado de aspiración, o bien por una válvula de descarga en el lado de impulsión. La bomba de combustible de engranajes funciona exenta de mantenimiento. Para la purga de aire del sistema de combustible en el primer arranque o si se ha vaciado el depósito de combustible, puede disponer de una bomba manual (figura 74) bien directamente en la bomba de combustible de engranajes, o bien en la tubería de baja presión. Para realizar el purgado, deben abrirse conexiones que pongan en con tacto al combustible con el aire, siempre a la descarga de la bomba manual, permitiendo que salga el aire. Cuando empiece a salir el combustible, queda cebado el tramo entre la aspiración del tanque hasta el pun to en el que se abrió la conexión. Normalmente, los puntos que se abren para el purgado son el filtro fino y la entrada a la bomba de inyección. En este último caso, la purga puede estar en la misma bomba de inyección. Filtro de combustible. Está ubicado entre la bomba de alimentación y la bomba de inyección. Debe ser capaz de retener todas las partículas por pequeñas que sean. Debido a las características de la bomba de inyección y del in yector, es necesario que el combustible quede totalmente limpio. Para cumplir con su cometido, debe caracterizarse por tener una gran superficie de filtrado, ofrecer la menor resistencia posible al paso del combustible, tener un reducido volumen y ser duradero y de fácil extracción y limpieza. 51 Julio César Merino Naranjo

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Fig. 74. Detalle de la bomba de cebado manual.

Los filtros están formados por el recipiente (figura 75), con un conducto de entrada y de salida del combustible filtrado, en cuyo interior se encuentra el elemento filtrante, normalmente formado por anillos de fieltro o de papel plegado, lo que proporciona una mayor superficie de filtrado con un menor volumen. El elemento filtrante es de forma cilíndrica con un orificio central donde se sitúa el conducto de salida hacia la bomba de inyección. El combustible circula de fuera hacia dentro. En la tapa hay un tornillo de purga para eliminar el aire del circuito, tal y como se explicó anteriormente.

Fig. 75. Filtro de combustible

En el conducto de retorno del exceso de combustible existe una válvula antirretorno con un muelle tarado para asegurar la presurización del sistema y que el gasóil llegue a la bomba de inyección y evitar la entrada de aire del exterior al ser la presión en el interior superior a la exterior.

3.6.2 Circuito de alta presión. Este circuito, que recibe el combustible a la presión tarada en la válvula reguladora de presión del circuito de alimentación, está formado por una bomba de inyección, que comprime el combustible a presión que en algunos motores llega a superar los 1.250 bares, y lo envía por medio de unas finas tuberías de acero, una por cilindro, las cuales hacen llegar el combustible a presión a los inyectores, por medio de los cuales es inyectado al interior del cilindro al final de la etapa de compresión para su combustión (figura 76).

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Fig. 76. Circuito completo de un sistema de alimentación e inyección: 1. Bomba de inyección (6 cilindros), 2. Variador del adelanto, 3. Vástago de regula ción, 4. Regulador centrífugo, 5. Inyector, 6. Tanque de combustible, 7. Bomba de alimentación, 8. Filtro principal.

El motivo de la alta presión que produce la bomba de inyección es, por un lado, vencer la presión del interior del cilindro, y por otro, la de producir una pulverización lo más fina posible que permita una m ejor y más rápida combustión. Debido a la precisión de funcionamiento y a los ajustes entre los elementos constituyentes de la bomba de inyección y de los inyectores, para el correcto funcionamiento de los mismos es imprescindible un filtrado lo más fino posible del combustible para eliminar todas las partículas sólidas que se encuentren en suspensión. Para permitir el purgado entre la bomba de inyección y los inyectores, se desenrosca el tubo de alta presión que va desde la bomba de inyección hasta el inyector y se hace girar el motor. Éste acciona la bomba de inyección que envía el gasoil hacia los inyectores. En cuanto empieza a salir el gasoil por todos los tubos, ya hemos purgado el sistema. Para eliminar el aire del inyector, hay que mover el motor con su motor de arranque, hasta que se pone en marcha. Entonces se considera purgado.

3.6.3 Sistema de inyección del combustible. Se trata de introducir en la cámara de combustión del motor diésel el combustible adecuado, en el momento oportuno, en la cantidad precisa, y repartido en el espacio de la cámara y en el tiempo de inye cción, con suficiente homogeneidad. Debe satisfacer las siguientes condiciones: 1. Suministrar a cada cilindro y para cada ciclo la cantidad de combustible necesaria a la carga y a la velocidad del motor. 2. Introducir el combustible en el instante justo. Si se adelanta mucho respecto al P.M.S. la tempe ratura y la presión del aire en la cámara de combustión no son todavía suficientes para determinar el encendido. Cuando la inyección se retrasa, una parte del combustible se quema durante la carrera de expan sión reduciendo la potencia del motor y aumentando el consumo, lo que produce un calentamiento excesi vo del motor y humos en el escape. 3. Graduar la introducción del combustible. Un exceso en la inyección del combustible implica la presencia de restos de combustible inquemado en el escape al ser necesaria una mayor cantidad de aire que la que dispone en el interior del cilindro, lo que reduce notablemente el rendimiento. También implica un aumento de la temperatura del escape al prolongarse demasiado la combustión. Por el contrario, un defecto en la cantidad de combustible inyectado implica baja potencia. 4. Pulverizar el combustible lo máximo posible para facilitar el encendido. 5. Proporcionar al combustible la energía necesaria para entrar en el cilindro en el momento de máxima compresión. 6. Difusión máxima del combustible pulverizado en el interior del cilindro para optimizar la reacción con el oxígeno evitando que quede aire no usado.

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Los principales componentes del sistema de inyección del combustible son la bomba de inyección y el inyector (figura 77).

Fig. 77. Bomba de inyección e inyector.

Bomba de inyección. Transforma la energía mecánica del motor en presión de combustible y lo envía a los inyectores para que sea introducido en el cilindro en la cantidad necesaria en el momento adecuado. Están acoplados al eje de cigüeñal por medio de un engranaje. Son siempre del tipo de émbolo y disponen de uno por cilin dro del motor. En motores pequeños y medianos, la bomba es de un solo cuerpo y aloja en su interior to dos los émbolos, de donde sale el tubo de inyección hacia el inyector. En motores grandes, las bombas son unitarias, cada una lleva un pistón y son individuales para cada cilindro (figura 78).

Fig. 78. Bomba de inyección individual.

El movimiento del émbolo se obtiene por medio de un eje de camones que a su vez está acoplado al eje de cigüeñal (figura 79). El orden de accionamiento de los émbolos está coordinado con el orden de encendido del motor.

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Fig. 79. Elemento de bomba de émbolo rotativo: 1 Eje de camones accionado por el motor. 2 Taqué. 3 Muelle del émbolo y taqué. 4 Rueda dentada de regulación. 5 Eje de la cremallera de regulación. 6 Cuerpo de la bomba. 7 Orificios de alimentación y reflojo. 8 Émbolo con canal helicoidal. 9 Válvula de descarga. 10 Tubo de inyección.

El eje de camones empuja el taqué, que transmite su movimiento al émbolo venciendo al resorte. El interior de la cámara formada por el cilindro y el émbolo está llena de combustible procedente de la bomba de alimentación y del filtro. El émbolo al subir eleva la presión del gasóil y éste vence la oposición de la válvula de descarga, de manera que sale por el tubo de inyección a alta presión con destino al inyector. El émbolo tiene una forma muy particular (figura 80). En la carrera ascendente el émbolo devuelve primeramente al conducto de llegada una parte del combustible, hasta que los orificios de alimentación son cerrados por el mismo émbolo. En este punto, donde el émbolo se mueve a gran velocidad, se ha iniciado el envío del combustible al inyector a través de la válvula de descarga. El envío cesa cuando uno de los orificios de alimentación es descubierto por el canal helicoidal existente en el émbolo. En esta posición, el combustible contenido en la parte superior del cilindro puede volver al orificio de alimentación a través de un canal vertical practicado en el émbolo. Para la regulación de la cantidad de combustible es suficiente gi rar el émbolo respecto al cilindro de moto que el orificio de alimentación sea descubierto por el canal heli coidal después que el émbolo ha desplazado el volumen de líquido deseado.

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Fig. 80. Bombeo del combustible por el elemento de la bomba.

La válvula de descarga situada en la parte superior del cilindro (figura 81) tiene la función de hacer descender instantáneamente la presión en el tubo de descarga y, por tanto, de interrumpir con prontitud la inyección para evitar el goteo del inyector. Por ello, la válvula está provista, debajo de su asiento cónico, de una parte cilíndrica en forma de anillo, con lo que se consigue que al final de la descarga, al retroceder hacia su asiento, aumente el volumen permitiendo una despresurización del tubo de inyección impidiendo que se descargue por el inyector un exceso de combustible.

Fig. 81. Válvula de descarga.

La regulación del caudal se realiza por medio de una única cremallera longitudinal engranada a to das las ruedas dentadas permitiendo que dicha regulación sea simultánea. La cremallera se mueve de forma longitudinal accionada por el mando de variación de la velocidad del motor o por la acción correctora del regulador. Este movimiento hace girar la rueda dentada que a su vez mueve al pistón variando la posición relativa entre el canal helicoidal y las lumbreras de entrada (figura 82).

Fig. 82. Movimiento rotativo del pistón por medio de cremallera.

Fig. 83. Regulación del caudal de combustible inyectado en el cilindro.

La cantidad de combustible introducido viene dada por la distancia entre la cabeza del pistón y el canal helicoidal que está enfrentado a la lumbrera de entrada (figura 83). En el momento en que la cabeza del pistón cierre la lumbrera, el combustible se envía al inyector. Y esto se produce hasta que el canal vuel 56 Julio César Merino Naranjo

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ve a abrir la lumbrera, momento en que se produce el retorno del combustible. La forma helicoidal permite variar la distancia entre el canal y la cabeza del pistón al hacerlo girar. El punto donde la distancia es míni ma, marca el ralentí o marcha en vacío del motor, mientras que el punto donde la distancia es máxima marca la carga máxima. El paro se produce en el punto donde el canal es continuo, es decir, comunica con la cabeza del pistón, impidiendo el bombeo al ser la comunicación con la lumbrera permanente. El inyector. Está formado de dos partes diferenciadas, el cuerpo o portainyector y la tobera o inyector. El cuerpo tiene un diseño adaptado a las diferentes culatas de los motores, mientras que la tobera está normaliza da en sus dimensiones. Se encuentra unido a la bomba de inyección mediante un tubo de acero con un diámetro interior relativamente pequeño (adaptado al caudal de inyección) y con paredes gruesas capaces de soportar las altas presiones que se generan en su interior y evitar las deformaciones elásticas que per judiquen a la inyección, y con la menor longitud posible para minimizar las caídas de presión. En los moto res multicilíndricos, todos los tubos de inyección tienden a ser de la misma longitud para que la caída de presión en todos ellos sea la misma y, en consecuencia, la misma cantidad de gasóil inyectado. Un inyector típico está compuesto tal y como viene despiezado en la figura 84.

Fig. 84. Elementos que forman un inyector típico.

Debido a la precisión necesaria para su perfecto funcionamiento, estas piezas deben enroscar de forma totalmente estanca, por lo que es necesario tener en cuenta el estado de las arandelas de cobre, así como tener un buen número de ellas de repuesto. Las piezas que van encajadas, como la aguja y el inyector, lo hacen de forma totalmente ajustada y suave, permitiendo la estanqueidad y a su vez el desplaza miento. La aguja debe ser capaz de deslizarse por gravedad dentro de la tobera, utilizando el propio gasóil como lubricante, pero sin holgura ninguna. Los inyectores deben cumplir con las siguientes condiciones: - Pulverización o atomización. Depende de la presión. - Distribución del chorro en la masa de aire, para conseguir una mezcla homogénea que permita una combustión completa. - Penetración. Depende del tamaño de las gotas de gasóil pulverizado. Si es excesiva la penetra ción, se puede condensar sin quemar en la cabeza del pistón o en las paredes del cilindro, dejando residuos carbonosos. Si es deficiente, deja mucho aire sin utilizar, de moto que la combustión es mala. 57 Julio César Merino Naranjo

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- Principio y final de la inyección, precisos y claros. - Estanqueidad total al exterior y sin goteos en el interior de la cámara de combustión, pero con una circulación suficiente que permita que la temperatura de la tobera no exceda de 220º C para evitar que el gasóil de descomponga formando residuos carbonosos perjudicando la inyección. El funcionamiento típico es el siguiente (figura 85):

Fig. 85. Funcionamiento del inyector.

El gasóil llega por la tubería a procedente de la bomba de inyección atravesando una galería hasta el interior del inyector, llegando a la punta inferior de la aguja b, donde ésta cierra la salida (derecha). El gasóil a presión empuja la aguja hacia arriba comprimiendo el muelle m. El muelle está regulado de modo que ejerce una presión sobre la aguja, la cual es necesario vencer para poder introducir el gasóil en el interior del cilindro. Este valor de la presión del muelle es necesario comprobarlo y reajustarlo con cierta fre cuencia, pues los muelles con el uso continuado pierden resistencia. Una presión excesiva haría que, al cerrar, la aguja golpee violentamente contra su asiento, deteriorándose; una presión escasa no permitiría la pulverización del gasóil, produciendo en su lugar un goteo perjudicial porque no combustiona debidamente dejando residuos de carbonilla que pueden obstruir los orificios de salida de la tobera o depositarse en el asiento de la válvula de escape, impidiendo su cierre estanco. La presión óptima oscila entre 150 y 250 bares, pero siempre ajustar a lo especificado por el fabricante. Al desplazarse la aguja, el combustible sale pulverizado por una o más toberas (figura 86). Una pequeña cantidad de combustible se filtra entre la aguja y la guía dentro del inyector, por lo que está provisto de un drenaje por el que retorna al depósito evitando la creación de una contrapresión sobre la aguja, lo que alteraría el funcionamiento del inyector. Los inyectores tienen la ventaja de su exactitud en el comienzo y final de la inyección y de una buena pulverización a diversos regímenes de funcionamiento, ya que la alzada de la aguja, y por lo tanto la presión de inyección (aumenta a mayor compresión del muelle) es proporcional al caudal de la bomba. A mayor caudal, más abre la aguja y mayor es la tensión sobre el muelle, que la devuelve en forma de pr esión.

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Fig. 86. Apertura de la aguja y salida del combustible.

Los inyectores pueden ser de una o más toberas (figura 87). Los de una tobera se emplean en motores provistos de antecámara de combustión, mientras que los de varias toberas se emplean en motores de inyección directa.

Fig. 87. Inyectores de una y de varias toberas (orificios).

La inyección depende del muelle, de la superficie de la aguja sometida al empuje del combustible, y a las toberas. Las piezas deben construirse con materiales especiales con objeto de evitar deformaciones producidas por las temperaturas a las que están sometidas, produciendo un agarrotamiento y, por lo tanto, su inutilización. Al realizar la inyección, hay que asegurarse de que el combustible inyectado no incida directamente en las paredes del cilindro ni en la cabeza del pistón (figura 88). En el supuesto caso de que incidiera en las paredes del cilindro, disolvería el lubricante que minimiza la fricción entre aros y camisa produciendo el gripaje. Si se deposita en la cabeza del pistón, no combustionaría adecuadamente dejando residuos carbo nosos.

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Fig. 88. Penetración del chorro inyectado.

Para prevenir este problema, es necesario mantener el inyector correctamente timbrado y estanco, de manera que pulverice adecuadamente y sin goteo. Y por supuesto, a la hora de sustituir algún componente, que sea el adecuado. El tipo de inyector depende, entre otras cosas, de la posición en la culata. Si está colocado de forma centrada respecto al cilindro, las toberas estarán repartidas por igual alrededor de la punta del inyector. Si está colocada por un lateral de la culata, debe inyectar hacia la pared más alejada del cilindro, de modo que las toberas estarán sólo a un lado de la punta, para evitar que incidan en la pared del cilindro más cercana. La comprobación del inyector se realiza colocando el inyector roscado en el tubo de inyección del comprobador (figura 89) y accionando la palanca a un régimen de 120 emboladas por minuto. El chorro debe salir de forma pulverizada, sin goteo y dejando escuchar un ronquido. Se procede a realizar una em bolada más lenta tomando lectura del manómetro en el momento de la apertura de la aguja. La presión debe estar entre 150 y 250 bares y en todo caso, en el valor especificado por el fabricante, si se conociese. La diferencia de presión entre dos válvulas de un mismo motor es de ± 5 bar.

Fig. 89. Comprobador de inyectores.

Si la presión está fuera del límite establecido se debe desmontar el racor de cierre del portainyector y actuar sobre el tornillo que regula la tensión del muelle (ver figura 8 4). Una vez hecho esto, se vuelve a comprobar verificando que la presión de apertura es la correcta. Repetir esta acción tantas veces como sea necesario. Una vez conseguida la presión correcta, se acciona la palanca y se mantiene durante unos segundos el inyector presurizado a la presión de apertura comprobando que no gotea. En caso de que exista go teo, es necesario desmontar el inyector para proceder a su limpieza y esmerilado si fuera necesario. Si si gue goteando, es necesario sustituir el inyector por otro nuevo.

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Existen modelos de inyectores que, para regular la presión del muelle, en lugar de un tornillo de regulación tienen una serie de arandelas de diferente espesor que colocadas en un extremo del muelle y apretado el racor, modifican la tensión ejercida sobre él.

3.6.4 El regulador de la bomba de inyección. Su función es la de evitar que un cambio brusco de la carga del motor produzca un embalamiento excesivo que pudiera destruirlo. La carga es similar a un freno que se le colocase al motor. Al eliminar esa carga, es como si se liberase el freno, y el motor se aceleraría. Al hacerlo, aumentan las revoluciones del eje de camones que acciona la bomba de inyección, incrementando así el caudal de gasóil inyectado. Este incremento de caudal implica una mayor aceleración del motor, y así sucesivamente hasta que se destruye. Por otro lado, existen modelos que también regulan “a la baja”, es decir, si aumentamos la carga al motor, o sea, lo frenamos, la velocidad cae perdiendo potencia y caudal de inyección. En este caso, el re gulador aumentaría el caudal de gasóil inyectado manteniendo el régimen de revoluciones. El regulador de velocidad tiene por misión regular la velocidad máxima y mínima (principalmente) que el motor puede alcanzar cuando decrece su par resistente o cuando trabaja en vacío, actuando sobre la cremallera que regula la dosificación de combustible a inyectar en los cilindros del motor. Como se sabe la cantidad de combustible a inyectar en los cilindros depende de la posición que ocupe la cremallera en la bomba de inyección, la cremallera es accionada por el mando de control de la velocidad del motor. Sin embargo, puede ocurrir que, en posición de plena carga, el motor se revolucione al decrecer su par resistente. Entonces el regulador para máxima velocidad desplaza la cremallera, de forma que disminuya el combustible o caudal a inyectar a medida que el número de revoluciones aumenta. El regulador para velocidad mínima del motor actúa cuando, estando la cremallera en posición de mínimo consumo, la carga o par resistente en el motor aumenta, con lo cual, al decrecer el número de re voluciones, este podría detenerse. En estas condiciones, el regulador desplaza a la cremallera para aumentar el suministro de combustible en la medida suficiente para incrementar el nº de r.p.m. y evitar que se cale. La regulación en mínima velocidad sirve para el tarado de marcha en ralentí. Los reguladores son generalmente centrífugos, e intervienen, directamente o por medio de servomotores, sobre los órganos de variación del caudal de combustible (figura 90). Basan su funcionamiento en los efectos de la fuerza centrífuga. En ellos se disponen unas masas acopladas al árbol de levas de la bomba de inyección, de manera que se desplacen, separándose, cuando la velocidad de rotación del árbol de levas de la bomba aumenta. Este movimiento es transmitido por un sistema de palancas a la barra de cremallera para modificar el caudal inyectado, disminuyéndolo en la proporción necesaria. Si la velocidad de rotación disminuye, las masas se juntan desplazando la barra cremallera en sentido contrario, aumen tando así el caudal inyectado.

Fig. 90. Regulador centrífugo elemental.

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Se dice que un regulador es de mínima y máxima, cuando actúa únicamente en los momentos en que el motor tiende a embalarse (sobrepasar la velocidad máxima admisible), o bajar excesivamente de ré gimen en ralentí. Estos reguladores son los empleados generalmente en los automóviles y camiones. La misión del regulador es mover la cremallera en uno u otro sentido, independientemente de la acción del conductor, únicamente para controlar la velocidad mínima y máxima. No actúa para ninguna otra velocidad. El regulador provoca el movimiento de la cremallera cortando el caudal de combustible cuando el régimen alcanzado por el motor sobrepasa la velocidad máxima preestablecida por el constructor. Además de esto, actúa sobre la cremallera, desplazándola en uno y otro sentido para mantener el régimen del motor en ra lentí. Si el motor esta girando al ralentí, las masas (A) tienden a separarse por la acción de la fuerza centrifuga venciendo la fuerza que ofrece el muelle (B) de ralentí, que se comprime un poco (figura 91). Inmedia tamente de haber efectuado la masa esta pequeña carrera, entra en acción el muelle de máxima, que es más grueso y, por tanto, más potente, impidiendo que la masa pueda seguir separándose. Con esto se consigue un ralentí estable que se mantenga entre unos limites que impide por un lado que el motor se cale y por otro (muelle grueso) que el nº de r.p.m. del motor a ralentí sea excesivo.

Fig. 91. Movimiento de las masas centrífugas

Cuando el régimen del motor es muy elevado, sobrepasando los limites establecidos, la acción de la fuerza centrifuga que actúa sobre las masas, hace que estas se separen al máximo venciendo la acción de los muelles de máxima y mínima, con lo cual, este movimiento es transmitido a la barra cremallera, por medio de las correspondientes palancas, haciéndola moverse de manera que disminuye el caudal inyectado y el motor bajara de régimen aunque el conductor siga pisando el pedal del acelerador, no pudiendo por tanto sobrepasar el régimen máximo establecido. Cuanto mas tiende el motor a subir de régimen (por ejemplo: cuando se baja una pendiente) mayor es la acción del regulador. Los reguladores continuos son aquellos que actúan cuando se produce cualquier variación del ré gimen motor que no sea la deseada. Se utilizan en motores industriales, generadores de energía eléctrica, marinos, etc., pues en ellos interesa mantener un régimen del motor constante, cualquiera que sean las resistencias opuestas al motor (carga eléctrica variable, estado de la mar, etc.). En ellos, el operario selecciona el régimen más apropiado para realizar el trabajo y el regulador actúa manteniendo ese régimen, en todos los momentos en que pueda producirse variación debido a las diferentes condiciones de trabajo por las que atraviesa el motor. Este modelo de regulador (figura 92) consta de una palanca (A) accionada por el acelerador, que a su vez, por medio de los muelles (B, C, y D), hace moverse el plato (E), al cual va unida la barra cremallera. Si el conductor acelera, la palanca (A) se mueve de su extremo superior hacia la derecha, con lo cual, su extremo inferior se desplaza a la izquierda y, por medio de los muelles (B, C y D) em puja el plato (E) hacia la izquierda, el cual transmite este movimiento a la cremallera aumentando así el caudal inyectado y, por tanto, el régimen del motor. Si se mantiene la posición del acelerador y el motor tiende a subir de revoluciones, los contrapesos (I) se separan, haciendo que el plato móvil (E) se separe del fijo (F) venciendo la acción de los muelles (B, C, y D). Este movimiento hace que la cremallera se des place un poco hacia el "stop", disminuyendo el caudal inyectado y, por consiguiente, el giro del motor. Si por el contrario, el giro del motor tiende a disminuir, para una posición determinada del acelerador, las ma sas (I) tienden a juntarse, con lo cual, el plato móvil (E) se aproxima más al fijo (F) gracias a la acción de los muelles (B, C y D). Este movimiento es transmitido a la cremallera, que al moverse hacia a la izquierda hace aumentar el caudal de inyección, con lo que se mantiene el régimen de giro del motor.

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Fig. 92. Regulador continuo.

Como puede comprenderse, las acciones de este tipo de regulador se manifiestan a cualquier velocidad de rotación del motor y, por consiguiente, esta velocidad puede mantenerse sensiblemente constante cualquiera que sean los esfuerzos a vencer por el motor en todo momento (por ejemplo: subidas de pen dientes pronunciadas). La acción de los muelles (B, C y D) se realiza escalonadamente, siendo el muelle (C) el que actúa en ralentí y el muelle (D) en alto régimen, mientras que el muelle (B) permite dar un mayor caudal a la bomba en los momentos de arranque del motor. Los topes de la cremallera (llamada también varilla de regulación) sirven para limitar el caudal de inyección a plena carga del motor. La cremallera se desplaza entre dos posiciones extremas, una de ellas es la de stop y corresponde a la posición de suministro nulo por parte de los elementos de bombeo. La otra posición se corresponde a la posición de máximo suministro. El recorrido máximo de la cremallera esta limitado por un tope ajustable (caudal de plena carga) y va situado en la carcasa de la bomba de inyección, para evitar que la cremallera se desplace en exceso en la dirección de máximo suministro.

4. Sistemas de arranque. 4.1 Arranque eléctrico. El motor de arranque es un motor eléctrico que tiene la función de mover el motor térmico del vehí culo hasta que éste se pone en marcha por sus propios medios (explosiones en las cámaras de combus tión en el interior de los cilindros). El motor de arranque consta de dos elementos diferenciados (figura 93): - El motor propiamente dicho que es un motor eléctrico cuya particularidad es que tiene un elevado par de arranque. - Relé de arranque: tiene dos funciones, como un relé normal, es decir para conectar y desconectar un circuito eléctrico. También tiene la misión de desplazar el piñón de arranque para que este engrane con la corona del volante de inercia del motor térmico y así transmitir el movimiento del motor de arranque al motor térmico.

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Fig. 93. Descripción del motor de arranque.

Eléctricamente está conectado al polo positivo de la batería, cerrando el circuito a través de la estructura metálica del motor, lo que se conoce como “conectado a masa”. A su vez, la batería está conecta da por su polo negativo a la misma estructura metálica (figura 94). Un contacto no permanente (llave, pulsador,...) es el que establece el contacto eléctrico entre el motor de arranque y la batería. El funcionamiento del motor de arranque es el siguiente: al accionar el pulsador o la llave que conecta la batería con el motor de arranque, permite el paso de la corriente por la bobina del relé, generando un campo magnético (electroimán) que desplaza al núcleo móvil, que realiza una doble función: por un lado, mediante una palanca que pivota sobre un anclaje a la estructura, desplaza al piñón haciéndolo engranar con la corona dentada del volante de inercia. Por el otro lado, cierra el circuito poniendo en contacto los bornes de contacto de modo que la corriente llega al rotor del motor de arranque a través de las escobi llas que están en contacto con el colector, haciéndolo girar, arrastrando consigo al volante de inercia.

Fig. 94. Conexión eléctrica típica del motor de arranque.

El motor está formado por un rotor compuesto de una serie de devanados (arrollamientos) sobre un núcleo de acero cuyos extremos están conectados a las delgas, que en su conjunto forman el colector (figura 95). El colector tiene forma de anillo ancho formado por una serie de pequeñas láminas de cobre (delgas).

Fig. 95. Despiece de un motor de arranque: 1 Carcasa. 2 Engranaje. 3 Inducido o rotor. 4 Inductor o estator. 5 Escobillas. 6 Relé.

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En contacto con el colector se encuentran las escobillas, formadas de carbón o grafito, por donde le llega la corriente y por donde sale, cerrando el circuito con masa. Al llegarle la corriente, se produce el giro del rotor. Las escobillas rozan con el colector mientras éste gira. Una vez que el motor térmico haya arrancado, es necesario liberar la llave o el pulsador de contacto para que se desengrane. En caso de quedarse el engranaje pegado al volante de inercia, la velocidad que adquiriría haría que el motor de arranque se desintegrase. Para ello, además de los muelles, el piñón está unido a una rueda que gira loca en el caso de que aquél girase más rápido que el rotor. De esta for ma, el volante de inercia no arrastraría al motor de arranque.

4.2 Arranque con motor neumático. Guarda cierta similitud con el anterior en cuanto al funcionamiento. En este caso, es el aire a pre sión (aproximadamente a 30 kg/cm2) el que hace que engrane el piñón de ataque en el volante, y posteriormente lo hace girar a gran velocidad (figura 96).

Fig. 96. Motor de arranque neumático e Instalación.

Estos motores tienen un rotor montado excéntricamente en un cilindro, con paletas longitudinales alojadas en ranuras a lo largo del rotor (figura 97). El par se origina cuando el aire a presión actúa sobre las paletas. Esta aplicación es utilizada cuando se requiere un sistema de arranque redundante o en luga res donde se requieren evitar las chispas debido a un ambiente inflamable. Como no hay ninguna parte eléctrica en el motor, la posibilidad de que se produzca una explosión en presencia de gases inflamables es reducida. El aire que llega al motor debe de estar limpio y lubricado y tener la presión adecuada para dicho motor.

Fig. 97. Motor neumático de paletas.

Este sistema de arranque tiene la ventaja de poder mantener un elevado par de arranque durante mucho tiempo sin sufrir avería por sobrecarga eléctrica. También se suprimen las averías eléctricas, que implican una sustitución del motor o del relé.

4.3 Arranque por inyección directa de aire comprimido. El aire comprimido se puede utilizar para el arranque del motor Diesel, haciéndolo expandir dentro de los cilindros. Para lo cual es necesario agregarle un sistema valvular de arranque que inyecte éste a presión al interior del cilindro (figura 98). 65 Julio César Merino Naranjo

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Fig. 98. Válvula de arranque.

Para establecer el momento de apertura de las válvulas de arranque se emplea un distribuidor rotativo: el aire de la botella, a una presión de 25-30 kg/cm 2, entra en la línea principal de alimentación y pasa a todas las válvulas de los inyectores, así como al distribuidor a través de la derivación. El distribuidor manda este aire al inyector adecuado, desde donde acciona la válvula y permite que el aire comprimido de la línea principal penetre en el cilindro del motor.

Fig. 99. Aire de accionamiento a una válvula de arranque, controlado por electroválvula.

En motores más modernos, la distribución se realiza mediante una centralita que es quien marca los tiempos de inyección del aire de arranque, abriendo las válvulas de forma neumática, controlando el aire de pilotaje por medio de electroválvulas (figura 99).

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El circuito de aire de arranque está formado por una tubería que rodea al motor por la que circula el aire a presión. De esta tubería parten dos tubos para cada válvula de arranque: uno para la apertura de la válvula, y otro para entrar en el cilindro, desplazar el pistón y empezar a mover el cigüeñal (figura 100).

Fig. 100. Circuito de aire de arranque de un motor.

5. Inversión de marcha. A la salida del motor, el eje del mismo está acoplado al eje de la hélice, transmitiéndole su mov imiento. En motores de poca potencia, lo puede hacer directamente, mientras que en motores de media/alta potencia, necesitará un elemento intermedio, que es la chumacera de empuje, de la que, en principio, no trataremos aquí. Para realizar la inversión de giro, existen tres métodos: - Invirtiendo el sentido de giro del motor, algo que sólo se aplica en algunos motores de tamaño medio/grande debido a su complejidad. - Variando el ángulo de inclinación de las palas de la hélice, también en motores medianos y grandes, debido al excesivo coste económico para aplicarlo en embarcaciones menores. - Mediante engranajes movidos manualmente por palanca (figura 101).

Fig. 101. Inversor de giro por engranajes.

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En éstos, el eje motor gira de forma solidaria con un collar unido a él por medio de la chaveta intro ducida en una canaladura practicada en el collar. En dicha corona se encuentra la palanca de accionamiento manual para la inversión del giro. El collar se desplaza, movida por la palanca, a lo largo del eje motor deslizándose por la chaveta. En el eje motor existen dos ruedas locas que giran libremente, independientes del giro del eje. Al desplazar el collar, éste engrana interiormente en una de las dos ruedas locas, de modo que ésta empieza a girar arrastrada por el collar. El eje de la hélice dispone de dos ruedas dentadas fijas a él, de modo que giran solidarias. Las ruedas locas del eje motor están engranadas a las ruedas fijas del eje propulsor, una de ellas directamen te, y la otra por medio de una rueda dentada intermedia. Al acoplar el collar a las ruedas locas y por lo tan to, al moverse junto con el eje motor, se transmite el movimiento al eje propulsor. Las dos ruedas que están acopladas directamente, girarán en sentido opuesto, mientras que las que están acopladas mediante la rueda auxiliar, lo hacen en el mismo sentido. Los engranajes están protegidos por una caja estanca en cuyo interior tiene aceite lubricante para reducir la fricción. Es necesario controlar el nivel y el estado del aceite. Para evitar fugas, la caja de engranajes dispone de retenes a la entrada de los ejes motor y propulsor, y en la palanca. Es necesario comprobar el estado de dichos retenes, verificando si están dañados o si existen pequeñas fugas, normalmente en forma de lágrimas.

6. La hélice. A la salida del dispositivo de inversión de giro, se encuentra el eje propulsor o eje de cola, cuya función es transmitir el movimiento de giro procedente del motor hasta la hélice. Según su longitud, dispondrá de cojinetes o chumaceras de apoyo que evitan flexiones que deterioren la bocina. En el extremo del eje, ya en el codaste, se encuentra la hélice. Las hélices convierten la energía rotacional generada por el motor en el empuje necesario para el desplazamiento de un barco (figura 102). Al girar solidaria con el eje de cola, impulsa el agua de manera que, por reacción, el barco se desplaza en sentido contrario. Según el sentido de giro, puede impulsar el agua hacia proa, haciendo que el barco navegue atrás (ciar), o hacia popa, haciendo que el barco navegue avante. La hélice es el elemento técnico unitario más importante de una embarcación. Su diseño y caracte rísticas repercuten directamente en el grado de eficiencia de la utilización del combustible.

Fig. 102. Hélice.

Descontando el diseño de esta, cuanto más grande sea más eficientemente trabajará. El problema radica en conseguir un equilibrio entre este tamaño y la capacidad del motor para hacerla rotar a su régi men de trabajo idóneo. Sus principales características son: - Tamaño: queda definido por dos datos: el diámetro total de la hélice y el paso de sus palas, es decir lo inclinado que están y por tanto la capacidad de impulsar agua. Estos dos datos son los más impor tantes para diferenciar una hélice de otra. Generalmente un diámetro pequeño se corresponde con un motor de pequeña potencia, o con un barco diseñado para desplazarse a mucha velocidad. Desde el punto de vista de la eficiencia, es preferible expulsar de la popa una gran cantidad de agua con un ritmo relativamente lento, que expulsar rápidamente un volumen pequeño para conseguir el mismo impulso hacia adelante. Por consiguiente, el diámetro de la hélice siempre debe ser el más grande posible teniendo en cuenta las características de la embarcación (con la debida distancia entre las palas y el casco) para que pase por la hélice el mayor volumen de agua posible.

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El paso de la hélice se corresponde con el avance teórico que genera la hélice al girar esta una vuelta. Puesto que el agua es un medio no sólido y por tanto se producen rozamientos y deslizamientos el avance real será siempre a regímenes de funcionamiento óptimos, algo inferior al teórico. - Revoluciones del eje (RPM): cuanto mayor sea el diámetro de la hélice, menos revoluciones por minuto se necesitarán para absorber la misma fuerza. Por consiguiente, una hélice eficiente no sólo debe tener el diámetro más grande posible, sino que también es necesario que las revoluciones del eje sean len tas. Esto se consigue por lo general instalando un dispositivo reductor entre el motor y el eje de la hélice. Sin embargo, hay que recordar que una hélice grande y un dispositivo con gran capacidad de reducción siempre son más caros que una hélice más pequeña y un dispositivo más sencillo. - Número de palas. En general, a una velocidad determinada de rotación del eje, cuanto menos palas tenga una hélice mejor será. Sin embargo, si tiene menos palas, cada una de ellas soportará una carga mayor. Esto puede causar mucha vibración, sobre todo en una hélice de dos palas, y contribuir a la cavitación. Cuando el diámetro de la hélice está limitado por el tamaño del vano, quizá sea preferible que el eje gire a menos revoluciones y la fuerza se absorba con un mayor número de palas. - Superficie de las palas. Una hélice con palas angostas (en la cual la relación entre la superficie total de las palas y el área engendrada por el radio es baja) resulta más eficiente que una con palas an chas. Sin embargo, las hélices con una relación baja de la superficie de las palas son más propensas a la cavitación porque el empuje de la hélice se distribuye sobre una superficie más pequeña de las palas. Para prevenir la cavitación, la relación de la superficie de las palas debe ser mayor que el valor más eficiente. - Sección de las palas. El espesor de las palas de una hélice tiene escaso efecto en la eficiencia, dentro de los límites necesarios para que las palas tengan fuerza suficiente. Sin embargo, de forma seme jante a la relación de la superficie de las palas, el espesor de la sección puede incidir en la cavitación: las hélices de palas más gruesas producen mayor succión y son más propensas a la cavitación. - Materiales: pueden ser de muchos tipos, entre ellos de aluminio, acero inoxidable, bronce, o ma teriales compuestos. Las hélices de materiales compuestos trabajan bien y no son muy caras. Las de aluminio son las más utilizadas debido a la gran cantidad de medidas con que pueden ser fabricadas y las diversas condiciones y revoluciones con que pueden ser utilizadas. Las de bronce y acero inoxidable son las que ofrecen las mejores prestaciones y duración frente al paso del tiempo, y son muy adecuadas para barcos que se desplacen a mucha velocidad: En cualquier hélice es importante tener suficiente superficie de palas, capaz de distribuir la potencia del motor entre las distintas palas y por tanto tener una superficie suficiente para desplazar todo el volu men de agua que la potencia del motor permita. Tener poca superficie de palas supone desperdiciar la potencia del motor. Palas demasiado pequeñas causan ‘cargas’ muy altas, lo que significa que la hélice no es capaz de absorber toda la potencia transferida por el motor. El resultado es lo que conocemos como cavitación, vibraciones y en algunos casos extremos ‘picaduras’ en las palas. ¿Qué es la cavitación?

Como acabamos de desvelar, se produce cuando por culpa de girar muy rápido, o por exceso de velocidad del barco, la presión de la cara anterior de la hélice (la que está más a proa) decae a valores muy pequeños. En estas condiciones, en la zona con depresión se forman burbujas de vapor por culpa del 69 Julio César Merino Naranjo

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vacío que se ha creado. El agua hierve pero a temperatura ambiente. Cuando las burbujas de vapor que se han creado (por ejemplo en un milisegundo o de forma casi instantánea) salen de esta zona de la hélice y vuelven a una zona con presión normal, se colapsan y se condensan otra vez en líquido. Normalmente, las burbujas se forman cerca del borde de ataque de la cara anterior de las palas de la hélice y estallan cerca del borde de salida, en general, con mayor incidencia en el extremo de las palas. Durante el proceso de condensación este colapso es muy violento produciendo vibraciones ruidos y pérdidas de prestaciones. La cavitación puede estropear fácilmente una hélice, mellando sus bordes de ataque, doblando las palas o pi cando su superficie. La única solución para el problema de la cavitación consiste en cambiar la hélice. Se puede examinar la posibilidad de instalar una hélice con más palas, o con un diámetro más grande.

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