Video resumen 2.6. Conceptos del motor
Ya conocemos el funcionamiento del motor de gasolina, también el diésel, que se han explicado en varios capítulos del nivel 1.
En este módulo desarrollamos sus características y se utilizan ejemplos que incluyen repaso de temas anteriores para ir ampliando y correlacionando los contenidos.
Vamos a empezar con un motor que tiene distribución SV (válvulas laterales), ya sabemos qué hace muchos años se sustituyó por soluciones más eficientes como se explicó en el capítulo 1.7.
Veremos también motores con diferente número y disposición de cilindros y distribución.
El llenado, que se explica en este capítulo se presentó en el módulo 1.8.2 al ser un factor principal para el par motor. Los que se incluyen en este capítulo son de gasolina, representando las bujías, menos uno que es diésel y se ven los inyectores.
La razón es comparar la diferente presión que se alcanza en cada motor, gasolina y diésel, al final del tiempo de compresión, que implica que una de las características del diésel sea mayor que en el de gasolina, es la relación de compresión.
Elementos del motor de gasolina
Antes de entrar en las explicaciones de este capítulo sobre sus características y llenado, hacemos un repaso de lo que se ha explicado sobre la composición del motor en anteriores módulos (se ve el de gasolina de lado con los cilindros en línea).
A continuación, se van a resaltar los siguientes elementos situándoles en este y junto a su texto:
Válvulas
- De admisión y escape permiten la “respiración” del motor regulando la entrada y salida a los cilindros, entrada de aire o mezcla aire – combustible
- Las válvulas están junto al bloque, laterales, abren de abajo a arriba y son accionadas mediante varillas desde el árbol de levas
- Este sistema se denomina SV (“side valves” capítulo 1.7)
Culata
- Es la parte alta del motor, donde inciden las entradas y salidas a los cilindros desde sus colectores de admisión y escape
Bloque
- Bajo la culata, en su interior están los elementos que transforman el desplazamiento longitudinal de sube y baja del pistón en circular en el cigüeñal
Árbol de levas
- Abre las válvulas mediante varillas y es movido por el motor
- Está el árbol de levas a un lado del motor
- El conjunto árbol de levas, sistema de accionamiento y válvulas conforma el sistema de distribución
Cárter
- Es el cierre inferior del motor, está bajo el bloque
- Contiene el aceite de lubricación
Muelles
- Ejercen la fuerza que cierra las válvulas cuando el árbol de levas no las empuja para abrir
Pistones
- Reciben la fuerza de la explosión o combustión, descendiendo por el interior del cilindro
- Está fuerza de empuje generará el par motor
Bielas
- Articuladas en los pistones transmiten la fuerza de la explosión o combustión
Cigüeñal
- Sobre este acoplan las bielas generándose el movimiento circular que produce el par motor
Segmentos
- Complementan el acoplamiento lo más estanco posible entre pistones y cilindros
Cilindros
- Son huecos con esta forma geométrica en cuyo interior se desplazan los pistones hacia abajo, admisión y explosión o combustión, y hacia arriba, compresión y escape
Este de gasolina tiene 8 cilindros en línea:
Se aprecia que este motor con los cilindros en línea es demasiado largo, por eso las disposiciones para hacer más compacto al motor son en V, VE (V estrecha), H (horizontales opuestos) o W (dos VE unidos).
Las disposiciones de cilindros en línea V, VE y H se explican en el capítulo 1.11.1.
En el sistema de distribución SV se puede prescindir de las varillas entre el árbol de levas y las válvulas prolongando estas, como en la imagen.
Diámetro, carrera, cilindrada unitaria y total
Lo vamos a ver sobre tres de gasolina:
- Con cilindros en línea, en V y horizontales opuestos y se ponen en funcionamiento
- Se identifican las posiciones PMS y PMI de los pistones en los cilindros, respectivamente las posiciones más alta y baja de su recorrido en los cilindros
- D es el diámetro del cilindro y se mide en mm
- C es la carrera; recorrido del pistón desde el PMS (punto puerto superior) al PMI (punto muerto inferior), se da su valor en mm
Estos son los valores en mm de diámetro D y carrera C en cada motor:
- Con los cilindros en L; D 82 mm y C 78 mm
- Con los cilindros en V; D 78 mm y C 91 mm
- Con los cilindros H; D 90 mm y C 73 mm
Seguidamente se ven estos tres en perspectiva con este número de cilindros; 3 en línea L, 2 en V y 4 horizontales opuestos H:
- Cilindrada unitaria Cu es el volumen en cc del recorrido del pistón en cada cilindro desde el PMS al PMI.
- Se obtiene experimentalmente o aplicando la fórmula del volumen del cilindro, Cu = πx(D/2)2 x D y C en centímetros (cm) para obtener la cilindrada unitaria Cu en cc
La cilindrada unitaria Cu de cada motor aplicando la fórmula es esta en cc:
- Cilindros en línea L, Cu = 412 cc
- Cilindros en V, Cu = 435 cc
- Cilindros horizontales opuestos H, Cu = 464 cc
La cilindrada total Ct es la suma de la de todos los cilindros en cc, Ct = Cu x Nº cilindros.
Esta es la Ct de cada motor representado en perspectiva:
- Motor de 3 L; Ct = Cu (412) x 3 = 1.236 cc
- Motor de 2 V; Ct = Cu (435) x 2 = 870 cc
- Motor de 4 H; Ct = Cu (464) x 2 = 1.856 cc
La cilindrada unitaria Cu se mide en el cilindro desde el PMI al PMS, quedando un volumen por encima del pistón que puede estar en el cilindro, en la culata o tallado en una cámara sobre el mismo pistón.
Este volumen adicional que no se contempla en la cilindrada unitaria tiene relevancia en el rendimiento del motor, pues determina la presión a que se llega dentro del cilindro al final del tiempo de compresión, antes de la explosión o combustión.
Lo vemos a continuación al explicar la relación de compresión.
Relación de compresión
La imagen representa de lado un motor de gasolina con 4 cilindros en línea:
- El motor se pone en marcha
- Se indica el PMS y PMI del recorrido del pistón en el cilindro
- Volumen de admisión Va es que hay sobre el pistón cuando está en el PMI, al final de su recorrido de descenso desde el PMS
- Volumen de compresión Vc es el que hay sobre el pistón estando en el PMS, habiendo recorrido toda la carrera de ascenso desde el PMI
- Relación de compresión Rc es el resultado de dividir el volumen de admisión Va entre el de compresión Vc; Rc = Va / Vc
- Indica cuantas veces se ha reducido el Vc con relación al Va y el número resultante se representa así; Nº : 1, siendo 1 el Va
- Si la Rc es 9 : 1, indica que el Va se ha reducido nueve veces al llegar el pistón al PMS, que es el valor del Vc
- El volumen de admisión Va es la suma de la cilindrada unitaria Cu más el volumen de compresión Vc, Va = Cu + Vc.
- La cilindrada unitaria Cu, como se ha explicado, es el volumen del cilindro recorrido por el pistón desde el PMS al PMI
- Hay tres posibles ubicaciones genéricas del volumen de compresión Vc que se van a representar con el pistón en el PMS:
- En la culata; el pistón en el PMS llega al ras del cilindro y el Vc está en una cámara en el interior de la culata
- En el cilindro; con el pistón en el PMS hay un volumen en el cilindro por encima, es el Vc
- En el pistón; llega el pistón en su PMS al ras del cilindro, la culata es plana y el Vc es la capacidad de una cámara tallada sobre la cabeza del pistón
El volumen de compresión puede estar formado por una de las partes comentadas, dos de ellas o las tres, siendo el total el Vc.
Con el pistón en el PMS al final de compresión se produce la explosión (gasolina) o combustión (diésel), de la fuerza de empuje sobre el pistón resultante se genera el par motor.
Cuanto mayor sea la relación de compresión la fuerza tras la explosión o combustión será proporcional, por lo que la relación de compresión es un factor determinante en la respuesta del motor.
Otro factor relevante es el llenado, que ya se ha citado en capítulos anteriores, y se explica más adelante.
Los motores diésel han de tener relación de compresión más alta, para alcanzar la temperatura del aire capaz de iniciar la auto inflamación del gasóleo.
Relación de compresión, cilindrada unitaria, volumen de compresión y de admisión
Se van a presentar estos datos en tres motores de gasolina, con cilindros en línea, en V y horizontales opuestos, con las cotas de diámetro D y carrera C de los motores vistos anteriormente con las mismas disposiciones de los cilindros.
Motor con los cilindros en línea:
- El volumen de compresión Vc es 50 cc
- La cilindrada unitaria Cu es 412 cc
- El volumen de admisión Va es el resultado de sumar los dos anteriores; Va = Cu (412) + Vc (50) = 452 cc
- La relación de compresión Rc se obtiene dividiendo Va entre Vc; Rc = Va (452 cc) / Vc (50) = 9,04 : 1
Motor con los cilindros horizontales opuestos:
- El volumen de compresión Vc es 40 cc
- La cilindrada unitaria Cu es 464 cc
- El volumen de admisión Va es el resultado de sumar los dos anteriores; Va = Cu (464) + Vc (40) = 504 cc
- La relación de compresión Rc se obtiene dividiendo Va entre Vc; Rc = Va (504 cc) / Vc (40) = 12,6 : 1
Motor con los cilindros en V:
- El volumen de compresión Vc es 65 cc
- La cilindrada unitaria Cu es 435 cc
- El volumen de admisión Va es el resultado de sumar los dos anteriores; Va = Cu (435) + Vc (65) = 500 cc
- La relación de compresión Rc se obtiene dividiendo Va entre Vc; Rc = Va (500 cc) / Vc (65) = 7,69 : 1
La relación de compresión en el motor de gasolina es proporcional a su rendimiento.
En el diésel también con otro detalle adicional ya mencionado, el aire ha de estar al final de compresión lo suficientemente caliente para que se auto inflame el gasóleo que se va inyectando, por lo que influye en el inicio de la combustión y rendimiento del motor, la Rc es más alta en el motor diésel.
Con sobrealimentación en ambos motores la relación de compresión es un punto de partida con relativamente menos influencia en los resultados finales de rendimiento del motor, pero sigue siendo más alta en el diésel.
Concepto de llenado
Para las explicaciones utilizamos un motor de gasolina con los cilindros en disposición de V estrecha VE visto de frente:
- Al abrir las válvulas de admisión el aire pasa por el filtro y continua por los colectores hasta el interior de los cilindros, en algún momento se aporta el combustible que se mezcla con el aire (en este caso se aporta la gasolina en el colector de admisión entrando mezcla a los cilindros)
- Al abrir las válvulas de escape salen los gases al exterior por los colectores, línea de escape, silenciadores y sistemas anticontaminación
- Al cerrar las válvulas de admisión y escape se producen efectos de rebote y vaivén en los gases, de frecuencia variable según las RPM que se ven afectados por el tamaño, forma y elementos intermedios en los colectores
- Estos efectos de rebote e inercia de los gases tienen mucha influencia en la entrada de admisión y salida de escape
- Llenado del motor; es la masa de aire o mezcla que entra en cada cilindro hasta que se cierra la válvula de admisión
- Vamos a ver tres RPM de funcionamiento del motor más otra complementaria
- El motor que nos sirve de apoyo es de un automóvil de turismo y en el cuenta RPM se representan las tres zonas genéricas de funcionamiento:
- Bajas RPM; aporta elasticidad si la respuesta al acelerar es suficiente
- Medias RPM; es la zona seleccionada en un motor de coche de turismo para el par máximo
- Altas RPM; en esta zona está la potencia máxima que ofrece prestaciones relacionadas con la velocidad y aceleración
Se van a analizar las cuatro situaciones de los motores representados de un automóvil de turismo medio:
- Poco llenado; a bajas RPM lo que implica que la respuesta de motor es escasa y si se necesita aceleración, se ha de reducir de marcha con la caja de cambios
- Mejor llenado; aporta el par máximo y se obtiene a medias RPM en un motor de coche de turismo, es donde mejor responde el motor al acelerar y es el más utilizado por el conductor
- Llenado intermedio; al subir de medias RPM el llenado va disminuyendo progresivamente, pero aumentan las RPM, lo que implica que también se vaya incrementando la potencia hasta que al subir más de RPM el llenado se reduzca ostensiblemente, es lo que indica la fórmula de la potencia, Potencia = Par x RPM (1.8.1)
- Sobre llenado; el llenado aumenta ostensiblemente si incorpora sobrealimentación al motor, llenado a presión (capítulos 15 de los tres niveles)
- Se puede mantener un buen llenado en un amplio margen de RPM con distribución de fase variable y colector de admisión de geometría variable (módulos 14 de los tres niveles)
En este motor los inyectores están en el colector de admisión, inyección indirecta, por lo que en admisión entra mezcla aire – gasolina a los cilindros.
Los movimientos de rebote de gases al cerrar las válvulas que generan efectos de vaivén de frecuencia variable en los colectores.
Estos movimientos pueden coincidir más o menos con las secuencias de actuación de las válvulas favoreciendo más o menos el llenado y vaciado de gases, lo que determina los valores de par y potencia, así como las formas de sus respectivas curvas, es decir, el carácter del motor.
Se han citado en varios capítulos los efectos de vaivén de los gases como ondas de presión, su denominación técnica es resonancia y así se mencionó en el capítulo 1.14.
En el 2.8.1 de este nivel se explica la resonancia con detalle. Por los efectos de la resonancia en el motor se cita en bastantes capítulos relacionados.
Resumen repaso
Diámetro, carrera, cilindrada, y relación de compresión en un motor diésel
Se ve un motor diésel en planta con los cilindros en V. Los inyectores están situados sobre cada pistón:
- Son 12 cilindros en V y la distribución es de dos árboles de levas en culata por cada bancada de cilindros, cuatro en total, 2DOHC (1.7) y hay cuatro válvulas por cilindro (1.14)
Estas son las características del motor, primero indicadas en el motor y más adelante se da su valor:
- Diámetro D y carrera C de los cilindros
- Cilindrada unitaria Cu y cilindrada total Ct
- Volumen de admisión Va; el que hay sobre el pistón cuando está en el PMI. Es la suma de la Cu más el volumen de compresión Vc
- Volumen de compresión Vc; sobre el pistón cuando está en el PMS. En este motor diésel parte del Vc está en la cámara tallada sobre la cabeza del pistón y el resto en el cilindro desde el PMS
Los valores de estas características son estos:
- D=86,6 mm. C=93 mm. Cu=498,3 cc. Ct (Cu x 12) 5.980 cc. Volumen de admisión Va (Cu + Vc) 532,3 cc. Volumen de compresión Vc=34 cc
- Relación de compresión Rc = Va / Vc = 15,65 : 1
La mayor relación de compresión en el motor diésel hace que al final de compresión la temperatura del aire sea lo suficientemente elevada para que al entrar en contacto con el gasóleo inyectado se produzca la auto inflamación que inicia la combustión (1.13.1).
Características y rendimiento del motor en tres automóviles con distintas implantaciones
Los tres automóviles que se proponen tienen motor de gasolina.
Automóvil 1. DeLorean DMC 12:
- Se ve el motor de gasolina y se resalta el llenado de los cilindros
- El motor tiene 6 cilindros en V
- La implantación es de motor longitudinal trasero “colgado” (por detrás del eje)
- Propulsión (tracción trasera)
- Potencia; 170 CV a 5.500 RPM
- Par; 21 kgm a 2.750 RPM
- Se indican en el cuenta RPM la situación de par y potencia
- Características del motor:
- Diámetro D=91 mm
- Carrera C=73 mm
- Cilindrada unitaria Cu=474,83
- Cilindrada total Ct=2.849
- Volumen de compresión Vc=61 cc
- Volumen de admisión Va=535,83 cc
- Relación de compresión Rc=8,78 : 1
Automóvil 2. Honda S2000:
- Aparece el motor de gasolina y se representa el llenado de los cilindros
- El motor tiene 4 cilindros en línea
- La implantación es de motor longitudinal delantero
- Son motrices las ruedas traseras (tracción trasera)
- Potencia; 220 CV a 8.300 RPM
- Par; 22 kgm a 7.500 RPM
- Se indican en el cuenta RPM la situación de par y potencia
- Características del motor:
- Diámetro D=87 mm
- Carrera C=84 mm
- Cilindrada unitaria Cu=499,35
- Cilindrada total Ct=1.997
- Volumen de compresión Vc=46,5 cc
- Volumen de admisión Va=545,85 cc
- Relación de compresión Rc=11,73 : 1
Automóvil 3. Jeep Cherokee (1989):
- Se coloca el motor de gasolina en su ubicación y se llenan alternativamente los cilindros
- El motor tiene 6 cilindros en línea
- El motor es longitudinal delantero
- La transmisión es integral 4×4
- Potencia; 185 CV a 4.750 RPM
- Par; 30 kgm a 3.950 RPM
- Se indican en el cuenta RPM la situación de par y potencia
- Características del motor:
- Diámetro D=98,4 mm
- Carrera C=86,7 mm
- Cilindrada unitaria Cu=659,32
- Cilindrada total Ct=3.956
- Volumen de compresión Vc=85 cc
- Volumen de admisión Va=744,32 cc
- Relación de compresión Rc=8,75 : 1
Se pueden hacer los cálculos de los motores de este vídeo y del anterior tal como se ha explicado para obtener los resultados presentados con los datos que se indican. D y C en centímetros (cm), Cu, Ct, Va y Vc en cc.
Rc es un valor proporcional:
- Cu = π x (D/2)2 x C
- Ct = Cu x Nº de cilindros
- Va = Cu + Vc
- Rc = Va / Vc
