Elementos arrastrados por el motor térmico

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El motor térmico aporta su energía (par y potencia) y movimiento por el giro del cigüeñal.

Para que el motor térmico pueda desarrollar sus ciclos de generación del par y potencia es necesario que algunos elementos intervengan, los llamamos elementos para el funcionamiento del motor, y pueden ser internos o externos, estos últimos están en el exterior del conjunto motor; bloque, culata y cárter con una particularidad relacionada con la distribución que se comentará.

También son necesarios otros elementos más, a los que se añaden algunos para el accionamiento de accesorios complementarios.

De estos elementos, la mayor parte son arrastrados por correa o correas exteriores acoplada/s mediante poleas a otra que gira con el cigüeñal.

Algún elemento de estos puede ser accionado desde el interior del motor térmico.

Hay muchas posibilidades diferentes de arrastre de los elementos que mueve el motor, vamos a ver los más habituales, con las distintas formas de ser arrasados y al final se indican las evoluciones que se van a producir, algunas ya se aplican.

El arrastre por el motor térmico de los diferentes elementos implica que para hacerlo utilice parte de la energía (par) que genera.

Se representan los elementos arrastrados en esta imagen sobre un motor térmico de ocho cilindros en V con distribución DOHC por cada bancada de cilindros (doble árbol de levas en culata o cabeza).

La imagen, posición de los elementos y sistemas de arrastre representados son didácticos.

Elementos arrastrados internos

Directamente; no hay ninguno representado. Sería el piñón que mueve otro piñón que arrastra al elemento 1 (bomba de aceite)
Por piñones 1 (bomba de aceite)
Por cadena o correa 2 (árboles de levas) y 3 (bomba agua, que puede ser accionada de esta forma o por la correa exterior)

Elementos arrastrados externos

Por correa exterior 3 (bomba de agua, puede ser accionada por la cadena o correa de los árboles de levas), 4 (alternador), 5 (bomba hidráulica de servodirección) y 6 (compresor de aire acondicionado)
Por otro elemento arrastrado 7 (bomba de vacío desde el árbol de levas izquierdo 2 de la bancada izquierda, que es arrastrado por correa o cadena)
Directamente 8 (volante de inercia del motor)

En la imagen se ve una correa exterior que arrastra diferentes elementos, puede haber dos o más correas.

Elementos internos y externos arrastrados por el motor térmico para su funcionamiento

1. Elemento interno arrastrado por piñones; es la bomba de aceite:

Es vital para el funcionamiento y degaste del motor, su fallo total implica averías prácticamente instantáneas y sumamente graves
Por esta razón la mueve directamente el cigüeñal, o mediante un piñón como en este caso, o por cadena

2. Elementos internos arrastrados por la o las cadena/s o correa/s de distribución; son los árboles de levas:

Su función es abrir las válvulas de admisión y escape que se cierran por sus muelles
La cadena está lubricada por aceite y se considera que está dentro del motor en el interior de un cárter hermético
La correa funciona en seco y se puede considerar que físicamente está, y también sus piñones, fuera del motor, en un cárter no hermético
Hemos incluido la distribución como elemento interno por ser un sistema imprescindible para el funcionamiento del motor
Si el accionamiento de la distribución es por correa ha de ser sustituida periódicamente por distancia recorrida (desgastes), o tiempo transcurrido (pérdida de humedad), lo que suceda antes

3. Elemento interno arrastrado por la cadena o correa de distribución; es la bomba de agua:

Para adaptar el caudal de circulación del líquido de refrigeración a las RPM del motor
Se puede montar de otra forma, arrastrada por la correa exterior como veremos
Con accionamiento de la distribución por correa es adecuado sustituir la bomba de agua al cambiar la correa, pues el coste de mano de obra es importante y probablemente la bomba de agua actual no aguantará hasta el siguiente cambio de correa

8. Elemento externo arrastrado directamente; es el volante de inercia del motor:

Está acoplado al cigüeñal
Su principal función es equilibrar y hacer más uniforme el giro del motor
Tiene dos funciones más; en su periferia hay un dentado donde engrana el piñón del motor de arranque durante la puesta en marcha, y en la superficie opuesta al motor asienta el disco de embrague, desde el que se transmite el par motor a la caja de cambios

Elementos externos complementarios arrastrados por el motor térmico

El arrastre se hace mediante poleas, una en el cigüeñal y otra en cada elemento arrastrado

Las poleas van unidas por una correa, como vemos

Se ha comentado que puede haber más de una correa de arrastre, entonces el cigüeñal tiene también más poleas.

Elementos externos arrastrados por correa:

3. Bomba de agua del sistema de refrigeración:

Se ha visto otra forma de mover la bomba de agua, mediante la cadena o correa de distribución, entonces se la considera elemento arrastrado interno
Actualmente la bomba de agua no es un elemento complementario, pues es necesaria para mantener la temperatura óptima del motor
En los inicios del automóvil no era imprescindible, la circulación del agua se producía por las diferencias de temperatura entre la parte alta y baja del motor, termosifón, y con bajas exigencia mecánicas y térmicas podía ser suficiente

5. Bomba hidráulica de servodirección:

Se alimenta de un depósito específico de aceite
Al girar el volante la bomba aumenta la presión del aceite y lo envía al mecanismo de dirección en el sentido de giro del volante, para reducir el esfuerzo sobre este por el conductor

6. Compresor de aire acondicionado:

El calor de la calefacción se obtiene del sistema de refrigeración
Para disponer de frío se ha de fabricar, y el compresor es un elemento principal
La polea del compresor está arrastrada permanentemente por la correa exterior, pero el giro del mecanismo interno del compresor se controla mediante un embrague electromagnético que acopla o no el eje del compresor a la polea

7. Bomba de vacío o depresión:

Su principal función es accionar el servofreno, que reduce la presión que se ha de hacer sobre el pedal de freno
La incorporan los diésel, que no necesitan mariposa de gases, pues en los motores de gasolina que si la llevan se utiliza la depresión generada por el motor al decelerar (se cierra la mariposa) para accionar el servofreno
El vacío o depresión se utiliza también para accionar otros elementos neumáticos diversos
Es frecuente que la bomba de vacío se utilice en muchos motores de gasolina
Puede ser la bomba de vacío arrastrada directamente por la correa exterior o por otro elemento como el alternador…

Evolución de los elementos arrastrados por el motor

Las tecnologías de los diferentes sistemas y órganos que arrastra el motor han ido evolucionando para mejorar las diversas funciones que desarrollan, entre estas optimizar el rendimiento para reducir consumo y contaminación disminuyendo la fuerza que requieren para su arrastre.

Vamos a presentar las sucesivas evoluciones que se han ido llevando a cabo en los elementos arrastrados por el motor que hemos utilizado para las explicaciones:

1.- Bomba de aceite:

Continua siendo accionada directamente por el cigüeñal o mediante un arrastre muy fiable, como cadena o el que ya conocemos de piñón desde el cigüeñal
Un sistema que permite reducir la fuerza de arrastre para su giro, es que el caudal de aceite que genera sea el que precisa el motor según las condiciones de funcionamiento, es decir caudal variable
Se reduce el aceite que retorna al cárter para mantener la presión correcta generando el caudal exacto
El funcionamiento puede ser mecánico – hidráulico y también contar con control electrónico
La bomba de aceite eléctrica es una forma de reducir más la fuerza media de giro necesaria, pero ha de asegurarse de contar con un sistema complementario de emergencia por si hay fallo

2.- Distribución:

Las secuencias de actuación de las válvulas son determinantes para el rendimiento del motor, valores máximos de par y potencia así como la forma de sus curvas
Para lograr que la curva de par sea lo más plana posible se utiliza la distribución de fase variable, permite adaptar la posición angular de los árboles de levas con relación a sus piñones de arrastre en tiempo real, así se aprovecha la resonancia en un amplio abanico de RPM, manteniendo el mejor llenado de los cilindros
El funcionamiento de la distribución de fase variable puede ser electrohidráulico, con control electrónico o totalmente electrónico
Otra tecnología es prescindir del árbol o árboles de levas, accionando las válvulas mediante conjuntos electromagnéticos y control electrónico, es el sistema “cam less”, sus exigencias técnicas, precisión y coste de desarrollo puede que no permitan que se implante antes de que el motor térmico sea sustituido por tecnologías limpias

3.- Bomba de agua:

Las necesidades de refrigeración difieren según muchos factores, por lo que se busca como adaptarla lo mejor posible
Una forma de hacerlo es que el arrastre de la bomba de agua por la correa exterior no sea permanente, se puede acoplar o desacoplar según las necesidades de refrigeración
El siguiente paso es la bomba de agua eléctrica, no es arrastrada por la correa exterior sino que la mueve un motor eléctrico
Solamente girará cuando sea necesario y, además su velocidad no depende de las RPM del motor, lo que permite mejorar la capacidad de refrigeración en situaciones extremas, por ejemplo; subiendo una pendiente a plena carga con calor exterior y aire acondicionado funcionando con el motor a bajas o medias RPM, la bomba eléctrica puede girar a más RPM para mejorar el caudal de líquido de refrigeración que circula entre motor y radiador

4.- Alternador:

La electricidad aportada por el alternador depende de dos factores, las RPM de giro y la corriente de excitación que recibe, que llamaremos señal de carga
Si gira pero no hay señal de carga no produce electricidad y prácticamente no ofrece resistencia al giro
El alternador inteligente actúa así cuando la batería está en buen estado de carga; al acelerar no recibe señal de carga no generando electricidad ni necesitando fuerza de arrastre, todo el par motor es utilizable para otras funciones
Al decelerar recibe mucha señal de carga produciendo gran cantidad de electricidad almacenándose en la batería la que no se utilice para el funcionamiento
Este sistema exige mucho a la batería que ha de asumir fuertes ciclos de descarga y carga, por lo que se utilizan tecnologías especificas, generalmente batería AGM
Otra evolución es el alternador reversible, hace las funciones de alternador y motor de arranque
Cuando está el automóvil a punto de detenerse durante la marcha, freno pisado, acelerador suelto… se para el motor (fase STOP del stop & start)
Cuando se ha de reemprender de nuevo la marcha, el alternador arranca el motor (función motor de arranque y START del “stop & start”)
Este sistema permite que el motor se pueda detener antes de que esté totalmente parado el automóvil, pues si fuese necesario acelerar de nuevo antes de parar lo puede hacer el alterno – arranque al ser arrastrado por correa, el motor de arranque convencional no podría al tener que engranar su piñón con el dentado del volante motor, y este ha de estar parado

5.- Dirección asistida:

La bomba hidráulica para generar la presión de aceite de asistencia a la dirección puede ser accionada en lugar de por la correa exterior mediante un motor eléctrico, es el sistema de servodirección electrohidráulica, consume menos energía pues la bomba solamente funciona al girar el volante (no la hemos representado en la imagen)
Un paso más es utilizar un motor eléctrico para ayudar a girar el volante, es la dirección asistida eléctrica, solamente utiliza electricidad generada por el alternador cuando se gira el volante
La siguiente evolución es prescindir de conexión mecánica entre el volante y las ruedas directicas, un control electrónico redundante acciona los motores eléctricos que hacen girar las ruedas, dirección eléctrica
Ha de contar con conexión mecánica entre volante y dirección para que actúe en caso de emergencia por fallo eléctrico

6.- Compresor de aire acondicionado (AA):

El sistema tradicional conecta el giro del compresor a la polea mediante el embrague electromagnético secuencialmente según la demanda de frío
Esto implica picos de necesidad de bastante fuerza de arrastre por la correa exterior, más o menos apreciables durante la marcha según el par motor disponible
Una primera evolución es modificar la tecnología del compresor para que el efecto de frío que genera a las mismas RPM se pueda adaptar a la demanda de frio, con necesidad de fuerza de arrastre proporcional
Al girar el compresor permanentemente con el AA conectado, pero con menos resistencia media, se mejora el rendimiento y también el confort de marcha al no haber demandas puntuales de más fuerza de arrastre, es el compresor de cilindrada variable
El siguiente paso es que el giro del compresor lo aporte un motor eléctrico, que actuará cuando sea necesario y a las RPM precisas, pues no depende del giro del motor

7.- Bomba de vacío o depresión:

En vez de ser arrastrada por el motor o un elemento intermedio arrastrado por este, el movimiento lo aporta un motor eléctrico que actuará según las necesidades, manteniéndose parado cuando no se necesita, es la bomba de vacío eléctrica

8.- Volante motor:

De las tres funciones del volante motor, equilibrar el giro del motor, recibir el acoplamiento del motor de arranque y transmitir el par al disco de embrague, la primera se ha visto afectada, veamos porqué
La razón es la evolución del motor diésel con turbocompresor; con las tecnologías implantadas se ha logrado que el par motor aumente muy rápidamente al acelerar desde ralentí o bajas RPM circulando en relaciones largas
Este comportamiento somete al disco de embrague a fuerzas de torsión sumamente elevadas que fatigan en exceso sus muelles, amortiguadores torsionales e incrementa el desgaste de los forros de fricción
Para poder absorber mejor y más estas fuerzas torsionales se implanta el volante motor bimasa, al ser de mucho mayor tamaño que el disco de embrague permite que se le incorporen sistemas específicos de control de torsión
Consiste en dividir el volante motor en dos partes, acopladas mediante sistemas de control de torsión muy elaborados
Permite que el paso del par entre la parte del volante motor acoplada al cigüeñal y sobre la que asienta el disco de embrague sea más progresiva
Tiene la particularidad de que si se utilizan relaciones largas y se recupera desde bajas RPM acelerando más o menos fuerte habitualmente se somete al volante bimasa a elevadas exigencias mecánicas, lo que puede requerir ser sustituido cuando el disco de embrague llega el final de su vida útil, o tal vez antes