Motor De 4 Tiempos

Elementos móviles

Elementos móviles del motor

El grupo de elementos motrices es el encargado de transformar la energía térmica, desarrollada en el interior del cilindro, en energía mecánica, a través de un sistema biela-manivela que transforma el movimiento alternativo del émbolo en movimiento de rotación del cigüeñal.

El conjunto esta formado por una serie de elementos sometidos, durante su funcionamiento, a grandes esfuerzos y altas temperaturas. Por ello están dotados de características especiales, en función de tipo de motor y de la potencia a desarrollar.

Embolo o pistón

En la carrera de explosión, el pistón recibe un fuerte impulso por su parte superior, que lo lanza del PMS hacia el PMI. Este impulso se transmite al cigüeñal por medio de la biela. La fuerza que actúa sobre la cabeza del pistón en el momento de la explosión depende del tipo del vehículo de que se trate, pero puede suponerse de 1500 kg. Este impulso lanza al pistón hacia abajo con una velocidad lineal aproximada de 12 m/s en un motor que gire a 5.000 rpm. Las temperaturas medias que alcanza el pistón durante el funcionamiento oscilan entre los 300 a 400ºC.

El pistón, por tanto, deberá ser resistente para soportar las presiones y elevadas temperaturas que se desarrollan en el momento de la explosión y tener un peso reducido para atenuar los efectos de inercia debidos a la gran velocidad con que se mueve.

Una de las características importantes del pistón es la precisión de algunas de sus medidas debido a la extremada exactitud de su acoplamiento con el cilindro para mantener la estanqueidad. También hay que considerar la influencia de la dilatación de los materiales empleados. Si el émbolo se ajusta en frío, al producirse la dilatación, se agarrota. Si por el contrario se ajusta en caliente, con el motor frío se produce un cabeceo en el émbolo que golpea las paredes del cilindro. Debido a esto se requiere el empleo de materiales con un reducido coeficiente de dilatación térmica, muy difícil de conseguir con las aleaciones ligeras.

Estructura del embolo

Un embolo es semejante a un vaso invertido, completamente hueco para reducir al máximo su peso. Esta formado por una cabeza () destinada a recibir los esfuerzos de empuje, en el cual se mecanizan las ranuras () que contienen los aros o segmentos encargados de hacer el cierre hermético con el cilindro. La parte inferior llamada falda (), sirve de guía al embolo en su desplazamiento por el cilindro. En ella se sitúa el alojamiento () destinado al ajuste del bulón de amarre con la biela, a través del cual se transmiten los esfuerzos de empuje.

La cabeza del émbolo puede ser plana, o adoptar formas especiales, destinadas a provocar la turbulencia del gas, como ocurre en los motores Diesel, o con protuberancias en forma de deflector para conducir los gases, en los motores de inyección directa y también en los de 2 tiempos. También los pistones pueden tener rebajes para no interferir con las válvulas

Características de los émbolos

Teniendo en cuenta las condiciones de funcionamiento a que están sometidos, los émbolos deben reunir las siguientes características:

• Disponer de una estructura robusta, sobre todo en las zonas de mayor esfuerzo, como son la cabeza y el alojamiento del bulón.

• Tener el menor peso posible y estar perfectamente equilibrados en todos los cilindros.

• Máxima resistencia al desgaste y a los agentes corrosivos.

• Mínimo coeficiente de dilatación.

• Gran conductibilidad térmica.

El material empleado para la fabricación de émbolos destinados a motores es a base de aleaciones ligeras, a base de aluminio-silicio con ligeros contenidos de Cu, Ni y Mg, fundidas en coquilla. Una vez mecanizados se someten a un tratamiento térmico escalonado con la finalidad de elevar la dureza y resistencia al desgaste.

Para motores de alta potencia y Diesel sobrealimentados, los pistones se fabrican mediante forja y estampación, con altos contenidos de silicio, hasta un 25%.

Tipos de émbolos

Los diferentes tipos de émbolos empleados actualmente en automoción se diferencian esencialmente por los procedimientos empleados en cuanto a diseño, para regular la dilatación térmica. Los mas importante son los siguientes:

• Émbolos autotérmicos con bandas anulares

Las bandas de acero, a modo de arandelas, se insertan circularmente durante la fundición e impiden una dilatación térmica exagerada en todo el perímetro circular. Estos émbolos de falda completa son aptos para motores de dos tiempos con distribución por lumbreras y aseguran una holgura constante en toda su periferia.

• Embolo compensador

En el se aprovecha la diferencia de temperatura entre la cabeza y la falda para fabricarlo en forma acampanada y ligeramente ovalada en sentido perpendicular al eje del bulón. Con esta disposición la falda del émbolo queda ajustada en frío, lo que impide el cabeceo. Cuando se alcanza al temperatura de trabajo, la dilatación se produce en el sentido del menor diámetro del émbolo, que toma forma cilíndrica.

• Embolo compensado por ranuras

En esta clase de émbolo la compensación térmica se realiza practicando en la falda del émbolo unas ranuras en forma de "T" o en "U". Esta precaución da lugar a que la dilatación térmica se produzca a través de ellas sin que aumente el diámetro del émbolo. Este se caracteriza por su sencillez y economía, empleándose en motores de serie de pequeña cilindrada.

Es necesario cuidar en su montaje que la ranura no quede situada en la zona de mayor esfuerzo lateral.

Otro émbolo de este tipo es el tubular, donde la cabeza va separada de la falda por medio de una garganta circular, interrumpida en la zona del bulón. Con esta disposición la falda queda separada de las fuertes temperaturas y dilataciones térmicas a que está sometida la cabeza.

Segmentos

Los segmentos son unos anillos elásticos situados sobre las ranuras practicadas en la cabeza del pistón. Tienen como misión:

• Hacer estanco el recinto volumétrico durante el desplazamiento del émbolo.

• Asegurar la lubricación del cilindro.

• Transmitir el calor absorbido por el émbolo, a la pared del cilindro para su evacuación.

Tipos de segmentos según el trabajo que realizan

Existen dos tipos de segmentos:

• Segmentos de compresión.

• Segmentos de engrase

Segmentos de compresión

Los segmentos de compresión están destinados a realizar el cierre hermético del cilindro y van colocados en número de 2 ó 3 en la parte superior del émbolo. Su posición el el pistón hace que estos segmentos sean los mas afectados por la temperatura y las elevadas presiones que se originan durante el ciclo. El primero de ellos es el que recibe directamente los efectos de la explosión, por lo que también se le conoce como "segmento de fuego".

Su forma rectangular les permite adaptarse perfectamente a la pared del cilindro y facilita la transmisión del calor y su montaje flotante sobre la ranura del émbolo para compensar las dilataciones que en ellos se producen. Los segmentos deben poder moverse en sus alojamientos libremente con una holgura axial calculada. Tambien deben contar con una abertura entre puntas es necesaria para asegurar en todo momento una presión radial del segmento sobre las paredes del cilindro a pesar de las dilataciones y del desgaste.

La estanqueidad se consigue por desplazamiento lateral de los segmentos en su ranura correspondiente. Durante el desplazamiento del émbolo quedan asentados sucesivamente sobre las superficies superiores e inferiores de las ranuras (como se ve en la figura inferior), asegurando así el cierre hermético e impidiendo la fuga de gases a través de esta holgura de montaje.

Esta pequeña holgura permite a su vez el engrase del cilindro y las superficies en contacto por bombeo, ya que durante el descenso se llena de aceite el hueco que queda entre segmento y ranura; luego es expulsado hacia la parte superior durante la subida del émbolo. El pequeño consumo de aceite que se produce puede llegar a ser excesivo cuando los segmentos están desgastados o la holgura de montaje es excesiva.

Los segmentos deben moverse en sus cajeras libremente con una holgura axial suficiente para que pueda absorber la dilatación térmica. También es necesario una abertura entre puntas para asegurar en todo momento una presión radial del segmento sobre las paredes del cilindro independientemente de las dilataciones y el desgaste de los motores a medida que acumulan una gran cantidad de kilómetros.

Segmento de engrase

Los segmentos de engrase también llamado segmento "rascador", van situados por debajo de los de compresión, tienen la misión de barrer, durante el descenso del émbolo, el exceso de aceite depositado sobre la pared del cilindro, permitiendo, dentro de unos limites, su paso a la parte alta del mismo. El aceite que no es arrastrado por el segmento de engrase es recogido por los segmentos de compresión, y una mínima cantidad pasa a lubricar la zona alta del cilindro.

Los segmentos de engrase suelen ir provistos de un muelle expansor que asegura el contacto continuo con el cilindro.

Características de los segmentos

Los segmentos durante el funcionamiento del motor están sometidos a fuertes desgastes por rozamiento y a elevadas temperaturas,

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