Motores monocilindricos

MOTORES MONOCILINDRICOS.

Un motor es una maquina que transforma cualquier tipo de energía que se le aplique, en energía mecánica para obtener movimiento.

Es un motor térmico que transforma la energía química de la gasolina en energía mecánica para obtener movimiento, mediante un proceso térmico de funcionamiento. La gasolina mezclada con el aire en proporción conveniente, se comprime en un cilindro mediante un pistón o embolo y se hace explosionar la mezcla por medio de una chispa proporcionada por un sistema de encendido, la enorme fuerza explosiva es recibida por el pistón y se convierte en energía mecánica por el mecanismo clásico de biela-manivela (la manivela esta formada por dos brazos del cigüeñal y la muñequilla que une los mismos)

DESCRIPCION DEL MOTOR DE UN CILINDRO.

Dentro de cada cilindro (fig. 1.1), tapado por la parte alta de la culata, y ajustándose a sus paredes, se desliza arriba y abajo un pistón o embolo, que por una biela, articulada en ambos extremos se enlaza a la muñequilla o codo del cigüeñal, que es el eje de giro cuya rotación se transmite a las ruedas.

Cuando el pistón recibe por su parte alta la explosión de la mezcla aire-gasolina, se desplaza con fuerza hacia abajo y su movimiento rectilíneo se convierte, por medio de la biela en movimiento circular (giro del cigüeñal). Recíprocamente, si este gira, el pistón al enlazado por la biela tendrá que moverse arriba y abajo del cilindro. La posición mas baja del codo corresponde al punto mas bajo del recorrido del embolo, donde cambia de dirección su movimiento rectilíneo, pues si el cigüeñal sigue girando, el pistón, que antes bajaba, tendrá que subir, esta posición conjunta mas baja del codo y del pistón se llama punto muerto inferior PMI. Cuando el codo del cigüeñal esta lo mas alto posible, también el pistón esta en la parte mas elevada de su recorrido, donde cambia nuevamente de sentido su movimiento al seguir girando el cigüeñal, es el punto muerto superior PMS.

El volante es una rueda pesada, montada en el cigüeñal y que actúa en la forma que se explicara.

El cilindro (fig. 1.2) esta tapado por la parte superior con la culata, pieza que tiene dos conductos: uno de admisión, para que se introduzca la mezcla, con una o dos válvulas (válvulas de admisión) y otro de escape para evacuar los gases al exterior con una o dos válvulas (válvulas de escape), la culata lleva también un orificio en el que se introduce la bujía y la zona de las válvulas y de la bujía en la culata están situadas en un espacio cóncavo que forma la cámara de compresión o cámara de explosión, la culata tiene también unos vaciados alrededor de los asientos de válvula para que circule el agua de la refrigeración.

EL CICLO DE CUATRO TIEMPOS (A VOLUMEN CONSTANTE)

Para explicar el funcionamiento del motor, se supone que esta ya girando, bien en régimen normal o bien porque se le obliga a girar con el arranque eléctrico moviendo el volante. Para que el motor funcione por si solo es necesario que el pistón haga cuatro recorridos: dos de arriba a bajo y dos de abajo arriba; en cada uno de ellos ocurre en el interior del cilindro una operación distinta (fig. 1.3) y por eso se llama ciclo de cuatro tiempos o de Otto que fue su realizador.

PRIMER TIEMPO: ADMISION. El pistón se encuentra en el PMS y comienza a descender creando un vacio en el cilindro, cuyo espacio libre aumente a medida que desciende el pistón, la mezcla de aire gasolina proporcionada por el sistema de alimentación va llenado el cilindro a través del colector de admisión. Cuando el pistón llega al PMI se cierra la válvula. En ese tiempo el cigüeñal a girado media vuelta. Si representamos en un eje de coordenadas los valores de la presión interior (fig. 1.4), alcanzada por los gases y el volumen que ocupa el pistón desde el PMS al PMI, vemos que en ese tiempo teóricamente los gases han entrado a la presión atmosférica de 1.033 kp/cm2, debida ala presión cread por el pistón. El valor de la presión esta representado por la recta A, que se llama isobara

SEGUNDO TIEMPO: COMPRESION. El pistón sube del PMI al PMS manteniéndose las válvulas cerradas. Los gases que llenaban el cilindro van ocupando un espacio cada vez más reducido, la presión interior de los mismos se eleva, así como su temperatura, hasta ocupar el espacio de la cámara de compresión en la culata, cuando el pistón llega al PMS (fig. 1.5)

TERCER TIEMPO: EXPLOSION. Cuando los gases comprimidos en la cámara de compresión, con el pistón en el PMS, salta una chispa en la bujía que produce la explosión de la mezcla teóricamente instantánea, que empuja el pistón hacia abajo, transmitiéndose por la biela un fuerte giro al cigüeñal, que a su vez recibe el volante, almacenando una energía que después devolverá en los tiempos muertos de escape, admisión y compresión. Las válvulas han permanecido cerradas, se ha producido una carrera motriz, un tiempo efectivo, los otros tres son de preparación y el cigüeñal a dado otra media vuelta. (fig. 1.6)

La presión interior de los gases se ha elevado con la explosión a 50-60kp/cm2 de forma instantánea, teóricamente, cuando el pistón se encuentra en el PMS, se dice que este ciclo es a VOLUMEN CONSTANTE, porque se produce la explosión con el pistón en el PMS sin que e se cree mas presión cuando el pistón baja, es como un golpetazo que recibe el mismo. El ciclo diesel es distinto como luego se vera.

El pistón desciende hasta el PMI produciéndose una expansión adiabática, las dos válvulas se mantienen cerradas y al final, la presión tiene un valor P, hasta que se abre la válvula de escape y se iguala con la atmosférica.

CUARTO TIEMPO: ESCAPE. Estando en pistón en el PMI se abre la válvula de escape, baja la presión interior del cilindro de P a Pa presión atmosférica, el pistón sube empujando los gases hacia la salida conservándose el valor de la presión. La línea E, isobara, representa el tiempo de escape, el cigüeñal a dado otra media vuelta. (fig. 1.7)

En el PMS se cierra la válvula de escape y vuelve a empezar el ciclo. La superficie S del diagrama indicador da idea del trabajo desarrollado por el motor, cuanto mayor sea la superficie, mayor trabajo se ha realizado y mas potencia del motor habremos obtenido. El cigüeñal ha dado dos vueltas en el ciclo y hemos obtenido una explosión o carrera motriz útil habiendo tres tiempos auxiliares de preparación.

CICLO PRÁCTICO.

El comportamiento de un motor durante sus fases o tiempos de trabajo no se realiza con la exactitud del ciclo teórico expuesto, hay unos factores que hacen que el trabajo desarrollado por el ciclo teórico descrito sea menor, la mezcla no entra en el cilindro de forma instantánea, el llenado no es perfecto a la presión atmosférica, hay perdidas de calor y no se consiguen las presiones teóricas expuestas, son ligeramente inferiores, la superficie útil del diagrama indicador en el ciclo practico es inferior a la del ciclo teórico.

Para mejorar el rendimiento del motor las válvulas de admisión y escape no se abren y cierran en los puntos muertos superior e inferior, se modifican sus tiempos de apertura y cierre, ala explosión no es instantánea, tarda un cierto tiempo en producirse, muy pequeño, pero las grandes velocidades que adquiere el pistón en su movimiento hace que sea preciso modificar el momento en que se produce la chispa de encendido.

Todo ello contribuye a que en la práctica el motor de explosión funcione de la siguiente forma.

PRIMER TIEMPO; ADMISION. Durante este tiempo el llenado del cilindro, no se produce ala presión atmosférica, sino con un valor menor. Por muy bien que se ajusten los segmentos en el cilindro el vacio que produce el pistón no es perfecto, siempre hay perdidas; además el recorrido de los gases esta sujeto a roses en las paredes del colector de admisión, que hacen que el llenado no sea perfecto y que la presión interior del cilindro este por debajo de la atmosférica.

Para remediar en parte esas perdidas, la válvula de admisión, se abre entes de que el pistón llegue al PMS (AAA), unos 20º aproximados, de promedio de giro del cigüeñal, cuando ya finalizaba el tiempo de escape, dependiendo del tipo de motor, la mezcla así comienza a entrar antes en el cilindro. Esta cota en algunos motores no existe.

En general en todos los motores que exista retraso al cierre de la admisión RCA: la válvula de admisión se cierra después de que el pistón pase por el PMI. Durante la carrera descendente del pistón los gases siguen entrando y la inercia adquirida por los mismos hace que se siga llenando el cilindro aun después de que el pistón pase por el PMI, manteniendo la válvula de admisión abierta. Se relacionan unos ejemplos de motores actuales con las cotas dadas por el fabricante de las válvulas de admisión, en las que se aprecia la innovación que supone, con respecto a motores más antiguos, el comentado RAA

(retraso a la apertura de admisión)

En la figura 1.8 se representa el valor de la presión interna de los gases según la posición del pistón. Se abre la válvula de admisión 5ºdespues de que el pistón pase por el PMS los gases contenidos en el colector de admisión entran cuando el pistón ha empezado a bajar, creando una depresión tal que el abrir la válvula se acelera la entrada de gases. Existe un RCA de 25º, la inercia adquirida por los gases hace que sigan entrando al cilindro aun cuando el pistón sube haciendo ya compresión.

SEGUNDO TIEMPO: COMPRESION. Igual en el ciclo teórico y práctico, los gases son reducidos a la cámara de compresión.

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