Construcción de motores de pistón (Motores de pistón 3)

Motores de pistones

Capítulo 3

Construcción de motores de pistón

• Motor de pistón y disposición de cilindros
• Componentes del motor
• Componentes principales
• Terminología de cilindros
• Principio de funcionamiento
• Regulación de válvulas y encendido
• Motores multicilíndricos

Motores multicilíndricos.

Dado que, por diversas razones, resulta poco práctico obtener una alta potencia con un solo cilindro, la mayoría de los motores de aeronaves de alta potencia tienen un gran número de cilindros. Incluso los motores de aeronaves ligeras pequeñas tienen un mínimo de cuatro; no solo se obtiene una potencia más uniforme, sino que, en muchos casos, también se reduce el área frontal.

Motor Radial.

Debido a las dificultades de refrigeración por aire asociadas a los motores en línea en los inicios de la aviación, se desarrolló el motor radial. Esta disposición, en su forma más simple, tiene todos los cilindros montados radialmente alrededor del cárter en una sola bancada, lo que garantiza que cada uno obtenga el máximo beneficio de refrigeración gracias a la velocidad de avance de la aeronave y la estela de la hélice. Posteriormente, el aumento de la demanda de potencia requirió un aumento en el número de bancadas; se pueden encontrar hasta cuatro bancadas (Figura 3.1).

Se muestra en esta animación el ciclo de levas y el tiempo de un motor radial de 5 cilindros. Autor Stoianovici bajo Creative Commons 

Motor horizontal con cilindros opuestos

En un motor horizontal de este tipo, tiene los cilindros están opuestos entre sí o desplazados (casi opuestos entre sí) a ambos lados del cárter. Esta disposición acorta la longitud del cigüeñal. Todos los motores aeronáuticos de producción en serie siguen este diseño (Figura 3.2).

Figura 3.2 Motor de cilindros opuestos

Animación de un cigüeñal donde se convierte movimiento lineal en circular

Componentes del motor.

A continuación, se presenta una lista de los componentes de un motor típico de avión ligero (Figura 3.3).

1. Cigüeñal
2. Taqué
3. Árbol de levas
4. Carburador
5. Admisión del carburador
6. Balancín
7. Varilla de empuje
8. Engranajes de distribución

Componentes principales.

Cárter.

Esta es la carcasa principal del motor y suele estar hecha de una aleación de aluminio. Las almas internas ayudan a reforzar el conjunto. El cárter alberga los cojinetes principales del cigüeñal, soporta los cilindros y proporciona una superficie de montaje para numerosos accesorios, como generadores y bombas. También forma una cámara estanca para el aceite lubricante y forma parte de la estructura que transmite el empuje de la hélice al fuselaje (Figura 3.4). Un respiradero del cárter garantiza que las presiones internas sean aproximadamente iguales a la presión atmosférica circundante.

Cigüeñal. Este componente convierte el movimiento alternativo del pistón en movimiento rotatorio y transmite el par motor a la hélice. El cigüeñal debe ser resistente y rígido, y suele estar fabricado en acero aleado. Para reducir el peso, se mantiene lo más corto posible y hueco. Los conductos internos se utilizan para transportar aceite a presión a los cojinetes principales y a los cojinetes de biela a través de conductos perforados en los muñones principales y las muñequillas. El cigüeñal está formado por dos almas y una muñequilla, y suele haber tantos cigüeñales en un cigüeñal como cilindros en el motor. El tipo de motor determina la posición angular de cada cigüeñal con respecto a su vecino.

El soporte del cigüeñal lo proporcionan los cojinetes principales, que suelen ser lisos, es decir, con casquillos de metal blando. Estos casquillos se reemplazan fácilmente cuando se desgastan excesivamente. Para amortiguar las vibraciones torsionales, se suelen encontrar contrapesos (amortiguadores dinámicos) en algunos de los almas del cigüeñal (Figura 3.5).

Biela 

Las bielas transmiten la fuerza de la combustión del pistón al cigüeñal y están hechas de acero forjado. El extremo por donde pasa el muñón se denomina cabeza de biela y el otro, pie de biela. El cojinete de cabeza de biela es similar a los cojinetes principales con camisas de camisa; sin embargo, el cojinete del pie de biela puede tener un inserto de bronce fosforoso (Figura 3.6).

Pistón

Los pistones suelen estar hechos de aleación de aluminio. La parte superior del pistón se llama corona y los laterales, falda. Los pistones tienen tres o cuatro ranuras circunferenciales para alojar los segmentos. Los segmentos más cercanos a la corona son de compresión y su función es evitar que los gases de la cámara de combustión se filtren más allá del pistón hacia el cárter. Los segmentos inferiores, a veces llamados anillos rascadores o de control de aceite, evitan fugas de aceite en la cámara de combustión. Los segmentos de pistón están hechos de hierro fundido o acero y tienen una junta de expansión. Cuando los segmentos del pistón están dentro del cilindro, se comprimen y forman un sello hermético contra la pared del mismo (Figura 3.7). Bujes de pistón.

Estos bulones conectan los pistones y las bielas. Suelen ser totalmente flotantes, lo que significa que giran libremente dentro de los pistones, evitando un desgaste irregular. Los tapones o anillos de retención los mantienen en la posición longitudinal correcta.

Camisa del cilindro.

Las camisas están hechas de acero aleado y proporcionan una superficie de trabajo para los segmentos del pistón. Deben ser lo suficientemente resistentes como para resistir la presión de la combustión y disipar el calor rápidamente. Las camisas refrigeradas por aire tienen aletas circunferenciales para aumentar la superficie de refrigeración de la camisa.

Culata.

Las culatas generalmente están hechas de aleación de aluminio para mayor ligereza y una buena disipación del calor. Las culatas suelen estar atornilladas y termoselladas en la parte superior de las camisas. Las aletas se utilizan para facilitar el ci...

Refrigeración de la culata. Las culatas albergan las válvulas, las guías, los insertos de asiento, los resortes, las bujías y los conjuntos de balancines (Figura 3.8).

Las válvulas abren y cierran los puertos de admisión y escape de las culatas. Las guías de válvula mantienen las válvulas en movimiento en una sola línea y evitan el balanceo. Generalmente se presionan en la culata. Los insertos de asiento de válvula se rectifican para formar un sello hermético con las válvulas en posición cerrada. Los resortes de válvula garantizan que las válvulas permanezcan cerradas, excepto cuando se abren mediante el mecanismo de balancín. Los resortes son helicoidales y generalmente hay dos por cada válvula por razones de seguridad y para ayudar a eliminar el rebote de la válvula. Los resortes se mantienen comprimidos entre la culata y la tapa del resorte de válvula mediante pinzas divididas. Cada culata tiene dos orificios roscados para las bujías.

Mecanismo de operación de válvulas

El mecanismo de operación de válvulas completo consta de: balancines, varillas de empuje, taqués, árbol de levas y engranajes de distribución. El árbol de levas se acciona a la mitad de la velocidad del motor porque las válvulas abren y cierran una vez en un ciclo completo. Las levas del árbol de levas están en contacto directo con los taqués, que transmiten el movimiento a las válvulas mediante varillas de empuje y balancines. Cuando la válvula está cerrada, debe existir una holgura entre el taqué y la varilla de empuje; esto garantiza que la válvula se cierre completamente y no se desplace de su asiento durante el funcionamiento normal. La holgura de los taqués provoca ruido y desgaste en el mecanismo de la válvula; para solucionar este problema, la mayoría de los motores actuales están equipados con taqués hidráulicos.

Los taqués hidráulicos funcionan utilizando el aceite del motor como fluido hidráulico; eliminan el ruido y el desgaste al eliminar la holgura de los taqués. El desgaste en el mecanismo de operación de la válvula no afecta la sincronización de válvulas en motores equipados con taqués hidráulicos, ya que son autoajustables.

Los motores equipados con taqués hidráulicos pueden experimentar un funcionamiento irregular al arrancar debido a la falta de aceite. Normalmente, se recargan de aceite en cuestión de segundos (Figura 3.9).

Terminología de Cilindros (Figura 3.10)

• Punto Muerto Superior (PMS): Posición del pistón en el punto más alto del cilindro.

• Punto Muerto Inferior (PMI): Posición del pistón en el punto más bajo del cilindro.

• Carrera: Distancia entre el PMS y el PMS.

• Volumen desplazado: Volumen del cilindro comprendido entre el PMS y el PMS.

• Volumen de compresión: Volumen del cilindro comprendido entre la parte superior del cilindro y la corona del pistón en el PMS.

• Relación de Compresión: La relación de compresión de un motor es una relación de volúmenes.

R.C. = (Volumen desplazado + Volumen de compresión (Volumen Total)) / Volumen de compresión

Ciclo de Cuatro Tiempos

Todos los motores de combustión interna queman combustible, lo que produce calor. Este calor genera presión para impulsar un pistón hacia abajo en el cilindro y generar movimiento. Este movimiento lineal se convierte en movimiento rotatorio mediante el cigüeñal, que hace girar la hélice. La secuencia de eventos se denomina ciclo.

El ciclo consta de cuatro tiempos del pistón y dos revoluciones del cigüeñal, de ahí el nombre de ciclo de cuatro tiempos (Figura 3.11).

Figura 3.11 El ciclo de cuatro tiempos (ciclo Otto)

PRIMER TIEMPO (ADMISIÓN)

El primero de los cuatro tiempos es el de inducción. Durante este tiempo, el pistón se mueve del PMS al PMI con la válvula de admisión abierta y la de escape cerrada. El movimiento descendente del pistón provoca una caída de presión dentro del cilindro, lo que provoca el flujo de la mezcla de combustible y aire hacia el cilindro. Debido a su inercia, el flujo de la mezcla tiende a retrasarse respecto al movimiento descendente del pistón, de ahí la caída de presión. (Figura 3.12).

Figura 3.12 Admisión

SEGUNDO TIEMPO (COMPRESIÓN)

Durante el tiempo de compresión, el pistón se desplaza del PMS al PMI con las válvulas de admisión y escape cerradas. A medida que el pistón asciende, la mezcla de combustible y aire se comprime en la cámara de combustión, alcanzando una presión de aproximadamente 80 psi. Dado que la mezcla se comprime antes de la ignición, la presión por unidad de área que actúa sobre el pistón será mayor después de la ignición. Las bujías (dos por cilindro) encienden la mezcla en una posición angular precisa del cigüeñal relacionada con el PMS. Durante el funcionamiento normal, la ignición siempre ocurre antes del PMS (Figura 3.13).

Figura 3.13 Compresión

TERCER TIEMPO (Carrera de potencia o combustión)

Durante la carrera de potencia, el pistón se desplaza del PMS al PMI con las válvulas cerradas. Justo después del PMS, la mezcla se quema completamente; la presión del gas alcanza su máximo, forzando al pistón a descender. A medida que el pistón desciende, al aumentar el volumen del cilindro, la presión y la temperatura del gas disminuyen (Figura 3.14).

Figura 3.14 Combustión (potencia)

CUARTO TIEMPO (ESCAPE)

El pistón se desplaza del PMS al PMS, forzando la salida de los gases de combustión del cilindro. Esto se denomina barrido. Al final de la carrera de escape, el ciclo se reinicia con la carrera de admisión (Figura 3.15).

Figura 3.15 Escape

Debajo se muestran los cuatro ciclos

• Tiempo de admisión - El aire y el combustible vaporizado entran.
• Tiempo de compresión - El vapor de combustible y el aire son comprimidos y encendidos.
• Tiempo de combustión - El combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo.
• Tiempo de escape - Los gases de escape se conducen hacia afuera.

Sincronización de válvulas e ignición.

Las válvulas no se abren ni se cierran en las posiciones PMS o PMI, sino antes o después de las posiciones centrales. Las diferencias entre las posiciones TDC y PMI se denominan adelanto y atraso, respectivamente.

Las posiciones angulares están relacionadas con los grados de movimiento del cigüeñal y se calculan utilizando el PMS y el PMI como referencia. La válvula de admisión abre antes del PMS en la carrera de escape y la válvula de escape cierra después del PMS durante la carrera de admisión; en otras palabras, las válvulas se abren simultáneamente alrededor del PMS. Esto se denomina solapamiento de válvulas y, en el ejemplo mostrado, el solapamiento es superior a 49° del recorrido del cigüeñal, aunque este solapamiento varía según el tipo (Figura 3.16).

El solapamiento de válvulas está diseñado para aprovechar la inercia de los gases de escape salientes, proporcionar un barrido más completo y permitir que la mezcla fluya a la cámara de combustión lo antes posible. La válvula de escape abre antes del PMS (adelanto) para facilitar la evacuación de los gases de escape del cilindro, ya que la presión de los gases es superior a la ambiental. Esto parece causar una pérdida de energía de presión, pero cabe destacar que el recorrido del pistón superior a 30° alrededor del PMS y el PMS es muy pequeño; esto se conoce como ángulo de cigüeñal ineficaz. El cierre tardío de la válvula de admisión (lag) permite que la presión de la mezcla alcance el valor ideal, que es la presión ambiente (normalmente aspirada).

Figura 3.16 Solapamiento de válvulas

Tiempo de encendido.

La presión máxima en el cilindro debe alcanzarse justo después del PMS para maximizar la conversión de la energía de la presión en energía mecánica. Por ejemplo, si la presión máxima se produjera a mitad de carrera, la presión actuaría sobre el pistón solo durante media carrera.

Cuando se produce el encendido, la mezcla se quema de forma controlada; la velocidad de la llama es de aproximadamente 18-24 m/s (dependiendo de la relación de mezcla). Dado que la mezcla tarda en quemarse por completo, el encendido debe producirse mucho antes de que se requiera la presión máxima. 

El encendido normalmente se produce entre 20° y 30° antes del PMS; suponiendo que se requiere la presión máxima a 10° después del PMS, la mezcla se quema durante 30° de recorrido del cigüeñal. Cuando la mezcla no se quema de forma controlada, sino que explota, se produce una detonación. 

Idealmente, el tiempo de encendido debería variar con la velocidad del motor para mantener la presión máxima, por ejemplo, a 10° después del PMS. Dado que los motores aeronáuticos operan en un rango de velocidad muy estrecho, el encendido variable no es necesario. Cuando el encendido se produce antes del PMS, se adelanta; cuando se produce después del PMS, se retarda; el único momento en que se retarda es durante el arranque del motor.

Motores multicilíndricos.

El método convencional para aumentar la potencia consiste en aumentar el número de cilindros; en lugar de un cilindro grande, los motores suelen tener cuatro o seis. En los motores multicilíndricos, las carreras de potencia están equidistantes a lo largo de dos revoluciones del cigüeñal. 

Así, un motor de cuatro cilindros tiene una carrera de potencia cada 180°, y un motor de seis cilindros, cada 120°. El orden en que se producen las carreras de potencia lo decide el fabricante. El orden 1, 4, 3, 2 para un motor de cuatro cilindros es un ejemplo típico. Esta secuencia se denomina orden de encendido porque es la misma para todos los cilindros.

• PASO 1: Se muestra el encendido del Cilindro 1 (atrás-derecha).
• PASO 2: El encendido salta al Cilindro 4 (detrás-izquierda).
• PASO 3: Regresa a la parte derecha en el Cilindro 3 (delante-derecha).
• PASO 4: Finaliza el ciclo en el Cilindro 2 (dekante-izquierda).

Una vez completado el paso 4, el ciclo se repite.

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