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Club Honda CBR125R » Partes de un Motor. Ciclo 4T y Ciclo 2T

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Octubre 31, 2007

Partes de un Motor. Ciclo 4T y Ciclo 2T

Archivado en: Muy interesantes — Gotrunks @ 6:18 pm

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Pues me voy a estrenar en el nuevo foro con un buen ladrillo Campeon Con este post quiero explicar a aquellos que no controlen mucho de mecánica (yo no soy ningún experto) las partes fundamentales de un motor de combustión y ya de paso explicar (ya que siempre estamos con las comparaciones entre 2T y 4T) las diferencias básicas entre uno y otro motor de forma sencilla. (Ya sé que la mayoría sabemos las diferencias entre uno y otro, pero por si hay algún despistadillo Wink )Tambien decir que estas explicaciones no son mias, son explicaciones que he ido recopilando de diferentes páginas webs y foros.

El Motor de Explosión

En los motores de este tipo, se pretendía y se sigue pretendiendo, transformar la energía térmica, de quemar una mezcla de un carburante y aire, en su interior, por energía cinética, (movimiento, en este caso, circular).El sistema a seguir es el de reunir el trabajo de varias piezas que están relacionadas entre si y que transforman la energía lineal en circular.

Estas piezas o elementos son: cilindro, culata, pistón, biela, cigüeñal y volante de inercia.
Luego existen otros grupos de piezas o componentes adicionales, que son los que ayudan o solventan los problemas que se presentan en los ciclos de trabajo del motor.

Estas piezas o elementos son: Sistema de engrase, sistema de refrigeración, sistema de distribución, sistema de encendido, sistema de alimentación y sistema de transmisión.

Entre estos sistemas, existen algunas diferencias concretas en función del diseño de funcionamiento del motor, puede ser en relación al ciclo de trabajo, de 2 tiempos o de 4 tiempos, estas diferencias, vienen marcadas por su sistema de la alimentación de aire-carburante y de los ciclos necesarios para convertir el energía térmica en movimiento aprovechable.

El cilindro:
Como su nombre indica, este elemento es la base de deslizamiento, donde se inserta el pistón, para que este se desplace de arriba abajo y a la inversa, es perfectamente cilíndrico y suele ser de material ferrico, en los motores actuales, suele ser de aluminio con una tratamiento en su superficie interna, por donde se desliza el pistón, para favorecer el que exista el mínimo rozamiento y se disipe mas rápidamente la temperatura excedente. El que corresponde al del ciclo de “2 tiempos”, es de construcción mas compleja, ya que lleva en su interior los conductos por donde circula el gas de la mezcla y se distribuye hacia la parte alta del cilindro.

La Culata:
Es unos de los elementos que distingue el ciclo al que pertenece el diseño de los motores de combustión interna, la del denominado “2 tiempos”, es muy simple de construcción, no así la denominada de “4 tiempos”, ya en ella se alojan los mecanismos de alimentación y descarga o escape, llamados válvulas, es en ambas donde se efectúa la explosión de la mezcla y donde se genera la presión que hace desplazar el pistón y por tanto, genera el movimiento que transmitido por la biela hace que el cigüeñal transforme en giro útil la fuerza de la explosión.

El Pistón.
Este elemento es una de las piedras angulares del diseño del motor de explosión, es una pieza de forma cilíndrica, cerrado por su parte superior, con unos alojamientos en la parte externa donde se insertan los elementos que en forma de anillo abierto, mantienen la estanquidad entre las dos piezas, cilindro y pistón, estos anillos se llaman segmentos, por su forma característica similares a partes de un cilindro. El pistón tiene un “diámetro” concreto, en función del cubicaje del motor y lleva un taladro que le traspasa de lado al lado, donde se inserta un bulon cilíndrico que le une al elemento que se llama biela.

La Biela:
Este elemento es uno de los que soportan mas esfuerzo en el motor, unen el pistón que se desliza por el cilindro, al eje motor, llamado cigüeñal y estos dos elementos, transforman el movimiento lineal que efectúa el pistón, en movimiento circular, la biela presenta una forma de viga con dos orificios en sus extremos, uno se une al pistón y el otro a la muñeca del cigüeñal.

El Cigüeñal:
Este elemento, como ya se indica anteriormente, es la pieza que dado su diseño, transforma las carreras ascendente y descendente del pistón, en movimiento circular, presenta un diseño que se asemeja a un eje al que hemos quitado partes de su centro y hemos dado forma de manivela, dos partes del eje están alineadas en los extremos y la otra esta desplazada, en esta se inserta la biela que une pistón y cigüeñal.
La longitud de recorrido del pistón en el cilindro, vienen dada por el desplazamiento del eje de la manivela y a esto se le llama “carrera”.

El volante de inercia:
Es un elemento que en forma de pesa circular, va unido al eje del cigüeñal en uno de sus extremos, su misión es la de estabilizar el movimiento circular, dándole una uniformidad a este.

Sistema de distribución:A este sistema se le conoce por este nombre dada su implicación en la forma de distribuir las distintas fases, o ciclos de los motores de explosión para su correcto funcionamiento, sea el ciclo de diseño del motor de 2 o de 4 tiempos, los ciclos necesarios siguen estando formados por las siguientes fases: Admisión, Compresión, Explosión y Escape. Estas fases son, como ya mencionamos antes, las que componen el ciclo total para el llamado sistema de distribución.Motor de 4T:

1) Admisión: Este ciclo es el que inicia la carga de gases al interior del motor y es el que mediante un sistema de o bien válvulas de tipo mecánico, o bien por el sistema de lumbreras, (conductos abiertos que son controlados por el pistón en el caso del motor de 2 tiempos), permiten que los gases llenen el espacio dispuesto para este fin, y puedan ser conducidos a la siguiente fase.

2) Compresión: En este ciclo, los gases depositados en la cámara que ha dejado libre el pistón en su desplazamiento, son comprimidos por este y reducidos mediante dicha compresión, a un volumen calculado, en la cámara de la culata, (la variación de dicha cámara, puede afectar al rendimiento, como ya se vera en las explicaciones posteriores en el apartado de “mejoras del rendimiento”). La previa compresión de la mezcla en la cámara de la culata, prepara el siguiente ciclo y es vital en el rendimiento general del motor.

3) Explosión: Este ciclo, es quizás el de menos aparente complejidad y sin embargo el que esta sujeto a, que con sus posibles variaciones, se obtenga el aprovechamiento del ciclo de mayor o menos magnitud, en el, los gases anteriormente comprimidos, son llevados, mediante el chispa de una bujía, (que forma parte del sistema de encendido que posteriormente aclararemos), explosionan dentro de la cámara y generan una alta presión, que fuerza al pistón a desplazarse violentamente, a esta carrera se le llama de trabajo y es la única que genera energía cinética y es en la que se convierte parte de la energía térmica en movimiento, los excedentes de la combustión, se pierden en forma de calor y por el sistema que ahora aclararemos.

4) Escape: Por ultimo, este ciclo es que permite que los gases quemados en parte y que han sido generados por la explosión de la mezcla, sean conducidos al exterior, esto se efectúa mediante las válvulas o lumbreras, (en la caso de motores de 2 tiempos), además de la necesaria evacuación que permita dejar el sistema “limpio” para iniciar el siguiente ciclo, genera una serie de fuerzas que son aprovechadas, (como ya se explicara mas concretamente en el apartado de “mejoras del rendimiento”).

Como se puede deducir de las fases descritas anteriormente, son cuatro y en el caso del motor “puro” de 4 tiempos, se invierten cuatro carreras de pistón en efectuarlas, ósea dos vueltas del eje del cigüeñal, con una sola carrera como fuente de energía cinética o de movimiento forzado, a simple vista de profano, se puede entender el bajo rendimiento que se obtiene de la energía condensada en el carburante con este diseño, pero salvo en el caso del motor de explosión de fase de 2 tiempos y algunas otros sistemas, como el Wankel de pistón triangular, no se consiguen mas explosiones por ciclo completo y por tanto, mas energía con el mismo consumo.

Explicadas las fases que conforman el llamado ciclo de distribución, pasaremos a enumerar los distintos elementos que componen este mecanismo.

En los motores de 4 tiempos, la culata alberga los alojamientos y los conductos llamados de admisión y es por donde circula la mezcla y donde es distribuida al interior del motor o cámara + cilindro, por las válvulas, estos elementos, suelen adoptar forma de seta de eje alargado, la parte ancha de la seta, se aloja cerrando el conducto y es guiada en su desplazamiento de apertura y cierre, por un cilindro que lleva la culata, en el que se aloja su “tallo o eje, llamado “guía de válvula”.Existen unos muelles que mantienen a las válvulas en reposo, y cerradas sobre sus alojamientos, (asientos), dichos muelles deben ser vencidos para poder abrir las válvulas, lo que acarrea un consumo de energía adicional.

Válvulas:

El sistema de escape presenta el mismo diseño, cerrando y abriendo un conducto denominado de “escape”, los ejes de las válvulas, salen al exterior de la culata y allí, en motores modernos de alto rendimiento, reciben el impulso, para su movimiento de trabajo, de unos ejes, llamados de “levas”, estos ejes, se apoyan en sus respectivas bancadas de cojinetes creados al efecto en la culata y mediante unas coronas de piñones, reciben el movimiento desde el cigüeñal, en este caso se efectúa una conversión de movimiento circular en movimiento lineal, ósea el inverso al que se genera entre pistón biela y cigüeñal.

Árbol de levas:

Estos movimientos están calculados y sincronizados con el del movimiento del pistón y de las distintas fases en las que se encuentra en cada momento, así, cuando se va a iniciar la carrera de admisión, la válvula o válvulas correspondientes, se empiezan a abrir y permiten el flujo de gases mezclados, se introduzcan en el cilindro, de la misma manera, cada ciclo se efectúa de forma sincronizada y permite que se completen las fases descritas.

Del sistema de accionamiento de las válvulas, merece la pena describir que existen diversos diseños, unos buscando el eliminar los muelles descritos y así evitar el consumo de energía que esto conlleva, el “desmo”, (muy usado por Ducati en sus motores, diseñado en su día por Mercedes Benz), este sistema consta de un árbol de levas común, (empuja de la misma forma la válvulas o válvulas), pero con la diferencia de que a su vez acciona otro pestillo que sube la válvula, anulando así el muelle que se precisa para cerrar el sistema.

Sistema desmodrómico (Usado por Ducati):

Este sistema además de menos costoso en cuanto a energía a consumir, permite un guiado de la válvula mas preciso y evita el temible “rebote” de la válvula en su desplazamiento no guiado, (cuando el muelle es el encargado de llevarla a su estado de cerrado y también permite el aumentar el régimen de giro al anular el mencionado efecto).

Existen también otros diseños muy actuales, que consiste en controlar el movimiento guiado de las válvulas mediante aceite o aire a presión, esto da precisión al ciclo y evita el movimiento sin control de las válvulas y sus holguras, permitiendo altos regímenes de giro.

La relación entre el giro de cigüeñal y el de los árboles de levas, esta controlada por un sistema de piñones conectados entre si por cadenas de tipo rodillo o de eslabones que crean un efecto dentado similar al de los piñones de talla recta (Hi-vo), otros modelos llevan una cascada de piñones, que conectan el cigüeñal a los árboles de levas, MV, Honda, etc.. Todos ellos presentan el temido efecto de la perdida de energía por crear rozamientos indeseados y holguras que obligan a los sistemas mencionados primero, a crear guías que conduzcan el movimiento de las cadenas de distribución y las mantengan tensadas.

Aquí una recreación en 3D de un motor 4T de cuatro cilindros similar al motor de las actuales motos deportivas japonesas de 600cc y 1000cc:

Despiece y montaje del mismo motor 4T de 4 cilindros:

Motor de 2T:

A pesar de su aparente complejidad, el funcionamiento interno de un motor de explosión (o mejor dicho, de combustión interna y alternativo, porque se realiza una combustión o quemado dentro de él y porque algunas de sus piezas se mueven alternativamente) es sencillo y fácilmente comprensible si se estudia el comportamiento de sus piezas.

En cualquier motor de este tipo se encuentra siempre un cigüeñal, que es un eje con una manivela formada por dos partes: muñón y muñequilla.

Al accionarse la manivela el cigüeñal gira de la misma forma que el pedal de una bicicleta.

Por otro lado está el émbolo o pistón, que se desliza dentro del cilindro de la misma manera que una jeringuilla. Al moverse origina unas variaciones de volumen en el cilindro, necesarias para el funcionamiento del motor.

Como el movimiento del émbolo es rectilíneo, no puede ser unido al movimiento del cigüeñal, que es giratorio. Existe una pieza intermedia que lo permite, denominada biela. Es una varilla rígida con dos orificios en los extremos. Abraza a la manivela para hacer girar al cigüeñal por un lado, y a un eje existente en el émbolo por el otro para poder oscilar (llamado bulón).

Así pues, si se empuja al émbolo, éste se desliza en el cilindro y mueve al cigüeñal, y viceversa: girando el eje del motor, él émbolo subirá y bajará con suavidad.

Para soportar las grandes cargas que supone girar a elevado régimen y aguantar la fuerza de los gases, es necesario que el cigüeñal se apoye bien sobre cojinetes de bronce o sobre rodamientos de bolas.

Este mecanismo corresponde al de un motor de un solo cilindro. Para motores pluricilíndricos se repite este dispositivo. Los cilindros pueden agruparse en línea, opuestos, en uve o en estrella.

Funcionamiento:

Al acercarse el émbolo a la culata disminuye el volumen existente entre ambos, y si se impide la fuga del gas encerrado, éste aumenta de presión; es decir, se comprime, y sube, en consecuencia, también su temperatura. Es lo que se llama fase o tiempo de compresión.

Cuando el émbolo se acerca al máximo a la culata, estamos en punto muerto superior y la presión y temperatura son máximos. Si los gases encerrados son una mezcla en proporciones apropiadas de aire y combustible, puede que, llegado un punto, empiecen a arder por sí solos, es decir, que se produzca un autoencendido; también se puede provocar la llama con un bujía. Al arder la mezcla, la sobrepresión creada por la liberación de energía repele el émbolo con mucha fuerza, lo cual se aprovecha para recuperar el trabajo realizado durante la compresión. Lo que sobra sirve para que continúe el giro del cigüeñal y, además, para arrastrar algo, como por ejemplo, una hélice.

Por lo tanto, el émbolo empieza a alejarse de la culata, aumentando el volumen de la cámara. Esta fase se llama expansión. La presión y temperatura de los gases ya quemados baja según se expande el gas.

Lumbrera:

Al llegar al extremo inferior, llamado punto muerto inferior ya no podemos aprovechar más la energía de los gases. Además, por estar ya quemados, no sirven para repetir con ellos otra vez una compresión.

Lo que se hace es abrir un orificio en la pared del cilindro, llamado lumbrera, para que los gases salgan por sí solos, cosa que se efectúa fácilmente, pues se encuentran a mayor presión que la atmósfera (es como al abrir una botella de gaseosa). Pero en el cilindro quedarán residuos aún; conviene barrerlos y sustituirlos por gases frescos y nuevos, compuestos por aire y combustible. Esto se consigue abriendo un poco después otra lumbrera que comunique con un depósito donde se tiene preparada mezcla fresca a presión. Entra por sí misma y desplaza a los gases residuales echándolos por la lumbrera de escape. Esto es lo que se llama barrido.

Hay que orientar bien las lumbreras para evitar que la mezcla fresca se salga directamente por el escape, sin empujar primero a los gases residuales. Por ello, algunos émbolos poseen una pared deflectora para tratar de evitarlo. En la actualidad esto se consigue orientando unas lumbreras laterales en sentido contrario al de salida de los gases (barrido tipo Schnuerle o llamado también de lazo).

Vemos que es necesario previamente preparar una mezcla en proporciones correctas de aire y combustible, cosa que hace el carburador, pero, además, una vez preparada, es necesario precomprimirla para que entre en el cilindro. Normalmente esto se hace en el interior del motor, pero del otro lado del émbolo.
El carburador comunica con el cárter que es el recinto donde gira el cigüeñal y oscila la biela. Al bajar el émbolo alejándose de la culata, este volumen disminuye, con lo que los gases que entraron por el orificio del carburador son comprimidos, es decir, aumenta su presión. Si cuando esté a punto de llegar el émbolo a su extremo inferior abrimos un conducto que comunique el cárter con el cilindro. llamado tránsfer. estos gases comprimidos saldrán por él hacia el cilindro. si la presión en él es menor. Esto normalmente ocurre porque se ha abierto previamente la lumbrera de escape y se han escapado ya bastantes gases residuales. Por tanto, se consigue que el cárter actúe como bomba de barrido.

Al realizarse la compresión de gases frescos (y algo de residuales que queden) entre el émbolo y la culata por disminución de volumen, aumenta la capacidad del cárter, lo cual se aprovecha para abrir un orificio que conecte el cárter con el carburador, con lo que se consigue que entre mezcla fresca. Este orificio se llama lumbrera o válvula de admisión.

Las lumbreras de escape y tránsfer están en el cilindro; las abre y cierra el propio émbolo, mientras que el orificio de admisión lo puede abrir una especie de faldón del émbolo (es habitual en motores de motocicleta) o el cigüeñal; lo que se (lama tener válvula rotatoria. En ciertos motores, como en el Cox Babe Bee se abre automáticamente por usar válvulas de pétalos.
Todo este conjunto de aperturas y cierres de lumbreras hacen que el motor de dos tiempos funcione con muchas menos piezas que los de cuatro tiempos, por lo que resulta más ligero, barato y, además, produce trabajo en cada vuelta del cigüeñal, mientras que el de cuatro tiempos lo produce cada dos.

Los gases, al ser comprimidos y expandidos, actúan como muelles. Si se utiliza su inercia, es decir, su tendencia a seguir realizando lo que estaban haciendo con anterioridad, se consigue que todo el conjunto de procesos que hemos visto se realice más rápidamente y de forma más efectiva y perfecta. Por eso se utilizan diseños de lumbreras teniéndola en cuenta, y se instalan tubarros en el escape.

De todas formas, lo que está claro es que, en este tipo de motores, la lumbrera de escape es más alta que la de transfer.

Basicamente se diferencia un motor 2T de un 4T en:
- No hay válvulas de admisión ni de escape. La entrada y salida de los gases se produce a través de unos canales.
- Es la posición del pistón la que controla la entrada y salida de gases.
- No hay cárter de aceite, la gasolina entra mezclada con el aceite.

Espero que os sirva para saber algo más

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Jordi Urpi Fernandez