Estimados compañeros y amigos:

Damos comienzo, con este Tema, al análisis de un motor muy utilizado en propulsión naval.

Espero que la lectura de sus volcados les sea amena.

Un saludo cordial.

P.D.: Si han empezado por aquí, les recomiendo, previamente, visitar el Tema denominado Máquinas Térmicas.

Punto muerto superior:
El que alcanza el émbolo (o pistón) en su carrera hacia la cámara de combustión.

Punto muerto inferior:
El que alcanza el émbolo (o pistón) en su carrera hacia la parte opuesta a la cámara de combustión.

Carrera:
La distancia que existe entre el PMS y el PMI. Coincide, numéricamente con el diámetro de la circunferencia descrita por el muñón del cigüeñal.

Relación de compresión:
El cociente entre los volúmenes de aire en el cilindro, cuando se encuentra, respectivamente, en el PMI y el PMS.

Fase:
Cada una de las transformaciones que sufren los gases dentro del cilindro.

Tiempo:
El conjunto de fases que se suceden en cada carrera.

En el motor diesel de cuatro tiempos, cada tiempo coincide con la realización de una fase. Vamos a verlos.

Primer tiempo: Admisión
El giro del cigüeñal hace que descienda el pistón dentro del cilindro, desde el PMS hasta el PMI, mientras permanece completamente abierta la válvula de admisión. La válvula de escape se encuentra cerrada.

El vacío creado en el interior del cilindro provoca la entrada de aire de la atmósfera a través del colector de admisión, en cuya entrada se encuentra el filtro de aire. Al llegar el pistón al PMI se cierra la válvula de admisión.
En el interior del cilindro, el aire se encuentra, teóricamente, a presión y temperatura atmosféricas. El cigüeñal ha dado media vuelta.

Segundo tiempo: Compresión
Al continuar girando el cigüeñal, el pistón se ve obligado a iniciar su carrera del PMI al PMS. La válvula de admisión se cierra y la de escape permanece cerrada.
El volumen inicial del aire en el cilindro va reduciéndose progresivamente. Esta reducción del volumen del aire provoca un aumento progresivo de la presión dentro del cilindro hasta que se alcanza el PMS.

En ese momento la presión es máxima, (entre 30 y 40 veces la atmosférica), por lo que la temperatura del aire ha aumentado también en función de dicha presión, (entre 500 y 700 ºC).
El cigüeñal ha dado otra media vuelta.

Tercer tiempo: Combustión - Expansión
En estas condiciones, la bomba de inyección a través de los inyectores, introduce el combustible finamente pulverizado, en el cilindro .

Al contacto con el aire a elevada temperatura, el combustible se inflama. A causa de la inflamación del combustible, aumenta la presión dentro del cilindro, obligando a éste a iniciar su carrera hacia el PMI, mientras aún, por un tiempo, continúa la inyección de combustible.

La carrera de expansión es la única carrera de trabajo.

El cigüeñal ha dado su tercera media vuelta.

Cuarto tiempo: Escape
Al llegar el pistón al PMI en la carrera de expansión, se abre la válvula de escape. La válvula de admisión permanece cerrada. En estas condiciones, se produce la evacuación de los gases de la combustión empujados por el pistón en su carrera hacia el PMS.

Al finalizar esta carrera cierra la válvula de escape y abre la de admisión. Hay un momento, (llamado solape), en que ambas están abiertas a la vez para procurar un "barrido" de los gases residuales de escape, con el aire de admisión, para que la próxima combustión se realice en aire atmosférico.

El cigüeñal ha dado su cuarta media vuelta.

Quedan preparados todos los elementos del motor para iniciar otro ciclo de trabajo.

El conjunto exterior de un motor diesel puede agruparse en tres partes esenciales:

-BLOQUE.
-CARTER.
-CULATA.

EL BLOQUE MOTOR

El cilindro es el elemento del motor, perpendicular al eje del cigüeñal, por dentro del cual discurre el émbolo o pistón y que, cerrado en su parte superior por la culata, forma, junto con ésta, la cámara de combustión.
Hay dos tipos de cilindro:
-De camisa seca.
-De camisa húmeda.

En los cilindros de camisa húmeda, el líquido de refrigeración está en contacto directo con el exterior del cilindro.

La parte inferior de estas camisas dispone de una junta que impide la comunicación del refrigerante con el aceite del carter. En su parte superior, una junta metálica garantiza la estanqueidad entre camisa y culata.

En los cilindros de camisa seca, el cilindro se embute en un hueco del bloque y no tiene contacto con el refrigerante.

EL CARTER
Es el elemento encargado de cerrar el bloque por su parte inferior, dándole la estanqueidad necesaria para que el engrase de las piezas del motor se realice correctamente.

Además sirve, en algunos motores, como depósito del aceite. En su fondo se depositan las partículas e impurezas sólidas que arrastra el aceite durante el engrase.

El carter consta de dos partes, por lo general: Bancada (carter superior) y carter propiamente dicho o carter inferior.

Dispone de los siguientes elementos:
-Boca de llenado de aceite.
-Una o varias salidas para el vaciado del aceite.
-Un respiradero, que comunica con la atmósfera para evitar sobrepresiones que puedan causar los gases en su interior.
-Un tubo de succión de aceite para la bomba de engrase y
-Una sonda para el control del nivel del aceite.

El aceite bombeado para el engrase de los órganos del motor, después de recorrer su circuito, vuelve al carter por su propio peso.

LA CULATA
Es el elemento encargado de cerrar el bloque por su parte superior, delimitando la cámara de combustión.

En el interior de la culata, están mecanizadas las canalizaciones para el agua de refrigeración, que viene del bloque y sale hacia el colector de retorno, el aire de admisión y los gases de escape.


En la culata, van instalados los elementos siguientes:
-Válvulas de admisión y escape.
-Mecanismo de recuperación de válvulas.
-Balancines y sus reguladores de juego o taqués.
-Empujadores.
-Inyectores o inyector – bomba.

La unión de dos superficies metálicas, aun estando perfectamente planas y pulidas es muy difícil que sea completamente hermética.

Pese a todo, en el caso de culata y cilindro, la unión debe ser perfectamente estanca para evitar comunicaciones indeseadas entre el fluido refrigerante, el aceite de engrase y los gases, a presión durante los tiempos de compresión y combustión-expansión.

Ello hace necesario interponer una junta de culata entre ésta y el cilindro.

La junta de culata suele estar formada por dos láminas metálicas, entre las que se encuentra otra, de material elástico y altamente ignífugo, de forma que, al atornillar la culata sobre el bloque, la junta se adapte a la superficie mecanizada, haciendo la unión perfectamente estanca.

El atalaje móvil es el conjunto de elementos del motor diesel que hacen posible la conversión de energía térmica producida en la combustión del gasóleo en energía mecánica (movimiento). Está formado por los siguientes elementos

-Cigüeñal (el órgano motriz).
-Elementos de transmisión de esfuerzos:
-Biela y / o bieleta.
-Pistón y aros o segmentos.
-Distribución

La Distribución, la cual a su vez de subdivide en:
-Arbol de levas.
-Taqués.
-Balancines.
-Válvulas.

EL CIGÜEÑAL
Es un eje de acero, con tantas muñequillas o manivelas acodadas o excéntricas (muñequillas de biela) como cilindros tenga el motor.

En cada muñón va enganchada la cabeza de la biela correspondiente

Para el caso de motores cuya disposición de cilindros sea en V, los muñones del cigüeñal serán la mitad de los cilindros del motor, ya que, de un lado de la V va la biela y, en unos casos, unida a la biela y, en otros, al mismo muñón, va enganchada la bieleta.
El cigüeñal se apoya en la bancada por medio de cojinetes, sobre los cuales gira.

Para absorber esfuerzos axiales (según el eje) y desplazamientos, dispone de cojinetes de apoyo frontal.

El engrase de los puntos de giro del cigüeñal (cojinetes de bancada y de cabeza de biela) se realiza mediante unas canalizaciones en su interior.

El cigüeñal lleva, en el extremo del eje, opuesto al de la distribución un volante de inercia que toma energía en el único tiempo de trabajo del motor y la cede en los demás, ayudando, de este modo, a vencer los puntos muertos del motor y a compensar las irregularidades en su rotación.

Si el arranque del motor va a tener lugar mediante un motor auxiliar (eléctrico, en general) el volante llevará en su periferia una corona dentada donde engrana el piñón de la puesta en marcha.

El cigüeñal soporta, esfuerzos de torsión considerables, debido al empuje de las bielas sobre sus codos correspondientes.
Estos esfuerzos de torsión aumentan a medida que nos alejamos del volante de inercia.

Debido a la rápida sucesión de las carreras motrices de los pistones, los esfuerzos torsionales pueden considerarse como vibraciones.

Además, el movimiento alternativo de los émbolos crea esfuerzos de cizalladura (cortantes), que al entrar en resonancia con las anteriores, multiplican su efecto, pueden incrementar su magnitud y llegar a romper el cigüeñal.

Para evitar esto, hay dos métodos, fundamentalmente:

Uno de ellos, utilizar contrapesos, en la parte opuesta a los muñones, para potenciar el efecto del volante de inercia.

El otro, emplear antivibradores tipo disco, como el de la figura, llamados dampers (damper = compensador, en inglés).

El antivibrador mostrado en la figura está constituido por una carcasa estanca, en cuyo interior hay una llanta metálica maciza , separada de la carcasa por un fluido viscoso.

La llanta puede resbalar con facilidad sobre una guía o cojinete, teniendo por medio la masa del fluido.
En el caso de presentarse cambios súbitos en el movimiento del eje del cigüeñal, la inercia de la llanta tenderá a oponerse a dichos cambios, amortiguando las vibraciones.

Existe, además, otro tipo de antivibrador, parecido al descrito, sólo que está formado por un disco metálico unido al cigüeñal, mediante tornillos, sobre el que se fijan, por ambas caras, dos anillos metálicos de gran masa que presionan el disco a través de una junta de goma.
Caso de presentarse las vibraciones, la inercia de los anillos se opondrá a ellas.

ELEMENTOS DE TRANSMISION DE ESFUERZOS

En primer lugar, tenemos la biela, que es el elemento que transmite los movimientos alternativos rectilíneos del pistón al cigüeñal, de forma que, al acoplarse a los muñones del mismo, le imprimen un movimiento circular sobre su eje.

La biela se divide en las siguientes partes:

Pie, que se une al pistón por medio de un bulón y un cojinete, ranurados éstos dos últimos, para permitir el engrase.

Cabeza, que se une a la muñequilla del cigüeñal. Se divide en dos mitades para facilitar su montaje y desmontaje.

Vástago o cuerpo, verdadero transmisor de esfuerzos.
Tiene también una canalización interior que une la cabeza con el pie, para procurar el engrase del pie – bulón.

En las figuras, puede apreciarse el detalle del engrase de las partes de la biela.

Otro elemento clave en la transmisión de esfuerzos (el primero que interviene) es el émbolo o pistón.

Deslizándose por el interior del cilindro, se encarga de recibir el impulso motor en el tiempo de expansión y lo transmite al cigüeñal, por medio de la biela.

Puede dividirse en tres partes:

Cabeza, que dispone de unos deflectores, orientados hacia la entrada del aire de admisión y hacia el inyector, para producir turbulencias que faciliten la mezcla del aire con el combustible. El tapón térmico es un resalte de acero, donde se centra la tobera del inyector.

Centro, donde van alojados los segmentos.

Faldón, donde se une el pistón con la biela por medio del bulón.

Con la finalidad de que el continuo rozamiento provocado por las carreras del pistón sobre el cilindro no determine el desgaste prematuro de éste, se disponen sobre el pistón unos aros abiertos, de material más blando que el del cilindro, llamados segmentos.

Además, tienen la finalidad de conseguir una buena lubricación entre las paredes del cilindro y la superficie del émbolo, buscando de paso, que el aceite de engrase no llegue a la cámara de combustión.

De esta manera, los segmentos pueden clasificarse en dos grupos:

De compresión y

De engrase.

Los segmentos de compresión evitan, pues, las fugas de gases y las pérdidas de presión en las carreras del pistón.

Los segmentos de engrase tienen la misión de distribuir el lubricante por las paredes del cilindro, en cada carrera del pistón.

Los segmentos de compresión suelen ser dos (a veces tres): El situado en la zona más cercana a la cámara de combustión recibe el nombre de segmento de fogueo o cortafuegos, por soportar el golpe térmico principal.

En cuanto a los segmentos de engrase, suelen ser dos (a veces uno sólo).

Este tipo de segmentos reciben también el nombre de rascadores, ya que, en la carrera ascendente del pistón, lubrican la pared del cilindro y, en la descendente, recogen la película de aceite, cargada de elementos residuales de la combustión.

Estos segmentos llevan un resorte interno que sirve para forzar su contacto con la pared del cilindro.

Finalmente, la distribución, entendida como el conjunto de elementos destinados a sincronizar el movimiento de los distintos órganos del motor (pistones, válvulas, bomba de inyección, etc), tiene como misión gobernar la entrada y salida de gases en el motor e inyectar el combustible en el momento preciso.

Consta de los siguientes elementos:
Arbol de levas y engranajes.
Válvulas de admisión y escape y su mecanismo de recuperación.
Balancines.
Empujadores y taqués.

El árbol de levas es el elemento de la distribución que transforma el movimiento rotativo (transmitido desde el cigüeñal) en alternativo y rectilíneo para la apertura y cierre de válvulas.

Se trata de un eje en el que están mecanizadas unas prominencias llamadas levas, decaladas con un determinado ángulo de desfase en función de los reglajes.

En la zona (1) se empieza a abrir la válvula; entre los puntos (2) y (3), la válvula está totalmente abierta; en el punto (4) la válvula está totalmente cerrada.

Las válvulas son los elementos de la distribución que permiten la entrada de aire (válvulas de admisión) y la salida de los gases de la combustión (válvulas de escape).

En la válvula se determinan dos zonas: el cuerpo y la cabeza.

El cuerpo, a su vez, se puede dividir en cola (sección final en la que se acopla el mecanismo de recuperación y que recibe el impulso de apertura de la válvula) y en vástago (que desliza en unas guías y centra la válvula en sus movimientos de apertura y cierre).

La cabeza es la válvula propiamente dicha. El cierre de los conductos de admisión y escape se realiza por asientos cónicos, esmerilables.

El diámetro de las válvulas de admisión suele ser mayor que el de las válvulas de escape, por dos motivos:

Para que el llenado de aire se realice por un conducto mayor y llene totalmente el cilindro, en el caso de la de admisión.

Para que la superficie de contacto con los gases de escape sea menor y no caliente tanto la válvula, en el caso de la de escape.

Los balancines son los elementos de la distribución encargados de transmitir el movimiento de apertura de las válvulas.

Es una palanca, con su punto de giro en el centro. Uno de los brazos está en contacto con el empujador y otro ataca a la cola de la válvula.

Los empujadores son unas varillas cilíndricas que transmiten el movimiento desde el árbol de levas a las válvulas.

Recibe el nombre de taqué el dispositivo de regulación que proporciona un ajuste perfecto del juego de válvulas.

Este dispositivo, a veces, es tan simple como un tornillo de regulación.
Otras veces, el taqué va montado sobre el seguidor de la leva del árbol y, en otros casos, sobre el extremo del empujador que está en contacto con el balancín.

Para terminar con el tema de la distribución, cabe decir que el rendimiento de un motor diesel mejora notablemente al sincronizar los movimientos de apertura y cierre de válvulas con la inyección del combustible.

Para conseguir esta sincronización de válvulas, se realizan unas correcciones, que consisten en:

Avanzar la apertura de la válvula de admisión, (AAA), con respecto al PMS.
Se consigue de este modo, que, cuando empieza a bajar el pistón, ya esté abierta la válvula de admisión y el llenado del cilindro sea lo más completo posible.

Avanzar la apertura de la válvula de escape, (AAE), con respecto al PMI. De este modo se consigue que, por causa de la presión existente en el cilindro, empiecen a salir los gases del escape antes de que llegue el pistón al PMI.

Retrasar el cierre de la válvula de admisión (RCA) con respecto al PMI para conseguir que siga entrando el aire a pesar de estar empezando ya a subir el pistón, debido a la inercia del aire que está entrando.

Retrasar el cierre de la válvula de escape (RCE) con respecto al PMS de tal modo que, coincidiendo con el (AAA), (solape de válvulas), se realice un "barrido" de los gases residuales de la cámara de combustión.

Del mismo modo, se avanza la inyección del combustible antes del PMS y cesa cuando el pistón ya ha rebasado dicho punto.