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Cómo funciona un motor de 4 tiempos?
Cómo funciona un motor de 4 tiempos?
Un motor de combustión interna es básicamente una máquina que mezcla oxígeno con combustible gasificado. Una vez mezclados íntimamente y confinados en un espacio denominado cámara de combustión, los gases son encendidos para quemarse (combustión).
Debido a su diseño, el motor, utiliza el calor generado por la combustión, como energía para producir el movimiento giratorio que conocemos.
Motor a Gasolina o Alcohol
Motor a Gasolina o Alcohol
En la figura animada que aparece más abajo se puede apreciar el funcionamiento del motor de 4 tiempos.
1er tiempo:
carrera de admisión. Se abre la vávula de admisión, el pistón baja y el cilindro se llena de aire mezclado con combustible.
2do tiempo:
carrera de compresión. Se cierra la válvula de admisión, el pistón sube y comprime la mezcla de aire/gasolina.
3er tiemp:
carrera de expansión. Se enciende la mezcla comprimida y el calor generado por la combustión expande los gases que ejercen presión sobre el pistón.
4to tiempo:
carrera de escape. Se abre la vávula de escape, el pistón se desplaza hacia el punto muerto superior, expulsando los gases quemados.
Para detener el movimiento pulse con el derecho y utilice el menú.
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
O
P
Balancín de válvula.
Tapa de válvulas.
Pasaje de admisión.
Culata de cilindros.
Cámara refrigeración.
Bloque de motor.
Carter de motor.
Lubricante.
Eje de levas.
Regulador de válvula.
Bujía de encendido.
Pasaje de Escape.
Pistón.
Biela.
Puño de biela.
Cigüeñal.
Admisión
Expansión
Compresión
Escape
Expansión: Fuerza de Empuje
Expansión: Fuerza de Empuje
El calor que se genera en la cámara de combustión cuando se quema la mezcla produce fuerza de expansión en los gases presentes. Esta característica expansiva de los gases es lo que ejerce la fuerza para generar el movimiento del motor.
Presión Media Efectiva, corresponde a la presión promedio que ejercen los gases durante la carrera de expansión en un motor.
Comparando dos motores iguales, aquél que es capaz de quemar apropiadamente mayor cantidad de combustible, dispone de mayor presión de expansión para impulsar los pistones.
Rendimiento Volumétrico
Rendimiento Volumétrico
Como el tiempo de admisión es demasiado breve, los gases de mezcla fresca dentro del cilindro nunca alcanzan el valor de la presión atmosférica. Comparando dos motores iguales, el que sea capaz de llenar en mejor forma sus cilíndros será el más eficiente.
Se denomina rendimiento volumétrico al porcentaje de presión de llenado de un cilindro. Por ejemplo, si la presión barométrica es de 1.000 milibares, el motor tendrá un 80% de rendimiento volumétrico cuando los gases en sus cilindros alcanzan una presión de 800 milibares, antes de comenzar la carrera de compresión. Entre dos motores iguales, el que tiene mayor rendimiento volumétrico genera más potencia puesto que dispone de mayor número de moléculas de oxígeno que le permiten quemar mayor cantidad de combustible.
Los sistemas de admisión de motores para vehículos de calle, se diseñan de manera que el rendimiento volumétrico máximo se alcance a velocidades medias de alrededor de 3.000 a 4.000 RPM. Cuando el llenado de los cilindros es máximo entonces el torque es máximo. Esto último no significa que su potencia sea máxima.
Fuerza de Torsión
Fuerza de Torsión
El torque o par es el nombre que se da a las fuerzas de torsión. Para que la torsión exista se requieren 2 fuerzas (par), que se ejercen en sentido opuesto. Ver la figura.
El valor del par depende del radio de acción de la fuerza (brazo). La mayor o menor torsión que genera una fuerza, depende de la distancia al punto de pivote. A mayor brazo mayor par.
Par de Torsión
Par de Torsión
El par o torque es un número que expresa el valor de la fuerza de torsión. Se expresa en kilos x metros. Es decir, si ejercemos una fuerza de 1 kilo con un un brazo de 1 metro el torque o par será de 1 kilo x metro (1 kilográmetro).
En un motor de pistones la capacidad de ejercer fuerza de torsión es limitada. Depende de la fuerza de expansión máxima que logran los gases en el cilindro. El torque máximo se consigue cuando el rendimiento volumétrico es máximo y por lo tanto, se dispone de mayor temperatura para expandir los gases.
Los motores de mayor tamaño están equipados con cigüeñal de brazo más largo. Esto les da la posibilidad de ejercer igual par de torsión con menos fuerza de expansión de los gases.
Trabajo y Potencia
Trabajo y Potencia
La física define como trabajo el desplazamiento de un cuerpo por efecto de una fuerza.
El trabajo se mide en términos numéricos, multiplicando la fuerza ejercida por la distancia recorrida. Es decir, si movemos un cuerpo con la fuerza de un kilógramo para que recorra 1 metro, estamos efectuando un trabajo de 1 kg. x metro. A mayor fuerza ejercida mayor trabajo efectuado. Cuando se realiza trabajo y la trayectoria es circular, como es el caso de un motor, el cálculo del trabajo se expresa:
Trabajo = Fuerza x 2¶r, donde ¶ es una constante (3,1416) y r es el radio de giro.
Potencia PS y HP
Potencia PS y HP
La potencia es trabajo mecánico que incorpora en su valor el parámetro tiempo. Es decir, la potencia se expresa con un número que cuantifica el trabajo efectuado durante un lapso de tiempo. Mientras más rápido se realiza el trabajo la potencia que se desarrolla es mayor.
La medida original de potencia se expresa en caballos de fuerza o PS (Pferdestärke), y proviene del sistema métrico alemán.
El valor de 1 PS equivale a levantar 75 kilógramos a 1 metro de altura en 1 segundo, (75 kg x metro/segundo). Su equivalencia en el sistema de medida inglés es el HP (Horsepower). El valor de un PS se diferencia levemente del HP: 1 PS = 0.9858 HP.
1 HP es igual a levantar 550 libras a 1 pie de altura en 1 segundo. La capacidad de ejercer torque y potencia en un motor es limitada. Depende de la fuerza de expansión que logran los gases en el cilindro. El torque máximo se consigue cuando el rendimiento volumétrico (% de llenado de los cilindros) es máximo.
La potencia en términos generales, expresa la capacidad para ejecutar un trabajo en el menor tiempo posible. Una fuente de energía que puede mover 1 kg de peso por una distancia de 1 metro en un sólo segundo es más 'potente' que otra capaz de desplazar el mismo peso en 2 segundos.
Compresión de Motor
Compresión de Motor
La relación de compresión es el término con que se denomina a la fracción matemática que define la proporción entre el volumen de admisión y el volumen de compresión.
Fórmula para Calcular la Relación de Compresión Teórica
V1 + V2
V1
V1 = Capacidad en centímetros cúbicos de la cámara de combustión de la culata.
V2 = Capacidad del cilindro, con el pistón en su punto muerto inferior.
En general, la eficiencia térmica (capacidad para transformar calor en movimiento), y la potencia, dependen de la relación de compresión.
Un motor gasta energía para comprimir los gases y aporta energía al quemar los gases. A medida que se aumenta la compresión, la diferencia entre gasto y aporte de energía crece. Es decir, a mayor compresión el motor es más eficiente.
Relación de Compresión Efectiva
Relación de Compresión Efectiva
Para calcular el valor real de la relación, el volumen del cilindro requiere ser medido, no con su pistón en punto muerto inferior, sino que a partir de la posición que tiene cuando termina el cierre de la válvula de admisión.
Presión de Cilindro
La presión de un cilindro se mide con un manómetro de presión (compresímetro), y es necesario tomar una muestra de ella para conocer el grado de estanqueidad (sello) de los cilindros. Como esta presión se mide a muy bajas revoluciones y con el motor frío, no se puede considerar como método de diagnóstico definitivo. Sin embargo, esta medición determina con precisión la diferencia de estanqueidadentre cilindros.
Cubicación de Motor
Los motores de competencia requieren de una relación de compresión específica. Para comprobarla se miden los volúmenes mendiante la cubicación.
Utilización del Calor
Utilización del Calor
La gasolina es la fuente de energía primaria de un motor. Quemarla significa generar la fuerza suficiente para mover partes móviles y además entregar un excedente para fuerza de giro.
Eficiencia Térmica de Motor
Eficiencia Térmica de Motor
Un motor de pistones, alimentado con gasolina, no es capaz de alcanzar 100% deeficiencia térmica. Es decir, no puede aprovechar todo el calor generado por la combustión para transformarlo en fuerza motriz. Los motores de combustión interna a gasolina son derrochadores, su eficiencia térmica es bastante pobre. Alrededor de 30% de la energía calórica que disponen, la transforman en movimiento y la otra parte la disipan (pérdida), hacia la atmósfera. Su popularidad se basa en la agilidad de aceleración que presentan, a diferencia de otros tipos como el diesel, que arrojan mejor eficiencia térmica pero son más lentos.
Rendimiento Calórico
No todos desperdician igual cantidad de calor durante su funcionamiento. Comparando motores de características iguales, se considera más eficiente a aquel que utilice mejor porcentaje de calor para producir fuerza motriz. Variadas son las razones por la cual un motor puede cambiar su eficiencia térmica. Como ejemplo podemos mecionar un motor que está siendo refrigerado en exceso. Es decir, su sistema de refrigeración no es el apropiado ya que retira mayor calor que el adecuado. Como consecuencia de esto el conjunto opera a temperaturas menores y su fuerza motriz decae.
Boquilla Principal de Atomización
Boquilla Principal de Atomización
A velocidades superiores a 1.600 rpm. el carburador de motor alimenta los cilindros a través de una boquilla o difusor de diámetro fijo que arroja gasolina en al garganta. El calibre de esta boquilla no es modificable.
La boquilla principal de alimentación se fabrica con un diámetro de salida que produce atomización de gasolina. La caída de presión causada por la velocidad del aire que se desplaza hacia los cilindros permite que la presión atmosférica empuje la gasolina hacia la garganta del carburador desde la cuba principal.
La altura de la boquilla principal debe superar el nivel de bencina en la cuba por 1 a 1,5 milímetros, para impedir el derrame cuando se detiene el motor o cuando se transita por una pendiente.
Calibre o Gicleur Principal
Calibre o Gicleur Principal
El volumen de combustible que sale por la boquilla principal es controlado por elgicleur o calibre principal del carburador. Consiste de un orificio de diámetro específico que restringe el paso de la gasolina.
Tubo Emulsionador de Gasolina
Obturador o Mariposa de Aceleración
El flujo de aire acelera a través de la garganta y pasajes de admisión para llegar a los cilindros. A mayor volumen de aire admitido, mayor es el vacío generado. Es decir, a mayor rendimiento volumétrico, mayor será la depresión en la garganta de admisión.
El carburador es sensible a las variaciones de presión y entrega mayor volumen de combustible cuando la depresión es alta y gradualmente disminuye el suministro a medida que baja.
En alta velocidad se utiliza el sistema principal de alimentación, encargado de atomizar la gasolina a través de la boquilla, principal. Pulsar en la imagen siguiente.
Sistema de Baja Velocidad o Ralentí
Sistema de Baja Velocidad o Ralentí
Sistema de Transferencia
Accionamiento de la Bomba Aceleración
Accionamiento de la Bomba Aceleración
Pasado un cierto número de grados de apertura de la mariposa, comienza el desplazamiento de la bomba de pique la cual inyecta combustible sólo si el movimiento del pedal del acelerador es rápido y de longitud significativa. Cuando la apertura de la mariposa se efectua en forma gradual, la bomba no inyecta combustible.
Válvula Reforzadora de Potencia
El diámetro del jet principal (gicleur), está diseñado para proveer bencina sólo dentro de un cierto rango de vacío. Si el motor gira a bajas revoluciones, con su mariposa totalmente abierta, no podrá generar la depresión que se requiere para extraer combustible desde el surtidor principal. Ejemplo práctico: si viajamos con el acelerador a fondo por una pendiente muy pronunciada, el motor no logra alcanzar el régimen suficiente de revoluciones para generar el vacío necesario.
En orden de compensar esta deficiencia de alimentación, los carburadores están equipados con una válvula reforzadora de potencia que suministra combustible adicional. Para hacerlo utiliza un pasaje de gasolina independiente, especialmente provisto para este efecto, que permite superar el volumen de suministro que el jet principal limita.
En el otro extremo (altas revoluciones), cuando el motor aspira gran flujo de aireocurre un fenómeno llamado saturación, que limita la velocidad máxima del aire. Una vez alcanzada esta condición el motor ya no puede generar un vacío mayor para aumentar sus revoluciones, a menos que reciba combustible adicional. Esto lo consigue artificialmente por intermedio de la válvula reforzadora de potencia. Pulsar sobre la imagen siguiente para ver detalles del conjunto.
Accionamiento del Reforzador de Potencia
La válvula de potencia, además de ser accionada en forma mecánica, puede serlo en forma neumática utilizando la depresión que llega hasta ella por un pasaje que nace bajo la mariposa de aceleración en la garganta principal. Las variaciones de vacío que recibe a través de este conducto son aprovechadas para desplazar su émbolo, el cual controla el movimiento de una válvula de paso de gasolina. Pulse sobre la figura siguiente.
Cuando la mariposa se abre totalmente, el vacío bajo ella disminuye. El resorte del reforzador de potencia se estira para acompañar el desplazamiento de la válvula que aumenta el paso de gasolina hacia el sistema principal.
Una vez que el vacío bajo la mariposa aumenta, el émbolo de la válvula vuelve a su posición normal y bloquea el paso de combustible adicional.
Circuito de Lubricación
Circuito de Lubricación
El aceite succionado por la bomba se dirige hacia una galería ubicada en el cuerpo del block. Este conducto tiene pasajes conectados a las bancadas del cigüeñal. Luego el aceite continua su desplazamiento por un pasaje ubicado dentro de los brazos del cigüeñal hasta alcanzar los puños de biela.
Desde la galería principal también se hace llegar lubricante a los descansos del eje de levas. Pulsar en la figura siguiente.
Componentes del Silenciador
Componentes del Silenciador
En un silenciador de escape estándar, el gas ingresa a el y se desplaza hasta el fondo del tubo de entrada para luego ser reflejado hacia la cámara principal. Posteriormente sale atravezando pequeñas perforaciones practicadas en el tubo de salida del silenciador. Al mismo tiempo, la cámara principal se mantiene conectada con otro compartimento denominado resonador.
Escapes Sónicos
Escapes Deportivos
El Perno es un Resorte
El Perno es un Resorte
Si bien un perno no es lo que normalmente identificamos como resorte, en la práctica tiene características similares. Cuando está con su apriete recomendado se encuentra en fase elástica. Es decir, si lo soltamos, debiera disminuir su longitud. Un perno que ha sido apretado más allá de lo recomendado, supera su rango de elasticidad y se alarga definitivamente, impidiendo que la tensión que ejerce entre las piezas sea la adecuada. Un perno suelto es tan inapropiado como un perno alargado. Normalmente los pernos de culata no deben utilizarse 2 veces. Deben ser reemplazados por nuevos cada vez que se desmonta la culata.
Empaque de Culata
Otro componente importante en la unión de bloque y culata es la empaquetadura. Si es de buena calidad deberá tener la cualidad que le permite sellar con el motor frío y también caliente. Un torque de pernos adecuado no asegura el sello entre las piezas.
Como Apretar la Culata
Especificaciones de Fábrica
Consideraciones que son comunes a todas las marcas:
• Ver Tablas de Torque o Apriete de Culata
El Motor Atmosférico
El Motor Atmosférico
Para la alimentación de motor de pistones, se utiliza la presión atmosférica. Es decir, a medida que el pistón se desplaza en carrera de admisión, la presión atmosférica empuja el aire mezclado con gasolina hacia el interior del cilindro para llenar el espacio generado. La velocidad que alcanza el gas para llenar el cilindrodepende absolutamente de la presión atmosférica. Si la presión atmosférica es mayor, la fuerza con que será empujado el gas hacia el interior del cilindro también será mayor.
Aire y Presión Atmosférica
La atmósfera se compone de 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y concentraciones menores de dióxido de carbono, argón, neón, helio, criptón, xenón, hidrógeno, metano, óxido nitroso, ozono y vapor de agua. Cuando la presión atmosférica es mayor entonces el número de moléculas de oxígeno contenidas, por ejemplo en un litro, también es mayor. La mayor concentración de oxígeno por unidad de volumen permite quemar más combustible a la vez, por lo cual el motor aumenta su rendimiento volumétrico, genera más fuerza motriz y desarrolla mayor potencia.
Sobrealimentación de Motor
El motor de pistones también funciona con presiones superiores a la atmosférica. Para lograr mayor rendimiento volumétrico la alimentación de motor se puede realizar con un turbocargador. Este equipo empuja el aire de alimentación con una fuerza superior a la presión atmosférica. Como consecuencia se obtiene un motor capaz de quemar más gasolina, desarrollar más potencia y alcanzar mayor número de revoluciones.
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