Unidad III Estructuras Vehiculares - Sistema de Potencia
5. Estudios de Motor: Describir los tipos de Motores desarrollados para los vehículos según su aplicación o requerimientos técnicos (Lineal, Motores V, Motores VR, Motores W, Motores horizontales, Motores Boxer, Motores Rotativos) Adicionalmente esbozar los criterios de diseño y fundamentos termodinámicos que rigen su funcionamiento.
Elementos del motor
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1.- Tipos de Motores
El motor es el mecanismo que produce energía mecánica a partir de otra forma de energía
La energía puede provenir de la química o la electricidad pero al final el motor (dependendo del tipo) la transforma en energía mecánica para impulsar las ruedas del automovil
La energía puede provenir de la química o la electricidad pero al final el motor (dependendo del tipo) la transforma en energía mecánica para impulsar las ruedas del automovil
De esta manera se definen tres tipos de motores, capaces de convertir la energía calórica liberada por un combustible o la potencial eléctrica en energía mecánica.
Combustión externa:
en los que el combustible se quema en una cámara diferente a donde se encuentran los pistones que convierten la energía química en rotaciones mecánicas |
Combustión internta:
en los que el combustible se quema directamente sobre la cabeza del pistón y genera la fuerza para hacer rotar el mecanismo. Su funcionamiento está basado en el aprovechamiento de la expansión de gases producto de la explosión de una mezcla de algún combustible con oxígeno |
Eléctricos:
en los que se crea por medio de un embobinado un campo eléctrico que genera un impulso sobre el rotor con una fuerza proporcional a la cantidad de corriente que por el estator circule. |
Para el caso puntual de la asignatura los estudios serán enfocados sobre los motores de combustión interna, que a pesar de poseer el mismo principio básico, pueden categorizarse en motores de 2 (dos) y 4 (cuatro) tiempos, Diesel y Wankel (rotativos)
Motores de 2 tiempos: -Realiza los ciclos de Admisión, Compresión, Explosión y Escape en una sola vuelta del cigüeñal -Utiliza una bujía para producir una chispa que encienda la mezcla de aire/combustible -El pistón o émbolo hace las funciones de válvula -Idealmente es el más eficiente de todos -Realmente es el menos eficiente -Requiere mezclar el combustible con lubricante -No posee válvulas de escape o admisión -Tienden a sufrir de sobrecalentamiento fácilmente -Es el más económico de todos -Principalmente usado en motos y modelos a escala |
Motores 4 tiempos: -Realiza los ciclos de Admisión, Compresión, Explosión y Escape cada dos vueltas del cigüeñal -Utiliza una bujía para producir una chispa que encienda la mezcla de aire/combustible -Posee válvulas de escape y admisión sincronizadas con el movimiento del cigüeñal - No se mezcla el combustible con el lubricante -Poseen agujeros por donde circula un líquido refrigerante -Es el más utilizado en todo tipo de vehículos a lo largo de la historia |
Motores Diesel: -Realiza los ciclos de Admisión, Compresión, Explosión y Escape cada dos vueltas del cigüeñal al igual que el de 4 tiempos -No utiliza bujías para encender la mezcla de aire/combustible debido a la alta volatilidad del Diesel que se detona simplemente al ser comprimido -Utiliza un inyector en lugar de una bujía que introduce el combustible al final de la compresión - Es más eficiente en el ahorro de combustible por su alta volatilidad -El Diesel como combustible emite residuos solo un poco menos contaminantes que la gasolina -Es muy utilizado en vehículos de gran potencia o de ahorro de combustible -Es un poco más simple ya que no requiere sistemas eléctricos que detonen el combustible |
Motores Wankel: -Realiza los ciclos de Admisión, Compresión, Explosión y Escape -No utiliza Pistones sino un solo rotor central excéntrico -Realiza todos los ciclos en simultaneo y progresivamente -Es más eficiente en relación cilindrada/Potencia comparado con los motores de émbolo -Su complejidad lo hace costoso y de difícil mantenimiento -Usado únicamente por la compañía Mazda en los modelos RX7, RX8, y 787B (con éste último ganó 3 años consecutivos la LeMans, luego fueron prohibidos éste tipo de motores para la categoría) |
2.- Clasificación según la disposición de sus cilindros
Dentro de los motores de combustión interna de cuatro tiempos mientras más pistones se puedan colocar mayor será la potencia capaz de producir el motor, sin embargo mayor será el espacio a ocupar, por lo que surgen diferentes configuraciones que arreglan los cilindros en distintas maneras en las que se aprovecha mejor el espacio y la feurza generada por los pistones sobre el cigueál.
Motores en Línea:
-Ésta disposición se utiliza actualmente para motores de 4, 5 y 6 cilindros. Antiguamente se hacían de 8 y hasta 12, pero resultaban demasiado largos, ocupando mucho espacio en la carrocería. Los cigüeñales, por su excesiva longitud, eran propensos a las vibraciones y esfuerzos de flexión.
-Actualmente se usan también en Barcos y Submarinos
Motores en V:
-Ésta disposición se aplica a motores de 6, 8 y hasta 12 cilindros.
-Para un mismo número de cilindros, estos motores tienen una longitud de casi la mitad de la que tienen los motores en línea.
-El cigüeñal, al ser mas corto trabaja en mejores condiciones
-El ángulo de la v por lo general es de 90 a 72 grados (90 para mayor potencia, 72 para mayor RPM)
Motores en VR:
-Ésta disposición se aplica a motores de 4, 5 y 6 cilindros, consiste en encerrar un motor en V en el espacio de un motor en línea y hacer que el ángulo sea tan cerrado que deban compartir el mismo tapaválvulas superior.
-Es mas compacto que los motores en V ya que su ángulo es de 10 a 15 grados.
-Ahorro de peso con respecto al motor en V al utilizar solo múltiple de escape
-Utilizado en el VW Golf, algunos SEAT y a Nissan como el GTR y el 370z (identificables por su característico sonido)
Motores en W:
-Se usa en motores de 12 y 16 cilindros
-Se puede imaginar como dos motores VR unidos formando una V de 90 grados
-Alta potencia en relación al poco espacio
-Costoso de Fabricar
-Alta complejidad por la cantidad de partes móviles que posee
-Utilizado únicamente en el VW Nardo y el Bugatti Veyron.
Motores Planos, Boxer u opuestos:
-Se fabrican para 4 y 6 cilindros
-Le ofrece un mejor centro de gravedad al vehículo por no ocupar tanto espacio vertical dentro de la carrocería y áplica menos torsión al chasis por estar equilibrado
-Su mantenimiento es complicado en comparación con los motores en línea
-Utilizado en el clásico VW Beetle en la mayoría de los Porsche y Subaru y algunas motos BMW.
Motores en Estrella o Radiales:
-Se fabrican para 4, 5, 6 hasta 10 cilindros
-El cigüeñal funciona de mejor manera al no sufrir esfuerzos de flexión debido a su corta longitud y baja vibración
-Pueden generar grandes potencias al usar pistones más grandes
-Ocupan mucho espacio
-Utilizado mayormente en aviones, algunos tanques de la segunda guerra mundial y rara vez usado en vehículos.
Partes de un Motor de combustión interna
3.- Factores que influyen en la potencia y eficiencia de los motores
Otras formas de aumentar la potencia de los motores
-Turbo-compresores (aumentan la relación de compresión)
-Sobre-alimentadores (aumenta la relación de compresión)
-Computadoras programables (modifican tiempos de inyección de combustible y cantidades)
-Radiadores para Aceite (enfría los fluidos del motor)
-Kits de enfriamiento por intercambiadores de calor (enfrían el aire antes de ingresar a la cámara de combustión)
-Kits de admisión directa (mejoran el flujo de aire al motor)
-Reducción de peso de algunos elementos (disminuyen la inercia mecánica de los componentes y la fricción)
-Turbo-compresores (aumentan la relación de compresión)
-Sobre-alimentadores (aumenta la relación de compresión)
-Computadoras programables (modifican tiempos de inyección de combustible y cantidades)
-Radiadores para Aceite (enfría los fluidos del motor)
-Kits de enfriamiento por intercambiadores de calor (enfrían el aire antes de ingresar a la cámara de combustión)
-Kits de admisión directa (mejoran el flujo de aire al motor)
-Reducción de peso de algunos elementos (disminuyen la inercia mecánica de los componentes y la fricción)
Tecnología de aumento de eficiencia en motores
Ecoboost (por Ford)
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Skyactiv (por mazda)
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V-Tec (por Honda)
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VVTI (por Toyota)
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11% de aumento en eficiencia de combustible tan solo con arcilla
Durante un capítulo del reconocido show de televisión "cazadores de mitos" sus proagonisas se dispusieron a determinar si cubriendo un automóvil con una superficie igual a la de una pelota de golf se produciría el mismo efecto de reducción de ressitencia aerodinámica lo que conllevaría a un notable ahorro de combustible.
A pesar de que las grandes industrias como Ford, GM, Mazda, Nissan y otras gastan millones de dólares en investigación de mejoras de componentes mecánicos tan solo para ganar un 5% de eficiencia en consumo de combustible, en éste show lograron un impresionante 11% tan solo modificando la "apariencia" del auto agregando agujeros en la superficie.
A pesar de que las grandes industrias como Ford, GM, Mazda, Nissan y otras gastan millones de dólares en investigación de mejoras de componentes mecánicos tan solo para ganar un 5% de eficiencia en consumo de combustible, en éste show lograron un impresionante 11% tan solo modificando la "apariencia" del auto agregando agujeros en la superficie.
Chris Bangle, reconocido ExDiseñador en Jefe de BMW explica en sus charlas TED que para pensar maneras innovadoras de cómo resolver problemas no podemos pensar en mejorar solo un poco lo que otros han hecho, sinó llevar a cabo hasta la idea más absurda que se nos pueda ocurrir tan solo si tiene detras un fundamento teórico que la hace factible.
Si bién es verdad que se invierten sumas millonarias de dinero en hacer que el acabado en la carrocería y pintura de los autos sea lo más pulido y liso posible, ésto nos está costando un 11% de eficiencia en ahorro de combustible, y aunque puede que un auto agujereado se vea poco atractivo no es tarea de los ingenieros automotrices este tema, es allí donde el diseñador automotriz tiene la tarea de idearse "algo" que se vea bién y se pueda vender utilizando esa textura, como por ejemplo éste último concepto de automóvil: