Tapa de válvulas del motor

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Estructura del motor de explosión
E
l motor térmico de combustión interna está formado básicamente por una
serie de elementos estáticos y dinámicos, clasificados, en función de la
misión que cumplen dentro del motor, en tres grupos esenciales, que
serían:
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Elementos fijos
En este grupo están encuadrados aquellos elementos estáticos necesarios
para el funcionamiento del motor. Forman el armazón del motor y de los
cilindros, en cuyo interior tiene lugar el proceso de combustión.
Bloque motor
El bloque constituye el cuerpo estructural donde se alojan y sujetan todos los
demás
componentes
del
motor.
La forma y disposición del bloque está adaptada al tipo de motor
correspondiente, según sea de cilindros en "linea", horizontales opuestos o en
"V".
El bloque motor contiene los cilindros, los apoyos del cigüeñal y la culata, las
canalizaciones de refrigeración y engrase etc.
Bloque con refrigeración por agua
Los motores refrigerados por agua llevan situados en el interior del bloque unos
huecos y canalizaciones, denominadas "camisas de agua", que rodean a los
cilindros y a través de los cuales circula el agua de refrigeración.
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Bloque con refrigeración por aire
En los motores enfriados por aire, para que la refrigeración se realice en las
debidas condiciones en toda la periferia del cilindro, es preciso que éstos sean
independientes, por lo que esta disposición se emplea generalmente para
motores
monocilindricos.
Para conseguir la refrigeración se dispone alrededor del bloque una serie de
aletas que aumentan la superficie radiante y eliminan mejor el calor interno.
Bloque de motor de dos tiempos
En pequeños motores de dos tiempos, debido a su sistema de alimentación y
escape por lumbreras laterales situadas en el cilindro, no es preciso hacer la
culata desmontable. Se fabrican generalmente de un solo cuerpo, del tipo
monoblock, con lo que resultan más compactos y evitan puntos de unión entre
sus elementos.
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Fabricación del bloque
Los bloques se fabrican de una sola pieza y completamente huecos para
eliminar peso muerto en el motor. Todos los cilindros van dispuestos en uno o
dos bloques, según el tipo de motor, unidos por su bancada, formando así un
cuerpo
único.
Esta disposición de un solo bloque tiene la ventaja de dar mayor rigidez al
conjunto, simplifica la refrigeración del motor y facilita el proceso de fabricación.
El material empleado en la fabricación de los bloques es, generalmente,
fundición de hierro con estructura perlítica, aleado con pequeñas proporciones
de cromo y níquel, que proporcionan una gran resistencia al desgaste y
protección a la corrosión. Este material además resiste muy bien las altas
temperaturas
que
tiene
que
soportar.
En la fabricación de bloques se emplean también las aleaciones ligeras a base
de aluminio-silicio, que tienen las ventajas de su menor peso y gran
conductibilidad térmica, con lo que se mejora la refrigeración. Estas
características permiten aumentar el grado de compresión en los motores de
gasolina, con lo que se obtiene una mayor potencia útil y un menor peso
especifico para una misma cilindrada.
Formación de los cilindros
El orificio circular que sirve de cilindro puede practicarse sobre el propio
material del bloque, o bien puede obtenerse ajustando en este unas piezas
postizas en forma de tubo llamadas "camisas". Estas piezas se fabrican
independientemente y se montan sobre el bloque con un buen ajuste.
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Según el procedimiento empleado para obtener los cilindros hay que distinguir
tres clases de bloques:

Bloque integral
Los cilindros se mecanizan sobre el propio material del bloque. Para ello,
el orificio destinado a formar el cilindro se obtienen en bruto, de
fundición, con la sobremedida necesaria para el mandrinado Este tipo de
bloque es muy utilizado en la actualidad.

Bloque con camisas
Las camisas son unos cilindros desmontables que se acoplan al bloque
motor. Tienen la ventaja de que se pueden fabricar de materiales
distintos al del bloque motor, por lo que pueden ser mas resistentes al
desgaste y mas eficientes a la hora de evacuar el calor. En caso de
avería o desgaste de los cilindros pueden ser sustituidas las camisas sin
que
el
bloque
motor
se
vea
afectado.
Las superficies interiores de las camisas se obtienen por mecanizado de
precisión, rectificado y pulido. A continuación, reciben un tratamiento
superficial, que en muchos casos es un cromado con el fin de reducir el
desgaste de segmentos y cilindros, estando controlado es proceso de
forma que resulte una superficie finamente porosa capaz de retener el
lubricantes.
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Hay dos tipos de camisas en los bloques:


Camisas secas: se llaman camisas "secas" porque no están en contacto
directo con el líquido de refrigeración
Camisas húmedas: se llaman camisas "húmedas" porque están en
contacto directo con el líquido refrigerante
Camisas secas
Estas camisas van montadas a presión, en perfecto contacto con la pared del
bloque, para que el calor interno puede transmitirse al circuito de refrigeración.
Estas camisas se fabrican de materiales mas resistentes que los del bloque por
lo que pueden utilizarse en motores que soporten mayores presiones internas
como son los motores Diesel. Las camisas se montan en el bloque a presión
por medio de una prensa, de esta forma se consigue que queden fijas sobre el
bloque
sin
que
puedan
moverse.
Las camisas secas pueden ser con pestaña de asiento y sin pestaña.
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Camisas húmedas
Las camisas húmedas son unos cilindros independientes que se acoplan al
bloque que es completamente hueco. Se ajustan al bloque por medio de unas
juntas de estanqueidad, para evitar que el agua pase al cárter de aceite. Estas
camisas sobresalen ligeramente del plano superior del bloque de forma que
quedan fijadas una vez que se aprieta la culata.
Esta disposición del motor ofrece una mejor refrigeración del motor, y se
emplea generalmente en motores de gran potencia, donde se necesita una
mayor evacuación de calor. Tiene el inconveniente de su mayor costo de
fabricación y una cierta dificultad de montaje, ya que, al estar la camisa en
contacto directo con el liquido de refrigeración, existe el riesgo de que se
produzcan fugas a través de las juntas de estanqueidad.
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La culata
Es la pieza que sirve de cierre de los cilindros, formándose generalmente en
ella las cámaras de combustión. En la culata se instalan las válvulas de
admisión y escape, los colectores de admisión y escape, los balancines, el
árbol de levas, también los elementos de encendido o inyección, según el tipo
de motor de que se trate. Además de las cámaras de combustión la culata tiene
cámara para el líquido de refrigeración y conductos para los gases de escape y
aire de admisión.
Culata del motor
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Culata para motor de cuatro tiempos
Debido a los esfuerzos a que está sometido y a las altas temperaturas que
tiene que soportar, este elemento es una de las piezas mas delicadas y de
difícil diseño del motor. La cantidad de huecos y orificios de paso que posee
pueden hacer que su estructura quede debilitada. Se fabrica hueca para que
pueda
circular
por
su
interior
el
agua
de
refrigeración.
Todo ello hace muy difícil a la hora de proyectar una culata, fijar
matemáticamente sus dimensiones y espesores de material, los cuales deben
adaptarse a las características del motor, con un espesor en sus paredes lo
mas uniforme posible para evitar desequilibrios térmicos en la misma, lo cual
originaria
la
aparición
de
grietas
en
la
estructura.
Las zonas de la culata que soportan más calor son: la cámara de combustión y
el conducto de salida de los gases quemados. Por tanto, se debe estudiar con
detalle la correcta circulación del liquido de refrigeración, para que todo el
conjunto quede térmicamente equilibrado.
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Culata para motores de dos tiempos
Esta culata es mas simple que la de cuatro tiempos, ya que solo necesita un
orificio para instalar la bujía o inyector. Resulta aún mas sencilla si la
refrigeración
se
realiza
por
aire.
No obstante, la refrigeración de esta culata es de suma importancia, ya que, al
producirse en ella las combustiones con mayor rapidez, se dispone de menos
tiempo para la evacuación del calor interno. Por esta razón su material alcanza
mayor temperatura limite durante su funcionamiento. Estas culatas utilizan
materiales de aleación ligera como el aluminio y tienen una serie de aletas
externas que ayudan a la evacuación del calor del motor.
Material de las culatas
El material para la fabricación de las culatas es:

Aleación de aluminio: la culata se construye de aleación de aluminio,
silicio y magnesio. Sus principales cualidades son una buena
resistencia, peso reducido y gran transferencia de calor, lo que permite
alcanzar rápidamente la temperatura de funcionamiento y facilita la
refrigeración.
Estas culatas son mas caras de fabricar y son mas frágiles porque
sufren mayores deformaciones. Pero tienen la ventaja de su menor peso
y su mayor capacidad de refrigeración del motor. Estas características
hacen que las culatas de este tipo sean la mas utilizadas actualmente.
Se pueden montar tanto en motores con bloque de fundición como de
aleación de aluminio.
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
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Hierro fundido: la culata se construye con una aleación de hierro,
cromo y níquel, que la hacen mas resistente y menos propensa a las
deformaciones. Estas culatas admiten un mayor par de apriete y es mas
resistente a las deformaciones y tiene la desventaja de su mayor peso y
su menor capacidad de refrigeración del motor.
Montaje de la culata
Una de las características a tener en cuenta de las culatas es su amarre al
bloque motor, ya que, al estar sometida a la fuerza de empuje de los gases de
la combustión, tiende a separarse del bloque. Por esta razón, el sistema de
amarre y el número más conveniente de puntos de unión, se estudia
cuidadosamente, así como la calidad y dimensiones de los espárragos
empleados
para
ello.
El número de puntos de amarre depende de las dimensiones de la culata ya
que si se emplean muchos espárragos, mayor es el número de agujeros que
hay que practicar en la misma, lo que debilita su estructura y aumenta las
dificultades de moldeado. Por otra parte se disminuye el peligro de flexión y la
dilatación de la misma, al ser menor la separación entre puntos de amarre,
asegurando
así
el
cierre
estanco
de
los
cilindros.
El par de apriete establecido para cada culata viene indicado por el fabricante
en función de la presión interna y del material empleado en su fabricación. Este
par de apriete se logra con el empleo de llaves dinamométricas. Se debe seguir
el orden de apriete establecido por el fabricante, comenzando normalmente por
el centro y terminando por los extremos.
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Formas y características de las cámaras de combustión
Una característica importante de las culatas es el tipo de cámaras de
combustión que llevan mecanizadas. La cámara de combustión es el espacio
que existe entre la cabeza del pintón en el PMS y las diferentes formas que se
mecanizan en la culata. En la cámara de combustión se comprime la mezcla o
el
aire
en
su
grado
máximo.
La cámara de combustión se construye principalmente en la culata, y en ella se
alojan las válvulas de admisión y escape y la bujía o el inyector dependiendo
del motor sea Otto o Diesel.
Cámaras de combustión para motores Otto
En los motores de gasolina los mejores resultados se obtienen con una forma
de cámara semiesférica; pero debido a la disposición y dimensionado de las
válvulas, cuyo asiento debe ser plano, la configuración de la cámara se aleja de
su forma ideal.
Las diferentes formas de la cámara de combustión pueden ser:

Cámara de bañera y en cuña
Se emplean generalmente con las válvulas situadas en la culata y la
bujía situada lateralmente, lo cual facilita el acceso a este elemento.
Tienen la ventaja de que el recorrido de la chispa es muy corto y de
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limitar el acceso de turbulencia en el gas, produciendose, a la entrada de
gases, un soplado sobre la cabeza del émbolo que reduce el picado.
La cámara en forma de cuña tiene las válvulas colocadas en paralelo, lo
que
simplifica
su
sistema
de
mando.
La cámara en forma de bañera tiene una configuración que facilita un
gran alzado de válvulas y también se simplifica el sistema de mando.

Cámara hemisférica
Es la mas parecida a la forma ideal, las válvulas se disponen una a cada
lado de la cámara y la bujía en el centro. Esta disposición favorece la
combustión y acorta la llama desde la bujía a la cabeza del émbolo.
Este tipo de cámara se emplea mucho actualmente, ya que permite
utilizar válvulas de mayor sección o bien situar mas válvulas para la
admisión y escape (3, 4 y hasta 5 válvulas).

Cámara cilíndrica
Esta cámara es muy utilizada por su sencillez de diseño y fácil
fabricación, lo cual abarata el costo de la culata.

Cámara de combustión en motores de inyección directa
La cámara en estos motores desempeña un papel muy importante ya
que en alguna fase de su funcionamiento se utilizan mezclas pobres.
Los pistones en estos motores utilizan unos deflectores en su cabeza
(figura inferior), cuya forma orienta convenientemente el torbellino del
gas de manera que se concentra una mezcla rica en torno a la bujía y
por otra parte tenemos una mezcla pobre en la periferia.
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Colectores de admisión y escape
Estos elementos van situados lateralmente en la culata y, como su nombre
indica, son los conductos por los cuales entran las gases frescos al interior del
cilindro y salen al exterior los gases quemados.
Colector de admisión
El colector de admisión suele fabricarse de aluminio, ya que al no estar
expuesto a las elevadas temperaturas del motor no sufre apenas dilataciones,
reduciendo
así
el
peso
del
mismo.
La principal características de este colector, es su perfecto diseño en cuanto a
distribución y diámetro interior, a fin de que la mezcla o aire de admisión llegue
sin perdidas de carga a cada uno de los cilindros. Para que esto se cumple la
longitud de los tubos debe ser lo mas corto posible y equidistante del
carburador o en sistemas de inyección monopunto, con una superficie interior
perfectamente lisa, para evitar retenciones de la mezcla durante la admisión.
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Para favorecer el arranque en frío evitando que el combustible se condense en
las paredes, se utilizan sistemas de calentamiento situados en los colectores
por debajo de la mariposa de gases. Estos sistemas pueden aprovechar el
calor del agua de refrigeración o bien utilizar una resistencia eléctrica de
calentamiento.
En sistemas de inyección multipunto, los colectores se pueden optimizar mejor,
ya que cada cilindro tiene su inyector al lado de la válvulas de admisión, por lo
que podemos dar una longitud a los tubos de admisión lo mas optimo a las
características del motor (cilindrada, nº r.p.m.). En este tipo de motores se
pueden utilizar sistemas de admisión variable que pueden variar la longitud de
los tubos del colector de admisión o bien utilizar tubos divididos que se utilizan
parcialmente o en su totalidad utilizando mariposas de paso.
En motores Diesel se utilizan colectores como los utilizados en los sistemas de
inyección multipunto ya que tienen un inyector por cada cilindro
independientemente del sistema de inyección utilizado. En estos motores se
buscan colectores de admisión que consigan una elevada turbulencia de aire
en el interior del cilindro.
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Colector de escape
Se fabrican de hierro fundido con estructuras perlítica, ya que tiene que
soportar altas temperaturas y presiones durante la salida de los gases. Como
en el caso del colector de admisión, debe estar diseñado para evitar toda
contrapresión en el interior del cilindro y facilitar la salida rápida de los gases.
Existen varios modelos que se adaptan a cada tipo de motor. Se emplea el
sistema de tubos múltiples en los motores de altas prestaciones.
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Disposición de los colectores en el motor
Los colectores se sitúan uno a cada lado de la culata, lo cual favorece el
arrastre de gases quemados debido al flujo de entrada de los gases frescos de
admisión.
Otras veces, ambos colectores se colocan en el mismo lado de la culata, con lo
cual el calor de los gases de escape se transmiten al colector de admisión.
Esta disposición favorece la perfecta carburación de la mezcla en los motores
Otto y evita la condensación de los gases en el colector de admisión en tiempo
frío.
Juntas en el motor
En todo acoplamiento de elementos fijos se interpone una junta de unión, la
cual hace de cierre estanco entre ellos. El material empleado para cada tipo de
junta debe ser el adecuado a la función que tiene que cumplir y a la posición
que ocupa en el motor, ya que algunas de estas juntas han de soportar
elevadas presiones y temperaturas. La junta mas importante del motor es la
junta culata, por las duras condiciones en las que tiene que trabajar y por su
enorme importancia en el normal funcionamiento del motor.
Las juntas en general utilizadas en el automóvil están fabricadas en materiales
como papel, corcho, caucho, metal o la combinación de alguno de ellos (juntas
de
acero
recubiertas
de
elastómeros).
Atendiendo a su aplicación, pueden dividirse en juntas de culata, juntas de
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sellado de cárteres de aceite, colectores de admisión y escape, bomba de
agua, bomba de aceite, etc.
Junta de la culata
La junta de culata es la junta plana sometida a las mayores exigencias de
trabajo en el interior de un motor. Tiene la función de sellar las cámaras de
combustión, los conductos de refrigerante y lubricante, y los agujeros de los
tornillos
entre
sí.
Dependiendo del diseño del motor, una junta de culata consta de varias
láminas de acero. Así por ejemplo, los motores Diesel de elevada carga de
funcionamiento precisan de unas juntas de culata con un diseño constructivo
mucho mayor que los motores Otto de escasa potencia y poca carga.
Las prestaciones de las juntas culatas deben resistir todo tipo de requerimiento
químico, físico y estructural de los motores y deben ser construidas con una
elevada resistencia a: los gases de combustión y a diversos fluidos agresivos,
las altas temperaturas y rápidas variaciones térmicas de hasta 240ºC, y las
altas presiones de combustión extremadamente variables y puntuales de hasta
120 bar en motores Otto y más de 200 bar en los motores Diesel, por citar
algunos datos.
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Datos para elegir la junta culata
Para elegir el tipo de junta culata que montaremos sobre el motor hay una serie
de datos que hay que tener en cuenta. Uno de los datos es la distancia entre la
superficie del pistón (C) en el punto muerto superior (PMS) y la superficie de
separación del bloque motor. Otro dato importante es el espesor de la junta que
viene determinado por el "número de entalladuras" o muescas.
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Cárter
Motor de aviación antiguo, se aprecia el cárter en negro y el bloque motor y culata en rojo
El cárter es una de las piezas fundamentales de una máquina, especialmente
de un motor. Técnicamente, el cárter es una caja metálica que aloja los
mecanismos operativos del motor . Es el elemento que cierra el bloque, de
forma estanca, por la parte inferior, y que cumple adicionalmente con la función
de actuar como depósito para el aceite del motor. Simultáneamente, este aceite
se refrigera al ceder el calor exterior.
Normalmente el cárter se fabrica por estampación a partir de chapa de acero.
su forma cóncava aporta la capacidad de almacenaje de aceite necesaria para
cada motor, cantidad que se comprueba verificando el nivel mediante una
varilla o sonda con sus correspondientes marcas. Con el objeto de evitar el
olejae del aceite, que suelen disponer en el cárter de chapas que frenan el
desplazamiento del mismo, especialmente en el sentido de la marcha.
El cárter también se fabrica con aleaciones ligeras de aluminio que sin aportar
demasiado peso, y debido a su buena conductibilidad térmica, disipan una gran
cantidad de calor, a lo que contribuye en muchos casos la presencia de aletas
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de refrigeración. El empleo de este material presenta la ventaja añadida de que
disminuye el nivel acústico del motor.
El cárter está fijado al bloque motor mediante tornillos con interposición de una
junta de estanqueidad, y en el parte inferior del mismo está situado el tapón
roscado que permite su drenaje. Las juntas de estanqueidad se fabrican de
corcho o materiales sintéticos, pero existe una tendencia a la aplicación de
juntas líquidas o masillas sellantes que polimerizan en poco tiempo en contacto
con el aire. Este tipo de juntas exigen una adecuada limpieza antes de su
aplicación. En ocasiones, el cárter se atornilla conjuntamente al bloque motor y
al cambio de marchas, lo que aporta una rigidez suplementaria al conjunto
cambio-motor.
Caso del motor alternativo
En este caso la palabra cárter se usa para diferenciarlo del bloque del motor ,
que es el elemento esencial del motor. El cárter aloja al tren alternativo
constituido por cigüeñal, pistón, y biela, cierra al bloque por la parte del
cigüeñal, la opuesta a la culata, y tradicionalmente su función es, además de
cerrar el bloque y aislarlo del exterior (aunque teóricamente podría funcionar
sin él), cumplir con la importantísima misión de albergar el aceite de lubricación
del motor.
En ciertos diseños, con objeto de aumentar la rigidez del motor, evitando
vibraciones (diésel potentes o motores con el bloque de aleación de aluminio )
y a la vez reducir el peso del mismo, la fabricación del cárter se realiza con
aleaciones de aluminio o magnesio. En tal caso los apoyos del cigueñal van
integrados en él. En este caso el cárter de aceite como lo hemos visto en el
párrafo anterior se fija a este "cárter de bancada".
Cárter estructural de aleación, de una Benelli "Sei"
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De tal modo que el cárter en este tipo constructivo, puede estar formado por 2
partes diferentes:

Cárter superior, cárter intermedio o cárter del cigüeñal: parte del
cárter, que es estructural con el bloque , y que está en contacto directo
con el mismo , y más concretamente con el conjunto cilindros - cigüeñal.
. A esta pieza se une el bloque de los cilindros, y lleva integrados los
cojinetes de bancada o apoyos del cigueñal que son de acero integrados
en el aluminio, sobre los que gira el cigüeñal, que queda sujeto más
rígidamente que en el caso anterior.
Esta pieza recibe por tanto toda la fuerza de los cilindros y a su vez, la fuerza
del cigüeñal, que transforma el movimiento rectilíneo de los cilindros en
giratorio. De la rigidez del cárter superior, depende la eficacia del motor. Para
garantizar esta rigidez, los nuevos diseños tienden a considerar una sola pieza
estructural el bloque de cilindros, apoyos del cigueñal y cárter superior.
Cárter (en negro, abajo) y bloque motor seccionado (en gris) de un motor antiguo de automóvil

Cárter inferior o cárter de aceite: parte no estructural, y como su
propio nombre indica, es la parte inferior de la carcasa del cárter, y se
encuentra fijada mediante tornillos especiales al cárter superior. Actúa a
modo de bandeja donde cae el aceite. Y es que el cárter inferior tiene
una función primordial: contener el aceite para la lubricación del motor, y
conseguir su óptimo funcionamiento. El lubricante se deposita en el
cárter inferior, y desde allí es aspirado por la bomba de lubricación, para
ser directamente bombeado de nuevo a todas las piezas del motor que
requieren engrase a presión,especialmente los apoyos del cigueñal . En
otros casos el cárter es mucho más reducido , y el aceite se recoge
mediante succión a un pequeño depósito independiente, desde donde
se bombea igualmente al motor. Esta última modalidad se denomina
cárter seco, evitando en los casos de fuerzas de inercia elevadas
(motores de competición, motores de aviación) que la bomba de
lubricación se quede descebada, poniendo en peligro la lubricación.
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Carter de acero del motor
Tapa de válvulas del motor
La función de la tapa de válvula es tapar el sistema de balancines o árbol de
Leva y que no se pierda el aceite que manda la bomba para lubrificar y la tapa
de distribución si es de un motor antiguo es para proteger la cadena y evitar la
pérdida de aceite que engrasa la cadena y si es un motor moderno con
distribución por correa solo es para evitar que algún elemento se introduzca en
la correa y salte de punto normalmente esta es una simple tapa de plástico,
también puede ser aluminio o fabricada de chapa de acero, además posee un
orificio para el llenados del aceite y para el montaje se debe considerar el
material de la junta para seleccionar el pegamento adecuado en cada de
requerirlo.
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Tapa de culata y su junta
Junta de tapa de válvulas de caucho
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