1.2 Culata

1.2.1 Missió

La seva funció és segellar la part superior dels cilindres per evitar pèrdues de compressió i sortida inapropiada dels gasos de escapament. En la culata es troben situades les vàlvules d'admissió i d'escapament, així com les bugies. Posseeix, a més, dos conductes interns: un connectat al col·lector d'admissió (per permetre que la barreja aire i combustible penetri a la cambra de combustió del cilindre) i un altre connectat al col·lector d'escapament (per permetre que els gasos produïts per la combustió siguin expulsats al medi ambient). Posseeix, a més, altres conductes que permeten la circulació d'aigua per refrigerar. La culata està fermament unida al bloc del motor per mitjà de cargols. Per garantir que sigui hermètic amb el bloc , es col·loca entre les dues peces la junta de culata.

1.2.2 Material de fabricació

S’utilitza aliatges d’alumini amb compostos com el silici i magnesi, aquests aliatges ofereixen un abona resistència, pes reduït i una gran conductivitat tèrmica, això permet arribar ràpidament una temperatura de funcionament i facilita la refrigeració.Altre dels materials que s’utilitza per la construcció de la culata és acer fos, compost amb altres materials com el crom i el níquel, això proporciona una gran residència mecànica i tèrmica. Pel fet de estar construït amb acer proporciona una major resistència a la deformació.

1.2.3 Procés de fabricació

La culata es dissenya de tal manera que la seva massa sigui la menor possible, per reduir el pes i tenir una major dissipació d'energia tèrmica. En la producció massiva, el mètode de fabricació més emprat consisteix en fondre el material en motlles de sorra. El motlle en el qual s'abocarà l'aliatge de fosa d'alumini es fabrica amb sorra de zirconi i aglomerants en un model mestre mecanitzat en acer, com a aglomerant s'utilitza una cola que es solidifica al contacte amb un enduridor gasós que s'injecta a la matriu d'acer. Tot el procés es automatitzat. Una vegada obtenim la peça posen els seients i les guies de vàlvules de diferent material, més resistent que l’alumini. Desprès es fan les roques on anirem les bugies.

1.2.4 Tipus i característiques

1.2.4.1 Cambra de combustió per a motors Otto En els motors Otto, el salt d'espurna a la bugia inflama la mescla d'aire i combustible iniciant la combustió, aquesta es desplaça a través de la càmera formant un front de flama. El desplaçament d'aquest front ha se ser ràpid i uniforme. Per aconseguir-ho s'utilitzen les següents cambres de combustió:

Cambra semiesfèricaEl model ideal de cambra és la semiesfèrica de forma compacta: la seva mínima superfície amb relació al seu volum i la seva bona turbulència, amb la bugia situada al centre, permet que el front de la flama de desplaci ràpida i uniformement actuant sobre el cap del pistó.

Cambra hemisfèricaAquest model presenta característiques molt semblants a la ideal: petita superfície i poques pèrdues per no pèrdues tèrmiques. Les vàlvules es disposen als costats format un angle d'entre 20 i 60º, el que afavoreix l'entrada i sortida dels gasos i proporciona un ampli espai per a les vàlvules. La bugia se situa en el centre.

Cambra en forma de falcaTé bona resistència a la detonació i reduïda superfície interior. La forma de falca fa que la major part de la barreja s'acumuli al voltant de la bugia, el que origina un bon front de flama. Ofereix bon rendiment, encara que menor que la hemisfèrica. La disposició de les vàlvules en paral·lel simplifica el seu sistema de comandament.

Cambra en forma de banyeraAmb aquest tipus de càmera es pot aconseguir bon preu fet de vàlvules, però el diàmetre d'aquestes queda reduït per falta d'espai i el recorregut el front de flama és excessivament llarg. En quedar les vàlvules disposades en paral·lel, el sistema de comandament resulta econòmic.

Cambra al pistó (càmera Heron)La culata és plana ja que la càmera de combustió es troba al cap del pistó. La forma de la càmera crea una forta turbulència durant la

compressió. Amb aquest tipus de càmera s'aconsegueix una mescla molt homogènia que permet utilitzar elevades relacions de compressió i empobrir lleugerament la mescla.

Cambra per injecció directaels motors d'injecció directa de gasolina fan servir càmeres de combustió la part superior és de tipus hemisfèric convencional, el més característic d'aquestes càmeres és la forma del cap del pistó.En certes fases del seu funcionament aquests motors treballen amb una barreja pobra estratificada (no homogènia). Per aconseguir-se serveixen d'uns deflectors en el pistó la forma orienta convenientment el remolí de gas i dirigeix el combustible injectat de manera que es concentra una barreja rica al voltant de la bugia i pobra a la perifèria.

1.2.4.2 Cambra de combustió per a motors dièselEn els motors dièsel, la combustió és provocada per la injecció de combustible a pressió que penetra finament polvoritzant en l'aire escalfat per la forta compressió. En aquest cas no hi ha front de flama, com passava en els motors Otto, sinó que la combustió es produeix en tots els punts on arriba el raig de combustible i es perllonga mentre dura la injecció. Les cambres de combustió que s'utilitzen per a motors dièsel són les següents:

Cambra d'injecció directaLa injecció es realitza directament a la càmera principal, que va situada sobre el cap del pistó i generalment adopta forma tòrica.S'utilitza un injector de diversos orificis amb elevada pressió d'injecció, per tal d'aconseguir bona penetració en l'aire comprimit. Amb la forma d'aquesta càmera es busca un llarg recorregut del raig de combustible perquè s'evapori en la seva major part abans d'arribar al fons del pistó.La turbulència que adquireix el gas a l'admissió s'intensifica durant la compressió causa de la forma toroidal de la càmera.

Els Diesel lents d'injecció directa s'empren en vehicles pesats. Els Diesel ràpids d'injecció directa són més apropiats per al seu ús en turismes. La major avantatge d'aquest sistema és el baix consum específic de combustible.

Cambra de combustió auxiliar

La injecció es realitza en una càmera auxiliar o precambra unida a la principal per un estrenyiment, la missió és provocar una gran turbulència amb el pas del fluid.La càmera auxiliar es fabrica en acer especial amb muntatge postís sobre la culata en una zona poc refrigerada per evitar pèrdues de calor.En aquest sistema, la forma de la barreja depèn de l'alt grau de turbulència i no tant del sistema d'injecció, de manera que es fan servir injectors d'un sol orientació amb pressions entre 100 i 140 bar. La relació de compressió és més alta que en els d'ejecció directa.L'ús de càmeres de combustió auxiliar suavitza el funcionament del motor dièsel, però el consum específic de combustible augmenta.

Cambra de precombustióLa precambra ocupa 1/3 del volum de la cambra de combustió. Està comunicada amb la càmera principal a través d'uns orificis calibrats i orientats cap al cap del pistó, que també porta tallada una cavitat.L'aire comprimit a la precambra aporta el suficient oxigen perquè comenci la combustió, de manera que es crea una sobrepressió que expulsa els gasos inflamats a través dels orificis calibrats a gran velocitat. Això provoca una turbulència a la cambra principal que fa possible una combustió progressiva sense canvis bruscos de pressió.

Cambra de turbulènciaLa càmera de turbulència ocupa entre el 60 i el 90% del volum total de la cambra de combustió. En aquest sistema la comunicació entre les dues cambres es fa a través d'un canal de secció relativament gran.Durant la compressió, i al seu pas per aquest canal, l'aire adquireix una elevada turbulència dins la cambra, que té forma esfèrica. El combustible s'injecta en aquest remolí, el que provoca el començament de la combustió. L'augment de pressió que això produeix trasllada la combustió, de forma ràpida però progressiva, a la càmera principal on es completa la combustió.

La diferència entre els dos tipus de cambra està en la forma en què es produeix la turbulència. A la cambra de precombustió s'obté en iniciar-se la combustió i ser expulsats els gasos a través dels orificis, mentre que a la cambra de turbulència s'aconsegueix durant la compressió.

1.2.5 Avaries

1.2.5.1 Planitud de les superfícies de suport amb el bloc i amb els col·lectors

Diagnòstic previ: Falta de estanqueïtat entre el bloc motor i la culata.

Possibles causes: Les altes temperatures que suporta la culata poden donar lloc a deformacions.

Comprovacions: Es verifica amb un regle de plenitud i un joc de galgues. S'ha de mesurar de forma longitudinal, transversal i diagonal. Un altre mètode vas cosir a cobrir la superfície a comprova, ja sigui la que va unida al bloc motor i la dels col·lectors, amb negre de fum. A continuació es fregarà contra un marbre, el colorant s'eliminarà de les parts més altes i romandrà en les baixes. Aquest mètode té l'inconvenient que no es coneix la mesura de la deformació, però compta amb l'avantatge que es comprova la totalitat de la superfície i es posen de manifest petites imperfeccions.

Valors de referència: La deformació màxima admesa és de 0,05 mm sobre la superfície que va en contacte amb el bloc motor. la deformació màxima admesa en els suports dels col·lectors d'admissió i escapament és de 0,1 mm.

Reparacions: La reparació consisteix en rectificar. Les culates de ferro fos es rectifiquen amb moles de abrasiu que estan dividides en diversos segments. Per a les culates d'aliatge d'alumini s'usa una eina de tall de metall dur. La quantitat de material a eliminar serà la menor possible.Hi ha culates que no permeten el rectificat. En aquests casos solen admetre toleràncies de fins a 0,1 mm de deformació, sobre-passada aquesta mesura caldria substituir la culata.

El rectificat disminueix el volum de les cambres de combustió, la qual cosa augmenta la relació de compressió. Això fa que augmenti la temperatura dintre de la càmera i creixi el risc de detonació. En aquest cas s'haurà de posar una junta de culata de major gruix.En alguns casos les vàlvules queden a l'altura de pla de la culata en aquest cas cal baixar el seu seient, en la mateixa mesura que el rectificat, per restablir la seva posició i evitar que arribin a xocar amb el pistó.

1.2.5.2 Esquerdes

Possibles causes: Les esquerdes es poden produir per les deformacions de la culata conjuntament, o també es pot produir per la fatiga del material.

Comprovacions: Si les esquerdes són externes les comprovacions es poden fer visualment o utilitzant esprais especials per poder observar esquerdes que no es puguin veure a simple vista. Si les esquerdes són internes es verifica la estanquitat del motor amb aire a pressió.

Valors de referència: -

Reparacions: Si hi ha una esquerda en la culata s’haurà de substituir.

1.2.5.3Estanquitat del circuit de refrigeració

Possibles causes: Una mala estanquitat en el circuit de refrigeració en la culata es pot donar per deformacions de la culata, fatiga i corrosió.Comprovacions: Per realitzar la comprovació les estrades i sortides del circuit de refrigeració haurà de estar prèviament tapades, desprès es procedirà a submergir la culata en aigua calenta, aproximadament a 80ºC, i en el circuit de refrigeració es pesarà aire a pressió.

Valors de referencia: -

Reparació: Si la estanquitat es dolenta s’haurà de substituir la culata.

1.2.5.3 Estanqueïtat de la cambra de combustió

Possibles causes: Una dolenta estanqueïtat pot venir donada per el desgast dels components, corrosió de seients i vàlvules.

Comprovacions: Per poder fer la comprovació la culata ha de estar amb les cambres de combustió cap a dalt i perfectament horitzontal. També han de estar les vàlvules i les bugies. Desprès s’ha de tapar la cambra de combustió per la superfície de suport del bloc i aplicar una depressió.

Valors de referència: -

Reparacions: Les reparació consisteix en rectificar els seients de vàlvules o canviar-les.

1.2.5.4 Corrosió

Causa: La corrosió es pot donar a causa dels fums i l’aigua del circuit de refrigeració.

Comprovacions: S’haurà de comprovar visualment.

Valors de referència: -

Reparacions: Es pot rectificar la culata se la corrosió es externa, es substituirà si la corrosió en interna.

1.2.5.5 Mesurament del volum de la cambra de combustió

Comprovacions: Per mesurar el volum de la cambra de combustió s'han de muntar les vàlvules i la bugia i col·locar la culta amb les càmeres cap amunt, en una posició perfectament horitzontal. A continuació, es col·loca a sobre un vidre o plàstic transparent que tingui un orifici per cada càmera; perquè quedi adherit s'unta una mica de greix consistent. Posteriorment, s'omple una proveta graduada amb oli molt fluid fins a una mesura determinada i s'aboca el líquid en la càmera a través de l'orifici fins que no quedin bombolles d'aire.

Valors de referència: Tolerància en el volum: ± 0,6cm2.Caldrà mesurar totes les càmeres i comparar els seus volums. La diferència màxima entre càmeres 1cm2.

Reparacions: Rectificar la culata.

1.2.6 Muntatge

El parell de collament establert per a cada culata ve indicat pel fabricant en funció de la pressió interna i del material emprat en la seva fabricació. Aquest parell de collament s'aconsegueix amb l'ús de claus dinamomètriques. S'ha de seguir l'ordre de collament establert pel fabricant, començant normalment pel centre i acabant pels extrems (en forma d’espiral).

1.3 Junta de culata

1.3.1 missió

La junta de la culata es troba entre el bloc del motor i la culata. La seva funció és evitar que el fluid de refrigeració del motor i l'oli es barregin i el segellat del

procés de combustió en el motor. Aquest procés és causat per les vàlvules de la culata que s'obren i tanquen, deixant així que l'aire i els gasos entren en els cilindres. Sense la junta de culata, els gasos combustibles s’escaparien del motor i deixarien anar la seva energia seva energia.

1.3.2 Material de fabricació

Les condicions que ha de presentar el s materials per a la fabricació de les juntes de culata són les següents: resistir les deformacions de les altes temperatures del motor, resistir pressions elevades. Per aquesta raó es pot servir un metall base com el coure i el bronze, per fora recobert de material elàstic.

1.3.3 Procés de fabricació

La fabricació es realitza superposant làmines molt primes d'acer i intercalant entre elles material composite, que és una barreja de fibres. Posteriorment, es recobreix tot de material compòsit amb una última capa de resina per evitar que la calor obri espais entre les diferents capes. Finalment, un cop la placa amb les diferents capes està acabada es realitzen les perforacions per als cilindres, els cargols i el pas d'aigua i lubricant. En els cilindres s'acobla un cèrcol metàl·lic per protegir la junta de les altes temperatures i per assegurar una millor estanquitat de la mateixa en aquests punts que solen delimitar les cambres de combustió.

1.3.4 Tipus i característiques

1.3.4.1 Es classifiques segons el material de fabricació

Metalicoplastica: per a la fabricació d'aquest tipus de culates s'utilitza com a material base metall després es cobreix amb amiant i finalment es cobreix amb coure o bronze. Aquest tipus de junt de culta en l'actualitat en desús, ja que el Aminat és un material perjudicial per a la salut.

Glasmide : es fabrica una anima de metall recoberta d'un material elàstic antiadherent, després es recobreix les vores dels buits dels cilindres amb metall.

Metaloflex: és un tipus de junta de culata totalment metàl·lica, aquest tipus de culates són molt primes, aproximadament 0,4mm. Aquest tipus de juntes de culates tenen una gran resistència mecànica, tèrmica i química.

1.3.5 Avaries

1.3.5.1 Junta de culta cremada

Causes: La raó principal de la falla de la junta de culata és el sobreescalfament del motor. Quan un motor es sobreescalfa, el bloc del motor s'expandeix massa, danyant així la junta. Però el sobreescalfament del motor no és l'única raó per la ruptura d'una junta. La detonació, és la segona causa principal, que pot tensar les vàlvules, els pistons i la junta de culata. Aquesta condició és causada quan el motor està fora de temps. Un motor reescalfat també pot conduir a problemes de autoencesa.

Comprovació: Les comprovació es realitzarà visualment.

Valors de referència: S'ha d'observar que la junta de culata ens en perfecte estat.

Reparació: Substitució de la junta de culata.

2. Elements mòbils del motor alternatiu

Són els encarregats de transformar l'energia química del carburant en energia mecànica. Aquests elements són: El pistó, el cigonyal,..

2.1 PISTÓ

2.1.2 Missió

Es denomina pistó a un dels elements bàsics del motor de combustió interna. Es

tracta d'un èmbol que s'ajusta a l'interior de la parets del cilindre mitjançant anells flexibles anomenats segments. Efectua un moviment alternatiu, obligant a fluid que ocupa el cilindre a modificar la seva pressió i volum, transformant en moviment el canvi de pressió i volum del fluid.A través de l'articulació de la biela i el cigonyal el seu moviment alternatiu es transforma en rotatiu.

2.1.3 Materials de fabricació

Els pistons de motors de combustió interna han de suportar grans temperatures i pressions, a més de velocitats i acceleracions molt altes. A causa d'això s'escullen aliatges que tinguin un pes específic baix per disminuir l'energia cinètica que es genera en els desplaçaments. També han de suportar els esforços produïts per les velocitats i dilatacions. L'alumini és el material base utilitzat per a la construcció dels pistons i altres aliatges d'alumini. Els aliatges d'alumini empleades normalment per a la construcció són les següents: alumini-coure, alumini-coure-níquel o ferro i alumini-silici. Els aliatges mencionats anteriorment són les més utilitzats, ja que ofereixen una resistència mecànica òptima i coeficient de dilatació baix, juntament amb elevat coeficient de conductivitat tèrmica.

2.1.4 Processos de fabricació

Pistons d'alumini fos Un dels processos més antics i encara vigent, és el de la fosa de lingots d'alumini en grans Gresols (on s'escalfen els metalls fins que es fonen o passen de sòlid a líquid) que després es buiden en motlles refredats per aigua sota sistemes especials. Posteriorment, comença el procés de mecanitzat, efectuat per diferents maquinàries controlades per ordinadors i finalment passen per una sèrie de processos tèrmics que els donen les propietats requerides per les empreses fabricants d'equip original.

Pistons forjats a pressió En aquest procés s'utilitzen barres d'aliatges d'alumini tallats a la mesura i sotmesos a pressions de fins a 3000 tones de força, als encunys es forja amb exactitud les dimensions del pistó i les ranures dels anells amb maquinats a precisió per brindar òptima qualitat i fiabilitat en l'ús d'aquests.

Pistons Hipereutèctics Aquests pistons són fabricats amb moderns sistemes de alta tecnologia metal·lúrgica en la qual s'utilitzen noves formulacions que permeten afegir una major quantitat de silici, assolint-se una expansió molecular uniforme dels elements utilitzats en la composició. Aquesta tècnica de manufactura proporciona aquests pistons característiques especials, com ara suportar més força, resistència i control de la dilatació a temperatures altes, disminuint el risc que el pistó s'enganxi en el cilindre, la vida útil és més gran ja que les ranures dels anells i l'orifici del passador del pistó són més resistents.

Pistons amb capa de recobriment Inicialment es va utilitzar l'estany però per ser nociu a la salut ha estat eliminat pels fabricants de pistons. En substitució s'està aplicant el nou recobriment antifricció compost per molibdè i grafit a la falda. Aquest procés evita que els pistons es ratllin, ajuda a prevenir danys per la lubricació inadequada i millora el segellat dels pistons.

2.1.5 Tipus i característiques

2.1.5.1 Segons el cap del pistóPer permetre les dilatacions produïdes per l'augment de temperatura cap és de menor grandària , aconseguint el seu menor diàmetre en el cel (part superior del cap del pistó). Segons siguin les necessitats del motor , la part superior pot adoptar diverses formes. Pot ser plana, còncava, convexa, tenir llaurats conductes toroïdals, deflectors per crear turbulència, etc. Generalment posseeix menor diàmetre que l'extrem inferior del pistó pel fet que s'ha de preveure que en estar en contacte amb les temperatures més altes de tot el motor va a existir una certa dilatació en el pistó, consistent en un cert eixamplament en el seu sector superior.

2.1.5.2 Segons la faldala falda es la part del pistó compresa entre el centre de l'orifici del pern i l'extrem inferior del pistó. Forma una superfície de lliscament i guia al pistó dins del cilindre. Les faldilles poden ser de ferro fos, i es la uneix a la corona mitjançant soldadures o per embotiment. En motors dièsel les faldilles poden formar una sola peça amb el cap, i en motors grans se solen usar faldilles no integrals. Les faldilles