Aluminum-silicon alloy materials applied in the
manufacture of parts of reciprocating internal combustion engines Part I
Barona
López Gustavo.[1] Luis Efraín Velasteguí.[2]
=
Abstract. DOI: https://doi.org/10.33262/cienciadigital.v3i3.2.758
This paper presents a system=
atic
knowledge of the chemical composition, type of molding and treatment,
mechanical and thermal properties, of aluminium=
-silicon
(Al-Si) alloys applied in the manufacture of structural parts of reciprocat=
ing
internal combustion engines (RICE), with the aim of providing support for t=
he
development of researches when compare, analyze or select the presented all=
oys.
For which, a first paper is presented, which indicates, the structural part=
s of
these types of engines are manufactured with Al-Si alloys. The paper begins
with concepts, characteristics and classification of RICE. Subsequently, the
characteristics, function of the parts, work cycles and other aspects of th=
e Otto
four- and two-stroke RICE are described, in addition to the Al-Si alloy
cylinder block, and the structural parts of Otto engines made of Al-Si allo=
ys
are shown. To deepen the issue, the characteristics and the duty cycle of
diesel engines have been written. Finally, a summary of characteristics of =
the
Diesel and Otto engine was prepared. The paper shows as a result a
systematization of the subjects investigated where Al-Si alloys integrate t=
he
structural parts of the RICE used in different industrial applications.
Keywords: aluminium-silicon alloys, reciprocating internal comb=
ustion
engines, Al-Si alloy cylinder block, Otto engine, Diesel engine, structural
parts engine.
Resumen.
En este artículo se presenta un conocimiento
sistematizado de la composición química, tipo de moldeo y tratamiento, prop=
iedades
mecánicas y térmicas, de las aleaciones aluminio-silicio (Al-Si) aplicadas =
en
la fabricación de partes estructurales de los motores de combustión interna
alternativos (MCIA), con el objetivo de proporcionar un fundamento para el
desarrollo de investigaciones al comparar, analizar o seleccionar las
aleaciones presentadas. Para lo cual, se presenta un primer artículo que da=
a
conocer que partes estructurales de estos tipos de motores son fabricados c=
on
aleaciones de Al-Si. El articulo comienza con conceptos, características y
clasificación de los MCIA. Posteriormente se describen las características,
función de las partes, ciclos de trabajo y otros aspectos más, de los MCIA =
Otto
de cuatro y dos tiempos, también se hace referencia al block de cilindros de
aleación Al-Si, y se muestran las partes estructurales de los motores Otto
fabricadas con aleaciones de Al-Si. Para profundizar el tema se ha redactad=
o las
características y el ciclo de trabajo de los motores Diésel. Para finalizar=
, se
elaboró un resumen de características del motor Diésel y del motor Otto. El
artículo muestra como resultado una sistematización de los temas investigad=
os
donde se relaciona las aleaciones de Al-Si con las partes estructurales de =
los
MCIA utilizados en diferentes aplicaciones industriales.
= Palabras clave: Aleaciones aluminio-silicio, motor de combustión interna alternativo, bloque de cilind= ros, motor Otto y Diésel, partes estructurales del motor.
=
La historia relata que el motor de =
combustión
interna se desarrolló a través de la evolución de la máquina de vapor, que =
es
nada menos que un motor de combustión externa. Varias ideas fueron aportadas
por nombres como Lebon y R=
ivaza,
hasta que, en el ańo de 1852, el francés de origen belga, Ettiene
Lenoir, construyó un motor de combustión interna de dos tiempos de baja pot=
encia.
Posteriormente, en 1862, Beau de Rochas ideó un=
ciclo
de cuatro tiempos que fue desarrollado por el ingeniero alemán Nikolaus Aug=
ust
Otto, quien, en el ańo de 1876, construyó un motor de combustión interna que
consumía gas de alumbrado. En su honor este motor se denomina motor Otto de
cuatro tiempos que sirvió para el desarrollo y fabricación de nuevos motore=
s (Sanz,
2007) (Villegas et al., 2007).
Entre los colaboradores de Otto se
encontraba Gottlieb Daimler, quien construyó un=
motor
alimentado a base de gasolina, pero con el principio de funcionamiento del
motor Otto, lo cual sirvió, para que Daimler en compańía de Wilhelm Maybach=
, en
el ańo de 1886, ensayaran el motor de combustión interna a gasolina y lo
montaran en un carruaje de cuatro ruedas. En ese mismo ańo, el ingeniero al=
emán,
Karl Benz construyó un motor de combustión interna a gasolina de cuatro tie=
mpos,
con potencia de ž HP, y lo monto en una carrocería tubular de tres ruedas, =
esta
invención es considerada como el primer vehículo fabricado de la historia (=
Sanz,
2007) (Villegas et al., 2007). La Figura 1 muestra el automóvil de tres rue=
das
fabricado por Karl Benz con MCIA de cuatro tiempos.
<=
v:shape
id=3D"Imagen_x0020_5" o:spid=3D"_x0000_i1054" type=3D"#_x0000_t75" alt=3D"=
Imagen relacionada"
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are'>
Figura 1. Vehículo de tres ruedas fabricado por Kar= l Benz con motor de combustión interna (NOSOLOINGENIERIA, 2013).
Los ingenieros galos René Panhard y
Emile Levassor compraron la patente de Daimler,=
quienes
entre los ańos de 1890 a 1891 realizaron ensayos, y fundaron la primera emp=
resa
de automóviles del mundo Panhard-Levassor (Sanz,
2007) (Villegas et al., 2007).
Con el objetivo de superar la
eficiencia del motor Otto, el ingeniero francés Rudolf Diésel, en el ańo de
1897, construyo la máquina térmica más eficiente de todos los tiempos, el
famoso motor Diésel. Este motor de combustión interna de 4 tiempos funcionó=
con
combustibles pesados y no necesitaba sistema de encendido por chispa, tenía=
una
potencia aproximada de 25 HP. Rudolf Diésel murió en el ańo 1913, pero desp=
ués de
su muerte, en el ańo de1924, fue montado por primera vez el motor Diésel en=
un camión
de la marca MAN (Sanz, 2007) (Villegas et al., 2007), como se muestra en la=
Figura
2, siendo el primer camión constituido con un motor diésel de inyección
directa. Este tipo de motor debido a su fabricación robusta, en comparación=
a
un motor a gasolina, se lo utilizó en motores estacionarios, máquinas agríc=
olas,
camiones y maquinaria pesada.
Figura 2. Camión MAN con motor diésel de inyección directa (pressreader, 2015).
En la historia existe el nombre del
ingeniero alemán Félix Wankel, quien ideó otro tipo de motor de combustión
interna de cuatro tiempos, el motor rotativo Wankel. El primer motor rotati=
vo funcional
se construyó en el ańo de 1957, y posteriormente en 1967 se fabrica un
automóvil con motor Wankel sin mucho éxito hasta ahora. El motor Wankel
técnicamente se define como un motor de combustión interna rotativo (MCIR),=
ya
que su trabajo se obtiene mediante el desplazamiento rotativo de un embolo.=
Actualmente
siguen gobernando los motores de combustión interna ideados por Otto y Diés=
el (Sanz,
2007) (Villegas et al., 2007) (Rovira y Muńoz, 20=
15).
El desarrollo de toda clase de
vehículos con motor Otto o Diésel se debe al esfuerzo, investigación, diseń=
o y
construcción, por parte de un sin número de investigadores. Sin embargo, la
industria automotriz, naval, aeronáutica y militar, demandan de motores más
eficientes, por lo que, se tendrá que desarrollar nuevas aleaciones, redise=
ńar
el motor, innovar materiales, mejorar los sistemas de inyección electrónica=
, y
otras alternativas que deberán ser propuestas por las industrias de
manufactura.
El motor Otto técnicamente se define
como un motor de combustión interna alternativo (MCIA), ya que su trabajo se
obtiene mediante el desplazamiento lineal de un émbolo (Rovira y Muńoz, 2015).
Los vehículos con MCIA Otto y Diése=
l representan
aprox. el 95% del total de ventas en el mundo, mientras que, el 5% son vent=
as
de vehículos eléctricos e híbridos. Una de las razones actuales para que el=
vehículo
eléctrico no sea la solución medioambiental, se debe a que su motor necesit=
a de
imanes permanentes que son fabricado a partir del neodimio y disprosio, met=
ales
que son obtenidos a partir de tierras raras. Estas tierras son escasas, su
aislación para obtener los metales arroja desechos tóxicos, además, los met=
ales
son de difícil reciclaje, lo que encarece los costos de fabricación. Todos
estos factores negativos de los vehículos eléctricos son igual de adversos =
que
la producción y consumo de combustibles fósiles. Además, hay que tomar en
cuenta que para la fabricación de las baterías eléctricas se necesita de li=
tio
y grafeno, lo que aumenta el extractivismo.
El MCIA es el componente fundamenta=
l de
un vehículo sus partes principales, como el block de cilindros, camisas de
cilindros, cabezotes y pistones, son fabricadas con aleaciones de alta dens=
idad
como fundiciones grises o hierros dúctiles, o de =
baja
densidad como Al-Si. De estas, las aleaciones de Al-Si son materiales que
pueden ser innovados, ya que por su ligereza existe una reducción en el con=
sumo
de combustible y de las reducciones de gases contaminantes, por tal motivo,=
en
la presente investigación se expondrá sus características y aplicaciones.
Los motores de combustión interna a=
lternativos
(MCIA) son utilizados en aplicaciones automotrices, militares y navales, de=
bido
a las características de adaptación que presentan, sin embargo, tienen algu=
nas
aplicaciones aeronáuticas. La clasificación de los motores de combustión
interna puede ser de acuerdo al movimiento que realizan sus elementos
mecánicos, clasificándose en alternativos y rotativos. En este artículo se
describirá los MCIA.
El motor de combustión interna
alternativo (MCIA) es un tipo de máquina térmica que transforma la energía
química, originada por la reacción de un combustible en presencia de combur=
ente
al interior de una cámara de combustión, en energía mecánica, que es
aprovechada para realizar trabajo mecánico (Sanz, 2007) (Rovira y Muńoz, 2015).
Su nombre de combustión interna se =
debe
a que la reacción de tipo explosión se produce en el interior de la máquina=
(en
el block o bloque de cilindros) que está cerrada herméticamente por un cabe=
zote
o culata. En cambio, el termino alternativo se debe a que el trabajo mecáni=
co
se obtiene mediante el desplazamiento lineal del émbolo (pistón) sustentado=
en
un mecanismo biela-manivela (biela-cigüeńal), el termino alternativo tambié=
n es
equivalente a reciprocante. (Sanz,=
2007)
(Rovira y Muńoz, 2015)
(Kumar, 2019). La Figura 3 muestra un esquema básico de los principales
componentes estructurales del =
MCIA.
Figura 3. Componentes estructurales del MCIA (Rovir= a y Muńoz, 2015).
Durant= e la redacción del artículo la denominación técnica de motor de combustión inter= na alternativo podrá ser simplemente escrito como motor de combustión interna u otro sinónimo, excluido la palabra alternativo, con el fin de simplificar términos.
Los mo= tores de combustión interna alternativos que son utilizados en la industria militar, naval, automotriz, y en algunos casos en la aeronáutica. Estos motores deben ser altamente eficientes para reducir al mínimo el impacto ambiental en el planeta. Por lo cual, las características principales de los MCIA son las siguientes:
ˇ El material de partes estructurales como blocks de cilindros, camisas de cilindros, cabezote y pistones, deben ser ligeros, para reducir el consumo de combustible.=
ˇ Evitar al mínimo las pérd= idas de energía producida por la combustión.
ˇ La energía producida por = la combustión debe encaminarse a tener alto rendimiento.
ˇ Minimizar la contaminació= n ambiental a causa de gases de combustión.
ˇ Elevada potencia a partir= de un mínimo consumo de combustible.
ˇ Sistemas de inyección de combustible eficientes.
ˇ Costos de producción económicos.
ˇ Costo de mantenimiento económicos.
La Fig= ura 4 muestra que los MCIA pueden ser clasificados mediante cinco formas, las cua= les son según su proceso de combustión, modo de realizar el ciclo, tipo de refrigeración, presión de admisión, número y disposición de los cilindros.<= /span>
Figura 4. Clasificación de los MCIA (Rovira y Muńoz, 2015).
Sin embargo, en la publicación elab=
orada
por Kaumar (2019) se menciona que los motores de
combustión interna pueden ser clasificados de la siguiente forma:
<=
![if !supportLists]>ˇ =
Diseńo básico: alternativos o rotat=
ivos.
<=
![if !supportLists]>ˇ =
Tipo de ignición y combustión: igni=
ción
sea por chispa o compresión, combustión homogénea o heterogénea.
<=
![if !supportLists]>ˇ =
Ciclo de trabajo: cuatro y dos tiem=
pos.
<=
![if !supportLists]>ˇ =
Proceso de admisión de aire: aspira=
ción
natural, turboalimentado, sobrealimentado.
<=
![if !supportLists]>ˇ =
Localización de las válvulas: sobrecabezote, en el block y en el cabezote.
<=
![if !supportLists]>ˇ =
Posición y numero de cilindros: mot=
or mono
cilíndrico, motor en línea, motor en V, motor de cilindros opuestos, motor =
de
pistón opuesto, motor radial.
<=
![if !supportLists]>ˇ =
Refrigeración: refrigerado por aire,
refrigerado por líquido, refrigerado por agua.
<=
![if !supportLists]>ˇ =
Combustible, diésel, gasolina, gas,=
dimetil éter, etanol, metanol.
<=
![if !supportLists]>ˇ =
Método de inyección del combustible=
: Inyección
directa, inyección multipunto, al cuerpo de aceleración.
Las ca= racterísticas del motor Otto radican en que su energía mecánica lo obtiene a partir de combustibles volátiles de baja viscosidad, la ignición del combustible se l= ogra mediante una chispa, y sus partes estructurales son menos robustas que los motores Diésel. Según su ciclo de trabajo se clasifican en motores Otto de cuatro tiempos (4T) y motores Otto de dos tiempos (2T). La función de las partes principales de un motor Otto 4T es semejante a los de un motor Otto = 2T, existiendo diferencias en sus ciclos de trabajo. El block de cilindros es e= l elemento de mayor importancia en un motor Otto, sobre el= , se montan otros componentes tanto fijos y móviles, posee orificios internos llamados cilindros que pueden ser parte integral del block, o piezas desmontables que se introducen en su interior llamadas camisas. Las partes estructurales de MCIA tipo Otto fabricadas con aleaciones de Al-Si son extensamente utilizadas para vehículos de baja y mediana potencia.
Recibe= n el nombre de motores de encendido provocado (MEP), motores de encendido por chispa, pero se debe evitar la denominación de motor de explosión, ya que e= n el seno del motor tiene lugar una combustión inducida por un agente, no una explosión. Generalmente utiliza combustibles como gasolina, GLP, etanol, al= coholes ligeros, gas natural, metano o gas de síntesis = (Sanz, 2007) (Rovira y Muńoz, 2015= ).
Son mo= tores en los que al final del proceso de compresión se dispone de una mezcla homogén= ea aire-combustible en estado gaseoso (o vaporizado). La combustión se produce mediante la deflagración (combustión progresiva) de la mezcla, que se propa= ga mediante un frente de llama, y la ignición o encendido se consigue mediante= un agente externo, generalmente una chispa procedente de una bujía (Rovira y Muńoz, 2015).=
El mot= or Otto de cuatro tiempos (4T) es utilizado en automóviles, camionetas, automóviles de= competición, montacargas y vehículos de mediano cilindraje (incluye aplicaciones aeronáu= ticas). En cambio, el motor Otto de dos tiempos (2T) es utilizado en motocicletas, motonetas, embarcaciones marinas de bajo cilindraje, fumigadoras, motosierr= as, máquinas manuales de bajo cilindraje, y en algunos vehículos de bajo y medi= ano cilindraje. Tanto los motores Otto 4T y 2T pueden ser refrigerados mediante agua o aire= .
Debido= al bajo y mediano cilindraje de los motores Otto, sus partes estructurales como el bl= ock de cilindros, camisas de cilindros, cabezote y pistones, son fabricados a partir de aleaciones de aluminio-silicio, las cuales poseen una resistencia mecánica, acorde a las solicitaciones mecánicas generadas por la ignición d= el combustible en el cilindro del block.
En cam= bio, motores de mediano y elevado cilindraje, como por ejemplo camionetas con un= torque neto de aprox. 200 Nm a 2000 rpm y potencia neta de alrededor de 80 HP, cam= iones con un torque neto de aprox. 2400 Nm a 1000 rpm y potencia neta de alrededo= r de 500 HP, u otro vehículo con torque y potencias superiores, sus partes estructurales como el block de cilindros, camisas de cilindros y cabezote, deben ser robustas, ya que soportan solicitaciones mecánicas producidas por= la autoinflamación del combustible diésel. A causa de este combustible sus par= tes son fabricadas a partir de aleaciones de hierro-carbono (aceros).
Las pa= rtes estructurales de un motor Otto 4T están conformadas por un bloque de cilind= ros o block de cilindros (también camisas de cilindros integrales o desmontables ubicadas al interior de los cilindros), culata, junta de culata y pistón. Existe variación en su forma y geometría, según la potencia, aplicación y m= arca. Por otro lado, las partes del tren alternativo como las de distribución, son fabricadas para llegar a un mismo fin en cualquier marca de motor, asimismo= según la marca y aplicación, existen diferentes diseńos. La Figura 5 muestra las partes principal= es de un motor Otto de cuatro tiempos.
|
|
A. PARTES
ESTRUCTURALES |
B. TREN ALTERNAT=
IVO |
C. DISTRIBUCIÓN<=
/span> |
|
1. = Bloque de cilindros (block)<= o:p> |
4. =
Pistón |
14.=
Árbol
de levas |
|
|
2.C=
ulata (Cabezote) |
5. =
Biela |
15.
Válvulas |
|
|
3. =
Junta de
culata |
6. =
Cigüeńal |
16.=
Guías
de válvulas |
|
|
|
7. =
Volante
de inercia |
17.=
Muelles |
|
|
|
8. =
Bulón |
18.=
Taqués |
|
|
|
9.
Segmentos |
|
|
|
|
10.
Casquillo de biela |
|
|
|
|
11.
Cojinete de biela |
|
|
|
|
12. Cojinetes de bancada<= o:p> |
|
|
|
|
13.=
Cojinetes
axiales |
|
Figura 5. Partes de un motor Otto de cuatro tiempos (Sanz, 2007).
La Fig= ura 6 muestra un esquema de las principales partes del motor Otto 4T, siendo el block de = cilindros el elemento estructural de mayor importancia y peso. En el block se montan partes fijas y móviles. Entre algunas partes fijas se tiene la culata y cár= ter, mientras que el cigüeńal es la parte móvil más importante, teniendo en cuen= ta que el pistón es una parte móvil que interactúa con el cilindro del block mediante el mecanismo de conexión biela-cigüeńal.
|
|
1
Block de cilindros |
|
2
Cilindro |
|
|
3
Cámara de Combustión |
|
|
4
Cigüeńal |
|
|
5
Pistón=
|
|
|
6 Biela<= o:p> |
|
|
7
Cámara de refrigeración |
|
|
8
Cárter=
|
|
|
9
Culata=
|
|
|
10
Válvula de admisión |
|
|
11
Válvula de escape |
|
|
12
Inyector de combustible |
|
|
13 Bujía<= o:p> |
Figura 6. Esquema de las partes de un motor Otto de cuatro tiempos (Álvarez y Callejón, 2005).
Cada e= lemento de la Figura 6 tiene su función en el motor Otto de cuatro tiempos, por lo que= , a continuación, se describe la función de cada una de ellas (Sanz, 2007) (Villegas et al., 2007) (Álvarez y Callejón, 2005).
ˇ =
1
Bloque: Denominado también como block, es un c=
uerpo
estructural de mayor importancia en el motor donde se montan las partes móv=
iles
y fijas del mismo.
ˇ =
2
Cilindro: Habitáculo en donde se ubica y se guía el pistón, suele insertase=
una
camisa de cilindro para evitar el desgaste.
ˇ =
3
Cámara de Combustión: Espacio físico real donde se introd=
uce
la mezcla aire-combustible, para producir la combustión del combustible.
ˇ =
4
Cigüeńal: Recibe el impulso del pistón a través de la biela, lo que
crea un par de fuerzas que se transforma en rotación.
ˇ =
5
Pistón: Recibe directamente la presión producida por la ignición=
del
combustible, transmitiendo la fuerza a la biela.
ˇ =
6
Biela: Elemento de unión entre el pistón y cigüeńal, transmite =
al
cigüeńal los esfuerzos recibidos por el pistón.
ˇ =
7
Cámara de refrigeración: Cavidades internas del block=
por
donde circula el líquido refrigerante de los cilindros.
ˇ =
8
Cárter: Cierre inferior del motor que contiene el aceite para la
lubricación.
ˇ =
9
Culata: Denominada también como cabezote, c=
ierra
a los cilindros por la parte superior, y también contiene al sistema de
distribución.
ˇ =
10
Válvula de admisión: Permite el ingreso de la mezcla
aire-combustible.
ˇ =
11
Válvula de escape: Permite el escape de los gases de
combustión.
ˇ =
12
Inyector de combustible: Inyecta el combustible a la cámara de combustión.<=
/span>
ˇ =
13
Bujía: Provoca la chista para iniciar el encendido de la mezcla
aire-combustible.
El mot= or Otto de dos tiempos posee cierta semejanza estructural que un motor Otto de cuatro tiempos. Las diferencias radican, en que, en vez de estar dotadas de válvul= as de admisión y escape, los motores Otto 2T poseen lumbreras de admisión, tra= nsferencia y escape, en el interior del block de cilindros. La Figura 7 muestra un esq= uema de las principales partes y lumbreras de un motor Otto de 2 tiempos.=
Figura 7. Esquema de las partes de un motor Otto de= dos tiempos (Álvarez y Callejón, 2005).
Cada e= lemento de la Figura 7 tiene su función en el motor Otto 2T y los elementos en común c= on el motor Otto 4T realizan la misma función descrita anteriormente. A contin= uación, se describe la función de las lumbreras del block de cilindros de un motor = Otto 2T.
ˇ
ˇ
ˇ
Depend= iendo del diseńo del motor Otto 2T pueden existir las tres lumbreras, pero en otros diseńos solo dos lumbreras, lo cual depende del método de barrido de los ga= ses de escape.
El cic= lo de trabajo de un motor Otto 4T está constituido por cuatro procesos o tiempos = de trabajo: admisión, compresión, expansión y escape, como se muestra en la Fi= gura 8. Para realizar el ciclo se requieren de cuatro carreras del pistón, en ca= da carrera del pistón el cigüeńal gira media vuelta, por tanto, el ciclo se completa en dos revoluciones del cigüeńal = (Sanz, 2007) (Rovira y Muńoz, 2015= ). Los tiempos que se realizan en el ciclo de trabajo son los siguientes (Sanz, 2007) (Kaumar, 2019) = (Kimerius Aic= raft, 2011):
ˇ
ˇ
ˇ
ˇ
Figura 8. Ciclo de trabajo de un motor Otto de cuat= ro tiempos (Sanz, 2007).
El vol= umen variable que se genera entre cilindro-pistón-cabezote es el espacio donde se generan los procesos de admisión, compresión, expansión (combustión) y esca= pe, además del espacio donde se desplaza linealmente el pistón. En este volumen= se producen fenómenos químicos y físicos, debido a la combustión del combustible, que da como resultado el incremento de presión y temperatura al interior del cilin= dro.
El inc= remento de presión y temperatura, a causa de la ignición del combustible, ocasiona en = la superficie de los cilindros del block, esfuerzo circunferencial, esfuerzo longitudinal, desgaste, vibración y corrosión, fenómenos por el cuales, los cilindros son fabricados con materiales que garanticen propiedades de resistencia mecánica, dureza, resistencia al desgaste, tenacidad, fatiga, b= ajo coeficiente de expansión térmica, alta conductividad térmica y anticorrosió= n, para evitar deformaciones, roturas y reblandecimiento del material. De estas propiedades las aleaciones de Al-Si cumplen con todas a excepción de bajo coeficiente de expansión térmica. En la Figura 9 se muestran las elevadas temperaturas y presiones, que soporta el cilindro del block de un motor Ott= o 4T durante su ciclo de trabajo.
Figura 9. Temperaturas y presiones en el cilindro d= e un block de un motor Otto 4T (Sanz, 2007).
El cic= lo de trabajo de un motor Otto 2T está constituido por dos procesos o tiempos de trabajo: compresión-admisión y expansión-escape. Para realizar el ciclo se requieren de dos carreras del pistón, en cada carrera del pistón el cigüeńal gira media vuelta, por tanto, el ciclo se completa en una revolución del cigüeńal (Sanz, 2007) (Rovira y Muńoz, = 2015). Los tiempos que se realizan en el ciclo de trabajo son los s= iguientes:
ˇ
ˇ
La Fig= ura 10 muestra el ciclo de trabajo de un motor Otto de dos tiempos, en donde el ci= clo ha dado inicio con el primer tiempo de compresión-admisión, para posteriorm= ente finalizar con el segundo tiempo de expansión-escape.
Figura 10. Ciclo de trabajo de un motor Otto de dos tiempos (Domínguez y Ferrer, 2019).
El blo= ck de cilindros es el elemento de mayor importancia de un motor, sobre el se mont= an otros componentes tanto fijos como móviles. Sobre su parte superior se asie= nta la culata con interposición de la junta de culata, consiguiendo la estanque= idad entre ambas partes. En la parte inferior se encuentra la bancada de cojinet= es (semicárter del cigüeńal) donde se aloja el cigüeńal. = La refrigeración del block de cilindros puede ser mediante liquido o aire (San= z, 2007) (Gonzales, 2015).
El blo= ck de cilindros es un elemento macizo, el cual posee orificios internos llamados cilindros. Estos cilindros pueden ser parte integral del block, o piezas desmontables que se introducen al interior del block llamadas camisas. Las camisas son cilindros desmontables que se insertan en unos taladros que se = han practicado en el block. La ventaja de utilizar camisas, radica en que el bl= ock se puede fabricar con materiales ligeros, y al mismo tiempo utilizar un material más denso y resistente para la fabricación de la camisa (Álvarez y Callejón, 2005) (Barrionuevo, 2013).
Geomét= ricamente los cilindros deben ser estancos, perfectamente cilíndricos, de diámetro constante, sin ovalaciones, ni conicidades, y su interior debe presentar una elevada resistencia al desgaste, ya que en su superficie existe un desplazamiento continuo del pistón debido al ciclo de trabajo del motor (Álvarez y Callejón, 2005) (Barrionuevo, 2013).
Como s= e mencionó, el block de cilindros puede ser fabricado como un solo elemento estructural= o como un elemento más la inserción de camisas desmontables. En el primer caso, al= no poseer camisas se tiene un block integral en el que sus cilindros pueden ser recubiertos con materiales resistentes al desgaste o realizar un tratamient= o. En el segundo caso, se tiene un block con camisas húmedas o secas. Estos casos= son algunas formas de clasificar al block de cilindros (Álvarez y Callejón, 200= 5) (Van Basshuysen y Schäfer, 2004). La Figura 11 muestra un block integral, y un block con camisas húmedas y camisas secas. =
|
|
|
|
=
Figura 11. Block (a) integral, (b) con camisas húme= das y (c) con camisas secas (Álvarez y Callejón, 2005) (Van Basshuysen y Schäfer, 2004).
Tradic= ionalmente los blocks de cilindros de los motores Otto se fabricaban a partir de materiales de alta densidad como fundiciones grises y hierros dúctiles. Sin embargo, con el desarrollo a nivel industrial del aluminio, que fue desde el ańo de 1886, se pudo fabricar a mediados de 1950, un block de cilindros de aleación ligera de Al-Si, el cual consumía menos combustible. Actualmente l= os blocks de cilindros para motores Otto son fabricados con aleaciones de Al-S= i, pero aún, este tipo de motores utilizan materiales de alta densidad.
Actual= mente partes estructurales como blocks de cilindros, camisas de cilindros, cabezotes, cá= rteres, bancadas de cojinetes y pistones, para motores Otto 4T de baja y mediana potencia, son fabricadas con aleaciones ligeras de Al-Si hipoeutéctico o hipereutéctico, ya que por propiedades como b= aja densidad, alta resistencia mecánica, dureza, resistencia al desgaste, tenacidad, resistencia a la fatiga, ductilidad, elevada conductividad térmi= ca y anticorrosión, se logra un motor eficiente que tiene un menor consumo de co= mbustible respecto a materiales de alta densidad.
En cam= bio, si las partes estructurales del motor son fabricadas a partir de fundiciones grise= s y hierros dúctiles, el rendimiento del motor se ve afectado por la alta densi= dad de estos materiales. Aun así, estas aleaciones de hierro-carbono, son utili= zadas en vehículos de alto torque y potencia, debido a que tienen mayor resistenc= ia que las aleaciones de aluminio-silicio.
A cont= inuación, la Figura 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 y 19, muestran las partes estructurale= s de los MCIA fabricados a partir de aleaciones de Al-Si.
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Figura 12. Block de cilindros de aleación Al-Si (= MAHLE GmbH, 2016). |
Figura 13. Block de cilindros con bancada de coji= netes de aleación Al-Si (MAHLE GmbH, 2016). |
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Figura 14. Block de cilindros de aleación Al-Si (Schilling y Schnaibel, 2009). |
Figura 15. Camisa de cilindro de aleación Al-Si m= arca Silitec (Schilling y Schnaibel, 2009). |
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Figura 16. Cabezote de aleación Al-Si (General Mo= tors, 2015). |
Figura 17. Pistón de aleación Al-Si (General Moto= rs, 2015). |
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Figura 18. Cilindro y pistón de Al-Si (MAHLE GmbH, 2016). |
Figura 19. Cárter de Al-MgSi (Rheinfelden alloys,= 2016). |
Las características del motor Diésel radican en que su energía mecánica lo obti= ene a partir de combustibles volátiles y viscosos, la ignición del combustible = es por su inyección en el aire comprimido, y sus partes estructurales son robu= stas comparadas con los motores Otto. Según su ciclo de trabajo se clasifican en motores Diésel de cuatro tiempos (4T) y motores Diésel de dos tiempos (2T).= La función de las partes principales de un motor Diésel 4T es semejante a los = de un motor Diésel 2T, existiendo diferencias en sus ciclos de trabajo. El blo= ck de cilindros es el elemento de mayor importancia, sobre el, se montan otros componentes tanto fijos y móviles, posee orificios internos llamados cilindros que por lo general son piezas desmontables que se introd= ucen en su interior llamadas camisas. Las partes estructurales de MCIA tipo Diés= el son fabricadas de fundiciones grises y hierros dúctiles, ya que son motores= con elevado torque-potencia.
Recibe= n el nombre de motores de encendido por compresión, generalmente utiliza como combustible un aceite pesado comúnmente llamado gasóleo, pero también fueló= leo, aceites vegetales o biodiesel (R= ovira y Muńoz, 2015) (Álvare= z y Callejón, 2005).
En est= e tipo de motores el aire es comprimido al interior del cilindro del block (cámara de= combustión). Finalizado el proceso de compresión se produce la inyección de combustible,= originando la ignición (encendido), debido a la autoinflamación del combustible, a cau= sa de la elevada presión del aire. Una vez iniciado la ignición del combustible sigue quemándose, mediante una combustión por difusión. Las condiciones que= se deben alcanzar en el proceso de compresión serán aquellas que aseguren la autoinf= lamación de la mezcla (Rovira y= Muńoz, 2015) (Domínguez y Ferrer, 2019). =
Entre = las diferencias con el motor Otto se encuentran que el motor diésel no requiere= de una chispa de la bujía para la ignición del combustible, su encendido lo re= aliza por compresión de aire y posterior inyección de combustible. Además, el mot= or diésel posee una mayor carrera, por ende, una mayor relación de compresión (Sanz, 2007) (Rovira y= Muńoz, 2015).
El mot= or Diésel de cuatro tiempos (4T) es utilizado en camionetas, tractores, cosechadoras,= autobuses, camiones, plantas de generación eléctrica, grupos electrógenos, buques portacontenedores y toda clase de vehículos de elevado torque y potencia, e= ste tipo de motores generalmente son refrigerados mediante agua. En cambio, el motor Diésel de dos tiempos (2T) es utilizado en maquinaria agrícola, vehíc= ulos ferroviarios, tanques de guerra, propulsión marina, buques, entre otros, es= te tipo de motores son refrigerados por agua o aire (Sanz, 2007) (Kimerius Aicraft, 2011) (= Kuiken, 2008).
Las pa= rtes estructurales tanto de un motor Otto 4T como las de un motor Diésel 4T son las misma, conformándose por un block de cilindros, camisas de cilindros y cabezote. E= ntre los diferentes motores Diésel existe variación en su forma y geometría, seg= ún la potencia, aplicación y marca del vehículo. Por otro lado, las partes del tren alternativo como las de distribución son fabricadas para llegar a un m= ismo fin, pero según la marca y aplicación, existen diferentes diseńos. La Figur= a 20 muestra las partes principales de un motor Diésel de cuatro tiempos.=
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1 Block de cilin= dros |
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2 Cilindro |
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3 Cigüeńal |
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4 Pistón<= /p> |
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5 Biela |
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6 Cámara de refr= igeración |
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7 Válvula de adm= isión |
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8 Válvula de esc= ape |
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9 Culata o cabez= ote |
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10 Bomba de inye= cción de combustible |
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|
11 Inyector de combustible |
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12 Cárter= |
Figura 20. Partes de un motor Diésel de cuatro tiem= pos (Heywood, 1988).
La Fig= ura 21 muestra un esquema de las principales partes de un motor Diésel 4T, siendo el block= de cilindros el elemento estructural de mayor importancia y peso del motor. Al igual que en el motor Otto, en el block de cilindros del motor Diésel se mo= ntan las partes fijas y móviles. Entre las partes fijas se tiene la culata y el = cárter, mientras que el cigüeńal es la parte móvil más importante, teniendo en cuen= ta que el pistón es una parte móvil que interactúa con el cilindro del block mediante el mecanismo de conexión biela-cigüeńal.
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1
Block de cilindros |
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2
Cilindro |
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3
Cámara de Combustión |
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4
Cigüeńal |
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5
Pistón |
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6
Biela |
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7
Cámara de refrigeración |
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8
Cárter |
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9
Culata |
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10
Válvula de admisión |
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11
Válvula de escape |
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12
Inyector de combustible |
Figura 21. Esquema de las partes de un motor Diesel= de cuatro tiempos (Álvarez y Callejón, 2005).
El mot= or Diésel 4T esta implementado de un turbocompresor que logra aumentar la presión de air= e atmosférico al momento de su ingreso en la cámara de combustión. Los principales objeti= vos de un turbocompresor es barrer los gases de escape y que el combustible inyectado reaccione por completo con el aire.
Un mot= or Diésel de dos tiempos posee cierta semejanza estructural que un motor Diésel de cu= atro tiempos. Las diferencias radican, en que, en vez de estar dotadas de válvul= as de admisión y escape, los motores Diésel 2T poseen lumbreras de admisión, transferencia y escape, en el interior del block de cilindros. La Figura 22 muestra un esquema de las principales partes y lumbreras de un motor Diésel= de 2 tiempos.
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1
Block de cilindros |
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2
Cilindro |
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3
Cámara de combustión |
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4
Cigüeńal |
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5
Pistón=
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6 Biela<= o:p> |
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7
Cámara de refrigeración |
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8
Lumbrera de admisión |
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9
Lumbrera de transferencia |
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10
Lumbrera de escape |
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11
Blower |
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12
Culata |
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|
13 Bujía<= o:p> |
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14
Cárter=
|
Figura 22. Esquema de las partes de un motor Otto d= e dos tiempos (Schweitzer, 1949).
El cic= lo de trabajo del motor Diésel 4T está constituido por cuatro procesos o tiempos = de trabajo: admisión, compresión, expansión y escape, como se muestra en la Fi= gura 23. Para realizar el ciclo se requieren de cuatro carreras del pistón, en c= ada carrera del pistón el cigüeńal gira media vuelta, por tanto, el ciclo se completa en dos revoluciones del cigüeńal = (Sanz, 2007) (Rovira y Muńoz, 2015= ). Los tiempos que se realizan en el ciclo de trabajo son los siguientes (Sanz, 2007) (Villegas et al., 2007) (Domínguez y Ferrer, 2019):
ˇ
ˇ
ˇ
ˇ
Figura 23. Ciclo de trabajo de un motor Diésel de c= uatro tiempos (Domínguez y Ferrer, 2019).
El cic= lo de trabajo de un motor Diésel 2T está constituido por dos procesos o tiempos de trabajo. Para realizar el ciclo se requieren de dos carreras del pistón, en cada carrera del pistón el cigüeńal gira media vuelta, por tanto, el ciclo = se completa en una revolución del cigüeńal = (Sanz, 2007) (Rovira y Muńoz, 2015= ). Los motores Diésel de dos tiempos pueden ser clasificados de acuerdo al modo de barrido de los gases (gases quemados son empujados por a= ire que entra al cilindro) y por el modo de alimentación del aire (atmosférico o sobrealimentado) (Gonzáles, 2015) (Arias, 1999). A continuación, se describ= irá el ciclo de trabajo de un motor Diésel de dos tiempos de acuerdo al modo de alimentación del aire.
Los mo= tores con este ciclo de trabajo son conocidos como motores atmosféricos, siendo de cilindrada baja. El pistón en su carrera ascendente crea una depresión que = obliga la entrada de aire atmosférico en el cárter, seguidamente la presión que ge= nera el pistón en su carrera descendente obliga al aire a pasar por la lumbrera = de transferencia e ingresar al cilindro, lo que genera un barrido (evacuación) sobre los gases de combustión. Sin embargo, por ser aire con presión atmosférica, no es lo suficientemente fuerte para evacuar totalmente los ga= ses de combustión. Normalmente este tipo de alimentación tiene muy poca aplicac= ión en la industria (González, 2015) (Arias, 1999). A continuación, se describe= el ciclo de trabajo de un motor Diésel 2T atmosférico.
ˇ
ˇ
La Fig= ura 24 muestra el ciclo de trabajo de un motor Diésel 2T alimentado mediante aire atmosférico. Su ciclo de trabajo está constituido por dos procesos o tiempo= s de trabajo: compresión- admisión y expansión-escape.
Figura 24. Ciclo de trabajo de un motor Diésel de d= os tiempos alimentado mediante aire atmosférico (Ferguson y Kirkpatrick, 2016)= .
Este t= ipo de motores puede estar dotado de una bomba o blower, con el fin de aumentar ligeramente la presión del aire al momento ingresar al c= árter. Además, el diseńo del mecanismo para el ingreso del aire tiene varias forma= s.
Los mo= tores con este ciclo de trabajo son conocidos como motores sobrealimentados, ya que el ingreso de aire en el cilindro se lo realiza mediante un compresor o turboc= ompresor. El aire que ingresa de esta forma tiene una presión elevada, que supera en = gran medida a la presión atmosférica, siendo favorable para el barrido de los ga= ses de combustión, ya que el ingreso de aire comprimido empuja a los gases comb= ustionados al exterior. En este tipo de ciclos no existe lumbrera de escape, en su remplazo se tiene válvulas de escape, por lo que estos motores con sobrealimentación son extensamente utilizados en aplicaciones industriales (González, 2015) (Arias, 1999). A continuación, se describe el ciclo de trabajo de un motor Diésel 2T sobrealimentado.
ˇ
ˇ
La Fig= ura 25 muestra el ciclo de trabajo de un motor Diésel 2T con sobrealimentación de aire, su ciclo de trabajo está constituido por dos procesos o tiempos de trabajo: escape- admisión y compresión-expansión.
Figura 25. Ciclo de trabajo de un motor Diésel de dos tiempos con sobrealimentación de aire = (DOE Fundamentals Handbook, 1993).
Las características de funcionamiento del motor Diésel y del motor Otto, tienen muchas semejanzas, sin embargo, existe diferencias notorias como en el tipo= de combustible, relación de compresión, rendimiento efectivo, entre otras. De igual forma cada tipo de motor tiene sus ventajas y desventajas, lo cual permite establecer la aplicación en la industria.
Existe= n varias diferencias entre el motor Otto y el Diésel, desde los materiales estructur= ales utilizados para la fabricación de partes, hasta su rendimiento efectivo. Las principales características de funcionamiento de estos tipos de motores son presentadas en la Tabla 1.
Tabla 1. Características de func= ionamiento del motor Otto y del motor Diésel (Sanz, 2007)
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Motor Otto |
Motor Diésel |
|
Preparación de la
mezcla en determinada proporción. En la admisión se
regula la cantidad de mezcla admitida. Grado de compres=
ión
relativamente bajo, para evitar la detonación (de 8 a 11/1), con presiones
entre 13 y 15 bares. El encendido de =
la
mezcla se logra mediante una chispa eléctrica. La combustión es
rápida y se realiza a volumen casi constante. Presión máxima de
combustión de 30 a 40 bares. El rendimiento
efectivo de los motores es de aproximadamente entre el 25% al 30%. |
Admisión de la m=
áxima
cantidad de aire. Alto grado de
compresión (de 14 a 22/1), alcanzando presiones de unos 40 bares. Elevada temperat=
ura al
final de la compresión (de 500 a 600 °C). Inyección de
combustible en cantidad dosificada, a una presión entre 250 y 2000 bares =
en
los Diésel rápidos de inyección directa. Autoinflamación =
del
combustible al ser inyectado. La combustión es
relativamente lenta, entre 20° y 40° de giro de cigüeńal. Presión máxima de
combustión entre 70 y 90 bares. El rendimiento
efectivo de los motores es de aproximadamente entre el 30% al 40%. |
Tanto = el motor Otto como el Diésel tiene sus ventajas y desventajas, por tal motivo cada tipo de motor es utilizado en algún tipo de aplicación industrial. Las principales ventajas y desventajas del motor Diésel respecto al motor Otto son presenta= das en la Tabla 2.
Tabla 2. Principales ventajas y desventajas del motor Diésel respecto al motor Otto.
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Ventajas |
Desventajas |
|
Mayor rendimiento
térmico debido a que trabaja con temperaturas más elevadas. Motor con mayor
rendimiento efectivo, puesto que se aprovecha mejor la energía del
combustible. Menos contaminan=
te, ya
que la combustión es más completa, por tanto, los gases de escape son men=
os
tóxicos. Mayor duración c=
on
menor costo de mantenimiento. La potencia pued=
e ser aumentada
mediante un turbocargador. Generan elevado =
torque
lo cual es empleado en motores de camiones, volquetas, autobuses, tractor=
es, retroexcavadoras,
plantas de generación eléctrica, grupos electrógenos, buques
portacontenedores, vehículos ferroviarios, tanques de guerra, propulsión
marina, buques. |
Mayor peso, más
ruidoso y de funcionamiento más brusco. Más caro, por los
ajustes que requiere su fabricación. El arranque en f=
río
presenta más dificultades. Las partes
estructurales como el block de cilindros, camisas de cilindros y cabezote=
, no
pueden ser de materiales de baja densidad como las aleaciones de Al-Si. Las partes estru=
cturales
son fabricados con materiales de alta densidad como fundición gris y hier=
ro dúctil,
lo cual genera más peso al motor. Lo costos de fabricación del motor diésel tienden a s=
er
mayores que los del motor a gasolina, principalmente por su construcción
robusta, necesaria para soportar las altas solicitaciones mecánicas. |
Fuente: Elaboración propia basada en (Sanz, 2007) (Kimerius Aicraft, 2011) (Kuiken, 2008) (Shell, 2020)
ˇ
Las par=
tes
estructurales de un MCIA, fabricadas con aleaciones Al-Si, son utilizadas p=
ara
motores Otto, ya que, la ignición del combustible genera fenómenos físicos y
químicos que este tipo de materiales pueden soportar.
ˇ
Las par=
tes estructurales
de los MCIA tipo Diésel son fabricadas a partir de fundiciones
grises o hierros dúctiles, esto se debe, a que, tales materiales pueden
soportar los fenómenos físicos y químicos producidos por la autoinflamación=
del
combustible, y por=
la elevada relación de compresiones en este =
tipo
de motores.
ˇ
Las par=
tes
estructurales de los MCIA Otto están directamente relacionados con las
aleaciones de Al-Si, estos materiales presentan propiedades que benefician =
al
rendimiento del motor, ya que cada día se requiere de un elevado rendimient=
o a
un bajo consumo de combustible.
=
ˇ
Con la
estructuración del artículo se define conceptos, características, ciclos de
trabajo y función de partes, los mismos que dan a conocer la importancia que
tienen las aleaciones Al-Si en las diferentes partes del MCIA.
ˇ
Las ven=
tajas
que presentan las propiedades de las aleaciones de Al-Si como: baja densidad, alta resistencia mecánica, dureza, resistencia =
al
desgaste, tenacidad, fatiga, ductilidad, elevada conductividad térmica y
anticorrosivo, hacen que se ten=
ga un
gran potencial para la innovación.
=
ˇ
La sele=
cción de
las aleaciones, sean de Al-Si o de Fe-C; para la fabricación de partes
estructurales como blocks de cilindros, camisas de cilindros, cabezotes y
pistones; vienen dadas en función del tipo de MCIA.
=
ˇ
Las pro=
piedades
que debe tener la parte de mayor importancia de un MCIA tipo Otto o Diésel =
son resistencia mecánica, dureza, resistencia al desgaste, tenacid=
ad, resistencia
a la fatiga, bajo coeficiente de expansión térmica, alta conductividad térm=
ica
y resistencia a la corrosión. Sin embargo, las cinco primeras propiedades s=
on
primordiales, mientras que las restantes puede suplirse de alguna otra mane=
ra.
=
ˇ Las propiedades de las pa= rtes, juegan un papel fundamental en el rendimiento actual de los MCIA. Sin embargo, este rendimiento, también se debe al mejoramiento de los sistemas electrónicos de inyección de combustible.
RE=
FERENCIAS
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PARA CITAR EL ARTÍCULO
INDEXADO.
Barona, G., & Velasteg=
uí, L.
(2019). Materiales de aleación aluminio-silicio aplicados en la fabricación=
de
partes de motores de combustión interna alternativos Parte I. Revista
electrónica Ciencia Digital, 3(3.2), 302-313. =
https://doi.org/10.33262/cienciadigital.v3i3.2.758
El
artículo que se publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no
necesariamente reflejan el pensamiento de la Revista Ciencia Digital.
El
articulo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parc=
ial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1] Escuela
Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecánica, Quito, Ecuador, barona_gustavo@hotmail.com[2] Editorial Ciencia Digital, Ambato, =
Ecuador,
luisefrainvelastegui@cienciadigital.org