Configuraciones del motor: en línea, en forma de V, plano

A principios del siglo XX, cuando los avances en el diseño estaban en su apogeo, el motor con una capacidad de 10 litros podía ser monocilíndrico o, por ejemplo, de ocho cilindros en línea. En ese momento, nadie estaba realmente sorprendido por el motor de seis cilindros en línea de 23 litros o el motor radial de siete cilindros de un avión instalado en un automóvil…

Sin embargo, el crecimiento de la capacidad de producción, la rotación y una lucha feroz por reducir el costo de producción pone todo en su lugar adecuado. El motor monocilíndrico más simple se convirtió en algo del pasado distante para los fabricantes de automóviles. La cilindrada promedio de un motor de automóvil convencional es ahora de trescientos a seiscientos centímetros cúbicos. Rendimiento por litro: desde 35 caballos de fuerza por litro para un diésel de aspiración normal hasta 100 para un motor de gasolina de aspiración natural de alta potencia. Esto es lo óptimo para los motores producidos en serie y simplemente no es rentable ir más allá.

Hoy en día, el motor de 100 caballos de vapor tiene en la mayoría de los casos cuatro cilindros, el de 200 CV de uno, cuatro, cinco o seis cilindros, el de 300 CV, ocho… Pero, ¿cómo se pueden arreglar estos cilindros? En otras palabras, ¿de acuerdo con qué esquema pueden los fabricantes construir un motor de varios cilindros?

La simplicidad es peor que la compactibilidad.

¿Cuál es el tema más importante en la mente del diseñador? Primero, la cuestión de cómo simplificar el diseño del motor para que sea más barato de producir y más fácil de mantener. El motor recto es el más simple. Para obtener la capacidad requerida, los diseñadores deben organizar el número requerido de cilindros en una fila.

Los motores de dos y tres cilindros no se encuentran a menudo en los automóviles, aunque la tendencia de los motores de dos cilindros está ganando impulso. Esto se ve facilitado por los sistemas de mezcla avanzados y el uso de turbocompresor (como, por ejemplo, en la versión turbo de dos cilindros y 85 caballos de fuerza del Fiat 500 hatchback). Pero el motor de cuatro cilindros en línea cayó en el rango más grande de capacidad de los autos de pasajeros: de 1 a 2.4 litros.

Los motores de cinco cilindros en línea aparecieron en los autos de producción hace relativamente poco tiempo, a mediados de los 70. El primero fue Mercedes-Benz con sus motores diésel de cinco cilindros, aparecieron en 1974 (en el modelo 300D con chasis W123). Dos años más tarde, se produjo el motor de gasolina de dos litros y cinco cilindros de Audi. Y a finales de los 80, estos motores fueron fabricados por Volvo y FIAT.

Los motores de seis cilindros en línea, que hasta hace poco eran tan populares en Europa, ahora se han convertido en una especie en peligro de extinción en un abrir y cerrar de ojos. Y el motor de ocho en línea está fuera de discusión: los fabricantes prácticamente se despidieron de él en los años 30. ¿Por qué?

La respuesta es simple. El motor se alarga a medida que aumenta el número de cilindros, y esto crea muchos inconvenientes en la disposición. Por ejemplo, fue posible apretar un motor de seis cilindros en línea a través del compartimiento del motor de un automóvil con tracción delantera en algunos casos, solo el Austin Maxi 2200 inglés de mediados de los 60 (entonces, los diseñadores tuvieron que ocultar la caja de cambios bajo el motor) y el Volvo S80 con una caja de cambios supercompacta vienen a la mente.

¿Cómo se puede acortar un motor recto? Podemos “cortarlo” por la mitad, poner las dos mitades una al lado de la otra y hacer que funcionen para un cigüeñal. Dichos motores en los que los cilindros están dispuestos en forma de letra V son dos veces más cortos que los rectos; los más comunes son los motores con un ángulo incluido de 60 ° y 90 °. Y un motor en V con un ángulo incluido de 180°, en el que los cilindros están dispuestos uno frente al otro, se llama motor plano (o boxer, las designaciones B2, B4, B6, etc. provienen de esta palabra).

Dichos motores son más complejos que los rectos; por ejemplo, tienen dos culatas (cada una con su propia junta y colectores), más árboles de levas y una configuración de transmisión más compleja. Y los motores planos también ocupan mucho espacio de ancho. Por lo tanto, se usan con poca frecuencia por razones de diseño: los fabricantes de motores bóxer se pueden contar con los dedos.

¿Y cómo podemos hacer que un motor en V sea aún más compacto? Una de las soluciones simples, a primera vista, es establecer el ángulo incluido del bloque en menos de 60°. De hecho, se encontraron motores de este tipo, pero rara vez: por ejemplo, el Lancia Fulvia de los años 70 con motores V4, el ángulo incluido de su bloque era de 23°. ¿Por qué no lo usaron todos los fabricantes? El hecho es que un diseñador de motores siempre se enfrenta a otro problema: la vibración.

Fuerza y torsión

En general, un motor de combustión interna de pistón no puede funcionar sin vibraciones, ese es su diseño. Pero es necesario combatirlos, y no solo para mejorar la comodidad de los pasajeros. Las vibraciones fuertes y desequilibradas pueden causar la destrucción de algunas partes del motor, con muchas probabilidades de que salgan volando y se caigan… 

¿Por qué ocurren las vibraciones? Primero, los destellos en los cilindros ocurren de manera desigual en algunas configuraciones de motor. Los diseñadores evitan tales esquemas si es posible o intentan hacer que el volante sea más masivo, esto ayuda a suavizar las ondulaciones de torsión. En segundo lugar, cuando los pistones se mueven hacia arriba y hacia abajo, aceleran y luego disminuyen, lo que provoca la aparición de fuerzas de inercia, similares a las que hacen que los pasajeros de un automóvil se inclinen al frenar o los empujen hacia los respaldos de los asientos durante la aceleración. En tercer lugar, la biela del motor no se mueve hacia arriba y hacia abajo, sino que realiza un movimiento complejo. Y el movimiento alternativo del pistón desde el punto muerto superior al inferior tampoco puede describirse como una simple sinusoide.

Por lo tanto, los componentes con una velocidad de rotación del cigüeñal duplicada, triplicada o cuádruple aparecen entre las fuerzas de inercia… Estas llamadas fuerzas de inercia de orden superior generalmente se desprecian, son muy pequeñas en comparación con la fuerza de inercia principal (que se le asignó el primer pedido). La excepción son las fuerzas inerciales de segundo orden que deben tenerse en cuenta. Además, los pares de fuerzas aplicadas a una cierta distancia forman pares; esto sucede cuando las fuerzas de inercia en los cilindros vecinos tienen diferentes direcciones.

¿Qué se puede hacer para equilibrar las fuerzas y los momentos de torsión? Primero, puede elegir una configuración de motor en la que los cilindros y los cigüeñales estén dispuestos de tal manera que las fuerzas y los pares se equilibren mutuamente; siempre serán iguales y tendrán direcciones opuestas.

Pero, ¿qué pasa si ninguno de los esquemas equilibrados es adecuado, por ejemplo, por razones de diseño? Luego, un diseñador puede intentar colocar los pasadores del cigüeñal de manera diferente y aplicar todo tipo de contrapesos que creen fuerzas y pares de igual magnitud, pero en dirección opuesta a las fuerzas principales que se equilibran. A veces, esto se puede hacer colocando contrapesos en el cigüeñal del motor. Y a veces, en ejes adicionales, que se denominan ejes de contrarrotación de equilibrio. Se llaman así porque giran en una dirección diferente a la del cigüeñal. Pero esto complica el motor y aumenta su costo.

Solo hay dos tipos de motores entre los comunes que están absolutamente equilibrados: uno de seis cilindros en línea y uno de seis cilindros plano. Ahora comprende por qué BMW y Porsche se aferran a tales motores con tanta fuerza. Y ya hemos mencionado las razones por las que otros las rechazan. Ahora echemos un vistazo más de cerca a las otras configuraciones.

Motores equilibrados y no tan equilibrados

Entre los motores de dos cilindros, solo uno se usa en los automóviles hoy en día: un motor recto de dos cilindros con un cigüeñal en el que las manivelas tienen una dirección (como uno, por ejemplo, se instaló en el ruso Oka). Como puede ver, este motor es similar a un motor monocilíndrico en términos de equilibrio, ya que ambos pistones se mueven hacia arriba y hacia abajo simultáneamente, en fase. Para equilibrar las fuerzas inerciales libres de primer orden, se utilizaron dos ejes con contrapesos en el motor Oka a la izquierda y derecha del cigüeñal. Pero, ¿qué pasa con las fuerzas de segundo orden? Para hacer frente a ellos, los fabricantes tendrían que agregar dos ejes de equilibrio más, lo que sería completamente inapropiado en un motor de dos cilindros, originalmente diseñado para autos pequeños y baratos.

Sin embargo, esto no es nada: muchos motores de dos cilindros se fabricaron sin ejes de equilibrio. Por ejemplo, estos se instalaron en el pequeño Fiat 500 de 1957. Sí, hubo vibraciones, el fabricante intentó amortiguarlas con la suspensión de la unidad de potencia… ¡Pero el motor resultó ser simple y barato! El bajo precio de los motores de dos cilindros tienta a los desarrolladores de hoy: no en vano, este esquema fue utilizado por los creadores del automóvil más asequible del planeta, el hatchback Indio Tata Nano.

Hoy en día, un motor de dos cilindros, cuyas manivelas tienen diferentes direcciones (en un ángulo de 180°), solo se puede encontrar en motocicletas. Está mejor equilibrado, ya que los pistones siempre se mueven en antifase. Sin embargo, solo se puede lograr una alternancia uniforme de destellos en los cilindros en motores de dos tiempos; dichos motores se instalaron en los DKW de antes de la guerra y sus herederos directos, los Trabants de plástico GDR. Debido a la simplicidad y el bajo costo, tampoco tenían ejes de equilibrio, y los conductores simplemente soportaban las vibraciones emergentes.

Se recuerda el único automóvil con un motor V de dos cilindros: el ruso NAMI-1. Y hasta el día de hoy, este tipo de motor ha sobrevivido solo en motocicletas; recuerde la Harley Davidson estadounidense y sus seguidores japoneses con sus motores V-2 en todo su esplendor cromado. Dicho motor se puede equilibrar casi por completo con la ayuda de contrapesos en el cigüeñal, pero es imposible lograr una alternancia uniforme de destellos. Es bueno que los motociclistas no presten mucha atención a las vibraciones…

Un motor de tres cilindros está peor equilibrado que uno de cuatro cilindros en línea, y por eso los fabricantes de motores de tres cilindros, por ejemplo, Subaru y Daihatsu, intentan equiparlos con ejes equilibradores. En ese momento, los diseñadores de motores de Opel decidieron abandonar el eje equilibrador y desarrollaron un motor de tres cilindros de la familia Ecotec para el Corsa de segunda generación, con el fin de reducir el costo y las pérdidas mecánicas. Y el Corsa de tres cilindros fue criticado por periodistas automovilísticos alemanes después de su debut en 1996: “Es absolutamente imposible conducir por la ciudad en modos variables”.

La fuerza de inercia de segundo orden permanece libre en el motor más popular entre los diseñadores de motores, un motor de cuatro cilindros en línea. Solo se puede equilibrar mediante un eje equilibrador que gira al doble de velocidad. (¿Ha olvidado que la fuerza de inercia de segundo orden actúa con el doble de frecuencia?) Y para compensar el par del eje equilibrador, tendrá que poner otro que gire en la dirección opuesta. ¿Costoso? Ciertamente. Sin embargo, los motores con ejes equilibradores se pueden encontrar en Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat y una variedad de marcas de Volkswagen.

Por cierto, un motor de cuatro cilindros está mejor equilibrado que uno recto: solo hay un par de las fuerzas de inercia de segundo orden, que tienden a girar el motor alrededor del eje vertical. Sin embargo, tanto el motor plano refrigerado por aire del legendario Beetle como los famosos motores bóxer de Subaru no tenían ejes equilibradores.

A los cinco no les va muy bien con el equilibrio. Las fuerzas de inercia se compensan, pero el par de estas fuerzas… Durante el funcionamiento del motor, una ola de par de flexión “recorre” constantemente el bloque, por lo que el bloque debe ser muy rígido. Sin embargo, tanto Mercedes-Benz como Audi y Volvo luchan con las vibraciones modificando la suspensión de la unidad de potencia o usando contrapesos especiales (como el 2.5 TFSI sobrealimentado de cinco en el Audi TT RS). Y solo los diseñadores de motores Fiat utilizaron un eje que equilibró completamente todos los pares.

Por cierto, casi todos los motores de cinco cilindros se forman agregando otro cilindro a un motor de cuatro cilindros, como los ladrillos de un juguete de construcción. Esto se hace para obtener motores más potentes con costos mínimos de producción y diseño. Al mismo tiempo, todo el relleno, incluidos pistones, bielas, válvulas, etc., se puede extraer del motor de cuatro cilindros. Necesitará un bloque y una culata diferentes y, por supuesto, un cigüeñal, cuyas bielas deben colocarse en un ángulo de 72°.

Ya hemos mencionado los motores de seis cilindros, un sueño en términos de equilibrio. Pero en los motores V6, que desplazan seis cilindros en línea, la situación con el equilibrio es la misma que en los de tres cilindros, es decir, no tan bien. Por lo tanto, por ejemplo, el primer motor Mercedes-Benz V6 estaba equipado con un eje equilibrador en V: el merecido M112 con tres válvulas por cilindro. El motor de seis cilindros y tres litros de la empresa PSA tenía un eje en una de las cabezas del bloque. Los ingenieros intentaron no complicar un diseño en otros motores de esa época y trataron de reducir el nivel de vibración al mínimo debido a la suspensión mejorada de la unidad de potencia y la ingeniosa disposición de desplazamiento de los pasadores del cigüeñal (como, por ejemplo, en el Audi V6).

Agreguemos una observación más aquí: en los motores V6 con un ángulo incluido de 90°, no se proporciona una alternancia uniforme de destellos en los cilindros. La falta de uniformidad resultante de la carrera puede compensarse con un volante ponderado, pero solo parcialmente. Aquí hay otra fuente de vibraciones para usted… 

Los motores V8 con un ángulo incluido de 90° y un cigüeñal cuyas bielas están ubicadas en dos planos perpendiculares entre sí están muy bien equilibrados. Es posible garantizar una alternancia uniforme de destellos en un motor de este tipo, que también funciona para un funcionamiento suave. Dos pares de torsión permanecen desequilibrados, que pueden calmarse por completo con la ayuda de dos contrapesos en el cigüeñal, en las almas de los cilindros finales. ¿Entiende por qué los estadounidenses sentían lo mejor de los motores en V antes que otros? Realmente no les gustan las vibraciones y los temblores en sus autos…

Finalmente, podemos hablar de esquemas inusuales. Primero, recordemos los motores V4. Había pocos de ellos: el modelo Ford europeo de los años 60 (que se instaló en el Ford Taunus, el Capri y el Saab 96) y un “motor milagroso” de Zaporozhets. Aquí intervino un eje de equilibrio para el par de las fuerzas de inercia de primer orden. Sin embargo, los diseñadores de los coches antes mencionados eligieron este esquema basándose en la compacidad y en parte el ahorro de costes, y no por un buen equilibrio.

¿Y qué pasa con los motores V-diez? El grado de equilibrio de dichos motores es exactamente el mismo que el de los motores R5. Sin embargo, los diseñadores de los antiguos motores de Fórmula 1 o los monstruos Dodge Viper y Dodge RAM, donde se instalan los motores V10, no pensaron principalmente en las vibraciones.

Bueno, otros esquemas se pueden reducir fácilmente a los anteriores. Por ejemplo, el ocho plano (un ejemplo de aplicación son los autos de carreras Porsche 917) son dos motores de cuatro cilindros que funcionan para un cigüeñal. Y los motores de doce cilindros planos y en forma de V se pueden reducir a dos motores de seis cilindros en línea.

VR6, VR5, W12

Ya sabe, mencionamos motores en forma de V con un pequeño ángulo incluido del bloque, como en Lancias. Antes, estos esquemas se evitaban: es más difícil equilibrarlos que los motores con un ángulo incluido de 60° o 90°, y la ganancia en compacidad no se valoraba tanto entonces…

Pero ahora la situación ha cambiado. En primer lugar, se utilizan ampliamente los hidromontajes de la unidad de potencia que amortiguan significativamente las vibraciones. En segundo lugar, el espacio debajo del capó ahora vale su peso en oro. Después de todo, ¿quién podría haber imaginado antes un modesto hatchback con un motor de 2.8 litros? ¡Y ahora aquí está! Todo comenzó con el Volkswagen Golf VR6 de tercera generación.

El famoso motor Volkswagen VR6, uno en “forma de V recta” (esto es lo que dice la designación VR), se convirtió en un desarrollo adicional de los motores en forma de V con un pequeño ángulo incluido del bloque. Los cilindros de este motor están separados por un ángulo aún menor que en Lancias, solo 15°. El ángulo es tan pequeño que dicho motor también se denomina “offset-recto”. Una solución ingeniosa: el 2.8 seis es más compacto que un motor V6 convencional, ¡e incluso tiene una cabeza de bloque!

Luego apareció el motor VR5: este es el VR6 del que se “cortó” un cilindro. Después de eso, los diseñadores de motores de Volkswagen se volvieron locos.

Se les ocurrió el motor supercompacto W12, que debutó en 1998 en el concept car W12 Roadster. Estos son dos motores VR6 instalados en un ángulo de 72° en un cigüeñal. Pero antes de eso, entró en producción el motor W8, que se instaló en el modelo superior del sedán Passat. También hay dos motores VR6, de los cuales se “cortan” dos cilindros y que también se combinan en un bloque en un cigüeñal. Una vez en Wolfsburg, también pensaron en un motor de dieciocho cilindros, pero al final se detuvieron en el W16 con cuatro turbocompresores, que acelera el Bugatti Veyron a 431 km/h.

¿Por qué no existían tales motores antes? Eche un vistazo, por ejemplo, al cigüeñal del motor W12: ¡un tecnólogo no imaginará tal cosa ni siquiera en sus peores pesadillas! Una computadora debería ayudar a los creadores de nuevos esquemas. Es muy difícil prescindir de la ayuda de la potencia informática para calcular todas las opciones para el ángulo incluido del bloque, la ubicación de los pasadores de la manivela, el orden de los destellos en los cilindros y elegir el más equilibrado.

Teoría y práctica

Como puede ver, los diseñadores no ponen el grado de equilibrio a la vanguardia en absoluto al elegir un esquema de unidad de potencia. Lo principal es encajar con éxito en el compartimiento del motor un motor que tenga la mejor relación de peso, tamaño y potencia. Entonces, los motores ahora se construyen cada vez más sobre un principio modular. En pocas palabras, cualquier motor se puede construir en un grupo de pistones, tanto de tres cilindros como de W12. Después de Volkswagen, cada vez más fabricantes están cambiando a diseños modulares. La última línea de motores Mercedes es un excelente ejemplo de esto.

Y vibraciones… Primero, es necesario distinguir entre el equilibrio teórico y real del motor. Si el cigüeñal ensamblado con el volante no está equilibrado y los pistones con bielas tienen un peso notablemente diferente, incluso los seis en línea temblarán. Al final, el equilibrio real es siempre mucho peor que el teórico, por motivos de desviación de las piezas de las dimensiones nominales y debido a la deformación de las unidades bajo carga. Entonces, las vibraciones “estallan” desde el motor hacia el exterior con cualquier esquema. Por lo tanto, los ingenieros prestan mucha atención a la suspensión de la unidad de potencia. De hecho, el diseño y la ubicación de los soportes del motor no son un factor menos importante que el grado de equilibrio del propio motor…

Esta es una traducción. Puede leer el original aquí: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html