Tipos de motores

Los tipos de motores de combustión interna pueden clasificarse por la forma en que organizan sus cilindros, por el ciclo que utilizan, por la manera en que admiten aire y por el mecanismo empleado para convertir la presión de la combustión en movimiento giratorio. Aunque todos persiguen el mismo objetivo general, no todos lo resuelven de la misma forma.

En un motor convencional, la combustión empuja uno o varios pistones, las bielas transmiten ese esfuerzo y el cigüeñal lo transforma en rotación. Sin embargo, la posición de los cilindros cambia profundamente el tamaño exterior, el centro de gravedad, la suavidad y la complejidad de fabricación. Colocar los cilindros en línea produce un motor sencillo y estrecho, mientras que dividirlos en dos bancadas permite acortar un conjunto con muchos cilindros. Acostarlos horizontalmente reduce la altura, y eliminar completamente los pistones da origen a una máquina rotativa como el Wankel.

También existen diferencias que no pueden verse desde el exterior. Un motor puede completar su ciclo en cuatro carreras del pistón o realizarlo en solo dos. Puede aspirar aire únicamente por el descenso del pistón o recibirlo presurizado mediante un turbo. Puede encender la mezcla con una bujía o utilizar el calor generado por una compresión muy elevada.

Por esta razón, hablar de tipos de motores no consiste simplemente en contar cilindros. Cada arquitectura representa una solución distinta frente a problemas de espacio, equilibrio, potencia, eficiencia, costo y facilidad de mantenimiento.

Arquitectura

El motor en línea coloca todos sus cilindros uno detrás de otro, como personas ordenadas en una sola fila. Esta disposición es una de las más fáciles de imaginar y también una de las más sencillas de fabricar. Todos los cilindros pueden compartir un mismo bloque longitudinal y una sola culata larga.

Utilizar una única culata reduce la cantidad de piezas duplicadas. Solo se necesita un conjunto principal de conductos de admisión y escape, una tapa de válvulas y, según el diseño, uno o dos árboles de levas para toda la fila. La distribución también puede concentrarse en un solo extremo del motor, simplificando la cadena, la correa o los engranajes que sincronizan las válvulas.

Esta sencillez explica la enorme popularidad de los motores de tres y cuatro cilindros en línea. Son estrechos, relativamente económicos y fáciles de instalar transversalmente en vehículos de tracción delantera. Al colocarlos atravesados dentro del vano, la caja de cambios puede quedar alineada con las ruedas delanteras sin necesidad de un árbol de transmisión longitudinal.

El inconveniente aparece a medida que aumenta la cantidad de cilindros. Un seis cilindros en línea puede ser muy suave porque sus fuerzas internas se equilibran de manera favorable, pero necesita un bloque largo. En un automóvil pequeño, ese conjunto podría invadir el espacio del habitáculo o dificultar la instalación transversal.

El motor en V resuelve ese problema dividiendo los cilindros en dos filas inclinadas. Ambas bancadas comparten un cigüeñal situado en la zona inferior. Si se observa de frente, los cilindros parecen formar la letra V.

La principal ventaja es que un motor con ocho o más cilindros puede construirse con una longitud razonable. En lugar de instalar ocho cilindros uno detrás de otro, se distribuyen cuatro en una bancada y cuatro en la otra. El resultado es un motor más corto, capaz de caber en vehículos donde un ocho cilindros en línea sería prácticamente imposible.

Esta compactación longitudinal tiene un costo. El motor necesita dos culatas, dos conjuntos de conductos y, normalmente, una distribución más compleja. También es más ancho y posee dos zonas laterales de escape. El diseño debe equilibrar las combustiones entre ambas bancadas para impedir que el bloque se sacuda de un lado a otro.

El ángulo de la V no se elige solo por apariencia. Influye en el equilibrio, el ancho, la forma del cigüeñal y el intervalo entre combustiones. Un V6 puede utilizar ángulos diferentes según el espacio disponible y el diseño del cigüeñal, mientras que una V de 90 grados resulta especialmente común en motores V8.

Configuración

El motor bóxer, también denominado de cilindros horizontalmente opuestos, coloca sus bancadas a ambos lados del cigüeñal. Los pistones quedan acostados y se mueven en direcciones contrarias, como dos boxeadores que golpean hacia lados opuestos.

Esta disposición produce un motor muy bajo. Como los cilindros no se elevan verticalmente sobre el cigüeñal, el conjunto puede instalarse cerca del piso del vehículo. Una masa pesada colocada a menor altura reduce el centro de gravedad y ayuda a controlar el balanceo de la carrocería durante curvas y cambios rápidos de dirección.

El movimiento opuesto de los pistones también permite cancelar una parte importante de las fuerzas de inercia. Cuando un pistón acelera hacia un lado, otro puede hacerlo hacia el lado contrario. El bloque recibe reacciones opuestas en vez de un único empuje dominante, favoreciendo un funcionamiento suave.

La desventaja es su anchura. Las culatas quedan alejadas entre sí y próximas a los costados del vehículo, lo cual puede dificultar ciertas operaciones de mantenimiento. El escape, la admisión y la refrigeración deben distribuirse en una estructura ancha y baja.

Entre el motor en línea y el motor en V convencional existe la configuración VR. Su nombre representa una combinación conceptual entre una disposición en V y una disposición en línea. Los cilindros se reparten en dos bancadas, pero el ángulo entre ellas es extremadamente pequeño.

En el conocido VR6 de Volkswagen, las bancadas quedan separadas por aproximadamente 15 grados. La V es tan estrecha que los seis cilindros pueden cubrirse con una sola culata. Esto permite instalar un seis cilindros en un espacio transversal que normalmente estaría reservado para un motor más corto.

Puede imaginarse como dos filas de personas que, en lugar de separarse ampliamente, se intercalan ligeramente una junto a otra. El bloque resulta más corto que un seis cilindros en línea y más angosto que un V6 tradicional. La distribución de conductos y cilindros es más compleja, pero el ahorro de espacio es considerable.

La arquitectura en W lleva esta idea todavía más lejos. En ciertas aplicaciones del Grupo Volkswagen, un W12 puede comprenderse como la unión de dos módulos VR6 estrechos colocados alrededor de un cigüeñal común. En vez de construir un V12 muy largo, los cilindros se organizan en cuatro filas compactas.

El resultado permite alojar doce cilindros dentro de una longitud sorprendentemente reducida. La misma lógica fue extendida a motores W16, capaces de concentrar dieciséis cilindros en la parte central o delantera de un automóvil de altas prestaciones.

La ventaja principal es el empaquetamiento. Sin esta disposición, un motor con doce o dieciséis cilindros exigiría un vano muy largo. El precio es una complejidad enorme: múltiples bancadas, conductos apretados, refrigeración exigente, gran cantidad de componentes y un cigüeñal capaz de recibir el trabajo de todos los cilindros.

Ciclos

El motor de cuatro tiempos completa la admisión, la compresión, la combustión y el escape durante dos vueltas del cigüeñal. Cada cilindro produce una carrera de trabajo una vez cada 720 grados de rotación. Las válvulas controlan cuándo entran y salen los gases, y el árbol de levas gira a la mitad de la velocidad del cigüeñal.

Esta separación de funciones facilita controlar el llenado, la combustión y las emisiones. Sin embargo, requiere un mecanismo de distribución compuesto por válvulas, resortes, árboles de levas y elementos de sincronización.

El motor de dos tiempos concentra el ciclo en una sola vuelta del cigüeñal. El pistón produce una carrera de trabajo con mayor frecuencia, razón por la que estos motores pueden sentirse rápidos, agresivos y capaces de alcanzar muchas revoluciones en relación con su tamaño.

En muchos diseños de dos tiempos no existen válvulas mecánicas convencionales. El propio pistón actúa como un tapón móvil que abre y cierra unas ventanas llamadas lumbreras, mecanizadas en la pared del cilindro. Al bajar descubre los pasos de escape y transferencia; al subir vuelve a cerrarlos y comprime la carga.

Esta solución elimina gran parte del tren de válvulas y reduce la cantidad de piezas móviles. El motor puede ser liviano, compacto y ofrecer una elevada relación entre potencia y masa. Sin embargo, el intercambio de gases es menos limpio. Parte de la mezcla fresca puede escapar con los gases quemados, y numerosos diseños necesitan aceite mezclado o introducido junto con el combustible para lubricar el conjunto.

El ciclo Atkinson utilizado en muchos híbridos modernos persigue un objetivo diferente. Su prioridad no es obtener la máxima fuerza posible de cada cilindrada, sino aprovechar mejor la expansión y reducir el consumo.

En la práctica, muchos motores llamados Atkinson utilizan una distribución especial. La válvula de admisión permanece abierta cuando el pistón ya ha comenzado a subir durante la carrera que normalmente comprimiría toda la carga. Parte del aire vuelve temporalmente hacia el conducto de admisión, por lo que la compresión efectiva comienza más tarde.

El motor atrapa menos aire y pierde algo de torque a baja velocidad, pero la expansión posterior puede aprovecharse durante una carrera proporcionalmente más larga que la compresión efectiva. Se extrae más trabajo de la carga atrapada y se reduce parte del esfuerzo necesario para controlar el aire mediante la mariposa.

En un automóvil híbrido, el motor eléctrico compensa la falta de respuesta inmediata. Puede entregar torque desde el inicio mientras el motor térmico trabaja en una zona eficiente. Esta combinación permite utilizar un ciclo orientado al ahorro sin que el conductor perciba una pérdida excesiva de aceleración.

El motor diésel se distingue principalmente por su sistema de encendido. Durante la admisión introduce aire y después lo comprime con gran intensidad. Al reducir drásticamente su volumen, el aire aumenta de presión y temperatura.

Cerca del punto muerto superior, el inyector pulveriza combustible dentro de ese aire caliente. No se necesita una chispa de bujía, porque la temperatura alcanzada por la compresión es suficiente para iniciar la combustión. La dosificación y el momento de la inyección controlan cómo se libera la energía.

Esta necesidad explica las altas relaciones de compresión y la construcción robusta de los motores diésel. Pistones, bielas, culata y bloque deben soportar presiones elevadas. A cambio, el motor puede alcanzar una buena eficiencia y entregar un torque considerable a regímenes relativamente bajos.

Aspiración

Un motor atmosférico no utiliza turbo ni compresor para elevar la presión del aire antes de que llegue al cilindro. Su llenado depende de la presión natural de la atmósfera y de la reducción de presión creada cuando el pistón desciende con la válvula de admisión abierta.

A menudo se dice que el motor “succiona” aire, pero la explicación más precisa es que el pistón crea una región de menor presión dentro del cilindro. La atmósfera exterior, que ejerce presión constantemente, empuja el aire a través del filtro, la mariposa, el múltiple y la válvula de admisión.

Puede imaginarse una jeringa con su entrada abierta. Al tirar del émbolo no aparece una fuerza misteriosa que arrastre el aire desde dentro; se reduce la presión interna y el aire exterior entra empujado por la presión que lo rodea.

El rendimiento de un motor atmosférico depende de reducir las restricciones y aprovechar la velocidad de los gases. La forma de los conductos, el tamaño de las válvulas, el momento de apertura y la geometría del múltiple determinan cuánto aire consigue ingresar antes de que la válvula cierre.

Como no existe una máquina que comprima la admisión, la cantidad de aire queda limitada por la presión atmosférica, la temperatura y la eficiencia de llenado. En lugares de gran altitud, donde la presión y la densidad del aire son menores, el motor atmosférico pierde potencia de manera apreciable.

Un motor sobrealimentado utiliza un turbo o compresor para introducir una masa mayor de aire. El turbo aprovecha la energía de los gases de escape para hacer girar un compresor, mientras que un supercargador recibe movimiento mecánico del motor o, en algunos diseños modernos, asistencia eléctrica.

La sobrealimentación permite que un motor pequeño queme más combustible y produzca una potencia semejante a la de otro de mayor cilindrada. Sin embargo, eleva la presión, la temperatura y la carga sobre los componentes. También necesita sistemas de control para impedir la detonación, limitar la presión y enfriar el aire comprimido.

El atmosférico suele ofrecer una respuesta lineal porque su torque depende directamente del régimen y de la apertura del acelerador. El turbo puede entregar una gran fuerza con menor cilindrada, aunque su respuesta depende del flujo de escape, la inercia de la turbina y la estrategia electrónica.

Rotativos

El motor Wankel abandona la arquitectura tradicional de pistones, bielas y válvulas. En su interior gira un rotor aproximadamente triangular dentro de una carcasa de forma ovalada o epitrocoidal. Los tres lados del rotor forman cámaras cuyo volumen cambia a medida que el conjunto gira.

Durante una parte del recorrido, una cámara aumenta de tamaño y admite aire y combustible. Después se reduce para comprimir la mezcla, atraviesa la zona de encendido y finalmente expulsa los gases por el puerto de escape. Los cuatro procesos ocurren en diferentes zonas de la carcasa de manera continua.

La gran ventaja es la simplicidad del movimiento. No hay pistones deteniéndose y cambiando de dirección, bielas alternando entre compresión y tracción ni válvulas subiendo y bajando. El rotor gira de forma continua y entrega su movimiento a un eje excéntrico.

Esto permite fabricar un motor compacto, liviano y capaz de alcanzar altas revoluciones con gran suavidad. Su tamaño exterior puede ser reducido en comparación con la potencia obtenida, y la ausencia de un tren de válvulas elimina numerosos componentes.

La dificultad principal se encuentra en el sellado. Cada punta del rotor necesita un sello de ápice que mantenga separadas las cámaras de admisión, compresión, combustión y escape. Estos sellos se deslizan continuamente sobre la carcasa y deben soportar temperatura, fricción y cambios de presión.

Sellar una pieza triangular que gira y se desplaza de forma excéntrica es mucho más difícil que utilizar anillos alrededor de un pistón cilíndrico. Las cámaras también poseen una forma alargada, lo que aumenta la superficie expuesta al calor y puede dificultar una combustión completamente rápida y uniforme.

El Wankel demuestra que un motor de combustión no necesita obligatoriamente pistones alternativos. Sin embargo, también muestra que eliminar unas piezas no elimina los desafíos físicos; simplemente los traslada. La complejidad de bielas y válvulas desaparece, pero el sellado de ápices, el consumo de aceite, la refrigeración de la carcasa y el control de emisiones adquieren una importancia mayor.

Los distintos tipos de motores son respuestas de ingeniería a necesidades concretas. El motor en línea reduce piezas y facilita la fabricación; el motor en V acorta conjuntos de muchos cilindros; el bóxer baja el centro de gravedad; el VR reúne seis cilindros bajo una culata compacta; y el W concentra doce o dieciséis cilindros donde un diseño convencional no cabría.

Los ciclos también modifican el carácter. El cuatro tiempos ofrece control y eficiencia equilibrada; el dos tiempos produce trabajo con mayor frecuencia y elimina válvulas en numerosos diseños; el Atkinson renuncia a parte del torque para aprovechar mejor el combustible; y el diésel utiliza el calor de la compresión en lugar de una chispa.

Finalmente, la aspiración decide cómo llega el aire. El atmosférico depende de la presión del ambiente y del vacío relativo creado por el pistón, mientras que la sobrealimentación introduce una masa mayor mediante compresores. El Wankel, por su parte, recuerda que incluso la conversión de presión en giro puede resolverse sin pistones.

Comprender estas diferencias permite mirar un motor y reconocer que su forma nunca es accidental. La altura, el ancho, la cantidad de culatas, la posición de los cilindros y el sistema de admisión revelan las prioridades de sus diseñadores. Cada arquitectura sacrifica algo para obtener otra ventaja: sencillez, tamaño, suavidad, potencia, eficiencia o centro de gravedad.

Referencias