Configuració del motor explicada: Motors en línia, en V i plans

Als albors del segle XX, quan l’enginyeria de l’automòbil avançava a tota velocitat, un motor de 10 litres podia ser tant una unitat monocilíndrica com, posem per cas, un de vuit cilindres en línia. Aleshores, ningú s’esverava per un sis cilindres en línia de 23 litres o un motor radial d’avió de set cilindres trasplantat a un cotxe.

A mesura que la producció en massa s’accelerava i la pressió dels costos s’intensificava, tot va anar encaixant. El motor monocilíndric es va convertir en una relíquia del passat. Avui dia, la cilindrada mitjana per cilindre en un motor de cotxe convencional se situa entre els 300 i els 600 centímetres cúbics, amb una potència específica d’uns 35 CV/l en un dièsel d’aspiració natural fins als 100 CV/l en un motor de gasolina d’alt rendiment. Aquests són els rangs òptims per a la producció en massa: sortir-ne simplement no és rendible.

Com és, doncs, el panorama actual dels motors? En termes generals:

• Un motor de 100 CV sol tenir quatre cilindres
• Un motor de 200 CV normalment té quatre, cinc o sis cilindres
• Un motor de 300 CV generalment empra vuit cilindres

Però com es poden disposar aquests cilindres? Quines opcions de configuració tenen els enginyers a l’hora de dissenyar un motor multicilíndric? Analitzem-ho.

Motors en línia: Simples però cada cop més poc pràctics

La primera pregunta que es fa qualsevol dissenyador de motors és com simplificar el disseny: mantenir els costos de producció baixos i el manteniment senzill. En aquest sentit, el motor en línia (recte) guanya amb escreix. Els cilindres s’organitzen en una sola fila, i augmentar la cilindrada és tan senzill com afegir-ne més.

Aquí es mostra com es desglossen a la pràctica les variants del motor en línia:

• Els motors de dos i tres cilindres són relativament rars en cotxes, tot i que el format de dos cilindres està vivint un ressorgiment gràcies a la injecció de combustible avançada i la turboalimentació: el de dos cilindres turboalimentat de 85 CV del Fiat 500 n’és un exemple paradigmàtic.
• El quatre cilindres en línia és el motor de treball del món dels turismes, amb cilindrades d’1,0 a 2,4 litres.
• Els motors de cinc cilindres en línia són un desenvolupament més recent. Mercedes-Benz va ser pioner en el cinc cilindres dièsel el 1974 (el 300D sobre la plataforma W123), seguit del cinc cilindres de gasolina de dos litres d’Audi dos anys després, i posteriorment Volvo i Fiat s’hi van sumar a finals dels anys vuitanta.
• Els motors de sis cilindres en línia, durant molt de temps favorits a Europa per la seva suavitat, han anat esdevenint cada vegada més rars. El seu germà encara més llarg, el vuit cilindres en línia, va ser abandonat efectivament als anys trenta.

La raó d’aquesta tendència és clara: com més cilindres s’afegeixen, més llarg es fa el motor, i això crea seriosos problemes d’encaix. Muntar un sis cilindres en línia de manera transversal en un compartiment de motor de tracció davantera, per exemple, només s’ha aconseguit en un grapat de casos: l’Austin Maxi 2200 (que requeria que la caixa de canvis s’allotgés per sota del motor) i el Volvo S80 amb la seva caixa de canvis ultracompacta.

Motors en V i plans: Compactes però complexos

Com s’escurça, doncs, un motor en línia? La solució elegant: dividir-lo per la meitat, col·locar les dues meitats una al costat de l’altra i accionar un únic cigonyal amb les dues. Aquesta és l’essència del motor en V.

Les configuracions en V més habituals empren un angle inclòs de 60° o 90° entre els bancs de cilindres. Si s’amplia aquest angle fins als 180°, amb els cilindres apuntant directament en sentits oposats, s’obté un motor pla, també conegut com a motor boxer (d’aquí les denominacions B2, B4, B6).

Les diferències respecte a un motor en línia són significatives:

• Dos caps de cilindres — cadascun amb la seva junta i els seus col·lectors
• Més arbres de lleves i una disposició de l’accionament de les vàlvules més complexa
• Major amplada (especialment en els motors plans), que limita on es poden instal·lar
• Major cost de fabricació i manteniment més complex

A causa d’aquests inconvenients, els motors plans només els utilitzen un nombre reduït de fabricants: Porsche i Subaru són els més destacats avui dia.

Què passa si es fa un motor en V encara més compacte reduint l’angle inclòs per sota dels 60°? S’ha fet: la Lancia Fulvia dels anys setanta portava un V4 amb un angle de tan sols 23°. Però hi ha un problema: com més estret és l’angle, més difícil és equilibrar el motor. Això ens porta a un dels reptes més crítics en el disseny de motors.

Vibració del motor: Forces, parells i com dominar-los

Cap motor de combustió interna de pistons està completament lliure de vibració: és inherent al disseny. Però controlar la vibració és fonamental, no només per al confort dels passatgers. Una vibració desequilibrada severa pot destruir físicament components del motor, amb totes les conseqüències catastròfiques que comporta que les peces surtin disparades a gran velocitat.

D’on prové la vibració del motor? Hi ha tres fonts principals:

• Intervals d’encesa irregulars — en algunes configuracions de motor, les explosions no es produeixen en intervals perfectament iguals, cosa que genera una ondulació del parell. Un volant d’inèrcia més pesat pot ajudar a suavitzar-la.
• Forces d’inèrcia dels pistons — a mesura que els pistons s’acceleren cap amunt i es desaccelleren a la part superior de la seva carrera (i viceversa a la part inferior), generen forces d’inèrcia similars a les que se senten quan un cotxe frena o accelera.
• Geometria de la biela — la biela no es desplaça en línia recta, i el moviment del pistó no és un sinusoide perfecte, cosa que introdueix components de força addicionals als múltiples de la velocitat del cigonyal.

Aquestes forces d’inèrcia d’ordre superior solen ser negligibles, excepte les forces de segon ordre, que actuen al doble de la freqüència del cigonyal i sempre s’han de tenir en compte. Quan les forces d’inèrcia en cilindres adjacents actuen en direccions oposades a una distància fixa entre ells, també generen parells de forces, afegint un altre nivell de complexitat.

Els enginyers disposen de dues eines principals per combatre aquestes forces:

• Triar una configuració intrínsecament equilibrada — disposar els cilindres i les manetes del cigonyal de manera que les forces i els parells se cancel·lin mútuament de manera natural.
• Afegir arbres d’equilibrat — eixos secundaris amb contrapesos que giren en sentit contrari al cigonyal, generant forces iguals i oposades. Afegeixen cost i complexitat mecànica, però poden neutralitzar completament els modes de vibració problemàtics.

De totes les configuracions de motor habituals, només dues estan teòricament perfectament equilibrades: el sis cilindres en línia i el sis cilindres pla. És precisament per això que BMW i Porsche s’han aferrat tan fermament a aquestes configuracions, i per això altres fabricants han estat reticents a abandonar-les malgrat els reptes d’encaix.

Equilibri del motor per configuració: Una guia pràctica

Vegem com es comporta cada configuració de motor principal en el món real pel que fa a la vibració i l’equilibri.

Els motors de dos cilindres en línia (manetes en la mateixa direcció) es comporten de manera similar a un monocilíndric quant a l’equilibri: tots dos pistons pugen i baixen en fase. L’Oka rus va emprar dos arbres d’equilibrat contrarotatoris per gestionar les forces d’inèrcia de primer ordre, però les forces de segon ordre es van deixar sense corregir. Afegir dos arbres d’equilibrat més hauria estat del tot impracticable en un cotxe tan petit i assequible. Molts motors de dos cilindres, com el Fiat 500 original de 1957 i l’indi Tata Nano, van funcionar simplement sense arbres d’equilibrat, recolzant-se en suports de motor flexibles per absorbir la vibració. Barat, senzill i acceptable per a aplicacions de baix cost.

Els motors de dos cilindres amb manetes a 180° (pistons en contrafase) ofereixen un millor equilibri primari, però només poden aconseguir intervals d’encesa regulars en la seva forma de dos temps, com en els DKW d’entreguerres i els seus successors, el Trabant de l’Alemanya Oriental.

Els motors en V de dos cilindres sobreviuen avui dia gairebé exclusivament en motocicletes: Harley-Davidson i els seus imitadors japonesos en són els exemples evidents. El NAMI-1 és pràcticament l’únic cotxe que ha usat mai aquesta configuració. Els contrapesos del cigonyal poden apropar-lo a un equilibri complet, però els intervals d’encesa regulars segueixen sent inassolibles.

Els motors de tres cilindres estan menys equilibrats que un quatre cilindres en línia. Fabricants com Subaru i Daihatsu incorporen arbres d’equilibrat de sèrie; la decisió d’Opel d’ometre’n un al motor Ecotec de tres cilindres per a la segona generació del Corsa va estalviar costos, però li va valer al cotxe una reputació d’aspror a la premsa automobilística alemanya després del seu debut el 1996, on va ser descrit com “absolutament impossible de conduir per la ciutat en modes variables.”

Els motors de quatre cilindres en línia, la configuració més comuna del món, tenen una força d’inèrcia de segon ordre lliure que només es pot neutralitzar amb un arbre d’equilibrat que giri al doble de la velocitat del cigonyal. Per cancel·lar el parell resultant, cal un segon eix contrarotatori. Car, sí, però Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat i les marques del Grup Volkswagen han usat totes aquest sistema quan la refinació ho exigia.

Els motors de quatre cilindres plans es comporten lleugerament millor que els seus homòlegs en línia: només queda un parell de torsió de segon ordre, amb tendència a fer girar el motor al voltant del seu eix vertical. Tot i això, tant el motor del Beetle refrigerat per aire com les unitats boxer de Subaru han funcionat durant dècades sense arbres d’equilibrat.

Els motors de cinc cilindres en línia tenen forces d’inèrcia primàries compensades, però pateixen un parell de torsió oscil·lant que recorre constantment el bloc, exigint una estructura extraordinàriament rígida. Mercedes-Benz, Audi i Volvo van abordar-ho mitjançant suports de motor refinats i contrapesos (com ara el 2.5 TFSI sobrealimentat de l’Audi TT RS), mentre que els enginyers de Fiat van anar més lluny i van usar un arbre d’equilibrat complet.

Una nota curiosa: gairebé tots els motors de cinc cilindres són essencialment motors de quatre cilindres amb un cilindre extra afegit. Aquest enfocament modular permet compartir pistons, bieles i components del tren de vàlvules: només cal canviar el bloc, el cap i el cigonyal (amb manetes a intervals de 72°).

Els motors V6 que van substituir els sis cilindres en línia comparteixen les mateixes característiques d’equilibri que un motor de tres cilindres: és a dir, no ideals. El primer Mercedes-Benz V6 (el M112, amb tres vàlvules per cilindre) va solucionar-ho amb un arbre d’equilibrat muntat al vall entre els bancs. El sis cilindres de tres litres del Grup PSA en va col·locar un al cap de cilindres. Altres fabricants van optar per un desplaçament acurat dels passadors del cigonyal —com en el V6 d’Audi— per minimitzar la vibració sense complexitat afegida. Els motors V6 amb un angle inclòs de 90° afegeixen un altre maldecap: intervals d’encesa intrínsecament irregulars que un volant d’inèrcia ponderat només pot suavitzar parcialment.

Els motors V8 amb angle de bancs de 90° i manetes del cigonyal en dos plans mútuament perpendiculars estan molt ben equilibrats. S’aconsegueixen intervals d’encesa regulars i només queden dos parells de torsió residuals, fàcilment resolts amb contrapesos als munyons dels extrems del cigonyal. Aquesta és en gran mesura la raó per la qual els enginyers americans van abraçar el V8 amb tant entusiasme: senzillament no toleren la vibració.

Els motors V4 eren rars i ara estan pràcticament extincts en els cotxes. El V4 europeu de Ford (usat al Taunus, al Capri i al Saab 96) i el peculiar V4 del Zaporozhets requerien tots dos un arbre d’equilibrat per als parells de primer ordre. La compacitat i el cost eren els factors determinants: l’equilibri era secundari.

Els motors V10 comparteixen les mateixes característiques d’equilibri que un cinc cilindres en línia. Això no va impedir que els dissenyadors de motors de Fórmula 1, el Dodge Viper o el Dodge RAM els fessin servir: quan necessites la potència, gestiones la vibració.

Quant a les configuracions més exòtiques: el vuit cilindres pla (com el dels Porsche 917 de competició) és efectivament dos quatre cilindres plans sobre un cigonyal comú, mentre que els motors V12 i els dotze cilindres plans es redueixen a dos sis cilindres en línia, cosa que explica la seva suavitat excepcional.

VR6, VR5 i motors W: La mestria d’encaix de Volkswagen

Hem parlat abans dels motors en V d’angle estret com el de la Lancia Fulvia. Durant dècades es van evitar: més difícils d’equilibrar que els de 60° o 90°, amb guanys d’espai que no semblaven valer la pena. Llavors les prioritats van canviar.

Dos avenços van canviar les regles del joc:

• Els suports de motor hidràulics es van generalitzar, suprimint dràsticament la transmissió de vibracions independentment de l’equilibri teòric del motor.
• L’espai sota el capó es va tornar cada cop més escàs, convertint la compacitat en un tret de valor. Qui hauria imaginat un modest utilitari amb un motor de sis cilindres i 2,8 litres? Volkswagen ho va fer realitat.

El Volkswagen VR6 —les sigles “VR” provenen de V-Reihen (V en línia)— porta el concepte d’angle estret més lluny que mai ho va fer Lancia, usant un angle de tan sols 15° entre els bancs. El resultat és tan compacte que funciona efectivament com un motor en línia desplaçat i, de manera notable, usa un únic cap de cilindres per als dos bancs. Un motor de sis cilindres i 2,8 litres que cap on un V6 convencional no cabria: va debutar al Volkswagen Golf de tercera generació.

A partir d’aquí, els enginyers de Volkswagen van continuar amb el concepte:

• El VR5 va arribar com el VR6 amb un cilindre menys.
• El W8 combinava dues unitats VR escurçades (quatre cilindres cadascuna) sobre un únic cigonyal, i es va muntar al Passat berlina de gamma alta.
• El W12 va debutar el 1998 al concepte W12 Roadster: dos motors VR6 units a 72° sobre un cigonyal.
• El W16, amb quatre turbocompressors, propulsa el Bugatti Veyron fins als 431 km/h, convertint-se en l’aplicació de producció més extrema d’aquesta arquitectura.

Per què no existien aquestes configuracions abans? El disseny assistit per ordinador modern les va fer possibles. Optimitzar l’angle inclòs, les posicions dels passadors del cigonyal, l’ordre d’encesa i les característiques d’equilibri en geometries tan complexes hauria estat pràcticament impossible sense la potència de càlcul disponible a partir dels anys noranta. El cigonyal d’un W12 sol ja és el malson d’un mecanitzador: el tipus de peça que només té sentit quan un ordinador ha verificat cada tolerància.

Què compta realment en el disseny real d’un motor

Si hi ha una conclusió que cal extreure de tot això, és que l’equilibri teòric rarament és el factor decisiu quan un enginyer tria una configuració de motor. Les prioritats reals són:

• Encaix — cap al compartiment del motor?
• Pes i densitat de potència — quina és la millor relació per a l’aplicació?
• Cost de producció — pot compartir components en tota una gamma de models?
• Modularitat — cada vegada més, els fabricants construeixen famílies senceres de motors a partir d’una arquitectura comuna de pistó i alèsatge, des d’unitats econòmiques de tres cilindres fins a bucs de dotze cilindres

La gamma actual de motors de Mercedes-Benz n’és un exemple de manual: una arquitectura compartida sustenta motors amb sortides de potència i nombres de cilindres molt diferents.

I quant a la vibració, val la pena recordar que l’equilibri teòric i el real són dues coses ben diferents. Fins i tot un sis cilindres en línia perfectament equilibrat tindrà vibracions si el seu conjunt de cigonyal no està correctament equilibrat o si els seus pistons i bieles varien notablement en pes. Les toleràncies de producció reals i la deformació dels components sota càrrega signifiquen que cap motor és mai tan suau a la pràctica com suggereixen les equacions. Per això el disseny dels suports del motor, la manera com el grup motopropulsor s’aïlla de la resta del cotxe, és tan important com la configuració en si mateixa. De vegades, més.

Aquesta és una traducció. Podeu llegir l’original aquí: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html