Configuraciones de Motor Explicadas: Motores en Línea, en V y Planos

En los albores del siglo XX, cuando la ingeniería automotriz avanzaba a toda velocidad, un motor de 10 litros podía ser tanto una unidad monocilíndrica como, por ejemplo, un motor de ocho cilindros en línea. En aquella época, nadie pestañeaba ante un seis en línea de 23 litros o un motor radial de siete cilindros para aviación trasplantado a un automóvil.

A medida que la producción en masa se expandió y las presiones de costes se intensificaron, todo fue encajando. El motor monocilíndrico quedó relegado al pasado. Hoy en día, la cilindrada media por cilindro en un motor de automóvil convencional se sitúa entre 300 y 600 centímetros cúbicos, con una potencia específica que oscila entre los 35 CV/l de un diésel atmosférico y los 100 CV/l de un motor de gasolina de altas prestaciones. Estos son los rangos óptimos para la producción en serie: salir de ellos sencillamente no es rentable.

¿Cuál es el panorama actual de los motores? En términos generales:

• Un motor de 100 CV suele tener cuatro cilindros
• Un motor de 200 CV generalmente funciona con cuatro, cinco o seis cilindros
• Un motor de 300 CV habitualmente emplea ocho cilindros

Pero ¿de qué maneras pueden disponerse esos cilindros? ¿Qué opciones de configuración tienen los ingenieros al diseñar un motor multicilíndrico? Vamos a analizarlo.

Motores en Línea: Sencillos pero Cada Vez Menos Prácticos

La principal preocupación de cualquier diseñador de motores es cómo simplificar el diseño: mantener bajos los costes de producción y facilitar el mantenimiento. En ese sentido, el motor en línea gana por goleada. Los cilindros se disponen en una sola fila, y aumentar la cilindrada es tan sencillo como añadir más cilindros.

Así es como se distribuyen en la práctica las variantes de motores en línea:

• Los motores de dos y tres cilindros son relativamente poco comunes en automóviles, aunque el formato de dos cilindros está resurgiendo gracias a la inyección directa avanzada y la sobrealimentación —el turbo de dos cilindros y 85 CV del Fiat 500 es un ejemplo paradigmático.
• El cuatro en línea es el motor de referencia en el mundo de los turismos, abarcando cilindradas de 1,0 a 2,4 litros.
• Los motores de cinco cilindros en línea son un desarrollo más reciente. Mercedes-Benz fue pionero con el cinco cilindros diésel en 1974 (el 300D sobre la plataforma W123), seguido por Audi con su cinco cilindros de gasolina de dos litros dos años después, y más tarde Volvo y Fiat se sumaron a finales de la década de 1980.
• Los motores de seis cilindros en línea, durante mucho tiempo favoritos en Europa por su suavidad de funcionamiento, se han vuelto cada vez más escasos. Su pariente aún más largo, el ocho en línea, fue prácticamente abandonado ya en la década de 1930.

El motivo de esta tendencia es evidente: cuantos más cilindros se añaden, más largo se vuelve el motor —y eso genera serios problemas de espacio. Instalar un seis en línea de forma transversal en el compartimento motor de un vehículo de tracción delantera, por ejemplo, solo se ha conseguido en contadas ocasiones: el Austin Maxi 2200 (que requirió situar la caja de cambios bajo el motor) y el Volvo S80 con su caja de cambios ultracompacta.

Motores en V y Planos: Compactos pero Complejos

¿Cómo se acorta entonces un motor en línea? La solución elegante: dividirlo por la mitad, colocar ambas mitades una junto a la otra y accionar un único cigüeñal con ambas. Esa es la esencia del motor en V.

Las configuraciones en V más habituales utilizan un ángulo de apertura de 60° o 90° entre los bloques de cilindros. Si ese ángulo se lleva hasta los 180° —con los cilindros apuntando directamente en sentidos opuestos— se obtiene un motor plano, también conocido como motor bóxer (de ahí las denominaciones B2, B4, B6).

Las desventajas respecto a un motor en línea son significativas:

• Dos culatas —cada una con su junta y sus colectores
• Más árboles de levas y una distribución más compleja
• Mayor anchura (especialmente en los motores planos), lo que limita los espacios donde pueden instalarse
• Mayor coste de fabricación y un mantenimiento más complejo

Debido a estos inconvenientes, los motores planos son utilizados únicamente por un reducido número de fabricantes —siendo Porsche y Subaru los más destacados en la actualidad.

¿Qué ocurre si se intenta hacer un motor en V aún más compacto reduciendo el ángulo de apertura por debajo de los 60°? Se ha hecho: el Lancia Fulvia de los años 70 montaba un V4 con un ángulo de apenas 23°. Pero hay un inconveniente: cuanto más estrecho es el ángulo, más difícil resulta equilibrar el motor. Lo que nos lleva a uno de los desafíos más críticos en el diseño de motores.

Vibración del Motor: Fuerzas, Pares y Cómo Controlarlos

Ningún motor de combustión interna de pistones está completamente libre de vibración: es algo inherente al diseño. Pero gestionar la vibración es fundamental, no solo para el confort de los pasajeros. Una vibración desequilibrada severa puede destruir físicamente los componentes del motor, con todas las consecuencias catastróficas que implica que las piezas salgan desprendidas a alta velocidad.

¿De dónde procede la vibración del motor? Hay tres fuentes principales:

• Intervalos de encendido irregulares — en algunas configuraciones de motor, las explosiones no se producen a intervalos perfectamente iguales, lo que genera pulsaciones de par. Un volante de inercia más pesado puede ayudar a suavizarlas.
• Fuerzas de inercia de los pistones — cuando los pistones se aceleran hacia arriba y se desaceleran en el punto muerto superior (y viceversa en el inferior), generan fuerzas de inercia similares a las que se sienten cuando un automóvil frena o acelera.
• Geometría de la biela — la biela no recorre una trayectoria rectilínea, y el movimiento del pistón no es una sinusoide perfecta, lo que introduce componentes de fuerza adicionales a múltiplos de la velocidad del cigüeñal.

Estas fuerzas de inercia de orden superior son generalmente despreciables —excepto las fuerzas de segundo orden, que actúan al doble de la frecuencia del cigüeñal y deben tenerse en cuenta siempre. Cuando las fuerzas de inercia en cilindros adyacentes actúan en sentidos opuestos a una distancia fija entre sí, también generan pares de torsión, añadiendo otra capa de complejidad.

Los ingenieros disponen de dos herramientas principales para combatir estas fuerzas:

• Elegir una configuración intrínsecamente equilibrada — disponer los cilindros y los brazos del cigüeñal de manera que las fuerzas y los pares se anulen mutuamente de forma natural.
• Añadir ejes de equilibrado — ejes secundarios con contrapesos que giran en sentido contrario al cigüeñal, generando fuerzas iguales y opuestas. Añaden coste y complejidad mecánica, pero pueden neutralizar por completo los modos de vibración problemáticos.

De todas las configuraciones de motor habituales, solo dos están teóricamente en perfecto equilibrio: el seis en línea y el seis plano. Esta es precisamente la razón por la que BMW y Porsche se han aferrado con tanto empeño a estas configuraciones —y por la que otros fabricantes han sido reacios a abandonarlas a pesar de los problemas de espacio.

Equilibrio del Motor según la Configuración: Guía Práctica

Veamos cómo se comporta en el mundo real cada configuración principal de motor en cuanto a vibración y equilibrado.

Los motores de dos cilindros en línea (con los pistones en fase) se comportan de manera similar a un monocilíndrico en términos de equilibrado: ambos pistones suben y bajan al unísono. El Oka ruso utilizaba dos ejes de equilibrado contrarrotantes para gestionar las fuerzas de inercia de primer orden, pero las de segundo orden quedaban sin controlar. Añadir dos ejes de equilibrado más habría sido completamente impráctico en un vehículo tan pequeño y asequible. Muchos motores de dos cilindros —como el del Fiat 500 original de 1957 o el del indio Tata Nano— simplemente funcionaban sin ejes de equilibrado, confiando en los soportes de motor flexibles para absorber la vibración. Una solución barata, sencilla y aceptable para aplicaciones de bajo coste.

Los motores de dos cilindros con cigüeñal a 180° (pistones en contrafase) ofrecen un mejor equilibrado primario, pero solo pueden alcanzar intervalos de encendido regulares en versión de dos tiempos —como ocurría en los DKW de preguerra y sus descendientes, el Trabant de la Alemania del Este.

Los motores biciclíndricos en V sobreviven hoy en día casi exclusivamente en motocicletas —Harley-Davidson y sus imitadores japoneses siendo los ejemplos más obvios. El NAMI-1 es prácticamente el único automóvil que ha utilizado esta configuración. Los contrapesos en el cigüeñal pueden acercarlo al equilibrado total, pero los intervalos de encendido regulares siguen siendo inalcanzables.

Los motores de tres cilindros están peor equilibrados que un cuatro en línea. Fabricantes como Subaru y Daihatsu incorporan ejes de equilibrado de serie; la decisión de Opel de prescindir de uno en el tres cilindros Ecotec para la segunda generación del Corsa redujo costes, pero le granjeó al vehículo una mala reputación entre la prensa automovilística alemana tras su debut en 1996 —fue descrito como “absolutamente imposible de conducir por ciudad en modos variables de carga”.

Los motores de cuatro cilindros en línea —la configuración más común del mundo— tienen una fuerza de inercia libre de segundo orden que solo puede neutralizarse mediante un eje de equilibrado que gire al doble de la velocidad del cigüeñal. Para cancelar el par resultante, se necesita un segundo eje contrarrotante. Costoso, sí —pero Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat y las marcas del Grupo Volkswagen han recurrido a esta solución cuando la refinación así lo exigía.

Los motores planos de cuatro cilindros se comportan ligeramente mejor que sus equivalentes en línea —solo persiste un par de segundo orden que tiende a hacer guiñar el motor alrededor de su eje vertical. Aun así, tanto el motor del Beetle refrigerado por aire como los motores bóxer de Subaru han funcionado durante décadas sin ejes de equilibrado.

Los motores de cinco cilindros en línea tienen las fuerzas de inercia primarias compensadas, pero sufren un par de flexión oscilante que recorre constantemente el bloque —lo que exige una estructura excepcionalmente rígida. Mercedes-Benz, Audi y Volvo abordaron esto mediante soportes de motor refinados y contrapesos (como en el 2.5 TFSI sobrealimentado del Audi TT RS), mientras que los ingenieros de Fiat fueron más lejos y utilizaron un eje de equilibrado completo.

Una curiosidad interesante: casi todos los motores de cinco cilindros son esencialmente motores de cuatro cilindros con un cilindro adicional. Este enfoque modular permite compartir pistones, bielas y componentes de la distribución —solo el bloque, la culata y el cigüeñal (con muñequillas a intervalos de 72°) necesitan modificarse.

Los motores V6 que sustituyeron a los seis en línea comparten las mismas características de equilibrado que un motor de tres cilindros —lo que significa que no son ideales. El primer Mercedes-Benz V6 (el M112, con tres válvulas por cilindro) resolvió esto con un eje de equilibrado montado en el espacio entre los bloques de cilindros. El seis cilindros de tres litros del Grupo PSA lo alojó en una culata. Otros fabricantes optaron por un desfase cuidadoso de los muñones del cigüeñal —como en el V6 de Audi— para minimizar la vibración sin añadir complejidad. Los motores V6 con un ángulo de apertura de 90° añaden otro problema: intervalos de encendido inherentemente irregulares que un volante de inercia lastrado solo puede suavizar parcialmente.

Los motores V8 con un ángulo entre bloques de 90° y los muñones del cigüeñal en dos planos mutuamente perpendiculares están muy bien equilibrados. Los intervalos de encendido regulares son alcanzables, y solo quedan dos pares de torsión residuales —fácilmente eliminables mediante contrapesos en los muñones extremos del cigüeñal. Esta es en gran parte la razón por la que los ingenieros estadounidenses adoptaron el V8 con tanto entusiasmo: sencillamente no toleran la vibración.

Los motores V4 fueron poco habituales y hoy están prácticamente extintos en los automóviles. El V4 europeo de Ford (utilizado en el Taunus, el Capri y el Saab 96) y el peculiar V4 del Zaporozhets requerían ambos un eje de equilibrado para los pares de inercia de primer orden. La compacidad y el coste eran los factores determinantes —el equilibrado era secundario.

Los motores V10 comparten las mismas características de equilibrado que un cinco en línea. Eso no impidió que los diseñadores de los motores de Fórmula 1, el Dodge Viper o el Dodge RAM los utilizaran: cuando se necesita potencia, se gestiona la vibración.

En cuanto a las configuraciones más exóticas: el motor plano de ocho cilindros (como el utilizado en los Porsche 917 de competición) es efectivamente dos motores planos de cuatro cilindros sobre un cigüeñal común, mientras que los motores V12 y planos de doce cilindros se reducen a dos seis en línea —lo que explica su excepcional suavidad de funcionamiento.

VR6, VR5 y Motores W: La Obra Maestra de Compacidad de Volkswagen

Antes mencionamos los motores en V de ángulo estrecho, como el del Lancia Fulvia. Durante décadas se evitaron —más difíciles de equilibrar que los de 60° o 90°, con ventajas de espacio que no parecían compensar el esfuerzo. Luego cambiaron las prioridades.

Dos avances lo cambiaron todo:

• Los soportes de motor hidráulicos se generalizaron, suprimiendo drásticamente la transmisión de vibraciones independientemente del equilibrado teórico del motor.
• El espacio bajo el capó se volvió cada vez más escaso, convirtiendo la compacidad en un atributo de valor. ¿Quién hubiera imaginado un modesto utilitario con un motor de seis cilindros y 2,8 litros? Volkswagen lo hizo posible.

El Volkswagen VR6 —cuyas siglas “VR” corresponden a V-Reihen (V en línea)— lleva el concepto de ángulo estrecho más lejos que Lancia, utilizando un ángulo de apenas 15° entre los bloques. El resultado es tan compacto que funciona efectivamente como un motor en línea desfasado y, notablemente, utiliza una única culata para ambos bloques. Un motor de seis cilindros y 2,8 litros que cabe donde un V6 convencional no lo haría —debutó en la tercera generación del Volkswagen Golf.

A partir de ahí, los ingenieros de Volkswagen desarrollaron el concepto:

• El VR5 surgió como el VR6 con un cilindro suprimido.
• El W8 combinó dos unidades VR acortadas (de cuatro cilindros cada una) sobre un único cigüeñal —montado en el Passat de gama alta.
• El W12 debutó en 1998 en el concept car W12 Roadster: dos motores VR6 unidos a un ángulo de 72° sobre un mismo cigüeñal.
• El W16 —con cuatro turbocompresores— propulsa el Bugatti Veyron hasta 431 km/h, siendo la aplicación de serie más extrema de esta arquitectura.

¿Por qué no existían antes estas configuraciones? El diseño asistido por ordenador las hizo posibles. Optimizar el ángulo de apertura, las posiciones de los muñones del cigüeñal, el orden de encendido y las características de equilibrado en geometrías tan complejas habría sido prácticamente imposible sin la potencia de cálculo disponible a partir de los años 90. El cigüeñal de un W12 por sí solo es una pesadilla para cualquier maquinista —el tipo de pieza que solo tiene sentido cuando un ordenador ha verificado cada tolerancia.

Lo Que Realmente Importa en el Diseño Real de Motores

Si hay una conclusión que extraer de todo esto, es que el equilibrado teórico raramente es el factor decisivo cuando un ingeniero elige una configuración de motor. Las prioridades reales son:

• Espacio disponible — ¿cabe en el compartimento motor?
• Peso y densidad de potencia — ¿cuál es la mejor relación para la aplicación?
• Coste de producción — ¿puede compartir componentes en toda una gama de modelos?
• Modularidad — cada vez más, los fabricantes construyen familias completas de motores a partir de una arquitectura común de pistón y diámetro de cilindro, desde unidades de tres cilindros de bajo consumo hasta insignias de doce cilindros

La gama de motores actual de Mercedes-Benz es un ejemplo de manual del enfoque modular: una arquitectura compartida sustenta motores con potencias y números de cilindros enormemente distintos.

Y en cuanto a la vibración —conviene recordar que el equilibrado teórico y el real son dos cosas muy distintas. Incluso un seis en línea perfectamente equilibrado vibrará si el conjunto del cigüeñal no está correctamente balanceado o si los pistones y bielas presentan diferencias notables de peso. Las tolerancias de fabricación reales y la deformación de los componentes bajo carga implican que ningún motor funciona nunca en la práctica con la suavidad que sugieren las ecuaciones. Por eso el diseño de los soportes del motor —la forma en que el grupo motor-transmisión queda aislado del resto del vehículo— es tan importante como la propia configuración. A veces incluso más.

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