Geometría de los motores de cuatro tiempos

Configuraciones
Estos motores no son homogéneos en cuando a su arquitectura, debido a los distintos orígenes de sus diseños. Se dividen en dos grandes grupos. El primero está formado por aquellos motores diseñados específicamente para usos aeronáuticos (ver figuras 1, 2, 3 y 4). Abundan en él aquellos con cilindros horizontales opuestos. El segundo grupo está compuesto por motores de automóvil, modificados expresamente para este menester y éste, a su vez, se divide en otros dos grupos. Un primero compuesto de motores antiguos, aprovechados por su disposición de cilindros horizontales opuestos y refrigeración por aire (Citroën, Volkswagen y Corvair –ver figuras 5, 6 y 7–) y un segundo, formado por motores de automóvil modernos, con cilindros en línea y refrigerados por líquido (Suzuki, Smart y Honda –ver figuras 8, 9 y 10–).

Fig. 1. UL Power. UL260 visto desde arriba, con indicación de la numeración de los cilindros. Fig. 2. Limbach L2000. Cuatro cilindros horizontales opuestos. Fig. 3. Jabiru 5100. Ocho cilindros horizontales opuestos cuatro a cuatro. Fig. 4. Motor radial Rotec 2800 de 7 cilindros. 81 cm de diámetro; DxC: 80×80 mm. Fig. 5. Motor Citroën 2CV. Fig 6. Motor Revmáster R-2300 (Volkswagen). Fig. 7. Motor Corvair, seis cilindros horizontales opuestos. Fig. 8. Raven modelo 1300SVS (Suzuki). Fig.9. Motor Smart 601 (Smart). Fig. 10. Firewall Forward Aeroengines. Modelo CAM100 (Honda).

Disposición de los cilindros
Los más frecuentes son los motores con cilindros horizontales opuestos, tanto de 2, 4 y 6 cilindros. Siguen, en esto, la senda trazada por los clásicos Lycoming, Continental y Franklin. Les siguen las disposiciones en línea, aunque en número mucho menor. Finalmente, aunque de forma testimonial, existen dos motores radiales de 7 y 9 cilindros, respectivamente. Ver Tabla 1.

Tabla 1.

Cilindradas
La distribución de cilindradas es muy amplia, yendo desde menos de 500 cm³ a más de 5000 cm³. El recorrido de las cilindradas unitarias es más pequeño, estando, las más frecuentes, entre 200 y 700 cm³. Ver Tabla 2 y Figura 11.

Tabla 2. Fig. 11. Cilindrada total vs cilindrada unitaria.

Relaciones de compresión
Es deseable disponer de la más alta relación de compresión posible para conseguir un mejor aprovechamiento de la energía contenida en el combustible. Sin embargo, la detonación del motor limita esta relación, de forma que no se puede exceder de un valor crítico. Las gasolinas AVGAS 100/100LL, así como las gasolinas Premium han colaborado a reducir este problema. La, cada vez mayor, escasez de gasolina 100/100LL ha hecho que los motores que nos ocupan utilicen gasolina de automóvil (95/98 octanos mínimo). Por ello, las relaciones de compresión están entre 6 y 12, estando los valores más frecuentes entre 8 y 11 (Ver fig. 12). Se observa, también, una tendencia decreciente con el aumento de la cilindrada unitaria y que los motores dotados de 4 válvulas/cilindro la presentan más alta que los dotados solo con 2.

Fig. 12. Relación de compresión vs Cilindrada unitaria.

Relación Diámetro/Carrera
Para una relación de compresión dada, la relación D/C determina las proporciones de la cámara de combustión. Para D/C >1 las áreas del pistón y de la culata en contacto con los gases quemados son relativamente grandes, por lo que cuanto más alta sea esta razón, más altas serán las pérdidas de calor. Adicionalmente, debido a las pérdidas de calor, la EGT (Exhaust Gas Temperature) se reduce y se incrementa la presencia de hidrocarburos no quemados (HC) en el escape. Por otro lado, el tiempo y la longitud de combustión menguan con D/C decrecientes. Bajas pérdidas de calor (D/C->1) y un rápido quemado del combustible (D/C ->1) influyen favorablemente sobre el rendimiento térmico indicado. (ref. 2).
Respecto a las pérdidas mecánicas, los motores cuadrados, D/C=1, son los que presentan menos pérdidas por fricción. En los motores de carrera larga, estas pérdidas son más importantes en el pistón, en los de carrera corta la fricción y las cargas son más fuertes en los cojinetes del cigüeñal (ref. 2).
Adicionalmente, diámetros grandes permiten más espacio para las aberturas de las válvulas y la disposición de la bujía. (ver fig. 13).

Fig. 13. Relación D/C vs cilindrada unitaria.

Todo ello hace que la selección de la relación D/C sea una solución de compromiso, lo que explica la enorme dispersión de relaciones D/C existente (ver fig. 14).

Fig. 14. Histograma de clases D/C.

Relación biela/manivela
Lo dicho para los motores de dos tiempos también es válido aquí. Los fabricantes no dan información de este dato.

Control de procesos de admisión y escape
En todos los motores, los procesos de admisión y escape son controlados por válvulas de seta, según se indica en la figura 14. Estas válvulas están movidas por un árbol de levas, cuyos perfiles definen la ley del movimiento de las válvulas. El nº de ellas puede ser de 2 o 4 por cilindro y están situadas en la culata del mismo. La mezcla se forma en un carburador en el caso más sencillo, o por un sistema de inyección. Hay una pequeña fracción que dispone de ECU (Engine Control Unit), que controla la inyección de combustible y el encendido. Otra pequeña fracción dispone de un turbocompresor para incrementar la presión en el colector de admisión. La turbina del mismo es movida por los gases de escape.

Fig. 2.15. Mecanismo motor de 4T.

El próximo capítulo: Prestaciones en los motores de cuatro tiempos.