MOTORES DE VARIOS CILINDROS. CLASIFICACION
La potencia de un motor está determinada por la cantidad de combustible que se quema en el cilindro.
Si se utiliza un solo cilindro para una potencia específica, este debe ser grande; y a pesar de añadir un volante de inercia grande y pesado, las vibraciones y sacudidas causadas por las explosiones intermitentes no se pueden eliminar completamente, incluso con un sistema de pistón y biela bien equilibrado.
En cambio, si se distribuye la misma potencia entre varios cilindros más pequeños, el funcionamiento del motor será más suave. Esto se debe a que el cigüeñal no recibe toda la fuerza motriz de una vez cada dos giros (en un motor de cuatro tiempos), sino que la recibe de manera distribuida en tantos impulsos como cilindros haya para dividir la potencia. El equilibrio de las partes móviles (bielas y pistones) se puede compensar entre sí. Además, el volante de inercia puede ser más pequeño y ligero, ya que su tarea de estabilizar el motor es menor.
Las ventajas de distribuir la potencia en múltiples cilindros más pequeños llevaron a la necesidad de establecer cómo agruparlos y el orden en que deben operar.
Como resultado, los cilindros se organizan siguiendo ciertas normas, que se resumen de la siguiente manera:
I) DOS CILINDROSA) En línea: Eje cigüeñal con un solo brazo o con dos brazos cigüeñales opuestos (180°) en un mismo plano.
B) Opuestos: Eje cigüeñal con un solo brazo o con dos brazos cigüeñales opuestos a 180°, en un mismo plano.
C) En "V": Eje cigüeñal con un solo brazo y los cilindros con una abertura entre 40° y 60°.
II) TRES CILINDROS
A) En línea: Configuración única adoptada, eje cigüeñal con tres brazos cigüeñales dispuestos a 120° entre sí.
III) CUATRO CILINDROS
A) En línea: Configuración única adoptada, eje cigüeñal con cuatro brazos cigüeñales opuestos dos a dos en un mismo plano.
IV) SEIS CILINDROS
A) En línea: Configuración única adoptada, eje cigüeñal con seis brazos cigüeñales en pares, en distintos planos formando un ángulo de 120° entre ellos. Para un mejor equilibrio, los dos brazos cigüeñales centrales están en un mismo plano; los dos extremos en otro plano a 120°, y los intermedios en un tercer plano.
V) OCHO CILINDROS
A) En línea: Eje cigüeñal compuesto por dos de cuatro cilindros; es decir, uno central de cuatro y en los extremos, medios de otro calados a 90°. Alternativamente, eje cigüeñal compuesto por dos cigüeñales de cuatro cilindros, extremo con extremo, calados a 90° entre sí.
B) En "V": El ángulo entre los dos bloques de cilindros varía entre 75°, 60° o 45°. El ideal es 90° para mayor suavidad en el funcionamiento del motor, aunque resultan más anchos.
Eje cigüeñal compuesto por un eje común de un motor de cuatro cilindros, o por un eje con cuatro brazos cigüeñales dispuestos de la siguiente manera: los brazos 1 y 4 opuestos en un mismo plano y, a 90° de estos, en otro plano, los brazos 2 y 3 opuestos.
VI) DOCE CILINDROS
A) En "V": Eje cigüeñal idéntico al de seis cilindros en línea. Dos grupos de seis cilindros formando un ángulo entre 45° y 85°.
B) En configuración "W": Eje de cigüeñal con cuatro brazos opuestos en un mismo plano. Los cilindros se agrupan de a cuatro, formando ángulos de 60° entre sí, sumando un total de 120°.
La numeración de los cilindros en los motores en línea comienza por el más cercano al punto de manivela. En los motores en "V", existen dos tendencias: en el grupo derecho los números impares y en el izquierdo los pares; o bien, del 1 al 4 en el lado izquierdo y del 5 al 8 en el derecho, comenzando siempre desde el frente del motor.
Para los motores con cilindros opuestos o en "W", no existe una norma establecida para la numeración de los cilindros. Por lo tanto, para evitar cualquier confusión, es recomendable verificar siempre el orden de encendido, que se detalla más adelante.
DETERMINACIÓN DEL ORDEN DE TRABAJO DE LOS CILINDROS
Para entender mejor el funcionamiento conjunto de los distintos cilindros de un motor, representaremos simbólicamente el trabajo de cada cilindro mediante una franja horizontal dividida en cuatro partes iguales, cada una correspondiente a media vuelta del cigüeñal, representando así los cuatro tiempos del ciclo.
La sección negra de la franja simboliza siempre la media vuelta de expansión; es decir, la única media vuelta durante la cual cada cilindro produce un impulso positivo o realiza trabajo mediante la expansión de la mezcla quemada.
A) Motor de dos cilindros en línea con un solo brazo de cigüeñal.
En la figura 49 observamos que los pistones se mueven hacia arriba y hacia abajo simultáneamente. Durante la carrera descendente, mientras un pistón realiza la expansión, el otro aspira la mezcla.
Las explosiones ocurren cada 360º, lo que significa que hay una carrera de expansión por cada giro completo del cigüeñal. B) En un motor de dos cilindros en línea, el cigüeñal tiene dos brazos opuestos a 180º.
En la figura 50, se muestra que cuando el pistón Nº 1 está en el punto muerto superior (P.M.S.), el pistón Nº 2 se encuentra en el punto muerto inferior (P.M.I.).
Con esta configuración del eje cigüeñal, las explosiones ocurren de manera irregular, como se muestra en el diagrama correspondiente. Durante una revolución completa del eje cigüeñal, se producen dos impulsos motores, seguidos por una revolución sin impulsos.
C) Motor de dos cilindros opuestos, eje cigüeñal con dos brazos de cigüeñal opuestos a 180º
Esta configuración (fig. 51) ofrece las mayores ventajas en términos de uniformidad operativa y equilibrio de las masas en movimiento. Ambos pistones se mueven hacia arriba y hacia abajo simultáneamente, de tal manera que la distribución de las fases permite una expansión en cada giro del eje cigüeñal. Por lo tanto, las explosiones ocurren a intervalos regulares.
Actualmente, se utilizan motores de dos cilindros en "V". Ambas bielas están montadas en un único brazo del cigüeñal.
En la figura 52 se observa que cuando el pistón número 1 está en el punto muerto superior (P.M.S.), al cigüeñal le resta recorrer un ángulo de 50º, que es el mismo que forman los dos cilindros, para que el pistón número 2 alcance también el P.M.S.
Si suponemos que el cilindro N° 1 está listo para iniciar la fase de expansión, el cilindro N° 2 debería estar finalizando, por ejemplo, la fase de escape. Es evidente que en el cilindro N° 1 las fases comienzan, según la figura, 50º antes que en el cilindro N° 2. Esto significa que en estos motores los tiempos se realizan desfasados en un ángulo igual al que forman los cilindros entre sí.
El diagrama muestra que hay un ángulo de 410º entre el inicio de la expansión en el primer cilindro y la del segundo, lo que equivale a una vuelta completa más el ángulo entre ambos cilindros. Entre esta y la expansión que se repite en el cilindro N° 1, hay una vuelta completa menos el ángulo entre cilindros, es decir, 310º.
Se deduce que cuanto menor sea el ángulo entre los dos cilindros, más uniforme será el funcionamiento del motor. En la práctica, este ángulo suele ser de aproximadamente 50º.
E) Motores de tres cilindros en línea
El cigüeñal del motor de tres cilindros (fig. 53) consta de tres brazos calados a 120º entre sí para lograr explosiones a intervalos regulares. Dado que en los tres cilindros el ciclo completo de funcionamiento debe ocurrir en dos vueltas del cigüeñal (720º), es claro que entre cada explosión debe haber un intervalo de 720 : 3 = 240º.
Con esta configuración, cuando el brazo del cigüeñal correspondiente al cilindro N° 1 alcanza la posición de P.M.S., al brazo del cigüeñal del cilindro N° 3 le faltan 60º para llegar al P.M.I., y el brazo del cigüeñal del cilindro N° 2 ya ha pasado ese punto por otros 60º.
Al observar el diagrama, se nota que en dos revoluciones del eje cigüeñal ocurren tres expansiones o impulsos motrices, separados por intervalos de 60º. El secuencia de encendido es 1-3-2.
F) Motores de cuatro cilindros en línea
El diseño común del eje cigüeñal es el mostrado en la figura 54, donde los brazos del cigüeñal están alineados en un mismo plano y dispuestos a 180º entre sí, lo que facilita su fabricación y proporciona un equilibrio adecuado de las masas en movimiento.
Con un motor de cuatro cilindros en línea, es posible lograr una explosión cada 180º, o sea, en cada media vuelta del cigüeñal.
Las expansiones o impulsos motrices ocurren continuamente, sin intervalos.
Por lo tanto, el motor de cuatro cilindros en línea es el primero en ofrecer un arrastre constante.
Cuando los pistones 1 y 4 se encuentran en el punto muerto superior (P.M.S.), los pistones 2 y 3 están en el punto muerto inferior (P.M.I.). Así, en cada media vuelta del cigüeñal, siempre hay un cilindro en expansión.
El orden de encendido es 1-2-4-3. Como se muestra en la figura 55, con el mismo cigüeñal, el orden de encendido en un motor de cuatro cilindros en línea también puede ser 1-3-4-2.
G) Motores de seis cilindros en línea
El motor de seis cilindros en línea, representado en la figura 56, se puede considerar como la unión de dos motores de tres cilindros en línea.
Los seis brazos del cigüeñal están dispuestos en pares, formando un ángulo de 120º entre cada par.
Las explosiones ocurren cada 120º de rotación. El intervalo entre ellas es menor que la duración del impulso motor o expansión, que es de 180º; esto significa que cuando un cilindro comienza la expansión, el cilindro anterior aún no ha completado su propia expansión (ver diagrama). Durante un ángulo de 60º, las expansiones de dos cilindros se solapan.
Para un mejor equilibrio, los dos brazos del cigüeñal centrales (cilindros 3 y 4) están siempre en el mismo plano; los brazos de los cilindros 2 y 5, en otro plano, y los brazos de los cilindros extremos (1 y 6), en un tercer plano.
Si se observa el eje del cigüeñal de frente con los brazos del cigüeñal 1 y 6 en el punto muerto superior (P.M.S.), y los brazos del cigüeñal 2 y 5 a la izquierda y los 3 y 4 a la derecha, como muestra la figura, se dice que el cigüeñal gira a la derecha. Esta configuración es la más común en los motores de seis cilindros.
El orden de encendido debe asegurar que las explosiones ocurran alternadamente entre el grupo de los tres cilindros delanteros (1-2-3) y el grupo trasero (4-5-6), para lograr una mayor uniformidad en el funcionamiento.
Existen dos secuencias de encendido posibles para este tipo de cigüeñal: 1-5-3-6-2-4 o 1-4-2-6-3-5.
Ambas secuencias son adecuadas; sin embargo, se prefiere la primera ya que proporciona una distribución de fuerzas más equilibrada sobre el cigüeñal.
H) Motores de ocho cilindros en línea
En estos motores se pueden emplear diversas configuraciones de eje cigüeñal; sin embargo, la más común es la que se construye como un eje cigüeñal de cuatro cilindros situado entre las mitades de otro eje cigüeñal de cuatro cilindros, desplazado 90 grados, tal como muestra la figura 57.
Hay una explosión cada 720° dividido por 8, lo que equivale a 90° de rotación del eje del cigüeñal; es decir, cada cuarto de vuelta, lo que implica que durante esos 90° siempre hay dos cilindros en funcionamiento.
El par motor es mucho más regular que en los motores con menor número de cilindros, resultando en una marcha más suave y uniforme.
El orden de encendido mostrado en el cuadro es el comúnmente utilizado en los motores de este tipo, y las explosiones ocurren en el siguiente orden: 1-6-2-5-8-3-7-4.
I) Motores de ocho cilindros en "V"
Los motores de ocho cilindros utilizados en aviación y automóviles consisten en dos conjuntos de cuatro cilindros, donde los planos que atraviesan los ejes de los cilindros de cada conjunto forman un ángulo de 60º a 90º entre sí. El eje del cigüeñal es similar en forma al de un motor de cuatro cilindros, pero cada brazo del cigüeñal es más ancho para acomodar dos bielas.
Los brazos del cigüeñal están dispuestos a 90º, como muestra la figura 58, ya que es el único diseño de cigüeñal que permite la construcción de motores perfectamente equilibrados, lo que lo hace preferido en la actualidad.
En la figura 58 se muestra el esquema del orden de encendido de un motor de ocho cilindros en "V". El bloque de la izquierda comprende los cilindros 1-2-3-4 y el de la derecha los cilindros 5-6-7-8. A partir de esta disposición, se establece el siguiente orden de encendido: 1-5-4-8-6-3-7-2.
FUENTE:
Maq 306 Motores a Explosión Capítulo 6 Determinación del Orden de Trabajo
