Análisis completo del motor: desde el funcionamiento hasta los diagramas de construcción
Este artículo, aunque no es exhaustivo, pretende revelar inicialmente los misterios del motor y servir como referencia útil para elegir una motocicleta. El motor de la motocicleta, el componente central del vehículo, proporciona la propulsión necesaria para el movimiento, permitiendo a los conductores disfrutar de la libertad y la adrenalina de la conducción. Sin embargo, es una lástima que la información sobre motores disponible en línea a menudo sea incompleta o difícil de entender. Tras una cuidadosa investigación y organización, finalmente he logrado interpretar con mayor claridad los parámetros fundamentales de las motocicletas y explicar el principio de funcionamiento del motor en términos sencillos. Para compartir este conocimiento más ampliamente, he decidido organizar mi comprensión en un artículo para beneficio de los lectores. Al describirlo, he intentado evitar términos técnicos complejos, esforzándome por presentar los misterios del motor de forma accesible. Si encuentra algún error u omisión durante la lectura, por favor, hágamelo saber en los comentarios; lo corregiré lo antes posible.
A. Demostración del proceso de funcionamiento del motor
A continuación, analizamos en detalle el proceso de funcionamiento de un motor bicilíndrico de cuatro tiempos de Ducati a través de un vídeo.
Este motor, apreciado por su rendimiento excepcional y su funcionamiento estable, ha conquistado a muchos aficionados a las motocicletas.
A través del vídeo se puede ver claramente el trabajo coordinado de los distintos componentes del motor y sentir la potencia que le da a la motocicleta.
B. Clasificación de los motores
Un motor, también conocido como hélice, es un dispositivo capaz de convertir diversas formas de energía en energía mecánica. Existen muchos tipos, como motores de combustión interna, motores eléctricos, máquinas de vapor, turbinas y molinos de viento. Entre estos, los motores térmicos y los motores eléctricos son dos tipos comunes. Los motores térmicos convierten principalmente la energía térmica (de gasolina, diésel, etc.) en energía cinética, mientras que los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en energía cinética. Actualmente, los motores térmicos, que queman gasolina para impulsar la motocicleta, son ampliamente utilizados en el mercado de las motocicletas.
Los motores utilizados en motocicletas son principalmente de combustión interna. Su principio de funcionamiento se basa en la generación de potencia mediante la expansión de la combustión del combustible en un espacio reducido. En concreto, la mezcla de combustible y aire (con la adición de una pequeña cantidad de aceite en los motores de dos tiempos para lubricar el pistón) se enciende mediante la bujía; el calor generado por la combustión provoca la expansión de los gases. Esta fuerza de expansión se convierte finalmente en energía mecánica y se libera como potencia mediante un dispositivo mecánico (como un motor alternativo).
El motor alternativo es el tipo más común de motor de combustión interna. En él, los gases de combustión impulsan el pistón en un movimiento alternativo (arriba y abajo); el pistón transmite este movimiento lineal alterno al cigüeñal, que lo convierte en movimiento rotatorio, proporcionando así potencia a la motocicleta.
C. Análisis detallado de la construcción del motor y glosario de términos
Profundicemos ahora en la construcción interna del motor. Tomando como ejemplo un motor de cuatro tiempos, su principio de funcionamiento y los nombres de sus componentes se ilustran en la figura.
Al comprender estos detalles de construcción, podemos entender más completamente cómo el motor convierte eficientemente el calor en movimiento.
1. E: Árbol de levas de escape
2. I: Árbol de levas de admisión
3. S: Vela
La bujía es la encargada de generar la chispa eléctrica que enciende la mezcla comprimida y atomizada de gasolina y aire.
4. V: Válvula
La válvula controla la entrada de la mezcla aire-combustible a la cámara de combustión y la expulsión de los gases de escape después de la combustión.
5. P: Pistón
El pistón se denomina "componente central" del motor.
Es el encargado de convertir la energía de la combustión en el cilindro en energía mecánica y transmitir la potencia al cigüeñal a través de la biela.
También cumple la tarea crucial de soportar el entorno de combustión de alta temperatura y alta presión y, junto con la culata y las paredes del cilindro, forma la cámara de combustión.
Su parte superior suele estar equipada con dos anillos de sellado (anillos de aceite) y un anillo rascador de aceite (anillo rascador de aceite) para evitar que la mezcla fresca y los gases de escape entren en el cárter y para evitar que el aceite del cárter entre en la cámara de combustión.
6. R: Biela del motor
La biela, dispositivo clave de transmisión de potencia, es la encargada de transmitir la fuerza generada por el pistón al cigüeñal, impulsando así todo el sistema del motor.
7. C: Cigüeñal
El cigüeñal, este largo eje giratorio, es un componente indispensable. Convierte hábilmente la energía cinética del movimiento lineal alternativo del pistón en energía cinética rotacional, impulsando el funcionamiento normal del sistema del motor. Sin embargo, durante su funcionamiento, el cigüeñal está sujeto a una fricción considerable, lo que provoca desgaste. Por esta razón, los diseñadores han creado específicamente orificios de lubricación en la superficie del cigüeñal para garantizar que el aceite lubrique cada rincón, reduciendo eficazmente las pérdidas por fricción y prolongando su vida útil.
8. W: Camisa de agua (para refrigeración líquida)
La camisa de agua, un componente importante del sistema de refrigeración del motor, enfría la cámara de combustión a altas temperaturas, evitando que el calor continuo afecte la vida útil del motor. Gracias a la refrigeración de la camisa de agua, el motor mantiene una temperatura de funcionamiento adecuada, garantizando un funcionamiento estable a largo plazo.
9. Carrera (Tiempo)
La carrera, un indicador clave del ciclo de funcionamiento de un motor, abarca todo el proceso en el que el pistón se desplaza desde el punto muerto superior (PMS) hasta el punto muerto inferior (PMI) y de vuelta al PMS. Describe un ciclo de funcionamiento completo, que incluye las cuatro fases fundamentales: admisión, compresión, combustión (expansión) y escape. En los motores de dos tiempos, por cada revolución completa del cigüeñal, el pistón completa un movimiento desde el PMS hasta el PMI y de vuelta al PMS, constituyendo así una carrera completa.
El flujo de trabajo de un motor de cuatro tiempos es diferente. En un motor de cuatro tiempos, completar un ciclo de trabajo requiere dos revoluciones completas del cigüeñal, durante las cuales el pistón toca el PMS y el PMI dos veces cada uno. Este proceso incluye las cuatro fases clave: admisión, compresión, combustión y escape, pero es más complejo que el de un motor de dos tiempos.
10. Desplazamiento
La cilindrada se determina por el tamaño (volumen) del cilindro. Una mayor cilindrada implica que se puede aspirar más mezcla aire-combustible, liberando así mayor energía explosiva por ciclo. Se calcula mediante la fórmula: (Radio del cilindro)² x π (Pi) x Carrera x Número de cilindros. Tomando como ejemplo un motor de cuatro cilindros con 80 mm de diámetro y 90 mm de carrera, podemos calcular su cilindrada: (40)² (radio al cuadrado) x 3,14 (π) x 90 (carrera) x 4 (número de cilindros) = 1,8 litros. Dado que la sección transversal del cilindro es circular y π es un número irracional, es imposible obtener un resultado entero en el cálculo real. Por lo tanto, la cilindrada declarada para motocicletas suele ser ligeramente superior a la real. Por ejemplo, si se declara como 150 ml, la cilindrada real podría ser de 149 ml.
11. Ataque
La carrera, o la distancia que recorre el pistón desde el PMS hasta el PMI, es un parámetro importante del motor. La longitud de la carrera afecta directamente el rendimiento del motor. Una carrera más larga aumenta la distancia de movimiento alternativo del pistón y también la amplitud de la biela. Esto aumenta la longitud del cigüeñal, lo que incrementa el par motor, pero reduce las rpm máximas. Por lo tanto, los motores de carrera larga son más adecuados para operar en entornos con requisitos de baja velocidad y carreteras en mal estado, como los utilizados en motos de cross. Por el contrario, los motores de carrera corta están más orientados a altas rpm y alta potencia.
12. Relación de compresión
La relación de compresión indica el grado de compresión de la mezcla aire-combustible. Se calcula dividiendo el volumen de la cámara de combustión entre el volumen total del cilindro. Tras la carrera de admisión, el pistón asciende, comprimiendo la mezcla. Cuando la chispa eléctrica enciende esta mezcla comprimida, libera energía, empujando el pistón hacia abajo y generando así potencia. Una relación de compresión más alta aumenta la potencia del motor. Sin embargo, no puede aumentarse indefinidamente. Una relación demasiado alta puede provocar detonación (detonación) durante la combustión de la mezcla, lo que afecta al rendimiento de la motocicleta y reduce la comodidad.
13. Eficiencia del motor
En los motores de combustión interna, la eficiencia del motor es un indicador clave que mide la relación entre la entrada y la salida. Representa la relación entre la potencia entregada por el motor y la potencia generada por la combustión del combustible. La eficiencia del motor comprende dos indicadores clave: la eficiencia mecánica y la eficiencia térmica.
La eficiencia mecánica se define como la relación entre la potencia real (en el eje) y la potencia indicada. En los motores de gasolina, la eficiencia mecánica suele estar entre 0,8 y 0,9. La eficiencia térmica refleja la proporción del calor generado por la combustión del combustible que se convierte en trabajo útil. En comparación con el calor total que se puede generar, es un parámetro importante para medir el rendimiento del motor. Sin embargo, debido a las pérdidas a través del sistema de refrigeración del motor y los gases de escape, solo una pequeña parte del calor generado por la combustión del combustible se puede utilizar para realizar trabajo. Esto hace que la eficiencia térmica de los motores sea relativamente baja, generalmente en torno al 20-25%, mientras que los motores de automóviles pueden alcanzar eficiencias del 35%.
14. Potencia del motor
El trabajo realizado por el motor por unidad de tiempo se denomina potencia del motor y refleja la velocidad a la que este realiza trabajo. En correspondencia con el trabajo indicado y el trabajo efectivo, la potencia del motor puede dividirse en potencia indicada y potencia efectiva (o potencia en el eje). La diferencia entre estas dos representa la potencia perdida por fricción mecánica. En el Sistema Internacional (SI), la unidad de medida de la potencia del motor es el vatio (W), pero la unidad más utilizada es el caballo de fuerza (CV), donde 1 CV = 735 W. Es importante tener en cuenta que el aumento de peso y el grosor de la carrocería por razones de seguridad pueden afectar la potencia percibida del motor. Por lo tanto, las motocicletas equipadas con motores de baja cilindrada no siempre son más lentas ni tienen un rendimiento inferior al de las que tienen motores más potentes.
15. Par motor
En física, el par motor se define como la tendencia de una fuerza a rotar un objeto alrededor de un eje o punto de apoyo. Refleja el efecto torsional ejercido por la fuerza sobre dicho eje. En el motor de una motocicleta, el par motor se refiere a la fuerza de rotación transmitida desde el cigüeñal al eje de salida para impulsar otros componentes. Esta fuerza es la fuente fundamental de la fuerza propulsora de la motocicleta: a mayor par motor, mayor fuerza de tracción.
16. Depósitos de carbón en el motor
La acumulación de depósitos de carbonilla en el motor de una motocicleta puede causar diversos problemas, como válvulas que no cierran correctamente o se atascan, lo que reduce la potencia del motor, provoca sobrecalentamiento y un mayor consumo de combustible. Los depósitos de carbonilla se dividen principalmente en dos categorías: depósitos de aceite y depósitos de carbonilla. Los depósitos de aceite se producen por la descomposición del aceite lubricante a altas temperaturas y presión. Los depósitos de carbonilla, por otro lado, resultan de la combustión incompleta de la gasolina, dejando depósitos de partículas de carbono e impurezas en diversas piezas del motor, como la superficie de la cámara de combustión, la corona del pistón, las ranuras de los segmentos, los puertos de escape y las bujías.
D. Comparación entre motor de dos tiempos y motor de cuatro tiempos
Si bien los motores de cuatro tiempos dominan el mercado y se utilizan ampliamente en motocicletas, los de dos tiempos ofrecen ventajas significativas en las carreras. A continuación, analizaremos en detalle las diferencias entre estos dos tipos de motores y sus respectivas ventajas y desventajas.
1. Principio de funcionamiento del motor de dos tiempos
El ciclo de trabajo de un motor de dos tiempos incluye dos fases principales. Primera fase: Admisión y Compresión. El pistón se mueve hacia arriba, creando un vacío que aspira la mezcla de gasolina y aire (con una pequeña cantidad de aceite) hacia el cárter. A continuación, el pistón se mueve hacia abajo, comprimiendo la mezcla fresca en el cárter. La mezcla precomprimida fluye entonces hacia el cilindro por encima del pistón. Segunda fase: Combustión y Escape. La mezcla sobre el pistón se comprime a medida que el pistón asciende hacia el PMS. Cuando el pistón está cerca del PMS, la bujía enciende la mezcla. La expansión de los gases quemados empuja violentamente el pistón hacia abajo (PMI). A medida que desciende, el pistón abre primero el puerto de escape, permitiendo que escapen los gases quemados. A continuación, abre el puerto de transferencia (o admisión), permitiendo que la mezcla fresca, precomprimida en el cárter entre en el cilindro, lo que también ayuda a expulsar los gases de escape residuales.
Ventajas
A las mismas rpm, un motor de dos tiempos tiene el doble de combustiones que uno de cuatro tiempos, lo que proporciona una mayor potencia específica. Además, la construcción del motor de dos tiempos es más compacta y ligera, con un número significativamente menor de piezas. Esto confiere a las motocicletas de dos tiempos una importante ventaja en cuanto a rendimiento (potencia/peso).
Desventajas
Sin embargo, los motores de dos tiempos también presentan inconvenientes. Debido a que las fases de admisión y escape ocurren parcialmente de forma simultánea y se solapan, el puerto de escape permanece abierto demasiado tiempo a bajas revoluciones. Esto permite que parte de la mezcla fresca escape directamente por el escape junto con los gases quemados ("pérdida de carga fresca"), lo que reduce la potencia a bajas revoluciones. Aún más grave, esta mezcla fresca no quemada se libera directamente a la atmósfera, causando desperdicio de combustible y contaminación ambiental.
Además, los motores de dos tiempos se desgastan más rápidamente. Debido a los depósitos de carbonilla de la combustión del aceite lubricante y a la presencia de puertos de admisión y escape en las paredes de los cilindros, el desgaste es significativamente mayor que el de los motores de cuatro tiempos. Normalmente, un motor de dos tiempos puede necesitar ser reemplazado después de unos 10 años, mientras que un motor de cuatro tiempos, con un mantenimiento adecuado, puede durar más de 20 años.
2. Principio de funcionamiento del motor de cuatro tiempos
(1) Fase de Admisión: El pistón se mueve del PMS al PMI. La válvula de admisión se abre, permitiendo que la mezcla aire-combustible entre en el cilindro.
(2) Carrera de compresión: El pistón se mueve del PMI al PMS, comprimiendo la mezcla aire-combustible en el cilindro. Ambas válvulas están cerradas.
(3) Fase de combustión (o expansión): Cuando el pistón se encuentra cerca del PMS al final de la compresión, la bujía enciende la mezcla comprimida. La rápida expansión de los gases quemados empuja violentamente el pistón del PMS al PMI.
(4) Fase de escape: El pistón se desplaza del PMI al PMS. La válvula de escape se abre, permitiendo la expulsión de los gases quemados del cilindro.
Ventajas
Los motores de cuatro tiempos ofrecen numerosas ventajas. En primer lugar, los procesos de admisión, compresión, expansión (combustión) y escape están claramente separados y diferenciados, lo que garantiza estabilidad y alta eficiencia. Este motor puede operar en un amplio rango de velocidades, desde bajas hasta muy altas (más de 500-1000 rpm). Además, evita el problema de pérdida de carga fresca típico de los motores de dos tiempos, reduciendo así el consumo específico de combustible. A bajas velocidades, funciona con mayor suavidad y, gracias a la lubricación con aceite, es menos propenso al sobrecalentamiento. Los procesos de admisión y compresión duran más, mejorando la eficiencia volumétrica y la presión media efectiva. En comparación con los motores de dos tiempos, las cargas térmicas son menores, lo que reduce los problemas de deformación y fusión. Gracias a su carrera generalmente más larga, son ideales para aplicaciones que requieren un par elevado.
Desventajas
Sin embargo, los motores de cuatro tiempos también presentan algunas desventajas. El tren de válvulas es relativamente complejo y consta de muchas piezas, lo que dificulta su mantenimiento. Además, este motor tiende a generar más ruido mecánico durante su funcionamiento. Es importante destacar que, dado que la fase de combustión (potencia) ocurre solo una vez cada dos revoluciones del cigüeñal, la rotación es menos equilibrada que en un motor de dos tiempos (desequilibrio torsional).
E. Configuraciones comunes del motor
Los motores de cuatro tiempos pueden configurarse en diversas configuraciones, lo que influye significativamente en su rendimiento y aplicabilidad. Las configuraciones más comunes incluyen motores en línea, en V, en W y bóxer (opuestos). Los motores en línea tienen una estructura simple y son adecuados para cilindradas más pequeñas; los motores en V se utilizan a menudo en modelos de alto rendimiento, proporcionando mayor potencia. El motor en W combina las ventajas del motor en V con una mayor eficiencia de combustión (aunque poco común en motocicletas). Los motores bóxer son apreciados por su rendimiento equilibrado y su tamaño compacto.
1. Características estructurales del motor en V
El concepto de diseño del motor en V consiste en dividir todos los cilindros en dos grupos y disponerlos en dos filas en ángulo entre sí, formando dos planos inclinados. Vistos de lado, los cilindros forman una configuración en V, de ahí su nombre. Este diseño no solo sigue principios aerodinámicos, sino que también reduce eficazmente la altura y la longitud totales del motor, lo que permite un capó más bajo y, por lo tanto, libera más espacio en la cabina. Además, el ángulo entre las bancadas de cilindros ayuda a equilibrar las vibraciones del motor.
Sin embargo, el motor en V también presenta algunas desventajas. Al requerir dos culatas, su estructura es más compleja que la de otros tipos de motores. Si bien su altura es menor, su anchura es mayor, lo que limita el espacio lateral del motor y dificulta la instalación de otros componentes.
2. Características estructurales del motor W
El motor en W puede considerarse una variante del motor en V. Su característica distintiva es que los cilindros en cada bancada de la V están ligeramente escalonados. Este diseño aumenta la complejidad del motor, pero optimiza aún más el uso del espacio, controlando eficazmente tanto la altura como la anchura. Sin embargo, es importante destacar que, debido a esta estructura única, el motor en W rara vez se utiliza en motocicletas.
3. Motor bóxer (horizontalmente opuesto)
La característica única del motor bóxer es que sus pistones se mueven horizontalmente uno hacia el otro. Este diseño compensa parcialmente las vibraciones primarias, lo que hace que el motor funcione con mayor suavidad. Además, el ángulo de movimiento de los pistones proporciona un buen equilibrio, reduciendo la necesidad de contrapesos en el cigüeñal y, por lo tanto, su peso. Esta ventaja ayuda a reducir el peso total del motor y mejora la respuesta a altas revoluciones.
Sin embargo, el motor bóxer también presenta desventajas. En primer lugar, el proceso de fabricación es más complejo y laborioso, lo que conlleva mayores costos de producción. En segundo lugar, esta configuración es más adecuada para vehículos con tracción trasera o tracción total, lo que limita su aplicación en otros tipos de vehículos.
4. Motor en línea
La característica del motor en línea es que todos los cilindros están dispuestos uno junto al otro en un solo plano. Este diseño simplifica relativamente la estructura del cárter y del cigüeñal. Generalmente utiliza una sola culata, lo que reduce los costos de producción. Además, este motor ofrece alta estabilidad, excelente par motor a bajas revoluciones y buen ahorro de combustible. Su tamaño compacto permite una amplia aplicación en numerosos vehículos. Sin embargo, la principal desventaja del motor en línea es que su potencia específica (potencia por cilindrada/litro) suele ser inferior a la de las configuraciones en V o bóxer, especialmente con un mayor número de cilindros, debido a su mayor longitud.
