Motores: El catalizador de todo

Nueva entrega de la serie creada por Adrián Castillo en la que desgrana y analiza las partes vitales de un automóvil.

Llega el turno de los motores, el catalizador de todo, el elemento que hace posible la existencia de cualquier competición automovilística.

Preámbulo

Un motor es un sistema que genera energía para transformarla en movimiento. Los motores pueden ser térmicos, químicos, eléctricos, entre otros. En un coche el motor suele ser térmico-químico, pues utiliza la energía de una reacción química y su temperatura para generar el movimiento en forma de rotación que irá a parar a las ruedas.

La historia de los motores es larga y llena de diversas variantes. Pero conviene iniciar el viaje desde el motor a vapor. Éstos motores utilizaban el calor para hervir agua y que la presión de vapor que se generaba dentro moviera un pistón que generaría el movimiento del vehículo. El problema de estos motores es que pesaba mucho y eran muy grandes, por eso se utilizaron mucho en vehículos donde el peso no fuera un inconveniente, como en barcos o locomotoras. En 1876 el inventor alemán Nicolaus Otto creó el motor que conocemos hoy en día y determinara su ciclo de trabajo, denominado ciclo Otto en su honor. También especial mención al científico alemán Rudolf Diesel, empleado de Man, quien inventó el motor diésel a pesar de sufrir lesiones graves y perder una mano en uno de sus experimentos.

Este motor genera movimiento a partir de la quema de combustibles fósiles, como son la gasolina, gas-oil, benceno, queroseno, gas licuado, y algunos otros con la mezcla de oxígeno, el cual es necesario en toda combustión. El ciclo Otto se resume en cuatro ciclos o tiempos. Todos derivados del movimiento de un pistón, que sube y baja, conectado a un eje rotatorio por uno de sus lados, el cual hace girar y es ese movimiento circular el que se transmite a las ruedas.

Primer tiempo: Admisión

Para que un motor funcione es necesario alimentarlo. En un motor convencional de combustión interna alternativo (MCIA), como el que tienen nuestros coches, ese alimento es gasolina o diésel (gas-oil) vaporizado, es decir, en partículas muy muy pequeñas suspendidas en aire, y aire. Cuanta más gasolina se utilice, más rica es la mezcla, pues hay más gasolina de la necesaria para que la detonación se produzca. Y al contrario, cuanto más aire se utilice en la mezcla, más pobre es ésta. A groso modo podemos indicar lo siguiente: las mezclas ricas queman todo el aire, pero no todo el combustible, con lo que obtendremos mayor contaminación, residuos, etc. incluso podemos aumentar un poco la potencia. Pero las mezclas pobres, contaminan menos, a la vez que se suele disminuir un poco la potencia. Por eso al acelerar gastamos más combustible, y al decelerar o hacer lift and coast gastamos menos.

En el primer tiempo, esa mezcla rica o pobre, entra mediante la apertura de una válvula situada en la culata, o mediante un inyector de forma directa o indirecta. En este tiempo el pistón está bajando, ayudando a la mezcla a entrar en el pistón al generarse un pequeño vacío en la cámara de combustión.

Segundo tiempo: Compresión

Una vez el pistón esté en el punto más bajo de su recorrido, la válvula de admisión se cierra y el pistón comienza su viaje ascendente hasta el punto más alto. Lo que convierte a todo el volumen que se había generado en la admisión, que era todo el cual estaba en la cámara de combustión, en un volumen muy pequeño que se podría describir como el que corresponde sólo a la cavidad de la culata. Esta compresión genera que las partículas de combustible y aire se junten más y lleguen a chocar entre ellas y las paredes del cilindro, generando calor y presiones altísimas. Un cálculo importante sobre éste tiempo es el ratio o relación de compresión de un cilindro. Cuanto mayor sea éste ratio, mayor es la diferencia entre el volumen que se encuentra cuando el pistón está en su punto más bajo del recorrido y cuando está en su punto más alto. Esto ayuda a generar calor para facilitar la combustión en el siguiente tiempo.

Tercer tiempo: Expansión

Cuando la mezcla de combustible y aire está tan comprimida que sus moléculas están literalmente golpeando todo lo que tienen alrededor, sólo le hace falta una pequeña chispa para deflagrar todo y convertirlo todo en calor de forma espontánea. Esta explosión es generada por una bujía que dispara un pequeño arco eléctrico que quema todo el combustible comprimido dentro del cilindro. En el caso de un motor diésel, es la misma compresión la que genera la deflagración.

Ésta explosión aumenta aún más la presión dentro del cilindro, obligando al pistón a bajar rápidamente hasta el punto inferior de nuevo, expandiendo los gases dentro del cilindro y enfriándolos ligeramente a la vez que se libera parte de la energía química creada por la explosión. Éste último movimiento es el único que genera trabajo en el ciclo dce un motor de combustión interno.

Cuarto tiempo: Escape

Una vez el pistón está abajo, se abre otra válvula situada en la culata para que los gases producidos por la quema de combustible salgan al exterior del cilindro. En este tiempo, el cilindro ayuda a esos gases a escapar ascendiendo hasta arriba del cilindro. A partir de este punto, el ciclo Otto vuelve a comenzar por la admisión.

Todos estos tiempos se generan de forma continua en cada cilindro de un motor. En los motores de 4 cilindros los 4 tiempos se suceden de forma alternada en cada cilindro y de forma que el movimiento de esos ciclos se repitan en fases. Si contamos los cilindros de izquierda a derecha tenemos los cilindros 1, 2, 3 y 4. Pues los tiempos se suceden en los cilindros con el siguiente orden: 1, 3, 4, 2. De ésta manera el equilibrio del motor se mantiene más estable y produce menos vibraciones. La disposición de los cilindros afecta en gran medida el rendimiento del motor, un motor de 6 cilindros en línea es más estable y genera menos vibraciones que un 4 en línea. Los motores en disposición en V, W o Boxter producen un poco más de prestaciones y estabilidad que los motores en línea convencionales.

El motor en discordia: El motor Wankel

El ingeniero Alemán Felix Wankel estudió el motor de 4 tiempos convencional y se preguntó si era posible eliminar el pistón de un motor, pues es un elemento que se mueve linealmente, y tiene que estar detenido 4 veces durante su ciclo (cuando llega al punto superior e inferior de su recorrido) y esos puntos son pérdidas de inercia que el motor podría utilizar para generar aún más trabajo. Se puso manos y mente a la obra y en 1924 presentó su motor rotativo, y lo llamó como él, motor rotativo Wankel.

Éste motor es muy peculiar porque no tiene pistón como tal, el pistón ha sido convertido en un triángulo con sus lados curvos, y el cilindro ya no es un cilindro, es como un óvalo. Lo bueno del motor Wankel es que todo gira, no hay nada que se detenga en ningún momento, así se pueden aprovechar mucho mejor las inercias durante su ciclo y se reducen considerablemente las vibraciones del motor. Además es muchísimo más ligero que un motor convencional ya que tiene muy pocas piezas y ocupa muy poco espacio, lo que ayuda a que el coche sea más manejable al reducir el peso.

Sin embargo, sus inconvenientes son más graves que sus ventajas. Necesita de una estanqueidad elevada, ya que el movimiento se produce entre planos cilindro y pistón, así que se hace necesario utilizar segmentos que aíslen el cigüeñal del interior del cilindro. Al deslizar el “pistón” por el cilindro se generan muchos rozamientos, y hace que estos segmentos se desgasten más rápido que en un motor convencional, y para evitarlo se utiliza aceite en la mezcla de combustión para engrasar los segmentos. Todo esto se reduce a que necesita mayor mantenimiento para cambiar esos segmentos. También, al no disponer de válvulas de admisión o escape, muchas partículas de combustible sin quemar salen al exterior, generando mayor contaminación.

Hoy en día la única marca que apuesta e investiga con este motor es Mazda. Hace pocos meses descubrimos que están investigando en una variante que ellos mismos han desarrollado del motor Wankel y que puede que salga a la luz en unos pocos años.

Los motores híbridos

Un nuevo modelo de motor que ha aparecido en los últimos años en Formula 1 y otras categorías es el modelo híbrido. Estos motores son motores turbo convencionales a los que se les ha añadido un pequeño motor eléctrico acoplado en el cigüeñal o en uno de sus ejes. Pero para hacer funcionar ese motor eléctrico hace falta electricidad, y éstos motores reciben la energía eléctrica de las baterías. Sin embargo una batería convencional no aguantaría tantas cargas y descargas, por lo que se utilizan baterías especiales que se regeneran de dos maneras distintas.

Uno de esos generadores es el MGU-K. Éste generador convierte la energía durante la frenada en energía eléctrica y puede distribuirla directamente en el cigüeñal o el eje al que está acoplado, por lo que también es un motor eléctrico que puede distribuir potencia al coche, funciona como un motor eléctrico en ambos sentidos. En un sentido genera carga eléctrica, y en el otro la gasta. En el caso de los prototipos, está acoplado en el eje delantero. En el caso del Fórmula 1, está acoplado en el cigüeñal.

El otro generador que poseen estos motores es el MGU-H. Éste generador utiliza el calor del motor para convertirlo en energía eléctrica. Suele estar posicionado cerca del turbo del coche, utilizando la energía de los gases de escape calientes para hacer girar un generador eléctrico que almacenará la energía en las baterías. Éste generador no puede distribuir potencia al vehículo, sólo llenará la batería de electricidad.

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Lo que importa en un motor: Potencia, Par motor y Mapa motor.

Todos escuchamos a un amigo o conocido hablar de su nuevo coche, que tiene x caballos de potencia y puede alcanzar tal o cual velocidad. Pues preguntarles a qué revoluciones alcanza esa potencia. Veréis la cara de asombro al no saber qué contestar.

La potencia es la capacidad de generar par motor. Cuanta más potencia, mas par motor es capaz de ser generada, y el par motor es la medida en que un motor genera la fuerza. Como bien comentaba en el artículo de Neumáticos: tu conexión con el asfalto, la Fuerza es igual a la Masa por la Aceleración. Si la masa no cambia en un vehículo, sólo puede cambiar la aceleración, por lo tanto, el par es una medida de la aceleración del vehículo, y, volviendo al inicio del párrafo, la potencia es una medida que muestra la capacidad que un coche tiene para generar aceleración.

Un motor funciona entre un rango de revoluciones. Desde el ralentí, unas 750 rev/min, hasta el máximo que pueda alcanzar, depende del coche. Esas revoluciones varían según la posición del acelerador, el cual regula la mezcla de combustible y aire, y esa mezcla es la que genera la energía para mover el motor. A priori, se puede entender que cuanta más gasolina, más potencia o aceleración se puede alcanzar. En principio es así, pero cuando un motor funciona muy rápido muchas veces no le da tiempo a esa mezcla a quemarse del todo, perdiendo eficiencia, y por tanto, fuerza, y por ende, aceleración. Así que la potencia y el par aumentan hasta que el motor deja de funcionar correctamente porque se mueve muy rápido, disminuyendo ambas medidas.

Las curvas Potencia-Par pueden modificarse de varias maneras: Añadiendo un Turbo, un Compresor, un Cargador, modificando la ECU, entre otras. Pero en el mundo de la competición es muy común modificar esto último, la ECU. La Unidad Electrónica de Control. Ésta unidad es en realidad un ordenador que tiene el coche para controlar los inyectores y en algunos casos las válvulas, además de la mezcla de combustible según la carga que se demande desde el piloto. Ésta carga se puede ver en formas de mapas donde se pueden graficar varias cosas, como el consumo por gramo de combustible como materias demasiado complejas para este artículo. Lo importante es que éstos mapa motor se utilizan para varíar la forma de las curvas Potencia-Par para utilizar el motor de forma óptima a cada circuito, como por ejemplo, moviendo el pico de las curvas a izquierda o derecha, o hacerlas más o menos picudas.

La transmisión

Hemos hablado de la Potencia y el Par motor, de los motores y cómo funcionan. Pero, ¿Cómo es utilizada esa energía para que lleguen a las ruedas? Hablamos ahora de la transmisión.

Viniendo desde el motor, lo primero que nos encontramos es el embrague. El embrague es uno o más discos que se presionan entre sí generando muchísima fricción, permitiendo la transmisión del giro del motor a la transmisión. Cuando un motor está embragado, el embrague está transmitiendo la energía al siguiente elemento que es la caja de cambios. Cuando está desembragado, el embrague está separando el motor del resto de la transmisión, generando la pérdida total de los movimientos del motor.

El siguiente elemento es la caja de cambios. Hemos hablado de la aceleración y el par del motor. Pero si utilizáramos un engranaje directo desde el motor a las ruedas, sólo podríamos utilizar una marcha. ¿Por qué no variar esas relaciones para conseguir mayor velocidad o aceleración con la misma Potencia-Par? Aquí entra la caja de velocidades o caja de cambios. Existen muchos tipos de caja de cambios, pero sólo me centraré en las manuales y las sincronizadas.

Las cajas de cambio manuales son las comunes que utilizan nuestros coches de calle. Una palanca que se mueve hacia adelante o hacia atrás y que puede cambiar de par de accionador moviéndose hacia la derecha o izquierda. Y las secuenciales que se activan golpeando una pequeña leva que suele situarse detrás del volante. Todos estos accionadores se encargan de mover unas piezas llamadas sincronizadores situados en los ejes del cambio de marchas.

Dentro del cambio de marchas tenemos un eje de entrada directamente desde el embrague, un par de engranajes por marcha y un eje secundario de salida hacia el eje de transmisión. Los ejes están engranados en todo momento y girando uno con otro. Los engranajes del eje primario están girando con el eje primario, pero los del eje secundario no están girando con el eje secundario, están “sueltos”. Son los sincronizadores, que se mueven con la palanca o con el sistema secuencial, los que enganchan esos engranajes del eje secundario con el eje para que esa relación de engranajes se pongan a funcionar para mover el eje de salida o secundario. El par de engranajes puede modificarse para variar la relación de velocidades y aceleraciones de esa marcha, modificando de ésta manera las curvas Potencia-Par que le llegan a las ruedas.

Después de la caja de cambios nos encontramos con el eje de transmisión, que en un coche de tracción delantera es muy muy corto, pues el motor suele situarse delante y no hace falta utilizar un eje muy largo. Pero en un coche de tracción trasera con motor delantero debe recorrer casi todo el largo del coche por debajo. Y en un coche con motor central o trasera es prácticamente como uno de tracción delantera.

Éste eje termina en un diferencial. El diferencial es un elemento conformado con un eje de entrada excéntrico y un grupo de varios engranajes que giran entre sí, dos de esos engranajes van directamente a las ruedas motrices. El diferencial es utilizado para evitar que las ruedas motrices de un mismo eje deslicen sobre el asfalto. Si se utilizase un eje de tracción rígido entre las dos ruedas, a la hora de tomar las curvas, las dos ruedas deberían girar lo mismo a pesar de que las ruedas interiores a la curva necesiten girar menos que las exteriores, lo que produce que una o las dos ruedas giren más o menos de lo que debe y deslicen, desgastando los neumáticos. De ésta forma con el diferencial, el movimiento transferido a las ruedas puede variar según la curva sin que las ruedas se desgasten, permitiendo que cada una ruede lo que tenga que rodar.

Un diferencial autoblocante es aquel que, a pesar de hacer la función de variar la velocidad de las ruedas, las puede bloquear de forma mecánica o electrónica. Imaginaos una competición de rally en Suecia. Un Peugeot toma una curva y hay hielo en el interior pero fuera hay tierra mojada, cuando la rueda motriz toque el hielo, ésta deslizará perdiendo agarre. Lo que hace el diferencial en estos casos es anular el giro de esa rueda exterior y transferirla a la rueda en el hielo, básicamente porque encuentra menos resistencia al giro. Al permitir esto, toda la energía del motor se pierde en la rueda apoyada en el hielo, dejando al coche sin potencia pues el neumático en el hielo no tiene agarre. Un autoblocante utiliza una presión de precarga entre las dos ruedas, de forma que cuando la diferencia de velocidad entre las dos ruedas es muy alta los engranajes que salen a las ruedas se aprietan, y cuando esa fuerza supera una carga establecida, se anula la función del diferencial, convirtiéndolo en un eje rígido. De ésta forma, en el coche anterior, las fuerzas de las ruedas motrices se igualan en ambas ruedas en lugar de perder toda la fuerza por la rueda sin agarre.

Sistemas de cambio

En iRacing hay varios sistemas de cambio o embragues, tenemos el Autoshift, el Autoclutch, la opción de utilizar el pedal de embrague e incluso un cambio en H para los más atrevidos. Si tienes interés en saber qué cambio es más rápido y cómo puedes mejorar tus tiempos según el coche que conduzcas, este artículo escrito por Antonio Ortiz y Javier Catalán pueda interesarte.

Al final de la transmisión tenemos los frenos, explicados en un artículo anterior Frenos: Deceleración para ir más rápido y las ruedas con sus neumáticos.

Tras todo esto, ya podemos entender de forma sencilla cómo funciona un motor de combustión interna y cómo se transmite toda esa fuerza y potencia a las ruedas. Ahora toca ponerlo en práctica en tu simulador preferido. Y recuerda que puedes hacerme preguntas a través de twitter en los comentarios o por MP.