Pero voy a empezar por la conclusión final antes de aportar el razonamiento de los por qués. Si quieres diseñar un motor muy potente, será mejor emplear el máximo número de cilindros posible. Si quieres un motor eficiente, lo mejor es emplear una configuración con la menor cantidad posible de cilindros, todo para una cilindrada fija.
La relación diámetro por carrera
El primer paso para el ingeniero es seleccionar la cilindrada unitaria y la relación de diámetro por carrera
Pero, ¿por qué es mejor un motor de más cilindros para ofrecer más potencia? Partamos de un factor fijo: Estamos comparando motores con idéntica cilindrada total.
A la hora de diseñar un motor, lo primero que has de determinar es el diámetro de los cilindros y la carrera que quieres otorgar a los pistones. Puedes lograr la misma cilindrada total del motor de muchas maneras. Por ejemplo, puedes lograr dos litros y medio de cilindrada entre cuatro cilindros (con cilindros de 625 centímetros cúbicos cada uno), o puedes lograrlo con diez cilindros (con cilindros de 250 centímetros cúbicos cada uno).
Determinar la cilindrada unitaria de cada cilindro te llevará a tener que elegir la proporción entre diámetro y carrera que deseas para cada cilindro.
Originalmente, el diseño típico de los motores de combustión interna, tras ser inventados, era el de tener una carrera (el desplazamiento total del pistón en vertical) bastante más larga que el diámetro del pistón. Pero poco a poco esa proporción fue cambiando.
Con el paso de los años se alcanzó una proporción de igualdad (los motores cuadrados) y se llegó al otro extremo, los llamados motores súper-cuadrados, donde el diámetro del pistón es mayor que el recorrido vertical que realiza el mismo (la carrera).
Hay infinitas combinaciones posibles entre diámetro y carrera, pero hay extremos que limitan todo esto. Por un lado, la carrera no debería superar 2,2 veces el diámetro del pistón (es el límite de un motor diésel marino, en camiones se usa alrededor de 1,3 veces de carrera por unidad de diámetro). Por el otro extremo, el diámetro del pistón nunca debería ser más de 2,2 veces superior a la carrera en un motor súper-cuadrado (es el extremo empleado por los Fórmula 1).
Las ventajas de un motor cuadrado o súper cuadrado están en que, para una misma cilindrada unitaria, ofrece mayor superficie disponible para colocar las válvulas. Además ofrece menos fricción al desplazamiento del pistón en su movimiento de recorrido. Estos dos factores favorecen que estos motores puedan girar a muy altas revoluciones.
En cambio, tienen una pega. Al tener tanto diámetro, estos cilindros cuadrados o súper-cuadrados ofrecen mayores pérdidas térmicas (menos parte de la energía de la explosión del combustible se convierte en movimiento del cigüeñal), y también se empeora el tiempo total necesario para la combustión (el frente de llama cuando empieza a arder la gasolina tiene que recorrer más distancia para completar la quema de toda la mezcla). También sufren más con estos diseños los cojinetes del pie y cabeza de la biela.
Los motores de carrera larga, por contra, ofrecen una cámara de combustión más compacta. Esto implica que hay menos pérdidas térmicas, mayor eficiencia, pero también hay mayor fricción (más recorrido del pistón), y no se pueden montar válvulas tan grandes, lo que limita la velocidad de giro del motor.
A la postre, hay que encontrar un punto intermedio en los motores, dictado por el cliente objetivo que va a emplear el coche. Los motores cuadrados o súper-cuadrados están dirigidos a coches prestacionales, mientras los de carrera larga encajan mejor en coches donde el cliente busca más par, más eficiencia, y menor respuesta al acelerador.
Y ahora pasamos a contar cilindros
El tema es que cuando se busca la máxima potencia posible, se ha de ir, como ya os hemos explicado, a un motor de carrera corta, un motor de diseño súper-cuadrado. Con esto se prioriza el tamaño de la culata, para poder hacer que el cilindro respire mejor y reducir la fricción.
Como hay una limitación para el diámetro máximo asumible por un pistón por razones de tiempo que tarda en quemarse la mezcla sobre un pistón demasiado grande salvo que se arregle mediante el uso de varias bujías por cilindro, para buscar la máxima potencia para una cilindrada determinada los ingenieros se ven forzados a mantener la relación entre diámetro y carrera, sin caer en un motor de carrera larga, para no perder potencia por emplear toda la cilindrada disponible.
Esto les lleva a tener que sumar más cilindros. En el caso del ejemplo que os he puesto sobre la mesa, el ingeniero de diseño que quiera hacer un motor de 2,5 litros ultra-potente, buscará emplear la relación diámetro por carrera óptima en busca de la potencia (1,2 veces más grande el diámetro que la carrera, para motores comerciales alimentados por gasolina normal). Limitado por el diámetro máximo admisible para un pistón (unos 92 milímetros aproximadamente), el ingeniero optará por cilindros de medio litro aproximadamente (la medida estándar, digamos, al asumir una carrera sobre los 76,6 milímetros), lo que le llevaría a optar por cinco cilindros como la mejor solución para un motor de 2,5 litros.
Con este planteamiento, el diseño de este supuesto motor ya estaría definido, y centrado en la potencia. Ahora bien, ¿y si cambiamos la cantidad de cilindros?
Si este ingeniero quisiera optar por un motor más potente, la mejor solución para buscar ese extra de potencia es hacer girar más rápido al motor. Recuerda, de cuando te hemos explicado qué era la potencia (aquí) y qué era el par motor (aquí), que la potencia es el resultado del par del motor multiplicado por la cantidad de vueltas que da el cigüeñal por unidad de tiempo (revoluciones por minuto, por ejemplo).
La limitación física para hacer girar rápido a un motor está en la inercia de los elementos que se mueven dentro de él. Es decir, la limitación para que éste motor de cinco cilindros gire más rápido de unas 8.000 vueltas (a ojo de buen cubero) estará en la inercia del enorme pistón de 92 milímetros.
Hay unas cifras en ingeniería que se conocen como los límites prácticos a los que las cosas empiezan a ir mal. Por norma general, sabemos que un pistón no debería superar nunca una velocidad lineal máxima de 25 metros por segundo. Si te pasas de ahí las cosas empiezan a ir mal, el cigüeñal, la biela y el pistón empiezan a deformarse, pueden tocar la culata, las válvulas… En fin, un desastre.
Para mantenerse por debajo de esos 25 metros por segundo, lo que se ha de limitar es la cantidad de carrera que tienen los pistones. Como ya podrás pensar, si reducimos la carrera, como el diámetro del pistón está relacionado directamente con ella (por la cifra de 1,2 en nuestro caso de ejemplo), tendremos que reducir la cilindrada unitaria de cada cilindro.
Un motor con muchos cilindros y un gran diámetro en relación a una corta carrera ofrece una gran velocidad de giro, y eso implica más potencia
Por tanto, si reducimos la cilindrada unitaria, esto nos llevará a tener más cilindros para llegar hasta los 2,5 litros. A la postre, ¿qué ganamos con ello? Pues tener a todos los pistones moviéndose a menos de 25 metros por segundo, pero con el motor girando más veces cada minuto.
Como tenemos, en teoría, el mismo par por la suma de las combustiones de todos los cilindros del que teníamos antes, logramos más potencia para una cilindrada determinada.
Pero ojo, tiene truco. Podrías pensar que esta es la panacea, pero tener más cilindros implica otros aspectos negativos, relacionados con la eficiencia. Cuantos más cilindros tienes para una cilindrada determinada, más fricciones y pérdidas de calor tiene el motor, con lo que el par extraído de esa cilindrada es inferior que el que se lograría con menos cilindros. Se aprovecha peor el aire y el combustible quemados.
Claro que cuando buscas potencia esto resulta secundario: Te da igual obtener menos par por cada giro de cigüeñal, si a cambio eres capaz de obtener más giros de cigüeñal por minuto. Por ejemplo, es mejor sacar sólo 100 Nm de par del motor pero tener 800 caballos de potencia máxima, que tener 400 Nm de par pero quedarse en sólo 150 caballos si lo que buscas es potencia.
Si giramos la tortilla, y lo que pasamos a buscar es la máxima eficiencia energética posible, lo que nos pasa a interesar es quemar mejor la gasolina que ponemos sobre los cilindros. Esto implica entonces optar por un motor que tenga menos fricciones. Y menos fricciones implica tener menos cilindros.
Como os hemos explicado más arriba, además, los motores de carrera larga, o al menos de carrera cuadrada, y no súper-cuadrada, ofrecen en ese sentido un mejor compromiso de eficiencia. Así que se mezcla el giro lento del motor de carrera larga, con el giro lento del motor de menos cilindros.
Nuevamente, hay un límite a todo esto. Podrías pensar que entonces el motor monocilíndrico de dos litros y medio sería el motor más eficiente posible para 2,5 litros de cilindrada, y no es así. Las limitaciones en este sentido están en campos como la vibración y las inercias derivadas. Cuantos más cilindros tiene un motor, más explosiones ocurren por vuelta de cigüeñal, pero de menor intensidad.
Si divides las explosiones que ocurren por vuelta de cigüeñal en una mayor cantidad, aunque sean de menor intensidad, consigues que el motor vibre menos, esté más compensado, sea más suave en su funcionamiento.
Un motor con demasiadas vibraciones, además de ser tosco y desagradable para ser conducido, también tiene una vida útil más limitada, y tiene una respuesta más comprometida. Además, crear motores de pocos cilindros implica crear motores con grandes pistones, lo que crea motores de mayores inercias, poco interesados en cambiar de régimen bajo nuestras órdenes.
Moraleja y conclusiones
Como con casi todo en la vida, la virtud está en el punto medio, y para encontrarlo, hay una serie de cifras archiconocidas por los ingenieros
Como todo en esta vida, en ser ecléctico está la virtud. No hay que irse a los extremos. Hay una serie de reglas «de conocimiento común» de los ingenieros que a la postre se acaban aplicando.
Por ejemplo, todo buen diseñador de motores sabe que ir más allá de 92 milímetros para el diámetro de un pistón no es una buena idea. También sabe la medida de velocidad máxima lineal del mismo (25 metros por segundo), la relación óptima entre diámetro y carrera para un motor enfocado a las prestaciones (1,2) y la de un motor enfocado al par (0,8, para los comodones). Las cilindradas unitarias de los cilindros (entre 0,4 y 0,5 litros) también son una medida bien conocida como estándar en la industria.
Todo esto hace que los motores de producción parezcan casi siempre «calcos» en ciertas cotas. Luego, cuando las cosas se llevan a extremos como los de la competición, se pueden ver auténticas obras de ingeniería, como los motores de doce cilindros de tres litros, o los seis cilindros empleados por Honda en las motocicletas, en busca de prestaciones límite, a costa del consumo.
Por cierto, si este ingeniero tuviera que hacer un dos litros y medio atmosférico prestacional mañana mismo, iría a por un cinco cilindros. Y ahora que has leído las razones, tú también lo harías, ¿verdad?Curiosidadades variadas:
- En la F1 se han llegado a alcanzar velocidades de pistón de hasta 36 metros por segundo.
- Los motores de F1 atmosféricos V8 de 2,4 litros rondaban los 290 Nm de par máximo, lo que te dará una idea del extremo al que se llega para ir a por una potencia máxima a base de revoluciones sacrificando par en pro de un régimen de giro más rápido.
- El motor v8 de los audi rs4 b7 y del Audi R8 tenía una velocidad de pistón de 25,7 metros por segundo
- Ese mismo motor se empleó como base para desarrollar el V10, que a su vez sirvió de base para crear el cinco cilindros de dos litros y medio del TT-RS y del RS3, que emplea curiosamente el diseño que os hemos ofrecido como ejemplo: Cinco cilindros para 2,5 litros de cilindrada
- En cambio y al mismo tiempo, muchos 0motores de Audi son de carrera larga, a diferencia de sus rivales
- Honda desarrolló una moto de carreras de 125 centímetros cúbicos con ¡cinco cilindros!. La RC149 tenía una caja de nueve relaciones para multiplicar su famélico par motor, eso sí, alcanzaba las ¡20.500 rpm!
