CILINDRO.

Es la parte del motor que desarrolla mayor número de funciones: De los cilindros separados al monobloque; Elección del número de cilindros; Camisas secas y camisas húmedas; Técnica de construcción.

 

 

El término cilindro, cuyo significado geométrico es de todos conocido y se halla bien definido, se ha extendido a partes mecánicas en las cuales posee una utilidad preponderante la presencia de una superficie cilíndrica. En los motores, se llama cilindro la parte por cuyo interior se mueve el émbolo con movimiento alternativo rectilíneo. Los motores de automóvil son máquinas volumétricas de pistones con los cilindros fijos. Los motores de cilindros rotatorios fueron probados en aviación, pero luego se abandonaron. Los motores de cilindros oscilantes, raramente empleados para vapor, nunca se han utilizado para combustión interna. Todos los intentos hechos para construir motores alternativos con cilindros de sección distinta a la circular, con el fin de aprovechar mejor el espacio y, por tanto, reducir las dimensiones, han fracasado por muchas razones que está de más indicar aquí.

Los cilindros pueden hallarse separados entre sí, como en los motores refrigerados por aire, o bien formar parte de un bloque de forma algo complicada que se obtiene por fusión y que se denomina bloque de cilindros o monobloque. En los motores modernos, el bloque de cilindros comprende también la parte en la cual gira el cigüeñal, que antiguamente representaba la bancada, por lo que se le designa con este nombre.

En los motores de automóvil, los cilindros suelen practicarse en el propio bloque. Sin embargo, no son pocos los casos en los que los cilindros forman parte de unos tubos de espesor reducido, que se introducen en el bloque y que reciben el nombre de camisas.

En los motores refrigerados por agua, las camisas pueden ser de tipo seco o húmedo. Las primeras se hallan situadas en el interior del bloque y no están en contacto directo con el agua, mientras que las segundas se encuentran colocadas de forma que están sumergidas directamente en el agua de refrigeración.

El cilindro, o la camisa cuando existe, constituyen la cámara en la cual se desarrolla el cielo térmico del motor. La variación máxima del volumen de la cámara, causada por el movimiento del pistón, es la cilindrada del mismo.

En los motores Wankel, la parte dentro de la cual gira el pistón de tres vértices puede considerarse como un cilindro, cuya sección es una curva trocoide de dos lóbulos. En este caso, el pistón no posee un movimiento alternativo rectilíneo, sino que gira en torno a un eje que, manteniéndose paralelo a las generatrices del cilindro, se desplaza describiendo una circunferencia. Debido a que por cilindro se entienda comúnmente uno de sección circular, el del motor Wankel, para distinguirlo de éste, se suele denominar estator; de forma análoga, el pistón se llama rotor.

Las funciones del cilindro.

Incluso cuando está en reposo, el cilindro es una de las partes constituyentes del motor que desarrolla mayor número de funciones, hallándose sometido a un complicado sistema de solicitaciones mecánicas y térmicas, ya que en él se repite periódicamente el ciclo caracterizado por variaciones muy grandes de presión y temperatura.

Su función esencial es la de guiado del pistón, oponiendo la menor resistencia posible al deslizamiento y asegurando la estanquidad de los gases. Las demás funciones dependen del tipo de motor y de su estructura; en efecto, el bloque de cilindros es la parte fundamental del motor a la que van unidas todas las demás, tales como el cigüeñal, la culata, los órganos de la distribución y gran parte de los órganos auxiliares, como el motor de arranque, el generador de energía eléctrica, el filtro de aceite, el cárter, etc. Durante el desarrollo de sus funciones, el cilindro está sometido, como ya se ha dicho, a solicitaciones mecánicas y térmicas, las primeras causadas por la presión de los gases y por las fuerzas impuestas por el mecanismo de biela y manivela, y las segundas por las temperaturas de los gases y sus variaciones. Asimismo, la superficie interna del cilindro se halla sometida a la acción química de los gases que entran en forma de mezcla de aire y gasolina, y luego se transforman, con la combustión, en gases de escape. Las solicitaciones mecánicas son causadas por la presión de los gases, el pistón y los aros o segmentos.

La presión varía periódicamente según la ley del cielo, pasando de un mínimo, próximo a la presión atmosférica, cuando el pistón se halla en el PMI, a un máximo cuando está en el PMS, durante la combustión. Este valor máximo es de unos 45 kg/cm2 en los motores de encendido por chispa y de 80-150 kg/cm2 en los motores Diesel, pero, al alcanzarse en las proximidades del PMS, las paredes del cilindro se hallan poco solicitadas. En cambio, sí lo está el bloque, ya que se encuentra unido a la culata y al cigüeñal y la presión se ejerce entre la culata y el pistón; por ello, se halla sometido a la tensión generada por una parte por la culata y por la otra por el cigüeñal.

Cuando el pistón está en una posición intermedia entre ambos puntos muertos, la presión de los gases es menor; pero el pistón, por efecto de la inclinación de la biela, somete las paredes del cilindro a un empuje lateral que varía durante la carrera y alcanza su valor máximo en un punto que se halla próximo al de velocidad máxima del pistón. Este tipo de solicitación tiende a desgastar las paredes del cilindro; otra causa de desgaste la constituyen los segmentos de compresión y lubricación que actúan contra dichas paredes.

El espesor de las paredes del cilindro es muy superior al mínimo suficiente para soportar las pulsaciones causadas por la sucesión de las variaciones de presión y de los empujes laterales; dicho espesor se determina en relación con las exigencias de fabricación y de resistencia a las solicitaciones térmicas. Estas últimas son causadas por las variaciones de temperatura de motor frío a motor caliente, entre las diferentes zonas del cilindro. Evidentemente, éste está más caliente en las zonas adyacentes a la cámara de combustión y más frío en el extremo opuesto. Por esta causa, se dilata de diferente manera por efecto del calor y tiende a adoptar una forma ligeramente cónica. Para mantener las deformaciones dentro de límites tolerables, el cilindro se refrigera. La temperatura de los cilindros debe mantenerse baja, incluso con el fin de conservar el aceite en condiciones de lubricar convenientemente la superficie de deslizamiento y refrigerar los émbolos.

Tras una larga evolución, se ha llegado al bloque de cilindros con culata separada y bancada integrada, que parece ser la solución definitiva en el desarrollo de los motores de automóvil. Por ello es interesante dar marcha atrás en el tiempo, para examinar cuáles han sido las etapas más significativas de esta evolución.

Resumen histórico.

Al principio, los problemas que había que resolver para asegurar el funcionamiento del motor eran tan graves y numerosos, que ninguno, entre los muchos pioneros, pensó en adoptar más de un cilindro. Así, el motor de automóvil nació con un solo cilindro. Se trataba de un cilindro muy sencillo similar a un tubo, interpuesto entre la bancada del motor y la culata, a las cuales iba unido por medio de unos cuantos tornillos. Esta solución hacía fácil la construcción, así como el mantenimiento, por lo cual fue adoptada por los constructores de la época.

Entre los que supieron dar vida a un motor hay que recordar, en 1885, a Daimler por su monocilíndrico vertical de 462 ce, con un peso de 90 Kg tan sólo y una potencia de 1, 1 CV y, en 1886, a Benz por su monocilíndrico horizontal de 980 ce, con un peso de 96 Kg y una potencia de 0,8 CV a 250 r.p.m.

Por sus ideas y actividades de investigación se distinguieron pronto: Daimler 1889), con un bicilíndrico en V de sólo 150; De Dion (1895), con un monocilíndrico vertical refrigerado por aire, y Bernardi (1896) con un monocilíndrico horizontal. El primer bicilíndrico de cilindros en línea fue obra de Benz; precisamente el Phoenix de 1897 con una potencia de 6 CV.

Es difícil establecer la fecha de aparición del primer motor de 4 cilindros. Sin embargo, no está lejos de la realidad afirmar que 1902 fue el año en que el motor de automóvil dio este notable y substancial paso adelante, determinado por la necesidad de satisfacer los requerimientos de potencias mayores y hecho posible también gracias a los progresos del sistema de encendido y del carburador. Se convirtió en una práctica predominante la construcción de los cilindros acoplados en grupos de 2 (motor bibloque), en una fusión que comprendía la culata y la parte destinada a la circulación del agua. Con esta solución se evitaba planear las superficies de unión de la culata, pero la ejecución de la fusión era mucho más difícil.

En los motores de válvulas laterales, las cámaras de compresión se extendían lateralmente para poder alojar las válvulas, encontrándose con frecuencia a un lado las de admisión y al otro las de escape, accionada cada fila por un árbol de levas propio situado en la bancada. Las válvulas se introducían a través de unas, aberturas de la culata, las cuales se cerraban con unos tapones roscados apropiados. Éstos presentaban una gran superficie en contacto con los gases calientes, que no era refrigerada directamente por el agua, por lo cual constituían «puntos calientes». Normalmente, la bujía se atornillaba en uno de estos tapones, por lo que su temperatura alcanzaba valores tan elevados, que hacían la situación aún más crítica, tanto como para impedir la adopción de relaciones de compresión elevadas.

En los motores con válvulas en cabeza con culata integral, estos problemas no existían, pero quedaban las dificultades para obtener una uniformidad suficiente de los espesores de las paredes en la fundición y, en el taller, un mecanizado preciso de los cilindros cerrados por un extremo y de los asientos de válvulas.

En el año 1907, para satisfacer los cada vez mayores requerimientos de potencia, aparecieron los primeros motores de 6 cilindros en línea, también de tipo de cilindros acoplados (de 3 bloques) y con culata integral.

En aquella época, el automóvil se consideraba un vehículo deportivo y las carreras representaban el hecho más importante en la competencia entre constructores, muchos de los cuales, por otro lado, sentían bastante más los estímulos de la competición deportiva que los del éxito económico. La búsqueda de la ligereza era entonces, como actualmente, el principal objetivo, junto con el de una potencia mayor. Esto indujo a algún constructor a adoptar cilindros de acero, culata independiente atornillada o soldada a los cilindros, conductos de admisión y escape soldados a la culata y todo ello encerrado en una caja de chapa soldada conteniendo el agua de refrigeración. Ésta era una técnica constructiva peculiar de los motores de aviación, que requería especialistas muy hábiles para la soldadura y pacientes elaboraciones a mano. Pero la necesidad de satisfacer la demanda de automóviles, cada vez mayor, obligó a los constructores a mantener soluciones más simples y de fabricación más fácil y económica. Se perfeccionaron los sistemas de fusión de los monobloques y aumentó el número de motores con válvulas en cabeza.

Sin embargo, la fusión de un monobloque con la culata integral no era una empresa sencilla; además, el mantenimiento hacía sentir sus exigencias. Para limpiar la cámara de combustión, controlar y esmerilar las válvulas, era necesario extraer todo el bloque, operación que no era fácil. Estos problemas se resolvieron con la separación de la culata del bloque de cilindros, hecho importante en la evolución que determinó un progreso decisivo del motor y de su fabricación en serie. Los primeros ejemplos datan de alrededor de 1920. Se hizo posible estudiar diferentes disposiciones de los conductos de admisión y escape, las válvulas y las bujías, y escoger materiales distintos para las culatas y los cilindros.

Al final de la primera guerra mundial, cuando la tecnología de los motores ya se había perfeccionado, aparecieron, en automóviles no destinados a competiciones, los primeros ejemplos de motores de 8 cilindros en línea, que ya habían aparecido antes de la guerra en coches de carreras. De la misma época datan los primeros motores de turismo con los cilindros reunidos en un bloque único y con la culata separada. La bancada era aún independiente y generalmente se construía de aleación de aluminio.

Finalmente, en 1927-1928, aparecieron los motores con los cilindros reunidos en un bloque único, que también comprendía la bancada, todo ello de fundición, y los motores de 8 y 12 cilindros en V, capaces de dar potencias elevadas en relación con sus dimensiones y peso. El bloque de cilindros con culata separada se convirtió en una pieza menos complicada, de fabricación más sencilla y mucho más precisa, especialmente en la ejecución de la superficie interior de los cilindros.

En cuanto a los motores refrigerados por aire, tras una tentativa en 1920-1921 por parte de Frayer-Miller, que no tuvo consecuencias, en 1931 obtuvo su confirmación el motor Tatra del famoso coche checoslovaco de motor trasero. Sin embargo, tan sólo después de la segunda guerra mundial tuvo difusión en los coches utilitarios, en las versiones de 2 y 4 cilindros opuestos (boxer). Obtuvieron un éxito especial el Volkswagen, con los 4 cilindros opuestos, y, después de la guerra, el pequeño Fiat 500, con motor de 2 cilindros en línea.
 
 

Número y disposición de los cilindros.

La elección del número de cilindros deriva de consideraciones de carácter técnico y económico. Está claro que cuanto mayor sea el número de cilindros, tanto más elevado será el costo del motor, por lo cual se tiende a adoptar el número mínimo compatible con los resultados que intentan alcanzarse. En definitiva, la elección depende de la cilindrada total del motor y, en relación con la misma, de la calidad o clase del coche, la potencia máxima y el régimen correspondiente, de las dimensiones y del peso del motor.

Debe tenerse en cuenta el hecho de que, cuanto mayor sea la cilindrada unitaria, es decir, la de cada uno de los cilindros, menor será el régimen de rotación alcanzable, ya que existen limitaciones de la velocidad media del pistón y de la aceleración de las válvulas grandes y pesadas; además, las fuerzas alternativas procedentes del mecanismo biela-manivela aumentan de tal modo, que causan dificultades para el equilibrio y, por tanto, para la suspensión del motor al vehículo. Por esta razón, los motores de 4 cilindros con una cilindrada superior a 2.000 ce, hacen que aparezcan problemas de vibraciones difícilmente superables. Por ello, por encima de 2.300 ce, en general, los motores poseen 6 u 8 cilindros.

Por lo que respecta a la potencia específica (CV/l), conviene adoptar cilindradas unitarias reducidas que permitan alcanzar regímenes muy elevados. Sin embargo, no debe olvidarse que con el aumento del número de cilindros se reduce el rendimiento mecánico. En los automóviles de carreras actuales, los motores poseen 8 ó 12 cilindros y, para una misma cilindrada, sus potencias son del mismo orden de magnitud, incluso si se alcanzan a regímenes distintos, aproximadamente de 10.000 a 12.000 r.p.m. En definitiva puede decirse que, en general, el número de cilindros aumenta con la cilindrada total del motor, la clase y el precio del coche.

Los cilindros pueden hallarse situados en línea, es decir, con sus ejes sobre un mismo plano vertical o inclinado, incluso horizontal. Asimismo, pueden formar 2 grupos con sus ejes sobre 2 planos que se cortan según el eje del cigüeñal; en tal caso se dice que el motor es en V. El ángulo que forman ambos planos depende del número de cilindros; en general, es de 60 y 1201 para motores de 6 y 12 cilindros y de 90l para los de 8 cilindros. Cuando dicho ángulo alcanza 1800, ambos grupos se hallan sobre un mismo plano horizontal y entonces el motor se denomina de cilindros opuestos (boxer).

Los motores de 2 cilindros suelen ser en línea u opuestos, dependiendo la elección de exigencias económicas y de colocación dentro del vehículo; los motores en línea son de construcción más económica.

Los de 4 cilindros son en su gran mayoría motores en línea. La Lancia y la Ford han adoptado para algunos modelos 4 cilindros en V, para reducir el tamaño del motor y, por tanto, las dimensiones y el peso del coche, a pesar de las dificultades de equilibrado y del costo de la construcción. Los motores de 6 cilindros pueden ser en línea o en V. Los primeros poseen la ventaja de un equilibrado perfecto, mientras que los segundos son más compactos pero más caros y no pueden equilibrarse totalmente, por lo cual no se hallan exentos de vibraciones. Los motores de 8 cilindros son todos en V de 900 y se equilibran con contrapesos situados sobre el cigueñal.

La disposición en línea es la solución clásica de los motores de 4 y 6 cilindros. Cuando la cilindrada es superior a la media, los motores de 6 y 8 cilindros en línea resultan demasiado largos, por lo cual se hace difícil construir la culata de una sola pieza y el cigüeñal exento de vibraciones de torsión. Por ello, para motores de más de 3 1, suele recurrirse a la disposición en V.

Los motores con refrigeración por agua son los más extendidos, distinguiéndose porque poseen los cilindros reunidos en una sola pieza, mientras que los motores con refrigeración por aire poseen los cilindros independientes, unidos por separado a la bancada. Algunos motores grandes para camión se caracterizan porque tienen el bloque de cilindros separado de la bancada; esto se hace para facilitar las operaciones de revisión o para construir los cilindros y la bancada de materiales distintos.

En las bancadas de los motores modernos, entre cada cilindro y el contiguo se coloca una pared de separación que constituye el asiento de un cojinete de bancada, sobre el cual gira el cigüeñal. En los motores en V, las paredes, se hallan situadas entre los pares de cilindros que tienen sus ejes más próximos. En los motores de 4 cilindros en línea, las paredes intermedias del bloque de cilindros son usa o tres, en los de 6 cilindros son cinco y en los de 8,cilindros en V son tres. Estas paredes de separación dan al bloque una gran resistencia, tanto a la flexión como a la torsión, y mayor rigidez a las paredes longitudinales.

El bloque está delimitado por 4 superficies mecanizadas, sobre las cuales se montan: por arriba la culata, por debajo el cárter, por delante la caja que contiene la totalidad o una parte de los órganos de accionamiento de la distribución y por detrás la caja que contiene el embrague. Lateralmente, el bloque posee los puntos de fijación del motor y de los grupos

auxiliares.

Para los motores con cilindros en línea, la distancia entre los ejes de 2 cilindros contiguos medida significativa. Cuando ésta supera en algunos milímetros la suma del diámetro y de 2 veces el espesor de las paredes del cilindro, el agua puede pasar entre los cilindros; si dicha medida es inferior o igual a esta suma, los cilindros se hallan en contacto y el agua no puede pasar entre ellos. En este segundo caso, la refrigeración resulta menos uniforme; sin embargo, adoptando ciertos artificios en la circulación de agua, se obtienen resultados óptimos. Se adopta en los motores con cilindros en línea', cuando se desea ahorrar longitud. y peso y para hacer que la operación de fusión del bloque sea más sencilla y económica.

Las camisas.

Cuando, por razones de ligereza, el bloque se construye de aleación de aluminio, se adoptan camisas que, en general, se construyen de fundición y se introducen en el bloque de cilindros. A veces, también se emplean camisas cuando el bloque es de fundición y se juzga conveniente emplear para el bloque una fundición adecuada para coladas complicadas y para las zonas sometidas a desgaste (paredes interiores de las camisas) una fundición especial resistente al mismo.

Si el bloque de cilindros es de aleación de aluminio, las camisas de tipo seco pueden introducirse durante la operación de fusión, o bien, con el bloque ya fundido y mecanizado en parte.

En este segundo caso, pueden montarse en frío con gran interferencia o bien, con interferencia reducida, tras haber calentado el bloque a una temperatura próxima a la que alcanza durante el funcionamiento. Un tercer método consiste en introducir las camisas sin interferencia en el bloque, tras haber calentado éste a una temperatura de 150-200 ºC; el bloque, al enfriarse, se contrae y las camisas quedan apretadas en el interior del mismo. Si el bloque es de fundición, que se dilata menos que el aluminio, las camisas se introducen en su asiento con una ligera presión. En cualquier caso es importante que entre la superficie de las camisas y la de sus asientos en el bloque, el calor se transmita sin discontinuidades.

Un problema común con las camisas húmedas es el de la estanquidad de los gases a la altura del collar, situado en el plano de apoyo de la culata y del agua en la periferia exterior de la parte baja, enfilada en la sede practicada en el bloque de cilindros. La solución de la camisa situada entre la culata y el plano inferior del bloque de cilindros es sencilla, pero puede presentar dificultades de estanquidad a causa de las pequeñas diferencias de longitud de las camisas y de la posición de los asientos en comparación con el bloque. Para evitarlas, en los motores deportivos que poseen el bloque de aluminio, las camisas se introducen en caliente en el bloque y el plano superior sobre el que se apoya la culata se obtiene por mecanizado posterior. En tal caso, las camisas no pueden substituirse con facilidad.

Las camisas son de empleo normal en los motores Diesel para camión, incluso cuando el bloque de cilindros es de fundición. Se construyen de fundición especial, a veces con un proceso de centrifugado durante la fusión, para hacer que el grano sea más fino y compacto. Con frecuencia, se tratan térmicamente con operaciones de temple superficial que les da mayor dureza y finura.

Los cilindros de los motores refrigerados por aire más conocidos son de fundición. En los motores deportivos o de carreras son de aluminio, con camisas colocadas durante la fusión o introducidas en caliente, o bien no llevan camisas y- poseen su parte interior cromada. La refrigeración se obtiene por medio de las aletas, que son más grandes hacia la culata, ya que es ahí donde hay que disipar mayor cantidad de calor.

La fusión del bloque de cilindros es complicada, sobre todo por la presencia del espacio intermedio para el agua de refrigeración. Sin embargo, los progresos efectuados en la preparación de los noyos para fundición permiten, en la actualidad, construir bloques de cilindros de fundición muy precisos, con paredes de espesor reducido (de 3 a 5 mm) y, por tanto, muy ligeros. Antiguamente, los cilindros de los motores de automóvil se construían de fundición gris de grano fino, cuya composición variaba entre límites amplios. La necesidad de mejorar sus propiedades físicas indujo a reducir el contenido total de carbono y silicio, así como el de fósforo, el cual, a la vez que hace más fácil la fusión porque tiende a conservar más fluido el metal en estado líquido, disminuye la dureza de la fundición y su resistencia al desgaste. Normalmente se prescribe que la fusión resulte lisa y bien limpia, exenta de cavidades, grietas, inclusiones, puntos duros, zonas de carburos libres y cualquier otro defecto que sea perjudicial para el mecanizado, la apariencia y las prestaciones. Cuando se especifican los datos de dureza y resistencia, se indican los puntos en los cuales debe efectuarse el control.

Para aumentar la dureza y, por tanto, la resistencia al desgaste, la fluidez del metal en estado fundido y la facilidad de mecanizado, se adoptan fundiciones aleadas, es decir, a las que se han añadido metales como níquel, cromo, cobre o molibdeno. El níquel y el cromo aumentan su dureza, el cobre mejora su fluidez y actúa como grafitizante, y el molibdeno aumenta su resistencia al desgaste, especialmente a temperaturas altas, haciendo más fino el grano y la distribución del grafito.

Para evitar distorsiones de origen térmico, durante el proyecto se adoptan artificios especiales tales, como evitar que existan partes delgadas junto a otras de gran espesor. Durante las fases de calentamiento y enfriamiento, se producen expansiones y contracciones que, en partes de espesores distintos, causarían deformaciones inaceptables para los cilindros. Del mismo modo hay que evitar las deformaciones de origen mecánico; así, por ejemplo, debe hacerse lo posible por situar los tornillos que unen la culata al bloque de cilindros en una posición tal que, cuando se aprieten, no sean causa de deformaciones de los cilindros o las camisas en las proximidades del plano de unión a la culata. Cuando esto no es posible, puede recurrirse a efectuar la última operación de acabado una vez montada la culata.

El mecanizado de los cilindros consiste generalmente en un mandrilado de desbaste y semiacabado, un escariado de acabado y, finalmente, un esmerilado y un acabado definitivo. El escariado se efectúa con máquinas transfert, provistas generalmente de tantas cabezas como cilindros posea el bloque. El escariado final de acabado se efectúa con herramientas que portan una sola cuchilla.

El acabado de los cilindros se obtenía antiguamente repitiendo el escariado 4-5 veces y efectuando la última pasada con una herramienta más larga. Este método no daba resultados satisfactorios a causa de las deformaciones elásticas de la herramienta y de la pared del cilindro. Tampoco el uso de brochas dio resultados correctos. El rectificado o esmerilado, adecuado para cilindros únicos, no era conveniente para la producción de bloques de cilindros, ya que debía emplearse para cada cilindro por separado.

Actualmente, el acabado final consiste en una doble operación de esmerilado, designada con el término inglés honing (de hone =piedra), que se lleva a cabo con una máquina transfert. Las herramientas que se emplean para la operación de honing son unos mandriles que llevan 3-4 piedras abrasivas, a las cuales empujan contra las paredes de los cilindros unos muelles o un sistema hidráulico. Estas herramientas poseen normalmente un movimiento rotativo y de traslación. No extraen una cantidad apreciable de material, sino que eliminan las trazas o la ligera rugosidad que deja la operación de acabado anterior, a lo largo del cilindro. Se obtiene así el grado de acabado más conveniente para la lubricación del conjunto cilindro-pistón. El grado de rugosidad que se admite para la superficie se indica en el plano del cilindro. Cuando la operación de honing se efectúa a mano, suele hacerse por medio de una herramienta de madera acoplada a una taladradora eléctrica portátil.

Otra operación de superacabado es el lapeado. La herramienta que se emplea es similar a la del honing, pero, en lugar de piedras abrasivas, lleva unos sectores metálicos recubiertos por un compuesto abrasivo. El lapeado se efectúa con la ayuda de una mezcla de polvo abrasivo y aceite o keroseno, que luego debe eliminarse cuidadosamente por lavado.

Es evidente la importancia que tiene el hecho de que la superficie interior de los cilindros sea perfectamente circular y que los diferentes cilindros sean paralelos; si esto no fuera así, existirían deformaciones perjudiciales y la compresión no resultaría igual a la calculada. Para evitar el ruido causado por los choques de los pistones, debido a un juego excesivo, o bien aprietes o gripados por juego insuficiente, es preciso que los pistones y los cilindros se reúnan de forma que su juego resulte igual al valor indicado en los planos, tomando como base los, mejores resultados experimentales. Esta agrupación es una necesidad que se deduce del hecho de que no es posible mantener durante el mecanizado la medida del diámetro del cilindro y del pistón dentro de los límites de unas pocas milésimas de milímetro, tal como sería necesario para poder montar un pistón dentro de cualquier cilindro. Para hacer la agrupación, una vez acabado el bloque de cilindros, se miden los diámetros interiores de cada uno de los cilindros según 2 planos perpendiculares, a 3 alturas distintas. Tomando como base el valor diametral medio obtenido de las mediciones, los cilindros se clasifican en familias (generalmente 5), que difieren entre sí únicamente en 0,0 1 mm. Cada familia se designa por una letra (A, B, C, etc.), que se graba en cada cilindro. Durante el montaje, se agrupan los cilindros con los pistones que poseen la misma letra y se seleccionan en familias siguiendo un criterio idéntico.

Durante los últimos años, como consecuencia del progreso desarrollado en los métodos de fusión con los procedimientos de coquilla y a presión, se ha impuesto la tendencia de construir bloques de cilindros de aleaciones de aluminio. La reducción de peso que puede obtenerse en un bloque, al pasar de fundición a aluminio es, aproximadamente, del 50 %, ya que entonces se adoptan camisas que siguen siendo de fundición. Las ventajas que presenta de forma especial la fusión a presión, se refieren sobre todo a la rapidez de ejecución y la posibilidad de obtener, directamente la fusión, agujeros y planos que, en el caso de que los bloques sean de fundición, deben mecanizarse posteriormente.

Sus desventajas consisten en su costo y en el mayor ruido, causado tanto por las características del material como por el aumento de los juegos en caliente, debidos a la mayor dilatación que experimenta el aluminio con relación a la fundación.

En los bloques de cilindros de aluminio, las camisas suelen ser de tipo seco. El único ejemplo de motor de automóvil con cilindros de aluminio (sin camisas) es el del Vega de la GM. La fusión se hace con una aleación con un contenido elevado de silicio, y la superficie interior de los cilindros posee un grado de rugosidad especialmente estudiado. El motor no puede someterse a solicitaciones elevadas y, por tanto, se halla regulado de manera que suministre una potencia específica relativamente reducida (del orden de unos 70 CV para una cilindrada de 2.287 cc).

Asimismo, existen ejemplos de cilindros de aluminio cromados en su interior con un procedimiento especial, que hace que la superficie sea durísima y posea unos alveólos microscópicos destinados a retener el aceite lubricante. Sin embargo, se trata de cilindros para motores especiales, generalmente refrigerados por aire (por ejemplo, Porsche).
 
 
 
 

Desgaste de los cilindros.

La característica más importante para juzgar un bloque de cilindros es su resistencia al desgaste en las condiciones de empleo del motor. Si los cilindros se desgastan, el motor pierde potencia, consume una cantidad excesiva de aceite y echa humo por el escape. En efecto, el consumo de aceite se considera como un índice del estado de desgaste del motor. El color del humo debido al aceite quemado es azulado. Si el desgaste deriva de una ovalización de los cilindros, el humo aumenta en intensidad a medida que se aprieta el acelerador. Si, por el contrario, el humo azulado aparece cuando se levanta el pie del acelerador, entonces es señal de que el cilindro se encuentra correctamente y el consumo de aceite se produce en las guías de las válvulas.

El desgaste de los cilindros no es uniforme; es mayor hacia la cámara de combustión, donde llega el aro superior de estanquidad cuando el pistón se halla en el PMS, y disminuye rápidamente hacia el otro extremo. Esto se debe a 3 causas: la abrasión debida a partículas extrañas presentes en el aceite; la abrasión debida al contacto metal con metal, con el cilindro por un lado y el pistón con sus aros por otro, y la corrosión causada por la acción química de los productos de la combustión. El orden de importancia varía según las condiciones en que funciona el motor. Así, por ejemplo, el desgaste acelerado que se tiene cuando un motor funciona a baja temperatura, se atribuye a la corrosión debida a depósitos de vapores ácidos sobre las paredes, procedentes de la disolución de dióxido de carbono, producido por la combustión, en agua, producida asimismo por la combustión. La corrosión puede tener efectos graves cuando, al quedar el motor mucho tiempo inactivo sin una protección adecuada de la superficie interior de los cilindros, se produzca la oxidación de aquélla.

La abrasión causada por la presencia de partículas metálicas o carbonosas o de polvo se combate con éxito por medio de filtros de aire y de aceite que, en las versiones de cartucho, poseen una eficiencia muy elevada.

La reparación clásica de los cilindros es el rectificado (mandrilado), que se efectúa cuando éstos se hallan desgastados por su uso excesivo, o dañados por gripado, a causa de una lubricación escasa o por una temperatura demasiado elevada, como consecuencia de averías de la instalación de refrigeración. El mandrilado puede efectuarse con un rectificado por medio de una mezcla circular, que se desplaza con movimiento epicieloidal y axil. Con el rectificado se extrae cada vez una pequeña cantidad de material, de forma que no se produzcan deformaciones por presión o calentamiento excesivos. A continuación se efectúa un acabado mediante lapeado.

Cuando los cilindros se hallan muy desgastados o necesitan reparación por la presencia de alvéolos o sopladuras en sus superficies, puede efectuarse un encamisado, es decir, la introducción en los cilindros de unas camisas delgadas, que normalmente son de fundición especial.

La precisión del mecanizado, la agrupación automática de los pistones y los cilindros y la calidad de los aceites lubricantes que actualmente se hallan en el mercado hacen posible, para los automóviles nuevos de fábrica, la renuncia al período de rodaje, que antes era importantísimo para asegurar una vida larga del motor. En cualquier caso, el rodaje es una práctica indispensable tras la revisión con rectificado de los cilindros, ya que, en general, no puede confiarse demasiado en la precisión de los juegos que quedan, una vez efectuada la operación.
 
 

CILINDRADA. La cilindrada total, que suele designarse simplemente con el término cilindrada, es el producto de multiplicar la *cilindrada unitaria por el número de cilindros; es decir, corresponde al volumen barrido por los pistones durante su carrera entre el punto muerto superior y el punto muerto inferior. Generalmente, se mide en centímetros cúbicos o en litros.

De la cilindrada depende directamente la potencia del motor, que puede expresarse por medio de la fórmula:
 

 

N = pme X V x n
     22500 x z


 

donde: pme, es la presión media efectiva en los cilindros en kg/cm'; V, la cilindrada total en centímetros cúbicos; n, el número de revoluciones por minuto, y z, el número de tiempos del cielo (2 ó 4).

A partir de esta relación, debe observarse que la potencia pueda incrementarse, además de con un aumento de la cilindrada total V, también con el incremento de pme y de, n. Sin embargo, ha de decirse que con el aumento de la cilindrada pueden presentarse diversos inconvenientes, que lleguen a conducir a una disminución de la pme y a una limitación del número máximo de revoluciones por minuto. Por ello, el aumento de la potencia no es proporcional al de la cilindrada.

Los criterios de elección de la magnitud de la cilindrada han experimentado una considerable evolución durante la historia del automóvil. Los primeros coches poseían cilindradas reducidas y potencias muy bajas, pero ya a principios de este siglo comenzó a manifestarse la tendencia por conseguir prestaciones superiores, por medio de la única vía entonces posible: el aumento de la cilindrada. Así se llegó a la realización de automóviles de turismo con motores de más de 9.000 cc

Pronto fue posible alcanzar potencias elevadas con la mejora de los rendimientos y aumentando el número de revoluciones por minuto. Aunque la carrera hacia las grandes cilindradas se detuvo, posiblemente porque el mercado del automóvil se iba extendiendo y parecía conveniente fábricas automóviles medios que pudiesen ser adquiridos por mayor número de personas.

En EE.UU., la disponibilidad de combustible a bajo precio, las largas distancias y las carreteras anchas hicieron preferibles los automóviles de grandes dimensiones, con cilindradas elevadas (4.000-5.000 cc, con máximos de más de 8.000 cc). Tan sólo en los años sesenta se empezó a sentir la necesidad de automóviles más manejables y pequeños, destinados preferentemente a usos urbanos, por lo cual la industria estadounidense comenzó a situar, junto a la producción tradicional, una serie discreta de automóviles compactos, de cilindradas entre 1.500 y 2.500 cc, para hacer frente a la importación de pequeños automóviles extranjeros.

En Europa, el coste del combustible. las carreteras estrechas, las distancias más reducidas y los centros históricos inadecuados al tráfico, el nivel de vida más bajo y, a veces, sistemas fiscales que se basan en la cilindrada, han hecho preferibles los automóviles de cilindrada inferior a la de los norteamericanos, Como consecuencia, sus prestaciones se han mejorado con el aumento de la potencia

específica, es decir, la potencia obtenida por cada litro de cilindrada.

Tras un período de extraordinaria difusión de los coches de cilindradas muy pequeñas, al ir mejorando las condiciones económicas, se registró, a finales de los años sesenta, una tendencia hacia dimensiones más elevadas; la cilindrada de los utilitarios se acercó a los 1.000 cc, la de los coches medios quedó entre 1.000 y 2.000 cc, mientras que para los automóviles de gran cilindrada se tiende a permanecer por debajo de los 3.500 cc, exceptuando casos particulares, como Rolls Royce, Bentley y Mercedes (hasta 7.000 cc) y coches deportivos de lujo (hasta 5.000 y 6.000 cc).

ClLlNDRADA (Fraccionamiento de la) - Con esta expresión se indica la subdivisión de la cilindrada total del motor en varios cilindros. Los automóviles emplearon motores monocilíndricos tan sólo durante los primeros años de su evolución; sin embargo, pronto se recurrió al fraccionamiento de la cilindrada.

Las soluciones que se adoptan con más frecuencia son:

También se han construido motores de 16 cilindros en V (por ejemplo, Cadillac 1930 y Auto Union) o en H (por ejemplo, BRM).

A principios de los años setenta se impuso la tendencia, especialmente en los coches de competición, de adoptar motores de cilindros opuestos (boxer), ya que presentan la ventaja de poseer un centro de gravedad más bajo y un equilibrado mejor (por ejemplo, Porsche de 6, 8 y 12 cilindros y Ferrari y Tecno de 12 cilindros), aunque presentan dificultades de lubricación y refrigeración.

Una vez fijada una cilindrada total determinada, con el fraccionamiento es posible reducir la irregularidad periódica del par motor. Efectivamente, se obtiene un número de fases útiles igual al número de cilindros, en lugar de una combustión cada 2 vueltas (7200) o cada vuelta (360º), como se tendría para un motor monocilíndrico de 4 y 2 tiempos, respectivamente. En especial, es posible distribuir regularmente las combustiones, desfasándolas, si los cilindros se hallan en línea, en un ángulo de
 
 

d = 180º*h
               i

donde: h es el número de tiempos e i el de cilindros; esto es válido asimismo para los motores en V, si el ángulo entre ambos bloques es el mismo que se obtiene con la fórmula anterior. A veces, a causa de otras exigencias, se renuncia a que existan explosiones equidistantes; esto sucede, por ejemplo, en los 2 y 4 cilindros en V.

Con el fraccionamiento se reduce la relación entre el par motor máximo y el medio en un cielo (véanse los diagramas de la pág. 47 de este volumen), relación que influye directamente en el grado de irregularidad del motor. Es posible adoptar un volante con un momento de inercia mucho mayor y las vibraciones son entonces mucho menos sensibles.

El fraccionamiento de la cilindrada hace posible una considerable reducción de los efectos de las fuerzas alternativas y de los pares de primer y segundo órdenes y, para una misma relación carrera/diámetro, disminuye la carrera de cada pistón y, por tanto, la velocidad media del mismo. Esto permite alcanzar regímenes de rotación más elevados y, por tanto, potencias mayores.

El hecho de que la cilindrada unitaria resulte menor, reduce los riesgos de detonación, lo cual permite adoptar relaciones de compresión más elevadas y obtener rendimientos termodinámicos mejores, con aumento de la potencia y disminución del consumo específico. Además, presenta menos dificultades de refrigeración, haciendo posibles cargas térmicas superiores y mejorando el rendimiento volumétrico.

En cambio, las desventajas que aparecen con el fraccionamiento son:

- empeoramiento del rendimiento mecánico debido al aumento de los rozamientos (existe un límite para el fraccionamiento, más allá del cual el aumento del rendimiento termodinámico queda anulado por la disminución del rendimiento mecánico);

- aumento del coste debido a las mayores complicaciones mecánicas;

- Dimensiones y peso a veces superiores; - aumento de los costos de mantenimiento y funcionamiento;

- mayor probabilidad de averías;

- dificultad para la regulación y la puesta a punto;

- complicaciones en la instalación de encendido y, sobre todo, de la alimentación, especialmente en el sistema de inyección;

- complejidad del circuito de lubricación y refrigeración, y

- aumento de la longitud del cigüeñal, con problemas relativos a las vibraciones de torsión.

En algunos países, el fraccionamiento de la cilindrada es poco conveniente desde el punto de vista fiscal, ya que el impuesto de circulación y los peajes de las autopistas se aplican tomando como base la potencia fiscal, que se calcula con una fórmula en la cual el número de cilindros es el parámetro de mayor peso.

CILINDRADA UNITARIA. - Volumen que barre el pistón durante su desplazamiento (carrera) entre el punto muerto superior (PMS) y el punto muerto inferior (PMI). Es igual al espacio que queda libre en el cilindro cuando el pistón se halla en el PMI, menos el volumen de la cámara de explosión:

V = (D 2/4) x 3,14 x C


 



 

donde: V es la cilindrada unitaria en centímetros cúbicos; D, el diámetro en centímetros, y C, la carrera en centímetros.

Multiplicando la cilindrada unitaria por el número de cilindros, se obtiene la cilindrada total.

En el proyecto de un motor, es preciso mantener la cilindrada unitaria entre ciertos límites, inferior y superior, para no encontrarse con inconvenientes de tipos diversos. El límite inferior viene dado esencialmente por la necesidad de evitar una miniaturización exagerada o por la no conveniencia de conseguir la cilindrada deseada, mediante el fraccionamiento en un número excesivo de cilindros.

Son más significativos los motivos por los que no es aconsejable recurrir a cilindradas demasiado grandes. Ante todo existirían graves problemas para el encendido. Si la cilindrada unitaria es elevada (cilindro de. gran tamaño), aumenta el recorrido de la llama, o sea, la distancia entre la chispa y los puntos más alejados de la cámara de explosión (esto únicamente se refiere a los motores de encendido por chispa, es decir, con cielo de Otto). Debido a esto se requiere un tiempo mayor ara la combustión, lo cual obliga a limitar número de revoluciones por minuto y, como secuencia, la potencia. Además, se producen con más facilidad fenómenos de combustión anormal, extraordinariamente perjudiciales. Las mayores dificultades de refrigeración crean el peligro de existencia de puntos alientes, que son la causa del autoencendido.

La temperatura del cilindro debe ser limitada (150-200 ºC para la superficie interior e la bujía y unos 250 ºC para las paredes de la cámara de combustión) por razones de resistencia y lubricación. La transmisión del calor de los gases calientes a las paredes se produce esencialmente por radiación; por ello, el calor transmitido es proporcional a la diferencia entre las cuartas potencias de las temperaturas de los gases y de las paredes y, prácticamente, independiente de la velocidad de rotación del motor. El calor irradiado es proporcional al volumen V del cilindro, mientras que el calor que puede disiparse al exterior con la refrigeración es proporcional a la superficie S, por lo que la diferencia de temperaturas en el interior y en el exterior del cilindro es proporcional a la relación VIS, es decir, al diámetro y, en definitiva - para motores similares, con la misma relación carrera/diámetro-, a la cilindrada unitaria.

Para una misma relación carrera/diámetro, los motores de gran cilindrada unitaria poseen una carrera mayor y, por tanto, una velocidad media % del pistón más elevada. Esto limita el número de revoluciones admisibles y, por tanto, la potencia.

Por el contrario, los motores de cilindrada unitaria elevada poseen la ventaja de que permiten fácilmente la colocación de válvulas más grandes o, precisamente, de 4 válvulas por cilindro, as! como el encendido doble, con 2 bujías por cilindro. Sin embargo, se trata de soluciones adoptadas muy raramente en los automóviles de serie, mientras que en los coches de carreras suele recurriese a ellas, incluso para cilindros relativamente pequeños. Por estos motivos, mientras que antiguamente se alcanzaron cilindradas unitarias elevadísimas (por ejemplo, los Mercedes 60 HP de turismo de 1903 tenían una cilindrada unitaria de 2.309 cc y los De Dietrich de competición de 1906, de 4.540 cc), actualmente se adoptan valores mucho más bajos. Entre los casos limites pueden señalarse el bicilíndrico Honda 360 (cilindrada unitaria de 180 cc) y el Cadillac Fleetwood Eldorado, de 8.194 cc y 8 cilindros en V (cilindrada unitaria de 1.024 cc). El motor del Honda gira a una velocidad de 8.500 r.p.m., con una potencia específica de 87 CV/l, mientras que el del Cadillac lo hace a 3.800 r.p.m. con 29 CV/l.

En los motores Diesel no existen los problemas relativos al encendido y es posible recurrir a cilindradas unitarias mucho mayores.