Diferencias entre motores mono, bi, tetra y tricilindricos


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Antiguo 19-feb-2010, 09:59
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Nombre: Alex Mauricio Castillo Castillo
 
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Les comparto este documento que me encontré en este foro: http://www.kawaner6s.es/forum/index.php?showtopic=23159
me parece muy instructivo y valioso...espero les guste


Diferencias entre motores mono, bi, tetra y tricilindricos

Este documento pretende mostrar como se crea el par de un motor de combustión interna de 4 tiempos según su número de cilindros.
Contiene muchas simplificaciones, pero dará una pista a los poco duchos en mecánica.
Los demás, podéis evitaros el rollo, pues seguramente es de sobras conocido… ¿o no?

Lo básico

Empezamos por recordar las 4 fases de un motor de cuatro tiempos, más que nada por el vocabulario. (El orden es el que me arregla más claridad de los gráficos que vendrán)

1 Compresión : Con las válvulas cerradas, el pistón se desplaza del punto muerto inferior ( en adelante PMI) al punto muerto superior (en adelante PMS)
2 Explosión: expansión de gases que empujan el pistón del PMS al PMI, Es la única fase que genera empuje.
3 Expulsión: Con la válvula de escape abierta , el pistón sube del PMI al PMS y expulsa todos los gases quemados
4 Admisión : cierre de válvula de escape y abierta la de entrada, el pistón baja del PMS al PMI aspirando la mezcla de aire y combustible , a punto para volver a empezar

En el cumplimiento del ciclo se realizan dos vueltas completas de cigüeñal, o sea 2x360º= 720º. Vale, ya lo sabíais , pero era necesario recordarlo.

Pasemos pues a representar esto en un gráfico que es donde se ve lo interesante


Click para ampliar imagen.


Explicaciones

La curva muestra en rojo (y más grueso) la bajada del pistón que corresponde a la fase de explosión, la que genera empuje. Se ve claramente que solo una cuarta parte del ciclo es generadora de energía. Lo veis en la línea negra comparada con toda la longitud del eje de abcisas (eje horizontal para los amigos)
Las otras tres fases se realizan por impulso y consumen una parte de esa energía que no va a servir pues para empujar el vehículo...Pero funciona.

El monocilíndrico es realmente fácil y obvio. Su característica principal es que el pistón es grande, pues la cilindrada está toda en un solo cilindro. Esto supone menos piezas que fabricar y que reparar. Ya sabéis que la única pieza que nunca podrá fallar en una máquina, es la que no lleva. Menos piezas, menos fallos. Barato de fabricación y económico de mantenimiento.

Pero esto significa pistones grandes, y mucha masa en movimiento, por tanto problemas para equilibrarla. Si añadimos el hecho de que hay una sola explosión cada dos vueltas... esta claro que esta es grande y nos dará mucho par (fuerza) pero también vibraciones.

Algunas falsedades.

El gráfico anterior es falso, lo confieso.

En primer lugar he utilizado una función sinusoidal (concretamente el coseno negativo). Pero el movimiento del pistón solo sería axial con una biela infinitamente larga. Y claro los motores se buscan compactos. Pero no cambia nada al hecho de que la fase de explosión es solo la cuarta parte de todo el recorrido... y de que la curva se parece mucho....

Segunda falsedad: hay una cosa que se llama avance de encendido, que hace que la explosión comienza una fracción de vuelta antes de llegar al PMS. Sin este avance, el motor difícilmente lograría dar potencia a altas revoluciones, y con suerte no daba ni revoluciones. Pero esto es otra película para otro día. De todos modos, los grados de avance no son realmente fase motor, pues generan algo de freno, pero compensado largamente en la bajada del pistón. Lo dicho lo dejamos....

Tercera falsedad: hay una cosa que se llama cruce de válvulas. La válvula de escape no se abre forzosamente cuando el pistón llega al PMI...Puede haber un decalaje que el constructor del motor ha definido para conseguir que el aprovechamiento de la explosión y/o el vaciado de gases sean realmente óptimos. Esto lo hace el árbol de levas, y en ello están los secretos de cada constructor... NO entramos.

Y por ultimo, cuarta mentira. El empuje no es constante en todo el descenso. Esto era de suponer tratándose de una explosión en el PMS. Esto genera en la primera fase mucho empuje en el pistón...que no se traduce en el giro porque el ángulo de la biela no es el óptimo. A media carrera de bajada, el ángulo ya es óptimo, pero el empuje es menor. Hacia el final, cerca del PMI, el empuje es mínimo y el ángulo de la biela es de nuevo nefasto para conseguir empuje de giro.....pero es lo que hay.

En fin, que se trata solo de una imagen simple. Para una comprensión de lo esencial.
Los puristas y tiquismiquis que lean otra literatura o que cursen ingeniería.

En resumidas cuentas

No vayamos a olvidar lo esencial, que vamos a comparar de ahora en adelante.

En un motor monocilíndrico cuatro tiempos tenemos una gran explosión que dura media vuelta, en un ciclo completo de dos vueltas.

También el pistón es pesado y genera vibraciones en su movimiento. Las vibraciones verticales pueden más o menos equilibrarse con contrapesos en el cigüeñal. Pero el movimiento lateral de la biela genera vibraciones perpendiculares al cilindro que no se equilibran fácilmente... salvo añadiendo mecanismos como bielas locas, ejes de giro invertido y otros inventos que van contra lo esencial de este motor: su sencillez y economía.

Para obtener un motor más suave necesitaremos…más cilindros. Y aquí hay muchas posibilidades.

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El bicilíndrico en línea (o sea el de las Kawasaki)

Nuestro bicilíndrico tiene un pistón que sube mientras el otro baja.
Abrid el manual de taller que encontrareis en el foro si queréis un dibujo de cómo es el cigüeñal de vuestras motos.
(Nota de pasada: Los bicilíndricos de las BMW de las series F, también son en paralelo como las Kawasaki, pero funcionan distinto. Ya lo veremos más adelante)

Esto tiene dos efectos positivos. El primero el de las explosiones que vemos en el gráfico siguiente:


Click para ampliar imagen.


(Siento el tema colores para los daltónicos, pero no he conseguido hacer líneas de puntos)


Hay dos explosiones en la primera vuelta, dos explosiones algo más pequeñas.
Así la fase de empuje dura una vuelta completa cada dos. Es decir que vamos a conseguir más suavidad. Pero aun queda una vuelta completa en vacío…Muy, muy regular no es este motor.

Mecánicamente estamos más equilibrados: las dos bielas se mueven siempre a cada lado del eje de los cilindros, consiguiendo con ello un mejor equilibrado sin necesidad de mecanismo alguno… Bueno queda un problemilla. Los dos cilindros están uno al lado del otro con lo que las bielas no pueden estar en el mismo plano. Esto genera vibraciones de giro. Es decir, que las bielas (y también los contrapesos) sacuden al motor como si quisieran hacerlo girar verticalmente (en nuestras motos) hacia la derecha y hacia la izquierda, alternativamente.

Y tenéis los dos orígenes de las vibraciones de nuestros bicilíndricos. Pero se podría hacer mejor. Vamos a ver como.

El bicilíndrico en V (Ducatis, Suzukis, Hondas y demás)

Aquí para simplificar, voy a mostrar solo un motor en V a 90º. Si leéis en el catalogo que el ángulo es otro… pues eso, cambias mentalmente el efecto… o os lo curráis en una hoja de cálculo como yo.

El gráfico quedaría así:


Click para ampliar imagen.


O sea que siguen habiendo dos explosiones, pero no consecutivas: hay un pequeño espacio de 90 º de carrera muerta, y otro se ¾ de vuelta. Es motor es en principio más suave. Además, los dos cilindros están en un mismo plano o casi, pues las bielas son estrechas. O sea que adiós a las vibraciones torsionales...y aparecen de nuevo algo de las vibraciones de los monocilíndricos, pues las dos bielas no se compensan de manera natural. El cigüeñal es también más simple, pero el cuerpo de los cilindros y en montaje del conjunto, más complejo. Para empezar , generalmente hay dos árboles de levas.

En fin, el motor en V es una manera de hacer un motor algo más estrecho y algo más suave que el bicilíndrico en línea.

El ángulo exacto del cilindro depende del nivel de compromiso que quiere alcanzar cada constructor, del espacio disponible en el chasis, y del uso de las manivelas decaladas (que aumentan o disminuyen este ángulo sin variar la apariencia externa)

El gráfico anterior, nos indica ya que el motor bicilíndrico más suave es el que está decalado a 180 º. Eso se llama un motor Boxer.

El bicilíndrico Boxer (el de las BMW vamos)

En las BMW los cilindros están opuestos 180º, mientras que el cigüeñal es (en concepto) igual al de nuestras Kawas, con dos manivelas opuestas a 180º. Con ello se logra que los pistones estén equilibrados de modo natural. Ambos suben y bajan al unísono. También las bielas, en sus trayecto de subida/bajada están en perfecto espejo una de otra, con un equilibrado “perfecto” de sus masas. No es perfecto del todo, porque de nuevo no es posible que los dos cilindros estén exactamente alineados (si, un cilindro está ligeramente más adelantado que el otro, pero al estar en ambos lados de la moto, es muy difícil darse cuenta). EN todo caso, mucho mas cercanas las bielas que en el dos cilindros paralelos.

Y veamos el gráfico de los ciclos:


Click para ampliar imagen.



NO, No hay error. Pero como los dos pistones “suben” y “bajan” a la vez las dos curvas se superponen y parece que estemos en el monocilíndrico de nuevo.
Solo que esta vez hay dos explosiones, es decir, una por vuelta, y perfectamente separadas por media vuelta de vacío a cada vez. Lo se suben y bajan entre comillas es porque como es sabido los dos cilindros son horizontales. O sea que ambos van hacia el exterior al unísono, y vuelven al interior a la vez (obviamente)

O sea que aquí están los dos secretos de la suavidad de los bicilíndrico de BMW.
Lastima que un motor boxer hay que disponerlo con el cigüeñal en línea, y eso provoca el clásico “tumbo a la derecha” cuando se da gas. Lastima también, que se necesiten dos árboles de levas… o el sistema de varillas (según la época de fabricación)

Por ello BMW se ha inventado el motor de las F 850 y 650 y demás sufijos.

El bicilíndrico de las BMW serie F


Pero claro, si miramos los esfuerzos mecánicos… es como un monocilíndrico con dos bielas y pistones a la vez (!) Para equilibrar las bielas hay una tercera biela llamada loca (sin pistón ni cilindro, ni función de empuje ninguna) que iguala en peso a las otras dos. Sube cuando las otras bajan y viceversa.
El resultado es una suavidad parecida al boxer, sin los esfuerzos de vibraciones basculantes como las Kawasaki.
Pero claro, con más piezas, más peso, más coste….

¿Se puede hacer más suave? Obviamente con el motor de 4 cilindros en línea.

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El Tetracilíndrico en línea (como el de las Kawasaki serie Z, por no citar otros)

Obviamente con 4 cilindros la suavidad será óptima. Ya pasaremos más tarde al gráfico de ciclos. Primero citar que para conseguir el perfecto equilibrado mecánico, los dos cilindros centrales suben a la vez, al tiempo que los de los extremos bajan a la vez
Así siempre hay dos bielas que suben, y dos que bajan sin causar esfuerzos transversales al plano de los ejes de cilindro, ni tampoco esfuerzos de giro. Un cigüeñal axial es más barato de fabricar, y consigue un equilibrado mecánico excelente (que no perfecto) de modo natural.
Pero claro, el orden de encendido de los cilindros no puede ser 1, 2, 3 y 4

Hay dos opciones:
1, 3, 4, 2 (llamado ciclo Otto del inventor del motor 4 tiempos y primero que lo aplicó)
y el llamado ciclo americano 1, 2, 4, 3 (de usanza en los Ford, por ejemplo)

LOS DOS SON ESTRICTAMENTE EQUIVALENTES. Por lo que no os rompáis la cabeza cual es mejor. Tampoco sé que motos usan Otto y cuales americano. A si ya puedo mostrar el gráfico, y he cogido el Otto por que es más europeo (aunque yo tengo un Ford).


Click para ampliar imagen.



En principio se parece a del boxer, solo que en realidad hay dos líneas superpuestas.
Las fases de empuje cubren todo el ciclo de dos vueltas (¿habéis leído el capitulo de “falsedades”?) Un motor “tetra” es realmente suave. Además los gases también salen más regularmente por el escape, por ello todo el tema vibraciones es menos aparatoso.
Si añadimos que 4 explosiones pequeñas dan más de sí que una sola grande, entenderéis por qué un monocilíndrico de la Yamaha MT•3 da 50 y tantos caballos, y una Yamaha XJ6 supera los 75 con una cilindrada algo menor. Eso si, la elasticidad de la MT3 la hace mucho más divertida en carretera revirada, pues tiene excelente par a bajo régimen y con ello, unas recuperaciones mejores.

Del lado de los inconvenientes queda citar el numero de piezas, y por tanto el coste (multiplicad por 4 el número de cilindros, pistones, bielas, válvulas. El peso del motor también es mayor. Otro grave inconveniente, es su anchura. Puesto transversalmente parece que falte sitio ¿verdad?
Por ello BMW ponía los motores Tetra (y Tri) en línea en su serie K, pero de nuevo aparecía el vuelco a ala derecha.


Y las tricilíndricas…. (O sea Triumph principalmente)

El compromiso de las tricilíndricas es realmente interesante. Empecemos:

El tricilíndrico es como tres monocilíndricos adosados con las manivelas decaladas 120º. Con ello el equilibrado de las bielas es de nuevo “casi perfecto” de modo natural... Cuando una esta en el PMS, las otras 2 están en espejo. Una a 1/3 de la subida y la otra 2/3 de bajada. Lástima que los cilindros al no estar alineados nos generaran vibraciones torsionales, solo compensadas en parte por los contrapesos del cigüeñal.
Vamos pues al diagrama de ciclos


Click para ampliar imagen.



Cubrimos casi todo el ciclo de dos vueltas con tres fases de empuje, perfectamente regulares, dejando en vacío solo 3 pequeños tramos de 30º cada uno.

Es realmente un excelente compromiso entre la suavidad, el coste y la anchura
Desde mi punto de vista, los tricilíndricos son el motor óptimo para una moto.
Lástima que solo los usen las Triumph. (Y Benelli, y las antiguas K750 de BMW...snif)
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buen tema gracias
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Hola...

Gracias por el aporte, hay que capacitarnos integralmente... toca saber de todo un poquito....

Saludos,

V'ssss
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