El motor térmico hoy y hace 40 años

  • Última modificación de la entrada:18/05/2021
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El motor térmico ha sido el protagonista del automóvil desde sus inicios y no tardará en ser sustituido por otras tecnologías que no emitan dióxido de carbono al circular (CO2).

Durante su vida ha ido evolucionando para mejorar lo que ofrece, se han logrado excelentes reducciones de consumo con sensibles mejoras en par y potencia, que aportan muy buena respuesta al acelerador incluso desde bajas RPM.

Hemos dedicado muchos artículos a las evoluciones en los diferentes órganos y sistemas del automóvil, en este vamos a hacer un análisis, como los que hacía cuando yo era joven manejando las cifras de los coches publicadas, para establecer sus tendencias dinámicas.

Tomaba esos datos y con diferentes cálculos buscaba obtener información de los objetivos del diseño y como se manifestaban al conducir el automóvil.

Me he puesto a recordar y ha salido lo que vas a leer a continuación.

Te aviso, es algo denso lo que contiene y requiere atención, está hecho pensando en los que, como a mí, nos gustan mucho los coches y hemos indagado en su tecnología, y lo seguimos haciendo.

Vamos allá; tomaremos como referencia motores de modelos conocidos de antes y de ahora.

Este análisis no es completo al tratar solamente sobre las características del motor, pues según como entrega par y potencia, su peso en vacío y con plena ocupación, se determinan las características relacionadas en la caja de cambios.

De momento nos quedamos con el motor, aunque antes pasamos revista a los catorce coches que vamos a utilizar.

Vehículos con motor térmico utilizados

Motores de gasolina

Empezamos por estos siete coches.

En la diapositiva se ve la imagen de cada uno y las tecnologías que los definen, no todas centradas en el motor, al que luego analizaremos con detalle.

En el texto que sigue se indica la implantación técnica que vemos en las correspondientes imágenes:

Renault 5 TL de 1972

  • Motor longitudinal delantero, detrás del eje, y tracción (delantera)

Renault Clío Williams de 1993

  • Motor transversal delantero y tracción (delantera)

BMW 320i de 1978, 1992, 1996 y 2021

  • Motor longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera)
Vehículos con motor térmico utilizados
Motores de gasolina

Motores diésel

Estas son las implantaciones que vemos en las imágenes de cada uno de estos cuatro coches:

Seat 131 2500 SOFIM de 1977

  • Motor longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera)

Fiat Croma 1.9 TD de 1989

  • Motor transversal delantero y tracción (delantera)

Renault Laguna 2.2d de 1996

  • Motor transversal delantero y tracción (delantera)

Mercedes C 220 CDI

  • Motor longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera)
Vehículos con motor térmico utilizados
Motores diésel

Motores de gasolina deportivos

En estos cuatro coches deportivos con objetivos puramente prestacionales vemos sus implantaciones:

Ferrari 365 GTB4 Daytona de 1968

  • Motor longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera) con implantación transaxle

Ferrari F355 V8 de 1998

  • Motor longitudinal central y propulsión (tracción trasera)

Porsche 911 GT3 de 2016

  • Motor longitudinal trasero por detrás del eje y propulsión (tracción trasera)

Porsche 911 Turbo S de 2019

  • Motor longitudinal trasero por detrás del eje y propulsión (tracción trasera)
Vehículos con motor térmico utilizados
Motores de gasolina deportivos

Ya están presentados los coches y ahora nos centramos en sus motores, especialmente en lo relacionado con el par, la potencia y las formas en que son generadas por el motor.

Datos del motor térmico

  • OHV indica que el árbol de levas es lateral en el bloque y las válvulas están en culata o cabeza
  • DOHC es doble árbol de levas en culata o cabeza
  • DFV distribución de fase variable
  • TC turbocompresor

Potencia específica (Pote)

  • Es la potencia que aporta el motor por cada litro de cilindrada
  • Se calcula dividiendo la potencia en CV o kW entre los litros del motor, las unidades son CV o kW por litro
  • Si el valor es alto indica que se ha “apretado” al motor para obtener potencia, que aporta aceleración y velocidad, es decir es a altas RPM cuando da lo mejor
  • Las exigencias mecánicas implican más desgastes de los elementos afectados del motor, si se utilizan las máximas prestaciones
  • Si se comparan motores; con Pote más altas tendrán mejores prestaciones de aceleración y probablemente menos respuesta a bajas RPM, que se soluciona si el motor cuenta con sobrealimentación
  • Los automóviles deportivos y por supuesto de competición tienen valores altos del Pote

Par específico (Pare)

  • Indica el valor del par por cada litro de cilindrada, se obtiene dividiendo el par entre la cilindrada en litros y se mide en kgm o Nm por litro
  • Los valores altos indican que se busca más rendimiento y respuesta desde bajas RPM, más par
  • En principio, si se logran buenos valores el motor empuja desde bajas RPM lo que implica menos desgastes
  • Los valores más altos de Pare los encontramos en motores de vehículos pesados, en los que la fuerza, que es el par, es determinante
  • Con sobrealimentación aumenta el par, y también la potencia pues esta es función del par y las RPM; Potencia = Par x RPM
  • Este resultado se divide por una constante según las unidades que intervienen

Cilindrada unitaria (Cu) y % de cilindrada unitaria (%Cu)

Corresponde la Cu a la de cada cilindro del motor, por lo que se calcula dividiendo la cilindrada total entre el número de cilindros

El % Cu es cuanto representa esta (Cu) sobre la cilindrada total:

  • Si los valores de Cu y % Cu son altos se busca más par que potencia y a la inversa
  • Hay más vibraciones de funcionamiento y menos rozamientos internos
  • Con valores más bajos el motor funciona más suave, las explosiones (gasolina) y combustiones (diésel) son más seguidas y el volante de inercia del motor puede ser menos pesado
  • Los rozamientos internos son mayores y es probable que se favorezca más la potencia que el par con valores bajos

Índice de elasticidad práctico (Iep)

  • Elasticidad es la capacidad de respuesta del motor al acelerar en un amplio margen de RPM, se logra si la curva de par es más plana, lo que supone que se mantiene en valores altos en este margen de RPM
  • Una forma de hacerse una idea de la elasticidad del motor es dividir la potencia máxima entre el par máximo, da un valor al que denominamos Iep; cuanto menor sea mejor elasticidad y a la inversa
  • Si la elasticidad es buena, Iep menor comparativamente, se puede recuperar al acelerar desde bajas RPM con suficiente respuesta, no es necesario reducir de relación de caja de cambios
  • En caso de que la elasticidad sea menor, Iep más alto comparativamente, la respuesta desde bajas RPM al acelerar puede ser insuficiente siendo preciso pasar a una marcha inferior en busca de más potencia
  • Hay tecnologías para bajar el valor del Iep y disponer de más elasticidad, entre estas; distribución de fase variable, turbocompresor (más si es de geometría variable o doble entrada)… de estos sistemas hemos propuesto al fina enlaces a otros artículos del blog

Como complemento a esta introducción vamos a ver dos coches con diferentes motores y objetivos; Renault 5 TL de 1972 y Renault Clío Williams de 1993.

 

Renault 5 TL (1972)

  • 4 cilindros en línea (delantero longitudinal central y tracción)
  • Cilindrada 956 cc; cilindrada media en coches urbanos de entonces
  • OHV 2 válvulas por cilindro; árbol de levas lateral en el bloque y válvulas en culata, una de admisión y otra de escape
  • Diámetro y Carrera en mm 65 / 80; más carrera que diámetro
  • Relación de Compresión 8,3; es un valor para gasolina con bajo IO
  • Potencia máxima 43 CV / 6000 rpm; es un valor medio para la época
  • Par máximo 6,4 kgm / 3500 rpm; valores y RPM habituales entonces
  • Carburación; sistema de alimentación de gasolina por succión del combustible
  • Sin sobrealimentación (TC); la admisión se produce por la succión de los cilindros
  • Potencia específica Pote 45 CV/litro; un valor medio entonces
  • Par específico Pare 6,7 kgm/litro; se busca elasticidad, aunque por los valores de par no habrá mucho empuje
  • Cilindrada unitaria Cu 239 cc y % Cu 25; es un valor bajo que favorece suavidad de funcionamiento
  • Índice de elasticidad práctico Iep 6,7; es medio y responde suave pero con poco empuje por el valor del par
  • La caja de cambios es de cuatro relaciones con caída de RPM al cambiar que se compensa con respuesta suave, aunque no muy notable

Renault Clío Williams (1993)

  • 4 cilindros en línea (delantero transversal y tracción)
  • Cilindrada 1998 cc; es elevada para el coche, lo que se busca es potencia sin exceso de RPM
  • DOHC 4 válvulas por cilindro; doble árbol de levas en culata, dos válvulas para cada función de admisión y escape
  • Diámetro y Carrera en mm 82,7 / 93; más carrera que diámetro
  • Relación de Compresión 10; indica que busca rendimiento (par) y potencia
  • Potencia máxima 150 CV / 6100 rpm; buen valor obtenido por la cilindrada a RPM no muy altas
  • Par máximo 18,1 kgm / 4500 rpm; valor alto para entonces con buena respuesta, aunque esta a bajas RPM es menor
  • La curva tiene un vacío antes del par máximo, es el efecto multiválvulas
  • Inyección electrónica multipunto; con inyección indirecta se mejora el rendimiento, equilibrio prestaciones y consumo
  • Sin sobrealimentación (TC): la admisión se realiza por succión de los cilindros
  • Potencia específica Pote 75 CV/litro; el valor es elevado para el coche y época, se busca potencia. En la curva se ve su forma
  • Par específico Pare 9 kgm/litro; es también un buen valor pero por debajo de 3000 RPM es menor. Se ve en la curva de par
  • Cilindrada unitaria Cu 499,5 cc y % Cu 25; es un valor medio para la cilindrada del motor
  • Índice de elasticidad práctico Iep 8,3; indica que se prima más la potencia que el par, menos margen de elasticidad
  • Caja de cambios con 5 relaciones, más cerradas para que haya poca caída de RPM al cambiar de marcha

Datos del motor térmico

Tras esta introducción vamos a ver cuatro comparativas de motores que puedes seguir en las imágenes con sus textos.

En la imagen final del artículo se incluye la explicación en conjunto de los datos vistos en estos motores.

Comparativa motor térmico

Motores de gasolina

BMW 320i de 1978, 1992, 1998 y 2021

Se ve la evolución con la particularidad de la decepción del motor multiválvulas al tener la sensación de que falta par a bajas RPM, lo refleja la curva de par del modelo de 1992; con la distribución de fase variable DFV se solucionó este detalle, se ve en la curva de par del modelo de 1998.

Tras años de tener seis cilindros para el motor de dos litros, BMW lo redujo a cuatro por costes y bajar consumos.

Con la incorporación del turbocompresor el par y la potencia aumentan sensiblemente aportando muy buena respuesta desde bajas RPM, lo vemos en las curvas del modelo de 2021.

Comparativa motor térmico
Motores de gasolina

Motores diésel

Seat 131 2500 SOFIM de 1977, Fiat Croma TD de 1977 (primer turismo con inyección directa diésel), Renault Laguna 2.2 d de 1996 y Mercedes C 220 CDI de 2014

Al poder utilizar el motor diésel en coches, inyección en precámara de combustión (Mercedes en 1936), se logró menos coste por consumo que con gasolina, asumiendo ruido y vibraciones.

El motor 2500 SOFIM aportaba muy buen par motor, para la época, con prestaciones desconocidas en un turismo diésel, eso sí con algo más de consumo.

Fiat con el 1.9 TD consiguió aplicar la inyección directa en un motor diésel para coche, reduciendo el consumo pero con más ruido y vibraciones.

Con ayuda del turbocompresor en este motor la respuesta y prestaciones son buenas.

Hubo un intento de aplicar la tecnología multiválvulas a los motores diésel con precámara de combustión y sin turbocompresor.

Hay dos marcas que lo hicieron, puede que hubiera otras, Mercedes con cuatro por cilindro y Renault con tres, este es el 2.2d que incluimos en el análisis.

El llenado a bajas RPM con diésel y multiválvulas no aumenta especialmente, pero si al subir de RPM, lo que implica perder respuesta a bajas RPM, inesperado en un diésel, por lo que es necesario subir más de vueltas.

Estos motores no tuvieron mucho éxito y muy pronto incorporaron turbocompresor y enseguida inyección directa.

El Mercedes C 220 CDI ya cuenta con turbocompresor, además de geometría variable, lo que aporta excelentes valores de par y potencia a su motor de cuatro válvulas por cilindro, asistido por la inyección directa electrónica independiente para cada inyector, conocida como common rail.

Comparativa motor térmico
Motores diésel

Motores de gasolina de coches deportivos

Ferrari 365 GTB4 (Daytona) de 1968, Ferrari F355 V8 de 1998, Porsche 911 GT3 de 2014 y Porsche 911 Turbo de 2019

En los coches deportivos los objetivos son claros, lograr las mejores prestaciones relacionadas con la aceleración y velocidad.

No importa la capacidad de ocupantes, volumen del malero y más aspectos imprescindibles en otros coches.

El Ferrari 356 GTB4 con carburación y sin distribución variable aporta escasa respuesta a bajas RPM y su alimentación por carburadores no colabora, en estas condiciones de uso se dispara el consumo y las bujías no queman bien lo que requiere frecuentes mantenimientos.

Es un coche con un motor para funcionar a partir de medio régimen.

El F355 V8 aporta la distribución de fase variable e inyección multipunto (electrónica indirecta), sigue habiendo diferencia entre el empuje a bajas RPM y desde medio régimen, pero al poder mantener un buen llenado a bajas RPM es posible circular en estas condiciones sin problemas de respuesta ni alteración del comportamiento de las bujías.

Los dos Porsche que incluimos tienen distribución de fase variable, denominada Variocam por la marca, además de modificar la fase de secuencias de apertura y cierre de las válvulas varia su alzado.

Se aprecian las aportaciones en el Turbo S del turbocompresor, con excelentes aumentos de par y potencia a menos RPM ambos, lo que permite mejorar el comportamiento del motor a bajas RPM, aunque su mejor empuje está desde medio régimen.

Comparativa motor térmico
Motores de gasolina de coches deportivos

Resumen de los datos del motor térmico

En la imagen se han colocado los datos que hemos utilizado en líneas horizontales para que se puedan comparar y valorar los resultados, son; potencia específica Pote, par específico Pare, % de cilindrada unitaria sobre la total % Cu e índice de elasticidad práctico Iep.

En el texto que acompaña a las imágenes puedes leer las conclusiones.

Como resumen de lo que hay actualmente y lo previsto mientras dure el motor térmico podemos destacar:

  • Reducir el número de cilindros
  • Distribución de fase variable
  • Sobrealimentación, que es un elemento más del motor
  • Multiválvulas
  • Inyección directa common rail en diésel, en gasolina inyección directa (también puede incluir indirecta en el mismo motor)

Al final se busca que la curva de par sea lo más plana posible, como en el motor eléctrico.

Resumen de los datos del motor térmico

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