Materiales del motor térmico

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Los tres principales elementos del motor térmico son bloque, culata y cárter, que pueden ser de diferentes materiales.

También los colectores de admisión y escape pueden ser de determinados materiales, en el caso del de escape se ha de tener en cuenta que trabaja a muy altas temperaturas, más si el motor tiene turbocompresor.

En cuanto al de admisión, por el que circulan gases frescos, depende de su proximidad al de escape ya que si está cerca deberá soportar altas temperaturas también.

Los materiales de bloque, culata y cárter se eligen en función de su robustez, elasticidad térmica, peso y precio.

Las explosiones (gasolina) y combustiones (diésel) se producen entre la parte alta de los cilindros, es decir la superior del bloque, y la parte inferior de la culata, y estas zonas precisan ser refrigeradas.

En el motor con refrigeración por líquido se rodean las zonas calientes con una cámara llena de líquido de refrigeración, se envía caliente este líquido desde la culata al radiador, donde baja de temperatura y retorna al motor entrando por el bloque para refrigerar.

El cárter tiene la función, además de cierre inferior del motor, de ser el almacén del aceite de lubricación, enfriando el aceite durante el tiempo que está en el cárter por el aire exterior que le rodea.

En los inicios del automóvil se utilizó la fundición de hierro para estos cinco elementos que se han presentado.

Con la evolución técnica se han ido sustituyendo por materiales con mejor elasticidad térmica, sobre todo en los elementos afectados por la refrigeración, y más ligeros, cuyos costes son superiores.

En cualquier caso, la fiabilidad de estos elementos ha de estar asegurada durante la vida útil del motor.

Además de los materiales del motor, hay tres formas genéricas de disponer los cilindros en el bloque motor; integrados o desmontables como camisas secas o húmedas, que tiene sus particulares procesos de reparación cuando la ovalización de los cilindros llega al límite.

Materiales del motor: bloque, culata y cárter

Empezamos viendo las tres partes principales que conforman el motor visto desde el exterior; bloque, culata y cárter y también los colectores:

Bloque de fundición de hierro

  • Tiene poca elasticidad térmica, tarda en tomar temperatura tras arrancar en frío y al parar el motor en enfriarse
  • Es más robusto para soportar esfuerzos y su peso es alto
  • El precio es contenido

Culata de fundición de hierro

  • Tiene poca elasticidad térmica, tarda en tomar temperatura tras arrancar en frío y al parar el motor en enfriarse
  • Es más robusta para soportar esfuerzos y su peso es alto
  • El precio es contenido

Cárter de fundición de hierro

  • Tiene poca elasticidad térmica, tarda más en bajar la temperatura del aceite de su interior por el aire de la marcha
  • Es más robusto para soportar esfuerzos y su peso es alto
  • El precio es contenido

Bloque de aluminio

  • Es en realidad aleación de aluminio
  • Buena elasticidad térmica, tarda poco en tomar temperatura tras arrancar en frío y al parar el motor se enfría antes
  • Es menos robusto por lo que requiere refuerzos y aun así su peso es inferior
  • El precio es más alto

Culata de aluminio

  • Es en realidad aleación de aluminio
  • Buena elasticidad térmica, tarda poco en tomar temperatura tras arrancar en frío y al parar el motor se enfría antes, lo que reduce el consumo de combustible
  • Es menos robusto por lo que requiere refuerzos y aun así su peso es menor
  • El precio es más alto

Cárter de aluminio

  • Es en realidad aleación de aluminio
  • Buena elasticidad térmica, lo que mejora la refrigeración del aceite en su interior por el paso del aire por el exterior, mejor protección del engrase en uso intensivo en autopista
  • Es menos robusto y requiere refuerzos e incluso así su peso es inferior
  • Es más caro

Bloque y cárter de aluminio y magnesio

  • Es en realidad aleación de aluminio y magnesio
  • El magnesio no ha de estar en contacto con el agua o líquido de refrigeración, por eso no se utiliza en la culata que sigue siendo de aleación de aluminio exclusivamente
  • Están construidos de aleación de aluminio y magnesio el bloque y cárter, en el bloque en zonas donde no estará en contacto con el líquido de refrigeración
  • Muy buena elasticidad térmica, muy poco tiempo en tomar temperatura tras arrancar en frío y al parar el motor se enfría rápidamente
  • La robustez es similar a aluminio solo, por lo que requiere refuerzos
  • Es bastante más ligero de peso
  • El precio sube de forma apreciable
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De los materiales que se han presentado, actualmente se utiliza mucho el aluminio para los tres elementos, con ciertos matices; al ser habitualmente los motores sobrealimentados por turbocompresor y trabajar a alta presión, las explosiones y combustiones son muy enérgicas, por lo que es frecuente que el bloque sea de fundición de hierro, primando su robustez sobre su mayor peso.

Se mantiene la culata y cárter de aleación de aluminio por su relación respectivamente con la elasticidad térmica, rápido calentamiento tras arrancar en frío, y refrigeración del aceite en uso intensivo.

Bloque, culata y cárter de hierro o cárter de chapa de acero

Lo vemos con la silueta de base de un Citroën Traction, que tiene un motor con estos materiales:

  • Bloque, culata y cárter son de fundición de hierro por la robustez que aportan y el menor coste, aunque no es un motor al que se exija mucho al tener valores de par y potencia bajos actualmente, pero adecuados para su época
  • El cárter es habitual que en vez de fundición de hierro sea de chapa de acero, pesa y cuesta menos mejorando la transmisión térmica aire y aceite
  • Se ven imágenes de piezas reales de fundición de hierro del bloque, culata y cárter como ejemplos
  • Se resaltan los tres apoyos del cigüeñal en el bloque; uno en cada extremo y otro entre los dos cilindros centrales
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El motor longitudinal va situado por detrás del eje delantero, es de cuatro cilindros en línea con árbol de levas lateral y válvulas en culata con varillas y balancines, con mando por cadena, habitual por aquellos años.

Bloque de fundición, culata de aluminio y cárter de chapa de acero

La parte del motor que más influye en el tiempo de calentamiento es la culata, y salvo excepciones de las que veremos una, es la que antes se hizo de aleación de aluminio, los vemos sobre la silueta de un Renault 10:

  • El bloque es de función de hierro, por entonces no era habitual para esta parte el aluminio
  • La culata es de aleación de aluminio para mejorar los consumos por su mayor elasticidad térmica
  • El cárter de chapa de acero pesa menos que si fuese de fundición de hierro y mejora la refrigeración del aceite
  • Se ven imágenes de piezas reales de bloque de fundición de hierro, culata de aleación de aluminio y cárter de chapa de acero como ejemplos
  • El cigüeñal tiene cinco apoyos en el bloque motor; uno en cada extremo y otro entre cada dos cilindros
  • El funcionamiento es más equilibrado y uniforme a la vez que cuenta con mayor fiabilidad mecánica
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El motor longitudinal, está colocado tras el eje trasero, tiene cuatro cilindros en línea con árbol de levas lateral y válvulas en culata con varillas y balancines, con mando por cadena, lo más frecuente entonces.

Bloque de aluminio, culata de fundición de hierro y cárter de aluminio y chapa de acero

Un motor peculiar, al menos en el automóvil, en lo relacionado con la selección de sus materiales es el que vamos a ver sobre la imagen de fondo de un Škoda 110R:

  • El bloque es de aleación de aluminio y la culata de fundición de hierro; la culata de fundición de hierro soporta más calor y es menos sensible a alabearse, deformación, en caso de sobrecalentamiento
  • Al ser el bloque de aleación de aluminio, la dilatación de este, de mayor tamaño, es similar a la culata, más pequeña, cuando se supera la temperatura normal, lo que permite que en caso de episodios de sobre temperatura el riesgo de averías de culata y bloque sean menores  
  • El cárter es de aluminio con refuerzos de chapa de acero; equilibrio entre elasticidad térmica y robustez
  • En la imagen real de este motor se identifican; culata de fundición de hierro, bloque de aleación de aluminio y cárter de aluminio reforzado con chapa de acero
  • El cigüeñal tiene tres apoyos en el bloque; uno en cada extremo y otro entre los cilindros centrales
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El motor longitudinal está por detrás del eje trasero y es de cuatro cilindros en línea, con árbol de levas lateral y válvulas en culata con varillas y balancines, con mando por cadena, lo habitual por esas fechas.

Esta selección de materiales para bloque y culata se ha utilizado en motores sometidos a grandes esfuerzos mantenidos o puntuales, para vehículos pesados o motores estáticos.

En el automóvil no es de uso habitual.

Bloque, culata y cárter de aleación de aluminio

Las ventajas del aluminio en peso y elasticidad térmica, a pesar de su mayor coste, han ido haciendo que su utilización en el motor del automóvil fuese incrementándose.

La reducción de consumo de combustible y la contaminación consecuente son las principales razones.

Lo vemos sobre un Volvo XC90 (4×4/AWD):

  • Son de aleación de aluminio bloque, culata y cárter, logrando bastante disminución de peso y tiempo de calentamiento del motor, además de mejorar la refrigeración del aceite de lubricación circulando
  • En la imagen del motor real se aprecian estos tres elementos de aleación de aluminio y los refuerzos para mantener la adecuada robustez
  • El cigüeñal tiene seis apoyos en el bloque; uno en cada extremo y otro entre cada dos cilindros, muy buen equilibrio de funcionamiento
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El motor, transversal delantero, es de cinco cilindros en línea, con cuatro válvulas por cilindro y dos árboles de levas en culata, accionados por correa dentada.

Bloque y cárter de aleación de aluminio y magnesio y culata de aleación de aluminio

Hay motores de coches de calle que dan un paso más en busca de ligereza y eficacia térmica, asumiendo los costes adicionales inherentes que se justifican por la imagen del automóvil.

Vemos una de estas opciones sobre la silueta de fondo de un BMW 330i (xDrive):

  • El bloque y cárter son de aleación de aluminio y magnesio, con apreciable reducción de peso y algo mejor elasticidad térmica; el magnesio no ha de estar en contacto con el agua que contiene el líquido de refrigeración, lo que implica elaborado diseño y proceso de fabricación, sobre todo en el bloque por cuyo interior circula el líquido de refrigeración
  • La culata es de aleación de aluminio. No se utiliza magnesio al ser muy complejo incluir suficiente contenido de este material y asegurar que no se vea afectado por el líquido de refrigeración, ya que la culata tiene muchos huecos en su interior para el paso del aceite y líquido de refrigeración, además de los conductos de admisión y escape
  • Se ven propuestas de imágenes reales del bloque y cárter de aleación de aluminio y magnesio y de la culata de aleación de aluminio
  • El cigüeñal tiene siete apoyos en el bloque motor; uno en cada extremo y otro entre cada dos cilindros, excelente equilibrio de funcionamiento del motor
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El motor, longitudinal delantero, es de seis cilindros en línea, con cuatro válvulas por cilindro y dos árboles de levas en culata, accionados por cadena.

Materiales del motor: colectores de admisión y escape

Los colectores de admisión y escape, respectivamente para guiar la entrada del aire exterior a los cilindros del motor, y la salida desde estos al exterior, pueden ser de diversos materiales, sobre todo el de admisión.

Lo vemos sobre tres motores en los que se identifican culata, bloque y cárter, siendo la culata donde acoplan los colectores:

Motor de la izquierda

  • Los colectores de admisión y escape están en el mismo lado de la culata
  • El de escape trabaja a muy alta temperatura pues por su interior transitan los gases tras producirse las explosiones o combustiones, y necesita materiales de mucha resistencia térmica, de fundición de hierro es lo habitual
  • Por el colector de admisión pasa el aire exterior a temperatura ambiente, y las exigencias térmicas son bajas. Pero por su proximidad al colector de escape, que le transmite calor, ha de ser de materiales térmicamente resistentes, como la fundición de hierro

Motor central

  • Los colectores de admisión y escape están colocados en lados opuestos de la culata
  • El de escape ha de ser de materiales muy resistentes al calor, lo más frecuente de fundición de hierro
  • Las temperaturas de trabajo del colector de admisión son bastante más bajas, y al estar separado del de escape no recibe su calor pudiendo ser de otros materiales menos exigentes térmicamente, por ejemplo, de aleación de aluminio

Motor de la derecha

  • Los colectores de admisión y escape están colocados en lados opuestos de la culata
  • El de escape ha de ser de materiales muy resistentes al calor, lo más frecuente de fundición de hierro
  • Si el motor cuenta con turbocompresor la resistencia térmica del colector ha de ser superior, puede ser de fundición de hierro u otros materiales que soporten las condiciones térmicas de trabajo
  • Como para el mejor rendimiento del turbocompresor ha de estar lo más próximo posible al motor, es frecuente que forme parte en una sola pieza con el colector de escape
  • Como el colector de admisión no está cerca del de escape, y por su interior pasan gases a temperatura ambiente, las exigencias térmicas son bajas. Se puede utilizar, además de la aleación de aluminio, plástico u otros materiales ligeros y dúctiles
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Los colectores de admisión y escape son muy complejos de diseñar, por su interior circulan los gases a velocidades vertiginosas que han de ser guiados en busca del mejor rendimiento posible; para el mejor llenado, admisión y más rápido vaciado, escape.

La forma de los colectores, curvas, sección, longitud y superficie interior son sumamente importantes en el rendimiento final del motor, y se tiene en cuenta al seleccionar los materiales de construcción.

Ejemplos de materiales de los colectores de admisión y escape

Vemos imágenes reales de los materiales de los colectores de admisión y escape:

Motor de la izquierda

  • Los colectores de admisión y escape están en el mismo lado de la culata
  • Escape y admisión son de fundición de hierro; el de escape por necesidades térmicas y el de admisión al estar muy cerca del de escape

Motor central

  • Los colectores de admisión y escape están colocados en lados opuestos de la culata
  • El de escape es de fundición de hierro, resistente a muy altas temperaturas
  • El de admisión en el lado opuesto y con muchas menos exigencias térmicas es de aleación de aluminio

Motor de la derecha

  • Los colectores de admisión y escape están colocados en lados opuestos de la culata
  • El de escape ha de ser de materiales muy resistentes al calor, lo más frecuente de fundición de hierro
  • Si el motor cuenta con turbocompresor la resistencia térmica del colector ha de ser superior, puede ser de fundición u otros materiales que soporten las condiciones de trabajo
  • Como para el mejor rendimiento del turbocompresor ha de estar lo más próximo posible al motor, es frecuente que forme parte en una sola pieza con el colector de escape
  • El de admisión, separado del de escape, y que trabaja a temperaturas mucho más bajas puede ser de aleación de aluminio, como se visto, e incluso de plásticos especiales o materiales similares, muy ligeros y dúctiles
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En la elección de los materiales de los colectores, además de las razones térmicas, se tienen en cuenta las formas que han de tener, curvas y demás aspectos racionados con su ubicación en el vano motor, espacio disponible y disposición de los diferentes complementos intermedios necesarios en el recorrido de los gases que alteran su circulación; indicamos los más influyentes en un motor con turbocompresor:

  • Admisión; filtro de aire, caudalímetro, compresor, intercooler, mariposa de gases y entradas de recirculación de gases de escape EGR
  • Escape; turbina, elementos anticontaminación (tomas de recirculación de gases de escape EGR, catalizadores, filtros antipartículas …) y silenciadores

Cilindros en el bloque, camisas secas y camisas húmedas

Por el interior de los cilindros, situados en el bloque motor, se desplazan de arriba abajo y a la inversa los pistones para generar el par motor durante el tercer tiempo del ciclo de funcionamiento de cuatro (admisión, compresión, explosión o combustión y escape).

Nos centramos en los cilindros, llamados así por su forma geométrica, presentando las tres formas genéricas de su inclusión en el bloque motor, sus desgastes y las reparaciones en cada caso.

Cilindros integrados en el bloque (imagen de la izquierda)

  • La imagen de partida es un motor identificando bloque, culata y cárter
  • Se separa la culata para focalizarnos en el bloque
  • Los cilindros se tallan directamente en el bloque expulsando el material sobrante al exterior
  • Alrededor de los cilindros en el bloque hay una cámara, hueca en principio, que se llena de líquido de refrigeración. Esté líquido llega a menor temperatura que la de funcionamiento del motor desde el radiador donde se ha enfriado
  • La culata está sometida a la elevada temperatura de las explosiones o combustiones y ha de ser refrigerada, para lo que cuenta con huecos y conductos en su interior para el paso del líquido de refrigeración
  • Al colocar la culata sobre el bloque quedan comunicados los conductos de paso del líquido de refrigeración entre ambos elementos; el líquido sube desde el bloque a la culata y va aumentando de temperatura. Desde la culata el líquido caliente va hacia el radiador, donde baja de temperatura y retorna por debajo de nuevo al bloque
  • Cuando por el uso se desgastan los cilindros se ovalizan, quedando exceso de holgura con los segmentos y pistones, siendo necesario hacer una reparación
  • Se hace rectificando los cilindros a la sobremedida más próxima al mayor desgaste y autorizada, dejando el diámetro de los cilindros uniforme y algo mayor que el original, lo que implica que se han de poner segmentos y probablemente pistones a la sobremedida correspondiente

Camisas secas (imagen superior derecha)

  • Se hacen en el bloque cavidades con forma cilíndrica, y en su interior se colocan otras cámaras intermedias de la misma forma
  • Alrededor de este conjunto está el líquido de refrigeración
  • Dentro de estas cámaras intermedias, a presión y/o con dilataciones diferenciadas, se insertan los cilindros, que al ser independientes del bloque se denominan camisas
  • Estas camisas no están en contacto con el líquido de refrigeración identificándose como camisas secas
  • Cuando las camisas se ovalizan por el desgaste debido al uso, se extraen, según el método preconizado, presión y/o dilataciones diferenciadas, y se sustituyen por otras camisas nuevas. Aunque no varíe el diámetro será necesario sustituir los segmentos que están desgastados por el uso, y puede que también los pistones

Camisas húmedas (imagen inferior derecha)

  • El interior del bloque es hueco
  • Este hueco contiene el líquido de refrigeración
  • Las camisas se colocan en el interior del bloque, quedando rodeadas por el líquido de refrigeración, por esto se denominan camisas húmedas
  • Cuando las camisas se ovalizan por el uso se sustituyen por otras nuevas, así como los segmentos y pisones, el conjunto es el equipo motor
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El material del bloque influye en la tecnología de integración de los cilindros.

Con fundición de hierro se puede elegir cualquiera de las tres opciones vistas.

La primera es por la robustez de la fundición de hierro que permite que la superficie interior de los cilindros tenga las cualidades adecuadas con algún tratamiento específico para soportar la fricción durante la vida útil prevista del motor.

Si el bloque es de aleación de aluminio no tiene la dureza para tallar en su interior los cilindros, se han de montar camisas, secas o húmedas, e incluso unas fijas que quedan integradas y se pueden reparar rectificando a sobremedida.

Ejemplos de cilindros en el bloque, camisas secas y camisas húmedas

Con dibujos de los tres sistemas de integración de los cilindros en el bloque motor se ven bloques reales con estas tecnologías:

Cilindros en el bloque (izquierda)

  • Los cilindros están tallados directamente en el bloque de fundición de hierro
  • Se ven las canalizaciones de circulación del líquido de refrigeración alrededor de los cilindros, y la comunicación hacia la culata
  • La reparación se hace rectificando los cilindros a la sobremedida correspondiente

Camisas secas (centro)

  • Las camisas van a presión en cavidades específicas en el bloque de aleación de aluminio, una intermedia y otra exterior. La exterior está en contacto con el líquido de refrigeración
  • Las camisas no están en contacto directo con el líquido al ser camisas secas
  • Se ven las canalizaciones de circulación del líquido de refrigeración alrededor de los cilindros y los pasos de comunicación hacia la culata
  • La reparación se hace sustituyendo las camisas secas gastadas por otras nuevas

Camisas húmedas (derecha)

  • En el hueco del bloque, en este motor de fundición de hierro, están las camisas rodeadas por el líquido de refrigeración, por eso son camisas húmedas
  • Las camisas están en contacto directo con el líquido al ser camisas húmedas
  • La culata tiene pasos de comunicación y al colocarla sobre el bloque el líquido llega a su interior
  • La reparación consiste en sustituir las camisas desgastadas por otras nuevas
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Estas tres formas de integrar los cilindros en el bloque y la reparación tras el desgaste por ovalización de los cilindros la utilizan las marcas en sus modelos según sus criterios.

En el motor con cilindros tallados o integrados fijos en el bloque, la reparación es posible hasta el límite del diámetro máximo autorizado de rectificación, si el desgaste es mayor se ha de cambiar el bloque motor.

Con camisas secas se podrían sustituir varias veces, si no se producen daños al retirar las gastadas y colocar las nuevas, pues entonces se debe cambiar también el bloque motor.

Con camisas húmedas se pueden cambiar las veces que haga falta mientras no se haya deformado el bloque motor, a causa de sobrecalentamiento, por ejemplo.

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