¿Cómo funciona un motor de 4 tiempos de combustión interna? Disposición de los cilíndros de un motor.

Tiempos del ciclo

Aquí se detallan los diferentes tiempos (actividades realizadas durante el ciclo) y sus características.

• 1-Primer tiempo o admisión: en esta fase el descenso del pistón aspira la mezcla aire combustible en los motores de encendido provocado o el aire en motores de encendido por compresión. La válvula de escape permanece cerrada, mientras que la de admisión está abierta. En el primer tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas da 90º y la válvula de admisión se encuentra abierta y su carrera es descendente.

• 2-Segundo tiempo o compresión: al llegar al final de la carrera inferior, la válvula de admisión se cierra, comprimiéndose el gas contenido en la cámara por el ascenso del pistón. En el 2º tiempo el cigüeñal da 360º y el árbol de levas da 180º, y además ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es ascendente.

• 3-Tercer tiempo o explosión/expansión: al llegar al final de la carrera superior el gas ha alcanzado la presión máxima. En los motores de encendido provocado o de ciclo Otto salta la chispa en la bujía, provocando la inflamación de la mezcla, mientras que en los motores diésel, se inyecta a través del inyector el combustible muy pulverizado, que se autoinflama por la presión y temperatura existentes en el interior del cilindro. En ambos casos, una vez iniciada la combustión, esta progresa rápidamente incrementando la temperatura y la presión en el interior del cilindro y expandiendo los gases que empujan el pistón. Esta es la única fase en la que se obtiene trabajo. En este tiempo el cigüeñal gira 180º mientras que el árbol de levas gira 90º respectivamente, ambas válvulas se encuentran cerradas y su carrera es descendente.

• 4 -Cuarto tiempo o escape: en esta fase el pistón empuja, en su movimiento ascendente, los gases de la combustión que salen a través de laválvula de escape que permanece abierta. Al llegar al punto máximo de carrera superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión, reiniciándose el ciclo. En este tiempo el cigüeñal gira 180º y el árbol de levas gira 90º.

Fuente: Wikipedia

Hoy hemos estado viendo este vídeo en el que se puede ver muy bien la animación de estos 4 tiempos:

Y nos ha surgido la duda de cuántos tipos de motores existen, teniendo en cuenta la colocación de los cilindros:

Agrupación de los cilindros

El número de cilindros de un motor puede ser de 2 hasta 12, los cuales, según su disposición en el motor, reciben el nombre genérico de:

• Motores con cilindros en linea
• Motores con cilindros en "V"
• Motores con cilindros horizontales opuestos o "boxer".

Motores con cilindros en linea

Estos motores tienen dispuestos los cilindros en un solo bloque en posición vertical uno detrás de otro. Estos motores pueden llevar desde hasta 8 cilindros. Los mas generalizados son los de 4 cilindros, ya que en motores de 6 cilindros o mas, la longitud del cigüeñal es demasiado grande, lo que puede producir vibraciones o lo que es peor su deformación o rotura.

Motores con cilindros en "V"

Estos motores llevan los cilindros repartidos en dos bloques unidos por una base o bancada y formando un cierto ángulo. Cada bloque lleva igual número de cilindros y todos ellos atacan un cigüeñal único.

Esta forma constructiva es ventajosa para un número de cilindros igual o mayor que 6, ya que es más compacta, con lo cual el cigüeñal, al ser más corto, trabaja en mejores condiciones, evitándose deformaciones por flexión y vibraciones torsionales.

Motores con cilindros horizontales opuestos (boxer)

Estos motores son una variante particular de los motores en "V". Llevan sus cilindros dispuestos en dos bloques que forman un ángulo de 180º colocados en posición horizontal y en sentidos opuestos que se unen por una base o bancada. Las bielas de cada cilindro atacan a un solo cigüeñal central. Esta disposición tiene la ventaja de reducir la altura de motor. Por eso se aplica a vehículos con espacio lateral suficiente y poca altura disponible, como es el caso de motocicletas de gran potencia, donde se utilizan motores de este tipo de 2 y 4 cilindros. Los de 4 y 6 cilindros se emplean en turismos y los de 8 cilindros en autocares donde, debido a la poca altura que ocupan, se aprovecha al máximo la longitud del chasis, obteniéndose así mayor espacio útil de la carrocería.

Motores con cilindros en "V" pequeña (VR)

En estos motores los cilindros se entrecruzan en una "V" estrecha a 15°, dando por resultado un bloque motor mas corto que un motor en linea y de construcción mas sencilla que un motor en "V". Estos motores solo tienen una culata.

Existen motores "VR" de 5 y 6 cilindros.

Motores con cilindros en "W"

En estos motores los cilindros se disponen en dos bloques de cilindros "VR" que se unen en una sola bancada inferior donde atacan a un solo cigüeñal. Los cilindros de una fila guardan un ángulo de 15° entre sí, mientras que las dos filas VR se encuentran en un ángulo de la V de 72°.

Numeración de los cilindros

La numeración de los cilindros en todos los casos constructivos viene determinado según la normativa UNE 10 052-72 y la DIN 73 021. Se empieza la numeración de los cilindros del motor por el lado opuesta a la toma de fuerza, es decir al lado contrario del volante motor. En los motores en "V" y en los horizontales (boxer), la numeración de los cilindros comienza también por el lado opuesto del volante de inercia y por el bloque de cilindros situado a la izquierda, enumerando a continuación los cilindros situados en el bloque de la derecha y también en el mismo sentido.

Motor de dos cilindros horizontales opuestos

Este tipo de motor esta formado por dos cilindros en oposición. Las bielas atacan a un cigüeñal central que tiene dos puntos de apoyo con las muñequillas dispuestas a 180º, de forma que los dos pistones suben y bajan a la vez y se encuentran sucesivamente ambos en el PMS o en el PMI.

Debido a la disposición de los codos del cigüeñal, los bloques se encuentran un poco desplazados, como ocurre en todos los motores con cilindros en "V" y horizontales.
El orden de explosiones es (1 - 2), con un desfase entre los impulsos motrices de 180º ó 360º, según que el motor sea de dos o cuatro tiempos.

Motor de 3 cilindros en linea
Este tipo de motor esta formado por tres cilindros en linea. Está formado por un solo bloque vertical. Sus tres cilindros, situados uno a continuación del otro, las bielas atacan a un cigüeñal que tiene cuatro puntos de apoyo y las muñequillas dispuestas a 240º.

La configuración especifica de los muñequillas del cigüeñal en un motor de 3 cilindros provoca una serie de oscilaciones en su funcionamiento. Para contrarrestar estas oscilaciones y conseguir una marcha suave del motor se utiliza un árbol equilibrador. El árbol equilibrador gira en sentido opuesto al del motor. Se acciona a través de una cadena impulsada por el cigüeñal.

Motor de 4 cilindros en linea

El motor de 4 cilindros en linea y 4 tiempos es el más utilizado actualmente en vehículos de turismo. Está formado por un solo bloque vertical. Sus cuatro cilindros, situados uno a continuación del otro, atacan a un cigüeñal que tiene 3 o 5 puntos de apoyo. Las muñequillas están dispuestas en un ángulo = 720º / 4 = 180º, de forma que cuando los émbolos 1 y 4 se encuentran en el PMS, los otros dos émbolos 2 y 3 se hallan situados en el PMI.

Motor de 4 cilindros horizontales opuestos
Este tipo de motor en que el ciclo se realiza en 4 tiempos, es el más generalizado entre los de disposición horizontal. Esta formado por dos bloques dispuestos horizontalmente y cuyos cárteres van unidos por sus bases. Sobre esta base común va situado el cigüeñal, apoyado en tres puntos. En cada uno de los dos bloques se alojan dos cilindros, cuyas bielas atacan el cigüeñal en cuatro puntos de empuje dispuestos dos a dos con un ángulo de 180º, en forma análoga al cigüeñal de los motores en linea.

Motor de 5 cilindros en linea 
Este motor esta formado por un solo bloque con sus cilindros situados en linea que atacan a un cigüeñal que tiene 6 puntos de apoyo. El cigüeñal lleva sus muñequillas dispuestas en un ángulo = 720º / 5 = 144º y produce en cada ciclo de funcionamiento cinco impulsos motrices simétricos con respecto al giro del cigüeñal.

Motor de 6 cilindros en linea
Este motor esta formado por un solo bloque con sus cilindros situados en linea que atacan a un cigüeñal que tiene 5 o 7 puntos de apoyo. El cigüeñal lleva sus muñequillas dispuestas en un ángulo = 720º / 6 = 120º y produce en cada ciclo de funcionamiento seis impulsos motrices simétricos con respecto al giro del cigüeñal.
La distribución por parejas, en cuanto al posicionado de los émbolos, se realiza a partir de los extremos hacia el centro (1-6; 2-5; 3-4). Esta disposición la adoptan todos los motores policilindricos porque garantiza el equilibrado dinámico del cigüeñal con respecto a sus puntos de apoyo.

Motor de 6 cilindros en "V"

Este motor tiene seis cilindros repartidos en dos bloques que forman un ángulo de 120º. El ataque al cigüeñal lo realiza conjuntamente una biela de cada bloque por cada muñequilla. El cigüeñal va dispuesto en un cárter común sobre cuatro puntos de apoyo; por tanto, lleva tres muñequillas o puntos de empuje, situados con un ángulo = 720º / 6 = 120º.

Según la posición de ataque sobre las muñequillas del cigüeñal los émbolos de cada bloque se encuentran en la posición siguiente:

• 1 y 5 en el PMS
• 2 y 6 en posición intermedia bajando
• 3 y 4 en posición intermedia subiendo

Motor de 8 cilindros en "V".

Igual que el anterior, este motor tiene los cilindros repartidos en dos bloques, formando entre si un ángulo de 90º. Las bielas atacan a un cigüeñal común que tiene cinco apoyos y cuatro muñequillas distribuidas con un ángulo = 720º / 8 = 90º. Con este sistema se obtiene también dos impulsos motrices para cada media vuelta del cigüeñal.

Según la posición de las muñequillas del cigüeñal, representadas en la figura inferior, la posición de los émbolos, en sus respectivos bloques será la siguiente:

• 1 - 6 en el PMS
• 4 - 7 en el PMI
• 3 - 5 subiendo
• 2 - 8 bajando

En la figura inferior tenemos una lista con el orden de encendido mas habitual en los diferentes tipos de motores.

Fuente: aficionadosalamecanica

En el siguiente vídeo podemos comprender mejor el funcionamiento del cigüenal:

¿De cuántos tiempos crees que es este motor? ¿Por qué?

¿Cuántos tipos de motores ves en este vídeo? ¿Cómo están dispuestos sus cilindros?

Aunque el ciclo termodinámico del motor Otto no lo estudiaremos este curso todavía, pero fijaros como las levas de las válvulas y de las bujías coordinan con el cigüenal, para tener sincronizado todo el movimiento del motor: