Iguales, pero no tanto
Hyundai sorprende al mundo de la ingeniería del automóvil al proponer un motor con cilindros de distinta capacidad. No hay antecedentes de esta tecnología, más allá de un intento de Honda en 2014.
La patente fue registrada bajo el nombre oficial de “system and method for motor-assisted nonuniform displacement engine control” (sistema y método de control para la asistencia de un motor de cilindrada (unitaria) no uniforme. El ingeniero Tony Whitehorn, responsable técnico de la filial inglesa de Hyundai, señala que la cilindrada uniforme de los motores tiene una desventaja: el margen para el control de punto de operación óptimo es insuficiente para motores con cilindros de un mismo diámetro”. Y agrega: “de forma adicional es consumida una cantidad excesiva de energía mecánica dado que la cilindrada uniforme puede ocasionar variaciones en la estabilidad de la marcha lenta, lo que también representa ineficiencia”. Dicho de otra manera, en un motor de combustión interna, la capacidad cúbica de cada cilindro es igual a la cilindrada total del motor a dividir por el número de cilindros. O sea, en un motor de cuatro cilindros de 2.000 cm3, cada cilindro tendrá 500 cm3 Contrariamente a esta regla, Hyundai presentó sus planes para un motor con cilindros de capacidad desigual. En la práctica, esto quiere decir que un motor de 2 litros de cilindrada, en lugar de cuatro cilindros con 500 cm3, tendría, por ejemplo, dos cilindros de 600 cm3 y otros dos de 400 cm3. El sistema de control computadorizado de este motor con ejes de equilibrio es imprescindible debido
a que la diferencia de capacidades produciría ruido y vibraciones que necesitan ser anulados. También ayudaría a la gestión de los valores de par distintos producidos por los diferentes cilindros. De acuerdo con los ingenieros de Hyundai, la finalidad de todo esto es lograr ventajas al nivel de la eficiencia del motor y por ende de la reducción del consumo y de las emisiones.
El equilibrio del motor
Se dice que el motor está equilibrado si durante un régimen estacionario de funcionamiento sobre sus soportes se transmiten unas fuerzas cuyas magnitudes y direcciones son constantes. El equilibrado de los motores de automóviles fue estudiado exhaustivamente por el profesor doctor ingeniero M.S. Jóvaj de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Moscú, en Rusia, así como por muchos otros investigadores, como el ingeniero Dante Giacosa de la empresa Fiat de Turín y Harry Ricardo de Inglaterra. En un motor no equilibrado la presión sobre los soportes varía continuamente y origina vibraciones en el chasis y del automóvil en su conjunto, lo que va acompañado por el debilitamiento de las uniones atornilladas, con sobrecargas en determinadas piezas, incrementando su desgaste, y con otros fenómenos indeseables. En un motor como el de
Hyundai con diferente diámetro en los cilindros, hay que trabajar con suma cautela en el número de estos y en la aplicación de ejes de equilibrio contrarrotantes, conocidos desde más de un siglo, en la técnica de los motores, pero que aquí juegan un rol decisivo. El concepto básico del eje de equilibrado ha existido desde 1904, cuando fue inventado y patentado por el célebre ingeniero británico Frederick Lanchester. Un eje de equilibrio o eje de balanceo es un eje con contrapesos excéntricos, adicional al cigüeñal, el cual anula las vibraciones que se producen en los motores que no son inherentemente balanceados. Algunos motores tienen un eje de estas características, y otros tienen dos, que giran en sentido inverso al doble de velocidad de velocidad que el motor. Los ejes de equilibrado son más comunes en los motores en línea de 4 cilindros, debido a que por la asimetría de su diseño, tienen una vibración de segundo orden inherente (la vibración se produce al doble de las RPM del motor), la cual no puede ser eliminada sin importar lo bien que estén equilibrados los componentes internos. Uno de los motores modernos que tiene dos ejes de equilibrado es el Diesel TDI de cuatro cilindros de Audi, aplicado por ejemplo en el Audi A4. En los motores de dos y tres cilindros en línea, muy utilizados en nuestros días, el problema es crítico. Contrapesos excéntricos en estos ejes, de comando desde el cigüeñal a través de una cadena o engranajes. Están dimensionados y colocados de tal forma que los giros contrarrotatorios cancelan sus reacciones inerciales en el plano horizontal, pero sumándose en el plano vertical, dado una fuerza neta igual, pero desplazada 180 grados, con la vibración indeseable del motor básico, cancelándose.
Consumo de potencia
Existe un debate sobre cuanta energía del motor cuesta mantener los dos ejes en movimiento. La cifra dada es generalmente de alrededor de 15 CV (11 kW), pero esto puede ser excesivo para pérdidas por fricción. Es posible que este sea un error de cálculo derivado de la utilización común de dinamómetros de inercia, que calculan la potencia midiendo la aceleración angular de vez de la medida real de par a velocidad constante. Los 15 HP, entonces, incluyen tanto las pérdidas de fricción como el incremento de la inercia angular de los ejes que giran rápidamente, los cuales pueden no ser un factor a velocidad constante.
Una solución difícil
El motor alternativo no puede estar completamente equilibrado, ya que es inevitable la irregularidad del par motor, lo que siempre origina la variación periódica de la carga sobre los soportes. Por eso, al hablar sobre el equilibrado del motor, con este concepto por lo común se sobreentiende la observancia del grado tolerable de vibración como resultado de las medidas constructivas y de producción adoptadas que permiten eliminar en una u otra medida las causas que suscitan el desequilibrio. El equilibrado del motor en la práctica se realiza eligiendo correspondientemente el número y la posición de los cilindros, la disposición de los brazos del cigüeñal, así como la colocación de los contrapesos y de los ejes de equilibrio en los motores que los necesitan. Los motores V12 tienen un equilibrio tan evidente que si se coloca el canto de una moneda sobre alguna de sus tapas de válvulas, ésta permanecerá en posición vertical, con el motor en funcionamiento, por supuesto. Retornando al motor con cilindros de diámetro diferente, podemos afirmar que se halla en un periodo de ensayos exhaustivos y que si todo resulta bien, tal vez aparecerán en algún modelo de automóvil de serie en los próximos años. Debemos subrayar que el objetivo de máxima con este tipo de motores es aumentar el rendimiento mecánico de la máquina. En ese sentido, esta posible solución está relacionada directamente con la desactivación selectiva de los cilindros (corte de combustible y de encendido), es decir con la cilindrada variable, que es ahora aplicada a muchos tipos de motores, dado que se necesita un alto grado de equilibrio cuando el sistema entra en funcionamiento. El motor con distinto diámetro de cilindros y con cilindrada variable constituye un verdadero reto a los diseñadores de máquinas motrices.