Evolución de los motores en V en automoción

Los primeros pasos del ferrocarril en el Reino Unido, plantaron la semilla para la utilización de la máquina de vapor en el transporte de pasajeros mediante locomóviles. Esas máquinas tan pesadas y voluminosas que requerían repostar agua y carbón cada pocos kilómetros no eran la mejor idea para dichas diligencias. El desarrollo de los motores de combustión interna fue clave para incrementar la potencia específica de los nuevos automóviles. Precisamente entre los primeros motores para carros de caballos podemos encontrar el primer motor de combustión interna de 2 cilindros en V de Daimler Motoren Gesellschaft.

Motor V2 de Daimler Motoren Gesellschaft utilizado por  los primeros Panhard et Levassor y Peugeot.

La disposición en V de dicho motor fue elegida por Daimler y Maybach debido a las ventajas que ello implica. Las dimensiones del motor se ven reducidas al colocarse en esta disposición. Situando los cilindros en dos filas, la longitud total del cuerpo resulta casi la mitad y, como consecuencia, también es posible ahorrar peso en el bloque. A esto se le suma la necesidad de un cigüeñal más corto reduciendo de esta forma esfuerzos de torsión y de flexión en el eje ante las solicitaciones del mecanismo biela-manivela.

Sin embargo, una de sus desventajas pasa por el concepto del equilibrado. Este aspecto es de vital importancia en todos los mecanismos con masas rotativas. Por ejemplo, las cajas epicicloidales simples cuentan con más de un satélite, perdiendo rendimiento de transmisión, para equilibrar el sistema planetario y evitar así que este se desmonte al girar. Este equilibrado recibe el nombre de primario y es resuelto en los motores alternativos mediante el empleo de masas compensatorias, a modo de contrapesos, en el cigüeñal y árboles de levas.

Caja epicicloidal simple con marco portasatélites.

A este problema de fácil resolución hay que sumarle otro tipo de equilibrado más preocupante dado que puede aumentar las vibraciones de forma cuadrática con las revoluciones. Este equilibrado es conocido como equilibrado secundario. Conseguir dicho equilibrio en un cigüeñal con sus pistones y bielas-manivelas no es nada fácil de conseguir. Es un talón de Aquiles que el motor Wankel o el árbol de levas no sufren en demasía al no tener masas rotativas tan alejadas de su eje de rotación que proporcionen un par muy irregular al cigüeñal en cada combustión. Este problema del motor de pistones ha sido resuelto de múltiples formas en los motores en V y en el caso del motor Daimler, antes mencionado, se consiguió mediante la colocación de los 2 cilindros a 20º.

Otras de las desventajas de los motores en V pasan por la necesidad de un mayor espacio para alojar cada una de las dos bancadas en el vano motor, pasando a requerir espacio a lo ancho y no a lo largo del motor. A esto se suma la necesidad de crear dos culatas y dos tapas de balancines simétricas entre sí, con sus mecanismos de accionamiento de las válvulas bien sea por árboles de levas en cabeza o por otros sistemas de varillajes accionados por un único árbol de levas.

Motor V8 de Daimler AG en el que se puede ver la necesidad de 3 cadenas de distribución, 2 ejes intermedios y 2 árboles de levas en cabeza por bancada.

Teniendo por tanto una idea de las ventajas e inconvenientes de forma general de los motores en V, el objetivo de los ingenieros de motores a lo largo del siglo XX ha sido tratar de incrementar sus fortalezas y reducir sus desventajas. Es por ello, que vamos a comenzar este análisis por una de las marcas más pioneras en la historia del automóvil, Lancia.

Los motores en V estrecha

Antes de 1918, dos de los campos de mayor aplicación de los motores en V era el de la aviación y el marítimo. Grandes motores V8, V12 e incluso el V24 de Levavasseur fueron montados en avionetas y barcos, pero esta disposición no se encontraba en los automóviles, donde los cilindros en línea eran predominantes.

Motor V24 de Levavasseur compuesto de 3 secciones de motores V8. El motor fue diseñado para uso marino, pero se dice que el barco que debía equiparlo se hundió debido al peso.

Gracias a la Gran Guerra, el apasionado piloto e ingeniero Vincenzo Lancia viró el rumbo de su empresa para producir motores V12 de aviación. Así nacieron los motores Lancia tipo 4 de 1916 montados en los aviones Caproni Ca 37 y Ca 38. Las válvulas eran accionadas por largos balancines y un único árbol de levas colocado en el centro de la V actuaba sobre estos. La V que formaban los cilindros era de 50º.

Motor V12 tipo 4 de Lancia, diseñado en 1916 para aviación. En la foto izquierda se puede ver el ángulo de 50º y el árbol de levas en el centro. Nótese en la foto derecha los colectores de escape rectos y la forma del colector de admisión que iba dotando de mezcla a cada cilindro mediante una ramificación del colector.

Tras la 1ª guerra mundial, Lancia vuelve al mundo del transporte por carretera con la idea de reutilizar esos motores en V. Sin embargo, se topa con una de las mayores desventajas de esta disposición de cilindros, la necesidad de espacio transversal en el vano motor y el coste de fabricación de esos culatines del tipo 4. Es por ello, que Vincenzo opta por diseñar un nuevo tipo de motores V12 de 6 litros y 100 caballos en el que todos los cilindros compartían la misma culata, bloque y tapa de balancines.

Motor V12 en V estrecha de Lancia en el que se puede ver el esmero por tapar con la culata a los colectores de admisión, dejando un motor muy limpio visualmente. En la foto derecha se puede observar los balancines de la distribución de cada uno de los 3 módulos V4.

Las 2 filas de pistones se encontraban a 30 grados en los planos iniciales de diseño, pero acabaron encontrándose a 22 grados. Los cilindros estaban agrupados en 3 módulos de 4 en V de forma que así se podían dar dos apoyos centrales al cigüeñal. Las válvulas eran accionadas por un único árbol de levas que permitía evacuar el aire por colectores independientes para cada cilindro. La admisión por su parte se realizaba con un colector central, debajo del árbol de levas.

Motor V12 en V estrecha de Lancia donde se puede observar, en la foto izquierda, el ángulo a 22 grados y el colector de admisión central. Este sistema no permitía grandes relaciones de compresión implicando un peor rendimiento volumétrico. En la foto derecha se pueden observar los 3 grupos V4 dotando al cigüeñal de dos apoyos centrales.

Con toda esta proeza ingenieril, el motor fue expuesto en el salón de París de 1919, siendo testigo el público del primer motor en V estrecha de la historia. Este acontecimiento sentó las bases de los propulsores de la marca turinesa hasta bien entrados los años 70.

Siguiendo los resultados obtenidos de este novedoso V12, Lancia saca al mercado en 1922 el Lancia Trikappa que cuenta con un motor V8 a solo 14 grados, un único árbol de levas, 4,5 litros y 100 caballos convirtiéndose así en el primer coche que equipaba este tipo de motores. Los Dilambda y los Astura tan anhelados por Mussolini, equiparon motores V8 de similares características.

Motor V8 en V estrecha de Lancia desarrollado para el Lancia Dilambda. Este motor presenta la particularidad de la distribución por varillas y balancines con un solo árbol de levas, movido mediante cadenas.

Los modelos más modestos de la compañía también llegarían a tener motores de esta tecnología diseñándose motores V4 con esta misma disposición para los Artena, Augusta, Aprilia, Ardea, Appia y finalmente los Fulvia. Serían de hecho estos turismos, los últimos en equipar la V estrecha entre los modelos de Lancia hasta 1976.

Motor V4 en V estrecha en su última evolución para el Lancia Fulvia. El motor se encontraba inclinado 45º sobre el lado izquierdo, con distribución por 2 árboles de levas en cabeza y balancines. Esta configuración permitía reducir la altura del capó.

Esta tecnología fue rescatada en 1991 por el grupo VAG en motores de gasolina de 6 cilindros y más tarde para motores de 5 cilindros diesel. De estas configuraciones surgieron los motores W10 y W12 que cuentan con una disposición en V en la que cada bancada cuenta con un V5 o V6 en V estrecha.

Motor W16 formado por dos bancadas de V8 en V estrecha y utilizado por el grupo VAG en el Bugatti Veyron y Chiron.

Por tanto, los motores en V estrecha aportan ventajas frente al motor en V convencional como la homogenización del par motor aportado por cada cilindro al cigüeñal. A su vez eliminan la necesidad de dos culatas simétricas y dos sistemas de distribución, así como no alteran notablemente el equilibrado secundario al encontrarse las masas rotativas en dos planos casi idénticos.

Si por el contrario se ampliase ese ángulo y entrásemos en un modelo convencional de motor en V, sería necesario encontrar el ángulo óptimo entre bancadas que garantice dicho equilibrio secundario. Pues ese es el siguiente punto de análisis.

Los motores V6

Como se ha mencionado anteriormente, en el mundo de la automoción lo habitual era recurrir a motores en línea, en lugar de otras disposiciones más típicas de aviación. Tras la 1ª guerra mundial, el mundo de la automoción empieza a contar con motores en V de 8 y 12 cilindros. Esta elección de número de cilindros estaba muy estudiada en aviación, cada bancada contaba con 4 o 6 cilindros en línea que se sabía tenían un mejor equilibrado que los 3 cilindros en línea. Esto no significó que hubiese marcas que no intentasen crear motores V6, un ejemplo de ello fue Ricart-Pérez en 1926.

Esta marca de automóviles barcelonesa fue creada por Wilfredo Ricart y Francisco Pérez de Olaguer en 1921. La empresa desarrolló motores V4 de 4 válvulas por cilindro y 1,5 litros de cilindrada que suministraban 50 caballos de potencia al tren trasero. En el año 1926, este motor fue mejorado introduciendo 2 cilindros más y naciendo así el primer motor V6.

Motor de 6 cilindros en línea de Ricart-Pérez que contaba con 4 válvulas por cilindro y dos árboles de levas

Lamentablemente, la información de esta marca es prácticamente nula al igual que la de su sucesora Ricart-España. Es por ello, que no es posible aportar información del ángulo entre las bancadas de dichos V4 y V6, pero si se sabe que estos automóviles compitieron 20 años después frente a deportivos modernos extranjeros, batiéndolos a todos y haciéndose con el palmarés.

Ricart-Pérez en el Autódromo de Sitges

Si seguimos avanzando en el tiempo, es de interés la etapa lancista del ingeniero de motores Francesco de Virgilio. Debido a las vibraciones que aparecían en los V4 en V estrecha de los Aprilia al aumentar sensiblemente el ángulo entre los cilindros, de Virgilio optó por diseñar un nuevo motor en V partiendo de una hoja en blanco.

Durante el desarrollo del nuevo propulsor para el futuro Aurelia se topó con la dificultad de desarrollar un motor de altas prestaciones utilizando el concepto de V estrecha. El reducido espacio de la culata para cilindros que se encuentran desfasados unos frente a otros imposibilitaba la mejora del aumento del rendimiento volumétrico y por consiguiente reducía la potencia de los motores. Solo había una alternativa, volver a la disposición convencional y de esa forma se gestó el primer V6 comercial de la historia, escogiendo 60º como el ángulo óptimo para conseguir un equilibrado aceptable.

Motor V6 Lancia con 60º entre bancadas de aleación de aluminio y montado en los Lancia Aurelia, Florida y Flaminia. El motor contaba con un único árbol de levas central que comandaba las válvulas de ambas bancadas mediante varillajes y balancines.

Otro ángulo escogido con mucha frecuencia en los motores en V es 90º grados y fue utilizado en el diseño del motor V6 de Giulio Alfieri para el Citroën SM y el Maserati Quattroporte II. Dicha apertura tan amplia entre bancadas posibilitó la disminución de la altura del capó especialmente en el SM. El motor contaba a su vez con culatas idénticas, y no simétricas, en cada bancada, reduciendo de esta forma los costes de fabricación.

Motor V6 Maserati a 90º de Giulio Alfieri montado en los Citroën SM y Maserati Quattroporte II. El motor contaba con culatas idénticas, y por tanto intercambiables, una cadena de distribución que unía el cigüeñal a un eje intermedio con engranes para dos cadenas más que movían los dos árboles de levas de cada bancada.

Se comprueba así que la elección del ángulo entre bancadas responde a la necesidad de conseguir un correcto equilibrado y que en función del diseño del motor y del número de cilindros ese ángulo varía en gran medida. En el caso de que la elección de dicho ángulo entre bancadas no sea uno que garantice dicho equilibrio, se ha de optar por acoplar ejes de equilibrado que reduzcan las vibraciones de segundo orden en el motor. Pasamos así al siguiente grupo de análisis.

Los motores en V con ejes de equilibrado

En la industria la utilización de este tipo de ejes para el equilibrio secundario de mecanismos es muy utilizada. Todo ello a pesar de la reducción considerable de rendimiento mecánico al tener más inercias que absorben parte de la energía mecánica de los mecanismos en cuestión. Las dimensiones e incluso las apariencias son claves en muchas ocasiones y es por ello, que se recurre a este diseño.

En el campo de los motores de automoción, la disposición de sistemas auxiliares, como la carburación o la dirección asistida e incluso la forma de los colectores de escape y admisión son un serio problema que merma o modifica el vano motor. Este era el caso del Ford Taunus.

Este modelo de la marca americana fabricado en Europa contaba con un vano motor en el que 4 cilindros en línea carecían de un cómodo espacio para su colocación. Por otra parte, el carburador y el filtro del aire fueron pensados de forma que pudiera suministrar lateralmente mezcla a un motor en línea, como era habitual en este segmento. La única alternativa posible para este coche era por tanto un motor V4 sabiendo que la disposición en V a 60º de ese número de cilindros no era óptima para el equilibrado, siendo necesario un eje de equilibrado.

En la imagen de la izquierda se puede observar el reducido espacio del vano motor del Ford Taunus. En la foto de la derecha se puede observar el bloque y culatas sin tapas de balancines del motor V4 a 60º. A su vez se puede ver el acople del eje de equilibrado con la cadena de distribución en la parte inferior del bloque.

Las prestaciones del motor no fueron destacables, 65 caballos las versiones más potentes, en un principio principalmente por el segmento compacto al que iba destinado. Sin embargo, estos motores fueron comprados por SAAB para sustituir sus motores de 3 cilindros de 2 tiempos del 95, 96 y Sonett. Los resultados fueron excelentes en la marca sueca, ya que el espacio del vano motor era también reducido y se mejoró la compresión para los modelos de rallies, llegando incluso a 240 caballos en las versiones con turbocompresor.

A la izquierda se puede observar el eje de equilibrado del V4 de Ford visto desde la parte inferior del bloque. A la derecha se encuentra una imagen que muestra el reducido espacio en un Saab 96 para alojar un motor de más de 3 cilindros en el vano motor, el motor que monta el ejemplar de la foto es un 3 cilindros de 2 tiempos de SAAB.

Otro ejemplo de la necesidad de la utilización de ángulos desfavorables para el equilibrado es el motor V6 diesel a 120º de ENASA diseñado por Wilfredo Ricart. Fue desarrollado para ser colocado debajo de la cabina del Pegaso Z-207, hecho por el cual la V se encuentra tan abierta y hubo de requerir de un eje de equilibrado. El camión, apodado Pegaso Barajas, contaba con innovaciones como el uso de culata y bloque en aleación de aluminio y la alimentación del motor con una bomba Bosch de inyección directa. Bomba que sería perfeccionada y reducida su presión para los Mercedes-Benz 300 Adenauer W189 y los 300SL alas de gaviota W198.

Motor V6 a 120º diseñado por Wilfredo Ricart para el Pegaso Z-207. En ambas fotos se puede observar el eje de equilibrado en la parte inferior. La distribución se realiza mediante engranajes destacando la colocación de la bomba inyectora Bosch en la parte superior central, donde se puede ver que el regulador centrífugo y el arbol de levas de la bomba van conectados a la distribución. El motor cuenta con un único árbol de levas central que comanda las 12 válvulas mediante varillas y balancines. Al igual que en el V6 de Giulio Alfieri las culatas son idénticas y por tanto intercambiables.

Concluyendo ya este análisis, hemos podido ver que los motores en V han tenido un largo desarrollo desde los inicios del automóvil, sus ventajas han sido potenciadas a la vez que se ha tratado de reducir sus desventajas con motores en V estrecha y eligiendo ángulos entre bancadas óptimos para el equilibrado. Sin embargo, el vano motor y los equipos auxiliares que les rodean imposibilitaban la utilización del ángulo más efectivo entre bancadas, teniéndose que recurrir a ejes de equilibrado.

Muchos motores de motocicletas, de avión y de otros usos industriales no han sido mencionados en este artículo, ya que solo se ha pretendido dar una idea de la evolución de estos motores en el campo del automóvil. Campo del que se ha escogido solo una selecta variedad de propulsores dejando muchos en el tintero como los motores Boxer, cuya disposición difiere de los V a 180º ya que cada biela tiene su propia muñequilla del cigüeñal.

Comparación de un motor en V a 180º en la imagen izquierda, frente a un motor Boxer en la imagen derecha