Dentro del cilindro

Un motor de coche tiene una sola función: convertir el calor de la combustión del combustible en la rotación de un eje. Casi todos los coches de gasolina y diésel lo hacen con el mismo truco, repetido en varios cilindros: un pistón que sube y baja dentro de un tubo, y un mecanismo que convierte ese movimiento rectilíneo en giro.

Las piezas clave de un cilindro, de arriba a abajo:

• Cilindro y culata. El tubo en el que se desliza el pistón, cerrado en la parte superior por la culata. El espacio entre el pistón y la culata es la cámara de combustión.
• Válvulas. Dos o más pequeñas puertas en la culata: las válvulas de admisión dejan entrar aire fresco (y, en muchos motores, combustible); las válvulas de escape dejan salir los gases quemados. Un árbole de levas giratorio las abre en los momentos adecuados.
• Bujía (motores de gasolina). Genera una chispa que enciende la mezcla de combustible y aire.
• Pistón. El émbolo. Los anillos que lo rodean sellan la holgura con la pared del cilindro.
• Biela. Una barra resistente que une el pistón con el cigüeñal. Oscila mientras se mueve.
• Cigüeñal. Un eje con una sección desplazada, el codo de cigüeñal. Cuando el pistón empuja la biela, la biela hace girar el codo en un círculo, como un pie girando el pedal de una bicicleta.
• Volante de inercia. Un disco pesado en el extremo del cigüeñal que almacena la energía de rotación.

La carrera es la distancia que recorre el pistón entre su punto más alto, el punto muerto superior (PMS), y su punto más bajo, el punto muerto inferior (PMI). El codo del cigüeñal está a una distancia r del centro del eje, por lo que el pistón sube r y baja r en media vuelta: carrera = 2r.

La altura del pistón se deduce de la geometría del cigüeñal y la biela. Con el ángulo del cigüeñal θ medido desde el PMS y una biela de longitud l, la distancia desde el centro del eje hasta el perno del pistón es x(θ) = r cos θ + √(l² − r² sin² θ). No necesitas calcular con esto, pero fíjate en lo que dice: cada posición del pistón está determinada por el ángulo del cigüeñal. Gira el cigüeñal y todo el motor se mueve; nada puede estar fuera de sincronía.

El pistón no rota. Se desliza en línea recta; la biela oscila de lado a lado; solo el cigüeñal gira. Y el pistón en realidad se detiene un instante en la parte superior y en la inferior, donde invierte su dirección, y se mueve más rápido alrededor del medio de cada carrera.

Dos tamaños describen un motor. El volumen barrido (cilindrada) de un cilindro es el área del pistón multiplicada por la carrera: V = (π/4) × diámetro² × carrera. Para un diámetro y una carrera de 86 mm cada uno, V = (π/4) × 0.086² × 0.086 ≈ 0.0005 m³ = 0.5 litros, por lo que cuatro de esos cilindros forman un motor de 2.0 litros.

La relación de compresión compara los volúmenes máximo y mínimo que tiene el gas: RC = (V_barrido + V_holgura) / V_holgura, donde el volumen de holgura es lo que queda por encima del pistón en el PMS. Si un cilindro barre 500 cm³ y quedan 50 cm³ en la parte superior, RC = 550 / 50 = 11 : 1.

¿Qué tan rápido se mueve el pistón? Su velocidad media es 2 × carrera × (revoluciones por segundo). A 6 000 rpm (100 rev/s) con una carrera de 86 mm, eso es 2 × 0.086 × 100 ≈ 17 m/s, unos 62 km/h, subiendo y bajando cientos de veces por segundo. Esa es una de las razones por las que hay un límite a la velocidad a la que los motores pueden girar con seguridad.