Los motores modernos usan una variedad de aleaciones metálicas para lograr durabilidad, peso, costo y otros criterios de diseño. Y hay diferencias de un automóvil a otro o, en algunos casos, incluso entre dos motores que tienen el mismo diseño básico, pero tienen diferentes usos, como el motor de un automóvil de pasajeros frente al motor de una camioneta.
Caja del cilindro: en los viejos tiempos, la mayoría de los motores de los automóviles de pasajeros utilizaban una caja del cilindro de hierro fundido, principalmente porque el hierro era económico y duradero. Pero también es pesado, lo que no fue un problema en los días anteriores a los requisitos corporativos de economía de combustible promedio exigidos por el gobierno (en los EE. UU.), Pero ha caído en desgracia hoy, excepto en camionetas y algunos SUV. En cambio, la mayoría de los motores modernos cuentan con una carcasa de cilindro de aluminio, que pesa significativamente menos peso que el hierro, lo que ayuda a los fabricantes a alcanzar sus objetivos de peso para el automóvil, que es un factor importante para alcanzar los objetivos de ahorro de combustible.
Sin embargo, el aluminio no es tan fuerte como el hierro, que en los viejos tiempos presentaba problemas. Inicialmente, en la década de 1960, algunos fabricantes de automóviles ya conocían los beneficios del aluminio en comparación con el aluminio; después de todo, aparte de la economía de combustible, tener menos peso para moverse es como tener más potencia, por lo que estaban experimentando bloques de fundición con aluminio. Pero esos primeros experimentos generalmente involucraron el uso de los mismos moldes que estaban destinados a usarse con hierro fundido, pero en su lugar vertieron aluminio fundido en ellos. Esto a menudo resultó en bloques agrietados, porque el grosor de las paredes no era suficiente, o en lugares como los valles elevadores no tenían suficiente material para resistir el agrietamiento. Hoy en día, la mayoría de los bloques de aluminio están diseñados con nervios y almas de refuerzo exteriores (e incluso interiores) que resisten la torsión y el agrietamiento, pero agregan un peso mínimo.
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Culatas: al igual que los bloques del motor (es decir, cajas de cilindros), las culatas también eran tradicionalmente de hierro, pero a medida que el peso se hizo cada vez más importante, el aluminio se hizo favorable, por lo que la mayoría de las culatas de los automóviles de pasajeros son de aluminio fundido. (Los camiones a menudo aún dependen del hierro, debido a la durabilidad). Las cabezas de aluminio pueden ofrecer un beneficio adicional: dado que el aluminio es más eficiente térmicamente, los motores a menudo pueden ejecutar una mayor compresión del cilindro, y por lo tanto producen más potencia, en comparación con una cabeza de hierro, que sufriría de detonación (sin gasolina de mayor octanaje).
Para dar una idea de cuánto más caro solía ser el aluminio, en 1969, un Corvette base costaba $ 4,781. Un hierro tradicional L68 427 agregó solo $ 131.65; incluso el poderoso (hierro) L88 427 agregó solo $ 437.10. Pero Chevy también ofreció el exótico ZL1 427, que presentaba un bloque de aluminio y culatas … ¡y esa opción agregó la increíble suma de $ 4,718.00, casi tanto como el auto en sí! Chevrolet también solía ofrecer una opción de culata de aluminio – RPO L89 – para el L71 427, pero agregó $ 394.05 sobre el precio del L71 con cabeza de hierro.
Cigüeñal: los cigüeñales generalmente están hechos de acero fundido y son notablemente fuertes … hasta cierto punto. Para motores de mayor rendimiento, el acero forjado es el material de elección. Hay varias aleaciones de cada uno, y las bielas forjadas y forjadas siguen siendo bastante comunes hoy en día.
Bielas: al igual que con los cigüeñales, el acero fundido fue el material base para las bielas durante muchos, muchos años. El acero forjado se usaba más comúnmente en motores de alto rendimiento. Muchos fabricantes a menudo producían el mismo diseño de pieza en cada material, por lo que, por ejemplo, un Chevrolet V8 de bloque pequeño de bajo rendimiento habría presentado varillas fundidas, pero una versión de alto rendimiento, como la DZ 302 utilizada en el Camaro Z 1967-1969 / 28, utilizaba las barras “rosadas” forjadas de Chevy. A principios de la década de 1990, GM desarrolló un nuevo proceso: bielas de metal en polvo. Básicamente, toman “polvo” de hierro, luego lo calientan y lo forjan en forma de una biela. El resultado es una parte razonablemente fuerte y razonablemente ligera que es bastante rentable. GM utiliza varillas de metal en polvo en casi todos sus motores de servicio estándar. Los motores de alto rendimiento como el LS7 o el LS9 sobrealimentado (también conocido como ZL1 / ZR1) todavía presentan varillas de acero forjado de mayor resistencia. Los motores de carrera y algunos usados en autos exóticos pueden utilizar bielas de titanio, que son increíblemente livianas pero extremadamente fuertes … pero también son extremadamente caras.
Un poco de curiosidad sobre las varillas de metal en polvo: mientras que las varillas tradicionales se moldean o se forjan, las tapas se cortan de la parte y ambas partes se mecanizan para un acoplamiento y dimensiones adecuadas, las varillas de metal en polvo se forjan y las tapas se rompen del resto de la varilla (en lugar de cortar), y las superficies de acoplamiento irregulares (que son específicas de la varilla y la tapa, no se pueden mezclar y combinar) en realidad son súper fuertes y minimizan la posibilidad de desalineación. Guardar los pasos de mecanizado hace que las varillas PM sean aún menos costosas de producir.
Pistones: los pistones tienden a venir en tres materiales: el aluminio fundido es el menos costoso, pero también el menos duradero. (Son bastante duraderos para motores de calle típicos de hasta aproximadamente 5000 rpm). Los pistones de aluminio forjado generalmente se reservan para motores de alto rendimiento, especialmente motores de carrera o motores sobrealimentados o turboalimentados. No es sorprendente que los pistones de aluminio forjado cuestan más. Los pistones hipereutécticos son un compromiso entre el aluminio fundido y forjado; son pistones fundidos, pero el aluminio permite presenta un alto contenido de silicio, lo que los hace más duraderos que el aluminio normal. Como habrás adivinado, los pistones hipereutécticos cuestan más que los pistones fundidos pero menos que los forjados.
Válvulas: las válvulas de admisión y escape generalmente están hechas de acero en motores de bajo costo. Dado que la válvula de escape es generalmente el componente más caliente en un motor de combustión interna, tienden a ser de un acero de mayor grado que puede resistir mejor el calor extremo, en comparación con las válvulas de admisión que se benefician del efecto de enfriamiento natural de tener el aire fresco, aire frío + carga de combustible soplar a través de ellos. Los motores de alto rendimiento a veces usan válvulas de acero inoxidable para resistir mejor el calor y la corrosión. Y los motores de carrera a menudo usan válvulas de titanio más por su peso liviano (que ayuda a elevar la “línea roja” o las rpm máximas a las que se puede acelerar un motor) que cualquier capacidad para combatir el calor.
Guías de válvula y otros componentes: las guías de válvula son los tubos por los que las válvulas de un motor se deslizan hacia arriba y hacia abajo. Las guías reemplazables se usan porque el movimiento hacia arriba y hacia abajo de la válvula causa desgaste, y eventualmente necesitaría reconstruir las culatas, por lo que las guías reemplazables lo hacen más fácil. Los motores económicos generalmente usan una guía de hierro, porque son económicos y duraderos. Los motores de rendimiento generalmente usan guías de bronce, principalmente porque ofrecen propiedades de lubricación superiores y son más indulgentes con cualquier residuo que pueda meterse entre la válvula y la guía (la partícula puede incrustarse en el bronce, minimizando el daño a la válvula). Si bien las guías de hierro siguen siendo populares hoy en día, muchos motores de producción utilizan guías de metal en polvo, que ofrecen algunas ventajas de costo para los fabricantes y ventajas de durabilidad para los clientes. Los retenedores y retenedores generalmente están hechos de acero, pero las aplicaciones de mayor rendimiento pueden utilizar titanio para reducir el peso del tren de válvulas para una mejor capacidad de aceleración. Y los balancines solían ser siempre de acero estampado, pero muchos hoy en día son de aluminio, a menudo con fulcros de puntas de rodillos y, a veces, también puntas de rodillos, para minimizar la fricción. Las varillas de empuje son típicamente de acero, y el acero al cromol es popular para aplicaciones de alto rendimiento. Los sellos de las válvulas pueden estar hechos de una variedad de materiales, como caucho, nylon, vitón o teflón.
Colectores de admisión: los colectores de admisión (o entrada) canalizan aire o aire + combustible a los cilindros. En los viejos tiempos, generalmente estaban hechos de hierro fundido, que era rentable, pero pesado y podía empaparse de calor después de que el motor estaba funcionando por un tiempo, lo que podría causar que el combustible se caliente en el carburador, lo que provocaría al bloqueo de vapor u otros problemas de rendimiento relacionados con la filtración de combustible. El aluminio se convirtió en una alternativa popular, ya que ahorró peso y funcionó más frío, lo que no solo resistió los problemas de filtración de combustible, sino que también mantuvo la temperatura del aire de entrada más fría para una mezcla de aire + combustible más densa (y por lo tanto potencialmente más potente). Hoy en día, muchos motores utilizan un colector de entrada “compuesto” (es decir, plástico) para un ahorro de peso aún mayor, y el plástico resiste el calor al menos tan bien como el aluminio, para los mismos beneficios de carga de aire de entrada más fríos. Nuevamente, el hierro es típicamente el menos costoso, y el compuesto tiende a ser el más costoso, mientras que el aluminio termina en el medio.
Bandeja de aceite: las bandejas de aceite (también conocido como “sumidero de aceite”) solían venir en un material: acero estampado. Y todavía vienen por ese camino. Pero hoy en día, las bandejas de aceite de aluminio fundido son cada vez más comunes, ya que ofrecen resistencia estructural y ayudan a minimizar el ruido, la vibración y la dureza (NVH). Las bandejas de aluminio, especialmente las diseñadas con aletas de enfriamiento, ayudan a extraer calor del aceite para mantenerlo más fresco, lo que proporciona otros beneficios al motor.
Cubiertas de balancines: las cubiertas de balancines (o válvulas) estaban hechas tradicionalmente de acero estampado, porque era económico de producir y se veía bien con una buena capa de pintura. Pero las superficies de las juntas de las cubiertas de acero estampadas podrían deformarse fácilmente por un apriete excesivo, lo que provocaría fugas (un problema que se vio agravado por la mala tecnología de las juntas en los viejos tiempos). Con el tiempo, las cubiertas de aluminio fundido se hicieron más populares porque eran livianas, fáciles de producir y presentaban superficies de juntas más resistentes que resistían la deformación y que ayudaban a evitar fugas de aceite. Hoy en día, las cubiertas de balancines a menudo están hechas de materiales compuestos (plástico), que son más livianos y menos costosos, pero aún pueden fabricarse con superficies de empaquetadura suficientemente robustas para evitar fugas. Las cubiertas de balancín de aluminio fabricadas tienden a usar láminas de aluminio que están dobladas y soldadas para formar una cubierta. Las cubiertas de aluminio fabricadas usan un material más delgado que las cubiertas de aluminio fundido, por lo que tienden a ser algo más livianas (aunque ambas son bastante ligeras), pero lo más importante es que permiten un espacio adicional debajo / dentro de la cubierta para los componentes más altos del tren de válvulas o los que se elevan más alto, debido a un perfil de árbol de levas más alto.
Esas son la mayor parte de las partes “duras” de un motor de combustión interna típico y los materiales en los que a menudo están disponibles, y algunas de las razones por las cuales. Espero que esta información sea útil.
