Aprende automoción

El motor de combustión interna de 4 tiempos convierte energía química (combustible) en energía mecánica (movimiento) en cuatro fases por cada ciclo. El cigüeñal completa dos vueltas completas por cada ciclo.

Puntos clave

• El cigüeñal da 2 vueltas por cada ciclo completo de 4 tiempos.
• Solo el 3.er tiempo (combustión) genera trabajo útil; los otros tres son preparatorios o de limpieza.
• En un motor de 4 cilindros, hay siempre un pistón en combustión cada media vuelta del cigüeñal — el motor funciona de forma continua y suave.
• La relación de compresión típica: gasolina 9:1–13:1, diésel 14:1–25:1. Mayor compresión = más eficiencia pero más exigencia de materiales.

Ciclo de 4 tiempos animado — Zephyris / Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

Ambos son motores de 4 tiempos con el mismo principio básico, pero la forma de encender la mezcla es radicalmente distinta y condicionan todo el diseño del motor.

Motor diésel de corte — Luc Viatour / Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

Por qué el diésel tiene más par a bajas RPM

La alta relación de compresión del diésel genera más presión en la cámara de combustión y el gasóleo se quema de forma más gradual (difusión), lo que produce un empuje más sostenido sobre el pistón. Eso se traduce en mayor par desde pocas revoluciones — de ahí que sea ideal para vehículos pesados, furgonetas y remolques.

• El motor diésel no tiene bujías — la bujía de precalentamiento solo calienta la cámara en arranques en frío, no enciende el combustible.
• El gasóleo no se puede usar en un motor gasolina y viceversa — la relación de compresión y el sistema de inyección son completamente distintos.

El turbocompresor usa los gases de escape (energía que de otra forma se desperdiciaría) para impulsar una turbina que comprime el aire de admisión. Más aire = más combustible posible = más potencia del mismo motor.

Diagrama turbocompresor — Kr7cmw0l / Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Conceptos relacionados

• Turbo lag: retardo entre que se pisa el acelerador y el turbo alcanza presión efectiva. Más pequeño el turbo = menos lag pero menos caudal a altas RPM.
• Wastegate: válvula que desvía gases de escape para limitar la presión máxima de sobrealimentación y no dañar el motor.
• Intercooler: enfría el aire comprimido antes de entrar al motor. El aire frío es más denso → más oxígeno disponible.
• Los cojinetes del turbo se lubrican con aceite del motor — un turbo caliente necesita unos minutos de ralentí antes de apagar el motor para que el aceite lo enfríe.

Un motor convencional tiene un perfil de leva fijo: abre las válvulas siempre igual. La distribución variable modifica el momento, duración o levantamiento de la apertura según las RPM y la carga, logrando más par a bajas RPM y más potencia a altas RPM en el mismo motor.

Sistemas más conocidos

• VTEC (Honda): dos perfiles de leva distintos que se enganchan por encima de ~5.800 RPM mediante aceite a presión. El cambio es brusco y audible — el famoso "kick".
• VVTi (Toyota) / VANOS (BMW) / VVT (múltiples fabricantes): giran el árbol de levas para variar el avance de apertura de forma continua y suave mediante un actuador hidráulico.
• Valvetronic (BMW): controla la carga del motor variando el levantamiento de válvula en lugar de usar mariposa — elimina el bombeo del pistón y mejora el consumo hasta un 10 %.
• Los fallos de VVT suelen generar códigos DTC P0010–P0014 (posición árbol de levas, actuador de fases). El aceite sucio es la causa más frecuente.

El catalizador de tres vías convierte los tres contaminantes principales (CO, HC y NOx) en dióxido de carbono, vapor de agua y nitrógeno mediante reacciones químicas catalizadas por metales preciosos: platino (Pt), paladio (Pd) y rodio (Rh).

Reacciones que realiza

• Oxidación CO: 2CO + O₂ → 2CO₂
• Oxidación HC: HC + O₂ → CO₂ + H₂O (quema los hidrocarburos sin quemar)
• Reducción NOx: 2NOx → N₂ + xO₂ (divide los óxidos de nitrógeno)
• El catalizador necesita alcanzar temperatura de light-off (~300 ºC) para activarse — los primeros minutos en frío son los más contaminantes.
• Para que las tres reacciones ocurran a la vez, la mezcla debe ser estequiométrica (λ=1). Si hay exceso de combustible o de aire, una de las reacciones no puede completarse.
• Se envenena con aceite quemado (sílice), refrigerante (fósforo) o gasolina con plomo. Un catalizador obstruido aumenta la contrapresión y puede causar pérdida de potencia y daño al motor.

El embrague permite desconectar temporalmente el motor de la caja de cambios para cambiar de marcha sin dañar los engranajes. Es esencialmente un acoplamiento de fricción controlado por el conductor.

• Al pisar el pedal, el cojinete de desembrague empuja contra el diafragma del plato de presión, liberando el disco y desconectando la transmisión.
• El punto de embrague es la zona donde el disco comienza a friccionar parcialmente — soltar el pedal muy rápido provoca calado del motor.
• El disco de embrague tiene un material de fricción similar al de las pastillas de freno. Se desgasta con el uso, especialmente en arranques en pendiente.
• Síntoma de embrague desgastado: patinaje (las RPM suben pero el coche no acelera proporcionalmente).

Embrague seco de automóvil — Genetics4good / Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

Al tomar una curva, la rueda exterior recorre un arco mayor — necesita girar más rápido. El diferencial permite que ambas ruedas del mismo eje giren a velocidades distintas mientras siguen recibiendo tracción del motor.

• El diferencial abierto (el más común) envía el par al eje con menos resistencia — si una rueda patina en barro, todo el par se va a esa rueda y el coche se queda atascado.
• El diferencial autoblocante (LSD) limita la diferencia de velocidad entre ruedas, repartiendo el par más equitativamente — mejora la tracción en superficies resbaladizas.
• Los coches con tracción a las 4 ruedas tienen tres diferenciales: uno por cada eje y uno central.
• El ESP puede simular un LSD frenando selectivamente la rueda que patina — se llama frenado electrónico diferencial.

La caja de cambios usa pares de engranajes de distinto tamaño para multiplicar o reducir el par del motor antes de llegar a las ruedas. Cada marcha tiene una relación distinta que adapta el motor a la velocidad del vehículo.

• 1ª marcha multiplica el par del motor ~4:1 para arrancar y superar pendientes. 5ª/6ª tienen relación ~1:1 o overdrive para ahorrar en autopista.
• El sincronizador (cono de fricción) iguala las velocidades de los engranajes antes de engranarlos. Sin él, los dientes colisionarían — es el "crunch" al cambiar sin embrague.
• La marcha atrás no lleva sincronizador — hay que detener el vehículo antes de engranarla.
• Sincronizadores desgastados: la marcha "rechina" al entrar o "se sale" al soltar la palanca.

El ABS (Anti-lock Braking System) evita que las ruedas se bloqueen al frenar fuerte. Una rueda bloqueada no puede ser dirigida — el ABS permite frenar y girar al mismo tiempo.

• La sensación de vibración en el pedal al frenar fuerte en mojado es normal — es el ABS pulsando la presión hidráulica.
• En superficies de grava o nieve suelta, el ABS puede aumentar la distancia de frenada (la rueda bloqueada hace de cuña) — la frenada sin ABS puede ser más corta en esos casos concretos.
• El ABS es la base del ESP (control de estabilidad): el ESP también usa los mismos sensores y el modulador, pero además puede frenar ruedas individuales para corregir subviraje o sobreviraje.

Ambos son frenos de fricción. La diferencia principal está en cómo disipan el calor y en su capacidad de frenada repetida a alta temperatura.

Freno de disco — Atharv Chandel / Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Freno de tambor (renderizado 3D) — Wapcaplet / Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

• Fading: pérdida de eficacia frenante por sobrecalentamiento. Los frenos de tambor son más propensos porque el calor queda atrapado dentro del tambor.
• Hoy en día los coches de turismo suelen llevar disco adelante y disco atrás. Los vehículos más económicos o furgonetas pueden mantener tambor atrás por coste y por integrar el freno de mano.

El ESP (Electronic Stability Program) compara lo que el conductor quiere hacer (ángulo de volante) con lo que el coche realmente hace (sensor de guiñada). Si detecta subviraje o sobreviraje, frena ruedas individuales y/o reduce la potencia del motor para corregir la trayectoria.

Sensores que usa

• Sensor de ángulo de volante: sabe hacia dónde quiere ir el conductor.
• Sensor de guiñada (yaw rate): mide la rotación real del vehículo sobre el eje vertical.
• Acelerómetro lateral: detecta la fuerza centrífuga en curva.
• Sensores ABS: velocidad de cada rueda para detectar la que patina.
• El ESP puede frenar una sola rueda con precisión de milisegundos. Es obligatorio en todos los vehículos nuevos en la UE desde 2014.

El alternador convierte energía mecánica (rotación del motor) en corriente alterna (AC), que luego el rectificador interno convierte en corriente continua (DC) para alimentar los sistemas eléctricos y cargar la batería.

• El alternador solo genera electricidad cuando el motor está en marcha. La batería alimenta los sistemas cuando el motor está parado.
• Tensión de carga normal: 13,8 – 14,4 V. Por debajo de 13 V = alternador deficiente. Por encima de 15 V = regulador de tensión averiado.
• En vehículos con Start&Stop el alternador suele ser BSG (Belt Starter Generator) — actúa también como motor de arranque y recupera energía en frenada.
• Si el testigo de batería se enciende con el motor en marcha, no es la batería — indica que el alternador no está cargando.

Alternador de automoción — Pentti Immonen / Wikimedia Commons (dominio público)

El CAN Bus (Controller Area Network) es una red de comunicaciones que permite que todas las UCEs del vehículo intercambien datos por un único cable de par trenzado, en lugar de usar un cable por señal.

• Un vehículo moderno puede tener 50–100 UCEs conectadas al bus CAN. Sin CAN, se necesitarían miles de cables.
• El CAN usa par diferencial: CAN_H y CAN_L. La señal se transmite como diferencia de tensión entre ambos hilos, lo que hace la comunicación muy resistente a interferencias.
• Los diagnósticos OBD-II acceden al CAN bus y pueden leer datos de cualquier UCE conectada, no solo la del motor.
• Si hay un cortocircuito en el CAN bus, puede dejar inoperativos todos los sistemas del vehículo simultáneamente.

Red CAN ISO 11898-2 — EE JRW / Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

El motor de arranque es un pequeño motor eléctrico que toma corriente de la batería para hacer girar el cigüeñal hasta que el motor de combustión arranca por sí solo. Solo funciona unos segundos por arranque.

• El solenoide hace dos cosas al girar la llave: desplaza el piñón para que engrane con la corona del volante, y cierra el circuito de alta corriente que alimenta el motor de arranque.
• Consume 100–200 amperios en el pico de arranque — es el mayor consumidor del vehículo. Una batería débil no puede arrancarlo con el motor frío.
• Una vez arranca el motor, el piñón se desconecta automáticamente por una rueda libre. Si no lo hiciera, el motor de explosión destruiría el de arranque (gira 20–30 veces más rápido).
• Síntoma típico: clic seco al girar la llave — el solenoide activa pero no hay corriente suficiente. Casi siempre es batería descargada o bornes oxidados.

El motor genera calor suficiente para fundir sus propios componentes si no se refrigerase. El circuito de refrigeración extrae ese calor y lo disipa en el radiador, manteniendo el motor en su temperatura óptima (~90 ºC).

• El termostato es la clave del sistema: mientras el motor está frío, lo mantiene cerrado (el líquido circula solo por el circuito corto, sin pasar por el radiador) para que el motor alcance temperatura rápidamente.
• Cuando el termostato se queda bloqueado abierto, el motor nunca llega a temperatura — el coche no calienta y aumenta el consumo.
• Cuando se queda bloqueado cerrado, el motor se sobrecalienta rápidamente — emergencia inmediata.
• La calefacción del habitáculo usa un pequeño radiador (aerotermo) por el que pasa líquido caliente del motor — por eso si el nivel de refrigerante es muy bajo, la calefacción no calienta.

Circuito de refrigeración — Harkonnen2 / Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

La UCE del motor calcula constantemente cuánto combustible inyectar basándose en la información de los sensores. Es un bucle de control en tiempo real que optimiza la combustión para potencia, consumo y emisiones.

Inyección directa BMW (GDI) — Ton1~commonswiki / Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

• La sonda lambda (O2) cierra el bucle de control: si la mezcla es rica (poco O2 en escape), la UCE reduce la inyección; si es pobre, la aumenta. Esto ocurre docenas de veces por segundo.
• El sensor MAF mide directamente la masa de aire que entra — es el sensor más crítico para el cálculo de la inyección en motores modernos.
• Los fallos de sensores generan códigos DTC (P0xxx) que se pueden leer con un escáner OBD-II. Un sensor averiado no siempre apaga el testigo inmediatamente — la UCE puede entrar en modo de emergencia.

La relación lambda (λ) describe si la mezcla aire-combustible es exactamente la ideal para la combustión completa (λ=1), tiene exceso de aire (λ>1, mezcla pobre) o defecto de aire (λ<1, mezcla rica).

• λ=1 / AFR 14.7:1 para gasolina es la mezcla estequiométrica — toda la gasolina se quema exactamente con todo el oxígeno disponible. El convertidor catalítico funciona óptimamente en este punto.
• Mezcla rica (λ<1): más potencia, más consumo, más CO en escape. El motor la usa en plena carga o arranque en frío.
• Mezcla pobre (λ>1): menos consumo, riesgo de fallos de encendido y temperatura elevada de escape. Motores de estratificación de carga (GDI) trabajan con mezclas muy pobres globalmente.
• Para el diésel el AFR estequiométrico es ~14.5:1 pero el motor siempre trabaja en exceso de aire (λ>1) — por eso no necesita bujías pero necesita más temperatura para la autoignición.

La suspensión mantiene la rueda en contacto con el suelo, filtra las irregularidades del terreno y permite girar. El diseño condiciona el espacio disponible, el coste y el comportamiento dinámico del vehículo.

• La MacPherson es ligera y ocupa poco espacio lateral — perfecta para ejes delanteros donde hay que integrar la dirección. Casi todos los turismos la llevan adelante.
• La multilink permite controlar con precisión la geometría de la rueda en rebote y compresión — mejor comportamiento dinámico y aislamiento de vibraciones. Es habitual en ejes traseros de gama media-alta.
• Los amortiguadores trabajan siempre junto con el muelle: el muelle absorbe el impacto, el amortiguador disipa la energía para que el coche no siga rebotando.
• Los amortiguadores desgastados hacen que el coche "cabecea" al frenar y que la rueda "rebote" sobre el asfalto en mal estado — aumenta la distancia de frenada.

La geometría de ruedas define la posición y orientación de cada rueda respecto al chasis. Afecta directamente al desgaste del neumático, la estabilidad en línea recta, el comportamiento en curva y el consumo.

• Caída negativa (−): el tope de la rueda está inclinado hacia afuera del coche. Mejora el agarre en curva al compensar la flexión de la suspensión, pero desgasta más el interior del neumático.
• Toe-in (convergencia positiva): las puntas de las ruedas apuntan ligeramente hacia dentro. Da estabilidad en línea recta — lo habitual en ejes traseros.
• Avance positivo (caster +): el eje de dirección está inclinado hacia atrás en la parte superior. Genera el efecto de "retorno automático" del volante tras una curva.
• Una geometría fuera de tolerancia por un golpe provoca desgaste irregular del neumático (ceja en el borde interior o exterior) y el coche "tira" hacia un lado al soltar el volante.

Sin asistencia, girar el volante de un turismo parado requeriría una fuerza enorme. La dirección asistida amplifica el esfuerzo del conductor con un sistema hidráulico (bomba movida por el motor) o eléctrico (motor eléctrico en la columna o cremallera).

• La dirección hidráulica (HPS) usa una bomba movida por correa del motor — consume potencia constantemente aunque vayas recto. Tiene un tacto muy natural y progresivo.
• La dirección eléctrica (EPS) usa un motor eléctrico que solo actúa cuando se gira el volante — ahorra hasta 0,3 L/100 km. La asistencia puede variar: más ligera aparcando, más firme en autopista.
• La EPS permite implementar Lane Keep Assist y sistemas de aparcamiento autónomo sin hidráulica — es la única opción viable para vehículos eléctricos e híbridos.
• Si el testigo de dirección asistida se enciende, en la EPS suele ser un fallo de la UCE o el motor eléctrico — la dirección sigue funcionando pero sin asistencia (muy pesada a baja velocidad).