Motor monobloque

Monobloque se refiere a un componente fabricado en un solo bloque o fundición. ^{[ 2 ]} Un motor monobloque o motor en bloque es un motor de pistón de combustión interna cuyos componentes principales (como la culata , el bloque de cilindros o el cárter ) se forman, generalmente por fundición , como una sola unidad integral, en lugar de ensamblarse posteriormente. Esto tiene las ventajas de mejorar la rigidez mecánica y la fiabilidad del sellado entre ellos.

Las técnicas monobloque se remontan a los inicios del motor de combustión interna . El uso de este término ha cambiado con el tiempo, generalmente para abordar el problema mecánico más acuciante que afectaba a los motores de su época. Ha habido tres usos distintos de la técnica:

• Culata y cilindro
• Bloque de cilindros
• Bloque de cilindros y cárter

En la mayoría de los casos, el término se refiere a la construcción monobloque, a diferencia de la práctica contemporánea más común. Cuando la técnica monobloque se convirtió en la norma, el término específico cayó en desuso. Actualmente, es habitual utilizar cilindros y cárteres monobloque, pero una culata monobloque (al menos para un motor en línea refrigerado por agua) se consideraría peculiar y obsoleta.

La junta de culata es el sello estático que soporta mayor tensión en un motor y, en sus inicios, fue fuente de considerables problemas. La culata monobloque integra el cilindro y la culata en una sola unidad, eliminando así la necesidad de un sello.

Además de la falla de la junta de culata, una de las piezas menos fiables de los primeros motores de gasolina era la válvula de escape, que solía fallar por sobrecalentamiento. Una culata monobloque proporcionaba una buena refrigeración por agua, reduciendo así el desgaste de las válvulas, ya que permitía que la camisa de agua circulara sin interrupciones alrededor de la culata y el cilindro. Los motores con juntas requerían un contacto metal con metal en esta zona, lo que interrumpía el flujo de agua.

La desventaja de la culata monobloque es que el acceso al interior de la cámara de combustión (el volumen superior del cilindro) es difícil. El acceso a través del orificio del cilindro está restringido para el mecanizado de los asientos de las válvulas o para la inserción de válvulas angulares. Una restricción aún más importante es la eliminación de carbonilla y el rectificado de los asientos de las válvulas, una tarea habitual en los motores más antiguos. En lugar de desmontar la culata desde arriba, el mecánico debe desmontar los pistones, las bielas y el cigüeñal desde abajo. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Una solución para los motores de válvulas laterales consistía en colocar un tapón roscado justo encima de cada válvula y acceder a ellas a través de este (como se muestra en la ilustración). Las roscas cónicas del tapón proporcionaban un sellado fiable. Para motores de baja potencia, esta solución fue popular durante algunos años, pero resultaba difícil refrigerar este tapón, ya que la camisa de agua no se extendía hasta su interior. A medida que aumentaba el rendimiento, también se hizo importante contar con mejores diseños de la cámara de combustión con menos "espacio muerto". Una solución consistía en colocar la bujía en el centro de este tapón, lo que al menos aprovechaba el espacio. Esto alejaba la bujía de la cámara de combustión, lo que provocaba trayectorias de llama más largas y un encendido más lento.

Durante la Primera Guerra Mundial , el desarrollo del motor de combustión interna progresó enormemente. Después de la guerra, al reanudarse la producción de automóviles civiles, la culata monobloque se requirió con menos frecuencia. Solo los automóviles de alto rendimiento, como el Leyland Eight de 1920, la siguieron utilizando. ^{[ 6 ]} Bentley y Bugatti ^{[ 4 ] [ 7 ]} fueron otras marcas de carreras que se adhirieron notablemente a ellas, durante las décadas de 1920 y 1930, siendo su uso más famoso en los motores de carreras estadounidenses Offenhauser de cuatro cilindros en línea , diseñados y construidos por primera vez en la década de 1930.

En aquella época, los motores de las aeronaves comenzaban a utilizar altas presiones de sobrealimentación , lo que aumentaba la tensión en sus juntas de culata. Motores como el Rolls-Royce Buzzard utilizaban culatas monobloque para mayor fiabilidad. ^{[ 8 ]}

Los últimos motores en utilizar ampliamente culatas monobloque fueron los grandes motores radiales de aviación refrigerados por aire , como el Wasp Major . Estos cuentan con cilindros individuales, por lo que el acceso es menos restringido que en un motor en línea con cárter y cilindros monobloque, como la mayoría de los motores modernos. Debido a su alta potencia específica y a la gran fiabilidad que requieren, las ventajas del monobloque seguían siendo atractivas.

Los motores de aviación general como Franklin , Continental y Lycoming todavía se fabrican nuevos ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} y continúan utilizando cilindros individuales monobloque, aunque Franklin utiliza una camisa extraíble. Se utiliza una combinación de materiales en su construcción, como acero para los cilindros y aleaciones de aluminio para las culatas para ahorrar peso. Las técnicas comunes de reconstrucción incluyen el cromado del interior de los cilindros con un acabado "agrietado" que imita el acabado " entrecruzado " que normalmente se crea con el bruñido típico de cilindros. Los motores más antiguos que funcionan con gasolina automotriz sin plomo, según lo permitido por los certificados de tipo suplementarios aprobados por la FAA , pueden requerir un reemplazo más frecuente de válvulas y asientos mediante mecanizado. Se utilizan herramientas especiales para el mantenimiento de los asientos de las válvulas en estos cilindros. ^{[ 12 ]} Se deben realizar pruebas no destructivas para buscar fallas que puedan haber surgido durante un uso extremo, daños al motor por parada repentina de la hélice o funcionamiento prolongado del motor en cada revisión o reconstrucción. ^{[ 13 ]}

Históricamente, las dificultades para mecanizar y mantener una culata monobloque fueron y siguen siendo un grave inconveniente. A medida que las juntas de culata se volvieron capaces de soportar mayor calor y presión, la técnica cayó en desuso. Hoy en día es casi desconocida, pero ha encontrado algunos usos específicos, como cuando el fabricante japonés de motores para modelos a escala, Saito Seisakusho, adoptó la técnica de las culatas monobloque para sus motores de cuatro tiempos, tanto de encendido por chispa como de combustión interna, destinados a la propulsión de aeronaves de radiocontrol .

Los cilindros monobloque también se siguen utilizando en pequeños motores de dos tiempos para equipos eléctricos utilizados para el mantenimiento de céspedes y jardines, como desbrozadoras, cultivadoras y sopladoras de hojas. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

La tecnología de fundición en los albores del motor de combustión interna permitía fundir de forma fiable piezas grandes o piezas con núcleos internos complejos para alojar las camisas de agua, pero no ambas cosas a la vez. La mayoría de los primeros motores, sobre todo los de más de cuatro cilindros, tenían los cilindros fundidos en pares o tríos, que luego se atornillaban a un único cárter.

A medida que mejoraron las técnicas de fundición, el bloque de cilindros completo de cuatro, seis o incluso ocho cilindros podía fundirse como una sola pieza. Esta era una construcción más simple, por lo tanto menos costosa de fabricar, ^{[ 16 ]} y la camisa de agua común permitía un espaciado más pequeño entre los cilindros. Esto también mejoró la rigidez mecánica del motor, frente a la flexión y la torsión cada vez más importante, a medida que aumentaban el número de cilindros y la longitud del motor. ^{[ 17 ]} En el contexto de los motores de aeronaves, el precursor no monobloque de los cilindros monobloque era una construcción en la que los cilindros (o al menos sus camisas) se fundían individualmente, y la camisa de agua exterior se aplicaba posteriormente a partir de una lámina de cobre o acero. ^{[ 18 ]} Esta construcción compleja era costosa, pero ligera, por lo que solo se utilizó ampliamente en aeronaves.

Los motores en V conservaron un bloque de fundición independiente para cada bancada . El complejo sistema de conductos necesario para los colectores de admisión entre las bancadas era demasiado complicado para fundirlo de otra manera. Por motivos económicos, algunos motores, como el V12 Pierce-Arrow , se diseñaron para utilizar bloques de fundición idénticos para cada bancada, izquierda y derecha. ^{[ 19 ]} Algunos motores poco comunes, como el Lancia V12 de ángulo estrecho de 22½° de 1919, sí utilizaron un único bloque de fundición para ambas bancadas. ^{[ 20 ]}

En la Serie 60 de 1936 se utilizó un motor monobloque de 322 pulgadas cúbicas (5,3 L) . Fue diseñado para ser el motor de próxima generación de la compañía, con un costo menor que el 353 y el Cadillac V16 . Los cilindros y el cárter del monobloque se fundieron como una sola pieza, ^{[ 21 ]} y utilizaba taqués hidráulicos para mayor durabilidad. Este diseño permitió la creación de la línea Serie 60 de precio medio.   

Los cilindros modernos, a excepción de los motores refrigerados por aire y algunos motores en V , se fabrican universalmente como un único bloque de cilindros, y las culatas modernas son casi siempre componentes separados.

Con la mejora de la fundición y la transformación de los bloques de cilindros en monobloques, también fue posible fundir tanto los cilindros como el cárter como una sola pieza. El principal motivo fue mejorar la rigidez de la estructura del motor, reduciendo las vibraciones y permitiendo alcanzar mayores velocidades.

La mayoría de los motores, a excepción de algunos motores en V, son ahora monobloque, formados por el cárter y el bloque de cilindros.

Los motores pequeños de la familia Honda GC, de uso ligero y aptos para el consumidor, utilizan un diseño monobloque sin culata , donde la culata, el bloque y la mitad del cárter comparten la misma fundición, denominada "unibloque" por Honda. ^{[ 22 ]} Una razón para esto, además del costo, es producir una altura total del motor más baja. Al ser un diseño OHC refrigerado por aire , esto es posible gracias a las técnicas actuales de fundición de aluminio y la ausencia de espacios huecos complejos para la refrigeración líquida. Las válvulas son verticales, para permitir el montaje en este espacio reducido. Por otro lado, realizar reparaciones básicas se vuelve tan laborioso que el motor puede considerarse desechable. Los motores de la familia Honda GX de uso comercial (y sus muchas imitaciones populares ) tienen un diseño más convencional de una sola fundición de cárter y cilindro, con una culata separada.

Honda fabrica muchos otros monobloques de culata, bloque y cárter bajo diferentes nombres, como la serie GXV. Todos ellos se pueden identificar externamente por una junta que divide el cárter en un ángulo aproximado de 45°.