Comparativa Bloque motor: aleaciones de aluminio vs aleaciones de hierro

Vuelvo al ataque, primero respondiendo algunos comentarios que he leido.

1. Eficiencia térmica. La mayor capacidad de disipar calor del aluminio no tiene nada que ver con perder rendimiento en el ciclo termodinámico. Justamente cuando se comienza a desarrollar un motor se comienza por "diseniar" el proceso de combustión. Lo que se pretende es obtener un regimen turbulento que permita adelantar y acelerar lo máximo la combustión para que haya menor transmisión de calor a las paredes de la cámara de combustión. Poder disipar el calor en la cámara de combustión es esencial para poder reducir la incidencia de autoencendidos. Y como digo el que puedas disipar mejor el calor no significa reducir la eficiencia sino a lo sumo poder dimensionar de manera mas optima el sistema de refrigeración.

2. Sobrecalentamientos. Cuando se desarrolla un motor (o componente del mismo) lo principal es analizar cual es el punto de trabajo mas critico y dimensionar en función a dicho punto con los correspondientes coeficientes de seguridad. En algunos casos excepcionales se puede llegar a tener en cuenta casos mas extremos por "mal uso", pero aun asi dicho caso se tiene que poder acotar en valor o de manera estadística. Dicho esto, ningún bloque motor se disenia para aguantar un calenton, por pura imposibilidad de definir un "calenton" (que temperatura? por cuanto tiempo? a que régimen?). De igual manera, tampoco se dimensiona un componente para aguantar 10 veces los esfuerzos de trabajo y si un tuneador puede coger tu bloque y llevarlo a 1500 cv es que el departamento de disenio esta haciendo perder dinero a su empresa.

Y continuo con algun tema mas.

3. Fabricación. Algo que todavía no se ha mencionado son las limitaciones constructivas que existen cuando se disenia un componente. Uno puede hacer en CATIA un modelo fabuloso, pero al final el departamento de fabricación dirá si eso se puede construir o no: fluidez de la fundición, espesores mínimos, contracciones al enfriarse, puntos calientes y fríos, velocidades de enfriamiento etc etc. Y en este aspecto el aluminio gana por goleada.

Antes de continuar quiero aclarar que no defiendo ni el aluminio ni la fundición de hierro. Esto no son equipos de futbol. Yo solo veo que coste-beneficio supone cada uno y en general para vehículos turismos el aluminio tiene mas ventajas que la fundición gris, como queda demostrado por el casi absoluto uso de ese material por todos los fabricantes incluso de coches exóticos tipo Chiron sin apenas limitaciones técnicas ni económicas.

Un punto que se me olvidaba es el tema del limite de fatiga del aluminio y fundición gris. Lógicamente las curvas S-N se simplifican con varias regiones LCF, HCF, VHCF que definen donde la resistencia a fatiga es limitada en ciclos y donde se puede considerar casi infinito el numero de ciclos. Es cierto que el aluminio suele presentar un punto de "inflexión" (lo siento pero me se ninguna terminología técnica en castellano) mas elevado que algunas aleaciones de acero (o fundiciones). Típicamente se sitúa ese punto en 2*10e6 mientras que algunas aceros lo tienen en 10e6 incluso 10e5. No obstante tambien hay estudios que estudian justamente regiones de muchos mas ciclos (VHCF y UHCF, very high cycle y ultra high cycle fatige) caracterizado porque la rotura de los componentes no tiene lugar en la superficie donde generalmente se encuentran imperfecciones mas grandes sino dentro del propio componente debido a imperfecciones de la microestructura (o incluso durante la fabricación). Pues bien, en dicho caso también se pueden llegar a considerar curvas S-N de aceros que tienen ligerisimas pendientes en su zona de "resistencia a fatiga infinita".

Por otro lado, cuando se hacen cálculos de fatiga de componentes ya sean de acero o aluminio lógicamente se tienen en cuenta sus propias curvas S-N asi como la dispersión entre el 10% y 90%, para análisis estadísticos en mayor profundidad. Lo típico es escoger una probabilidad de superviviencia, pongamos 1:1.000.000 y aplicar, o mejor dicho tratar de conseguir un coeficiente de seguridad determinado.

 

Gracias por tanta información. Me olvidaba por completo del coeficiente de seguridad. Al final si el bloque se diseña para aguantar unas condiciones más el margen que le apliquen, las diferencias prácticas tendrían que ser mínimas, y se buscaría qué tipo de bloque es más viable económicamente.

 

en teoría, si en hierro tarda más en calentarse, quiere decir que éste calor sale directamente por el escape? O dicho de otro modo, ¿en las fases preliminares, en un bloque de aluminio saldría menos calor por el escape, al estar el bloque absorviendo una cantidad mayor de éste?

 

El tema del aluminio se ultiza para aligerar peso y para que el motor caliente antes, reduciendo asi consumos y emisiones. Así que se me ocurra a bote pronto.

 

Hombre por ese motivo, el enfriamiento también será más lento.....y entre paradas de duración baja/media, no necesitará de “ciclo de calentamiento” de nuevo. No se.....yo eso no lo acabo de ver como una ventaja definitiva. Y más en motores modernos donde se diferencia el calentamiento de culata/bloque se puede hacer trabajar al motor con el caudal de la Bomba del refrigerante a voluntad(hasta el punto de pararla si interesa) para jugar con los tiempos de calentamiento óptimos.

 

Que yo conozca por colaborar con ellos en sus procesos de fabricación.
Lo indico por que más atrás he creído leer, que dudaban sobre la fabricación de pistones de aluminio.

Fabricantes de pistones de aluminio: Mahle Saltillo México.
Fabricantes de camisas de fundición para bloques motor: MAHLE Saltillo México.
Fabricantes de bloques motor de aluminio: Martinrea Honsel: Móstoles España y Querétaro México.

 

Pues que suerte. Aquí en verano también, pero en otoño e invierno ni de coña. Paras un rato en la calle y a la hora y poco el motor está frío total(con bajo cero en la calle es lo normal...). Yo creo que más que la composicion del bloque, influye el tamaño, los perifericos, la cantidad de refrigerante y aceite a calentar y demás. En el mío la verdad es que es poco problema porque se calienta enseguida tanto en invierno y verano(y eso que el bloque es de fundición y la culata de aleación) aunque también pierde temperatura enseguida.

 

¿El bloque de aluminio se enfriará más lento? No sé si es lo mismo, yo diría que se enfriará más rápido pues disipa mejor el calor, y en cambio el bloque de hierro tiene más inercia térmica y por ende tarda más en enfriarse, ya que disipa peor el calor. ¿Es así?

 

Así debería ser en mi comentario me refería a un bloque de fundición

 

Tu coche no duerme en garaje cerrado(subterráneo o completo??) porque el mío cuando está parado en el de curro 9-10 horas también coge temperatura enseguida, ahora, tras una noche en la cochera de casa en invierno(está abierta por un lado) se nota y bastante que sube de temperatura más despacio. De hecho se nota hasta en el tacto del cambio de marcha.

 

lo había entendido mal entonces, pensaba que hablabas del de aluminio.

 

Sí, está claro. Al final, ¿cuántos de nosotros llevamos un bloque de motor a rectificar?
Pues nadie o casi nadie. El fabricante piensa: el bloque de aluminio pesa menos y es más jodido. Pero el usuario medio del coche va a poder tener el coche 10 años y le hará 250 o 300 mil kms como mucho. Después de eso a la gran mayoría no le va a rentar reparar nada más así que para qué preocuparse. Si duran eso de p*ta madre. Si duran más eso que te llevas. Los bloques de aluminio no son malos.
Pero en algunos casos pueden ser una putada. Un motor de m5 e39 por ejemplo. Como se te joda cualquier cosa a nivel culata o juntq de culata y la cosa vaya a más, puede ser un problemón.

 

Tu piensa en terminos de ciclos de homologacion. Ahi quieres tener el motor y sus fluidos (o incluso mas importante pero por otras razones los catalizadores) a temperatura de trabajo lo mas rapido posible y en las fases donde pueda activarse el start&stop no va a perder apenas temperatura para que sea un inconveniente.

 

Para mi tan absurdo como ponerle un alerón a un tractor.

 

Dudo que haya un sólo camión de 40t que lleve un motor con bloque de aluminio. Lo dudo mucho mucho. Pero si me ponéis un ejemplo que esté generalizado, me callo, yo qué sé. Pero eso tampoco va a cambiar mi opinión al respecto.

Dadle las vueltas que queráis. Un bloque de hierro es más duradero, y más reparable que uno de aluminio. Los mejores motores siempre tienen el bloque de hierro. Un 2jz de serie puede llevar una preparación de 800 cvs perfectamente y durarte 500 mil kms. No son pocos los casos. Bloques de aluminio para motores diesel de turismo van encamisados con "spun cast iron sleeves". Y aunque el bloque es de aluminio, las camisas de los cilindros no. Y hay una muy buena razón para ello.
Si se te jode la junta de culata en un m52 de aluminio, se te puede hacer el culo pepsicola al sacarle los tornillos. No son pocos los que tienen que llevar el bloque al fresador para taladrarle los agujeros y rehacerle la rosca o meterle Helicoil. Yo preferiría buscar un bloque de m50 y adaptarlo antes que reutilizar el de aluminio. No es eso un caso generalizado en todos los bloques de aluminio. Pero ante un calentón, un bloque de aluminio completamente deformado, no es extraño. En un bloque de fundición le pasas un scotch brite con WD40 o nafta y se queda eso nuevo.
Los bloques de m54 y m52 hay casos reportados de ejes de la bomba de aceite que parten, o gripan o no sé exactamente el qué. En un m50 eso no pasa y ya le puedes meter toda la caña que quieras que te va a costar romperlo.

En durabilidad para mi, no hay ni punto de comparación. Si me dan a elegir entre un m57 con bloque de fundición o uno de aluminio, yo lo tengo más que claro, no sé vosotros. Pero yo siempre pensando en futuras perrerías que le pueda hacer.
Un bloque de m50 de serie con la junta de culata de serie aguanta bien hasta 400 cvs. Y hay m50b25 por ahí con 600 cvs. Yo en uno de aluminio no estaría tan feliz.
Por citar otro ejemplo, el motor de 5 cilindros volvo que equipan muchos focus, entre ellos el RS... tienen problemas con una ranurita que se les ocurrió meter entre los cilindros. Encima es tipo open deck. No sé cómo se dice en Español. Los ecoboost de 4 cilindros 2 litros los hicieron igual. Al final cambiaron a closed deck y les fue mejor. Con un bloque de hierro en ese motor se podrian sacar chorrocientos cvs sin mayor problema. Ya se sacan, pero por decirlo de algún modo: "no tienen muchas vidas". Los de fundición son como los gatos hahaha

 

Bueno... los bloques de aluminio se introdujeron con una electrónica mucho más avanzada y pesan menos. Eso es así. Realmente de cara al rendimiento una mejor refrigeración es peor. De hecho, llevar un motor más caliente es mejor de cara al rendimiento térmico. A fin de cuentas se pierde entre un 30 y un 40% de la potencia de la combustión, por el radiador y otro tanto por el escape. Y aumentar eso no es lo más idóneo con lo cual, lo de la conductividad térmica es como mínimo cuestionable. Pero, está claro que hay que refrigerar; es necesario. En las ecomaratones, de estos que tratan de hacer 1500 kms con 1 litro de combustible, prohibieron poner resistencias eléctricas en los cilindros... precisamente por eso; aumenta el rendimiento...

 

@4drian

En lo único que no coincidimos es en tu concepto de "mejor", que lógicamente es subjetivo.

Yo personalmente no necesito un motor que se pueda potenciar hasta 1000 cv y aguante 500.000 km, pero como contrapartida aniada 30 kg mas de peso al eje delantero (y please no nos centremos en los números que lógicamente están cogidos al azar). La cuestión es que el aluminio tiene ciertas ventajas que superan a las desventajas (si no, ningún fabricante los usuaria, y no saquemos el tema de la obsolescencia programada que en concreto en este campo no existe, demasiadas cosas a tener en cuenta y variabilidad para tratar de diseniar la vida de un componente en horas o minutos, es prácticamente imposible, y lo digo por experiencia profesional).

Por otro lado tu concepto de "mejor" puede ser adecuado para ciertos usos: mundo tuning, vehiculos pesados o industriales. Tal vez si fuera taxista daría mas importancia a la durabilidad o facilidad de reparaciones gordas que al peso u otras cualidades técnicas. Pero para un turismo con uso común las aleaciones de aluminio con las nuevas técnicas de fabricación son mas idóneas.

Sobre el argumento que las camisas de los cilindros son en acero/fundición, bien por medio de camisas o por medio de procesos como el LDS (desde el M3 GTS E92 usado en serie en muchos modelos, S55, S58, B58), tampoco invalida el uso del aluminio. Cada material tiene sus ventajas y sus aplicaciones, en algunos casos podrán usarse ambos materiales (por ejemplo hay pistones de aluminio tanto forjado como de fundición, como de acero) y en otros casos los materiales no se podrán intercambiar como por ejemplo un cigüenial donde se busca sobre todo mucha rigidez en "poco espacio". Y lo mismo ocurre con las pareces de los cilindros donde se requieren de unas propiedades tribológicas muy buenas que si ofrece el acero.

 

Que no compi, que mejorar la refrigeración no tiene nada que ver con tu proceso de combustión.

Optimizar la combustión no significa simplemente aislar la cámara de combustión. El rendimiento se obtiene en la propia combustión y tus necesidades de refrigeracion o aun peor de tener que aumentar el lambda para bajar la temperatura de combustión depende del propio proceso termodinámico. Por ejemplo el N55 del M2 emplea mezclas mas ricas en cargas altas para enfriar la combustión que el S55. Otro ejemplo, un motor de competition es capaz de funcionar incluso a carga 100% con lambdas de 1 o superiores.

Cuando se disenia la combustion lo que quieres es tener altos niveles de turbulencia y una velocidad de frente de llama lo mas rapida posible justamente para reducir la transmision de calor a las paredes.....pero si tu combustion es X y transmite un calor Y a las paredes, ese calor lo tendras que disipar ya sea a traves de aluminio o hierro, con todas las implicaciones del sistema de refrigeracion. Pero el calor a disipar, ergo las "perdidas" no dependen del material del bloque motor.

 

Discrepo en prácticamente todo.

 

No sé, mi motor parece tener una temperatura ideal de cara al consumo, al menos para mantener el ralentí, y está en los 80ºC. Según se va calentando baja el consumo, asi que parece interesante que se caliente rápido, y a partir de 80º vuelve a aumentar, asi que parece interesante que también refrigere rápido cuando interesa.

 

Hombre, en todo todo. Déjame algo de margen.

Pero bueno, para eso esta el foro para intercambiar opiniones. Solo que llegados a este punto, solo podríamos recurrir a bibliografía técnica muy densa y específica. No obstante en la practica no se emplea la teoria directamente sino las herramientas informaticas respectivas. Por dar un poco de perspectiva del workflow en calculo de motores, se puede dividir en 3 fases: calculo unidimensional del proceso termodinámico (GT Power), con los datos del análisis 1D se realizan las simulaciones de fluidos CFD (Fluent, AVL Fire) de donde se obtienen de manera iterativa las temperaturas en paredes y los coeficientes de transmisión superficial los cuales se emplean en análisis termomecánicos en herramientas FEA como ABAQUS que permite calcular la transmisión de calor y las tensiones y deformaciones.

 

Con mucho menos que un análisis de elementos finitos se pueden llegar a conclusiones muy válidas. Es más, no se necesita mucho más que ver las propiedades mecánicas de un material y el otro y ya está. Así de simple. Tú sabes tan bien como yo que el aluminio no tiene resistencia de ningún tipo a vida infinita. Esto es así y punto. Tampoco verás por ahí ningún eje que transmita un mínimo de potencia y esté mínimamente solicitado, de aluminio. Por más que sea el mejor aluminio del mundo. Es que sería ridículo y todo. Pero aquí hablamos de bloques de motor; bueno. Que un bloque de aluminio es más que suficiente estamos todos de acuerdo, creo.
De ahí a tratar de autoconvencerse, y convencer al resto de que un bloque de aluminio puede ser o es tan resistente de cara a la durabilidad como un homólogo de hierro, hay una diferencia. Yo me remito a los ejemplos de maquinaria que está pensada para trabajar y ser duradera para defender mi posición. Vosotros por vuestra parte argumentáis con generalidades también acerca del aluminio. Que si la conductividad térmica y esto y lo otro. Bueno. A mi el aspecto de la conductividad térmica en el bloque no me lo vende. En la culata sí, ¿ves? Por la misma que no quiero un bloque de aluminio, no quiero una culata de hierro. En la culata sí lo compro y además es especialmente importante que sea de alu.

De cara a la durabilidad en el bloque, yo tengo más que claro que el hierro gana por estos 2 puntos:

1, es más reparable que su homólogo de aluminio. Especialmente si llevan recubrimientos de alusil nikasil etc.

2, aguantan más tute y más perrerías. En conjunto son considerablemente más rigidos aunque pesen más.

Eso son hechos contrastables. Podemos poner números sobre la mesa para dejarlo más claro. No quiere decir que uno de aluminio no sea reparable. Pero por lo general dan por culo. Otro punto que olvidaba es que los bloques de fundición tienen mayor estabilidad dimensional que otros materiales que dilatan más con la temperatura.

Tú argumentas el tema de que la conductividad térmica puede ser un factor muy importante. Evidentemente debe de serlo. Una mala conductividad del bloque hace que los cilindros y la cámara de combustión trabajen a más temperatura. Eso hace que los pistones de un motor deban tener mayor holgura para ajustarse al cilindro a temperatura de trabajo con lo cual, en arranques en frio pueden tener mayores desgastes debido a esa mayor holgura. Un pistón tiene forma de tronco de cono si miras de cara al plano normal al eje del bulón y ovoide desde el ortogonal al anterior. Más acentuado conforme más caliente trabaje. Eso es una clara desventaja para el de hierro. Pero desde luego no es su punto flojo. También está el hecho de que eso puede hacer que aumente la probabilidad de detonación en motores de gasolina. Puede que las diferencias en rendimiento vayan por ahí también de algún modo, no lo sé.
Yo he trabajado el aluminio algo. He diseñado bielas de aluminio, útiles de estampación y útiles de mecanizado. A una pieza de aluminio cualquiera le pones el comparador, le apoyas el dedo y se deforma. Y no poco. Todo eso después de haber recibido tratamiento térmico etc. Es así. El acero ppr contra, es cojonudo en ese aspecto. Para algunas aplicaciones es suficiente y por eso se usa. El ciclo de vida de un coche es de algo comprendido entre 10 y 15 años. De 15 a 20 ya está con un pie en la tumba. A una media de 20 o 30 mil kms, un bloque de aluminio cumple. Iba a decir que perfectamente, pero lo cierto es que no siempre. Los hay que dan por culo. En BMW tenemos algunos. Los que leéis esto, si algún día os toca reparar os acordaréis y iréis con la flor pegada al culo hahaha sobretodo en los M! entonces desearéis que fuera de hierro, porque le tiras una junta de culata nueva encima, culata rectificada y a volar.