mini|Imagen generada digitalmente que muestra las principales partes móviles internas de un motor de cuatro cilindros en línea, con doble árbol de levas y cuatro válvulas por cilindro. El motor de cuatro cilindros en línea es un tipo de motor de combustión interna que se caracteriza por tener cuatro cilindros montados en una sola fila. La única bancada de cilindros puede estar orientada en un plano vertical o inclinado, con todos los pistones impulsando un cigüeñal común.
A semejanza de los motores en V o W (en cuyas denominaciones cortas es habitual usar una letra seguida del número de cilindros), estos motores se suelen designar con las abreviaturas I4 o L4 (L por longitudinal, para evitar confusiones entre el dígito 1 y la letra I).
El diseño de cuatro cilindros en línea está en perfecto equilibrio dinámico primario y posee un grado de simplicidad mecánica que lo hace adecuado para vehículos populares.Nunney, Light and Heavy Vehicle Technology, p. 12 Sin embargo, sufre un desequilibrio secundario que causa pequeñas vibraciones incluso en los motores más pequeños. Estas vibraciones se vuelven más fuertes a medida que aumenta el tamaño y la potencia del motor, por lo que los motores de mayores prestaciones utilizados en automóviles más grandes generalmente tienen diseños más complejos, con más de cuatro cilindros.
La práctica totalidad de grandes fabricantes de automóviles han producido motores de cuatro cilindros en línea, con algunos diseños de Subaru y de Porsche que han usado motor bóxer de cuatro cilindros como notables excepciones, por lo que cuatro cilindros es generalmente sinónimo y un término más ampliamente utilizado que cuatro cilindros en línea.
Esa es la configuración de motor de explosión más común en los automóviles modernos, mientras que el motor V6 es el segundo más popular.Nunney, pp. 13-16 A finales de los años 2000, debido a las estrictas regulaciones gubernamentales que exigían reducir las emisiones de los vehículos y aumentar la eficiencia del combustible, la proporción de vehículos nuevos vendidos en los Estados Unidos con motores de cuatro cilindros (en gran parte del tipo de cuatro en línea) aumentó del 30 por ciento al 47 por ciento entre 2005 y 2008, particularmente en vehículos de tamaño mediano donde un número decreciente de compradores ha elegido la opción V6 de mayor rendimiento.
Historia mini|Emil Jellinek al volante de un Daimler con motor Phoenix de cuatro cilindros en línea
El primer motor de explosión aplicado a un automóvil fue el motor monocilíndrico del Motorwagen desarrollado por Karl Benz en 1885, un motor de cuatro tiempos y 954 cc de cilindrada. Sin embargo, el primer motor de cuatro cilindros en línea había sido diseñado por Nikolaus August Otto y Eugen Langen en 1876. En 1895, Charles Brady King presentó en Detroit un prototipo con un motor de cuatro cilindros, pero no fue hasta septiembre de 1898 cuando la Daimler Motoren Gesellschaft le entregó a Emil Jellinek los dos primeros coches del mundo equipados con un motor de cuatro cilindros en línea, un Phoenix de 2.1 litros y 8 HP. Otros fabricantes siguieron el camino marcado por Mercedes, como la compañía francesa Darracq, que lanzó el Darracq 15 HP en 1904, un vehículo equipado con un motor L4 de sorprendentes prestaciones para su época.
thumb|Animación de un motor de tres cilindros en línea
Los continuos progresos en la fabricación de motores hicieron que los L4 dejaran de estar reservados para los coches más rápidos, y se hicieran cada vez más populares, desplazando a los mono y bicilíndricos. Así, en una fecha tan temprana como 1908, el Ford T estaba equipado con un motor L4. Este diseño de motor ha sido el más utilizado a partir de entonces, si bien algunos coches económicos posteriores de producción masiva escaparon a esta regla, como el Volkswagen Escarabajo o el Citroën 2CV (con motores bóxer de cuatro y dos cilindros respectivamente).
Cilindrada mini|izquierda|FIAT S76 de 1911 mini|Motor de un Ford Model A mini|izquierda|Motor Bentley de 4½ litros mini|Bloque Ford sin la culata DOHC
Esta configuración se usa habitualmente para los motores de turismos con cilindradas de hasta 3.0 L, aunque existen bastantes excepciones para otros tipos de usos. Porsche, por ejemplo, utilizó un 3.0 L de cuatro cilindros en sus modelos deportivos 944 S2 y 968. Entre los motores L4 de más de 3 litros se incluyen el del Ford A de 1927 (3.3 litros), el International Harvester Scout 1965-1980 (3.2 litros), el Pontiac Tempest 1961-1963 (motor Pontiac L4 3.2 litros de 1965), y en cantidades más pequeñas, el Bentley 4.5 Litros 1927-1931. Algunos de los primeros vehículos diseñados para batir récords de velocidad tenían este tipo de motores, pero con desplazamientos mucho más grandes, como el Blitzen Benz de 1910 (21.5 litros) o el Fiat S76 de 1911 (28.4 litros).
Los motores diésel en línea, con regímenes de giro más bajos que los motores de gasolina, a menudo superan los 3.0 L. Mitsubishi utilizó un motor L4 de 3.2 litros turbodiésel en su Mitsubishi Montero y varios fabricantes de vehículos comerciales ligeros y grandes vehículos de tracción en las cuatro ruedas, como Fiat Powertrain, Isuzu, Nissan, Tata Motors y Toyota han utilizado un motor diésel L4 de 3.0 litros de cilindrada.
Motores de cuatro cilindros en línea más grandes se usan en aplicaciones industriales, como en camiones pequeños y tractores, a menudo con desplazamientos de hasta 5 L. Los motores diésel para uso estacionario, para equipar buques y los utilizados en algunas locomotoras (que funcionan a bajas revoluciones) se construyen en tamaños mucho más grandes.
En general, los fabricantes europeos y asiáticos de camiones con un peso máximo de entre 7,5 y 18 toneladas han utilizado motores diésel de cuatro cilindros en línea con desplazamientos de alrededor de 5 L. El motor MAN D0834 es un L4 de 4.6 litros con y 850 N·m, disponible para la camioneta MAN TGL de servicio ligero y las autocaravanas VARIOmobil. La Isuzu Forward es una camioneta de servicio mediano incluía un motor L4 de 5.2 litros que rendía y 640 N·m. El Hino Ranger, un camión de servicio mediano, montaba un L4 de 5.1 L que entregaba y 630 N·m. El anterior Hino Ranger incluso tenía un L4 de 5.3 L.
El Kubota M135X es un tractor con un L4 de 6.1 L. Este motor turbodiésel tiene un diámetro de y una carrera relativamente larga de .
Uno de los L4 más potentes es el motor fueraborda turbodiésel Volvo Penta D4-300 de 3.7 L con y 700 N·m.
Brunswick Marine construyó un motor de gasolina de 4 cilindros y 3.7 L (designado «470») para su línea Mercruiser de motores interior/fueraborda, con una potencia de . El bloque se formó a partir de la mitad de un motor V8 Ford de 460 pulgadas cúbicas. Este motor fue producido en la década de 1970 y 1980.
Uno de los motores en línea L4 más grandes es el motor marino MAN B&W 4K90. Este motor de dos tiempos turbodiésel tiene un enorme desplazamiento de 6489 L, gracias a su diámetro de 0,9 metros y a una carrera de 2,5 metros. El motor 4K90 desarrolla a 94 rpm y pesa 787 toneladas.
El mayor motor turbodiésel de 4 cilindros en línea producido en serie fue el Detroit Diesel Series 50, con un desplazamiento de 8.5 L. Se usa ampliamente en diversas aplicaciones, como autobuses, camiones o maquinaria de obra. La potencia variaba entre 250 HP y 350 HP. Fue fabricado desde 1994 hasta 2005. La Serie 50 también se comercializó como la Serie 50G, para sus versiones de gas natural comprimido y gas natural licuado.
El desplazamiento también puede ser muy pequeño, como se encuentra en algunos kei car vendidos en Japón, como el Subaru EN. Los motores de este coche, que comenzaron en 550 cc y después pasaron a 660 cc, cuentan con distribución de válvulas variable, DOHC y sobrealimentación, y dan como resultado potencias de hasta . El motor Toyota NR de 1.2 L, sobrealimentado y con inyección directa,rinde 114 HP (85 kW) y dispone de un par máximo de 190 N·m a bajas revoluciones (1500 rpm).
Equilibrio y suavidad
El motor de cuatro cilindros en línea es mucho más suave que los motores de uno o dos cilindros, y esto ha hecho que se convierta en el motor de elección para la mayoría de los automóviles económicos durante muchos años. Su principal ventaja es la ausencia de vibraciones oscilantes y el uso innecesario de contrapesos para equilibrarlo, lo que hace que sea más fácil dotarlos de un carácter ágil, pudiendo cambiar de régimen de giro rápidamente. Sin embargo, tiende a mostrar un desequilibrio dinámico a altas revoluciones, porque los pistones se mueven juntos por parejas, haciendo que el desequilibrio sea el doble de fuerte que en otras configuraciones.
Velocidad del pistón Un motor de cuatro cilindros en línea está en equilibrio primario porque los pistones se mueven en parejas, y un par de pistones siempre se mueve hacia arriba al mismo tiempo que el otro par se mueve hacia abajo. Sin embargo, la aceleración y desaceleración del pistón es mayor en la mitad superior de la rotación del cigüeñal que en la mitad inferior, porque las bielas no son infinitamente largas, lo que resulta en un movimiento no sinusoidal.
Como resultado, dos pistones siempre aceleran más rápido en una dirección, mientras que los otros dos aceleran más lentamente en la otra dirección, lo que conduce a un desequilibrio dinámico secundario que causa una vibración ascendente y descendente al doble de la velocidad de giro del cigüeñal. Este desequilibrio es común entre todos los motores de pistón, pero el efecto es particularmente fuerte en los motores de cuatro cilindros en línea porque los pistones siempre se mueven en parejas.
La razón de que la velocidad del pistón durante su carrera descendente (desde el punto muerto superior hasta la mitad de la carrera) sea mayor que la velocidad durante su carrera ascendente (desde el punto muerto inferior hasta la mitad de la carrera), es que la distancia desde la posición superior del cilindro con respecto al eje del cigüeñal (cuando la longitud del brazo del cigüeñal se suma a la de la biela) es mayor que la distancia desde la posición inferior del cilindro con respecto al eje del cigüeñal (cuando la longitud del brazo del cigüeñal se resta de la de la biela).
La fuerza de este desequilibrio está determinada por 1. La masa oscilante, 2. La relación entre la longitud de la biela y la carrera, y 3. La aceleración del movimiento del pistón. Por lo tanto, los motores de pequeña cilindrada con pistones ligeros muestran poco efecto, y los motores de competición suelen utilizar bielas largas (cuanto más larga es una biela, menor es proporcionalmente la diferencia entre la suma y la resta de longitudes con respecto al brazo del cigüeñal, pero también es mayor su peso). Sin embargo, el efecto crece exponencialmente con la velocidad de rotación del cigüeñal. Para paliar este problema, en algunos motores de competición con velocidades de giro muy altas se recurre a desfasar independientemente los cuatro cilindros (que ya no forman parejas), recurriéndose a una disposición denominada en inglés crossplane. Sin embargo, estas configuraciones inusuales requieren adoptar sistemas de contrapesos para evitar otros desequilibrios que se inducen.
Uso de ejes de equilibrado mini|Compensación Lanchester