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Respiración del motor
Me
gustaría hablar sobre un apartado importantísimo en el
objetivo de un motor de dar buenas prestaciones y consumir lo
menos posible. Me refiero a la respiración. Por respiración
entiendo los procesos que ocurren para introducir el aire en los
cilindros y expulsarlos por el escape de la mejor forma posible.
Me centraré en la admisión en motores atmosféricos y
preferentemente gasolina, ya que quedan pocos diesel atmosféricos.
Ojo
es un ladrillín, pero he tratado de hacer que se entienda por
todos, a costa de simplificar, cosa que los que sabéis más,
sabréis disculpar la falta de rigor en ocasiones.
Allá
vamos: Un parámetro básico que determina la potencia de un
motor es la capacidad de aire que puede admitir. La potencia
depende de varios parámetros, pero el fundamental es la masa de
combustible. A más combustible quemado más potencia entregada.
Que ocurre, que la gasolina es un poco "especialita" a
la hora de quemarse en un motor Otto y necesita de una cantidad
de aire exacta para hacerlo bien. Si tenemos exceso de aire la
llama se puede apagar o haber zonas donde no se queme bien y no
se aproveche. Si por el contrario tenemos exceso de gasolina al
no haber aire suficiente saldrá por el escape una parte sin
quemar, derrochando dinero y contaminando nuestro ambiente.
Por
tanto, en un motor inyección, la cantidad de gasolina a inyectar la
determina el caudal de aire que entra. Para ello está el caudalímetro,
que mide el aire que entra y manda la orden de inyectar lo que
corresponda. El
caudalímetro mide el caudal másico de aire, para ello tiene en cuenta la temperatura ambiente para corregir
según ésta. Los caudalímetros lo utilizan todos los coches de inyección
electrónica, lo que ocurre que no todos tienen el mismo tipo.
En las primeras inyecciones, consistía en una compuerta que se
abría o cerraba según el paso del aire y enviaba una señal
proporcional a la apertura. Hoy se usan principalmente dos
sistemas, el MAF y el MAP. El MAF (manifold airfowmeter) es el
que suelen llevar los turbodiesel y algunos gasolina, consiste
en el hilo caliente. El MAP (Manifold absolute pressure) es un
sensor de presión en admisión. La cantidad de aire admitida se
conoce con esa presión, con la temperatura, con las rpm, con la
cilindrada y con el rendimiento volumétrico del motor.
Además
estos sistemas para hacer un ajuste fino reciben la señal de la
sonda lambda que indica si la mezcla ha sido la deseada o no,
segun la proporción de oxígeno en el escape.
Con
estas ideas básicas podemos intuir que si conseguimos meter más
aire (comburente), meteremos también más gasolina
(combustible) y podremos obtener más energía de la combustión.
Dicha energía al liberarse, hará aumentar la presión dentro
del cilindro, y como una de las paredes del cilindro es móvil
(el pistón), pues éste tenderá a moverse, produciendo un par.
Dicho par es proporcional a la masa admitida. Vemos ya pues una
idea principal. El punto de par máximo es el punto de mejor
llenado del cilindro.
En
principio, y si suponemos el motor como unos pulmones (los
cilindros serían los pulmones), podríamos pensar que la
capacidad máxima de llenado de aire es la correspondiente a su
volumen. Es decir, un motor de 1.4 litros daría siempre el
mismo par, puesto que su capacidad de llenarse es igual a la de
otro 1.4 de otra marca. En realidad vemos que no es así, y que,
con pequeñas variaciones, hay motores que dan más par que
otros y a diferentes vueltas.
Si
el motor fuese lento y sin colectores, el proceso sería, que el
pistón baja, admite aire, en el punto inferior se cierra la válvula
o válvulas de admisión y su masa retenida sería proporcional
al volumen (cilindrada) a la presión atmosférica. (recordad,
la masa (que es lo que importa) es proporcional al volumen y a
la presión. (a igualdad de volumen o cilindrada, hay más masa
cuando la presión es mayor).
Que
ocurre, pues que un motor ni es precisamente lento, ni carece de
colectores.
Y
aquí viene toda la teoría de diseño de colectores y de
diagramas de distribución. Daré unas cuantas pinceladas por
ser un tema muy extenso.
El
objetivo de todo es introducir más masa en el cilindro. Pero
nos vemos limitados por la cilindrada. Nos queda el otro parámetro
del cual depende la masa, es decir, de la presión.
En
un turbo es fácil ganar par. Subes la presión y por ende,
introduces más masa.
Un
atmosférico no es tan fácil puesto que la presión viene
limitada por la atmosférica. La masa admitida pues, tiene un
tope superior que es la cilindrada (volumen) rellenada con aire
a presión atmosférica. Y de ahí para abajo, puesto que por el
camino hay pérdidas de presión en el filtro, en los codos, en
los tubos...etc.
Hay
otra característica que puede ser negativa, pero que se trata
de convertir en positiva, y es la compresibilidad del aire. Los
gases no son algo rígido sino que bajo presión se comprimen
(al contrario que un líquido). Ello hace que cuando tenemos una
masa de aire y bajamos o subimos su presión, no toda la masa se
"entera" a la vez, sino que una molécula empuja a la
siguiente y esa a su vez a la siguiente,..etc. haciendo que el
movimiento del aire sea progresivo y no instantáneo como sería
de desear, existiendo retardos.
El
objetivo de todo diseñador es conseguir que el aire entre con
la mayor presión posible. Contamos con un elemento a favor, que
es la velocidad del motor. Ello se puede aprovechar para crear
ondas de presión (lo que comentaba de hacer positivo el efecto
de compresibilidad). En efecto, al aspirar el aire lo aceleramos
en el tubo de admisión. Ello hace que por tener velocidad,
momentos antes de cerrar la válvula dicho aire que aún lleva
inercia, siga entrando en el cilindro creando una ligera
sobrepresión, que es el objetivo. Un tubo largo y estrecho
favorece este efecto, ya que la velocidad del aire es mayor y
con ello su energía cinética. A altas vueltas se prefiere
tubos anchos para evitar las pérdidas de presión por fricción
con el tubo.
El
propósito de los sistemas de admisión variable es dar un
camino favorable al aire según el régimen para que en todo
momento se pueda aprovechar las ventajas de una admisión
optimizada a ese régimen.
Otro
fenómeno es el de ondas. Imaginad un caldero con agua. Si lo
inclinamos hacia los lados crearemos "olas". Suponed
ahora que en un lado está la entrada del motor (lado izquierdo)
. La ola va hacia un lado (derecho) bajando el nivel en el otro
(cuando la válvula está cerrada). Cuando rebota en la pared
derecha, vuelve la ola hacia la izquierda creando una presión
en la pared izquierda, que aprovecharemos para abrir la válvula
y que el aire entre con más presión. Espero que se entienda el
ejemplo, muy simplificador,
lo del caldero es admisión resonante, o aprovechamiento de las
ondas de presión que se crean.
En realidad como podeis suponer es más complicado. Se
aprovechan las ondas de presión y de depresión. Las de presión
rebotan, por ejemplo en la caja del filtro del aire y vuelven, o
en el pleno de admisión (la "caja" de antes de los
colectores). Pero también se aprovechan las de depresión.
Cuando una onda de depresión "rebota" en una
apertura, vuelve como onda de compresión. Esto es mas difícil
visualizarlo, pero realmente cuando admitimos aire creamos una
depresión. Al llegar al plenum "rebota" como onda de
presión que nos sobrealimenta un poquito el motor antes de
cerrar la válvula.
Esa
resonancia se utiliza hoy por hoy en muchos motores de gasolina,
por no decir en casi todos. Suele coincidir con el punto de par
máximo, aunque también se pueden usar para
"rellenar" otras zonas de la curva de par.
Otra
estrategia para meter la mayor cantidad de aire a cualquier régimen
es la distribución variable. Debido a que la inercia (energía
cinética) del aire es diferente según el régimen, y a que el
aire tiene una resistencia a ponerse en movimiento (es como en
un atasco, cuando se abre el semáforo, pasa un tiempo hasta que
el último de la fila arranca. Para entonces es posible que
vuelva a estar en rojo) los ángulos de apertura y cierre de la
distribución óptimos para obtener un llenado completo y sin
reflujos (vuelta a la admisión) se varían de forma mecánica.
Ello nos permite "planificar" la curva de par, de
forma que si no hubiera admisión ni distribución variable,
normalmente, el par máximo se obtiene en un punto medio del
rango de revoluciones, como compromiso entre buena respuesta a
bajo régimen y buenos valores de potencia máxima (par
disponible a alto régimen).
Como
veis, en un motor atmosférico, el carácter se puede predefinir
completamente con el diseño de la admisión y la distribución.
Un diagrama de distribución orientado a alto régimen, mantendrá
mucho tiempo abiertas las válvulas de admisión, para que a
alta velocidad con la velocidad que trae el aire se quede mucha
masa retenida. Por el contrario, en bajas al carecer de energía
cinética el aire y tener mucho tiempo abiertas las válvulas,
el aire volverá por donde entró, evitando un llenado con
ligera sobrepresión como ocurre en altas.
Existe
una curva, llamada de rendimiento volumétrico, que valora a
cada régimen (con el acelerador a fondo, mariposa abierta), la
cantidad de aire que entra en el motor. Por lo comentado hay regímenes
donde el llenado es mejor, en otros es peor, e incluso puede
haber "jorobas", debido a que los fenómenos de ondas
se "sintonizan" mejor con el motor a un número de
vueltas determinado mientras que en otros regímenes el efecto
puede ser contrario al deseado.
Dicha
curva de rendimiento volumétrico tiene una forma muy parecida a
la curva de par, y es que, como digo, el principal factor que
afecta al par es el aire admitido. La potencia como sabéis
depende del par (aire admitido) y de las rpm a la que lo alcance
(capacidad de renovar aire en un tiempo determinado de forma
satisfactoria).
Autor: Futureal
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