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Tecnica: La "respiración" de un motor.

ChuskyChusky Forero Senior
Buenas. En vista de la acogida que tuvo mi anterior tema de inyección , cuelgo este por si a alguien le interesa leerlo. Lo puse hace unas semanas en otro foro que frecuento y ahora lo hago aquí.

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.

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, 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.

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 facil ganar par. Subes la presión y por ende, introduces más masa.

Un atmosférico no es tan facil 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 molecula empuja a la siguiente y esa a su vez a la siguiente,..etc. haciendo que el movimiento del aire sea progresivo y no instantaneo 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 regimen.


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.

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 véis, 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).

Si tenéis alguna duda....


saludos.

Comentarios

  • os_quieroos_quiero Forero Master ✭✭✭✭
    Tecnica: La

    y ahi esta Honda con su doble arbol...

    Gracias Chuski.
  • BimmerBimmer Forero Senior ✭✭✭
    Tecnica: La

    Hola a todos.

    Gracias, chusky, muy ameno, por tanto no es "ladrillo".

    Tengo una duda. ¿Por qué se aplica tanto el turbo en vez de los compresores volumétricos? Pienso que éstos últimos son menos "estresantes" para los motores, y por tanto alargan la longevidad mecánica. ¿Hay tanta diferencia de rendimiento respecto a un turbo, o es un problema de complejidad mecánica, o alguna otra razón que mi ignorancia me oculta? Gracias anticipadas.

    Un saludo. Bimmer.
  • ChuskyChusky Forero Senior
    Tecnica: La

    Que tal Bimmer.

    El motivo fundamental es que un compresor roba potencia al motor (y nada despreciable), mientras que en un turbo aprovechamos una energía "gratis", que de otro modo se iba a ir a la calle. El hecho de que el compresor robe potencia, aunque sirva para generar más potencia, no quita el hecho de que baje el rendimiento del motor (es decir, consuma más).

    Luego intervienen otros factores, como es que el compresor volumétrico es también delicado de fabricar, y más ruidoso. además piensa que poner un turbo es algo más flexible ya que puedes escalonar una gama como quieras (piensa en los TDi desde 90 a 150 cv o en los 1.8T desde 150 a 225 cv), cosa que con un compresor es más dificil.

    Sobre el "stress" para el motor, pues depende más de la presion a la que se comprima más que del sistema por el cuál se comprima.

    saludos.
  • BimmerBimmer Forero Senior ✭✭✭
    Tecnica: La

    Hola a todos.

    Gracias, chusky, mis dudas venían porque Dinan sé que instala "supercharger" (supongo que la traducción es compresor) y obtiene buenos incrementos de potencia. Supongo que es como Mazda con su motor rotativo, rarezas en las que se especializan algunos a pesar de las desventajas que puedan tener respecto a otras opciones de potenciación. De todas formas, pensaba que la instalación de un turbo lleva más componentes (al menos el intercooler) que la de un compresor (que sólo trabaja en admisión) y por ello sería más "sencillo" para un preparador, quitando el trabajo de reprogramación de centralitas y demás detalles de la preparación.

    Supongo que la ventaja del compresor es una ganancia más lineal a lo largo de todo el régimen de giro (como si fuera un motor de mayor cilindrada), a diferencia del turbo que se nota más en la zona baja-media y menos en alta.

    Y sinceras gracias por tu "compatibilización" de foros, en el otro se me ha pasado debido a mi poca asistencia general a internet (y cómo corren los temas allí, como un F1 ;-) ).

    Un saludo. Bimmer.
  • BimmerBimmer Forero Senior ✭✭✭
    Tecnica: La

    **** de enlace que he puesto, que no me he dado cuenta del fallo al ****. Dinan
  • ChuskyChusky Forero Senior
    Tecnica: La

    hola

    claro, cada preparador se especializa en una cosa. Generalmente es más complicado meter un turbo a un coche de serie, ya que es un tema más delicado de acoplar, más que mecánicamente, electrónicamente. No obstante para el Honda S2000 existe una preparación con turbo :D

    Como bien dices, un compresor actúa desde el ralentí como un motor de más cilindrada, que es quizás lo que busquen los clientes de ese BMW. Sin molestas pasadas, ni consumos desorbitados. vamos, una preparación "elegante".

    Si, un turbo lleva mas instalación asociada, pero la energía que nos da es gratis como te dije. Y en un motor que ya de por sí va a consumir bastante, es importante. Además, hay que ver que tipo de entrega quiere el cliente, y lo que te dije antes, la experiencia de cada preparador.

    y sobre lo otro pues no me des las gracias, llevo desde el 99 en este foro y no quiero dejarlo completamente.

    saludos!
  • SaúlSaúl Forero Junior
    Tecnica: La

    Fantástico Chusky, de verdad. Nunca me cansaré de leer estos temas.

    Gracias
  • BlueBlue Forero Master ✭✭✭✭
    Tecnica: La

    gracias chusky (aunque tarde... no he tenido tiempo de leerlo antes)

    estos temas son lo que me gustan. Preguntas:

    Y a todo esto ¿como afectan las admisiones directas que tan de moda estan?. Se de usuarios de puntos que la llevan y no han notado un aumento de potencia más bien al reves, otros dicen que si, pero creo que es más efecto sonoro que otra cosa.

    Por lo que entiendo de la explicacion, en un motor atmosferico aumentar la cantidad de aire (con el consecuente aumento de gasolina) es dificil. Aumentando el caudal de entrada del tubo de admision (la parte más exterior, donde toma aire del frontal) seria una posible opcion?

    El otro dia un amigo que lleva una moto de 750cc turistica, me comento que estos dias de frio, notaba que la moto corria algo más. Esto en un coche es más dificil de asimilar, pero he leido que tendria mejor rendimiento un coche en invierno a nivel de mar que en una montaña alta en verano(cosas de la temperatura y presion) Tendremos que aprovechar el frio image

    A lo que dice bimmer sumar que novitec tb monta compresores en los punto, alfa, etc... quiza como dices es por ser más factible a la hora de aprovechar un motor ya acabado.


    en fin muchas cosas, saludos
    Mis campeones image


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  • ChuskyChusky Forero Senior
    Tecnica: La

    Hola.

    Gracias a ambos por leerlo :D

    sobre las admisiones directas.

    En principio estropean la respiración del motor. Ahora, se puede estropear más o estropear menos. Se estropea más si el aire lo coge de dentro del capó (caliente), se estropea menos si lleva una conducción hasta una zona del frontal.

    ¿por qué digo que estropea en general? Porque como comenté en el texto, el fabricante juega con la geometría de los colectores, e incluso de la caja del filtro para producir esas resonancias (rebotes) y mejorar el llenado a ciertos regímenes, como los medios. Si quitamos la caja del filtro eliminamos ese efecto y por lo general el coche pierde fuerza en bajos y medios, pudiendo ganar un par de caballos muy arriba del todo.

    En la siguiente imagen se aprecian dos curvas (de un mazda mx5 1.6 16V), una con el filtro de serie y otra con un filtro de admisión directa.

    image

    Observad el tramo 1500-4500 rpm, donde el que lleva filtro de sustitución está siempre por debajo, y únicamente a partir de 6000 rpm, gana un único caballo. Eso sí , ruido hace un huevo.

    Efectivamente es dificil ganar respiracion, y aunque usemos un sistema RAM AIR, como las motos (poner la entrada directamente al chorro de aire de la marcha), la ganancia es mínima y sólo obtenible a alta velocidad.

    Efectivamente, el frío aumenta la densidad de aire en un mismo volumen (cilindros) y por tanto entra más masa. tambien a nivel del mar hay más presión y ocurre lo mismo.

    Un placer.

    saludos.
  • BlueBlue Forero Master ✭✭✭✭
    Tecnica: La

    gracias chusky agradecido de tus lecciones....

    saludos

    Mis campeones image


    07091mdf4.jpgdsc00166minihh1.jpg
  • ChuskyChusky Forero Senior
    Tecnica: La

    a mandar :D

    saludos.

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