Del diagrama de distribución a fase variable

El motor térmico del automóvil (gasolina, diésel o gas) funciona por la explosión o combustión de la mezcla aire – combustible, cuanto mayor sea el volumen de mezcla que entra a los cilindros, llenado, mejor es la respuesta y rendimiento del motor. Pero desde ralentí, llenado reducido, hasta que se logra la mejor respuesta, mejor llenado y par máximo, el llenado de los cilindros se va incrementando gradualmente, de forma que la respuesta al acelerador desde bajas RPM es más o menos progresiva.

Para mejorar el rendimiento del motor térmico, relación prestaciones y consumo de combustible, es necesario que el llenado de los cilindros desde ralentí aumente lo más rápido posible al acelerar. Esta es la respuesta que ofrece el automóvil eléctrico con baterías de propulsión, pues al acelerar se puede obtener toda la electricidad almacenada en las baterías casi instantáneamente lo que da una excepcional respuesta, otra cosa es como queda la autonomía si se conduce habitualmente así.

Volviendo al motor térmico, hasta llegar a las tecnologías que mejoran la progresividad del llenado al acelerar, este dependía de la velocidad e inercia de los gases y la coincidencia de las secuencias de actuación de las válvulas de admisión y escape con la resonancia. En aquellos motores había que elegir las RPM a las que el motor lograba el mejor llenado, par máximo, qué es donde se obtenía la mejor respuesta al acelerar. Esta elección da al motor un carácter determinado, es lo que se va a explicar en este artículo.

Las tecnologías que han ido mejorando el llenado del motor térmico de forma eficiente para que sea más rápido desde ralentí son; distribución de fase variable, colector de admisión de geometría variable y válvulas de alzado variable. Estas tecnologías combinadas con la sobrealimentación mejoran mucho el llenado y la progresividad, ofreciendo muy buenos valores de par y potencia.

Hay otra tecnología que se está implantando paralela al motor térmico, es la asistencia de un motor eléctrico en aceleración que funciona a 48 voltios con baterías específicas para esta función, así se aporta la respuesta inmediata al acelerar reduciendo el consumo en esta fase transitoria.

Al final de este artículo hay enlaces a otros del blog que tratan de los conceptos y tecnologías incluidos en esta introducción, por si te interesa contar con más información.

Las RPM del motor y el llenado de los cilindros

Para las explicaciones se van a ver motores con distribución DOHC (doble árbol de levas en culata o cabeza) con cámara de combustión hemisférica, no se representan identificaciones de gasolina o diésel pues los resultados son similares en ambos motores, con la particularidad de que en el motor de gasolina, al poder girar a más RPM, la velocidad a que llegan los gases en los colectores es mayor que en el diésel.

    • A bajas RPM la velocidad de los gases en los colectores de admisión y escape es reducida, por lo que la inercia del rebote contra las válvulas al cerrar y su retorno, resonancia, es escasa lo que no ayuda a mejorar el llenado producido por la aspiración de los pistones al descender en admisión.
    • A medias RPM es mayor la velocidad de los gases, lo que permite que el efecto de llenado de admisión y vaciado de escape adicional por la resonancia aumente con mejor respuesta del motor.
    • Siguiendo este razonamiento, al llegar a la zona alta de RPM con velocidades vertiginosas de los gases en los colectores la resonancia resultante es muy alta, lo que favorece el llenado y se podría contar con excelente respuesta del motor, pero a altas RPM.
    • Las RPM a que el motor tiene el mejor llenado son a las que ofrece más respuesta al acelerar, pero al funcionar el motor por debajo de estas RPM la respuesta y rendimiento se reducen.
    • Como el conductor medio de un automóvil tiende a utilizar la zona media de RPM con más frecuencia, es a estas RPM cuando se diseña el motor de un automóvil de turismo para que cuente con el mejor llenado, par máximo.

 

El carácter del motor se determina por su respuesta al acelerar a diferentes RPM, como se verá más adelante, lo que aporta sus resultados dinámicos de prestaciones según el tipo de utilización prevista.

Diagrama de distribución

Se indica con esta denominación los ángulos de apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape, para aprovechar la resonancia en la mejora del llenado de los cilindros.

    • Se resalta el ciguéñal e identifican los PMS (punto muerto superior) y PMI (punto muerto inferior) del recorrido del pistón en el cilindro.
    • La apertura teórica de la válvula de admisón es desde el PMS al PMI, 180º.
    • Si la válvula de admisón abre algo antes del PMS, avance apertura admisión AAA, se aprovecha la velocidad de salida de los gases de escape para que “tiren” de los de admisisón, sin que estos lleguen a salir, así se mejora el llenado del cilindro.
    • Al llegar el pistón al PMI y comenzar a subir permanece cierto ángulo abierta la válvula de admisión, retraso cierre admisión RCA, para aprovechar la velocidad e inercia de entrada de la masa de admisión, la válvula cierra antes de que retornen al colector parte de los gases de admisión por la subida del pistón. Se mejora el llenado.
    • La válvula de escape abre teóricamente desde el PMI al PMS, 180º.
    • Si la válvula de escape abre algo antes del PMI, avance apertura escape AAE, se aprovecha la presión remanente de la combustión o explosión para comenzar la salida de gases de escape, lo que agiliza el vaciado del cilindro.
    • Al llegar el pistón al PMS permanece cierto ángulo abierta la válvula de escape, retraso cierre escape RCE, se aproveha la velocidad e inercia de salida de los gases de escape para “tirar” de los de admisión (AAA), que además empujan a los de escape para agilizar su salida, sin que los de admisón lleguen a salir por el escape. Se mejora el vaciado del cilindro.
    • Se denomina cruce de válvulas, el ángulo en que están simultáneamente abiertas las válvulas de admisión y escape, avance apertura admisión AAA + retraso cierre escape RCE.
    • Cuanto mayor sea el cruce de válvulas más se aprovecha la resonancia a altas RPM, y a la inversa.
    • Como en un automóvil de turismo interesa que el mejor llenado sea a medias RPM, se diseña el diagrama de distribución de su motor para que sea a este régimen de giro cuando se obtenga el mejor llenado, par máximo.

 

El diagrama de distribución se diseña teniendo en cuenta la geomtería de los colectores de admisión y escape, los efectos del filtro de aire, sistemas anticontaminación y silenciadores, pues afectan mucho a la resonancia. Si se altera alguno de estos elementos también lo hacen los resultados en el llenado de los cilindros.

Gráficos de presión – volumen con diagrama de distribución

Se ve en la imagen un gráfico indicando las variaciones de presión y volumen dentro del cilindro. Debajo se representa un pistón que se desplaza dentro de un cilindro horizontal entre el PMS al PMI, relacionando las variaciones de presión y volumen del gráfico. También se ven las válvulas de admisión y escape.

    • AAA (avance apertura admisión); al abrir la válvula de admisión antes del PMS con el pistón subiendo en escape, se aprovecha la velocidad de salida de los gases de escape para mejorar el llenado al tirar de los de admisión.
    • Tiempo 1 admisión; durante el descenso del pistón del PMS al PMI es el tiempo de admisión.
    • RCA (retraso cierre admisión); al subir el pistón desde el PMI se mantiene cierto ángulo abierta la válvula de admisión, hasta que la presión del aire en el cilindro se equilibra con la entrada de admisión. Se logra que entre más masa de admisión, mejor llenado.
    • Tiempo 2 compresión; con las válvulas cerradas continúa subiendo el pistón …
    • … un poco antes de que el pistón llegue al PMS, se produce la chispa en la bujía o la inyección de gasóleo, avance de encendido o de inyección, para ir preparando la explosión (gasolina) o combustión (diésel).
    • Tiempo 3 expansión; de los resultados de la explosión o combustión se produce el empuje sobre el pistón que le hace descender generando el par motor.
    • AAE (avance apertura escape); cuando el pistón desciende terminando la expansión, se abre antes de llegar al PMI la válvula de escape aprovechando la presión remanente en el cilindro para empezar la evacuación de los gases de escape.
    • Tiempo 4 escape; al subir el pistón desde el PMI empuja a los gases de escape que siguen saliendo del cilindro.
    • RCE (retraso cierre escape); antes de llegar el pistón al PMS se ha abierto la válvula de admisión AAA, y permanece durante cierto ángulo abierta la de escape, es el cruce de válvulas, el tiempo en que están abiertas a la vez admisión y escape sirve para que los gases de escape tiren de los de admisión y que estos empujen a los de escape, esos efectos son proporcionales a las RPM de giro del motor. No han de salir gases de admisión por el escape. Se logra mejorar el llenado y agilizar el vaciado del cilindro.
    • Las RPM en que se logra con más eficacia esta combinación del cruce de válvulas corresponde al par máximo del motor.

 

El cruce de válvulas puede permitir la salida de parte de la masa de admisión por el escape al mejorar el llenado, pero en motores de gasolina con carburador o inyección indirecta saldría combustible afectando a los sistemas anticontaminación, especialmente con inyección al poder contar con catalizador. En el diseño del diagrama de distribución del motor se tienen en cuenta estos detalles para lograr un funcionamiento equilibrado entre rendimiento y contaminación, además de otros aspectos a tener en cuenta.

Diagrama de distribución para cada tipo de motor

En los motores de los automóviles, hasta llegar las tecnologías que permiten mantener el llenado en un amplio margen de RPM, había que elegir a qué régimen de giro del motor se lograba el mejor llenado y par.

    • Se proponen tres ejemplos representativos.
    • Vemos este diagrama de distribución; AAA 14º / RCE 8º / RCA 46º / AAE 42º. El cruce de válvulas (AAA + RCE) es 22º.
      • Las curvas de par y potencia son estas.
      • Se ve que el par máximo está entre la zona media y baja de RPM y la potencia en la media.
      • Se dispone de buena respuesta a bajas y medias RPM siendo una buena opción en vehículos de carga o transporte medios, como el pickup de la imagen.
    • Este es otro diagrama de distribución; AAA 9º / RCE 21º / RCA 61º / AAE 49º. El cruce de válvulas (AAA + RCE) es 30º.
      • El par máximo está en la zona media de RPM y la potencia ya entrando en la alta.
      • La mejor respuesta del motor está en la zona media de RPM, donde se logra el par máximo.
      • Se busca equilibrio entre prestaciones y consumo, es la mejor solución en el automóvil de turismo
    • Otro diagrama de distribución; AAA 44º / RCE 37º / RCA 52º / AAE 65º. El cruce de válvulas (AAA + RCE) es 81º.
      • La curva de par lleva el valor máximo prácticamente en el comienzo de la zona alta de RPM, y la potencia casi al límite de RPM del motor.
      • La respuesta del motor comienza en el par máximo, a altas RPM.
      • Esta opción ofrece sus mejores resultados en la zona alta de RPM y es claramente la idónea para un automóvil deportivo como se ve en la imagen. Se ha de asumir que a bajas y medias RPM la respuesta del motor es escasa, más comparándola con la que ofrece al llegar a la zona alta.

 

Cuando la tecnología del motor implicaba elegir a que RPM se obtenía la mejor respuesta del motor, a otras RPM la respuesta disminuía. En los motores de coches deportivos, además de no tener buena respuesta a bajas RPM, si se utilizaba habitualmente a bajas o medias RPM se producían efectos secundarios, principalmente en el sistema de encendido (bujías) que precisaba frecuentes controles y revisiones.

Distribución de fase variable

De las tecnologías que mejoran el llenado del motor en un amplio margen de RPM, la más representativa es la distribución de fase variable DFV, que ha sido una solución trascendental en los motores multiválvulas.

    • Se ven en el gráfico las curvas de par y potencia de un vehículo de carga media, las RPM de utilización de su motor se sitúan entre la zona baja y media de RPM por el diseño de su diagrama de distribución.
    • El automóvil de turismo entrega el par máximo a medias RPM y la potencia máxima en los inicios de la zona alta de RPM. Su diagrama de distribución se diseña para estos resultados, mejor respuesta a medias RPM, ofreciendo equilibrio entre prestaciones y consumo.
    • El motor de un coche deportivo tiene el par máximo al final de la zona media de RPM o inicios de la alta, y la potencia máxima ya claramente a alto régimen de giro del motor. Su diagrama de distribución se diseña para que la respuesta del motor sea contundente desde el final de la zona media de RPM, para ir aumentando al subir más de régimen de giro.
    • La distribución de fase variable DFV consiste en que los árboles de levas de admisión y escape se puedan desplazar angularmente de sus respectivos piñones. Así se modifican las secuencias de actuación de las válvulas aportando variaciones del diagrama de distribución y cruce de válvulas que mejoran el llenado en un amplio margen de RPM, al aprovechar durante este la resonancia de gases en los colectores.
    • La curva de par resultante tiene forma casi plana, la respuesta al acelerador es ya efectiva desde bajas RPM, manteniéndose al subir el régimen de giro.
    • La curva de potencia, que depende de la de par y RPM, también es más eficiente desde bajas RPM.
    • Con la DFV se logra un excelente equilibrio entre prestaciones y consumo.
    • Se ven dos automóviles que disponen en sus motores de distribución de fase variable DFV en admisión y escape, se detecta por las cámaras delante de los árboles de levas para los mecanismos de la DFV.
      • A la izquierda el motor es delantero transversal con cuatro cilindros en línea y cuatro válvulas por cilindro.
      • A la derecha el motor es delantero longitudinal con seis cilindros en línea y cuatro válvulas por cilindro.

 

La representación en los motores de estos coches de cuatro válvulas por cilindro, con distribución de dos árboles de levas en culata o cabeza (DOHC), se hace mediante dos levas para cada cilindro en admisión y escape. La DFV comenzó a aplicarse solamente en admisión con dos fases de variación angular, con su evolución se utiliza también en escape y la variación angular es mayor y en continuo, lo que permite hacer que la curva de par sea más plana con respuesta acelerador desde muy bajas RPM.

Como se comentó en la introducción, hay muchos conceptos y tecnologías relacionadas con la mejora del llenado del motor y su respuesta al acelerador, al haber publicado en el blog bastantes artículos que las explican se ofrecen los enlaces a continuación para quienes estén interesados en estos temas.

Enlaces de interés relacionados

Estos artículos en el blog tratan de temas complementarios.

En esta sección de “Tecnologías limpias”

    • “Ciclo Atkinson” (20.11.2012)
    • “Combustión HCCI” (10.07.2013)
    • “Resonancia en colectores” (25.09.2013)
    • “Distribución de fase variable” (23.10.2013)
    • “Ciclo Miller” (7.05.2014)
    • “Colector de admisión variable” (8.10.2014)
    • “Alzado variable de las válvulas” (21.01.2015)

En la sección “Nuevas tecnologías”

    • “Culata hemisférica” (13.02.2013)
    • “Motor camless” (15.04.2015)
    • “Motor de seis tiempos” (9.12.2015)
    • “Distribución desmodrómica” (15.03.2017)

En la sección “Evolución de órganos y elementos”

    • “Evolución de la distribución del motor” (6.06.2013)
    • “Reglaje hidráulico de las válvulas” (4.10.2017)

En la sección “Actualidad”

    • “Lo que importa es el par motor” (19.02.2014)
    • “Para subir cuestas ¿acelerar más o reducir de relación?” (7.04.2013)
    • “Estilos de conducción” (19.05.2014)
    • “Índice par/potencia” (20.05.2015)
    • “Relaciones entre peso, potencia, par y cilindrada” (17.06.2015)
    • “Par y potencia en el motor multiválvulas” (15.07.2015)
    • “Sistema de asistencia híbrida” (18.05.2016)
    • “Flujos de gases en la culata” (28.09.2016)
    • “Adelantamiento por par o RPM» (12.10.2016)
    • “Relación entre prestaciones y características técnicas” (17.05.2017)

 

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