EFICIENCIA VOLUMÉTRICA

 

Todos hemos estudiado en la escuela que los gases llenan el recipiente que lo contiene, pero vaíia la presión a la que están en el interior dependiendo de la cantidad de gas que se introduzca, esto quiere decir que siempre ocupará el 100% del volumen del recipiente, pero sus moléculas estarán más separadas o más cercanas dependiendo de la cantidad, por ejemplo, al hinchar un globo  nunca se verá que el aire este en un solo lado del globo, se reparte por el de igual forma y dependiendo del aire que tenga dentro estará más blando o más duro, más o menos presión. En el interior del cilindro pasa igual, puede ingresar más o menos mezcla, pero la que ingrese ocupará todo el volumen del cilindro, lo que sucede es que dependiendo de la masa de aire se conseguirá más o menos presión en el tiempo de compresión y una combustión más o menos potente. La cantidad de aire que ingrese al cilindro por ciclo se le llama eficiencia volumétrica y está controlada en principio por el acelerador, este nos sirve para controlar la entrada de aire y por tanto la potencia que entrega el motor, pero además el diseño de los árboles de levas, conductos y válvulas tiene mucho que ver en el llenado del cilindro, el diseño de estas partes son las que marcarán la potencia que entrega el motor y el rango de revoluciones del par máximo y máxima potencia, en este articulo se tratará de explicar los ciclos teóricos y reales de la distribución de un motor.

Antes de comenzar se verá un factor importante en el movimiento de los gases, es muy sencillo, siempre se mueven de una zona de alta presión a otra zona de baja presión, siguiendo con el ejemplo del globo, una vez hinchado si se liberas la boquilla el aire empezará a salir, es porque en el interior está a más presión que en el exterior y hasta no igualarse las presiones no dejará de salir aire del globo. En el cilindro del motor es igual, al descender el pistón en el tiempo de admisión, crea una zona de vacío o baja presión en el interior del cilindro y el aire que hay en el exterior que está a más presión es forzado a entrar al interior del cilindro hasta igualarse las presiones interior y exterior, por lo tanto la máxima presión que podría darse en el interior del cilindro de un motor atmosférico, en teoría, es la presión exterior o atmosférica.

Veamos el ciclo teórico de un motor de combustión de cuatro tiempos, el cual indica que las válvulas se deben abrir y cerrar en los PMS y PMI del movimiento del pistón, se simulará un ciclo teórico y para entenderlo mejor se usarán diagramas como el que se ve a continuación.

Imagen 1

En la imagen 1 se puede ver un diagrama que básicamente es como un motor real, muestra lo que sucede con la presión y el volumen en el interior del cilindro, poniendo un poco de imaginación es sencillo entenderlo, el pistón se mueve entre las dos líneas marcadas como PMS y PMI, simboliza el volumen del cilindro, cuando el pistón se acerca a PMS disminuye el volumen del cilindro y cuando se aleja aumenta, también esta el volumen de la cámara de combustión a la izquierda, encima del PMS como un motor real. La presión que se da en el interior del cilindro al aumentar o disminuir el volumen se ve a la izquierda, esta variará dependiendo de si  las válvulas estén abiertas o cerradas y del tiempo del motor que se visualice, en la zona mas baja de las presiones está la presión atmosférica. Los tiempos del motor están diferenciados en colores arriba a la izquierda, haciendo un ciclo teórico de motor y aplicando un diagrama se entenderá mejor lo que sucede en el interior del cilindro, en el ejemplo se supone que la mariposa de admisión esta abierta del todo y no crea ninguna restricción para el paso del aire, pero lo más importante  es entender que la presión disminuye o aumenta debido a los cambios de volumen que produce el pistón, en eso se basa todo. 

-Tiempo de admisión, de 0º a 180º de giro de cigüeñal, la línea azul del diagrama 1 muestra el recorrido del pistón desde PMS a PMI, la válvula de admisión se abre de golpe en PMS y el pistón empieza a descender aumentando el volumen del cilindro y creando vacio en el interior del cilindro, en ese momento el aire del exterior está a más presión y es empujado al interior del cilindro llenando ese vacio, hay que recordar que el aire siempre se mueve de una zona de alta presión a una de baja presión, todo el proceso de admisión se realiza a presión atmosférica y cuando el pistón llega a PMI y la válvula de admisión se cierra de golpe,  el volumen del cilindro debe estar lleno de mezcla nueva a la presión atmosférica, tal como indica la línea azul del diagrama 1 en PMI.

Diagrama 1

-Tiempo de compresión, de 180º a 360º de giro del cigüeñal, el pistón empieza  su recorrido ascendente desde PMI a PMS, las válvulas están cerradas y la mezcla no puede escapar del cilindro. La línea amarilla del diagrama 2 muestra como aumenta la presión en el interior del cilindro a medida que el pistón disminuye el volumen y la mezcla es comprimida, la presión que se alcance al final del tiempo de compresión dependerá de la relación de compresión del motor, pero la máxima se producirá siempre en PMS.

Diagrama 2

-Tiempo de explosión, de 360º a 540º de giro del cigüeñal, la chispa salta justo en PMS, donde la presión de la mezcla es la máxima conseguida en el tiempo de compresión, como se ve en la línea roja del diagrama 3, que la línea este en vertical en PMS se debe a que se supone que la combustión es tan rápida que el pistón no tiene tiempo ni de moverse, por lo tanto se realiza a volumen constante, el aumento de presión provoca que el pistón sea empujado enérgicamente hacia abajo y haga girar el cigüeñal, a medida que el pistón desciende el volumen del cilindro aumenta y la presión producida por la combustión va disminuyendo, es el único tiempo en que produce trabajo en un motor de combustión interna.

Diagrama 3

-Tiempo de escape, cuarto ciclo del motor de 540º a 720º de giro del cigüeñal, la válvula de escape se abre justo en PMI, los gases quemados todavía están a una presión superior a la exterior y se supone que es tan rápida la salida de los gases que al pistón no le da tiempo de moverse, realizándose también a volumen del cilindro constante, en el diagrama 4 está indicado por la línea negra, el resto de gases que quedan en el cilindro a presión atmosférica, son expulsados por la disminución de volumen que produce el pistón en su recorrido hacia PMS, en teoría todo el tiempo de escape se produce a presión atmosférica siguiendo la línea azul de vuelta a PMS, lo que supone que mientras el pistón asciende los gases quemados puede salir libremente sin ninguna restricción. 

Diagrama 4

La teoría está bien para un motor que funcione a muy pocas revoluciones y los cambios de volumen y presión son muy lentos, pero cuando se empieza a aumentar las revoluciones, las cosas cambian, el aire tiene masa y una resistencia a iniciar el movimiento, una vez está en movimiento también tiene una resistencia a pararse (inercia), otro efecto a tener en cuenta es que en la practica las válvulas no se abren y cierran de golpe, son abiertas y cerradas por levas, que abren poco a poco las válvulas hasta su máximo y después la cierran poco a poco.

Si se hiciera un ciclo real de un motor con un reglaje de distribución teórico, las consecuencias serían que al empezar el tiempo de admisión la presión en el interior del cilindro no sería la atmosférica, en el tiempo anterior de escape la válvula se ha cerrado poco a poco mediante una leva y a medida que el pistón asciende expulsando los gases quemados la válvula se va cerrando, dejando menos superficie para el paso del gas, al final del tiempo de escape la válvula está casi cerrada y la superficie que deja es tan pequeña que no pueden salir todos los gases y parte de ellos empiezan a comprimirse aumentando su presión. Por lo tanto, al empezar a abrir la válvula de admisión en PMS, los gases quemados que hay en el interior del cilindro están a mas presión que la atmosférica, como se ve en la línea azul del diagrama 5 en PMS. 

Diagrama 5

Como el movimiento de los gases siempre es de una zona de alta presión a una de baja de presión, lo que sucederá cuando se abra la válvula de admisión es que los gases del interior del cilindro saldrán por el conducto de admisión empujando hacia atrás la mezcla nueva, hasta que no se igualen las presiones del interior del cilindro con la exterior o atmosférica no ingresará mezcla y para cuando esto ocurra el pistón habrá recorrido una parte de su carrera de admisión, como se ve en el diagrama 5, por lo tanto el tiempo de admisión no se hace a presión atmosférica como se supone en el diagrama teórico, y lo que ingresa al cilindro será una parte de mezcla nueva y los restos de gases quemados del ciclo anterior.

Siguiendo con la admisión, en el diagrama teórico la válvula de admisión debería cerrarse justo en el momento que el pistón llegue a PMI, como la válvula se cierra poco a poco mediante una leva, a medida que el pistón se acerca a PMI la válvula se va cerrando y crea una restricción para el paso de mezcla nueva, el resultado es que la presión en el interior del cilindro al final de la carrera de admisión es inferior a la atmosférica, como indica el diagrama 5 en PMI.

Al comenzar la carrera de compresión la presión en el interior del cilindro es menor a la presión atmosférica y esta no se supera hasta que el pistón a hecho parte de su recorrido de compresión, al llegar a PMS la presión conseguida será muy inferior a la teórica, debido a la poca mezcla que ingreso en el tiempo de admisión.

Diagrama 6

En el tiempo de explosión, el diagrama teórico hace la chispa justo en PMS sin ningún adelanto y el aumento en la presión de la combustión se produce instantáneamente y a volumen constante, en la realidad no ocurre así, la mezcla tarda un tiempo en inflamarse y mientras se produce la combustión, el pistón desciende aumentando el volumen del cilindro, como se puede ver en la línea roja del diagrama 7, por lo que la presión conseguida es muy inferior a la teórica debido a que coincide el aumento de presión de la combustión con el aumento de volumen del cilindro.

Diagrama 7

Por ultimo el tiempo de escape, la válvula de escape se debería abrir de golpe justo en PMI, pero como la válvula la abre una leva, en PMI estará muy poco abierta, esto provoca una restricción y que los gases no puedan salir instantáneamente y a volumen constante como dice el diagrama teórico, el pistón empieza a ascender hacia PMS mientras la válvula se va abriendo, el volumen se reduce y el pistón tiene que empujar los gases al exterior creándose presión en el interior del cilindro y restando rendimiento.

Diagrama 8

En la línea negra del diagrama 8 se puede ver como disminuye la presión desde PMI hasta PMS, nada parecido al teórico, cerca del final de la carrera de escape la válvula esta casi cerrada por el efecto de la leva, esto provoca otra restricción y los gases son comprimidos, aumentando su presión, por lo que al final del tiempo de escape quedan gases encerrados en el cilindro a más presión de la atmosférica y así se inicia la admisión de un nuevo ciclo.

Todos estos efectos negativos de un mal reglaje en la distribución provocan perdidas en el rendimiento del motor, ya sea por deficiente llenado del cilindro o por perdidas de bombeo, éstas ultimas son debidas a los esfuerzos que hace el pistón tanto para el ingreso de la mezcla como para la expulsión de los gases quemados, lo ideal es que se efectuara a unas presiones lo más cercanas posibles a las teóricas, para conseguirlo hay que hacer que las válvulas abran antes y cierren después, tanto en admisión como en escape, lo que produce los diagramas reales de distribución con adelantos en aperturas y retardos en los cierres de las válvulas, como se ve a continuación.

-A.A.A. Avance a la Apertura de la Admisión, la apertura de la válvula de admisión debe hacerse antes del PMS, así cuando el pistón empiece a crear depresión la válvula ya estará abierta lo suficiente como para no ser una obstrucción al paso de la mezcla, además hay que recordar que el aire tiene resistencia a empezar a moverse, a más revoluciones menos tiempo hay para que empiece a moverse el aire y más adelanto a la apertura se necesita.

Diagrama 9

R.C.A., Retraso en el Cierre de la Admisión, la válvula de admisión debe cerrarse después de que el pistón ha pasado PMI , se puede pensar que esto provocará que al  empezar la carrera de compresión se expulsen la mezcla fuera del cilindro, a bajas revoluciones puede suceder este efecto, pero hay que tener en cuenta que el movimiento del pistón al pasar por PMI es muy lento y tiene recorridos muy pequeños, lo que provoca que el pistón suba muy despacio y no empiece a empujar la mezcla con fuerza hasta pasados unos grados, en esos grados que el pistón se mueve lento es donde se aprovecha la inercia conseguida por la mezcla que sigue ingresando para empujar a la que hay en el interior del cilindro y conseguir así un mejor llenado, la inercia será mayor a más revoluciones, pero llegará un momento que no tendrá suficiente energía para empujar la del interior y ese sería el momento de cerrar la válvula, esto claramente  dependerá de las revoluciones a las que se pretenda tener el máximo llenado o par máximo. Una cosa que debe llamar la atención es que el tiempo de compresión se reduce al cerrar la válvula de admisión mas tarde, la compresión no empezará hasta que la válvula de admisión este casi cerrada del todo, este efecto se le llama relación de compresión dinámica.

A.E. Avance del encendido, el encendido necesita un avance para que la combustión sea completa al llegar el pistón a PMS, consiguiéndose así que la máxima presión de la combustión se de cerca de PMS y no mientras el pistón desciende en el tiempo de explosión.

Diagrama 10

A.A.E. Avance a la Apertura del Escape, la combustión ya se ha efectuado y la máxima presión se ha producido en PMS que es donde se ha dado el menor volumen del cilindro, a partir de hay la presión de la combustión va disminuyendo a medida que el pistón desciende y aumenta el volumen del cilindro, llega un momento en que por el aumento del volumen la presión de los gases es tan baja que interesa abrir la válvula para que salgan ellos mismos por el conducto, que dejar que sigan en el interior del cilindro, consiguiendo así que los gases quemados salgan por si solos y baje la presión en el interior del cilindro cuando el pistón llegue a PMI, además al empezar a abrir la válvula antes se consigue que este lo suficiente abierta como para que el pistón pueda expulsar los gases en su carrera hacia PMS sin que se comprima o cree presión en el inicio del tiempo de escape. 

Diagrama 11

R.C.E. Retraso en el Cierre del Escape, al hacer que la válvula de escape se cierre más tarde, se consigue que no se estrangule el paso de los gases quemados cuando el pistón este llegando a PMS en el tiempo de escape y por lo tanto que se puedan expulsar del cilindro sin que se compriman o se cree presión.

Hay un momento en que la válvula de admisión y escape están abiertas a la vez, justo cuando esta acabando el tiempo de escape y empezando el tiempo de admisión del siguiente ciclo, a esto se le llama cruce de válvulas y es una consecuencia inevitable del reglaje de la distribución.

Lo que se busca con el reglaje de la distribución es que en la carrera de admisión y escape las válvulas estén abiertas lo suficiente en todo momento, pero sobre todo en los PMS y PMI, como para dejar pasar los gases a la velocidad que les pida el pistón sin crear restricción, a altas revoluciones este se mueve muy rápido y exige que el aire también lo haga, cuando esto no suceda la potencia dejará de incrementarse, como hay un límite en lo rápido que se puede abrir y cerrar las válvulas, al llegar a ese limite sólo se puede hacer que las válvulas abran antes y cierren después, de hay que motores rápidos lleven un diagrama de distribución real con aperturas y cierres muy grandes, incluso de 320º de giro del cigüeñal en algunos casos, esto trae unos efectos positivos a altas revoluciones y otros negativos a bajas revoluciones, al inicio de un nuevo ciclo el cruce de válvulas será muy exagerado, es una circunstancia inevitable y que de poder evitarse se haría, tanto la válvula de admisión como la válvula de escape estarán muy abiertas y a bajas revoluciones los gases de escape al estar a más presión que los de admisión empujarán hacia atrás a la mezcla nueva, introduciéndose por el conducto de admisión, cuando el pistón  empiece a descender volverán a entrar mezclados y lo que quedara en el cilindro en el tiempo de admisión será una proporción de gases quemados y mezcla nueva que dará un rendimiento muy bajo.

A medida que aumentan las revoluciones llegará un momento que los gases de escape empezarán a ganar inercia y seguirán saliendo por el conducto de escape aunque esté abierta la válvula de admisión, cuando esto suceda, los gases quemados al salir crearán una depresión muy leve, pero suficiente para arrastrar al resto de gases quemados que queden en la cámara de combustión y hacer que la mezcla nueva empiece a ingresar al interior del cilindro, puede que algo de mezcla nueva sea arrastrada por el conducto de escape, pero se conseguirá que antes de que el pistón empiece a descender y cree depresión, la mezcla nueva ya este ingresando al cilindro.

Un cierre de la válvula de admisión muy retrasado tiene un efecto parecido a bajas revoluciones , el aire se mueve despacio y la inercia que tiene es pequeña,  lo que sucederá es que el pistón empujará la mezcla hacia atrás por el conducto de admisión mientras hace la carrera de compresión y la válvula de admisión esté abierta, pero como el movimiento del pistón en PMI es muy lento, el efecto no será tan grave como parece. Igual que antes cuando aumentan las revoluciones el aire se moverá más rápido y empezará a ganar inercia, cuando el pistón deje de crear depresión por llegar a PMI, la propia inercia ganada por la mezcla que está ingresando empujará a la del interior y no dejará que retroceda por el conducto de admisión aunque el pistón esté ascendiendo, a medida que aumentan las revoluciones más inercia gana la mezcla y más tarde se puede cerrar la válvula de admisión, consiguiendo un mejor llenado en las revoluciones que nos proponemos, pero un peor funcionamiento en bajas revoluciones por los efectos vistos anteriormente. 

El adelanto en la apertura del escape también interviene en el rendimiento, cuando se realiza la combustión, la presión creada empuja al pistón hacia abajo, a altas revoluciones el pistón se mueve rápido y la fuerza que lo empuja disminuye también muy rápido por el aumento de volumen que crea el pistón al descender, llegará un punto en que la presión no tiene suficiente fuerza para empujar el pistón, pero si tendrá presión suficiente para salir por el conducto de escape, si se abre la válvula en ese punto se conseguirá que los gases quemados empiece a salir por si solos al estar a más presión que los que hay en el conducto de escape y se gane tiempo para el vaciado del cilindro, si se pone la mano en la salida del escape se notará la onda de presión al abrir la válvula, cuando el pistón llegue a PMI la presión en el interior del cilindro será muy inferior y la válvula estará suficientemente abierta como para expulsar el resto de gases en su carrera ascendente sin comprimir o crear presiones.

Los puntos correctos de apertura y cierre depende sobre todo de las revoluciones, cuanto más rápido gire el motor menos tiempo hay para que se produzcan el llenado y vaciado del cilindro, cuanto más agresivo sea el reglaje de distribución, los efectos negativos a bajas revoluciones serán peores y se darán cada vez a revoluciones más altas, llegando incluso a hacer que el motor no pueda hacer un ralentí constante, además también se estrecha mucho el rango de revoluciones del motor, desde el par máximo al pico de potencia quedara un rango de revoluciones muy pequeño, si al cambiar de marcha el motor bajara por debajo de las revoluciones donde se da el par máximo no se estaría aprovechando todo el potencial de ese motor, todo debe hacerse para que funcione en conjunto, la relación de cambio, la relación de compresión, las válvulas y conductos de culata,... etc.

Llegados a este punto se entenderá que el par máximo y la eficiencia volumétrica estén muy unidos, el par de torsión que se da en el motor depende de la cantidad de mezcla que ingrese en cada ciclo, cuando aumenta la eficiencia volumétrica, aumenta la presión de la mezcla en el interior del cilindro y la combustión es más potente.