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El llenado de los cilindros del motor se produce al entrar la masa de admisión por el colector.
El llenado aumenta si se aprovecha la resonancia para que coincida con la apertura y cierre de las válvulas.
Si se aumenta la sección de paso del colector de admisión y el tamaño de la entrada en los cilindros (también en escape) puede entrar y (salir por escape) más caudal.
Esta es la idea del motor multiválvulas, pues si se aumenta el tamaño de las válvulas su elevada inercia impide su correcto funcionamiento.
Se sustituyen las válvulas grandes que harían falta por otras de menor tamaño para la misma función.
Con secciones de paso de gases más grandes en los colectores la resonancia a altas RPM potencia el llenado, pero a bajas RPM es menos eficiente lo que disminuye la respuesta del motor a ese régimen.
Se compensa este desequilibrio del llenado entre bajas y altas RPM con diferentes sistemas, los tres más utilizados son:
- Variaciones de posición en funcionamiento entre los árboles de levas y sus piñones de arrastre
- Dos levas de diferente alzado para el accionamiento de las mismas válvulas según las RPM
- Aceleración, y sección y geometría de los colectores de admisión variables.
Motor de dos válvulas por cilindro (2VC)
Imagen 14.1
Para admisión y escape en el motor de cuatro tiempos son necesarias dos válvulas, una para cada función.
La sección del colector de admisión es proporcional a la apertura de las correspondientes válvulas.
Con apertura total de la mariposa de gases en el motor de gasolina se logra un buen llenado al aprovechar la resonancia, sobre todo a medias RPM en un automóvil de turismo (par máximo).
Con menos apertura de mariposa el llenado disminuye, la resonancia no coincide con las secuencias de actuación de las válvulas, pero se mantienen turbulencias que favorecen el llenado en lo posible, pues la sección del colector de admisión no es demasiada induciendo cierta velocidad y turbulencia en la masa de admisión.
Si se aumenta la sección de paso de los colectores de admisión (y escape) podría entrar (y salir) más caudal en admisión (y escape), lo que favorece el llenado (y vaciado) de los cilindros y en consecuencia la respuesta del motor (par y potencia), pero…
Motor multiválvulas con más sección de colectores de admisión (4 por cilindro 4VC)
Imagen 14.2
Al aumentar la sección de los colectores de admisión (y escape), las válvulas han de ser más grandes para controlar la entrada y salida de gases por pasos de mayor tamaño.
Pero válvulas tan grandes tienen demasiada inercia por lo que se aumenta el número de válvulas, que con menor tamaño controlan los pasos de colectores con más sección.
Es más laborioso llenar el motor (admisión), que vaciarlo (escape), por lo que las válvulas de admisión son mayores que las de escape.
Se pueden utilizar dos por cilindro para cada función en el motor multiválvulas o impares, entonces serán más las de admisión.
En la imagen 14.2 el motor multiválvulas tiene cuatro por cilindro 4VC.
Con plena apertura de mariposa la relación de la mayor sección de los colectores y los pasos de admisión (y escape) está calculada para ofrecer el mejor llenado, que será superior al mismo motor con solamente dos válvulas (y menor sección de colectores) ofreciendo más par y por consiguiente potencia.
Pero con aperturas parciales de mariposa la sección del colector es elevada para la poca apertura de paso de masa de admisión, lo que propicia pocas turbulencias y menos efectos de resonancia, lo que implica que la respuesta del motor es menor a bajas/medias RPM, para aumentar sensiblemente cuando la apertura de la mariposa es mayor.
Este comportamiento puede ser decepcionante para el conductor de un automóvil de turismo y habrá que buscar soluciones.
Curvas de par y potencia
Comparando las curvas de par y potencia de motores con dos válvulas por cilindro y multiválvulas se deducen sus comportamientos dinámicos.
Curvas de par y potencia con motor de 2 válvulas por cilindro (2VC), imagen 14.3
- En el motor de dos válvulas por cilindro la sección de los colectores está relacionada con las actuaciones de la mariposa de gases, permitiendo hacer que la resonancia se adapte a las secuencias de actuación de las válvulas para lograr el máximo llenado a medias RPM en un automóvil de turismo.
- Así la relación entre el par y la potencia están equilibradas y la respuesta al acelerador desde medio régimen es uniforme y progresiva.
- El par máximo se obtiene a medias RPM, la zona más habitual de uso en un automóvil de turismo, ofreciendo además de respuesta buenos valores de consumo.
- Si se necesita potencia se reduce de relación de caja de cambios para que al subir de RPM se logre más potencia, además al reducir se multiplica el par motor en la caja de cambios (capítulo 17).
Curvas de par y potencia con motor multiválvulas, el motor de la imagen 14.4 tiene cuatro válvulas por cilindro (4VC)
- La gran sección del colector de admisión permite mejorar sensiblemente el llenado desde aperturas medias de la mariposa de gases, pero con menor apertura las bajas turbulencias reducen los efectos de la resonancia y el llenado lo que afecta al comportamiento del motor como se refleja en las curvas de par y potencia;
- Los defectos de llenado a medias/bajas RPM hacen que el par aumente más lentamente y su valor máximo esté a más RPM que en el motor de dos válvulas, la respuesta a bajas/medias RPM es menor y hay que recurrir con más frecuencia a reducir de relación de cambio.
- Se obtiene más par motor, pero a mayor RPM.
- Desde medias RPM, con la mariposa ya más abierta, la resonancia está más acorde con la mayor sección de los colectores favoreciendo el llenado que, desde estas RPM crece más por el mayor caudal de aire que puede pasar.
- La potencia resultante es mayor y se obtiene a mayor régimen que con dos válvulas, pues hay más par y el llenado mejora a altas RPM.
El resultado es que hay que llevar el motor a más RPM para obtener buena respuesta al acelerador, lo que repercute en el confort de conducción, seguridad activa o primaria, consumo y contaminación.
En el motor diésel los efectos serian similares, pero al contar con turbocompresor como un elemento más desde hace ya años se beneficia desde bajas RPM del mejor llenado.
Lo mismo sucede con el motor de gasolina sobrealimentado.
La sobrealimentación se explica en el capítulo 15.
Llenado variable del motor
La resonancia es determinante para colaborar en el llenado de los cilindros.
El objetivo es tratar de que coincidan sus efectos con la actuación de las válvulas:
- Bajas RPM; si se hace que las válvulas de admisión abran más tarde coincidirá con el retorno del rebote de los gases en el interior del colector de admisión hacia los cilindros, resonancia.
- Igualmente, si las válvulas de escape abren más tarde coincidirá con los efectos de la resonancia en sentido de salida a estas RPM.
- Pero se ha elegido el medio régimen al ser el más utilizado como el más adecuado para que la resonancia favorezca el llenado y el par motor.
Se puede lograr que las secuencias de actuación de las válvulas sean variables, distribución de fase variable, y que la longitud y sección de los colectores se adapte a las condiciones de funcionamiento del motor, colector de admisión de geometría variable.
Empezamos con la distribución de fase variable.
Distribución de fase variable DFV
El arrastre del árbol de levas por su piñón se hace mediante un acoplamiento con posibilidad de variación angular, de forma que el o los árboles de levas se puedan desplazar un determinado ángulo con relación al piñón.
El sistema más utilizado es mediante presión de aceite, que determina la posición relativa angular entre el árbol de levas y su piñón con control electrónico para ajustar con precisión la posición según las condiciones de funcionamiento del motor.
Al principio se utilizó en admisión con dos valores angulares, después en continuo y también en escape, que es como se representan las imágenes 14.5 y 14.6.
En la imagen 14.5 la posición corresponde a bajas RPM, abren las válvulas más tarde y en la 14.6 a altas RPM, abren antes las válvulas, entre estas dos posiciones extremas hay un recorrido intermedio en continuo que se ve en las imágenes.
Con la DFV se logra una curva de par más plana paliando la falta de respuesta a bajas RPM característica del motor multiválvulas.
- Altas RPM; la mayor velocidad de los gases, en admisión y escape, hace que si las válvulas abren antes se favorece el llenado en admisión y vaciado en escape por los efectos de la resonancia en sus respectivos colectores.
- Pero ya sabemos que las RPM elegidas para que la resonancia tenga sus mayores efectos son las medias.
Motor a bajas RPM, imagen 14.5
- La posición del árbol de levas con relación al piñón está en la fase de mayor retraso, la leva incidirá sobre las válvulas más tarde favoreciendo la coincidencia de la resonancia con menos inercia a bajas RPM, lo que mejora el llenado en estas condiciones de funcionamiento.
- Es una excelente solución para la “falta de bajos” del motor multiválvulas.
Motor a altas RPM, imagen 14.6
- Al subir de RPM, la posición del árbol de levas va avanzando en el sentido de giro del piñón, anticipando la apertura de las válvulas y aprovechando la mayor inercia de la resonancia para mejorar el llenado, así la apertura de las válvulas coincide con las secuencias de vaivén de la resonancia.
El funcionamiento, como se ha comentado, es por presión de aceite del circuito de la lubricación del motor, controlando electrónicamente las posiciones relativas entre los árboles de levas y sus respectivos piñones de arrastre.
Hay también automóviles en los que el control es totalmente electrónico mediante motores eléctricos para variar las pociones entre los árboles de levas y sus piñones.
Implantación de la distribución de fase variable DFV
En las imágenes 14.7, 14.8 y 14.9 hay tres automóviles multiválvulas, con cuatro válvulas por cilindro y distribución DOHC, estas son sus particularidades respecto a la distribución de fase variable DFV.
Sin distribución de fase variable SDFV, imagen 14.7
- Es un motor delantero longitudinal de seis cilindros en línea y cuatro válvulas por cilindro.
- La tapa de distribución no tiene los complementos de la distribución de fase variable en los extremos de los árboles de levas SDFV, como se resalta en el detalle de la imagen de los piñones de los árboles de levas, en la que se aprecia que el mando de la distribución es por correa dentada.
Con distribución de fase variable en admisión DFVA, imagen 14.8
- El motor es de cuatro cilindros en línea transversal delantero con cuatro válvulas por cilindro.
- Se observa en la tapa de distribución que el árbol de levas de admisión tiene la prolongación para el sistema de distribución de fase variable DFVA, pero no el árbol de levas de escape SDFV, la imagen con el detalle permite apreciarlo y también que el accionamiento de la distribución es mediante correa dentada.
Con distribución de fase variable en escape y admisión DFVEA, imagen 14.9
- El motor de seis cilindros en línea longitudinal delantero y con cuatro válvulas por cilindro tiene dos resaltes en la tapa de distribución, uno para cada árbol de levas, por lo que cuenta con distribución de fase variable para escape y admisión DFVEA.
- El detalle resalta los elementos de esta tecnología situados delante de los respectivos árboles de levas, y el accionamiento de estos es por cadena.
La distribución de fase variable se utiliza también en el motor diésel, que si cuenta con turbocompresor como es lo habitual, se mejora el rendimiento en busca de menos consumo, contaminación y mejor respuesta al acelerador desde bajas RPM.
En el detalle de la imagen 14.8 con distribución de fase variable en admisión, el funcionamiento es electrohidráulico, la presión de aceite varia las fases en función del control electrónico.
El sistema de distribución de fase variable en escape y admisión del detalle de la imagen 14.9 es mediante motores eléctricos y control electrónico.
