1.14. Motor multiválvulas

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Video resumen 1.14. Motor multiválvulas

La respiración del motor se desarrolla mediante la admisión y el escape, conceptualmente cuanto mayor sea la masa de admisión que entra al motor se dispondrá de más par y potencia.

Se ha comentado en módulos anteriores que la velocidad de tránsito de los gases en los colectores es sumamente elevada y discontinua, las válvulas abren y cierran, además de que los recorridos tienen curvas y obstáculos que frenan el paso de los gases: filtro de aire en admisión (y mariposa en el motor de gasolina), silenciadores y además sistemas anticontaminación en el escape.

Esto implica que se generen en los colectores ondas de presión proporcionales a la velocidad de circulación de los gases, es decir a las RPM de funcionamiento del motor.

Recordamos que en un automóvil de turismo interesa que el par máximo se encuentre en la zona media de RPM, la más utilizada, para contar con buena respuesta del motor al acelerar.

Si hace falta potencia se reduce de relación de caja de cambios para que al subir el motor de RPM se obtenga la potencia que mejora la aceleración.

En el módulo 1.8.2 se vieron las curvas de par y potencia características de tres tipos de automóviles; para transportar carga o realizar grandes esfuerzos (furgoneta, todoterreno,…), de un turismo medio y de un coche deportivo.

En este módulo de motor multiválvulas tomamos como referencia el motor de un turismo medio, y al final en la sección de resumen y repaso se presentan soluciones para conjugar en un mismo motor las respuestas al acelerar de los tres tipos de automóviles mencionados.

Las tecnologías de estas soluciones se explican en módulos siguientes, algunas de estas están contenidas en la segunda parte del título de este módulo “Llenado variable”, y el resto en los módulos que tratan de la sobrealimentación del motor (1.15).

Mejor respiración del motor

La respiración del motor, es decir el llenado y vaciado de los cilindros, es determinante para los resultados de par y potencia.

Hay diferentes tecnologías para mejorar la respiración del motor, en este módulo vamos a ver una de estas, el motor multiválvulas.

Analizando después lo que se obtiene se proponen evoluciones técnicas para mejorar los resultados del motor multiválvulas, que se identifican e irán viendo en los siguientes módulos como se ha adelantado.

Motor de dos válvulas por cilindro; ondas de presión en los colectores.

Se ve un motor con distribución DOHC representando el acelerador y el cuenta RPM.

No se incluye el sistema de alimentación de combustible, encendido ni la mariposa de gases, pues las siguientes explicaciones son didácticamente aplicables a los motores de gasolina y diésel:

Al ir acelerando progresivamente va aumentando la velocidad de los gases en los colectores de admisión y escape que generan las ondas de presión…
…las ondas de presión provocan efectos sobre el llenado y vaciado de los cilindros proporcionales a las RPM, es decir la velocidad de los gases…
…al aumentar el llenado y la rapidez en el vaciado de los gases de escape se va aumentando el par y la potencia⁽¹⁾
Se ha representado en el llenado de los cilindros la potencia y su evolución con las RPM, pues su incremento es progresivo hasta llegar a su valor máximo y es más didáctico para las explicaciones de este módulo
El par aumenta hasta medias RPM para ir disminuyendo después y la potencia sigue incrementándose
Repasar los módulos 1.8.1 y 1.8.2 si no se recuerda⁽¹⁾

En el motor de dos válvulas por cilindro de un automóvil de turismo el conductor aprecia una respuesta proporcional al acelerar desde bajas RPM, más o menos ágil según su cilindrada, pero uniforme y progresiva.

⁽¹⁾ Ya se explicó en el módulo 1.8.2 que el par máximo está en la zona media de RPM, que es cuando las ondas de presión favorecen más el llenado de los cilindros.

La potencia se obtiene a más RPM aunque el par sea algo menor pues el valor depende del par y las RPM (Potencia = Par x RPM), que siguen aumentando al subir de régimen el motor.

Estos aspectos se irán aclarando según avance el curso y sea posible ir conjugando y relacionado los conceptos y sus efectos.

Motor de dos válvulas por cilindro, detalle de las ondas de presión en los colectores

Como repaso de lo explicado se reproducen cuatro secuencias en el funcionamiento del motor con dos válvulas por cilindro según se va acelerando:

Se observa como la potencia va aumentando progresivamente al acelerar por los mayores efectos sobre el llenado y vaciado de gases proporcionales a la velocidad de tránsito, ondas de presión, que dependen de las RPM
Ya sabemos que el par máximo de obtiene en un automóvil de turismo en la zona media de RPM

Antes de continuar hay que remarcar que en este motor de dos válvulas por cilindro la evolución de la respuesta es progresiva y uniforme acelerando desde bajas RPM.

Más diámetro de los colectores

El tamaño de las válvulas es función del diámetro de los colectores de admisión y escape.

Si se aumenta la sección de los colectores puede entrar y salir más cantidad de gases, lo que supondría mejorar el llenado y en consecuencia el par y la potencia, esta es la idea que lleva al motor multiválvulas que va a tener mejores resultados con algunos efectos complementarios no deseados que será necesario solucionar.

Más número de válvulas por cilindro

Con la animación que sigue se deduce el concepto de motor multiválvulas empezando por la idea propuesta de incrementar el diámetro de los colectores de admisión y escape:

Al aumentar el diámetro de los colectores caben más gases…
… pero hasta medias RPM se generan menos ondas de presión al ser mayor el espacio de paso de los gases, lo que reduce el llenado y vaciado por efecto de las ondas de presión más débiles…
…el motor tiene menos respuesta a bajas y medias RPM, para aumentar mucho al incrementarse la velocidad de paso de los gases y en consecuencia las ondas de presión, que aprovechan la mayor sección de paso a más RPM, se obtiene más par y potencia pero a más RPM
Para controlar el paso de admisión y escape con más sección de colectores las válvulas han de ser más grandes, lo que supone más inercias que conlleva reducir su fiabilidad…
… se evita aumentando el número de válvulas por cilindro sin ser más grandes, dos de admisión y dos de escape en este motor
Al tener más de una válvula para cada función de admisión y escape se denomina a este motor multiválvulas

Es más difícil llenar los cilindros del motor que vaciarlos, por lo que en un motor de dos válvulas por cilindro son de mayor tamaño las de admisión.

Lo mismo se hace en el motor multiválvulas; pueden montarse dos de admisión y una de escape, dos para cada función siendo mayores las de admisión y también ha habido motores para automóviles de turismo con cinco válvulas, tres de admisión y dos de escape.

Lo más habitual es que los motores multiválvulas cuenten con dos de admisión y dos de escape, cuatro válvulas por cilindro.

Curvas de par y potencia del motor multiválvulas

Se reflejan las explicaciones en los resultados de las curvas de par y potencia comparadas en motores de la misma cilindrada, de dos válvulas por cilindro y multiválvulas.

Se ve primero la evolución de las curvas de par y potencia en el motor de dos válvulas por cilindro:

La respuesta del motor es progresiva al acelerar desde bajas RPM
El incremento del par motor hasta su valor máximo es uniforme, y la potencia va aumentando también progresivamente sin saltos
Se resalta esta progresividad en el trapecio en el que se representa el par y la potencia sobre el pistón
El par máximo se obtiene en la zona media de RPM y la potencia máxima en los inicios de la zona alta de RPM, en un motor de automóvil de turismo

A continuación se representan las curvas de par y potencia en el motor multiválvulas:

La respuesta del motor es débil al acelerar desde bajas RPM
Al llegar el motor a la zona media de RPM mejora rápidamente la respuesta produciéndose un aumento más o menos brusco del par motor y en consecuencia de la potencia
Sobre el pistón se observa la figura geométrica que resalta el comportamiento de menor respuesta a bajas/medias RPM para aumentar sensiblemente al subir más de RPM
El par y potencia máximas se obtienen a RPM más altas que en el motor de dos válvulas por cilindro, los valores son más elevados pero con menos respuesta a bajas y medias RPM
Se resaltan las zonas de RPM de “Menos respuesta” y “Más respuesta” del motor multiválvulas

El comportamiento del motor multiválvulas en un automóvil de turismo puede ser decepcionante para el conductor medio por la diferente respuesta a bajas/medias y altas RPM, que obliga a llevar el motor más alto de régimen para contar con capacidad de aceleración.

Este comportamiento obligó a buscar complementos técnicos alternativos que permitan contar con el mejor rendimiento desde medias RPM del motor multiválvulas sin perder respuesta a bajo régimen, se incluye la presentación de estos complementos en el resumen y repaso de este módulo para explicarlos en los siguientes.

Resumen de este módulo

Respuesta y curvas de par y potencia del motor de dos válvulas por cilindro

Aumento progresivo y uniforme al acelerar desde bajas RPM del par y la potencia, al ir incrementándose gradualmente las ondas de presión y sus efectos en el llenado y vaciado de los gases
El margen de mejor respuesta al acelerador está en el entorno de medias RPM, donde está el par máximo

Respuesta y curvas de par y potencia del motor multiválvulas

Aumento desigual del par y potencia al acelerar desde bajas RPM, menos al principio para incrementarse sensiblemente al superar las medias RPM.

El par crece con cierta brusquedad al llegar a medio régimen repercutiendo este comportamiento en la potencia.

Se producen estos efectos cuando la mayor sección de los colectores permite aprovechar las ondas de presión por su velocidad de tránsito más alta.

La mejor respuesta al acelerador se aprecia desde medias RPM, cuando se logra el par máximo y sigue aumentando por la potencia, con sensación de falta de empuje a menos RPM.

¿Es posible aumentar la respuesta a bajas RPM del motor multiválvulas?

La utilización de motores multiválvulas en automóviles de turismo permite mejorar su rendimiento y contaminación, pero su respuesta al acelerador a bajas RPM no es suficiente para lo que espera el conductor y está habituado con el motor de dos válvulas por cilindro.

Estas son las soluciones que permiten “llenar” la carencia a bajas RPM del motor multiválvulas:

Se busca que la curva de par motor sea más “plana” lo que repercute de similar forma en la de potencia con estas tecnologías:
- Distribución de fase variable; las secuencias de actuación de las válvulas varían según las RPM y aceleración para adaptarse a las ondas de presión en los colectores en un amplio margen de RPM
- Colector de admisión de geometría variable; con diferentes recorridos en longitud, forma y sección según las RPM y aceleración, se logra que las ondas de presión se aprovechen en un margen más amplio de RPM
- Alzado variable de las válvulas de admisión; al abrir estas válvulas un recorrido variable según RPM y aceleración, se mejora el aprovechamiento de la velocidad y efectos de las ondas de presión en el llenado de los cilindros
El objetivo es lograr valores bastante más altos de par, lo que implica contar con buena respuesta desde bajas RPM y que también aumente la potencia:
- Sobrealimentación del motor; consiste en llenar los cilindros a presión cuando abren las válvulas de admisión, se explica en el módulo 1.15
Estas tecnologías se pueden combinar ofreciendo altos valores de par con curvas casi planas desde bajas RPM y potencias elevadas

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