2.7.2. Distribución (II)

Video resumen 2.7.2. Distribución (II)

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Tipos de culatas

En diversos capítulos se han citado los efectos de la circulación a vertiginosa velocidad de los gases en los colectores de admisión y escape, y sus rebotes al cerrar las válvulas que generan enérgicos movimientos de vaivén, es la resonancia.

Además de estos efectos de resonancia, la gran velocidad de entrada de admisión y salida de escape en el cilindro producen flujos de energía que se pueden aprovechar adaptando las secuencias de apertura y cierre de las válvulas, avance de apertura de admisión y retraso de cierre de escape.

El conjunto de estas adaptaciones de actuación de las válvulas se comenta en varios capítulos de los dos niveles.

En este capítulo se resaltan los sentidos de circulación de los flujos de admisión en la culata; lateral y transversal, para analizar y valorar las “ayudas” de unos sobre otros para llenar y vaciar mejor los cilindros.

La resonancia en los colectores

Se ve un automóvil de frente:

  • Motor transversal delantero y son motrices las ruedas delanteras
  • Tiene el motor cuatro cilindros en línea y la distribución es OHC, árbol de levas y válvulas en culata o cabeza
  • Se posicionan los colectores de admisión, con el filtro de aire, y de escape con representación de los sistemas anticontaminación y silenciadores
  • Se pone el motor en funcionamiento
  • La velocidad vertiginosa de desplazamiento de los gases en los colectores de admisión y escape, generan al cerrar las válvulas rebotes de gases que chocan con los que están entrando (admisión) y saliendo (escape), produciendo efectos de vaivén de mayor o menor frecuencia según las RPM
  • Estos efectos de vaivén se producen a velocidades sumamente altas generando ondas de presión, es la resonancia
  • Además, hay en los colectores elementos que frenan la circulación de los gases que influyen en la resonancia, en admisión el filtro de aire y mariposa de gases y en el escape los sistemas de retención anticontaminante y silenciadores

En este capítulo nos centramos en las influencias de los flujos de los gases de admisión sobre los de escape y los de escape sobre los de admisión para ayudar a mejorar el llenado y vaciado de gases de los cilindros, por su relación con la posición de los colectores en la culata.

Otro detalle que afecta directamente a la resonancia es la sección y geometría de los colectores de admisión y escape.

El diseño de los colectores es uno de los más complejos, en los coches de calle se complica al tener que ubicar el motor en posiciones y espacios no ideales técnicamente.

Con los sistemas de distribución de fase variable, colectores de geometría variable y alzado variable de válvulas se logra mejorar la respuesta del motor en un amplio margen de RPM, y con la sobrealimentación además aumentan los valores de par y potencia.

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Culatas de flujo lateral y flujo transversal

Empezamos con la imagen de un motor a la izquierda con cuatro cilindros en línea y distribución OHV:

  • Se colocan los colectores de admisión y escape, en el mismo lado de la culata
  • Circulan los gases en los colectores:
    • Entra desde el exterior el aire por el colector de admisión, situado en un lado de la culata, a los cilindros
    • En algún momento sobre el aire de admisión se aporta combustible y se produce en cada cilindro la explosión (gasolina) o combustión (diésel)
    • A continuación, los gases quemados salen al exterior por el colector de escape, situado en el mismo lado de la culata que el de admisión en este motor
    • Sobre un dibujo de este motor visto de frente se repite la circulación de los gases; el colector de admisión está en el mismo lado de la culata que el de escape, situado este por debajo
    • El aire de admisión entra desde el exterior al motor por su colector, pasando por el filtro de aire Fa, en un sentido hacia la culata
    • Tras la explosión o combustión los gases quemados salen al exterior por el mismo lado de la culata que han entrado los de admisión, pero en sentido opuesto
    • Antes de salir al exterior los gases de escape pasan por los sistemas anticontaminación Ac y silenciadores Sc
    • Esta culata en la que los colectores de admisión y escape están en el mismo lado, y sus respectivos gases entran y salen en sentidos opuestos es de flujo lateral

Se ve otro motor de cuatro cilindros en línea también y con distribución DOHC:

  • Se posicionan los colectores de admisión y escape, situados en lados opuestos de la culata
  • Se representa la circulación de los gases en los colectores:
    • El aire del exterior entra a los cilindros por el colector de admisión situado en un lado de la culata
    • El combustible se aporta en algún punto del recorrido del aire de admisión, y se produce la explosión o combustión en cada uno de los cilindros
    • Los gases quemados salen al exterior por el colector de escape, que en este motor está en el lado opuesto de la culata que el de admisión
    • Se repite la circulación de los flujos de admisión y escape sobre el dibujo de este motor en vista frontal; el colector de admisión está a un lado de la culata y el de escape en el otro lado
    • Pasa el aire exterior por el filtro de aire Fa y sigue por su colector hasta el interior de los cilindros
    • La circulación del flujo de aire desde el exterior se produce en un sentido, desde el exterior al interior del motor
    • Se producen las explosiones o combustiones y los gases quemados son evacuados al exterior por el colector de escape, que está al otro lado de la culata que el de admisión, lo que implica que el sentido del flujo de gases de escape es el mismo que los de admisión, en este caso desde dentro del motor hacia el exterior
    • En la línea de escape desde el motor al exterior los gases quemados pasan por los sistemas anticontaminación Ac y silenciadores Sc
    • Los colectores de admisión y escape en este motor están situados en lados opuestos de la culata, los gases entran y salen en el mismo sentido, se puede decir que atraviesan la culata con la explosión o combustión en el punto medio
    • Esta culata es de flujo transversal
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Con culata de flujo lateral los gases han de dar la vuelta para salir por el mismo lado que han entrado, con flujo transversal no han de invertir su sentido de circulación pues es el mismo que el de entrada.

En principio parece que este detalle no afectaría al llenado y vaciado de los cilindros, pues la explosión o combustión se desarrolla con las válvulas cerradas.

Pero sí que hay relación pues la velocidad de los gases de admisión y escape es sumamente elevada y se puede aprovechar su inercia para que interactúe la admisión sobre escape y a la inversa, mejorando el llenado y vaciado de gases de los cilindros; lo vemos seguidamente.

Llenado con flujo lateral y flujo transversal

Las imágenes de partida son dos motores vistos de frente:

  • Ambos son de gasolina, se identifican por tener bujía de encendido y la inyección de gasolina es en el colector de admisión (inyección indirecta)

Se ponen en marcha ambos motores:

  • Admisión; abre la válvula de admisión y el pistón desciende hasta el punto muerto inferior (PMI) aspirando la mezcla de aire – gasolina, que entra a muy elevada velocidad al cilindro
  • Compresión; cierra la válvula de admisión y sube el pistón comprimiendo la mezcla
  • Explosión; salta la chispa en la bujía y se produce la explosión de la mezcla. El empuje sobre el pistón que desciende hace girar el cigüeñal generándose el par motor
  • Escape; abre la válvula de escape y al subir el pistón salen los gases de escape del cilindro por su colector a muy alta velocidad
  • La velocidad de entrada de la masa de admisión y salida de los gases de escape permite aprovechar sus flujos para llenar más los cilindros en admisión y vaciarlos más rápido en escape, esta es la idea:
    • Si al final de escape, con el pistón terminando su ascenso hasta el punto muerto superior (PMS) comienza a abrir la válvula de admisión, empiezan a entrar desde el colector de admisión por el “tiro” del flujo de salida de los gases de escape
    • Si además la válvula de escape se mantiene abierta unos instantes con el pistón ya descendiendo, la válvula de admisión sigue abierta, la velocidad de entrada de admisión “empuja” a los gases de escape agilizando su salida
    • Manteniendo abiertas simultáneamente unos instantes las válvulas de admisión y escape en el PMS se mejora el rendimiento del motor, logrando que los flujos de gases se ayuden unos a otros
    • Se ha de diseñar con extrema precisión para que no salga masa de admisión por el escape
    • Este tiempo en que están abiertas simultáneamente admisión y escape es el “cruce de válvulas”
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  • Con culata de flujo lateral; los efectos de admisión y escape se producen en sentidos opuestos, aprovechando menos la velocidad e inercia de los flujos de gases
  • Si la culata es de flujo transversal; los efectos de admisión y escape se hacen en el mismo sentido aprovechando bastante más la velocidad e inercia de unos flujos de gases sobre otros

De hecho, la vertiginosa velocidad de los gases en los colectores y sus rebotes al cerrar las válvulas generan efectos de vaivén, la resonancia que hemos citado varias veces y seguiremos mencionando, permitiendo utilizarla para mejorar el llenado y vaciado de los cilindros programando las secuencias de actuación de las válvulas en el diseño del motor.

Si, además se modifican con el motor en marcha las secuencias de actuación de las válvulas se puede hacer que los efectos de ayuda de los flujos de admisión y escape se vayan adaptando a las RPM y aceleración, es la distribución de fase variable.

Resumen repaso

Tipos de culatas y más detalles sobre cinco motores

Motor 1; tiene 2 cilindros horizontales opuestos, 2H:

  • Colectores de admisión y escape por lados opuestos de cada una de las dos culatas, que son de flujo transversal

Motor 2; cinco cilindros en línea, 5L:

  • Admisión y escape por lados opuestos de la culata, es de flujo transversal

Motor 3; dispone de tres cilindros en línea, 3L:

  • Colectores de escape y admisión por lados opuestos de la culata, flujo transversal

Motor 4; cuenta con cuatro cilindros en línea, 4L:

  • Los colectores de admisión y escape están en el mismo lado de la culata, es de flujo lateral

Motor 5; cuatro cilindros en V, 4V:

  • Los colectores de admisión y escape están en lados opuestos en cada una de las dos culatas, que son de flujo transversal
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Más detalles sobre estos cinco motores, que se desarrollan en otros capítulos de los tres niveles y se indican entre paréntesis:

  • Motor 1; es de gasolina, se ven las bujías de encendido, con inyección indirecta multipunto. Hay un inyector para cada cilindro en el colector de admisión (1.12.1)
  • Motor 2; diésel con inyección directa common rail (1.13.1)
  • Motor 3; gasolina, se representan las bujías de encendido y la inyección es directa, están los inyectores dentro de los cilindros
  • Motor 4; de gasolina como indican las bujías de encendido. Hay un inyector para todos los cilindros, inyección monopunto (1.12.1)
  • Motor 5; las bujías le identifican como motor de gasolina. La alimentación de combustible es mediante dos carburadores horizontales de doble cuerpo

Se ha dejado la explicación de la carburación, primer sistema de alimentación de combustible del motor de gasolina, para el nivel tres con la idea didáctica de utilizarla como punto de partida técnico de la alimentación de gasolina.

Al haber explicado en los niveles anteriores las tecnologías de inyección, en ese último capítulo hacemos un repaso valorando las aportaciones de la evolución de los sistemas de inyección para ir mejorando las actuaciones de la carburación, que al funcionar mecánicamente tiene muchas limitaciones haciéndola incompatible para reducir sensiblemente los consumos, y sobre todo con los sistemas anticontaminación.

Concepto de reglaje de válvulas

Se va a utilizar un motor de ocho cilindros en V para las explicaciones de tipos de culatas, 8V.

  • Motor 8V de la izquierda:
    • Se colocan los colectores de admisión y escape, que están en el mismo lado de cada una de las dos culatas, flujo lateral
    • Las inercias de los gases de admisión y escape son en sentidos opuestos, lo que resta eficiencia para aprovechar los efectos de mejora de llenado y vaciado de los cilindros
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  • Motor 8V de la derecha:
    • Los colectores de admisión y escape están en lados opuestos de las culatas, los de escape por el lado exterior y los de admisión para los ocho cilindros en el interior de la V
    • Al desplazarse los gases de admisión y escape en el mismo sentido, resulta bastante más eficiente la ayuda de las inercias de unos sobre otros para mejorar el llenado y vaciado de los cilindros
  • Se ve una válvula con su muelle y sistema de empuje desde el árbol de levas
  • La válvula de la imagen en principio no está apoyada en su asiento, y cuando está cerrada es imprescindible que lo esté con toda la fuerza del muelle para que no haya comunicación entre el interior del cilindro y los colectores
  • Como el motor al funcionar se calienta hay dilataciones de los componentes, especialmente la cola de la válvula
  • Para asegurar que cuando la válvula esté cerrada apoye con toda la fuerza del muelle en su asiento y sea el cierre hermético, se ve en el vídeo cómo se ajusta la válvula en su asiento, se hace un reglaje para mantener cierta distancia entre el sistema de empuje y la válvula estando está cerrada, es el reglaje de válvulas o taqués
  • Al actuar el árbol de levas sobre el sistema de empuje, este recorre esta mínima distancia antes de que la válvula comience a abrir, es un seguro de que en reposo el cierre es estanco

También está representado el esquema de reglaje de válvulas sobre cuatro motores con distintos sistemas de distribución, de izquierda a derecha:

  • Motor con distribución SV
  • Motor con distribución SV para escape y OHV para admisión
  • Motor con distribución OHV
  • Motor con distribución OHC y balancines

El reglaje de válvulas ha sido uno de los mantenimientos del motor más engorrosos, por el tiempo, método y precisión que requiere.

Ha habido diferentes sistemas hasta llegar al hidráulico, que se ajusta de forma automática sin necesitar mantenimiento.

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