Recuperación o reprís y cruce de válvulas

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Cuando pensé en hacer este artículo, la idea original era que fuese sencillo y fácil de entender, pero no lo he logrado.

Según entraba en materia tenia que ir ampliando el contenido por las influencias de gran cantidad de particularidades del automóvil que afectan a su capacidad de recuperación o reprís desde bajas RPM.

Tuve que tomar una decisión, o lo simplificaba como era la idea prescindiendo de información que considero interesante, o incluía lo que ayudase a entender los contenidos aunque resultase más complejo de seguir si no se contaba con cierta formación o conocimientos técnicos.

La decisión fue hacerlo tan completo como fuese necesario, para aportar todo lo que considerase que tenía relación con el tema.

El principal motivo de esta decisión es que así es como aprendí, estudiando contenidos que me resultaban difíciles y dedicándoles tiempo los fui entendiendo, hasta poder contar con un bagaje que me permite seguir aprendiendo lo nuevo con una base consolidada de las tecnologías anteriores.

Tras esta introducción debes decidir si sigues leyendo o pasas a otro tema menos exigente … si has decidido seguir encontrarás enlaces a otros artículos del blog que complementan con informaciones aquellos aspectos influyentes, para que el resultado final sea el compendio de todo lo que determina la relación entre el reprís o recuperación del automóvil al acelerar desde baja velocidad sin cambiar de relación de caja de cambios con el cruce de válvulas, como dato muy representativo del “carácter” del motor.

Por estos comentarios ya deduces que nos referimos a coches con caja de cambios manual con distribución fija.

Aunque veremos tecnologías muy actuales para poder comparar, con el objetivo de tener una idea lo más amplia posible del tema nos centraremos en aquellos coches y motores en los que no había aún electrónica, y menos  masiva como actualmente, y su respuesta al acelerar a distintas RPM determinaba cuál era el tipo de coche.

Hemos seleccionado tres automóviles de hace bastantes años y son Renault; 4CV (1953) con tecnología poco evolucionada desde los inicios del automóvil, 8 Gordini (1968) como deportivo o de competición aunque su carrocería sea de un turismo, y 30 TX (1979) que es un turismo de gama alta para a marca, de gran capacidad y buen nivel de prestaciones para entonces.

Ya se ha comentado que antes de analizar estos tres coches compararemos aquellas tecnologías con las de hoy, valorando los cambios en el reprís o recuperación.

Este artículo, y otros que vendrán, son homenajes a aquellas tecnologías que, o ya no están o les queda poco para ser historia.

Hemos elaborado los textos y las imágenes de cada diapositiva para que se comprenda lo que quieren explicar, que puede no ser suficiente para todos si, como se comentó en la introducción, se necesita más información, que se incluye en textos complementarios y con el apoyo de enlaces a otros artículos del blog.

En las pruebas de automóviles relacionadas con el tiempo, velocidad y distancia hay tres mediciones características; aceleración (desde parado), recuperación o reprís y adelantamiento.

De estas pruebas el reprís es el más afectado por la respuesta del motor a bajas RPM y esta respuesta es por el par motor; su valor y forma de la curva, en lo que es determinante el diagrama de distribución y de este el dato del “cruce de válvulas”.

Todo esto, relacionando el reprís y cruce de válvulas, lo iremos explicando a continuación.

Recuperación o reprís y factores de influencia

  • Tiempo en recorrer 400 y 1.000 m desde determinada velocidad en marchas largas sin cambiar de relación

Este dato ha sido muy importante en las prestaciones con caja de cambios manual, y era uno de los habituales en las pruebas de automóviles pues determinaba el enfoque y comportamiento del coche, es decir para que uso está previsto.

Se menciona en pasado, pues con las tecnologías actuales basta con acelerar para obtener buena respuesta del motor.

En este enlace puedes ver la relación entre prestaciones y características técnicas.

Se ven en la diapositiva estas imágenes:

  • Automóvil con motor longitudinal delantero de 4 cilindros en línea con árbol de levas en culata, embrague, caja de cambios manual de 6 relaciones y marcha atrás, árbol de transmisión y diferencial en el eje trasero al ser estas ruedas las motrices
  • El par motor determina la respuesta al acelerar desde bajas RPM, mejor cuanto más altos sean los valores y que la forma de la curva sea lo más “plana” posible
  • Los desarrollos de transmisión, velocidad en km/h en cada relación a 1.000 RPM, determinan el régimen del motor al acelerar
  • Con desarrollo neutro, las mismas RPM a velocidad y potencia máximas en la marcha más próxima a relación 1 de transmisión, se equilibra el reprís y el consumo, es lo que se representa y como veremos hay otras opciones
  • El peso es evidentemente un factor muy influyente al acelerar, mejor cuanto menor sea

A la derecha del automóvil se representan las curvas de par y potencia, resaltando el primero por su influencia en el reprís:

  • Se ve que la curva de par tiene buenos valores en un amplio margen de RPM, lo que favorece la respuesta al acelerar
  • Cuanto más alto sea el valor del par al iniciar las mediciones de reprís mejores serán los resultados

Bajo la curva de par se ve la imagen del automóvil resaltando el peso:

  • Es un factor con influencia en el reprís, pues supone la inercia se ha de vencer con par motor al acelerar

Debajo de la imagen del coche resaltando el peso está el cuadro de los desarrollos de transmisión:

  • Indica en cada relación su velocidad en km/h a 1.000 RPM de motor
  • Con estos datos se obtienen las RPM a las velocidades de medición del reprís; en 4ª a 40 km/h son 1.450, en a 50 km/h son 1.450 y en a 50 km/h son 1.220, que se incluyen en la imagen de análisis de las medicines de reprís

Bajo el automóvil de la izquierda se ven las imágenes que valoran el reprís o recuperación y sus resultados, mejor cuanto menos tiempo se tarde:

  • Este dato de prestaciones del automóvil, el reprís o recuperación, mide el tiempo que se tarda en cubrir desde 40 o 50 km/h 400 y 1.000 m, en las relaciones largas y acelerando a fondo progresivamente sin cambiar de marcha, excepto que sea necesario por protección del motor
  • Se ven tres pruebas de reprís acelerando en 4ª, 5ª y 6ª
  • En 4ª desde 40 km/h (1.450 RPM) tiempo en recorrer 400 y 1.000 m; 18” y 34”
  • En 5ª desde 50 km/h (1.450 RPM) tiempo en recorrer 400 y 1.000 m; 19” y 35”
  • En 6ª desde 50 km/h (1.220 RPM) tiempo en recorrer 400 y 1.000 m; 21” y 38”

Los factores con más influencia en el reprís son los que se han visto:

  • Peso; mejor cuanto menor sea, lo que es cada vez más difícil por el mayor equipamiento, seguridad, anticontaminación, confort …
  • Par motor y forma de la curva; mejor cuanto mayor sea y la forma de la curva lo más plana posible, para que al iniciar la prueba del reprís se disponga de buenos valores de par
  • Desarrollos de transmisión; para el reprís es mejor que sean cortos, más RPM a la misma velocidad en cada relación, pero supone que funcione el motor a más RPM incrementando el consumo, fatiga mecánica y ruido. Es una de las razones del incremento del número de relaciones, siendo actualmente habitual en caja manual que sean seis

Recuperación o reprís y factores de influencia

Recuperación o reprís con otras cajas de cambio o sistemas de propulsión

  • Con caja de cambios de paso automático de las relaciones y coche eléctrico con baterías

Vemos dos imágenes, en la superior se representa un coche que tiene caja automática con convertidor de par y en la inferior es un coche eléctrico con baterías de propulsión.

Caja de cambios con paso automático de relaciones hacia adelante

  • Hay tres tipos genéricos, la que se ve en el coche que es automática con convertidor de par, automatizada que utiliza la tecnología de la caja manual automatizando la inserción de las relaciones y tiene habitualmente dos embragues en seco o baño de aceite, y la transmisión de variación continua CVT en la que no hay cambio de relaciones, se pasa de forma continua de una corta progresivamente a una larga o a la inversa, sin saltos
  • Estas cajas de cambio con paso automático de las relaciones suelen compartir un mismo sistema de selección de posiciones, lo representamos con una palanca, la tendencia actual es que sea mediante mandos; la posición P es aparcamiento y quedan bloqueadas las ruedas motrices, R es marcha atrás, N es punto muerto, D (“drive”) es funcionamiento automático, S es el carril de accionamiento secuencial con + se sube una relación y con – se baja
  • Hay ciertas particularidades en D y S; en ambas, si se acelera a fondo progresivamente, como se ha de hacer para medir el reprís, entra en acción el reto contacto del pedal del acelerador (“kick down”) haciendo que el sistema pase a la relación que mejor respuesta ofrece, y la mantiene hasta altas RPM antes de cambiar, lo que impide medir el resultado real del reprís, pues se está midiendo aceleración
  • Se puede intentar hacer seleccionando con S en marcha la relación correspondiente si el motor la admite a la velocidad de inicio de la prueba (40 o 50 km/h), y se acelera lo más rápido posible sin que se reduzca de relación, lo más frecuente es que haya cambios de marcha que alteran los resultados de la medición
  • En conducción normal, acelerando en D o S desde 40 y 50 km/h, el reprís como concepto (pues habrá cambios de relación) que se mide por el tiempo en recorrer los 400 y 1.000 m mejora bastante con relación a la caja manual; lo estimamos respectivamente en 39% (11”) y 35% (22”)

Coche eléctrico con baterías

  • Vemos un automóvil con esta tecnología, las batería están bajo el piso del habitáculo y suministran electricidad a un motor eléctrico que mueve las ruedas traseras motrices
  • No se necesita caja de cambios, pues el par motor, como se ve en la imagen con su curva, está disponible desde el inicio de la marcha según como se acelere
  • Al acelerar a fondo progresivamente, ya sea desde parado para medir la aceleración, o desde 40 o 50 km/h para medir el reprís, se aporta el par motor proporcional a la posición y actuación sobre el acelerador, reduciendo sensiblemente los tiempos en recorrer los 400 y 1.000 m, lo estimamos respectivamente en mejoras con relación a un coche similar con motor térmico y caja manual de 55% (8”) y 50% (17”)

Ya se comentó que con tecnologías actuales el concepto de reprís ya no da la información de antaño, pues la respuesta al acelerar ha mejorado espectacularmente, incluso con caja manual por evoluciones en el llenado de los cilindros del motor desde bajas RPM, luego lo vemos.

Recuperación o reprís con otras cajas de cambio o sistemas de propulsión

Recuperación o reprís por par motor; cruce de válvulas

  • Cruce de válvulas invariable y relación con la curva de par y respuesta del motor al acelerar desde bajas RPM

Las explicaciones e imágenes de la diapositiva aportan la información que queremos transmitir.

Para el mejor llenado de los cilindros se aprovecha la inercia de los gases de admisión y escape, que se desplazan a velocidades sumamente elevadas en los colectores, y están sometidas a cambios bruscos de sentido y además hacen recorridos tortuosos.

El aprovechamiento de esos efectos de inercia de gases es la resonancia, que permite a determinadas RPM lograr el mejor llenado del motor, es el par máximo.

En la diapositiva se ven dos curvas de par, una es progresiva y ofrece un valor de par más estable que la otra, en la que el par máximo llega ya casi a altas RPM, lo que reduce la respuesta del motor a bajas RPM.

El cruce de válvulas consiste en mantener cierto ángulo abierta la válvula de admisión, que se anticipa, avance apertura admisión AAA, a la vez que está todavía abierta la de escape, que se retrasa, retraso cierre escape RCE, es decir están este cierto ángulo, cruce de válvulas, ambas válvulas abiertas.

Se logra que entre más masa de admisión por el tiro de los gases de escape y que los de admisión empujen a la salida de los gases de escape del cilindro que se vaciará antes, este efecto es mayor a las RPM de par máximo.

Hay más alteraciones de secuencias de actuación de las válvulas como veremos al comentar el diagrama de distribución, pero el valor del ángulo de cruce de válvulas da una idea clara del carácter del motor, si está diseñado para un automóvil utilitario (poco cruce), de turismo medio (cruce medio) deportivo (mucho cruce).

Estamos hablando de motores en los que el o los árboles de levas giran simultáneamente con el piñón de arrastre, es lo que llamamos distribución fija o invariable.

Recuperación o reprís por par motor; cruce de válvulas

Recuperación o reprís por par motor con cruce de válvulas de ángulo variable

  • Cruce de válvulas con distribución variable; curva de par y respuesta del motor al acelerar desde bajas RPM

La diapositiva lo explica con texto e imágenes.

Se basa la distribución de fase variable en hacer que el cruce de válvulas, y otras alteraciones en las secuencias de actuación de las válvulas, vayan variando con las RPM y aceleración, para aprovechar las inercias de los gases de admisión y escape en un amplio margen de RPM.

Se hace permitiendo cierto desfase angular en el arrastre del árbol o árboles de levas por sus piñones.

La posición angular entre piñón y árbol de levas se va adaptando a las condiciones de marcha, mediante accionamiento generalmente electrohidráulico, o totalmente electrónico.

Se logra que el valor del par máximo se mantenga en un margen amplio de RPM, como se refleja en la imagen de la curva de par.

Al depender la potencia del par y las RPM; Potencia = Par x RPM, si aumenta el par también lo hace la potencia.

Con distribución de fase variable la estimación de mejora en el reprís para recorrer 400 y 1.000 m en 4ª, 5ª o 6ª esta entre el 10 y 25% respectivamente.

Hay otras tecnologías que favorecen la curva de par motor plana, colector de admisión variable y alzado variable de válvulas.

No hablamos en este artículo de sobrealimentación pues se transforma el motor en otro y se ha de estudiar de forma particular.

Actualmente, casi todos los motores térmicos, con contadas excepciones, están sobrealimentados.

En este enlace tienes información sobre el turbocompresor, para que además de aumentar exponencialmente par y potencia, la forma de la curva sea lo más plana posible, por si te interesa.

Recuperación o reprís por par motor con cruce de válvulas de ángulo variable

Recuperación o reprís por par motor con poco cruce de válvulas

  • Motor de cruce de válvulas invariable; Renault 4CV (1953)

Comentarios complementarios:

  • La implantación de este automóvil es; motor longitudinal trasero por detrás del eje, de 4 cilindros en línea con árbol de levas lateral y válvulas paralelas en culata con flujo lateral, escape y admisión por el mismo lado, y es de propulsión (tracción trasera)
  • Carburador monocuerpo invertido
  • Caja de cambios con diferencial integrado de 3 relaciones y marcha atrás, la 1ª no está sincronizada
  • El diagrama de distribución, que se detalla en el texto de la diapositiva, tiene ángulos pequeños, incluido el cruce de válvulas que es de 13º, lo que hace que se aproveche menos la inercia de gases y el mejor momento es entre bajas y medias RPM, como refleja la curva de par, máximo a 2.000 RPM, y de potencia, máxima a 4.000 RPM
  • Con solo 3 relaciones el reprís en esta última relación desde 40 y 50 km/h lleva tiempo aunque el motor funciona redondo y sin fallos, pero el poco par motor no ofrece suficiente respuesta
  • Los desarrollos de transmisión son neutros, las RPM de velocidad y potencia máxima coinciden a 4.000 RPM, lo que ofrece cierto equilibrio entre prestaciones y consumo de combustible
  • El peso contenido ayuda algo, pero al ir más ocupantes la respuesta del motor en general y en especial el reprís se resienten

Es una tecnología de referencia de lo que había en el automóvil por aquellos años, además es un utilitario valorándose mucho el consumo de combustible.

Recuperación o reprís por par motor con poco cruce de válvulas

Recuperación o reprís por par motor con mucho cruce de válvulas

  • Motor de cruce de válvulas invariable; Renault 8 Gordini (1968)

Comentarios complementarios:

  • La implantación de este automóvil es; motor longitudinal trasero por detrás del eje, de 4 cilindros en línea con árbol de levas lateral y válvulas en culata oblicuas con cámara hemisférica y flujo transversal, escape y admisión en lados opuestos, y es de propulsión (tracción trasera)
  • Dos carburadores horizontales dobles
  • Caja de cambios con diferencial integrado de 5 relaciones y marcha atrás
  • El diagrama de distribución, que se detalla en el texto de la diapositiva, tiene ángulos elevados, incluido el cruce de válvulas que es de 87º, lo que hace que se aproveche mucho más la inercia de gases pero a partir de medias/altas RPM, ya cerca de altas vueltas, como refleja la curva de par, máximo a 5.000 RPM, y de potencia, máxima a 6.750 RPM
  • Con 5 relaciones el reprís en 4ª y 5ª desde 40 y 50 km/h parte de unas 1.900 RPM, lejos de las 5.000 del par máximo lo que reduce la respuesta al acelerar. Aunque el valor del par es suficiente el empuje para el reprís no, al comparar como lo hace al acercarse a las 5.000 RPM.
  • En este automóvil con dos carburadores de doble cuerpo horizontales de apertura simultánea, se ha de acelerar progresivamente desde bajas RPM para no ahogar con exceso de gasolina al motor
  • Los desarrollos de transmisión son cortos, las RPM de velocidad máxima (7.200) son superiores a las de potencia máxima (6.750), lo que trata de compensar la falta de fuelle a bajas RPM e implica un aumento de consumo, que por el tipo de automóvil que no es objeción importante
  • El peso contenido por el enfoque deportivo del modelo ayuda algo en el reprís, pero no es la forma de conducir este coche en el que es a partir de medias RPM cuando hay respuesta del motor acorde a lo que se espera

Es una tecnología de referencia de como eran los motores para altas prestaciones antes, se basaban en desplazar los valores máximos de par y potencia hacia altas RPM, dando por hecho que a bajas vueltas la respuesta es escasa, y lograr consumos bajos no es un objetivo en el diseño.

En este vídeo de otro artículo y con diferentes automóviles de la misma marca, puedes ver la distribución por árbol de levas lateral; con válvulas paralelas en culata y flujo lateral visto en el Renault 4CV, y oblicuas con flujo transversal del coche de esta diapositiva Renault 8 Gordini.

Recuperación o reprís por par motor con mucho cruce de válvulas

Recuperación o reprís por par motor con cruce de válvulas de valor medio

  • Motor de cruce de válvulas invariable; Renault 30 TX (1979)

Comentarios complementarios:

  • La implantación de este automóvil es; motor longitudinal delantero por delante del eje de 6 cilindros en V a 90º, con un árbol de levas en cada culata, de flujo transversal con cámaras hemisféricas y válvulas oblicuas, escape y admisión por lados opuestos de cada culata, y es de tracción (delantera)
  • Alimentación por inyección K Jetronic mecánica contina. En este enlace tienes información completa de la inyección K y KE; parte 1 y parte 2
  • Caja de cambios con diferencial integrado de 5 relaciones y marcha atrás
  • El diagrama de distribución, que se detalla en el texto de la diapositiva, tiene ángulos medios, incluido el cruce de válvulas que es 31º, se aprovecha más la inercia de gases a medias RPM, se ve en la curva de par, máximo a 3.000 RPM, y de potencia, máxima a 5.500 RPM
  • Con 5 relaciones el reprís en 4ª y 5ª desde 40 y 50 km/h parte de unas 1.400 RPM en ambos casos, aunque el par no es todavía muy alto si es suficiente en valor para que la respuesta al acelerar se adecuada
  • Los desarrollos de transmisión son largos, las RPM de potencia máxima (5.500) son superiores a las de velocidad máxima (5.260), favorece el consumo y va algo en contra del reprís pero al tener buenos valores de par se compensa
  • El peso contenido para el tipo de automóvil ayuda algo en el reprís

Este coche representa como se lograban entonces buenos valores de par y potencia con adecuada respuesta al acelerar desde bajas RPM sin sobrealimentación; aumentando la cilindrada y sustituyendo la carburación por inyección.

Recuperación o reprís por par motor con cruce de válvulas de valor medio

Resumen comparativo de recuperación o reprís por par con motores con diferente cruce de válvulas

  • Motores con cruce de válvulas invariable

Comentarios complementarios:

  • Estos res automóviles representan un utilitario en el que se busca bajos consumos, deportivo con carrocería de turismo que prima las prestaciones de velocidad y aceleración, y de alta gama que valora buenas prestaciones, capacidad e imagen, con el consumo en segundo plano pero también considerado

Los caracteres de los motores son distintos valorando el reprís:

  • El utilitario responde con progresividad al acelerador desde bajo régimen, curva de para casi plana, muy sueva pero sin contundencia por los bajos valores de par motor, reprís escaso
  • El turismo deportivo a bajas RPM tiene poca respuesta, se ha de superar medio régimen para apreciar la contundencia que irá aumentando a más RPM. El valor del par máximo está bien, pero la forma de la curva hace que tarde en llegar, con resultados poco eficientes en reprís
  • En el turismo de gama alta la curva de par no es tan plana, pero al tener valores altos permite que el reprís sea bueno o al menos suficiente

El reprís por desarrollos de transmisión:

  • En el utilitario al tener desarrollo neutro, para equilibrar consumo y prestaciones no ayuda ni perjudica al reprís que será escaso por el poco par disponible
  • Con desarrollo corto el turismo deportivo prima la aceleración, el reprís no es lo suyo pues no está diseñado para funcionar a bajas RPM, empieza a empujar desde ya cerca de altas vueltas. El consumo no se tiene en cuenta
  • El coche de gama alta tiene desarrollo largo al disponer de buenos valores de par que compensan en parte la forma de la curva, se logran prestaciones acorde al coche que es sin que se disparen los consumo, incluido el reprís

Resumen comparativo de recuperación o reprís por par con motores con diferente cruce de válvulas

Con estos tres coches se ha dado un repaso a tecnologías de antes para conseguir que el automóvil se comportase de la forma que se espera, como un coche de ciudad, turismo medio o deportivo, pero no podía tener estas tres personalidades al acelerar desde bajas vueltas en busca de reprís.

Actualmente, hay diferentes soluciones para que al acelerar a pocas RPM, incluso muy bajas, se disfrute de buena respuesta del motor, de forma que hasta coches claramente deportivos se pueden conducir a bajo régimen contando con respuesta en caso de acelerar con energía, se han expuesto algunas.

Como nota de interés, cuando los fórmula 1 de hace muchos años no tenían la carga tecnológica actual, incluso se facilitaban sus datos técnicos incluido el diagrama de distribución fijo.

Las alteraciones angulares de secuencias de válvulas eran sumamente elevados, incluido el cruce de válvulas, tanto es así que no podían funcionar por debajo de 7.000 u 8.000 RPM, empezando a empujar hacia las 12.000 y llegaban a más de 15.000.

A estas RPM la inercia de los gases, la resonancia, tiene tal empuje que se lograban un sobrellenado de los cilindros de más del 25% de su capacidad, se llenaban a presión sin sobrealimentación.

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