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El par que genera motor térmico es variable.

Se investigan y aplican tecnologías para que se logre una curva de par lo más plana posible y desde bajas RPM.

El alzado variable de válvulas de admisión tiene como principal objetivo mejorar la mezcla entre el aire y la gasolina, con beneficios en consumo, contaminación y prestaciones.

Laminado de gases

Cuando el flujo de aire ha de sortear un obstáculo le rodea formando unos efectos de laminado, más intensos en las proximidades del objeto.

Veamos este efecto con la animación siguiente:

  • Vemos un túnel de viento donde se experimenta la calidad aerodinámica de automóviles
  • Pasa el flujo de aire sin nada que le altere en el interior del túnel de viento
  • Seguidamente se introduce un automóvil con mala aerodinámica, es un Lancia Lambda
  • Se observa como el aire para esquivar el coche le rodea y se forman unas láminas de aire en las proximidades de la carrocería
  • Estas láminas de aire son como flujos independiente del aire
  • Tras pasar por el coche, detrás de él se van uniendo de nuevo los flujos de aire en uno
  • A continuación se sustituye el Lancia Lambda por otro coche con mejor aerodinámica, hemos elegido un Lamborghini Miura
  • El efecto de laminado del aire es menor, por la mejor aerodinámica de este coche

Líquido en el laminado de gases

Ahora vamos a ver que sucede si en la masa de aire se aporta líquido, simulando lo que después será la inyección de gasolina en un motor:

  • Se ven los dos coches en el túnel de viento con los flujos de aire a su alrededor
  • En el de peor aerodinámica, imagen superior, hay más láminas de aire que en el de mejor aerodinámica, imagen inferior
  • Al inyectar líquido en el flujo de aire las gotas más o menos pulverizadas se incorporan al flujo de aire que va llegando
  • Las gotas que inciden sobre las láminas de aire se mezclan con este, las que llegan a zonas entre las láminas no se mezclan o lo hacen parcialmente
  • El resultado final detrás de cada uno de los coches es que con más laminado peor aerodinámica, es decir más obstrucción al paso del aire, la mezcla de aire y líquido es peor que en el otro caso, en el que se logra una mezcla más homogénea de aire y líquido

En el motor de gasolina se busca que la mezcla aire – gasolina sea lo más homogénea posible para lograr que la combustión sea eficiente y con menos gases contaminantes.

Hay motores de gasolina que funcionan en algunos momentos con mezcla estratificada, pero requieren controles muy precisos de combustión y se producen desequilibrios en los gases contaminantes, es el funcionamiento de algunos motores de inyección directa de gasolina.

Laminado de gases en la admisión del motor de gasolina

Apliquemos lo que hemos visto sobre un motor.

Nos referiremos a motores de gasolina en este artículo, pues la combustión se basa en que haya una buena mezcla de aire y gasolina cuya explosión se iniciará por la chispa de la bujía, y ésta (la bujía) aparece en los motores que se van a ver.

En el motor diésel el gasóleo se inyecta sobre aire a elevada temperatura lo que provoca su auto combustión partiendo de una mezcla estratificada, no homogénea.

El motor que utilizamos en esta animación tiene el árbol de levas en culata, la distribución es OHC, y los balancines cuentan con rodillos para reducir el rozamiento con el árbol de levas:

  • Se incorpora el inyector de gasolina en el colector de admisión, es inyección indirecta
  • Se coloca la mariposa de gases en el colector de admisión
  • Funciona el motor:
    • Al acelerar parcialmente la mariposa obstruye el paso del aire, que se lamina dividiéndose en capas para sortear la mariposa
    • La gasolina inyectada en finas gotas incide sobre el aire laminado, se mezclan bien las que entran en los flujos de aire, pero las que no, continúan su recorrido sin mezclarse con el aire o lo hacen parcialmente
    • El resultado es que la mezcla que entra al motor no es lo homogénea que sería de desear, lo que afectará al rendimiento, consumo y contaminación
    • Si se acelerase más, al abrir la mariposa totalmente los efectos de laminado se reducen mucho, siendo mínimos

Lo ideal sería que la mariposa estuviese siempre abierta, pero entonces el llenado del motor sería muy elevado y subiría de RPM, ¿hay alguna forma de compensar los efectos del laminado producido por la mariposa a bajas y medias RPM?.

Si, y lo vamos a ver a continuación, consiste en regular el llenado del motor mediante la el alzado variable de válvulas de admisión, es decir cuánto abren.

Alzado variable de válvulas por fases

La mariposa hasta ahora ha sido el sistema encargado de regular la cantidad de masa de admisión, con su apertura se varía el caudal de aire de entrada y la aportación de gasolina se ajusta a la proporción ideal mediante la inyección.

El motor de gasolina funciona con una proporción determinada de aire y gasolina que se ha de ser constante para mantener el equilibrio consumo, prestaciones y contaminación.

Con la siguiente animación se propone un sistema para reducir el efecto de laminado por aperturas parciales de la mariposa, es el alzado variable de válvulas por fases, lo vemos sobre un motor OHC con accionamiento directo de las válvulas visto de lado en la imagen izquierda y de frente en la derecha:

  • Árbol de levas con corredera; el árbol de levas tiene un estriado sobre el que se desplaza longitudinalmente una corredera
  • El empuje para su desplazamiento se hace mediante presión de aceite y el control es electrónico por el calculador o unidad de mando de inyección y encendido
  • Sobre la corredera hay dos levas para la misma válvula de admisión; una más baja, con menos alzado para abrir menos la válvula, y otra más alta, con más alzado que abre más la válvula
  • Hasta medias RPM la leva que actúa sobre las válvulas de admisión es la de menor alzado; las válvulas abren muy poco, por lo que la mariposa puede estar muy abierta reduciendo los efectos del laminado lo que permite mejorar la mezcla aire – gasolina
  • La mariposa puede variar algo su apertura para ajustar con precisión la cantidad de aire que entra al variar las RPM y aceleración, pero manteniéndose bastante abierta pues, como se ha comentado, las válvulas complementan el control del caudal de entrada
  • Desde medias RPM la corredera cambia de posición haciendo que la leva que actúa sobre las válvulas de admisión sea la de mayor alzado, las válvulas abren más y es ahora la mariposa, que parte de media apertura al menos, la que regula el caudal de aire, con estas aperturas de mariposa el efecto del laminado es reducido, manteniéndose una buena calidad de mezcla
  • Lo más frecuente es que la leva de más alzado esté desfasada un determinado ángulo con relación a la de menor alzado, así se abren antes las válvulas para adaptarse a la mayor velocidad de entrada de la masa de admisión y al efecto de resonancia

Alzado variable de válvulas en continuo

Con el sistema de alzado variable de válvulas por fases se logra que la mariposa esté bastante abierta en prácticamente todo el margen de RPM de uso del motor, reduciendo el efecto de laminado.

Pero es posible mejorar este sistema dejando todo el control del llenado de admisión a la apertura o alzado variable de válvulas, haciendo que se puede modificar de forma continua. con la animación siguiente vemos una forma de hacerlo:

  • Se ve un motor OHC en el que la válvula es accionada por un balancín, pero el árbol de levas no está en contacto con este
  • Aparecen los elementos que hemos diseñado para explicar el alzado variable continuo, son estos, que después veremos en acción:
    • SM soporte móvil; puede desplazarse transversalmente
    • BI balancín intermedio; se mueve con el soporte móvil y puede girar sobre su punto de apoyo
    • LSMD leva del soporte móvil con dentado; al girar empuja al soporte móvil, variando la distancia entre el balancín intermedio y la leva del árbol de levas
    • CE cremallera de empuje; engrana con el dentado de la leva del soporte móvil, al moverse transversalmente la hace girar
    • ME motor eléctrico; desplaza la cremallera de empuje haciendo actuar al sistema de alzado variable de las válvulas. Es controlado por el calculador de inyección y encendido

Conocidos los elementos del sistema veamos cómo funciona con el motor a ralentí:

  • La mariposa se abre del todo
  • No hay prácticamente laminado de la masa de aire, por lo que la mezcla con la gasolina se va desarrollando bien
  • El llenado del motor es muy reducido por el poco alzado de apertura de las válvulas de admisión
  • La mezcla resultante es muy buena al no haber laminado de gases
  • Es la situación de menor apertura de las válvulas, mínimo alzado
  • Se resalta la imagen de esta posición del sistema a ralentí

Funcionamiento a altas RPM:

  • La mariposa permanece totalmente abierta, sin laminado de gases y buena calidad de mezcla
  • Las válvulas de admisión abren mucho por la posición del sistema de accionamiento de alzado variable de válvulas
  • El llenado del motor es muy elevado a estas RPM
  • Es la situación de máxima apertura de las válvulas de admisión, máximo alzado
  • Se ve la imagen del sistema de alzado variable de válvulas a altas RPM

Entre ralentí y máximas RPM el alzado de apertura de las válvulas de admisión va variando de forma continua, permaneciendo la mariposa totalmente abierta.

Motor con inyección directa

  • Se cambia la posición del inyector que estaba antes de la válvula de admisión, en el colector, al interior de la cámara de combustión, después de la válvula de admisión
  • La mariposa está siempre abierta, como ya hemos visto
  • Al no haber laminado se logra un flujo más compacto de aire y con mejores turbulencias
  • Al pasar el aire por el cono formado alrededor de las válvulas de admisión, se potencian las turbulencias que favorecen la mezcla con la gasolina que se va a inyectar

El sistema de alzado variable de válvulas de admisión es un complemento que permite mejorar el consumo y contaminación, colaborando con la “Distribución de fase variable” y “Colector de admisión variable” que buscan hacer más plana la curva de par motor al aprovechar la resonancia en prácticamente todo el margen de RPM de uso del motor.

Alguna marca utiliza el alzado variable de válvulas en admisión en motores diésel, la mejora del flujo de aire y la posibilidad de controlarle sin efectos de laminado puede aportar ventajas.

Pero se ha de tener en cuenta que el motor diésel funciona con exceso de aire por lo que siempre ha de entrar la cantidad suficiente para asegurar un buena combustión.

En los enlaces se incluye uno a este sistema, es el MIVEC de Mitsubishi.

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