Resonancia en colectores

Funcionamiento del motor de cuatro tiempos y la resonancia en colectores

Los cuatro tiempos del motor son, como se refleja en la siguiente animación sobre un motor de gasolina:

  • Admisión; entra el aire en el cilindro por la succión generada al descender el pistón
  • Compresión; el pistón sube con la válvula de admisión cerrada, en algún momento se ha aportado la gasolina, podría ser en el colector de admisión, inyección indirecta (imagen real inicial), o como en la animación dentro del cilindro, inyección directa, la mezcla aire gasolina se comprime por la subida del pistón
  • Explosión; cuando está el pistón en su punto más alto, se produce la chispa en la bujía que provoca la explosión de la mezcla generando la energía del motor
  • Escape; cuando está el pistón en el punto más bajo se abre la válvula de escape y los gases quemados son expulsados por el ascenso del pistón

En el colector de admisión está el filtro de aire FA y en el de escape el silenciador SC (o catalizador CT); estos elementos suponen un freno al paso de los gases, que se mueven a velocidades vertiginosas, lo que provoca didácticamente estos efectos de resonancia en colectores:

Admisión:

  • Al cerrar la válvula los gases chocan contra esta y retornan hacia el filtro de aire y las ondas de presión de los gases en su interior que intentan ir en sentido contrario, esto provoca un rebote hacia la válvula de admisión de nuevo, que al estar cerrada induce un nuevo rebote
  • Este movimiento de vaivén a gran velocidad y frecuencia en el interior de los colectores es la resonancia en admisión

Escape:

  • Los gases salen empujados por el pistón y se encuentran con el obstáculo del silenciador (o catalizador) que provoca un efecto freno y el consiguiente rebote hacia el motor, al estar la válvula de escape ya cerrada los gases rebotan de nuevo y así sucesivamente, como pasaba en admisión
  • Es la resonancia en el escape
Resonancia en colectores (1/4)

 

El llenado del motor es la cantidad de mezcla que ha entrado en el cilindro y es proporcional a la energía de la explosión.

El llenado depende de la velocidad de entrada de admisión y salida de escape, por lo que está íntimamente relacionado con la resonancia como veremos a continuación.

Resonancia en colectores: coincidencia de la resonancia en admisión y escape

Ahora vamos a ver la relación entre la resonancia y el llenado, con la animación que se ve a continuación:

  • Admisión; entra el aire aspirado por el descenso del pistón
  • Cierre de la válvula de admisión; se observa el rebote de la masa de admisión en el interior del colector de admisión, resonancia de admisión
  • Compresión; sube el pistón y se inyecta la gasolina
  • Explosión; la chispa en la bujía provoca la explosión de la mezcla aire – gasolina
  • Escape; al subir el pistón expulsa los gases quemados con la válvula de escape abierta
  • Cierre de la válvula de escape; los gases de escape chocan contra el silenciador (o catalizador) y parte rebotan retornando al motor y se repite el vaivén, resonancia de escape
  • Coincidencia de la resonancia en admisión:
    • Si cuando el pistón desciende en fase de admisión con la válvula de admisión abierta, coincide con el retorno de la resonancia hacia el motor entran al cilindro más gases, pues se suma a la aspiración del descenso del pistón el efecto de la resonancia, lo que mejora en ese momento el llenado del cilindro, es decir la energía de la explosión consiguiente
  • Coincidencia de la resonancia en escape:
    • Si coincide cuando el pistón sube en fase de escape con la válvula abierta, con la resonancia en sentido de salida se potencia el efecto de vaciado de gases, pues se suma al empuje del pistón la succión generada por la resonancia
    • Un vaciado más completo del cilindro propicia favorecer el llenado en admisión
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La velocidad y frecuencia de la resonancia depende de diversos factores, entre los más influyentes están la forma y sección de los colectores (admisión y escape), las características del filtro de aire y silenciador (o catalizador) y la coincidencia con la actuación de las válvulas, determinados por el árbol de levas y su ajuste con relación al giro del motor.

La forma y tamaño de los colectores, así como el filtro de aire y silenciador (o catalizador) y el ajuste del árbol de levas vienen dados en el diseño del motor (ya veremos en otros artículos que se pueden hacer dinámicos y variables) por lo que hay que asumir que la resonancia depende de las RPM del motor.

En la animación siguiente se representa el ejemplo de un motor de cuatro cilindros en línea, pues la resonancia que se genera en los colectores afecta a todos los cilindros.

El motor de cuatro en línea suele tener el orden de encendido 1 – 3 – 4 – 2,  el efecto de resonancia del cilindro 1 ayuda a llenar (y vaciar) más el siguiente, 3 y así sucesivamente.

Las pulsaciones generadas, resonancia, precisan de elaborados y complejos cálculos en el diseño de los colectores y elementos implicados.

Si se modifica cualquier elemento de la admisión o escape se alteran las secuencias de la resonancia lo que varía las RPM de par y potencia, sus valores y la respuesta del motor.

Resonancia en colectores (3/4)

 

Hemos dicho que en un motor dado la resonancia es dependiente del árbol de levas y que la coincidencia con las aperturas de las válvulas solamente se puede obtener a unas RPM determinadas, la pregunta surge automáticamente, ¿a qué RPM interesa disponer del mejor llenado del motor?

RPM de mejor llenado o par motor

Vamos a responder a esta determinante cuestión con la animación que sigue:

  • Zonas en el cuenta RPM; se ha dividido el cuenta RPM en tres zonas, baja (amarillo), media (naranja) y alta (rojo)
  • La mejor respuesta al acelerador es cuando el motor logra su mejor llenado
  • En conducción normal se tiende a utilizar más la zona media de RPM (si no hay respuesta del motor se reduce de velocidad para subir más de RPM)
  • Se ve un cuadro que refleja las RPM y el llenado:
    • Como se busca el mejor llenado a medias RPM, se ajusta el árbol de levas para que la coincidencia de la resonancia en admisión y escape se produzca a estas RPM, lo que se refleja en la curva de llenado en función de las RPM (naranja)
    • A las RPM de mejor llenado es cuando el motor ofrece su par máximo, es decir el par es el resultado del llenado
  • El carácter de un motor, su respuesta y comportamiento, se pueden deducir de las RPM a que obtiene su valor de par máximo (mejor llenado) (esto en los motores con distribución, admisión variables y sobrealimentados no se cumple, pues estas tecnologías adaptan la resonancia a diferentes condiciones y RPM de funcionamiento del motor):
    • Se ve en la animación tres diferentes tipos de motores; “tranquilo” (amarillo) con el par/llenado a bajas RPM, normal/medio (naranja) con el par/llenado en la zona media de RPM y prestacional (deportivo) con el par/llenado en la parte alta de RPM
    • En cualquier caso, si el motor funciona a otras RPM de las correspondientes al par/llenado máximos la respuesta decrece
    • Para aclarar un poco la función de la potencia se anticipa su concepto; la potencia en el resultado de multiplicar los valores de par en cada punto de su curva por las RPM en cada caso
    • Se obtendría una curva de potencia con el valor máximo en la zona alta de RPM
    • La potencia influye en la aceleración y velocidad, lo trataremos en otro artículo
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Tipos de motores por las RPM de llenado/par

Para dar una idea de la relación entre las RPM de par/llenado máximos y el carácter del motor he seleccionado los ejemplos que se ven a continuación, sin tecnologías que permitan adaptar de forma apreciable el llenado/par*: son de gasolina todos menos el Nissan Patrol que es diésel.

Lo explicado sobre la resonancia es aplicable al motor diésel.

Tipos de motores por las RPM de llenado/par

Los mayores efectos de la resonancia se logran según se incrementan las RPM y en consecuencia la frecuencia de las pulsaciones de gases en los colectores.

En los Fórmula 1 de hace unos años, ahora no se consiguen datos fiables, se lograba con la resonancia aumentos de llenado del orden de 140%, es decir la resonancia tenía un efecto similar a la sobrealimentación, claro hablamos de motores con regímenes de giro de más de 16.000 RPM.

* Las principales tecnologías para mantener lo más constante posible las RPM de mejor llenado/par son estas; distribución de fase variable, alzado variable de las válvulas, colector de admisión (y escape) de geometría variable, sobrealimentación y cilindros desconectables.

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Modificar el escape puede mejorar el rendimiento del motor?

 

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Un comentario

  1. Abel Vertiz Orizano

    Hola me gusta mucho este tema, estoy haciendo una investigación sobre un diseño de un tubo de escape para una motocicleta lineal, con el fin de elevar los parámetros de potencia y torque, pero ademas quiero aprovechar el proceso de resonancia de escape, para mejorar el proceso de renovación de carga de motor, por favor quisiera si me puedes brindar algunos link o artículos que me puedan apoyar a mi investigación, ademas si me podrías recomendar algunos libros sobre diseño de colectores de escape. Por favor apóyame, espero tu respuesta.

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