MOTORES Y ESAS COSAS Opciones

[AngelJR3]

Venga, seguro que alguno sabrá algo, digo yo?


y ya sabeis, un pis y a la cama (eso era de otro forista, creo)

[avalanche]

Una vez comprendido como funciona un motor, sabemos que la misión de las válvulas es permitir la entrada de aire (o mezcla aire-combustible) al cilindro y la posterior expulsión de los mismos.

El árbol de levas usa unos lóbulos (llamados levas) que empujan las válvulas para abrirlas aprovechando la rotación del árbol de levas. Los muelles de las válvulas hacen que estas retornen a su posición de cerrado. Esto es un trabajo crítico y tiene gran influencia en el rendimiento del motor a diferentes velocidades de rotación.

Aquí podéis ver como trabaja de modo general un árbol de levas:

http://www.howstuffworks.com/camshaft.htm

Ahora vamos a intentar comprender como el árbol de levas afecta al rendimiento del motor.

En los enlaces veréis animaciones que muestran como trabajan las diferentes configuraciones de motor, como monoárbol de levas en cabeza (single overhead cam S.O.H.C) (NOTA: es la configuración típica de los motores de 2 válvulas por cilindro modernos, p ej. Todos los turbodiesel de 2 valvulas por cilindro) y doble arbol de levas en cabeza (double overhead cam D.O.H.C) (NOTA: es la configuración típica de los motores de 4 válvulas por cilindro modernos, p ej. Todos los GTIs 16V). Además, también veremos la forma ingeniosa en que algunos motores pueden variar el ajuste del árbol de levas para tener mayor rendimiento a diferentes velocidades de giro.

LO BASICO
Las partes claves de cualquier árbol de levas son los lóbulos (levas). Con el giro del árbol de levas, las levas abren y cierran las válvulas de admisión y escape en su momento apropiado, coordinado con el movimiento del pistón. Existe una relación directa entre la forma de la leva y el rendimiento de motor a diferentes velocidades de rotación.
Para comprender porqué esto es así, imagina que el motor está girando extremadamente despacio, a solo 10 o 20 revoluciones por minuto (RPM), con lo que al pistón le lleva un par de segundos completar un ciclo. Sería imposible actualmente hacer que un motor normal girara tan lento, pero imagina que esto pasase. A esta baja velocidad, podríamos buscar (diseñar) formas de levas para que:
- Justo cuando el pistón empieza el movimiento de bajada en la carrera de admisión (llamado PMS, punto muerto superior) la válvula de admisión estuviese abierta. La válvula podría cerrar mientras el pistón llega al final de la carrera.
- La válvula de escape podría abrir cuando el pistón llega al final de la carrera (PMI o punto muerto inferior), al final de la carrera de admisión y se cerraría cuando el pistón complete la carrera de escape.
Esta configuración podría funcionar realmente bien para motores que funcionen a velocidades de rotación muy lentas.
Sin embargo, cuando incrementamos las RPM esta configuración para el árbol de levas no funciona bien. Si el motor gira a 4.000 RPM, las válvulas se abren y cierran 2000 veces cada minuto, o 33 veces por segundo. A estas velocidades, el pistón se mueve muy rápido por lo que la mezcla aire-gasolina que entra precipitadamente en el cilindro también se mueve muy rápido.
Cuando la válvula de admisión se abre y el pistón comienza la carrera de admisión, la mezcla aire-gasolina empieza a acelerarse en el cilindro. Cuando el pistón alcanza el final de la carrera de admisión (PMI), la mezcla se esta moviendo a muchísima velocidad. Si cerramos de golpe la válvula de entrada, la mayor parte de la mezcla se pararía y no entraría en el cilindro. Dejando la válvula abierta un poco más tiempo, la inercia de esa mezcla a alta velocidad continua forzando a que entre más mezcla incluso cuando comienza la carrera de compresión. Cuanto más rápido gira un motor, más rápido se mueve la mezcla, y por lo tanto, tenemos que dejar más tiempo abierta la válvula. (NOTA: Es algo parecido a lo que pasa con el avance de encendido) También queremos que la válvula se abra más a mayor velocidad de giro del motor. Este parámetro se llama alzado de válvula y se controla con el perfil de la leva.
La siguiente animación muestra la diferencia de tiempos de apertura de válvulas entre un árbol de levas para un motor de bajas RPM y otro para un motor de alto rendimiento. Fíjate en que el ciclo de escape (circulo rojo) y la admisión (azul) se solapan más en el motor de alto rendimiento (performance). Debido a esto, los coches con este tipo de árbol de levas tienden a girar muy ásperos y perezosos.

ANIMACION FLASH ARBOL DE LEVAS:

http://www.howstuffworks.com/camshaft1.htm

Cualquier configuración del árbol de levas será sólo perfecta a una única velocidad de giro del motor. Para cualquier otra velocidad de giro, el motor no obtendrá su máximo rendimiento (NOTA: no respirará a pleno pulmón) Un (calado del) árbol de levas fijo es siempre un compromiso. Es por esto por lo que los fabricantes han diseñado árboles de levas que pueden cambiar su perfil (calado) en función de la velocidad de giro del motor.

CONFIGURACIONES DEL ARBOL DE LEVAS
Existen varias formas de configurar el árbol de levas en los motores. Hablaremos sobre las más comunes:
- Monoárbol de levas en cabeza o culata (S.O.H.C)
- Doble árbol de levas en cabeza o culata (DOCH)
- �rbol de levas movidos por varillas empujadoras.

Monoárbol en cabeza
Esta configuración dispone un único árbol por culata, por lo que en motores en línea solo existe un árbol de levas y en los motores en V existen 2, uno por cada culata.
El árbol de levas actúa sobre un balancín que presiona a la válvula, y de este modo la abre. Los muelles hacen que la válvula vuelva a su posición de cerrado. Estos muelles tienen que ser muy resistentes debido a las altas velocidades de rotación, ya que las válvulas son empujadas por el balancín muy rápido y el muelle tiene que empujar a la válvula para que se mantenga siempre en contacto con el balancín. Si el muelle no fuese lo suficientemente resistente, la válvula podría separarse del balancín y quedarse retrasada. Esto no es nada bueno ya que produciría mucho desgaste en el balancín y en el árbol de levas (NOTA: imagino que al volver a chocar la válvula y el balancín el choque debe ser bastante violento)

ANIMACIÃ?N FLASH BLOQUE:

http://www.howstuffworks.com/camshaft2.htm

En motores mono o doble árbol de levas, los árboles son movidos por el cigüeñal mediante correa o cadena llamadas, correa de distribución o cadena de distribución. Estas cadenas o correas deben ser ajustadas o reemplazadas periódicamente. Si la correa se rompe, el árbol de levas se para y la válvula se queda quieta. En función de donde se quede parada la válvula, el pistón puede golpearla y partirla.

En la foto que inferior a la animación del bloque lo podéis ver.

Doble árbol en cabeza o culata
Un motor de doble árbol tiene dos árboles por culata. Por eso, los motores en línea tienen 2 árboles de levas y los motores en V tienen 4. Normalmente, esta configuración se usa para motores de 4 válvulas por cilindro. Un solo árbol de levas simplemente ni puede albergar tantas levas para controlar todas las válvulas (foto siguiente).

�rbol de levas movido por varillas empujadoras
Como los motores SOHC y DOHC, las válvulas está colocadas en la cabeza del pistón, en la culata. La principal diferencia es que el árbol de levas está dentro del bloque, en vez de en la culata.
En esta foto podéis ver las varillas, que trasladan el movimiento del árbol de levas a los balancines. (Ver foto titulada A pushrod engine)

El árbol de levas actúa sobre largos empujadores que atraviesan el bloque y se introducen en la culata para mover los balancines. Estos largos empujadores añaden masa al sistema, lo cual incrementa la carga en los muelles de las válvulas. Esto puede limitar la velocidad de rotación en estos motores. Los motores con árbol de levas en cabeza, sin empujadores, es una de las tecnologías que facilita las altas velocidades de rotación.

FLASH BLOQUE EN V (en la animación inferior del último enlace titulada A pushrod engine)

El árbol de levas en los motores de empujadores suele estar movido por engranajes o por una corta cadena. Los engranajes tienen menos tendencia a romperse que las correas (sistema que suele usarse en los motores con árbol de levas en cabeza)
(NOTA: ejemplos de motores con válvulas movidas por varillas o empujadores: El motor de mi querido super cinco, un motor 1.1 L con árbol de levas lateral, en la parte de atrás del bloque, justo encima del cigüeñal. Otro ejemplo: muchos V6 y V8 de origen americano. Creo que el V10 del Viper tiene este sistema)

Distribución variable
Los fabricantes han optado por diferentes caminos para desarrollar la distribución variable. El sistema usado por algunos motores Honda es el VTEC.
El VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control Control Electrónico Variable de la apertura y la alzada de la válvula) es un sistema eléctrico y mecánico que permite al motor tener múltiples configuraciones del árbol de levas. Los motores VTEC tienen una leva extra de admisión con su propio balancín, el cual sigue a esta leva. El perfil de esta leva permite a las válvulas de entrada abrir durante más tiempo que el otro perfil de la leva. A velocidades de giro bajas, este balancín no está conectado a ninguna válvula. A velocidades de giro altas, un pistón bloquea el balancín adicional con los otros dos balancines que controlan las dos válvulas de admisión (NOTA: recordad que son motores de 4 válvulas por cilindro).
Algunos vehículos usan un sistema que permite avanzar el tiempo de apertura de las válvulas. Esto no permite que la válvula este abierta más tiempo, pero sí permite que se abra más tarde y que se cierre también mas tarde. Esto se consigue adelantando el giro del árbol de levas unos cuantos grados. Si la válvula de admisión se abre, por lo general, 10 º antes que el PMS (punto muerto superior) y se cierra 190º después del PMI (punto muerto inferior), la duración total de la apertura es de 200 º (hablando siempre en giros del cigüeñal). Los tiempos de apertura y cierre pueden ser variados usando un mecanismo que adelanta el giro del árbol de levas un poco. En este caso la válvula abriría 10º después del PMS y cerraría 210º después del PMI. Cerrar la válvula 20º más tarde es bueno, pero mejor sería incrementar la duración en que la válvula está abierta.
Ferrari tiene una forma realmente ingeniosa de hacerlo. El árbol de levas de alguno de sus motores tiene un perfil 3D que varía a lo largo de la longitud de la leva. Una parte de la leva es más agresiva que otra (NOTA: digamos que la longitud de la leva con respecto al eje del árbol de levas varía a lo largo de la leva). Un mecanismo puede deslizar todo el árbol de levas longitudinalmente para que la válvula interactúe con los diferentes perfiles de la leva. El árbol sigue girando como un árbol de levas convencional, pero gradualmente se desplaza al incrementarse la velocidad de rotación y la carga del motor, por lo que la distribución puede ser optimizada.

Algunos fabricantes de motores están experimentando con sistemas que permiten infinitas variaciones de los tiempos de apertura y la alzada de la válvula. Por ejemplo, imagina que cada válvula tuviese una solenoide la cual pudiera abrir y cerrar la válvula usando una centralita electrónica en vez de usando un árbol de levas. Con este sistema podrías obtener el máximo rendimiento para unas RPM dadas.

Por rafa de todocoches.com

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Motor de ciclo Miller (sacado de una página de Mazda)

El nombre para el motor de ciclo Miller proviene de un ingeniero americano (Mr Ralph Miller ) que patentó su propia versión de un motor de ciclo Otto con admisión forzada en los años 40.

Hasta hoy en día, este principio sólo ha sido usado en motores de baja velocidad de rotación (como los motores de grandes barcos y los motores generadores estacionarios)

El motor del Eunos 800M (NOTA: creo que se refiere a un modelo que se comercializó en España Mazda bajo la marca Xedos, el Xedos 6) es un 2.3 litros V6 y 4 válvulas por cilindro que tiene un rendimiento mayor que un 3 litros pero con una eficiencia de un 2 litros (NOTA: aunque el documento original no dice nada, creo que en este punto se refiere al consumo).

Este motor ofrece un buen rendimiento en cuanto a par motor con unos consumos un 10 15% inferiores.

Desde fuera el motor Miller parece un motor como cualquier otro (bloque de aluminio, un montón de correas, 24 válvulas...) excepto por los dos intercoolers y la correa que mueve al compresor Lysholm colocado de forma ingeniosa dentro de la V del motor.

Entonces ¿qué hace a este 2.3 L producir más potencia y par consumiendo menos combustible que un motor más grande, (sin ninguna de las desventajas que podéis sospechar, como las altas emisiones de contaminantes o el picado del motor)?

En términos simples, el ciclo de compresión de un motor de ciclo Miller es más corto (comparado con un ciclo Otto), con lo que resulta una menor relación de compresión así como un mayor ratio de expansión.

Para comprender bien el problema (así como otros aspectos del ciclo Miller) se deben comprender los principios básicos de un motor de combustión interna. Vamos a repasar 4 aspectos:

- Tamaño de motor frente a fuerzas de rozamiento
- Compresión teórica frente a la compresión real
- Eficiencia térmica
- Pérdidas por bombeo


Tamaño de motor frente a fuerzas de rozamiento

Al reducir la cilindrada de un motor, se reducen sustancialmente las fuerzas de rozamiento. Por ejemplo, se reduce en un 25% las fuerzas de rozamiento de rotación de un motor al disminuir la cilindrada un 30%. Esto genera un aumento en la eficacia respecto al consumo de un 10-15%.

Compresión teórica frente a la compresión real

La relación de compresión teórica es simplemente la relación entre el volumen sobre el pistón cuando este está en el PMI y cuando está en el PMS. Sin embargo, en la práctica, la relación de compresión está determinado por la distribución (NOTA: el famoso valve timing !!!) ya que el ciclo de compresión no comienza hasta que la válvula de admisión se cierra. Por analogía, el ciclo de expansión está determinado por el momento de apertura de la válvula de escape. Como hoy en día la distribución en los motores modernos está muy ajustada a una distribución simétrica, estos dos ciclos son aproximadamente iguales. Esto significa que el ciclo de compresión es mas o menos igual que el ciclo de expansión.

Eficiencia térmica

Al aumentar la relación de compresión, la eficiencia térmica del motor también aumenta. Sin embargo, este aumento de eficiencia trae consigo unas presiones y temperaturas de combustión mayores. Estas características suelen ir acompañadas por dos bien conocidos chicos malos (NOTA: traducido literalmente): los óxidos de nitrógeno (NO x) y el picado de bielas.
Los NOx se producen como resultado de una combustión por encima de los 1300ºC. A esta temperatura el nitrógeno que normalmente es un gas inerte (el 78% del aire aspirado es nitrógeno) reacciona con el oxígeno y forma óxidos (dióxido de nitrógeno y monóxido de nitrógeno).
El picado de bielas se produce cuando parte de la mezcla aire-gasolina explota espontáneamente por el efecto del calor y la presión y no por el efecto de la chispa de la bujía. Esto produce dos frentes de llama en la cámara de combustión (el de la bujía y el de la autoignición) que pueden dañar seriamente el motor.
Existen dos aspectos importantes a resaltar aquí. Primero: el picado de bielas es consecuencia de la temperatura del gas en el PMS del ciclo de compresión. Segunda: la mayor parte de incremento de la eficiencia térmica al aumentar la compresión viene de lo que pasa en el ciclo de expansión (existe más fuerza de empuje en el pistón). Sólo se consigue una pequeña ganancia al aumentar la relación de compresión.

Pérdidas por bombeo

Esto se refiere a la energía requerida para hacer girar un motor durante dos de los tres ciclos que no producen energía (admisión, compresión, escape).
El bombeo de aire para la admisión (pumping air in ) y el escape (pumping exhaust ) (sin incluir las pérdidas por fricción). Este término describe la eficiencia en la admisión y la expulsión de la carga. Si el pistón hace menos trabajo en la admisión y la expulsión, se roba menos potencia al motor.

Una de las razones por las que el original ciclo Otto tenía la válvula de escape con la apertura adelantada (antes del PMI) era para permitir que por la presión del gas residual de escape (el cual, una vez que el pistón está a mitad de camino de la carrera de expansión no tiene fuerza suficiente como para proporcionar más empuje al pistón) este comenzase a salir por si mismo del cilindro y no tuviese que esperar al empuje del pistón en el siguiente ciclo, creando más pérdidas por bombeo. Esta modificación (ciclo Otto) en la distribución permite que un 50% de los gases salgan por sí mismos gratis (sin pérdidas por bombeo). Un motor acelerado tiene muchas pérdidas por bombeo (aspiración) porque el vacío que se produce en el cilindro no es gratis, se consume energía para producir ese vacío. Algunos motores experimentales de cilindrada variable reducen el número de cilindros en funcionamiento bajos cargas parciales para reducir esas pérdidas por bombeo (aspiración o expansión). Para desconectarlos se dejan las válvulas abiertas. (NOTA: imagino que se referirá al sistema ZAS que Mercedes monta opcionalmente en los V8 de la clase S y creo que de serie en el V12).

Eficiencia volumétrica (EV):
El término de eficiencia volumétrica hace referencia a la capacidad de un motor para llenar sus cilindros con un volumen de aire igual a su desplazamiento (=100% EV). Cuanto mayor sea la EV mayor será la potencia del motor. Los fabricantes de motores tienden a grandes longitudes para ajustar el diseño del motor y obtener la mayor EV posible (NOTA: aunque el texto no hace referencia, supongo que se tratará de longitudes altas del colector de admisión).

Esto implica una gran inversión en investigación sobre el flujo del gas en el colector de admisión, así como en la distribución, las formas de las válvulas y la cámara de combustión.

Para facilitar el camino de conseguir mejoras palpables en la EV, se suele recurrir a aparatos tales como el compresor volumétrico o un turbocompresor. Su trabajo es sobrealimentar el máximo aire posible dentro de cada cilindro. Pero, al incrementar la relación de compresión se produce un aumento de las presiones y las temperaturas en el cilindro y esto puede ser contraproducente en nuestro intento de lograr un motor potente y ecológico.

El método más común para solucionar este problema es usar un intercooler (así como baja la relación de compresión). Un intercooler es un intercambiador de calor aire-aire que reduce la temperatura del aire de admisión (tras el turbo o el compresor) por lo menos en 50 ºC. Esto mantiene la temperatura de combustión en unos niveles tolerables.

Los motores modernos de combustión interna alcanzan siempre un compromiso entre todos estos factores (y muchos otros)

Detalles técnicos del motor del ciclo Miller

Existen básicamente cuatro factores por los que el motor Miller tiene una eficacia mayor:
- Motor más pequeño (menores cilindradas)
- Ciclo de compresión mas corto y menos pérdidas por bombeo (debido al cierre mas tardío de la válvula de admisión)
- Aire de admisión refrigerado (intercooler)
- Mejoras en la combustión

MOTOR MAS PEQUEÃ?O

El eje horizontal comienza en 1.0, lo que corresponde a un motor de 3.3 litros. 0,7 indica una reducción en un 30% de la cilindrada (lo que equivale al 2.3 litros del motor Mazda). Las dos curvas representan el cambio en el aumento de eficiencia al variar la carga del motor (la mayor diferencia se consigue al un 20% de carga).

Un motor que tiene una menor relación de compresión tendrá menores fricciones, particularmente en el ciclo de compresión. El motor de ciclo Miller (de Mazda) se diseñó teniendo como objetivo alcanzar el rendimiento de un motor de 3.0 L. La reducción de la cilindrada a 2.3 litros proporciona un aumento de la eficiencia sobre el 13 % para las mismas prestaciones.

CICLO DE COMPRESI�N MAS CORTO- CICLO DE EXPANSI�N M�S LARGO

en un motor Miller, a primera vista, la relación de compresión puede parecer de 10:1, sin embargo, para el primer 20% del ciclo de compresión, la válvula de entrada se mantiene abierta. Como la compresión no comienza hasta que la válvula de admisión se cierra, el ratio de compresión se reduce artificialmente a 8:1.

La apertura de la válvula de admisión se produce desde los 2º antes del PMS hasta los 70º después del PMS, mientras que la válvula de escape permanece abierta desde los 47ª antes del PMS hasta los 5º después del PMI (NOTA: aquí parece que está el meollo de la cuestión) La válvula de admisión se mantiene abierta unos 30º adicionales de rotación del árbol de levas respecto a un motor Otto normal. Este tipo de timing en la distribución hace que la compresión caiga artificialmente hasta los 8:1

Lo curioso es el hecho de que el ciclo de compresión se reduce pero el trabajo del ciclo de expansión se mantiene. Este es uno de los puntos críticos diferenciales respecto al ciclo Otto, donde la relación entre la expansión y la compresión es la misma.

El cierre más tardío de la válvula de admisión elimina una sustancial cantidad de energía que normalmente se requiere para compensar al rozamiento (así como las pérdidas por aspiración) en un proceso normal de compresión.

Bueno, aunque esto suena bien en la teoría, los resultados típicos de expulsar la mitad del aire por la válvula de admisión (por contracorriente) son los de disminuir la eficiencia volumétrica (EV).

Sin embargo, en el motor de ciclo Miller, existe un COMPRESOR que soluciona esto. Cualquier pérdida en la admisión por una contracorriente es más que compensada por la densidad de la carga proporcionada por el compresor. Bajo estas circunstancias, el compresor Lysholm (NOTA: creo recordar que estos compresores tienen una forma parecida a un tornillo) es más eficiente (menores pérdidas de bombeo) en la tarea de llenar los cilindros que un pistón de movimiento recíproco.

La alta eficiencia del compresor Lysholm consiste en un rotor macho y un rotor hembra, con 3 y 5 lóbulos respectivamente.

El rotor gira a velocidades de hasta 35.000 rpm para el rotor macho y 21.000 rpm para el rotor hembra. La presión máxima de descarga es de 150 kPa. Tiene como ventaja el estar movido por una correa, por lo que no hay retraso en el tiempo de respuesta (como en un turbo). Los rotores no están en contacto y no existen temperaturas extremas (como en un turbo).

REFRIGERACIÃ?N DE LA CARGA DE ADMISIÃ?N

Debido al cierre más tarde de la válvula de admisión (reducción de la relación de compresión), menos calor se general en el cilindro en este tiempo (ciclo). La pérdida de la eficiencia térmica debido a la reducida compresión (8:1) es de sólo el 6%. Esta ligera pérdida en la eficiencia térmica debido a la reducción de la compresión es debido al aire muy denso aportado por el compresor. El aire frío y denso pasa por dos intercoolers gemelos situados entre los cilindros. Esto reduce la temperatura de la cámara de combustión en el PMS del ciclo de compresión y por lo tanto disminuye la tendencia a la detonación (picado de bielas) así como la producción de NOx.

El resultado final de esta complicada distribución (valve timing), relación de compresión y entrada forzada de aire es un cilindro bien llenado con una mezcla densa y fría con un coste energético bajo. Es lo mejor que un motor de cuatro tiempos puede alcanzar.

MEJORAS EN LA COMBUSTIÃ?N

Desde hace muchos años, los remolinos y las turbulencias han sido los términos más usados para describir los acontecimientos dentro de los cilindros referentes a la combustión. En los últimos años, se ha avanzado en el estudio de los remolinos verticales dentro de los cilindros llamados tumble (NOTA: no he encontrado traducción para este término, pero hace referencia a los remolinos con forma de sacacorchos que se producen en el interior de los cilindros).

En el motor de ciclo Miller, la admisión ha sido diseñada para favorecer una entrada fuerte de aire, pero ordenada y sin obstáculos. Se ha situado un deflector en el lado de la admisión en la cámara de combustión para concentrar el flujo de aire en el centro del cilindro, forzando el movimiento de remolino.

El giro favorece la entrada dinámica de aire y evita el picado de biela.

De remate, aqui teneis unas fotos del coche en cuestión

http://www.fastlane.com.au/images/800Md.gif

http://www.fastlane.com.au/Reviews/800Mc.gif

http://www.fastlane.com.au/Reviews/800Ma.gif

http://www.fastlane.com.au/Reviews/800Mb.gif

Por rafa del foro de todocoches.com



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