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ADMISIÓN

 

Proceso de Admisión

Como se describe en ángulos, el proceso de admisión de mezcla fresca (aire en Diesel y Otto de inyección directa, y mezcla de aire y gasolina en Otto "normales") comienza algo antes de que el cigüeñal llegue al PMS de cruce de válvulas, de hecho, marca el inicio del período de cruce de válvulas. Dura hasta algo después del siguiente PMI. Los ángulos de inicio y final de la admisión viene marcados por el AAA y el RCA. Durante ese proceso, el movimiento descendente del émbolo hace que el fluido que está en la admisión pase por la válvula de admisión y entre en el cilindro. Es normal que el diseño del motor se haga para que en la admisión entre en el cilindro la mayor cantidad posible de gases, optimizando la utilización de la cilindrada y maximizando la potencia o el par desarrollado por el motor (el par va a ser casi proporcional a la masa de gases que metamos en el cilindro).

Imaginemos una admisión con un líquido, por ejemplo, agua. Tenemos agua en un tubo, conectado al cilindro a través de una válvula. Siendo el agua un fluido incompresible, resulta razonable pensar que para que al final entre en el cilindro la máxima cantidad posible de agua, la válvula de admisión se tiene que abrir justo en el PMS, y cerrar justo en el PMI. Lo mismo ocurre en un motor real cuando la velocidad de giro del cigüeñal es muy pequeña, imaginemos que es de 1 rpm. En esas condiciones, el llenado máximo de nuevo se obtiene cuando la válvula se abre en el PMS y se cierra en el PMI, porque.. ¿a qué va a ser debido que la válvula de cierre después de que el émbolo empiece a subir?, puede ser razonable pensar que si el émbolo sube, saca fluidos del cilindro, y si baja, los entra. Pues eso no siempre va a ser así, por eso la válvula debe abrirse antes de que el émbolo empiece a bajar y cerrarse después de que el émbolo empiece a subir.

Analicemos primero el AAA. Aparte de lo que pasa durante el cruce de válvulas, hay un efecto que para mí es determinante. Para que, cuando el émbolo vaya bajando, haya entrada efectiva de gases en el cilindro, la válvula de admisión tiene que ofrecer un área efectiva de paso suficiente. Resulta que la apertura de la válvula no es instantánea, es decir, que no pasa de estar completamente abierta a estar completamente cerrada. La apertura de la válvula es gradual, con una primera rampa de subida, llegada al máximo, donde ha de permanecer el mayor tiempo posible, y paso a cerrarse, intentando posarse sobre el asiento a la menor velocidad posible para que el impacto sea poco dañino.

Figura área En la figura de la derecha, se representa el área de entrada por la válvula en función del ángulo de giro de cigüeñal. Si el AAA fuera muy pequeño, el área de paso cuando el émbolo empiece a bajar va a ser muy pequeña, perdiendo por tanto la primera parte del proceso de admisión. Así que puede ser bueno empezar a abrir la válvula algo antes, para que cuando el émbolo baje ya haya un área de paso por la válvula de admisión suficiente.

Queda claro entonces porqué se debe abrir antes. Para ver porqué se debe cerrar después de pasar por el PMI, cuando el émbolo está subiendo, hay que ver qué pasa en la corriente fluida durante todo el proceso.

Imaginemos la situación inicial, un tubo lleno de gases, conectado a un cilindro, y de repente, el cilindro empieza a aumentar su volumen, aspirando los gases. ¿Qué va a ocurrir?, ¿que todo el gas, que está tranquilamente en el colector, se va a acelerar de repente?; la respuesta es claramente que no. Cuando el émbolo baja un poquito, lo que hace es vaciar el espacio que antes ocupaba, creando una depresión. Las moléculas de gas que están justo encima, se dan cuenta, y van a rellenarla, creando de nuevo una depresión, y así ocurre sucesivamente. Lo que pasa es que cada vez que el émbolo baja un poco, lanza una onda de depresión que viaja por todo el fluido que hay en el tubo, como podemos ver en la figura adjunta.

Figura A En la figura A, el émbolo va a empezar a bajar, y en B, ya ha bajado un cierto tramo de la carrera del motor, y ha lanzado un tren de ondas, que ya viajan por el tubo, y han llegado hasta un punto del mismo. Aquí podemos ver que hay parte del gas que ya se ha empezado a mover hacia la derecha, y parte que aún no se ha enterado de que el émbolo es está moviendo.

La razón es que esa onda que viaja hacia la izquierda, que va acelerando el gas hacia la derecha llevando la información de que el émbolo va bajando, tiene una velocidad de propagación, muy alta (tanto como para que nosotros no la notemos), pero finita. Es la velocidad del sonido, que normalmente se representa por a. Para el aire es de aproximadamente 350 m/s a 300 K, y depende de la raíz cuadrada de la temperatura. Pese a que es muy alta, hay que darse cuenta de que una onda tarda 1.4 milisegundos en recorrer un tubo de medio metro, y durante ese tiempo a 6000 rpm el cigüeñal recorre 50º. Es decir, que a 6000 rpm, el gas que está en la entrada del tubo de admisión no se da cuenta de que el émbolo está bajando hasta que éste ha recorrido aproximadamente un cuarto de la carrera descendente.

Este proceso de aceleración de la columna es parecido al de una fila de coches en un semáforo. Cuando éste se pone verde, no arrancan todos los coches a la vez, sino que arranca el primero, cuando el segundo se da cuenta, arranca, después el tercero, y así sucesivamente, y a veces el último ni siquiera ha arrancado cuando el semáforo vuelve a ponerse rojo.

Seguimos con el proceso, cuando la onda llega al extremo del tubo, momento C de la figura. rebota de nuevo hacia el interior, esta vez como onda de compresión. haciendo que aumente algo la presión, como podemos ver en el dibujo D. Esta onda rebotada es también beneficiosa, y termina de acelerar el fluido.

Así, en un momento intermedio del proceso, tenemos al fluido dentro del tubo moviéndose con un campo de velocidades más o menos "raro", y multitud de ondas yendo de un lado a otro del mismo.

Después, toca parar a esa corriente. El émbolo parte del PMS, parado, y se acelera hacia el PMI. Más o menos a la mitad del recorrido (es un poco antes... ¿o era después?) empieza a frenar, para llegar al PMI con velocidad nula. La máxima succión la hace en el punto de velocidad máxima, y a partir de ahí, además de frenarse él, empieza a frenar a la corriente, pero volvemos a lo mismo, el émbolo se empieza a frenar, y por ello aumentará la presión en el cilindro. PERO LA COLUMNA FLUIDA NO SE ENTERA INSTANTÁNEAMENTE DE ELLO.. se empieza a frenar la punta de lanza, y se van lanzando ondas hacia la izquierda para llevar la información de que hay que frenarse, y entre que llega a todo el fluido, éste sigue desplazándose.

Así que podemos hablar de varias cosas que ocurren en admisión y que justifican el que haya que mantener la válvula de admisión abierta aunque el émbolo esté subiendo:

  • Retraso en la transferencia de información. Ya está todo dicho, el fluido no se entera inmediatamente de que el émbolo se mueve, o de que cambia la presión en el cilindro, por tanto, es conveniente tener la válvula abierta aunque el émbolo vaya subiendo.
  • Resonancia de ondas. En este caso, hablamos de múltiples fenómenos de interferencia de las ondas. Seguro que hay más de los aquí indicados, y que al final el resultado de la admisión depende de todos ellos. Éste es la razón de que en las curvas de par y potencia se vean algunos picos y/o valles. Pongamos varios ejemplos:

- Cada vez que el émbolo baja un poco, succiona un poco de fluido que está en el colector. La última succión se realiza justo cuando el émbolo está en el PMI. En ese momento, lanza una onda, que viaja por el conducto de admisión hasta llegar al otro extremo, donde rebota como onda de compresión. Después de llegar al cilindro, empezarán a llegar ondas de depresión, que van a sacar gases (se empezará a notar que el émbolo va subiendo). Por tanto, lo interesante será que la válvula se cierre justo cuando llega la información que se manda cuando el émbolo pasa por el PMI. Unos números, con un tubo de medio metro, y una velocidad del sonido de 350 m/s, esa onda tarda 2.86 ms en recorrer el tubo ida y vuelta. Durante ese tiempo, a 3000 rpm, el cigüeñal recorre 51º, luego el RCA que consigue máxima resonancia en este caso es de 51º. A otros regímenes de giro, se tendrán otros ángulos óptimos, o dicho de otra forma, fijado el RCA, se obtendrá un RCA que da llenado óptimo.

- Hay otra que se llama, creo recordar, resonancia del cuarto de onda. Consiste en que la máxima succión se produce cuando el émbolo está, más o menos, en la mitad de la carrera, o el cigüeñal en un ángulo de aproximadamente 90º. Esa onda, de mucha intensidad, viaja por la admisión hacia fuera del cilindro, llega al distribuidor de donde parten los conductos de cada cilindro, vuelve como onda de compresión, aún le queda intensidad para rebotar, volver al distribuidor, y de nuevo al cilindro. La válvula debería estar abierta tiempo suficiente para que llegue ese segundo rebote. Con los números de antes, la onda tarda 5.71 ms en ir y volver dos veces, y el cigüeñal recorre 102º. Si el máximo de velocidad lineal del émbolo (pronto espero hablar de eso) se tiene para α=80º, esa segundo rebote llegará a los 182º, 2º después de que el émbolo pase por el PMI. PAra que sea más efectivo, en ese ángulo el área de paso por la válvula ha de ser alta, por lo que el RCA debe ser algo más alto.

- Hay otro fenómeno, que no tengo del todo claro, pero que se basa en el cálculo de las frecuencias propias del sistema. El sistema fluido en este caso está formado por el distribuidor, el tubo, y el cilindro. Imaginad que subimos la presión en el cilindro. Pasará fluido al tubo, y después al otro depósito, y por la inercia del fluido, al final se creará una depresión en el cilindro, y una sobrepresión en el distribuidor, y se volverá a pasar la sobrepresión hasta el cilindro. Se tiene un cambio cíclico de la presión en cada depósito, siendo la frecuencia de ese ciclo la de resonancia. A un régimen de giro como esa frecuencia, se obtendrá un mejor llenado. La frecuencia de resonancia de un sistema es:

frecuencia de resonancia de un sistema

Donde a es la velocidad del sonido, A el área del colector de admisión, l la longitud y Vef la mitad de la cilindrada, aproximadamente.

  • Inercia. Todos conoceréis la segunda ley de Newton, que podemos expresar como que F=ma, es decir, a un cuerpo de masa m le aplicamos una fuerza F y obtenemos una aceleración a, y con esa aceleración, cambiamos la velocidad, incrementándola, o haciendo frenar. De todo lo que hemos hablado arriba es de ejercer la fuerza F, que en un fluido es a base de aumentar o disminuir la presión, y de cómo hay cierto retraso para hacerlo, y de cómo esas fuerzas, al ser cíclicas, pueden tener ciertas resonancias. Hablemos ahora de la inercia del fluido. Esas fuerzas, lo que van a provocar son aceleraciones en el fluido, bien positivas, para acercar la columna al cilindro, o bien negativas, para frenarla. En cualquier caso, la columna fluida no se para en el momento, sino que recibe la fuerza y empieza a reaccionar. Partiendo del punto de velocidad máxima del fluido, la presión creciente del cilindro por la deceleración del émbolo intentará frenar a la columna, se llegará al PMI, y seguirá entrando fluido, hasta que la fuerza ejercida sobre él consiga pararle. Pues durante ese tiempo es bueno mantener abierta la válvula, para que siga entrando fluido, aunque se vaya parando.

Pues más o menos, aquí se describen cosas que pasan en admisión. Evidentemente no son todas, no pretendo ni mucho menos abarcarlas, pero al menos el lector ya entiende las distintas curvas de par que se pueden encontrar en algunos motores. Ajustando los parámetros de diseño que se pueden cambiar (ancho y largo del colector y RCA, por ahora), se pueden optimizar los fenómenos anteriores a distintos regímenes para obtener una curva de par plana, o se optimiza todo a alto régimen para tener mucha potencia, o abajo para tener mucha elasticidad.. y se entiende que existen sistemas de admisión variable, con colectores que pueden cambiar su longitud y forma, y de distribución variable, pudiendo variar el RCA en función del régimen para tener un llenado óptimo en un rango lo mayor posible.

Una vez cerrada la admisión, se queda en el cilindro una cierta masa de gases, que con el movimiento ascendente del émbolo, se va a comprimir.

 

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