Potencia de un Motor

Un parámetro básico que determina la potencia de un motor es la capacidad de aire que puede admitir. La potencia depende de varios parámetros, pero el fundamental es la masa de combustible. A más combustible quemado más potencia entregada. Que ocurre, que la gasolina es un poco “especialita” a la hora de quemarse en un motor y necesita de una cantidad de aire exacta para hacerlo bien. Si tenemos exceso de aire la llama se puede apagar o haber zonas donde no se queme bien y no se aproveche. Si por el contrario tenemos exceso de gasolina al no haber aire suficiente saldrá por el escape una parte sin quemar, derrochando dinero y contaminando nuestro ambiente.

Por tanto, en un motor, la cantidad de gasolina a inyectar la determina el caudal de aire que entra. Para ello está el caudalímetro (MAF), que mide el aire que entra y manda la orden de inyectar lo que corresponda.

Con estas ideas básicas podemos intuir que si conseguimos meter más aire (comburente), meteremos también más gasolina (combustible) y podremos obtener más energía de la combustión. Dicha energía al liberarse, hará aumentar la presión dentro del cilindro, y como una de las paredes del cilindro es móvil (el pistón), pues éste tenderá a moverse, produciendo un par. Dicho par es proporcional a la masa admitida. Vemos ya pues una idea principal. El punto de par máximo es el punto de mejor llenado del cilindro.

En principio, y si suponemos el motor como unos pulmones (los cilindros serían los pulmones), podríamos pensar que la capacidad máxima de llenado de aire es la correspondiente a su volumen. Es decir, un motor de 1.4 litros daría siempre el mismo par, puesto que su capacidad de llenarse es igual a la de otro 1.4 de otra marca. En realidad vemos que no es así, y que, con pequeñas variaciones, hay motores que dan más par que otros y a diferentes vueltas.

Si el motor fuese lento y sin colectores, el proceso sería, que el pistón baja, admite aire, en el punto inferior se cierra la válvula o válvulas de admisión y su masa retenida sería proporcional al volumen (cilindrada) a la presión atmosférica. (recuerden, la masa (que es lo que importa) es proporcional al volumen y a la presión. (a igualdad de volumen o cilindrada, hay más masa cuando la presión es mayor).

Que ocurre, pues que un motor ni es precisamente lento, ni carece de colectores.

Y aquí viene toda la teoría de diseño de colectores y de diagramas de distribución. Daré unas cuantas pinceladas por ser un tema muy extenso.

el objetivo de todo es introducir más masa en el cilindro. Pero nos vemos limitados por la cilindrada. Nos queda el otro parámetro del cual depende la masa, es decir, de la presión.

en un turbo es facil ganar par. Subes la presión y por ende, introduces más masa.

Un atmosférico no es tan facil puesto que la presión viene limitada por la atmosférica(MAP). La masa admitida pues, tiene un tope superior que es la cilindrada (volumen) rellenada con aire a presión atmosférica. Y de ahí para abajo, puesto que por el camino hay pérdidas de presión en el filtro, en los codos, en los tubos…etc.

Hay otra característica que puede ser negativa, pero que se trata de convertir en positiva, y es la compresibilidad del aire. Los gases no son algo rígido sino que bajo presión se comprimen (al contrario que un líquido). Ello hace que cuando tenemos una masa de aire y bajamos o subimos su presión, no toda la masa se “entera” a la vez, sino que una molecula empuja a la siguiente y esa a su vez a la siguiente,..etc. haciendo que el movimiento del aire sea progresivo y no instantaneo como sería de desear, existiendo retardos.

El objetivo de todo diseñador es conseguir que el aire entre con la mayor presión posible. Contamos con un elemento a favor, que es la velocidad del motor. Ello se puede aprovechar para crear ondas de presión (lo que comentaba de hacer positivo el efecto de compresibilidad). En efecto, al aspirar el aire lo aceleramos en el tubo de admisión. Ello hace que por tener velocidad, momentos antes de cerrar la válvula dicho aire que aún lleva inercia, siga entrando en el cilindro creando una ligera sobrepresión, que es el objetivo. Un tubo largo y estrecho favorece este efecto, ya que la velocidad del aire es mayor y con ello su energía cinética. A altas vueltas se prefiere tubos anchos para evitar las pérdidas de presión por fricción con el tubo.

El propósito de los sistemas de admisión variable es dar un camino favorable al aire según el régimen para que en todo momento se pueda aprovechar las ventajas de una admisión optimizada a ese regimen.

Otro fenómeno es el de ondas. Imaginad un caldero con agua. Si lo inclinamos hacia los lados crearemos “olas”. Supongamos ahora que en un lado está la entrada del motor (lado izquierdo) . La ola va hacia un lado (derecho) bajando el nivel en el otro (cuando la válvula está cerrada). Cuando rebota en la pared derecha, vuelve la ola hacia la izquierda creando una presión en la pared izquierda, que aprovecharemos para abrir la válvula y que el aire entre con más presión. Espero que se entienda el ejemplo, muy simplificador.

Otra estrategia para meter la mayor cantidad de aire a cualquier régimen es la distribución variable. Debido a que la inercia (energía cinética) del aire es diferente según el régimen, y a que el aire tiene una resistencia a ponerse en movimiento (es como en un atasco, cuando se abre el semáforo, pasa un tiempo hasta que el último de la fila arranca. Para entonces es posible que vuelva a estar en rojo) los ángulos de apertura y cierre de la distribución óptimos para obtener un llenado completo y sin reflujos (vuelta a la admisión) se varían de forma mecánica. Ello nos permite “planificar” la curva de par, de forma que si no hubiera admisión ni distribución variable, normalmente, el par máximo se obtiene en un punto medio del rango de revoluciones, como compromiso entre buena respuesta a bajo régimen y buenos valores de potencia máxima (par disponible a alto régimen).

Como ven, en un motor atmosférico, el carácter se puede predefinir completamente con el diseño de la admisión y la distribución. Un diagrama de distribución orientado a alto régimen, mantendrá mucho tiempo abiertas las válvulas de admisión, para que a alta velocidad con la velocidad que trae el aire se quede mucha masa retenida. Por el contrario, en bajas al carecer de energía cinética el aire y tener mucho tiempo abiertas las válvulas, el aire volverá por donde entró, evitando un llenado con ligera sobrepresión como ocurre en altas.

Existe una curva, llamada de rendimiento volumétrico, que valora a cada régimen (con el acelerador a fondo, mariposa abierta), la cantidad de aire que entra en el motor. Por lo comentado hay regímenes donde el llenado es mejor, en otros es peor, e incluso puede haber “huecos”, debido a que los fenómenos de ondas se “sintonizan” mejor con el motor a un número de vueltas determinado mientras que en otros regímenes el efecto puede ser contrario al deseado.

Dicha curva de rendimiento volumétrico tiene una forma muy parecida a la curva de par, y es que, como digo, el principal factor que afecta al par es el aire admitido. La potencia como saben depende del par (aire admitido) y de las rpm a la que lo alcance (capacidad de renovar aire en un tiempo determinado de forma satisfactoria).

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