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El sistema de admisión
variable se utiliza para mejorar la entrada de aire a los cilindros en
dependencia del régimen al que se encuentre el motor, mejorando directamente el
par motor a esos regímenes y en consecuencia las prestaciones de motor.
Los
colectores de admisión convencionales no disponen de la flexibilidad, con la que
cuentan los colectores de admisión variable, para adaptarse a los distintos
regímenes del motor.
Con los colectores de admisión convencionales se
consigue un par motor elevado a un numero de revoluciones bajo o una potencia
elevada para un numero de revoluciones alto, pero no se consigue las dos
condiciones a la vez, por eso la necesidad de un sistema eficaz para todos los
regímenes de funcionamiento del motor.
Los sistemas de admisión variable
generalmente se utilizan en motores con cuatro válvulas por cilindro para
compensar la falta de par motor a bajo numero de r.p.m..
Los tubos de
admisión en motores con carburador o con inyección monopunto, necesitan, para
una distribución uniforme de la mezcla de aire-gasolina, tubos cortos
individuales de igual longitud para cada cilindro, lo que imposibilita diseñar
un sistema de admisión variable optimo para estos motores. Al contrario en los
motores con sistemas de inyección multipunto, donde el combustible es inyectado
en el tubo de admisión o directamente en la cámara de combustión (inyección
directa) a muy poca distancia delante de la válvula de admisión. En estos
sistemas los tubos de admisión transportan solo aire lo que permite un buen
diseño de los tubos para mejorar la admisión de aire.
Las dimensiones de los tubos
del colector de admisión deberían adaptarse al numero de revoluciones del motor.
Lo ideal seria disponer de sistemas de aspiración ajustables en continuo, en los
que los conductos se alargaran y encogieran, para poder graduar la longitud de
los tubos desde la válvula de admisión del motor hasta el colector. Estos
sistemas de aspiración ajustables en continuo son muy complicados, caros y
difícil de fabricar.
En estos últimos años se han
hecho grandes progresos. La marca Audi, por ejemplo, ha sustituido en su motor
V8 el múltiple de admisión con tubos variables de dos fases (tubo largo y
estrecho para bajas r.p.m. y tubo ancho y corto para altas r.p.m.) por otro de
tres fases. Honda también utiliza para sus motores V6 un sistema de aspiración
de tres fases.
Pero ha sido BMW la que se
atrevido, con la introducción de su motor de 8V con Valvetronic de la serie 7
(año 2001), el primer fabricante que instalo un sistemas de aspiración continuo.
Está formado por una carcasa de magnesio, a la cual también se han montado
externamente las toberas del combustible y de inyección. La geometría interna
tan compleja del engranaje de velocidad variable fabricado de material plástico
solo pudo llevarse a cabo gracias a la alta tecnología. La pieza compleja gira
sobre rodamientos y experimenta torsión por medio de un servomotor eléctrico. La
longitud de los tubos de admisión varia de 670 a 230 mm. Hasta 3500 r.p.m. se
mantiene, en principio, toda su longitud.
La mayoría de los
fabricantes de automóviles no pueden permitirse tal inversión y, por motivos
económicos, prefieren los múltiples de admisión con dos fases para diferentes
longitudes y secciones de los tubos de admisión. La forma que se elige para el
conducto de aspiración depende tanto del modo de construcción del respectivo
motor, como del numero de cilindros. El numero de cilindros juega un papel
importante, por cuanto que determina las forma de oscilaciones y la fuerza de
las pulsaciones en el sistema de aspiración.
Podemos mejorar la admisión
de aire teniendo en cuenta:
-
Las dimensiones de los
tubos de la admisión: Los conductos de admisión para instalaciones de
inyección multipunto (fig, inferior), son independientes y se unen en un
depósito colector (3), comunicado con la atmósfera a través de una mariposa de
paso (4).
La mejora de la admisión de aire depende de la longitud y
configuración del tubo (2) y de las revoluciones del motor. Las aperturas de
las válvulas de admisión crean un movimiento de aire hacia el deposito (3),
donde se produce la vuelta de los mismos hacia el cilindro a gran velocidad,
por esta razón a estos tubos se les denomina también como tubos oscilantes de
admisión. Los tubos oscilantes de admisión anchos y cortos repercuten
favorablemente en la admisión de aire a altas r.p.m.. Los tubos largos y
delgados mejoran la admisión a bajas r.p.m..
-
La estructura o
configuración de los tubos de admisión: dependiendo del numero de cilindros
del motor, se puede estructurar un sistema de admisión tal, que mejore la
entrada de aire, aprovechando el efecto de la resonancia que se produce en los
conductos de admisión. El sistema de admisión (fig, inferior) para un motor de
6 cilindros en linea optimizado para aprovechar las ventajas del efecto de la
resonancia, se configura uniendo los cilindros que tienen iguales intervalos
de encendido mediante tubos cortos (2), a un depósito común por cada grupo
(3), estos depósitos comunican con la atmósfera a través de un depósito único
(5), y una mariposa de estrangulación (6) le pone en contacto con la
atmósfera, la conexión entre (5) y (3), se hace con unos tubos de resonancia
orientados (4), que aumentan la velocidad del aire.
La separación de los
depósitos (3), de los dos grupos de cilindros (A y B) con dos tubos de
resonancia impiden que se solapen los fenómenos de flujo en dos cilindros
vecinos en orden de encendido. Si el orden de encendido es : 1-5-3-6-2-4 no
hay dos admisiones seguidas dentro de cada depósito.
La clasificación de los
modelos de admisión variable con los que nos podemos encontrar son los
siguientes:
-
Admisión variable por
longitud del colector.
Son generalmente los más usados, constan de dos
longitudes distintas de conductos hacia el cilindro: una larga para regímenes
bajos y otra corta para alto régimen. De esta forma se adapta la frecuencia de
entrada del aire tanto para regímenes bajos como altos.
A medida que
aumenta el régimen (numero de r.p.m.) debería disminuir la longitud y aumentar
el diámetro de los conductos, de manera que se mantenga la inercia de los
gases sin producir perdidas de carga.
Para conseguir una admisión variable
por longitud del colector se utilizan unas mariposas, controladas
electrónicamente, que regulan el paso de aire o de la mezcla eligiendo el
conducto de admisión largo o corto (2 fases) según sea el numero de r.p.m. del
motor.
-
Admisión variable por
resonancia
Esta basada en el fenómeno vibratorio del aire de admisión,
provocado por la apertura de las válvulas de los diferentes cilindros del
motor, en el colector de admisión.
La frecuencia de entrada de los gases
dependerá de la longitud y sección del colector y las pulsaciones originadas
en los mismos facilitarán su entrada al interior de los cilindros a una
presión mayor que la atmosférica. Las ondas de presión y depresión se
desplazan por el interior de los conductos con una frecuencia que varia con el
régimen del motor.
Las dimensiones del colector de admisión determinan que
a cierto numero de r.p.m. del motor la frecuencia de las oscilaciones producen
un efecto de sobrealimentación de los cilindros por resonancia.
Pero, para
que la resonancia sea efectiva, los pulsos del aire que se desplazan por los
colectores, tienen que llegar sincronizados ,"en fase", con la apertura de las
válvulas de admisión del motor.
Como las válvulas de admisión de cada
pistón accionadas por el árbol de levas se abren y cierran secuencialmente y
sus tiempos de cierre y apertura van variando en función de la velocidad de
giro, así como varían la compresibilidad del aire y las frecuencias pulsantes,
para mantener siempre sincronizada la entrada de los pulsos es necesario ir
variando la geometría de los colectores (longitud y diámetro) en función de la
velocidad de giro del motor.
Si se incorpora un dispositivo que varia
tales dimensiones, se conseguirá mejorar el llenado a diferente número de
revoluciones. Este sistema funciona añadiendo una toma adicional de aire a
cada cilindro con un mando de mariposa que abra a alto régimen, puesto que se
mejorará la entrada de aire de admisión.
Sistema de admisión
variable por longitud del colector
La expresión "por longitud del
colector" no tiene por que ser siempre la variación de la longitud del colector
también se puede variar el diámetro del colector como veremos en el ejemplo
siguiente.
Los motores en linea de 4 cilindros ofrecen la posibilidad de
desarrollar los colectores de admisión que cumplan las características de los
sistemas de admisión variable, con cuatro tubos articulados de igual longitud
que desembocan en la mayoría de los casos formando un ángulo recto en un
colector, en cuyo extremo abierto se sitúa la pieza de conexión para la válvula
de mariposa.
En los motores de
4 válvulas por cilindro, tenemos 2 válvulas de admisión, por lo que podemos
utilizar en vez de un conducto de admisión por cada cilindro, 2 conductos, uno
para cada válvula de admisión. Uno de los conductos estará controlado por una
válvula mariposa, para cortarlo a bajas r.p.m. y abrirlo a altas r.p.m.. Para
poder funcionar con un inyector por cilindro, se realiza una pequeña abertura en
la pared de separación entre ambos conductos justo antes de llegar a las
válvulas de admisión. La marca Toyota utiliza este sistema y lo denomina T-VIS
(Toyota Variable Induction System), a bajas r.p.m., solo esta abierto un
conducto, para darle velocidad a la entrada de aire a los cilindros. A partir de
4650 r.p.m. se abre la mariposa del segundo conducto de cada cilindro, por lo
que tenemos la máxima sección para la entrada de aire.
En la figura
inferior podemos ver como seria un sistema de admisión variable por longitud de
colector para un motor en "V".
La admisión
variable por longitud de colector, ademas de aprovechar la velocidad del aire
para conseguir una mezcla mas homogénea y completa, también puede aprovechar las
características acústicas de los conductos de admisión, consiguiendo un efecto
de sobrealimentación del motor. Para conseguir este efecto de sobrealimentación,
los conductos del colector tienen que tener un diseño muy estudiado y adaptado a
la cilindrada del motor y al numero de r.p.m. del mismo. Este diseño no siempre
es posible ya que es costoso economicamente su fabricación y hay ocasiones, en
que falta espacio en el vano motor.
Un colector que aprovecha tanto la
característica de las dimensiones del colector como un diseño adecuado para
beneficiarse de las características acústicas del mismo, es el utilizado por la
marca Citroen, en sus motores multiválvulas. Este sistema de admisión se
denomina ACAV (Admisión de Características Acústicas Variables). Este sistema de
admisión permite mediante cuatro trampillas internas (4) obtener dos longitudes
y diámetro de colectores diferentes. Estas trampillas se accionan neumaticamente
(5) por medio de una electroválvula que corta o permite el paso del vacío que
actúa sobre las cápsulas de vacío (5). Cuando el régimen del motor esta
comprendido entre 1000 y 5000 r.p.m., la electroválvula es activada, las
trampillas están cerradas y el aire recorre el colector mas largo (3), de forma
que favorece el par. Cuando el régimen es superior a las 5000 r.p.m., la
electroválvula corta el vacío, la trampilla se abre y toma el conducto mas corto
(2) a fin de favorecer la potencia máxima.
También se
utilizan sistemas de admisión variable para motores de inyección
directa de gasolina. En este caso no se busca tanto, el mejor llenado de los
cilindros, sino la misión de crear un flujo de aire que se adapte a los modos de
funcionamiento (mezcla estratificada, mezcla homogénea) de los motores de
inyección directa.
Chapaleta en
el colector de admisión accionada
En los modos estratificado y
homogéneo-pobre y en partes del modo homogéneo se acciona la chapaleta (válvula
mariposa) en el colector de admisión y se cierra el conducto inferior en la
culata.
Debido a ello el aire de admisión fluye únicamente a través del
conducto superior hacia el cilindro. Este conducto está diseñado de modo que el
aire de admisión ingrese describiendo una turbulencia cilíndrica. Adicionalmente
aumenta la velocidad de flujo a través del estrecho conducto superior,
intensificando la formación de la mezcla.
Esto tiene dos
ventajas
-
En el modo estratificado,
el flujo cilíndrico del aire transporta el combustible hacia la bujía. En el
trayecto hacia ésta se realiza la formación de la mezcla.
-
En el modo
homogéneo-pobre y en partes del modo homogéneo, el flujo de turbulencia
cilíndrica del aire respalda la formación de la mezcla. De esta forma se
consigue una alta capacidad de ignición de la mezcla y una combustión estable,
así como un funcionamiento con mezcla pobre.
Esto supone dos
ventajas:
Chapaleta en el colector
de admisión no accionada
Al funcionar a cargas y regímenes superiores en
el modo homogéneo no se acciona la chapaleta en el colector de admisión, con lo
cual se encuentran abiertos ambos conductos. Debido a la mayor sección de paso
del conducto de admisión, el motor puede aspirar la masa de aire necesaria para
la entrega de un par más intenso y una alta potencia.
Sistema de admisión variable por resonancia
El funcionamiento de una admisión
variable resonante es como la que hemos explicado anteriormente, la única
diferencia es que en vez de tener dos depósitos (3) ahora tenemos un solo
deposito dividido en dos partes por una válvula mariposa resonante (7, en la
figura inferior). En la admisión variable resonante existe una combinación de
los sistemas de tubo de resonancia y de tubo oscilante. Cuando la válvula
mariposa resonante esta abierta (altas r.p.m.) el deposito (3) se convierte en
un solo volumen. Se origina entonces un colector de aire para los tubos
oscilantes de admisión cortos (2).
Cuando el régimen del motor es bajo
(r.p.m. bajas) la válvula mariposa resonante esta cerrada, entonces el sistema
se comporta como un sistema de admisión resonante.
Utilizado
principalmente en motores en "V", motores de cilindros horizontales "boxer" y
también en motores en linea con 6 o mas cilindros.
En motores de mas de 4
cilindros, por ejemplo los de 6 cilindros, el efecto de sobrealimentación por
resonancia se ve disminuido porque las pulsaciones de las válvulas al abrir y
cerrar se compensan entre ellas en el colector. Sin embargo el sistema de
admisión por resonancia funciona de forma optima para motores de 3 cilindros,
porque en ese caso una válvula de admisión se cierra, cuando la otra justo
empieza a abrirse. Para aprovechar las ventajas mencionadas en los motores de 3
cilindros, en los motores de 6 cilindros se divide el colector de admisión por
la mitad mediante una válvula mariposa, trabajando el motor ahora como si fuera
dos motores de 3 cilindros.
Esta solución se da por ejemplo en el motor de
los Opel Omega 3000 y Senator, con el sistema de admisión "DualRam".
Sistema Dual
Ram de Opel
Por medio de un tubo de aspiración adecuado con una válvula
de mariposa conmutable se divide el motor de 6 cilindros, en 2 motores de 3
cilindros cuando las r.p.m. son bajas, con esto se consigue un par motor
elevado. A partir de aproximadamente 4000 r.p.m. se abre la válvula de mariposa
y el modo de funcionamiento se modifica volviendo el motor a trabajar como un 6
cilindros, con esto se genera una potencia elevada. Dependiendo de la
conformación y del ajuste del sistema de aspiración, puede producirse otro
incremento de potencia para un numero de r.p.m. muy elevado, si se vuelve a
cerrar la válvula de mariposa a partir de aproximadamente 6000
r.p.m..
Sistema
VarioRam de Porsche
Porsche utiliza en su modelo 964 Carrera un sistema
de admisión resonante combinado con unos conductos oscilantes de admisión de
longitud variable, que tienen tres estados de funcionamiento según sea el numero
de revoluciones del motor.
Las tres fases de
funcionamiento son:
-
Hasta las 5000 r.p.m., la
parte resonante del colector de admisión esta cerrado por la válvula mariposa
(4).
-
De 5000 a 5800 r.p.m., se
abre la válvula mariposa (4) entrando en funcionamiento la parte resonante del
colector de admisión dividiendose el motor en dos motores de 3 cilindros por
la válvula mariposa (3).
-
A partir de las 5800
r.p.m., se abre la válvula mariposa resonante (3), ahora el colector ya no se
divide en dos, ahora es uno solo para los 6 cilindros.
Los colectores de
admisión del Porsche Boxster están moldeados con material plástico, además de
ser más fáciles de fabricar, son mas económicos. Pesan menos que los metálicos
de fundición y el flujo de aire que circula por su interior es mas
uniforme.
La baja conductividad térmica del plástico contribuye a que no se
calienten con el calor que emite el bloque del motor y por tanto el aire llega
más fresco a los cilindros.
La marca BMW
utiliza para el motor en linea de 6 cilindros del M5, 3,6 litros 315 CV, un
sistema de aspiración con una válvula mariposa interna adicional. De ese modo,
se aprovecha el efecto de la llamada sobrealimentación por oscilación resonante
de la admisión, gracias a la cual se pueden mejorar la potencia y el par motor,
si bien esto sólo es así dentro de un margen de revoluciones
estrecho.
Otro modelo de
admisión resonante de BMW, en este caso se trata de un: sistema de aspiración
"diferenciado", utilizado en el motor de 6 cilindros y 3 litros de BMW (M54),
con sistema de resonancia y alimentación de aire de turbulencia. Este sistema de
admisión se divide en dos sistemas completamente diferentes: para altas r.p.m. y
plenas cargas dispone de un sistema de admisión resonante con una válvula
mariposa que regula las dimensiones del colector de admisión adaptandose al nº
de r.p.m. del motor.
Para bajos regímenes del motor (bajas r.p.m.) existe un
sistema de admisión completamente separado del resonante, que dispone de un
control propio (válvula reguladora de turbulencia) y secciones transversales
reducidas, así como unos calibres de turbulencia que aumentan la velocidad del
flujo del aire cuando entra en los cilindros.
En las siguientes
figuras se ve como estan configurados la camara de combustión y la
culata.
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