Sistema de admisión

Como ya dijimos alguna vez, un motor no es más que una bomba de aire. Por ello, cuanto mayor sea el volumen de aire que accede al cilindro, mayor será la potencia que podrá desarrollar el motor.

Hay un único factor que hace que el aire acceda a los cilindros en un motor sin aspiración forzada, y es la diferencia de presión entre la atmósfera y el interior de éstos. Por ello, optimizar el trayecto del aire desde la atmósfera a los cilindros es uno de los aspectos más importantes a la hora de obtener rendimiento en un motor de combustión interna.

El primer coche en el que se utilizó un colector de admisión optimizado fue el Mercedes 300SL, en 1954. Antes de la década de los 50, los ingenieros creían que unos colectores de admisión cortos eran óptimos para el máximo rendimiento del motor, independientemente de las condiciones de trabajo. Posteriormente descubrieron que bajo ciertas condiciones, unos colectores de admisión más largos podrían mejorar el rendimiento.

Antes de meternos en harina, necesitaremos saber qué hace este componente. De forma muy resumida un colector de admisión es la parte del motor que comunica el cuerpo del acelerador y los cilindros. Su función principal es transportar aire a cada uno de ellos.

Si el motor es de inyección indirecta de combustible, será también aquí donde se realizará la mezcla de aire y combustible. En caso de ser de inyección directa, eso sucederá dentro del cilindro.

Un sistema de admisión se puede dividir en las siguientes partes:

• Mariposa del acelerador: Esta pieza se utiliza para regular la cantidad de aire que accede al colector de admisión. La mariposa e abre al pisar el pedal del acelerador, lo que permite que entre más aire al motor.
• Plenum: El llenado de todos los cilindros tiene que ser igual de eficiente para que el motor funcione correctamente, por ello se utiliza esta cámara de almacenamiento de aire situada entre la mariposa del acelerador y los conductos de admisión. Su función es igualar la presión para una distribución más uniforme de la mezcla en cada cilindro.
• Conducto de admisión: Es cada uno de los conductos que envían aire desde el plenum al puerto de admisión.
• Puerto de admisión: Es la parte de la culata que comunica el conducto de admisión con el cilindro. En un motor de inyección indirecta, en esta tramo ya están mezclados el aire y el combustible.

En este artículo veremos cómo optimizar colectores de admisión con un único cuerpo de acelerador y un único plenum que alimenta a todos los conductos de admisión.

Volumen del plenum:

El volumen y la forma de este depósito son parámetros que influyen en la respuesta del motor. Así, un gran volumen conseguirá evitar que el motor se quede sin aire a altos regímenes de giro pero tendrá una mala respuesta al acelerador. Por el contrario, un volumen pequeño producirá una respuesta casi instantánea al acelerador pero el motor puede no recibir el aire suficiente en situaciones de alta demanda.

El plenum desarrolla además un papel importante en el trabajo del colector de admisión con las ondas de presión. El plenum se comporta como una cámara de resonancia en la que las ondas de alta presión generadas al cerrar la válvula de admisión de un cilindro comprime el aire que contiene. De manera gráfica podemos imaginarlo como un muelle. A medida que las ondas de presión comprimen el aire, este “muelle” acumula energía que impulsará al aire a través de los conductos de admisión una vez esta fuerza deje de ejercerse. Así, conseguimos que la válvula que se cierra en un cilindro ayude en el llenado del cilindro cuya válvula esté abierta.

El plenum debe aumentar rápidamente de tamaño antes del primer conducto de admisión, de este modo la velocidad del aire disminuirá, haciendo que el reparto de aire en todo su volumen sea más uniforme. Para conseguir el mismo efecto, debe de extenderse más allá del último conducto de admisión, así, la sobre presión que se genere en la pared del plenum no afectará a éste.

Longitud de los conductos de admisión:

Un colector de admisión funciona como un resonador de Helmholtz (del que ya hablamos aquí). El fenómeno que gobierna su rendimiento el efecto de las ondas acústicas.

Dentro del colector se forman dos tipos de ondas de presión, conocidas como ondas de rarefacción y compresión. Una onda de rarefacción es una onda de menor presión que la atmosférica, mientras que en una onda de compresión la presión es superior a la atmosférica.

Cuando una onda alcanza un extremo abierto de un tubo (por ejemplo al llegar al plenum desde el conducto de admisión), se refleja dando lugar a una onda de forma inversa, mientras que si la onda alcanza un extremo cerrado, se refleja dando lugar a una onda con su misma forma.

En un colector de admisión hay dos eventos significativos durante la fase de admisión, estos son la apertura y el cierre de la válvula de admisión. Cuando la válvula de admisión se cierra, se forma una onda de compresión, mientras que cuando la válvula de admisión se abre, se forma una onda de rarefacción.

Estas ondas se reflejan una y otra vez en el conducto de admisión. A medida que estas ondas se crean y se propagan, interactúan entre sí de manera similar a cualquier otra onda de sonido, sumándose para formar una onda de mayor amplitud, o contrarrestándose pudiendo incluso anularse.

Al abrirse la válvula de admisión se crea una onda de rarefacción, no sólo por el hecho de abrirse la válvula, sino porque el movimiento descendente del pistón el cilindro está generando un rápido descenso de la presión.

Esta onda se desplaza a lo largo del conducto de admisión hacia el plenum donde se refleja generando una onda de compresión en sentido contrario. Esta onda de compresión accede al cilindro a través de la válvula de admisión, aumentando la presión en éste.

Si el sistema de admisión se diseña de manera que la onda de presión tenga su intensidad máxima mientras la válvula se está cerrando y el pistón ya se encuentra en su movimiento ascendente para comprimir la mezcla, al final de la fase de admisión, se puede forzar la entrada de más aire al cilindro, mejorando con ello la eficiencia. (Y si revisamos este artículo veremos que también mejorará la eficiencia de la expulsión de gases de escape en el cilindro).

Este fenómeno aumenta proporcionalmente a la velocidad de giro del motor debido a la inercia creciente del aire. El diseño del colector de admisión se hará tratando de sincronizar estas ondas de presión para aumentar la eficiencia volumétrica del motor a una velocidad de giro y carga determinadas.

Se puede realizar una estimación de la longitud que aproximadamente tendrán los conductos con la ecuación del resonador de Helmholtz.

Donde:

• f velocidad de giro del cigüeñal.
• c velocidad del sonido (343 m/s).
• A área transversal de los conductos de admisión.
• L longitud de los conductos.
• V_eff volumen efectivo (volumen del cilindro con el pistón a mitad de carrera)

Donde:

• V_D volumen de barrido del pistón (diámetro del cilindro * carrera).
• V_CL volumen de la cámara de combustión

Para aumentar el par motor a bajas revoluciones y potencia a altas revoluciones, algunos motores tienen sistemas de admisión de longitud variable en los que el colector de admisión tiene dos juegos de conductos de admisión, unos largos que se usan a bajas rpm  y conductos más cortos que se abren a altas revoluciones.

Diámetro de los conductos de admisión:

Un conducto de mayor diámetro en relación con el diámetro de la válvula de admisión dará como resultado una mejor respiración del motor a altas RPM y llevará la potencia máxima del motor a un régimen de revoluciones más alto a costa de una potencia inferior a bajo régimen.

Generalmente, para un coche de calle el diámetro del conducto de admisión será de entorno al 80% del tamaño del diámetro de la válvula de admisión en un motor de dos válvulas por cilindro, o el mismo diámetro de la válvula de admisión en un motor de 4 válvulas por cilindro. Con un diámetro superior la velocidad del aire será excesivamente baja. En preparaciones extremas que puedan sacrificar mucha potencia a bajo y medio régimen esos diámetros pueden llegar a ser un 10% superiores en ambos casos.

El diámetro de los conductos de admisión se verá limitado también por el diámetro de los puertos de admisión, ya que si su diámetro es mayor, habrá un escalón que destrozará el flujo empeorando sensiblemente las prestaciones.

Geometría de los puertos de admisión:

Aunque realmente esta parte del sistema de admisión pertenece a la culata del motor, de la que hablaremos en próximos artículos, creo interesante comentar aquí alguno de los efectos de su diseño.

Los puertos de admisión son una de las zonas más críticas en una preparación, y por ello requieren un trabajo muy exhaustivo.

Ya vimos en este artículo qué es la turbulencia (cómo de desordenado se mueve un flujo). De la forma y orientación del puerto de admisión depende el movimiento de la mezcla en el cilindro, generando o evitando turbulencias que favorecerán el mezclado de aire y combustible y con ello mejorando la calidad de la carga.

En la imagen anterior podemos ver, a la izquierda, un movimiento de swirl en el flujo, mientras que el esquema de la derecha muestra un movimiento de tumble.

Tanto el swirl como el tumble son generados en la fase de admisión, mientras la mezcla accede al cilindro. En la fase de compresión éstos movimientos se degradan debido a la presión ejercida por el pistón que cuando se acerca al PMS deforma los vórtices originando una transferencia de energía cinética desde el exterior hacia el centro del flujo. Con esto conseguimos aumentar la intensidad de la turbulencia, mejorando el mezclado e incrementando la velocidad de avance del frente de llama.

El movimiento de swirl se adapta más naturalmente a la forma del cilindro, pero es más difícil de degradar en la fase de compresión.

Y ahora nos hacemos con un torno, fresadora CNC y un grupo TIG y hala, a fabricar colectores de admisión.