Sistemas de admisión

Comentar Publicado el lunes 01 de marzo de 2010

Los airbox de presión ya no bastan. Ahora estamos en la era de los conductos de admisión de longitud variable. Partiendo de los principios de la dinámica de fluidos, explicamos por qué la tecnología ha tomado este camino y dónde podría llevarnos en un futuro próximo.


La sobrealimentación


En el aspecto técnico, el método más simple y provechoso para aumentar el aire aspirado es la sobrealimentación, escasamente difundida hasta la fecha en la producción motociclista, principalmente por motivos ligados al coste, gravamen de peso y problemas de entrega de potencia.

A decir verdad, los recientes progresos en el sector automovilista hacen suponer que los motivos sean prioritariamente de orden "histórico", ligados al deficiente recuerdo dejado por las motos de inicios de los ochenta - Honda CX 650, Yamaha XJ 650, Kawasaki GP 750- que no obtuvieron destacado éxito a causa de la decepcionante entrega de potencia de los turbocompresores de "primera generación".
 
Los obstáculos técnicos hoy se han superado ampliamente gracias, sobre todo, a los desarrollos llevados a cabo en el sector automovilista, primero en el motor diésel y ahora con la inyección directa de los motores de gasolina. Peugeot ya utiliza, en su gama de scooter, un motor 125 sobrealimentado mediante un compresor volumétrico pensado para alcanzar las prestaciones de un 250 con peso y consumo reducidos: es un proyecto técnicamente válido, pero estratégicamente lo es menos, porque se aplica a un vehículo utilitario y castigado por la severa legislación, los 125 de potencia libre no se pueden conducir con 16 años o con la convalidación carné coche-moto A1, por lo que no hay razón para no comprar directamente un 250.
 
 
Antes de hablar de sobrealimentación, es necesario entender los " efectos dinámicos", ahora ya conocidos y aprovechados universalmente, y su influencia en el rellenado. Con frecuencia se oye decir que los motores de automóvil están diez años por delante de los motociclistas: ¿es cierto? Lamentablemente sí, pero no en el sentido del precio de los materiales y de sus componentes, sino por las tecnologías adoptadas, sobre todo en conceptos como la sobrealimentación, la inyección directa, la aspiración de longitud variable, etc., avances bien difundidos desde hace años en los coches, apostándose ahora por sistemas que controlan a placer las leyes de la alzada de las válvulas.
 
En comparación, el mundo de la moto -que ni siquiera ha completado el paso del carburador a la inyección electrónica- está todavía en estado embrionario. Pero, ¿por qué entre todas estas tecnologías, el control de la aspiración es tan importante? Porque en el ciclo Otto, la calidad de la combustión depende más de la gestión del aire que de la del carburante. Por eso, desde siempre se ha trabajado mucho en mejorar la dinámica de fluidos de los conductos.
 
Los factores que influyen en e l llenado del cilindro pueden ser subdivididos en dos grandes categorías. Los efectos casi estáticos, unidos a la velocidad media del gas, vienen sobre todo representados por los intercambios térmicos y las pérdidas por rozamiento. Sin embargo, los efectos no estáticos nacen porque un fluido - la mezcla aire/combustible o los gases de escape- presenta características termodinámicas (temperatura, presión, densidad) que varían instante por instante-.
 
La consecuencia de la no regularidad en el tiempo del fluido no es fácil de entender y todavía menos de controlar, pero suscita mucho interés y está en el origen de numerosos "trucos" de ingeniería, entre los que destaca la longitud variable de los conductos de admisión.
 
 
Turbo-lag.
 
A rueda del turbo en los coches, en los años 80 aparecieron algunas motos sobrealimentadas, como la Honda CX 650.
 
El turbo aumenta el rendimiento, pero el retraso en el accionamiento de aquellos sistemas eran bastante desagradable en todas las variantes japonesas.
 
Una respiración correcta es la base del éxito" es lo que repiten los profesores de natación a sus alumnos para convencerles de sumergir la cabeza y mejorar su estilo y, sobre todo, el rendimiento acuático. Esta máxima, universalmente conocida en el campo deportivo, también es aplicable al ámbito motociclista. ¿Cuántas veces se ha escrito que "las prestaciones a alto régimen se han incrementado gracias a un airbox rediseñado", o cuántas hemos oído decir al amigo de turno: "he cambiado el escape y el filtro para hacer respirar mejor al motor"?
 
El funcionamiento de un motor de combustión interna recuerda totalmente al del cuerpo humano y, muy particularmente, al de su sistema respiratorio. Una respiración correcta permite al hombre inhalar la máxima cantidad de oxígeno, necesidad fundamental para los procesos energéticos de las células. También los " procesos energéticos" de los motores ( la combustión) requieren la mayor cantidad posible de aire para poder inyectar más combustible y obtener la máxima potencia, o para tener la combustión más completa y conseguir la máxima "limpieza" de los gases de escape.
 
Cantidad de aire y de combustible van estrechamente ligadas en los motores de ciclo Otto donde, a diferencia de los diésel, la dosificación (relación entre aire y combustible) puede variar dentro de unos límites muy estrechos. El objetivo prioritario de los técnicos es, por tanto, maximizar el rendimiento volumétrico, relación entre la masa de aire aspirado en cada ciclo y la que el cilindro podría teóricamente contener. Y como la calidad de la combustión depende más de la parte correspondiente al aire que a la de combustible, el análisis de la dinámica de los fluidos es fundamental.
 

Como en un semáforo 
 
El comportamiento en el tiempo del movimiento de los fluidos se caracteriza por una falta de regularidad. Los efectos inerciales parten del hecho que un fluido tiene su propia masa, por consiguiente responde a fuerzas que actúan por encima de ella, como el peso y las inercias. En cambio, los efectos de las ondas se refieren a la propagación de las ondas de presión (que transportan energía, pero no masa) en el fluido. Consideremos la columna de aire presente en el conducto de admisión: cuando la válvula se abre, la depresión creada por el pistón en su fase descendente atrae este aire al cilindro; a causa de su naturaleza fluida, el aire más próximo a la válvula se mueve antes que el situado más arriba. Es el mismo fenómeno que se produce ante el semáforo cuando se pone en verde: los coches en la cabecera de la fila se mueven antes que los que le siguen y la columna se alarga convirtiéndose en "menos densa".
 
Al contrario, cuando la carga entra en el cilindro y se encuentra con el pistón, la masa de aire que sigue mantiene su propia inercia y tiende a comprimir el aire ya presente en el cilindro contra la cabeza del pistón. Es algo parecido a lo que sucedería si en el semáforo, el coche que nos sigue, llegando demasiado "alegre", no consiguiera detenerse y nos impactase: un hecho desagradable en la vida real, pero deseado en esta situación porque el aire, a diferencia de los coches, es comprimible.
 
Precisamente, para aprovechar tal efecto de "compresión inercial", el cierre de la válvula de admisión es retardado respecto a lo que parecería lógico (el PMI, o punto muerto inferior). Puesto que la energía cinética de los gases es tanto mayor cuanto más elevado es el régimen de giro del motor, a alto régimen sería oportuno retardar el cierre: esa es la razón de la distribución variable. El mismo razonamiento sirve para el proceso de escape, donde la inercia se utiliza para favorecer la expulsión completa de los gases quemados.
 
Para determinar el régimen de giro en el que se optimiza el llenado del cilindro, hay que considerar que este régimen también es proporcional a la sección del conducto e inversamente proporcional a su longitud: en consecuencia, el rendimiento a bajo régimen se ve favorecido por los conductos largos y de sección pequeña y a alto régimen por conductos cortos de sección grande. Así se empieza a comprender lo que significa para un ingeniero calibrar un motor para ser más corpulento a bajo régimen y por qué es interesante poder disponer de conductos de longitud variable.
 
Distribución variable. A la espera de que alguien pruebe una interpretación moderna de la sobrealimentación, se invierte en algunos sistemas de distribución variable como el de la Kawasaki 1400 GTR (arriba), que desplaza la posición de los árboles de levas de admisión.
 
Simple o doble. Muestra de la posición de inyectores dobles en los largos conductos de la RSV4 (en la foto inferior, la parte verde es la que se alza).
 

Los efectos inerciales 
 
Los técnicos de motores utilizan en la actualidad modelos matemáticos y físicos extremadamente complejos. Para entender el fenómeno de la dinámica de fluidos, basta con pensar en una columna de aire (o en la fila de coches en un semáforo que comentamos en el texto principal) como si se tratase de un muelle con una masa en un extremo.
 
Este simple ejemplo permite definir la propia frecuencia de oscilación que describe la actitud de la columna de aire, a canjear por energía y a demorarse a las diversas frecuencias que le son requeridas durante el proceso de funcionamiento de un propulsor.
 
Relacionando el rendimiento con esta frecuencia, se descubre (ver gráfico) que el máximo rendimiento se obtiene cuando la frecuencia propia es el doble de la de rotación. Esto no es demasiado sorprendente, porque en un motor 4T este valor indica que la columna de aire tiende a oscilar con una duración igual al recorrido de aspiración ( 180º o medio giro del cigüeñal). Así se determina el régimen de giro en el cual los efectos inerciales determinan el máximo llenado del cilindro.
 
Todo en uno. Ejemplo de la creciente complejidad de los sistema de admisión: el airbox de la Aprilia RSV4. En su interior, además de alojar los conductos de longitud variable, se encuentra la batería superior de inyectores.
 
A diferencia de la vieja RSV 1000 R, donde el conducto para el airbox atravesaba el eje de dirección, en la cuatro cilindros los técnicos han preferido dos amplios canales separados.
 
 
Punto por punto.
 
Un ejemplo de estudio para dinámica de fluidos de un conducto de admisión: los colores reflejan las distintas velocidades de las partículas en la entrada del cilindro, tras haber superado el obstáculo de la válvula.
 

Primero fue neumático.
 
En 2005, en la MV F4, Tamburini aplicó su TSS (Torque Shift System).
 
Fue la primera en montar un sistema de admisión de longitud variable, de tipo neumático, mandado por la depresión generada por la aspiración.
 
 
Después electrónico.
 
En la F1 1000 de 2010, reaparece la admisión de longitud variable que sigue llamándose TSS, pero ahora es electrónica y suministrada por Mikuni (el control es Marelli). Los cuatro conductos ahora son de la misma longitud, mientras el volumen del airbox ha crecido mucho en detrimento del depósito.
 
 
Cada vez más
 
Mientras la tecnología de geometría variable para las válvulas es muy escasa, exceptuando la Honda VFR800 (con alzamiento y tiempo de apertura de las válvulas, sistema abandonado en la VFR 1200) y por la Kawasaki 1400 GTR (distribución variable de los árboles de levas), los conductos de admisión de longitud variable ya son utilizados en diversos modelos.
 
La pionera ha sido MV Agusta con la F4 de Tamburini (sistema neumático), seguida por Yamaha con sus YZF-R6 y a continuación con la R1 (sistema electrónico). En definitiva, sistemas destinados a motos deportivas de altísimas prestaciones.
 
Estos motores han sido pensados para rendir el máximo en circuito, o sea, para girar a regímenes elevados. Su punto débil reside en el inevitable "vacío" a bajo régimen -más evidente cuanto menor es la cilindrada unitaria- porque la geometría del motor se ha optimizado con distribuciones extremas y conductos de admisión muy cortos.
 
Disponer de conductos cortos garantiza una columna de aire favorable para alto régimen y breve tiempo para la reflexión de las ondas.
 
Observando la admisión de un clásico cuatro cilindros en línea, salta a la vista que los conductos centrales tienen, con frecuencia, distinta longitud que los laterales. Se trata de un modo de lograr la mejora de los efectos dinámicos en los distintos cilindros (los centrales están menos refrigerados, lo que supone disponer de una mezcla más grasa y efectos de onda más veloces) y de una filigrana para lograr un motor más flexible a regímenes distintos. Un sistema de admisión de geometría variable consiste, normalmente, en trompetillas telescópicas que disponen de posiciones de funcionamiento controladas por un motor "paso-a-paso". A bajo régimen, las trompetillas están desplegadas sobre su base, mientras que a alto régimen se repliegan para que el flujo no se resienta. De esta forma, el sistema logra optimizar sólo dos regímenes de giro precisos.
 
Conceptualmente, el objetivo es disponer de una geometría del sistema "en reposo" que logre mejorar la entrega de potencia al régimen en el que los efectos inerciales causarían la máxima penalización (ondas de fase contraria). En realidad, tratándose de un sistema discontinuo, las dos posiciones tienen influencia sobre un gran número de rpm y necesita evitar el efecto "peldaño" durante la conducción. El paso de la configuración de reposo a la de apertura representa un discontinuidad que puede provocar una marcada irregularidad de funcionamiento y, por eso, la fase de medición para atenuar tal efecto puede resultar muy compleja.
 
 
Otros experimentos.
 
Después de haber puesto a punto en la VFR800 de 2005, la distribución más sofisticada del mercado (V-Tec), Honda la ha abandonado en la VFR 2010. Se trata de un sistema en condiciones de ofrecer casi "dos motores en uno" gracias al aceite a presión que a altas rpm acciona un pasador para aumentar la alzada de la válvula. Como en los conductos de longitud variable, s e trata de un sistema de sólo dos niveles que da algunos problemas en la fase de transición, pero también se ha trabajado en conceptos más refinados (levas tridimensionales, levas electrohidráulicas), aunque por ahora Honda prefiere no ir tan lejos.
 
 
Ride by wire
 
Por esa razón, Yamaha incorporó, a continuación de las trompetillas variables, el acelerador electrónico -ride by wire-. Un sistema de este tipo es de gran interés en las superdeportivas actuales, gracias a la posibilidad de mejorar un problema "crónico", sobre todo para las pequeñas cilindradas. A pesar de las granes ventajas que eso comporta, su elevado coste lo relega por el momento a las caras superbikes con la única excepción de la Yamaha R6.
 
Las últimas en utilizarlo, en orden cronológico, han sido la Aprilia RSV4 y la BMW S1000 RR, otras dos superbikes.
 
El funcionamiento es conceptualmente idéntico al de la R1, menos para la Aprilia, que dispone de doble bancada mediante la cual se ha dividido el sistema en dos filas de trompetillas con posibilidad de movimiento independiente.
 
Ello abre las puertas a mayores posibilidades de reglaje y regulación, pudiendo gestionar las dos bancadas de forma distinta y así garantizar mayor eficiencia en un más amplio abanico de rpm. En todos esos casos, se dispone de un evolucionado ride by wire que permite una mejor gestión del motor. Echando una mirada al futuro, si no parece próximo el control de las válvulas, se prevén ulteriores desarrollos de la longitud variable de los conductos de admisión, con movimiento continuo de éstos mediante sistemas telescópicos para poder adaptar la longitud a cada régimen de giro.
 
Este sistema ya se utiliza desde hace tiempo en Fórmula 1 y, por lo que parece, también la Ducati Desmosedici GP9 ya utilizaba uno análogo. Pero antes de que pueda llegar a nosotros, los mortales, deberá caer mucho agua, o mejor dicho, mucho asfalto pasará bajo nuestros neumáticos-
 
 
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