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Técnica

Distribución y distribuciones variables: tipos y como funcionan

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La distribución de un motor es uno de los elementos calve para su funcionamiento. La distribución principalmente, se encarga de sincronizar el árbol o arboles de levas con el cigüeñal. El cigüeñal tiene que estar en sincronismo con el árbol o arboles de levas, ya que los pistones (que van unidos al cigüeñal), han de estar sincronizados con las válvulas (árbol de levas). Las válvulas son las encargadas de llenar o vaciar la cámara de combustión de los gases de admisión o escape.

Las distribuciones pueden ser de diferentes tipos, pero todos tienen el mismo principio de funcionamiento. En el mercado encontramos tres tipos de distribuciones: correa, cadena y piñonearía.

Correa: Es la mas utilizada en el mercado, la llevan todos los turismos. Es barata de fabricar, y es bastante silenciosa, pero su inconveniente es que tiene una vida útil limitada, aproximadamente entre 80.000 y 120.000 kilómetros. En la distribución encontramos los elementos comunes: polea dentada árbol de levas, bomba de agua y polea dentada de cigüeñal.

Distribución por correa

  • Cadena: El concepto de la distribución es el mismo. Tenemos unos elementos que van unidos entre si, pero en este caso van unidos por una cadena de rodillos. Esta cadena seria del estilo que podemos encontrar en nuestra bicicleta, pero en este caso seria mucho mas robusta, ya que el par que transmitirá será exponencialmente mayor. La vida útil de la cadena es muy amplia, y su mantenimiento en comparación a la correa es menor. Los ruidos son mayores ya que con el tiempo la cadena se estira uy encontramos mas holguras. En esta distribución encontraremos un tensor hidráulico normalmente, que mantendrá la cadena tensa para que su funcionamiento sea correcto. Esta distribución va bañada en aceite ya que necesita una alta lubricación. L podemos encontrar en turismos y en coches de alto rendimiento.

Distribución por cadena

  • Transmisión por ruedas dentadas/piñones: En los motores que el árbol de levas es accionado por balancines por medio de varillas, o simplemente el piñón de levas con la del cigüeñal están muy juntos, se puede trasmitir el par directamente por engranaje de piñones. los piñones empelados son helicoidales, que son mas silencioso al tener mayor superficie de contacto entre ellos. Es la distribución mas silenciosa de todas y está bañanada en aceite completamente. Su vida útil debería ser muy larga a no ser que surjan anomalías. Normalmente lo encontramos en cambiones o maquinaria pesada.

Distribución por piñones

Una vez visto todo los tipos de distribuciones que hay en el mercado, vamos a ver los principales tipos de sistemas que existen en el mercado que son capaces de variar la apertura de la válvula para así mejorar el llenado de la cámara de combustión. El principio de funcionamiento de todos los sistemas es el mismo, dependiendo de las vueltas de giro del motor, se varia la carrera de la válvula de admisión consiguiendo mas o menos tiempo de apertura en función de lo necesario. En algunos tipos de distribuciones variables, se puede variar únicamente la válvula de admisión, o variar ambas (admisión y escape). 

  • Sistema VVTi: Consiste en introducir un piñón dentado dentro del árbol de levas. Cuando este piñón interno recibe presión hidráulica por orden de la unidad de control las levas se decalan, es decir se desfasan de la posición normal de trabajo, variando el diagrama de distribución. Este sistema es de origen japonés, mas concretamente de la marca Toyota.

Sistema VVTi

  • Sistema Valvelift: Original de Audi, consiste en variar la posición axial de las levas, mediante unos actuadores y unas guías  mecanizadas en la propia leva. Cuando la centralita cree oportuno cambiar la posición de las levas, un actuador desplaza un esparrago dentro de la guía de la leva. Esta guía tiene un recorrido curvo lo que hace que la leva se mueva hacia los lados. Cuando la leva se mueve hacia izquierda o derecha, se coloca en la válvula una leva diferente a la anterior, es decir, hay dos levas distintas para cada válvula, una de un recorrido mas largo y otra para uno mas corto.

Sistema Valvelift

  • Sistema Valvetronic: Este sistema es apto únicamente para motores que utilizan balancines para empujar las válvulas. Consigue modificar la carrera de las válvulas de admisión a través de la modificación del árbol de balancines mediante el empleo de un motor eléctrico controlado por la unidad de control de motor. Este motor tiene un tornillo sin fin que engrana con un piñón que hace subir o bajar el balancín, variando así su posición unos grados. Lo utiliza normalmente BMW.

Sistema Valvetronic

  • VTEC: Uno de los sistemas mas famoso del mercado y uno de los mas bueno y fiables. De origen japonés, de la marca Honda, consiste en un conjunto de tres válvulas. Dos de ellas son las estándares, las que se usan normalmente en motores de 4 válvulas por cilindro (2 de admisión y dos de escape). En medio de estas válvulas hay una tercera válvula, que es la encargada de empujar ambos balancines a la vez cunado la unidad de control lo ve oportuno. La tercera válvula entra en funcionamiento cunado un pasador une las tres válvulas por un agujero pasante. Esta tercera válvula tiene un recorrido mas grande, por lo que el tiempo de apertura será mayor. 

Sistema VTEC

  • Multi-Air: Diseño de Fiat como el Common Rail o el Tgv. Se trata de un sistema de distribución en el que la leva comprime aceite como si fuese un cilindro maestro de frenos y lo envía a la cabeza de la válvula donde se ha colocado un cilindro receptor. En medio de este circuito hidráulico se ha colocado una electroválvula que es controlada por la Unidad de Control Motor de forma que puede variar tanto el recorrido de apertura de la válvula como el hecho de poder abrir las válvulas aunque la leva no este generando presión, pues puede utilizar la presión acumulada del ciclo anterior. De esta manera, se eliminan elementos mecánicos, lo que se traduce en menos costes. Gracias a este sistema, podemos tener tantos diagramas de distribución como queramos, ya que es la Unidad de Control Motor quien gestiona mediante se software la apertura y cierre de las válvulas.

Sistema Multi-Air

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Técnica

Técnica | ¿Cómo se diseña la cámara de combustión de un Fórmula 1?

En una parte tan importante del monoplaza, son muchos los aspectos a considerar.

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Desde luego, es bien sabido que la Fórmula 1 ha sido durante mucho tiempo la cuna del desarrollo tecnológico en el ámbito automovilístico, en todos los aspectos del monoplaza: Aerodinámica, chasis, seguridad… Pero si hubiera que elegir el componente que más inversión en desarrollo ha requerido, este sería el motor de combustión, donde se produce la energía necesaria para impulsar el monoplaza. El núcleo de dicho motor está formado por 6 cilindros en V donde se aprovecha la energía química del combustible mediante su explosión para transformarla en energía mecánica: Movimiento de giro. ¿Cómo se diseña la cámara de combustión?

Esta cámara, como ya hemos dicho, tiene forma de cilindro, y en su interior aloja un pistón móvil que realiza un movimiento alternativo de subida/bajada. La cámara de combustión se caracteriza por dos parámetros geométricos: Bore y Stroke. El primero de ellos, el Bore, indica sencillamente el diámetro del cilindro, mientras que el Stroke especifica la longitud de la carrera del pistón, desde el punto muerto inferior, hasta el punto muerto superior. Cada vez que el pistón realiza una carrera de subida + bajada, el eje al que está unido (denominado cigüeñal, ‘crank’) realiza un giro completo de 360º.

Definición de BORE y STROKE. Fuente: howmechanismworks.com

Un Fórmula 1 cuenta con un cubicaje total de 1,6 litros, que corresponde con 0,27 litros por cilindro, aproximadamente (un volumen menor al de una lata de refresco estándar). En este momento, surge la pregunta: ¿Cuánto mide el Bore, y cuánto el Stroke? Para deducirlo debemos tener en cuenta varias cuestiones técnicas con respecto al rendimiento de un motor de combustión interna.

El principio básico de generación de potencia en este tipo de motor es que Potencia = Par x Velocidad de giro, y suponiendo una curva de par relativamente constante en el rango de revoluciones de uso, tenemos que la potencia es directamente proporcional a la velocidad de giro que puede tener el motor. Dispondremos de más potencia cuanto mayor sea la velocidad de giro, algo que equivale a tener una menor carrera del pistón (Stroke). Tenemos por tanto una de la condiciones para el diseño del cilindro, ¿pero hasta qué punto podemos reducir este parámetro geométrico?

Una de las limitaciones es la velocidad a la que puede llegar a moverse el pistón, cuyo valor máximo para un vehículo estándar ronda los 25 metros/segundo. Con esta restricción, y sabiendo que los Fórmula 1 en la actualidad giran a un máximo de 15.000rpm, extraemos un valor de Stroke de 5 centímetros, y con él, un valor de Bore de unos 8 centímetros (conociendo el volumen del cilindro de 0,27 litros). Nota: El reglamento actual establece en su Artículo 5.3.1 que la dimensión del Bore ha de ser de 80 +-1 mm.

Imagen del Ferrari SF1000 sin la cubierta motor. Fuente: motosportmagazine.com

Es importante considerar las consecuencias de tener un diámetro de cilindro de este tamaño. En primer lugar, hay que recordar que el intercambio de gases en la cámara de combustión se realiza a través de las válvulas de admisión, para la entrada de aire, y de escape, para la salida de los gases producto de la combustión. Contar con una mayor superficie de cabeza de cilindro, que es el lugar donde se encuentran situadas éstas (ver última imagen), permite instalar válvulas de más diámetro, aumentando con ello la cantidad de gases intercambiables en un mismo intervalo de tiempo, útil sobre todo cuando nos encontramos en un régimen alto de giro del motor.

Sin embargo, no todo son ventajas, en el proceso de transformación de energía en un motor existen pérdidas por muy diversas razones, y una de las más relevantes es la transferencia de calor a través de las paredes. Un mayor diámetro de Bore implica un incremento de esta superficie de transferencia, considerada cuando el pistón se encuentra en el punto más alto de su carrera, cuando se inicia la combustión. En conclusión, mayor Bore implica mayores pérdidas por transferencia de calor, por lo que es importante encontrar un equilibrio para maximizar la eficiencia del sistema. 

Además, y ya para finalizar, hay que considerar la dinámica de la combustión de la mezcla en el interior de la cámara. El encendido tiene lugar mediante bujía (‘Spark plug‘), posicionada normalmente en el centro de la cabeza del cilindro, donde comienza la propagación de la llama. Si tenemos un gran diámetro de Bore, la combustión será más lenta, ya que la llama ha de recorrer una mayor distancia hasta los laterales de la cámara, y por tanto, tardará más en qumar la mezcla. En este aspecto, también podemos destacar el concepto de turbulencia, que facilita la mezcla de aire con combustible, y con ello su combustión. Sin embargo, la existencia de este fenómeno no depende tanto del diseño del cilindro, sino de la forma de los colectores, principalmente en admisión.

Propagación de la llama en un motor de encendido provocado. Se puede observar como el frente de llama tardará más tiempo en alcanzar las paredes laterales del cilindro si este tiene un Bore grande. Fuente: General Chemistry: Principles, Patterns, and Applications, 2011

La complejidad en el diseño de partes del motor como esta es considerable, aunque actualmente su desarrollo esté bastante limitado por el reglamento. Como hemos podido observar, la eficacia del componente reside en encontrar el equilibrio adecuado entre todas las condiciones/restricciones existentes, algo que no es nada fácil en absoluto.

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Técnica

Motores de F1 ¿De qué están hechos?

Entramado de materiales de una unidad de pontencia en la F1 moderna

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Muchos al pensar en un coche de F1 y sus materiales se enfocan en la fibra de carbono y el kevlar de los cuales están construidos muchos de los componentes estructurales. Sin embargo, muy poco se habla de los materiales que componen una unidad de potencia de F1.

Unidad de potencia moderna – Renault Sport

Las actuales regulaciones técnicas de F1 limitan considerablemente la selección de materiales con los cuales los diseñadores pueden trabajar en el desarrollo de las unidades de potencia. Sin embargo, las zonas grises en ediciones anteriores del reglamento han permitido a lo largo de los años que algunos equipos saquen ventaja con materiales novedosos. A continuación explicamos cada uno de los materiales permitidos y su aplicación dentro de la unidad de potencia.

Pistón de F1 de la era atmosférica – Pankl/Ferrari

El reglamento técnico permite el uso de los siguientes materiales:

Aleaciones de aluminio: Éstas pueden usarse en componentes fabricados a partir de procesos de fundición o forja, como el caso de pistones, bloques de motor, culatas y cárter del motor. En pistones muchos fabricantes emplean Aleaciones de aluminio con berilio como aleante hasta un 0.25% del mismo, o también aleaciones menos exóticas como las empleadas en aviación (ej: 2618A). En bloques de motor y otros componentes estacionarios son comunes las aleaciones de la serie 300 (Al-Si-Cu or Al-Si-Mg).

Bloque de cilindros Ferrari F2001 – Catawiki

Aleaciones de Titanio: Estas pueden usarse en Bielas y elementos del turbo. Algunos fabricantes de motores o elementos de motores utilizan aleaciones similares al Titanio grado 6AL-4V (o TC4, como se le conoce en algunos lugares)

Conjunto pistón/biela de un F1 moderno – italiazakka.co.jp

 

Montaje de válvula de motor de F1 – Brian Garvey/ www.F1technical.net

Aleaciones basadas en hierro: La normativa exige que los pasadores de pistón, cigüeñal, engranes de las bombas, ejes de levas y otros elementos rotativos deben fabricarse en aceros (aleación de hierro y carbono inferior al 2% con otros elementos como aluminio, cobalto, zinc, etc.).

Cigüeñal Ferrari F2003GA – Ferrari

Fuera de estos materiales principales, hay otra serie de aleaciones metálicas y materiales no metálicos que pueden usarse bajo serias restricciones.

Las aleaciones basadas en tungsteno sólo pueden emplearse en los contrapesos del cigüenal siempre y cuando su densidad no supere los 18400kg/m3.

Contrapesos de tungsteno en cigüeñal de F1 – Ferrari

Para el caso del magnesio, sólo componentes menores que no estén sujetos a movimiento (carcasas de bombas, tapas y similares) y sólo podrán usarse aleaciones cubiertas por las normas ISO16220 e ISO3116.

Otros materiales, como cerámicas pueden emplearse en rodamientos únicamente, mientras que los materiales compuestos como la fibra de carbono sólo podrán usarse en elementos menores como tapas, y los compuestos de matriz metálica (metales reforzados con fibras) están terminantemente prohibidos bajo la normativa actual.

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Técnica

Los motores con turbo eléctrico de Audi

El Audi SQ7 lleva un motor diesel V8 de 4 litros “biturbo”, y los alemanes se han sacado un truco de la manga para eliminar el lag de este motor con un tercer turbo que funciona gracias a un motor eléctrico.

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Los motores llevan años usando turbos, que aprovechan los gases del escape del motor para hacer funcionar una turbina, que comprime el aire que entra en el motor y da un empujón a la combustión, aumentando la potencia. El problema de esto es que, debido a que a bajas velocidades el volumen de gases es demasiado bajo, al pisar el acelerador el turbo tarda un tiempo en ponerse en su régimen de rendimiento óptimo y entonces se experimenta lo que llamamos “lag” y no recibimos este aumento de potencia hasta pasado un tiempo.

Los fabricantes han desarrollado varias técnicas para intentar mitigar este efecto y ahora Audi ha inventado un sistema que lo elimina por completo. El primer turbo del motor del SQ7 no funcionará mediante los gases del escape, sino que el motor hará funcionar un generador de 3Kw, conectado a una batería de 48V, que a su vez opera un motor eléctrico de 7Kw encargado de hacer que gire la turbina del turbo.

Detalle del turbo eléctrico de Audi (Imagen: Audi)

 

Gracias a esto, cuando el conductor demande una entrega de potencia inmediata, en vez de tener que esperar a que el turbo se ponga a funcionar con los gases de la combustión, el motor eléctrico empujará el turbo a 70000rpm en menos de un cuarto de segundo para poder disfrutar de toda la potencia del sistema desde el primer momento.

Una vez el motor esté a pleno rendimiento y con los gases haciendo funcionar un segundo turbo convencional, un sistema de válvulas redirige el flujo de aire a este segundo turbo, desconectando el primero.

Pero además, han programado el sistema de válvulas de escape para que a bajas rpm, los escapes sólo salgan por una de las dos válvulas en cada cilindro y a altas rpm se active una segunda válvula que envía los gases a un segundo turbo.

Esquema del sistema de turbo eléctrico (Imagen: Audi)

Es decir, al arrancar el coche el turbo eléctrico da potencia extra instantáneamente al motor, cuando subimos un poco de revoluciones y el primer turbo convencional ya está funcionando, el eléctrico se desconecta y si a altas revoluciones seguimos demandando la máxima potencia, las válvulas redirigen los gases a un tercer turbo.

Ahora podríamos pensar que, en teoría, deberíamos ser capaces de instalar este tipo de turbo a cualquier coche. Se compra un turbo con motor eléctrico, se conecta a la batería de 12V del coche y ya tendríamos un extra de potencia sin sufrir lag en la aceleración ¿No?

El complejo sistema eléctrico que hace funcionar el turbo de Audi (Imagen: Audi)

Bueno, no es tan fácil, en internet podemos encontrar estos kits pero la verdad es que no hacen absolutamente nada ya que estos turbos no tienen la fuerza suficiente. Por eso Audi se ha tomado la molestia de implementar el generador y la batería que comentaba anteriormente. Es un sistema tremendamente complejo por lo que no es algo que se pueda instalar en cualquier motor como sí que se podría hacer con un turbo convencional, sin entrar en lo tremendamente caro que resultaría.

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