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DISEÑO DE LEVAS PARA MOTORES DE 4 TIEMPOS.

El diseño de levas como elementos encargados de transmitir al tren de válvulas la ley de distribución del motor, guarda ciertas características específicas que lo hacen distinto de otras aplicaciones industriales en que se utilizan levas o excéntricas.

Podría parecer, intuitivamente, que la mejor función de desplazamiento sería aquélla que mantuviese el máximo levantamiento de la válvula desde la apertura hasta el cierre, ofreciendo la mínima resistencia al flujo de gas y la máxima superficie de trasvase, como se aprecia en la figura 1 representando desplazamiento (H) de válvula frente a giro de cigüeñal ( q).

Sin embargo esta ley de movimiento no es sólo imposible mecánicamente debido a las enormes cargas de contacto, vibración y ruido generados sino que, además, no resulta muy efectiva ya que el movimiento del pistón se ralentiza notablemente en las proximidades de los puntos muertos y , por consiguiente, la capacidad de bombeo del mismo es muy limitada así como la luz disponible entre cabeza de pistón y válvula, en motores con válvulas en culata. En la práctica, resulta mucho más útil generar una función de desplazamiento de la válvula similar a la presentada en la figura 2 y la ventaja de aproximarlo al modelo rectangular no aporta mejoras significativas. Como consecuencia, dada la baja velocidad de apertura, es necesario iniciar ésta ampliamente antes del PMS y prolongar su cierre hasta bien entrada la carrera de compresión.

Con este modelo de desplazamiento, generalizado en aplicaciones motorísticas, el coeficiente de flujo promedio Ci de la válvula aumenta muy poco a partir de levantamientos de válvula que excedan la cuarta parte de su diámetro. Sin embargo, como se ha visto en este estudio, puede resultar interesante superar esta frontera, especialmente en los motores más rápidos, por la ventaja que ofrece una mayor superficie de paso al gas durante las etapas de ascenso y descenso sin sacrificar las funciones de velocidad y aceleración de la leva para una duración dada. Así es corriente encontrar alzados del orden de un tercio del diámetro de válvula (Alz/D =1/3) e incluso más para motores de competición.

En el caso de la válvula de escape, resulta evidente lo beneficioso de una apertura rápida muy cerca del PMI que permita minimizar el ángulo de cigüeñal ocupado por el denominado blowdown, o período en que los gases de escape, a alta presión en el interior del cilindro, igualan la presión del sistema de escape. A partir de este punto, el alzado de la válvula podría reducirse progresivamente hasta el cierre de forma que su función desplazamiento quedase como se presenta en la figura 3.

De nuevo, las limitaciones mecánicas impiden el desarrollo de un diagrama de tales características y es preciso dotar a la válvula de aperturas y cierres suaves que hacen necesario que ésta empiece a abrirse notablemente antes del PMI.

Estas limitaciones en el diseño en cuanto a los momentos de apertura y cierre, traen consigo importantes consecuencias:

Avance en la apertura de admisión: Como se ha visto, es una consecuencia directa de la ley de desplazamiento de la válvula y dado que el tiempo durante el cual se completa la fase apertura es relativamente largo para mantener un movimiento regular, es preciso comenzar el levantamiento en un punto de la carrera de escape que permita obtener un valor de alzado óptimo para ángulos de cigüeñal en que el bombeo del pistón es máximo, es decir, donde la velocidad instantánea de éste se hace máxima. Este avance es más acusado cuanto más rápido es el motor, pero tiene un límite impuesto por la inversión del flujo de admisión si en el momento de apertura la presión es menor que la del escape (ver figura 4). Aquí ya se hace evidente la interdependencia de ambas fases (admisión y escape) para conseguir un resultado óptimo.

En el caso del motor Honda CBR 600, la máxima velocidad instantánea del pistón se produce a 77º DPMS y mantiene valores superiores al 95% de su valor en la franja entre los 61º DPMS y los 95º DPMS. Consultando la función de desplazamiento de la distribución original para estos puntos, se puede comprobar que el levantamiento de la válvula es de 6.8, 7.55 y 8 mm respectivamente, o lo que es lo mismo, el valor de Alz/D es cuando menos de 0.267, asegurando un óptimo coeficiente de flujo en la región de máximo bombeo del pistón. Con esto, en el PMS se comprueba un levantamiento de la válvula de 1.9mm - un 23.7% del total - y un 2.62% de área de distribución liberada respecto a la total de admisión.

Retraso en el cierre de admisión: Se produce por el mismo motivo que el avance pero en este caso aporta una ventaja añadida a la entrada de mezcla. Durante la carrera de admisión, el pistón acelera una columna de mezcla fresca desde el reposo hasta velocidades de 300m/seg para luego volver a frenarla en sólo unas milésimas de segundo, el fluido adquiere una velocidad elevada en el conducto y , por tanto, una carga cinética importante que es posible aprovechar para continuar el llenado más allá del PMS, cuando la carrera de compresión ya ha comenzado y el pistón ha invertido la dirección de su movimiento. Al igual que el caso del AAA, los motores más rápidos podrán aprovecharse en mayor medida de esta energía cinética y el retraso podrá ser mayor.

Como es lógico, las dimensiones del conducto de admisión también tienen una gran importancia en este efecto. Por una parte, exclusivamente desde el punto de vista inercial de la columna de mezcla entrante y por otro lado por su influencia para conseguir que los pulsos debidos a la sucesión de aspiraciones estén en fase con el movimiento de la válvula y potencien el llenado durante el cierre. Haciendo coincidir el punto de cierre de la válvula con un máximo de presión en la entrada del cilindro, se logrará un llenado más completo, un rendimiento volumétrico más alto. Se trata, ni más ni menos que del aprovechamiento del efecto o golpe de ariete que proporciona al motor una cierta sobrealimentación natural.

De este retraso se deriva el concepto de relación de compresión dinámica cuyo valor es diferente y siempre inferior a la geométrica dado que el comienzo de la carrera efectiva de compresión no se produce hasta que la válvula está completamente cerrada y por tanto el volumen del cilindro limitado por el pistón es menor que la capacidad del motor. El valor de la compresión dinámica se da , generalmente, con un levantamiento de válvula de 0.2mm

El motor Honda CBR 600 tiene un retraso en el cierre de 61º (a 0.2mm de levantamiento, 37º a 1mm) y proporciona una compresión dinámica de 9,68:1. Considerando el sector que el cigüeñal recorre a partir el PMI hasta el momento de cierre de la válvula, el área de la superficie del diagrama de distribución representa una cuarta parte (25.52%) de la superficie total de admisión.

Avance en la apertura de escape: Dado que el comienzo de esta fase no es posible realizarlo instantáneamente, como sería deseable, es necesario dotar a la distribución de un adelanto adecuado respecto al PMI para que al comienzo de la carrera de escape la presión en el cilindro tenga un valor próximo a la del sistema de escape. Este proceso ocurre de un modo muy violento y hace que una gran parte de la expulsión de los gases se produzca durante este etapa y el pistón no realice demasiado trabajo durante la carrera de escape.

La clave del momento de apertura del escape radica en que el trabajo que se pierde en expansión del motor quede compensado por el ahorro en trabajo de bombeo del pistón. Esta circunstancia se ve beneficiada por el hecho de que en las proximidades del PMI, el pistón y en consecuencia la fuerza sobre él, tienen un momento de giro muy reducido debido a que el brazo de palanca es muy pequeño.

Suele ser relativamente corriente calar la distribución de modo que el avance en la de apertura de escape sea simétrico, respecto al PMI , al retraso en el cierre de admisión. El motor Honda CBR 600 sitúa este avance exactamente en 61º (a 0.2mm de levantamiento, 32º a 1mm), alcanza un levantamiento de válvula en el PMI de 3.5mm, - el 49% del alzado total - y un 9.29% del área de la superficie del diagrama de escape.

Retraso en el cierre de escape: Tiene en cuenta, como en la admisión, la necesaria gradualidad durante el cierre de la válvula y el aprovechamiento de la inercia del gas. Constituye, junto con el avance en la apertura de la admisión, el período conocido como cruce de válvulas, solape o traslapo en que las válvulas de admisión y escape están abiertas simultáneamente.

El retraso en el cierre del escape resulta muy beneficioso para completar el barrido de los gases de escape y reducir la contaminación de la mezcla fresca entrante. Dado que durante el cruce las áreas de paso entre válvulas y sus asientos son muy reducidas por el recién comenzado levantamiento de la válvula de admisión y el inminente cierre de la de escape, a velocidad de los gases en esta parte es alta y tiende, por su propia inercia, a mantener la dirección del movimiento de modo que se puede decir que el proceso escape bombea mezcla fresca incluso antes que el propio pistón. Por la misma razón, también reduce de manera drástica la tendencia a que se produzca inversión del flujo de admisión debido a su avance de apertura.

En esta fase del escape también tiene especial relevancia el efecto que puedan producir las ondas de presión a la salida de la válvula. Durante la fase de escape violento que se produce antes del PMI, se genera una onda de alta presión que se desplaza por el conducto y que una vez que encuentra una singularidad, bien la salida a la atmósfera, un cambio brusco de sección o la unión a otro tubo, se refleja como una onda negativa que convenientemente sintonizada con el retraso del escape y avance de admisión, puede aumentar considerablemente el rendimiento volumétrico al potenciar el barrido en el cilindro.

El motor Honda CBR 600 presenta un retraso en el cierre de escape de 41º ( a 0.2mm, 12º a 1mm de alzado). El alzado en el PMS es de 1.8 mm ( 25% del máximo ) y en esta región comprendida desde el PMS el área restante del diagrama de distribución de escape es del 9.3%.

En cuanto a los valores de cruce, este motor cuenta con un coeficiente sobre el área total de distribución de un 2.8%, aportado en un 1.5% por el avance de apertura de admisión y 1.3% por el retraso de cierre de escape.

Resulta extremadamente difícil establecer mediante cálculo cuáles son los valores óptimos de los ángulos de adelanto y retraso para un motor dado ya que dependen de multitud de factores incluso constructivos del propio motor pero consideraciones teóricas así como el análisis de configuraciones conocidas pueden establecer, en la etapa de proyecto, valores cercanos a los obtenidos mediante experimentación, evidentemente bajo un coste muy superior.

Queda, por tanto, evidenciada la gran importancia y la complejidad de diseñar correctamente el diagrama de distribución de un motor y lo crítico que es su adecuación al diseño del mismo. Es corriente establecer un diseño de los diagramas S-V-A-J de la válvula mediante cálculo sin consideraciones estrictas sobre el calado, para después conseguir los puntos óptimos de distribución corrigiendo mediante experimentación en el banco.

DIFERENCIAS ENTRE EL DIAGRAMA TEÓRICO Y EL EFECTIVO.

En todo momento, cuando se habla de diagrama de distribución, se trata del teórico, aquél definido por el diseño de la leva que acciona la válvula correspondiente, considerando la cadena cinemática entre ambas indeformable y sin holguras. En la práctica , entre la regulación teórica y la efectiva siempre existen diferencias debidas a la elasticidad de los órganos que componen el mecanismo, a los juegos existentes entre ellos y a las dilataciones debidas a las temperaturas alcanzadas durante el funcionamiento.

El movimiento vibratorio de la cadena de unión leva-válvula puede provocar perturbaciones de notable magnitud, la más común de las cuales consiste en ruido, con máximos claramente diferenciables, que se produce especialmente a un elevado número de revoluciones. En los casos más graves, coincidiendo con estos máximos, se pueden tener fenómenos de inestabilidad de la potencia y , también, prolongando el funcionamiento en estas condiciones, rotura de válvulas, resortes, etc.

Con frecuencia se ha intentado poner remedio a estos fenómenos por medios totalmente empíricos, bien reforzando los órganos mecánicos o limitando las velocidades de cierre y aceleraciones de las válvulas incluso a pesar del rendimiento volumétrico.

Se ha comprobado experimentalmente que las variaciones en la ley impuesta por función de aceleración de la leva a al cadena cinemática de mando, y por la elasticidad de ésta, el movimiento real de la válvula puede presentar notables diferencias con el inicialmente previsto, en forma de oscilaciones transitorias superpuestas a él. Este fenómeno queda significativamente ilustrado por los diagramas de la figura 4 obtenidos experimentalmente y que, comparados con los teóricos, que no tienen en cuenta el movimiento vibratorio, ponen en evidencia la superposición de un movimiento oscilatorio sobre el fundamental impuesto por la leva.

Es especialmente delicado el tramo de aceleraciones negativas, en cuanto ellas pueden dar lugar a puntas de aceleración tan altas que originen fuerzas superiores a la carga del resorte y provoque la interrupción de la cadena cinemática. El tramo de aceleraciones positivas, aumentando el valor de la fuerza que actúa en el sentido de cerrar la cadena cinemática, no influencia la regularidad del movimiento de la válvula.

También son importantes las oscilaciones durante el cierre de la válvula ya que pueden verificarse velocidades de impacto de la válvula contra el asiento mucho más elevadas que las calculadas para el sistema y originar choques tan violentos como para provocar el rebote de la válvula.

Es necesario evitar que el movimiento vibratorio de la cadena cinemática de la distribución se manifieste en un motor de manera no aceptable. Si bien la amplitud y frecuencia es función de las masas y de las rigideces del sistema, no suele ser posible influir apreciablemente en estas magnitudes de modo que se obtienen resultados más ventajosos escogiendo adecuadamente la forma del perfil de la leva, incluso sin sacrificar el rendimiento volumétrico del motor.

Estudios experimentales en este campo han demostrado que estas variaciones pueden llegar a ser de hasta 6 u 8º respecto al cigüeñal en cuanto a la amplitud del diagrama de desplazamiento en los sistemas menos rígidos, generalmente con el árbol de levas muy alejado de movimiento final de la válvula.

Lógicamente si se acorta la cadena cinemática del tren de válvulas, la precisión aumenta notablemente. Éste es el caso del motor Honda CBR 600 con dos árboles de levas en cabeza que actúan directamente sobre los cubiletes en los que se alojan las pastillas de regulación de holgura de válvula. La deformación es, de esta forma, despreciable y sólo la elasticidad de la cadena de distribución y su tensor podrían aportar un desfase respecto a lo proyectado. El mismo fabricante equipa, en otros motores de la marca, accionamiento de la distribución mediante cadena de engranajes, mucho más cara de fabricar pero más precisa que la cadena tradicional.

En el otro extremo están aquéllos motores en que el árbol de levas está situado en el cárter y el accionamiento de las válvulas de realiza mediante varillas que mueven los balancines que finalmente abren la válvula. Esta configuración es típica de motores lentos ya que produce las mayores imprecisiones y dada la longitud de su cadena cinemática, la frecuencia natural del sistema se reduce drásticamente por lo que no es apropiado para motores que giran a alto régimen.

Se ha demostrado que, en el campo de regímenes de importancia práctica, el complejo sistema de la cadena cinemática de distribución puede , con suficiente rigor, modelarse según un sistema de un grado de libertad cuya frecuencia propia corresponde a la primera frecuencia propia del mecanismo real, siendo ésta la única que efectivamente puede provocar las perturbaciones antes señaladas de modo que tomando esta frecuencia como base de cálculo del sistema, se procede a la elección del perfil que mejor satisfaga los requisitos fundamentales
de prestaciones requeridos por el motor, asegurando al mismo tiempo un comportamiento de la distribución exento de problemas en todo el rango de regímenes de funcionamiento.

Ramón Rey. Ingeniero de D+D . Pro #1 Performance