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Puede parecer, a primera vista, que la relación entre el movimiento del pistón y la distribución del motor debe limitarse a una perfecta sincronización, mediante el calado, que asegure unos instantes de apertura y cierre de válvula determinados en función de la posición del cigüeñal y que habrán sido adecuadamente seleccionados en la etapa previa de proyecto y desarrollo. No cabe duda, con lo visto hasta el momento, de la influencia de la arquitectura del motor a la hora de diseñar la distribución. Obviando las diferencias originadas por la distinta capacidad o régimen de giro, las cotas de diámetro y carrera o tamaño válvulas pueden establecer premisas de diseño distintas para la misma cilindrada. Incluso dos motores idénticos, con la misma distribución pueden presentar un funcionamiento dispar con longitudes de biela diferentes, como se verá a continuación. Asumiendo la gran importancia de la distribución de la velocidad del pistón a lo largo del ciclo, resulta de gran interés estudiar cinemáticamente el mecanismo biela-manivela con el objeto de sacar conclusiones acerca de la influencia de un cambio de longitud sobre el movimiento del émbolo y, en consecuencia, sobre el comportamiento del motor.
En la figura se modela un mecanismo de biela-manivela mediante un eslabonamiento de cuatro barras en le que se representan las dimensiones fundamentales de cálculo. Aplicando relaciones trigonométricas sencillas se llega rápidamente a la expresión que rige el movimiento:
Derivando la posición del pistón respecto al tiempo, obtenemos la velocidad según la posición de la manivela:
Lb=
94.7 mm También
resulta atractivo utilizar las ecuaciones anteriores para evaluar el
efecto de una biela más larga o más corta. Es lo que se ha hecho a continuación,
donde para mayor claridad, se han realizados cambios relativamente grandes
en la longitud de biela para evitar la superposición de líneas en el
gráfico y facilitar la lectura. Estas dos gráficas, cuando se estudian con detalle, permiten extraer interesantes conclusiones ya que en ellas se refleja la diferencia cinemática que puede ocasionar las variaciones de comportamiento del motor para los casos que se reflejan. Realizando un examen desde un punto de vista exclusivo de la distribución del motor, para biela larga y biela corta se puede decir que: Biela larga: Conduce el pistón más lentamente desde los 90º APMS hasta los 90º DPMS. Su velocidad instantánea máxima es menor a lo largo del ciclo y ésta se produce más alejada del PMS en comparación con la biela corta. Dado que el área total bajo la curva debe permanecer constante, independientemente del tamaño de la biela, la biela larga es más rápida desde los 90º DPMS hasta 90º APMS. Como se puede apreciar en el diagrama de desplazamiento, el émbolo está siempre más alto en comparación con una biela más corta. Como consecuencia de este comportamiento, el pistón permanece más tiempo en torno al PMS y menos en torno al PMI y dado que su posición es más elevada, en la carrera de trabajo la presión en el cilindro es superior para cualquier ángulo de cigüeñal, de modo que manteniendo el AAE se pierde más trabajo de expansión que en la biela corta. Además, dado que se dispone de menos tiempo para el escape espontáneo (blowdown), también aumentan las pérdidas por bombeo al evacuar más gases a partir del PMI. Por otro lado, el movimiento más lento en las proximidades del PMS no interfiere tanto en la entrada de mezcla durante el avance en la apertura y es más improbable que presente retornos al colector de admisión. Pero es desde los 90º DPMS hasta el PMI cuando presenta las mayores ventajas para la admisión. A partir de ese punto, la mayor velocidad del pistón perjudica la inercia de la mezcla entrante y puede provocar más fácilmente retornos al colector, de modo que el RCA se hace más crítico que con una biela más corta. Biela corta: Su movimiento a lo largo del ciclo produce efectos contrarios a la biela larga y motiva que el pistón sea más rápido desde 90º APMS hasta 90º DPMS y más lento en la otra mitad. La velocidad instantánea máxima es más alta y se produce más cerca del PMS, también el émbolo está siempre más alejado del PMS para un mismo ángulo de cigüeñal, por consiguiente el volumen instantáneo del cilindro es mayor. Todo ello origina que se favorezca el bombeo en la etapa de admisión desde el PMS hasta casi alcanzado el máximo alzado, pero también es cierto que la alta velocidad del pistón antes del PMS puede acarrear inversión en el flujo durante la etapa de avance en la apertura y puede ser conveniente retrasar ligeramente el AAA. Sin embargo, como la biela más corta emplea más tiempo en torno al PMI, puede reducir el bombeo durante el RCA y por tanto da lugar a una menor tendencia a invertir el flujo entrante para un mismo RCA, o lo que es lo mismo, puede permitir distribuciones con retrasos en el cierre de admisión más tardíos que una biela más larga. Se concluye fácilmente que con menores longitudes relativas de la biela, puede resultar muy interesante retrasar el calado de admisión. En lo concerniente al escape, permite una apertura más temprana de la válvula ya que la presión / fuerza aplicada sobre el cigüeñal se produce a un menor ángulo de éste. Para un mismo AAE, se dispone de más tiempo para el blowdown pudiendo evacuar más gas de escape hasta el PMI con menos pérdidas por bombeo hasta 90º APMS a costa de mayores pérdidas a partir de este punto hasta el PMS. En vista de esto puede ser beneficioso adelantar el calado respecto a una biela más larga. En base a lo anteriormente expuesto y haciendo un análisis simplista pero muy acorde con la realidad, se puede afirmar que, con la misma distribución, el motor con la biela larga presentará cierta tendencia a entregar el par a más altas revoluciones, probablemente con una cifra de potencia superior. En cambio, el motor de biela corta, será más brillante a regímenes más moderados. Necesariamente hay que notar que son muchas las variables que intervienen en el rendimiento volumétrico, térmico y mecánico del motor, y que la longitud de biela también tiene importantes implicaciones en estos aspectos como el avance de encendido, fricción entre el pistón y cilindro, equilibrado, etc. Este análisis sólo pretende ilustrar, desde el punto de vista de la distribución, cómo influyen variables constructivas que, en general, vendrán impuestas por el diseño del motor y no serán, en general, objeto de modificación. Ramón Rey. Ingeniero de D+D. Pro #1 Performance
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