Mecánica Avanzada de Motores: Termodinámica Aplicada y Sistemas de Distribución Variable

Cálculos y Parámetros Fundamentales de Motores Térmicos

A continuación, se presentan una serie de fórmulas clave utilizadas en el estudio de motores de combustión interna. Se recomienda prestar atención a las unidades de cada variable para la correcta aplicación de estas ecuaciones.

Definiciones y Relaciones Volumétricas

• Cilindrada unitaria (Cu): Cu = Ct / nº de cil. (Ct: Cilindrada total; nº de cil.: número de cilindros)
• Relación de compresión (Rc): Rc = V1 / V2 (V1: Volumen al inicio de la compresión; V2: Volumen al final de la compresión)
• Relación entre volúmenes: V1 = V2 + Cu
• Temperatura inicial (T1): T1 = 25°C + 273K = 298K
• Presión inicial (P1): P1 = 1 (unidad no especificada, usualmente atm o bar)

Procesos Termodinámicos (considerando γ = 1,4 para el aire)

• Compresión adiabática:
  • T2 * V2(1,4-1) = T1 * V1(1,4-1) => T2 = T1 * (V1/V2)(1,4-1)
  • P2 * V21,4 = P1 * V11,4 => P2 = P1 * (V1/V2)1,4
• Aporte de calor (Q1):
  • Q1 = (Cu * ηv * ρa * 10-6 / y) * H (ηv: rendimiento volumétrico; ρa: densidad del aire; y: dosado relativo; H: poder calorífico)
• Combustión y expansión:
  • P3 = P2 + (Q1 * (1,4-1) * 100 * 427 / V2)
  • T3 = T2 * (P3/P2)
  • T4 = T3 * (V3/V4)(1,4-1) (Asumiendo V3=V2)
  • P4 = P3 * (V3/V4)1,4 (Asumiendo V3=V2)
  • V4 = V1 (Volumen al final de la expansión)

Potencia (N) y Rendimientos

• Potencia indicada (Nid): Nid = (Q1 * 427 * n * nº de cil.) / (75 * 60 * 2) (n en rpm; para motor 4T)
• Rendimiento térmico teórico (ηt): ηt = 1 - (1 / Rc(1,4-1)) (Originalmente nt)
• Potencia teórica (Nt): Nt = Nid * ηt
• Potencia indicada (Nind): Nind = Nt * ηd (ηd: rendimiento del diagrama o indicado, originalmente nd)
• Potencia al freno/efectiva (Nf): Nf = Nind * ηm (ηm: rendimiento mecánico, originalmente nm)
• Relación de rendimientos: ηm = ηe / (ηd * ηt)
• Rendimiento efectivo global (ηe): ηe = (1000 * 3600 * 75) / (q * H * 427) (q: consumo específico)
• Confirmación de rendimiento efectivo: ηe = ηd * ηt * ηm

Par Motor (M)

• M = (Nf * 60 * 75) / (2 * π * n) (Nf en CV, n en rpm, M en kg·m)

Presiones Medias

• Presión media indicada (Pmind): Pmind = (Q1 * 427 * ηt * ηd * 100) / Cu
• Presión media efectiva (Pmef): Pmef = Pmind * ηm

Optimización del Rendimiento Motor: Sistemas de Distribución Variable

Principios de la Distribución Variable

Los sistemas de distribución variable modifican las cotas de admisión (y/o escape) para optimizar el llenado y vaciado de los cilindros en diferentes regímenes de funcionamiento del motor, mejorando así el rendimiento, el consumo y las emisiones.

Tecnología Variocam

El sistema Variocam está diseñado para variar la fase del árbol de levas de admisión. La introducción de un patín desplazable implica que el único elemento con libertad para desplazarse es el árbol de levas de admisión. Para mover el patín se utiliza un actuador hidráulico.

Etapas de funcionamiento del Variocam:

• Hasta 1500 rpm: El actuador hidráulico está en reposo. Al no haber cruce de válvulas, se consigue un ralentí muy estable y se reducen las emisiones de hidrocarburos (HC).
• Entre 1500 y 5500 rpm: El árbol de levas de admisión se desfasa 7,5º. A partir de este punto, hay cruce de válvulas con un desfase de 9º, lo que mejora el rendimiento volumétrico.
• Más de 5500 rpm: El actuador hidráulico vuelve a su posición de reposo. A estas revoluciones, los gases de escape tienen mucha inercia, por lo que no es necesario mantener el cruce de válvulas para un barrido eficaz.

Tecnología VTEC de Honda

El sistema VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) de Honda utiliza tres levas por cilindro (para las válvulas de admisión o admisión y escape, según la versión): dos levas con un perfil normal para bajas revoluciones y una leva con un perfil más agresivo (mayor alzada y duración) para altas revoluciones.

A bajas revoluciones, los tres balancines asociados a estas levas actúan de forma independiente, utilizando las levas de perfil suave. A altas revoluciones, un pasador accionado hidráulicamente conecta los tres balancines, forzándolos a seguir el perfil de la leva central de mayor alzada. Esto permite un mayor flujo de aire hacia los cilindros, optimizando la potencia a altas RPM.

Diferencia clave con Variocam: Mientras que Variocam varía la fase (el momento de apertura y cierre) del árbol de levas de admisión, VTEC cambia el perfil de leva utilizado (alzada y duración de la apertura de válvulas) en función de las revoluciones.

Tecnología VTEC-E (Economy)

El sistema VTEC-E está enfocado en la economía de combustible. Su funcionamiento principal consiste en activar solo una de las dos válvulas de admisión por cilindro a bajas revoluciones y cargas ligeras o medias, especialmente cuando se requiere una buena entrega de par (por ejemplo, a bajas revoluciones y con el acelerador presionado considerablemente). La válvula que aparentemente no abre, en realidad, se abre mínimamente (aproximadamente 0,65 mm) para evitar la acumulación de combustible tras ella. Este sistema consta de dos levas y dos balancines por cada par de válvulas de admisión. A partir de unas 2500 rpm, o bajo mayor demanda de carga, ambas válvulas funcionan normalmente.

Tecnología i-VTEC (intelligent-VTEC)

El sistema i-VTEC combina la tecnología VTEC (cambio de perfiles de leva) con un variador de fase continuo en el árbol de levas de admisión (similar al VTC - Variable Timing Control). A diferencia de un VTEC convencional, donde el cambio de perfil de leva ocurre a un régimen fijo, el i-VTEC permite, gracias al variador de fase (descrito en el texto original como "celular"), variar continuamente el calado del árbol de levas respecto al cigüeñal. Este desfase se ajusta dinámicamente en función de múltiples parámetros, tales como:

• Revoluciones del motor
• Carga del motor
• Posición del acelerador
• Temperatura del motor

Distribución Variable en Motores Diesel (Ej: 2.0 TDI)

Algunos motores diésel modernos, como ciertas versiones de los motores 2.0 TDI, también incorporan variadores de fase. Estos pueden actuar sobre el árbol de levas de escape para optimizar el cruce de válvulas y mejorar la recirculación interna de gases de escape (EGR) o la respuesta del turbocompresor. El sistema descrito en el texto original menciona un variador de fase controlado por un acumulador de presión de émbolo, el cual es gestionado a su vez por una electroválvula.