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LOS FENÓMENOS DE RESONANCIA Y SINTONÍA EN COLECTORES
Con este artículo se pretende, de un modo sencillo, aclarar qué es y en qué consisten los fenómenos de resonancia en colector (de amplia aplicación en muchos campos de la técnica) y que, salvo para unos pocos, constituyen un misterio oscuro difícil de comprender.
Durante el funcionamiento del motor, en el interior de los conductos de admisión y escape se producen fenómenos pulsatorios derivados del carácter cíclico de las fases de admisión y escape. Estas pulsaciones generan ondas de presión que viajan a lo largo del conducto y se reflejan en los extremos del mismo regresando al lugar de origen en forma de ondas de depresión o viceversa.
Dada naturaleza ondulatoria de estas oscilaciones, presentan máximos y mínimos de amplitud donde la perturbación se hace más fuerte o más débil. Sincronizando, o más correctamente sintonizando, estos máximos con los momentos de apertura o cierre de las válvulas se pueden lograr importantes incrementos del rendimiento volumétrico del motor al proporcionar a éste cierta sobrealimentación natural, que bien puede suponer, en ocasiones, hasta más de 0.3 bar.
Todo esto es mucho más evidente en los motores de 2 tiempo, carentes de válvulas que controlen los flujos, y en donde son las ondas de presión y depresión las que se encargan de “abrir” o “cerrar” el paso de la corriente de gas, después de ser convenientemente moduladas en el cono, panza y contracono del escape.
Imagínese la ventaja que puede suponer tener una sobrepresión de esta magnitud “empujando” en el momento de abrir la válvula de admisión. Valga la analogía de crear una ola en una bañera con una compuerta grande en uno de los extremos y abrir ésta cuando la cresta de la ola está a punto de chocar contra ella: ¡sin duda se vaciará una gran cantidad de agua en muy poco tiempo!.
Es importante notar que las ventajas que proporciona sintonizar la distribución con las ondas de presión generadas tanto en admisión como en escape sólo son aprovechables en un estrecho régimen de giro del motor dado que la variación de la velocidad del sonido en cada parte es despreciable en comparación con la de régimen de giro para un motor convencional y sólo depende de la temperatura y del medio por donde viaja. Sin embargo resulta de máxima utilidad en el diseño de distribuciones para motores que funcionan en régimen estacionario (cogeneración, grupos electrógenos) o en un margen muy estrecho de revoluciones (motores de competición).
En el siguiente gráfico se muestra la evolución de presiones en admisión, escape y cilindro en un motor en el que el diseño de válvulas, colectores y distribución es adecuado.
Observando con atención el gráfico se puede apreciar lo acertado de los puntos de adelanto y retraso de la distribución para este régimen concreto.
La apertura de escape (EO) permite que la presión en el cilindro se haya reducido hasta unos 3 bares en el PMI lo cual reduce enormemente le trabajo de bombeo que debe realizar el pistón en la carrera ascendente. Antes de que se cierre el escape, comienza la apertura de admisión (IO) dando comienzo al cruce de válvulas. En este sector se puede apreciar como la presión de admisión supera la de escape, estableciendo una corriente favorable al barrido del cilindro, expulsando gases y facilitando la entrada de mezcla fresca. Esta circunstancia ha de aprovecharse hasta que la onda de escape reflejada produzca a la salida del cilindro una presión mayor que la de entrada de la corriente de admisión lo cual perjudicaría enormemente el rendimiento volumétrico. Antes de este momento es necesario aislar la admisión del escape cerrando éste (EC) mientras la admisión continúa llenando el cilindro hasta bien entrada la carrera de compresión, aprovechando la alta presión (hasta 1.5 bar) generada por los pulsos en el colector: es el momento de cerrar la admisión (IC) y permitir la compresión de la mezcla en un nuevo ciclo.
Sin embargo dado que, como ya se ha explicado, esta sintonía entre presiones y distribución sólo es posible en un estrecho margen de velocidad del motor, si ésta aumenta o disminuye apreciablemente, este efecto dejará de ser tan beneficioso o incluso puede ser perjudicial para el rendimiento volumétrico. A continuación se muestra la evolución de presiones para el mismo motor girando 3000 rpm por debajo del régimen anterior (7500 rpm):
Dado que, tal y como se ha apuntado anteriormente, la velocidad del sonido no varía notablemente con la velocidad del motor, este descenso de revoluciones hace que los momentos de distribución “lleguen tarde” a su cita con las ondas. Esta circunstancia provoca que, durante el cruce de válvulas, el gradiente de presión entre admisión y escape sea muy pequeño y que, apenas superado el PMS, la presión en el escape ya supere claramente la correspondiente al cilindro y colector de admisión. Probablemente se producirá retorno de mezcla a la admisión o, con toda seguridad, se detendrá la corriente entrante durante este período. La situación antes del cierre de la válvula de admisión es similar: se queda muy retrasada respecto al pulso de presión y en ese momento la presión en el colector es apenas la atmosférica de modo que si la energía cinética de la mezcla no compensa este efecto negativo, tendremos inversión de flujo y, de nuevo, retornos de mezcla.
Aprovechando los gráficos anteriores también es posible obtener una lectura común positiva : si bien la distribución ensayada no es la más apropiada para regímenes moderados, sí es cierto que el diseño de válvulas y colectores es muy adecuado y brillante mostrando muy poca restricción a los flujos del motor. En el escape, una vez abierta la válvula, en seguida se igualan las presiones de cilindro y colector y lo mismo ocurre durante la fase de admisión con ambos diagramas prácticamente superpuestos.
LOS FENÓMENOS DE RESONANCIA Y SINTONÍA EN COLECTORES
Con este artículo se pretende, de un modo sencillo, aclarar qué es y en qué consisten los fenómenos de resonancia en colector (de amplia aplicación en muchos campos de la técnica) y que, salvo para unos pocos, constituyen un misterio oscuro difícil de comprender.
Durante el funcionamiento del motor, en el interior de los conductos de admisión y escape se producen fenómenos pulsatorios derivados del carácter cíclico de las fases de admisión y escape. Estas pulsaciones generan ondas de presión que viajan a lo largo del conducto y se reflejan en los extremos del mismo regresando al lugar de origen en forma de ondas de depresión o viceversa.
Dada naturaleza ondulatoria de estas oscilaciones, presentan máximos y mínimos de amplitud donde la perturbación se hace más fuerte o más débil. Sincronizando, o más correctamente sintonizando, estos máximos con los momentos de apertura o cierre de las válvulas se pueden lograr importantes incrementos del rendimiento volumétrico del motor al proporcionar a éste cierta sobrealimentación natural, que bien puede suponer, en ocasiones, hasta más de 0.3 bar.
Todo esto es mucho más evidente en los motores de 2 tiempo, carentes de válvulas que controlen los flujos, y en donde son las ondas de presión y depresión las que se encargan de “abrir” o “cerrar” el paso de la corriente de gas, después de ser convenientemente moduladas en el cono, panza y contracono del escape.
Imagínese la ventaja que puede suponer tener una sobrepresión de esta magnitud “empujando” en el momento de abrir la válvula de admisión. Valga la analogía de crear una ola en una bañera con una compuerta grande en uno de los extremos y abrir ésta cuando la cresta de la ola está a punto de chocar contra ella: ¡sin duda se vaciará una gran cantidad de agua en muy poco tiempo!.
Es importante notar que las ventajas que proporciona sintonizar la distribución con las ondas de presión generadas tanto en admisión como en escape sólo son aprovechables en un estrecho régimen de giro del motor dado que la variación de la velocidad del sonido en cada parte es despreciable en comparación con la de régimen de giro para un motor convencional y sólo depende de la temperatura y del medio por donde viaja. Sin embargo resulta de máxima utilidad en el diseño de distribuciones para motores que funcionan en régimen estacionario (cogeneración, grupos electrógenos) o en un margen muy estrecho de revoluciones (motores de competición).
En el siguiente gráfico se muestra la evolución de presiones en admisión, escape y cilindro en un motor en el que el diseño de válvulas, colectores y distribución es adecuado.
Observando con atención el gráfico se puede apreciar lo acertado de los puntos de adelanto y retraso de la distribución para este régimen concreto.
La apertura de escape (EO) permite que la presión en el cilindro se haya reducido hasta unos 3 bares en el PMI lo cual reduce enormemente le trabajo de bombeo que debe realizar el pistón en la carrera ascendente. Antes de que se cierre el escape, comienza la apertura de admisión (IO) dando comienzo al cruce de válvulas. En este sector se puede apreciar como la presión de admisión supera la de escape, estableciendo una corriente favorable al barrido del cilindro, expulsando gases y facilitando la entrada de mezcla fresca. Esta circunstancia ha de aprovecharse hasta que la onda de escape reflejada produzca a la salida del cilindro una presión mayor que la de entrada de la corriente de admisión lo cual perjudicaría enormemente el rendimiento volumétrico. Antes de este momento es necesario aislar la admisión del escape cerrando éste (EC) mientras la admisión continúa llenando el cilindro hasta bien entrada la carrera de compresión, aprovechando la alta presión (hasta 1.5 bar) generada por los pulsos en el colector: es el momento de cerrar la admisión (IC) y permitir la compresión de la mezcla en un nuevo ciclo.
Sin embargo dado que, como ya se ha explicado, esta sintonía entre presiones y distribución sólo es posible en un estrecho margen de velocidad del motor, si ésta aumenta o disminuye apreciablemente, este efecto dejará de ser tan beneficioso o incluso puede ser perjudicial para el rendimiento volumétrico. A continuación se muestra la evolución de presiones para el mismo motor girando 3000 rpm por debajo del régimen anterior (7500 rpm):
Dado que, tal y como se ha apuntado anteriormente, la velocidad del sonido no varía notablemente con la velocidad del motor, este descenso de revoluciones hace que los momentos de distribución “lleguen tarde” a su cita con las ondas. Esta circunstancia provoca que, durante el cruce de válvulas, el gradiente de presión entre admisión y escape sea muy pequeño y que, apenas superado el PMS, la presión en el escape ya supere claramente la correspondiente al cilindro y colector de admisión. Probablemente se producirá retorno de mezcla a la admisión o, con toda seguridad, se detendrá la corriente entrante durante este período. La situación antes del cierre de la válvula de admisión es similar: se queda muy retrasada respecto al pulso de presión y en ese momento la presión en el colector es apenas la atmosférica de modo que si la energía cinética de la mezcla no compensa este efecto negativo, tendremos inversión de flujo y, de nuevo, retornos de mezcla.
Aprovechando los gráficos anteriores también es posible obtener una lectura común positiva : si bien la distribución ensayada no es la más apropiada para regímenes moderados, sí es cierto que el diseño de válvulas y colectores es muy adecuado y brillante mostrando muy poca restricción a los flujos del motor. En el escape, una vez abierta la válvula, en seguida se igualan las presiones de cilindro y colector y lo mismo ocurre durante la fase de admisión con ambos diagramas prácticamente superpuestos.
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