Teoría sobre los Árboles de levas

[TaLiBaN]

Los árboles de levas, como sabréis, son los encargados de la apertura de las válvulas (y no de su cierre, que se cierran por muelles, salvo en las distribuciones desmodrómicas tan características de Ducati). Para ilustrar un poco el post y que esto no sea sólo texto, vamos con una pequeña imagen que nos muestre el ciclo de funcionamiento de un motor de 4 tiempos y nos permita ver sobre la marcha a lo que nos referimos:



Bien, como ya he comentado alguna vez, vemos en la primera fase que se abre la válvula de admisión cuando el cilindro está exactamente en el punto más alto de su carrera (punto muerto superior, a partir de ahora PMS), desciende mientras dicha válvula está abierta, cuando llega al punto más bajo de su carrera (punto muerto inferior, a partir de ahora PMI) se cierra la válvula de admisión, el pistón vuelve a subir comprimiento la mezcla de aire+combustible, suber hasta llegar de nuevo al PMS y justo estalla la mezcla por el encendido de la bujía, baja de nuevo y cuando justo llega al PMI se abre la válvula de escape, el pistón sube y barre todos los gases vertiéndolos al colector de escape. Muy bonito, ¿Verdad? Pues todo eso es mentira .

Que nadie se alarme, vamos con la explicación. Eso son los ciclos teóricos del motor de ciclo Otto (gasolina) de 4 tiempos. Y recalco que son teóricos porque en la práctica hoy en día eso ya no se da así en ningún motor. ¿Por qué motivo? Por el siguiente...

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#1 - Admisión: El aire no entra mágicamente al cilindro al abrirse la válvula de admisión, sino que entra porque el pistón (hablando siempre de motores atmosféricos, como es nuestro caso) succiona en su bajada el aire contenido en el colector de admisión hasta llenar el cilindro. ¿Qué problema tenemos? Que el aire, aunque no lo parezca, tiene una masa y por tanto una inercia, por lo que desde que se abre la válvula de admisión y el pistón comienza a succionar de manera eficiente transcurren unos instantes en los que el aire no se mueve, digamos que "no entra", sino que empieza a ser succionado, va cogiendo velocidad por el conducto de la válvula de admisión y va entrando. Estos instantes en los que el aire no se mueve o digamos que "le cuesta" empezar a moverse tienen como resultado que cuando se cierra la válvula de admisión no ha entrado todo el aire que cabe dentro del cilindro porque no le ha dado tiempo: en el tiempo que ha tardado en acelerarse y pasar desde el colector de admisión al interior del cilindro la válvula de admisión ha estado abierta y no ha conseguido que apenes entre aire. ¿Qué podemos hacer entonces? Aunque suene confuso es simple: abrir antes la válvula de admisión. De esta manera conseguimos que cuando el pistón esté en el punto muerto superior y comience a descender y, digamos, a succionar de verdad, el aire ya se encuentre "acelerado" y entre a toda hostia para llenar el cilindro todo lo posible. Y muchos diréis, "pero si el pistón todavía está subiendo, ¿No empujará el aire en dirección contraria, resistiéndole a entrar? Sí y no, y para esto hay que aplicar el coco en entenderlo. Hemos dicho que el aire adquiere una inercia proporcional a su velocidad y masa, por lo que cuando el motor está acelerando, todo el aire contenido en el colector de admisión lleva inercia y digamos que "empuja" al aire que tiene por delante a entrar al cilindro. Esto depende de un factor básico: cuánto antes se abre la válvula de admisión. Imaginad que la válvula de admisión se abriese cuando el pistón está a mitad de carrera ascendente. ¿Qué pasa? Que frenará mucho el aire que está entrando porque está mucho tiempo abierta, ¿Verdad? Correcto, pero... ¿Y si el aire estuviese entrando tan sumamente rápido que a pesar que la válvula de admisión se abra "tan pronto" fuese capaz de conseguir mantener una buena inercia como para hacer un llenado del cilindro muy bueno? Correcto, si tenemos un motor que gira, por ejemplo, a 15.000 rpm (véase una moto de 600cc), este supuesto es correcto. Y no sólo correcto, sino que perfectamente factible que haya algún motor que funcione así, si bien es cierto que el ejemplo que acabo de poner es bastante exagerado. Pues bien, este concepto se conoce como Avance de la Apertura de la Admisión, o AAA para los amigos.

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Igualmente existe otro método (siempre utilizado en conjunción con el anterior en todos y cada uno de los motores gasolina que podamos conocer) para intentar que entre más aire al interior del cilindro, y es el siguiente. ¿Qué pasa cuando se cierra la válvula de admisión? Tenemos un aire entrando con gran inercia y cerramos la válvula... ¿Podríamos intentar cerrarla un poco más tarde que cuando el pistón ha llegado al PMI, cuando está empezando a subir? No sólo podemos sino que lo hacemos, porque aprovechamos que el aire ha adquirido una inercia tal que, aún cuando el pistón deja de bajar y succionar, sigue entrando "por su propio peso", por su propia inercia (valga la redundancia). De esta manera, retrasamos el cierre de la válvula de admisión hasta el punto en el que se iguala la inercia del aire y su tendencia a entrar en el cilindro (su fuerza para entrar, digamos) con la contrapresión o compresión que empieza a ejercer el pistón pasar el PMI y al comenzar de nuevo a subir. Este concepto se conoce como Retraso de Cierre de la Admisión o RCA para los friends.


Vale, todo esto está muy bien, pero ¿Qué hay de la válvula de escape? NRGz, ¿Hay magia ahí también? Sí, claro, magia de la buena, pero no la he descubierto yo. E igualmente entre medias, existe una fase clave: la explosión, ignición o como se le quiera llamar. ¿Y tiene magia también, abuelo NRGz? Por supuesto, así que...al lío.

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#2 - Explosión: Nos encontramos con un cilindro bien llenito hasta las trancas de aire+gasolina, mezcla que haremos detonar mediante la excitación eléctrica de un arco eléctrico entre los electrodos de una bujía. Igual que antes, donde el aire no entra instantáneamente en el cilindro sino que requiere de unos milésimos tiempos para acelerarse, la explosión no es instantánea. Una explosión, aquí, en un petardo y en una bomba atómica no es más que una propagación de gases a alta velocidad. ¿Qué significa esto? Que, si bien toma muy poco tiempo que la llama haga incendiar y detonar toda la gasolina que hay contenida en el cilindro, sí que lleva un tiempo. En el momento en el que se crea el arco voltaico entre los electrodos de la bujía (AKA "salta la chispa") se produce un frente de llama que se inicia en los electrodos y que avanza de forma radial por toda la mezcla hasta, digamos, incendiarla por completo. Cuando los gases no se pueden propagar más (es decir, no pueden ocupar más espacio dentro del cilindro), empujan contra las paredes del cilindro, cámara de combustión y cabeza del pistón, transmitiendo esa energía de empuje hacia el único elemento móvil ahí adentro: la cabeza del pistón. Esto es lo que le obliga a bajar, y de esa fuerza de empuje depende el par motor que va a desarrollar ese motor (el par no es otra cosa que la presión ejercida cuando el pistón está en la mitad de la fase de descenso tras la explosión multiplicado por la mitad de la carrera del cilindro, es decir, la longitud de la biela). Vale, entonces hemos dicho que ahí hay un retraso, ¿Qué magia podemos hacer? Podemos intentar, y conseguir resultados satisfactorios en el intento, adelantar el momento de la ignición. Es decir, que la chispa salte antes de que el motor llegue al PMS, para que, en el momento de que llegue a dicho punto muerto superior, el frente de llama haya avanzado plenamente y se vaya a producir el empuje de la cabeza del pistón hacia abajo. Este concepto se conoce como Avance al Encendido o AE La velocidad de avance del frente de llama depende de factores como el tipo de inyectores utilizados (para que atomicen bien la gasolina y la conviertan en una pulverización de gotas de combustible lo más fina posible, de manera que cada partícula de gasolina no esté rodeada por otra cosa que no sea aire, que es lo que necesita para arder) y la calidad de la chispa (de ahí que haya bujías de dos y de cuatro electrodos cada una y que haya motores que montan dos bujías por cilindro, como son los Twin Spark de Alfa Romeo). Ahora bien, ¿Cuánto lo podemos adelantar? Si nos pasamos adelantándolo demasiado ocurre ese fenómeno del que mil veces habéis oído hablar pero que hoy os va a quedar claro: el picado de biela. Si la chispa ocurre demasiado pronto, cuando el frente de llama haya avanzado plenamente el pistón no habrá llegado al PMS sino que estará subiendo aún, lo que resulta en una contrapresión que le "invita" a no seguir subiendo sino a bajar. Evidentemente la inercia de un cigüeñal unido al hecho de que, en nuestro caso, hay otros tres pistones funcionando a la vez en una fase diferente, imposibilita que el pistón se frene ni pueda llegar a girar al revés, pero sí que recibe una especie de "martillazo" en su cabeza que crea fuertes torsiones en el cigüeñal y la biela, y que a la larga pueden terminar ocasionando daños chungos en la propia cabeza del pistón, los segmentos, los asientos de válvula, los cojinetes del cigüeñal y todo lo que habita en esa zona. Entonces, ¿Cuánto podemos adelantarlo? Lo que la electrónica nos diga, ni más ni menos. Hoy en día la gran mayoría de sistemas de inyección electrónica llevan mapas calibrados con una serie de valores que no van a intentar forzar tanto el avance del encendido como para poner en peligro la integridad física de las piezas del motor, pero que sí van a intentar modestamente ver hasta dónde lo puede adelantar sin que aparezca el picado de biela. Más aún, la llegada de los sensores de picado de biela (KS, Kick Sensor, un sensor con un cristal de cuarzo roscado al bloque motor que cuando percibe por vibración el "martillazo" sobre la cabeza del pistón genera un pulso eléctrico que informa a la ECU de que está habiendo picado de biela) le permiten a la centralita saber si está intentando utilizar un mapa demasiado agresivo en ese momento y para ese rango de revoluciones, y lo corrige automáticamente retrasando automáticamente el encendido hasta un punto más conservador. Olé.

[TaLiBaN]

Bueno, recapitulando, tenemos que la válvula de admisión se abre antes de que el pistón haya llegado al punto muerto superior y que se cierra después de que pase el punto muerto inferior para aprovechar la inercia de los gases y conseguir un mejor llenado de los cilindros, y respecto a la inyección tenemos que la chispa salta antes de que el pistón llegue al punto muerto superior en su fase de compresión para contrarrestar el tiempo que tarda en propagarse la llama por toda la mezcla y hacer que la detonación y empuje de verdad llegue justo cuando el pistón esté pasando por el punto muerto superior, algo ajustable dinámica y electrónicamente en tiempo real por la ECU. Ahora vamos pues con el escape, que ahí también tenemos magia de la güena.


#3 - Escape: Acaba de producirse la detonación en el pistón y éste está bajando empujado por la fuerza de la detonación del combustible sobre su cabeza. Pues bien, se nos ocurre que, dado que ha habido una explosión ahí dentro que ha hecho que los gases tiendan a aumentar su volumen de manera radical (por la Ley de Boyle-Mariotte), aún cuando el pistón llegue al punto muerto superior los gases ahí dentro están queriendo ocupar un volumen superior a la capacidad (el cubicaje) del cilindro, por lo que si la válvula de escape se abriese en el momento en el que el pistón llega al punto muerto inferior, el tiempo que tardarían los gases en adquirir la inercia para salir, si bien sería más baja que cuando intentaban entrar en la admisión porque están comprimidos, tenderían a frenar levemente el pistón en su carrera de ascenso (fase 4 del diagrama, escape). Por esto, aprovechamos para abrir la válvula de escape mientras que el pistón aún está bajando. El momento en el que el pistón más rápido baja es cuando está en la mitad de su carrera de descenso (esto es física, existe la ecuación que lo demuestra, variable vertical de un movimiento armónico simple), que es cuando más par se genera (momento, como comentaba antes, en el que el motor arroja su cifra de par máximo), por lo que no causa ningún problema en principio el abrir la válvula antes de que llegue al punto muerto inferior. Por esto, la válvula de escape se abre un pelín (gran medida científica, lo siento) antes de que el pistón llegue a dicho punto muerto inferior. ¿Y qué ocurre? Que los gases, al estar a presión debido al aumento de su volumen, en cuanto que se abre la válvula de escape salen a gran velocidad y se vierten al colector de escape. Este concepto se conoce como Avance a la Apertura del Escape o AAE.

[TaLiBaN]

#4 - Cruce de válvulas: Como decíamos, estamos arrojando gasolina cruda al escape, lo cual puede hacernos conseguir una estampa tan bonita como esta:

#5 - Otras consideraciones: Bien, espero que todo vaya quedando más o menos claro. En este último punto sólo os voy a comentar que el [a]AAA, AAC, RCA, RCE y cruce[/b] se miden en ángulos y se representan de la siguiente manera:

Recomiendo que, si de verdad queréis entender todo el tema de los árboles de levas y los diagramas de distribución, os repaséis esto varias veces hasta entenderlo, y si no no dudéis en preguntar.
En este caso, este diagrama de válvulas corresponde al motor del Porsche 968 y las primeras versiones del 996 cuando el Variocam (el sistema de distribución variable de Porsche) está activado. Es una imagen que he cogido prestada y vista completa es la siguiente:

[Axel]

exelente TaLiBaN te lucistes con este aporte exelente

[MOON]

asi es esta muy completo!!!

exelente!

[killer bug 80]

excelente aporte ivan , esta muy completo el articulo  y eso que solo es para entender el funcionamiento de los 4 tiempos , todavia falta todo lo relacionado al trucaje , tipos de perfiles de levas , etc. , pero si asi para algunos esta algo complicado entenderlo mas informacion confundiria mas , muy buen aporte , saludos 

[Toronja mecanica]

Exelentisimo aporte Taliban gracias por el aporte 

[GARGOLA]

uufff!!!!!!!!!! 
me tarde un poco en leer todo el post pero realmente esta muy interesante un exelente aporte "TALIBAN"
salu2!!!!!

[snhiper]

a revivir este tema, que se ve muy bueno...

[pepe]

Me cayo d perlas leer este dato ahorita que mi motor esta abierto,excelente aportacion del buen taliban d hace años,y pues si vale la pena revivir el post.

[snhiper]

PUes órale mi pepe, a darle ya que lo tienes destripado, yo igual llevé el Buggy a que le cambiaran flautas, y ya estando ahí le meteré su arbolito y todo para que jale mejor....