MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA EN AUTOMOCIÓN (PARTE XII)

Hola de nuevo

En los dos artículos anteriores hemos visto la sobrealimentación en motores, es decir los compresores y los turbocompresores. Pero dentro de los sistemas de admisión de aire encontramos también otra forma de aumentar el rendimiento del motor y su funcionalidad. Me estoy refiriendo a los sistemas de admisión variable.
Como hemos visto anteriormente, el colector de admisión transporta el aire fresco hasta la entrada del cilindro, pero os he enseñado sistemas fijos, es decir de longitud y diámetro fijos.
Pero existen sistemas más modernos, en los cuales pordemos variar la longitud o el diámetro del colector para variar la cantidad o velocidad con la que el aire entra. Hay que decir que la admisión variable no resulta tan efectiva en la mejora del rendimiento como la sobrealimentación puramente dicha, pero si hace el funcionamiento del motor más lineal y además ayuda a reducir mucho el consumo de combustible. También se pueden combinar ambos sistemas, no son incompatibles y el resultado es aún mejor que usando sólo uno.
Bien, veamos algunos ejemplos gráficos:

Esta imagen la recordareis de artículos anteriores. En este caso hablamos de un motor de gasolina, pero sirve también para motores Diésel. Bien, en el esquema observamos los colectores de admisión de longitud fija. Eso hace que el aire siempre tenga que atravesar la misma distancia desde que entra en el sistema de admisión hasta que llega a la cámara de combustión. Pero, como sabeis ya, a mayor número de revoluciones de motor, mayor es la cantidad de aire que necesitamos y a más velocidad. Y si nuestros colectores son siempre de la misma longitud, resolveremos gracias al sentido común que no siempre entrará el aire que necesitamos y a la velocidad adecuada a cualquier régimen de rpm, y obligaremos a la ECU del motor a regular la cantidad de combustible de manera que el rendimiento de nuestro motor baje. ¿Y esto por qué ocurre? Pues porque el aire al circular por el interior de un conducto genera una vibración, consecuencia de la frecuencia de vibración propia. Esta frecuencia es función de la velocidad de circulación y directamente proporcional a la longitud del colector.

Este seria el esquema de un sistema de admisión variable. Tenemos un colector de admisión con dos pasos, en funcionamiento normal tenemos abierto sólo uno. Pero cuando necesitamos un mayor rendimiento, abrimos la mariposa del paso inferior y entra más aire, así de simple. Pero en la práctica la cosa se complica bastante más, como ya habeis comprobado de otros conceptos en ingenieria del automóvil.

Aquí una solución de la marca alemana Audi, un sistema de admisión variable continuo, es decir que varia continuamente de longitud. Este sistema es bastante simple y varia la longitud que tiene que recorrer el aire hasta la entrada al cilindro con sólo girar el tambor donde entra el aire fresco. Como el aire siempre entra por la abertura realizada al efecto, si giramos hacia la izquierda de la imagen, el aire recorrerá menor distancia. Si lo hacemos al revés, recorrerá mayor distancia.

Año 2001. La marca alemana BMW presenta este mecanismo de admisión variable continuo. Está formado por una carcasa en magnesio, en la cual se han montado externamente las toberas de combustible con sus inyectores. El engranaje de plástico hace rotar el interior, movido por un servomotor eléctrico. Un sistema bastante complejo y caro de desarrollar, que no todas las marcas podían permitirse. La longitud del colector de admisión varia según las rpm, pero hasta las 3500 rpm mas o menos se mantiene toda la longitud del conducto.
Bien, una vez explicados los precursores de los actuales sistemas, vamos a ver los dos tipos de admisión variable que hay: 

1.- Admisión variable por longitud del colector: En este caso lo que hacemos es variar la longitud del conducto para que la frecuencia del aire que entra se mantenga estable, así minimizamos las perdidas de carga. También puede referirse al diámetro del colector, el caso es variar las dimensiones del mismo. Se usan longitudes grandes para bajos regímenes (hay que favorecer la velocidad) y longitudes cortas para altos regímenes (mucha masa de aire requiere poca longitud para minimizar las perdidas de carga). Tenemos una mariposa de admisión controlada electrónicamente que envía el aire o la mezcla por el conducto corto o largo (en 2 fases) según sea el caso. Ejemplo:

En la ilustración vemos un colector de admisión variable de dos fases, es decir por longitud. Los motores de 4 cilindros en línea tienen la posibilidad de colocar cuatro colectores de admisión articulados, de igual longitud y que desembocan en muchos casos formando un ángulo de 90º (codo) en cuyo extremo abierto se coloca la caja de la mariposa que observamos en la figura. La mariposa abre o cierra el conducto según sea el régimen de funcionamiento.

Aquí más detalles del sistema, en donde vemos que la válvula de mariposa es comandada por una cápsula neumática. Esto hace que la actuación sobre la válvula sea inmediata, y así reaccionar en un instante a la solicitación del motor. El circuito neumático funciona absorbiendo el aire de entrada gracias al acumulador de vacio, a través de la válvula antirretorno. Una válvula antirretorno es aquella que sólo deja pasar fluido en un sentido, pero nunca al contrario. El aire acumulado se dirige a la electroválvula de inversión, y se utiliza para actuar sobre la cásula neumática.
Con la aparición de motores con culata multiválvulas, motores con 4 válvulas por cilindro (2 de admisión y 2 de escape), se puso en funcionamiento otro sistema parecido, también en dos fases:

Este sistema de Toyota, es un sistema que también se aprovecha del principio que relaciona la longitud del conducto con la frecuencia de vibración, para evitar perdidas de carga. Como tenemos dos válvulas de admisión (esto se hace para un llenado más uniforme del cilindro) por cilindro, el conducto de admisión lo hacemos interiormente de tal forma que haya una pequeña hendidura que no llegue a dividir el colector en dos, y dos válvulas de mariposa o chapaletas. Estas chapaletas se controlan de manera que permitan el paso de aire las dos, o sólo una. Como veis en el gráfico (y como siempre os digo) a bajas y medias rpm abrimos sólo una, en altas rpm las dos. Hay que recordar que en cada ciclo de admisión, las dos válvulas de admisión se abren, aunque una de las chapaletas esté cerrada. 

Como se que sin foto no es lo mismo, aquí teneis una foto de los colectores de admisión de un BMW. Los tubos que dan más recorrido son los de bajas y medias rpm. Los que tienen las chapaletas o mariposas (se ven de frente) son los de altas revoluciones. Arriba a la derecha, podeis observar la cápsula neumática.

Otros dos ejemplos de admisión variable por longitud, esta vez para motores con configuración de cilindros en V. El principio es siempre el mismo, recorrido corto para altas rpm, y recorrido largo para bajas.
Todas estas variaciones del sistema de admisión por longitud variable aprovechan las diferentes longitudes o diámetros que se le dan al colector para llenar mejor el cilindro. Pero, ¿y si aprovecháramos también las características acústicas del colector para sobrealimentar el motor? La respuesta la dió Citröen para sus motores de culata multiválvulas.

En este sistema aprovechamos tanto las características de longitud variable como la acústica del conducto de admisión. La trampilla selectora (4) contiene 4 selectores o chapaletas, que permiten obtener dos longitudes y dos diámetros distintos. Las cápsulas de vacio (5) actuan sobre estas trampillas para por debajo de 5000 rpm cerrar las chapaletas. Así el aire recorre el conducto largo, y favorece el par motor a bajas revoluciones. Sin embargo, a altas revoluciones accionamos las chapaletas y el aire recorre el circuito corto, favoreciendo la potencia máxima.

El último sistema que vamos a ver hoy, en este caso admisión variable para inyección directa de gasolina. En este caso no queremos obtener un mejor llenado del cilindro en si (que también, pero al ser inyección directa es más sencillo), podemos conseguir un mejor funcinonamiento de los modos de funcionamiento de este motor, me refiero a la mezcla estratificada, mezcla homogenea y homogenea-pobre. Bien, el modo estratificado se refiere a un llenado parcial del cilindro, esto ocurre a bajas revoluciones y vemos que la chapaleta está cerrada, por lo que el aire entra por el conducto estrecho y estrangulado. El modo homogeneo-pobre funciona a medio-bajas rpm, y el homogeneo en medias y altas revoluciones. Cuando la mezcla es homogenea la chapaleta se abre, y se permite un mayor llenado del cilindro. 
Esto es todo por ahora, en el siguiente artículo veremos el 2º tipo de admisión variable, la admisión variable por resonancia.

A continuación, la bibliografía consultada:

- http://www.km77.com/glosario/a/admision.asp
- http://www.bmwfaq.com/f149/318is-m44-tiene-valvetronic-427779/
- http://www.km77.com/marcas/ford/mondeo_01/0primera/sumario2.asp
- http://autocity.com/documentos-tecnicos/?cat=3&codigoDoc=328
- http://www.naikontuning.com/articulos/sistema-admision-variable/
- http://clubaudiq7.com/foro/viewtopic.php?f=68&t=3014