CONDUCTOS DE ADMISIÓN Y DE ESCAPE - Definición - Significado

15/10/2010

Es el conjunto de los elementos recorridos por los gases a la entrada o a la salida de los cilindros. El aire aspirado por el motor lo recibe éste de la atmósfera a través de un filtro, del carburador, del colector de admisión y de las lumbreras de la culata, hasta llegar a la cámara de combustión; el conjunto de tubos que llevan el aire hasta los cilindros es lo que se define como conducto de aspiración o de admisión. Análogamente, conducto de escape es el que lleva Jps gases desde la culata hasta el exterior; por tanto, contiene el silenciador y los tubos de enlace. Cuando los motores son de varios cilindros, los sistemas de admisión y de escape están compuestos de conductos más o menos acoplados entre sí para formar, en la zona de unión, el colector. A lo largo de los conductos se producen fenómenos fluidodinámicos que afectan a la inercia y a la compresibilidad de la mezcla de aire y gasolina y de los gases de escape. Estos fenómenos tienen gran influencia sobre el llenado de los cilindros (y, por tanto, sobre la potencia que puede rendir el motor), hasta llegar a constituir una verdadera sobrealimentación.

El problema del cálculo de las dimensiones de los conductos es uno de los más fascinantes y complicados del proyecto y experimentación de un motor. Para simplificar, se hará un estudio del conducto de admisión de un motor monocilíndrico; las deducciones obtenidas podrán extenderse fácilmente, de manera más o menos completa, a los motores de varios cilindros.

Al iniciarse la fase de admisión, cuando la válvula correspondiente está suficientemente abierta y el émbolo se aleja del punto muerto superior, se produce en el conducto de admisión, cerca de la válvula, una depresión, mientras la mezcla de aire y gasolina entra en movimiento y empieza a llenar el cilindro. Progresivamente, esta perturbación se propaga a lo largo del conducto y afecta a una porción cada vez mayor de aire que se enrarece y va aumentando su velocidad. El pistón incrementa simultáneamente su velocidad y, por tanto, crea una depresión cada vez mayor. Hacia la mitad de la carrera, todo el fluido del conducto está ya en movimiento hacia el cilindro. A partir de este momento, el pistón empieza a disminuir de velocidad hasta anularse ésta en el punto muerto inferior, mientras el fluido que continúa entrando en el cilindro convierte su energía cinética en energía de presión. Durante esta fase se recupera, salvo las inevitables pérdidas por rozamientos y turbulencia, la energía invertida al principio para acelerar la corriente de aire. Entretanto, la onda de depresión, que se propaga a la velocidad del sonido, llega al extremo Ubre del conducto, en contacto con el ambiente, y se refleja cambiando de signo, es decir, la depresión se convierte en compresión. Esta onda de compresión rebasa, a la velocidad del sonido, el conducto, y conviene que alcance el cilindro antes del cierre de la válvula.

En definitiva, durante la fase con la válvula abierta se producen principalmente 2 fenómenos, llamados en general: efecto de inercia y efecto de onda.

- Efecto de inercia: la energía cinética adquirida durante la primera parte de la carrera de admisión del fluido en el conducto, se convierte en energía de presión durante la segunda parte, produciendo una compensación del rendimiento volumétrico.

- Efecto de onda sobre la fase de admisión: una perturbación de depresión parte de la válvula y se desplaza hacia el exterior del conducto, del lado de la atmósfera, donde se refleja y vuelve hacia la válvula como onda de compresión.

Mientras estos fenómenos se desarrollan con la válvula abierta, se forma otro importante con la válvula cerrada, llamado efecto de onda estacionaria. Una vez cerrada la válvula, el fluido del conducto no permanece en equilibrio, sino que empieza a oscilar libremente. Al volverse a abrir la válvula de admisión (en el ciclo siguiente), la nueva excitación puede favorecer o no estas oscilaciones en el conducto, hasta crear, cuando se produce sincronía entre las oscilaciones y las excitaciones, una vibración estacionaria. Como es lógico, también este fenómeno puede influir en el rendimiento volumétrico del motor.

Analizando con detalle cada uno de estos efectos, se advierte que el efecto de inercia es el más importante y se produce cualesquiera que sean las dimensiones del conducto. Si se considera éste como dispositivo capaz de crear energía cinética, parece lógico emplear diámetros reducidos, ya que la masa disminuye proporcionalmente: puesto que en la expresión de la energía cinética aparece el cuadrado de la velocidad, es conveniente emplear tubos estrechos y largos. Intervienen ciertas causas que impiden las exageraciones en este sentido; en efecto, además de las pérdidas de carga que se producirían en los tubos muy estrechos, resultaría imposible interesar (en el intervalo de tiempo de una fase de admisión) un tramo muy largo del conducto. Se comprende que el mejor resultado se obtendría con una solución intermedia, que tuviera en cuenta el número de revoluciones del motor y la frecuencia propia del resonador de Helmholtz constituido por la masa del fluido del conducto y la cavidad del cilindro.

Se puede observar fácilmente que, fijado el número de revoluciones al que se desea adaptar el sistema de admisión y la cilindrada del motor, queda caracterizado automáticamente el valor de la relación S/L; por tanto, cuanto mayor se elija la sección del conducto, tanto mayor deberá ser su longitud. A igualdad de sección del conducto, al aumentar su longitud deberá mantenerse inversamente proporcional al cuadrado del número de revoluciones. A igualdad de longitud, para acrecentar la cilindrada del motor, deberá aumentarse la sección en proporción directa a dicha cilindrada.

También para los otros 2 efectos se tienen frecuencias de resonancia f2 y f3 que es necesario adaptar al número de revoluciones del motor. En el segundo caso el conducto está abierto por ambos extremos, en el tercer caso está abierto por un extremo y cerrado por el otro (lado de la válvula).

La experiencia ha aconsejado tomar para los coeficientes k2 y k3 los valores 4 y 2, respectivamente, a los que corresponde en el segundo caso un período de 90° y en el tercero de 180° de ángulo de rotación de la manivela. En ambos casos, el único parámetro geométrico es la longitud L, que debe elegirse inversamente proporcional al número de revoluciones del motor y que no depende del diámetro del conducto. Puede advertirse que una adaptación del conducto a base de las fórmulas 2) y 3) podría llevar, para motores de reducido número de revoluciones, a longitudes L excesivas, por lo cual, en la práctica, en este caso el cálculo de las dimensiones del conducto se hace partiendo solamente de la fórmula relativa al efecto de inercia.

En los motores de competición, que trabajan a régimen elevado, es posible y conveniente calcular las dimensiones del conducto de manera que resulte eficiente en todos los efectos. En la práctica se fija la longitud partiendo de las fórmulas 2) y 3), es decir, de modo que el conducto resulte óptimo para los efectos de onda. Posteriormente se calcula la sección óptima para el efecto de inercia (puede demostrarse que esto corresponde a la regla empírica de elegir la sección del conducto, de modo que se obtenga cierta velocidad).

En lo que respecta al conducto de escape, los fenómenos son completamente análogos: se invierten, por decirlo así, los signos de las presiones. Al final de la fase de escape es conveniente que en los cilindros exista depresión, para que se produzca el máximo vaciado de los cilindros de los gases de escape y poder enviarle mayor cantidad de mezcla fresca (barrido).

Las fórmulas para el cálculo de dimensiones siguen siendo las citadas para la admisión. Los coeficientes k resultan ligeramente modificados, como enseña la experiencia, ya que es diferente la perturbación de presión, que en el caso de la admisión es regida por el movimiento del pistón, mientras que en el escape se produce también por expansión natural de los gases comprimidos en el cilindro. Es interesante observar que la mayor velocidad del sonido en los gases calientes de escape implica, para los conductos de escape, longitudes mayores.

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