Mecanica & High Performance.

[Dr nitrous]

Bueno señores como el foro empieza de nuevo vamos a colocar esta informacion bastante generica sobre mecanica y high performance, espero sirva de algo. (Atencion newbies)

Hp (potencia) y Torque de motores
Los motores convierten la energía de la gasolina en torque. Torque es la fuerza giratoria que mueve el cigüeñal y se transmite hacia las ruedas. Un motor es más eficiente en el punto donde alcanza su torque máximo, sin importar donde se encuentra este punto. Bajo este punto, los motores tienen tiempo suficiente para llenar los cilindros y sobre el punto no alcanzan a llenarlos completamente. Esto es generalmente beneficioso porque produce la mayor parte del torque a bajas revoluciones, logrando bajo ruido, menor desgaste y mayor economía de combustible. La habilidad de extender el rango de revoluciones de un motor permite estirar la curva de torque y por lo tanto tener una mejor eficiencia a altas revoluciones, que permite producir los HP. Potencia es el torque multiplicado por las revoluciones del motor y nos entrega una medida de la capacidad del motor de producir trabajo en cierto período de tiempo.
James Watt determinó que un caballo era capaz de tirar 180 lbs. Por 181 pies durante un minuto. Eso da 32580 lbs-pies por minuto, lo redondeó a 33000, que dividido por 60 segundos da 550 lbs-pies por segundo. A eso llamó 1 Hp. En un motor de combustión interna la fórmula es potencia=(torque x rpm)/5252, si la potencia se mide en Hp y torque en Lbs-pies. Es fácil notar que si las rpm alcanzan el valor de 5252, entonces rpm/5252 se cancelan y potencia=torque. Por lo tanto siempre en un gráfico de torque y potencia, las curvas se deben cruzar en este punto. Torque es la medida del trabajo que es capaz de realizar un motor, mientras que potencia es cuán rápido puede hacer el trabajo. Ya que la potencia es calculada con el torque, lo que buscamos es la mayor cantidad de torque, en el rango de revoluciones más amplio posible.

Fuerza de Torsión
El torque o par es el nombre que se da a las fuerzas de torsión.
Para que la torsión exista se requieren 2 fuerzas (par), que se ejercen en sentido opuesto. Ver la figura.
El valor del par depende del radio de acción de la fuerza (brazo).
A mayor brazo mayor par.

Torsión.
El par o torque es un número que expresa el valor de la fuerza de torsión. Se expresa en kilos x metros. Es decir, si tiramos un brazo de 1 metro de largo con la fuerza de 1 kilo, el torque o par será de
1 kilo x metro (1 kilográmetro).
En un motor de pistones la capacidad de ejercer fuerza de torsión es limitada. Depende de la fuerza de expansión máxima que logran los gases en el cilindro. El torque máximo se consigue cuando el rendimiento volumétrico (% de llenado de cilindros) es máximo. Esta última condición es la que permite quemar mayor cantidad de combustible y por lo tanto se dispone de mayor temperatura para expandir los gases.
El par motor también depende del largo del brazo del cigüeñal.

Trabajo y Potencia
La física define como trabajo, el desplazamiento de un cuerpo por efecto de una fuerza.
El trabajo se mide en términos numéricos, multiplicando la fuerza ejercida por la distancia recorrida. Es decir, si movemos un cuerpo con la fuerza de un kilogramo, para que recorra 1 metro, estamos efectuando un trabajo de 1 Kg. x metro. A mayor fuerza ejercida, mayor trabajo efectuado. Cuando se realiza trabajo y el cuerpo recorre una trayectoria circular, como es en el caso de un motor, el cálculo del trabajo se expresa: Trabajo = Fuerza x 2¶r, donde ¶ es una constante (3,1416) y r es el radio de giro.

Potencia PS y HP:
La potencia es trabajo mecánico que incorpora en su valor el parámetro tiempo. Es decir, la potencia, se expresa con un número que cuantifica el trabajo efectuado durante un lapso de tiempo. Mientras más rápido se realiza el trabajo,la potencia que se desarrolla es mayor.
La medida original de potencia se expresa en caballos de potencia o PS (Pferdestärke), y proviene del sistema métrico alemán. El valor de 1 PS equivale a levantar 75 kilogramos a 1 metro de altura en 1 segundo, (75 kg x metro / segundo). Su equivalencia en el sistema de medida inglés, es el HP (Horsepower). El valor de un PS se diferencia levemente del HP: 1 PS = 0.9858 HP.
1 HP es igual a levantar 1 libra a 550 pies de altura en 1 segundo. En un motor de pistones la capacidad de ejercer potencia, al igualque eltorque, es limitada. Depende de la fuerza de expansión que logran los gases en el cilindro. La potencia máxima se consigue cuando el rendimiento volumétrico (% de llenado de los cilindros) es máximo.
La potencia en términos generales, expresa la capacidad para ejecutar un trabajo en el menor tiempo posible. Una fuente de energía, que puede mover 1 Kg. de peso por una distancia de 1 metro en un sólo segundo de tiempo, se considera más potente que otra capaz de desplazar el mismo peso en 2 segundos.







Pasajes de Admisión de Aire
El múltiple de admisión también interviene en la mezcla y atomización de la gasolina. Su función principal es distribuir la
mezcla aire combustible en forma equitativa a cada cilindro.
No toda la gasolina que suministra el carburador es atomizada adecuadamente. Parte del combustible se desplaza en forma líquida adherida a la superficie interna del múltiple de admisión.
Un buen múltiple de admisión presenta características que
permiten atomizar yvaporizar esa gasolina.

Eficiencia del múltiple de admisión.
El largo y la forma del múltiple de admisión influyen en el desempeño de un motor. La eficiencia de alimentación depende en buena parte de los pasajes del múltiple. Utilizando fenómenos naturales, cuando un gas se desplaza velozmente dentro de un tubo, el múltiple de admisión termina por homogeneizar la mezcla que llega a las válvulas de admisión. Un pasaje de poco diámetro permite obtener buena potencia, a baja velocidad del motor. Un pasaje mayor, genera alta potencia cuando el motor gira en alta velocidad.

Diseño de los caños de alimentación
La intención del diseñador es disponer de la mayor superficie interior posible de manera que la gasolina que se adhiere, expone un áreamayor al calor y flujo de aire.
Un tubo circular presenta menos superficie interior que uno de sección cuadrada. Un múltiple de admisión eficiente combina en sus ductos el círculo y el cuadrado. Al contrario de lo que se piensa, las superficies extremadamente lisas y pulidas no favorecen ladistribución homogénea de la mezcla. La gasolina líquida se adhiere con fuerza a esta clase de superficie.

Curvas del múltiple de admisión.
La presión del combustible aumenta en la parte externa de las curvas del caño de alimentación. Esto genera acumulación de combustible en el exterior de la curva. La medida del radio de curvas de un múltiple de admisión, no supera el 75% del diámetro del ducto.

[Dr nitrous]

Alimentación para motores de competencia.
En motores de alta eficiencia se evita el uso de múltiple de admisión y se equipa cada cilindro con carburador y ducto de alimentación individual. En la entrada de aire de cada carburador se instala una corneta que utiliza el fenómeno de pulsación de los gases, para mejorar la eficiencia de alimentación.
Cuando la válvula de admisión se abre, genera un pulso de vacío por el ducto, en forma de ondas, hasta la boca de alimentación y a velocidad del sonido. Cuando el pulso de vacío alcanza la boca de entrada, el aire circundante se precipita hacia el, por efecto de la presión atmosférica. La aceleración brusca del aire genera presión sobre los gases que se desplazan más adelante, dentro de la garganta. Este pulso genera una presión mayor que la atmosférica y se desplaza a velocidad sónica, hasta la válvula de admisión, favoreciendo el rendimiento volumétrico.

Flujo de Culatas para Competencia
Cuando la válvula de admisión se cierra, el flujo de admisión es interrumpido en forma súbita. La inercia del aire produce una presión adicional, en el pasaje de culata, debido al agolpamiento de las moléculas del gas. Esta presión genera una onda (pulso a velocidad del sonido), que se aleja del cilindro pero sólo llega al punto donde la culata se conecta al múltiple de admisión. En este lugar, la onda retorna hacia el cilindro.
Si el pasaje de la culata tiene el largo apropiado, entonces la onda de presión llegará de vuelta justo en el momento que abre nuevamente la válvula. Esto es una ayuda, cuando se requiere mejorar la eficiencia de motor. Sin embargo, la modificación de culata para este efecto, ofrece mejoría dentro de un rango estrecho de rpm. Un pasaje de admisión con su largo optimizado para 6.000 rpm. Es diferente a uno de 4.000 rpm. Antes de optimizar el largo de los pasajes de admisión, es necesario determinar las rpm de motor a las que se requiere obtener el mejor rendimiento volumétrico.
Flujometro para Culatas de Competencia
El equipo mecánico, que permite hacer una lectura de la condición aerodinámica de los pasajes de admisión (flujómetro), mide la resistencia al flujo de aire. La máquina sopla o succiona aire a través de los ductos y basa sus mediciones en el valor de vacío que produce el desplazamiento del aire. A menor vacío menor resistencia al paso.
Este equipo es necesario para realizar modificaciones confiables
en los caños de admisión. Esmerilar la superficie interna para acrecentar el diámetro de los pasajes, no siempre trae beneficio. Los datos registrados en el flujómetro se analizan con un programa que entrega la información necesaria para mejorar el sistema de admisión

Culatas de carrera.
No solamente se debe considerar la velocidad lineal de flujo, en la puesta punto de la culata de carrera. La mezcla recorre el sistema deadmisión girando en forma de torbellino. Los pasajes de admisión contribuyen a mantener el movimiento giratorio del aire. Los medidores de turbulencia determinan el comportamiento del gas frente a la resistencia que recibe durante su avance.
Para mejor rendimiento de motor, el aire gira, al ingresar al cilindro, en forma paralela al pistón y también rueda en dirección perpendicular. Este movimiento se llama caída. El aire baja en dirección al pistón, y luego sube, formando un torbellino que favorece la velocidad con que se queman los gases. Este fenómeno de aceleración interna de la mezcla, mejora la tolerancia de la gasolina a detonar y, permite menos avance de encendido. Esto último, facilita el desplazamiento del pistón (en compresión), por unos milímetros más, sin recibir fuerza de expansión de los gases.
Los efectos de torbellino y caída, mejoran la potencia de motor sin aumentar el consumo de combustible. Igualmente se hace presente, que el efecto de turbulencia y caída disminuyen la velocidad lineal de la mezcla. Un buen sistema de admisión combina apropiadamente turbulencia, caída y velocidad.
En motores con relación de compresión menor a 12,5 es conveniente utilizar la turbulencia como forma de mejorar la eficiencia. Sin embargo, para relaciones mayores a 12,5 se da mayor importancia a la velocidad lineal de los gases.





Ejes (árboles) de Levas
Muchos se preguntaran que son estos artefactos que están súper escondidos dentro de nuestros motores conocido también como árbol de levas o en ingles camshaft.
Un eje de levas determina cuando, cuanto y como respira un motor. Entonces es fácil notar que sus características son cruciales en el funcionamiento de cualquier motor.
El eje de levas esta compuesto de lóbulos. En los motores americanos hasta los años 80 era uno solo, colocado en el block. En los autos modernos va sobre la culata SOHC (Single OverHead Camshaft) o 2 sobre la culata DOHC (Dual OverHead Camshaft), donde uno maneja las válvulas de admisión y otro las de escape.
La parte "lisa" del eje de levas se llama circulo base, cuando ella esta pasando por el lifter, la válvula esta cerrada. Cuando el lóbulo correspondiente comienza a pasar por el lifter, el movimiento se transmite por el lifter a un empujador, éste presiona el balancín colocado en la parte alta de la culata, que a su vez separa la válvula que se mantenía en su asiento gracias a un poderoso resorte.
Los balancines pueden ser de 2 tipos: los tipo cazoleta y los roller. Estos últimos de uso más moderno, que tienen una especie de bulto en la punta. Esto facilita enormemente el movimiento sobre la cola de la válvula y ofrecen una duración mucho mayor. Pueden liberar hasta 30hp producidos por roce.
Los lifters pueden ser de tipo mecánico o hidráulico. Los primeros son sólidos y se debe dejar un espacio entre los empujadores y los balancines para dar lugar a la dilatación de los metales con el calor. Por esto producen un golpeteo característico y éste golpe desajusta el tren de válvulas, así que necesitan de periódicos ajustes.

Los hidráulicos se llenan de aceite y éste sirve para absorber la dilatación por el calor y no producen el golpeteo. La desventaja de los hidráulicos en comparación con los mecánicos es que por el acople de aceite que tienen se produce el efecto de flotación a altas rpms, en el cual la válvula permanece abierta y no se alcanza a cerrar por completo

La duración en la apertura de las válvulas está determinado por la forma de los lóbulos del eje de levas. Una duración menor favorece el torque en bajas revoluciones y una apertura mayor lo hace en altas revoluciones. La banda de torque tiene unas 3000rpm con taques normales y 3500 o 4000rpm con roller lifters. Por ejemplo, con una duración de 195º el motor tiene una zona de funcionamiento optimo entre las 1000 y las 4000 rpm, con uno de 220º entre las 2000 y 5000 rpm. El primero funciona muy bien en una camioneta y el segundo es mejor para un auto deportivo. Esta duración está medida a 0.050" de apertura y no desde el instante preciso en que comienza a abrirse la válvula. Es el mejor método para comparar ejes de levas entre distintos fabricantes. Se puede notar que a medida que se desplaza la banda de torque hacia arriba, se está perdiendo torque en baja, esto se produce porque la mayor duración viene de la mano con un mayor traslape en la abertura de las válvulas de admisión y escape, lo cual es poco eficiente a bajas rpm porque escapa mucha mezcla, pero funciona adecuadamente en alta. Para solucionar esto se debe usar una relación del diferencial de 3.55 o 3.73 y si la banda de torque esta más arriba, la relación del diferencial debe ser superior a 3.9:1, para dar una mejor salida al auto con el "poco" torque en baja que dispone.

La mayor duración de abertura debe venir acompañada de un aumento en la compresión del motor. Por cada 10º que aumente la duración debe aumentar 1 punto la compresión. Por ejemplo 200º con 9:1, 210º con 10:1. El aumento de compresión sirve para lograr una mayor presión efectiva, perdida con el eje de levas, y así recuperar el torque en baja.
La separación entre el punto de máxima abertura de admisión y máxima abertura de escape se conoce como Lobe Separation. Si esta distancia es grande, digamos 112º, la curva de torque es plana, el motor es más suave y más manejable en la calle. Si es corta, 106º, la curva de torque es más aguda, alcanza un peak más alto y luego cae rápidamente, el motor es más potente, pero con un ralentí inestable y más gastador. El punto donde se alcanza la máxima abertura de admisión con respecto al PMS es el Lobe Centerline, generalmente de 106º. Este punto se puede cambiar al momento de instalar las levas. Se puede rotar el eje adelantándolo o retrasándolo. Por cada 4º que se adelanta el eje de levas, la curva de torque se desplaza 200 rpm hacia abajo. Si se retrasa 4º, la curva se desplaza 200 rpm hacia arriba.

[Dr nitrous]

arriba.
Sincronismo de Admisión y Escape
Se relata a continuación como el sincronismo de las válvulas de un motor a gasolina, se adapta al comportamiento del flujo de gases a través de un ducto.

Sincronismo de admisión.
Mientras la válvula de admisión se encuentra cerrada, la mezcla aire-combustible se mantiene quieta en el pasaje de admisión. Al momento de abrir la válvula, existe vacío en el cilindro, lo cual permite a la presión atmosférica, empujar la mezcla hacia el interior del cilindro. Sin embargo, existe demora en el inicio del movimiento de los gases debido a la inercia. Una vez que comienza el ingreso real de la mezcla, el pistón ya ha bajado una buena porción en su carrera de admisión y el gas se mueve a gran velocidad. Este movimiento también lleva consigo inercia, la que se manifiesta cuando la mezcla sigue fluyendo hacia el interior, aunque el pistón haya comenzadoasubir en su carrera de compresión. Para aprovechar adecuadamente este fenómeno, existe el retraso de cierre de admisión, que mantiene la válvula abierta durante una parte de la carrera de compresión. Esta sincronización mejora el rendimiento volumétrico lo que permite generar un par de torsión mayor.

Sincronismo de escape.
La fuerza de un motor se obtiene en la carrera de expansión.
Si la válvula de escape se abre antes que termine la carrera de trabajo (expansión), se perderá una parte de la fuerza de los gases. Sin embargo, si se mantiene cerrada la válvula, hasta el momento que el pistón comienza a subir en su carrera de escape, aun habrá presiónque se opone al movimiento del émbolo, disminuyendo eldesempeño general del motor. Es preferible sacrificar la fuerza en la última porción de la carrera de expansión, abriendo la válvula de escape en forma anticipada, porque así se disminuye la presión del cilindro para que el émbolo suba sin resistencia.

Sincronismo de Válvulas
El eje de levas es responsable en gran parte del rendimiento de un motor. Determina el número de revoluciones que se requieren para obtener la mejor respiración (rendimiento volumétrico).
La creación de un buen eje de levas requiere de mucho estudio, cálculo matemático, geometría, mecánica de fluidos/gases y pruebas sofisticadas. En motores de carrera el eje de levas es pieza central de una buena preparación.




•
Tipo Circular: las válvulas abren y cierran a velocidad moderada.
•
Tipo Tangencial: las válvulas abren a mayor aceleración.
•
Tipo Aceleración Constante: las válvulas se abren y cierran acelerando uniformemente.


Cómo opera el eje de levas de carreras?

Se abre la válvula de admisión antes que finalice la carrera de escape, (Avance Apertura Admisión). Los gases quemados salen velozmente generando vacío en el cilindro. Al abrir la válvula de admisión en este momento, se apresura el ingreso de la mezcla fresca que ayuda a limpiar (barrer) el cilindro de gases quemados.

Se cierra la válvula de escape después de iniciada la carrera de admisión, (Retraso Cierre Escape). La inercia de los gases de escape saliendo del cilindro y el vació que generan, ayudan al acceso de mezcla fresca al cilindro.

Se cierra la válvula de admisión después de iniciada la carrera de compresión, (Retraso Cierre Admisión). En el inicio de la carrera de compresión, aun existe vacío y la mezcla fresca sigue llenando elcilindro por algunos grados más de giro.

Se abre la válvula de escape antes que termine la carrera de expansión, (Avance Apertura Escape). Al final de la carrera de expansión aun queda presión en el cilindro. Al abrir la válvula de escape anticipadamente, se sacrifica un poco de fuerza, pero se reduce la contra presión que se opone a la subida del émbolo en su carrera de escape.

Admisión y Escape
El material con que se construyen las válvulas de motor son de primera calidad. Durante la operación del motor, la válvula de admisión varía su temperatura entre los 200° y 400° Celsius. La de escape entre 600° y 800°.
Estas piezas están sujetas a grandes cargas de compresión yflexión, en un ambiente de gases corrosivos. A 7.000 RPM de motor, las válvulas golpean el asiento 3.500 veces por minuto.







Plana: para motores de automóvil. Buena resistencia.

Convexa: para motores grandes. Gran resistencia.

Cóncava: para competición. Gran flujo. Poca resistencia.



Refrigeración de válvulas.
La válvula de admisión se refrigera con gases frescos que entran al motor. La de escape se enfría sólo al tomar contacto con elasiento. La refrigeración de la culata es muy importante. Debe mantener los asientos a la menor temperatura posible.
El ancho del asiento debe aumentarse para obtener mejor refrigeración.

Posicionadotes de válvulas.







Alineación del balancín.
Un aspecto importante que se debe considerar, al armar el tren de distribución, es el ángulo entre el balancín y la válvula. Este debe ser de 90° al iniciar el contacto.




Flotación de válvulas.
La operación de la válvula debe ser veloz. La pieza que se encarga de lograr esto es el resorte de válvula. El resorte debe ser capaz de llevar la válvula a su asiento a mayor velocidad, que la de operación del balancín.
Cuando un motor opera a altas revoluciones y no tiene los resortes adecuados, puede ocurrir que las válvulas no alcancen a cerrar y floten en posición intermedia


Cruce de válvulas.
La válvula de admisión se abre anticipadamente durante la carrera de escape y la de escape se cierra tardía, durante la carrera de admisión. En ese lapso de tiempo, durante el cual se encuentran ambas válvulas abiertas, se denomina: cruce de válvulas. Afortunadamente la inercia de los gases impide que el gas quemado se devuelva por la admisión, durante ese período.

Consideración Importante.
Cuando la alzada del camón se aumenta, se consigue abrir más la válvula, disminuyendo la resistencia de entrada de los gases. Sin embargo el aumento de alzada trae consigo un aumento de vibraciones en el tren de mando y en la válvula misma. Para contrarrestar este problema, el eje de levas se diseña de manera que las válvulas se abran y cierren lo más lentamente posible. Para ello se requiere extender al máximo la permanencia de apertura.
El cruce de válvulas permite extender el tiempo de apertura, por algunos grados más de giro, disminuyendo la aceleración del conjunto y reduciendo las vibraciones del tren de accionamiento.


Poleas, retenedores, resortes
Las poleas modificadas lo que tienen es que son mas livianas por lo tanto le roban menos potencia al motor y giran mas rápido y son ajustables te sirven para poner a punto tu sistema de drive train.

Resortes de válvulas.
Si vas a modificar o cambiar las levas es indispensable cambiar los resortes de válvulas para que no "floten" a altas revoluciones.
Al igual que los resortes de válvulas, son indispensables para altas revoluciones por su mayor resistencia y menos peso que los retenedores originales. Los mejores son los de Titanio.
Las válvulas también son mucho más livianas y por lo tanto trabajan eficientemente

Pistones
Para aplicaciones de mucha potencia tanto para autos Turbos como aspirados. Con un set de pistones adecuados se le puede aumentar (aspirados) o disminuir (turbo) la compresión al carro


Culatas
Las culatas junto con el eje de levas son los elementos primordiales en la generación de potencia. En la culata es donde se produce la combustión y a ella tiene que llegar la preciada carga de combustible y la posterior salida de los gases quemados, todo con la mayor eficiencia posible. Hay 4 aspectos que determinan cuan bien va a contribuir la culata a la producción de potencia: ports, cámaras de combustión, válvulas y el material de la culata.
El port o conducto de admisión lleva la mezcla desde los corredores del múltiple hacia el cilindro, mientras que el port de escape lleva los gases quemados hacia el sistema de escape. El objetivo es hacer los recorridos lo menos restrictivo posible, lo que llevaría a pensar en hacerlos lo más grande posible, pero hay que considerar que ocurre en el interior del motor. Por los ports pequeños fluye un volumen menor de gases, pero a mayor velocidad que en los grandes.
En un motor, los ports pequeños no son capaces de llevar tantos gases pero son eficientes. En altas revoluciones los ports pequeños no son capaces de mantener el flujo y la potencia cae. Es ahí donde los ports grandes superan a los pequeños y ahí donde se diferencian las de calle y las de carrera. ¿Cómo determinar estos parámetros en la vida real? Por el volumen de los ports, sobre todo el de admisión. Todos los fabricantes decentes proporcionan estos datos. Se pueden dividir las culatas por el volumen en 3 categorías
Ports de admisión hasta 179cc son considerados pequeños y trabajan bien en la calle. Generalmente son los que vienen de fábrica y son de bastante menos que 179cc, normalmente en los 160cc.
Entre 180cc y 199cc son considerados medianos. Son mejores para motores de mayor cilindrada o pequeños que giran a altas revoluciones.
Más de 200cc son grandes y se usan en high performance y en carreras. Llegan incluso hasta 285cc.
Uno puede portear los conductos para agrandarlos, según sus propias necesidades. Es un trabajo delicado y necesita mucha experiencia. Además es difícil que todos queden de igual tamaño. Por eso los fabricantes usan el método Computer Numerically Controlled CNC, en donde un computador maneja un brazo robótico según coordenadas generadas por el diseñador y el porteo queda perfecto e igual en todos los cilindros.
La forma de los ports también tiene influencia. No se pueden hacer curvas muy cerradas porque dificultan el paso de los fluidos. Las curvas deben ser suaves, pero el limitado espacio de las culatas no lo permite. Por eso algunos fabricantes como Chevrolet utiliza culatas con los ports levantados, así pueden mantener el volumen de los ports requerido y curvas suaves. Son los llamados raised ports.

[Dr nitrous]

Overlap.
Sabemos que en un motor de 4 carreras hay 4 eventos; Admisión, compresión, expansión, y escape. En el ciclo teórico todas las carreras duran lo mismo, es decir, 180º de giro del cigüeñal c/u., completando las 4 carreras 720º que son 2 giros completos del cigüeñal. Sin embargo, en la vida real se puede aprovechar la dinámica de fluidos (de los gases en este caso) que entran y salen del cilindro para aumentar la eficiencia volumétrica del motor. Por ejemplo, de la expansión no se puede aprovechar el 100% de la energía térmica, habría que expandir infinitamente el pistón hasta que la mezcla quemada alcance 0 K (grados Kelvin, 1 ºC = 274.15 K). Ni siquiera 0 K porque eso es imposible por dos razones:
Primero, porque no se puede llegar a 0 K, es imposible, de hecho es por eso que se inventó la escala Kelvin. En el estudio de la Termodinámica, muchas veces las ecuaciones quedan divididas por la temperatura y esta puede ser 0 ºC en millones de casos, la escala Kelvin surgió para solucionar este problema, implementando en las ecuaciones temperaturas en cantidades que jamás se harán 0, de manera que la ecuación siempre exista para todo T (temperatura)).
Segundo porque la "disponibilidad" del ambiente para llegar a estas temperaturas no es total debido a que la temperatura de los alrededores no es 0 K sino la temperatura del ambiente, que es la que daría el límite al cual se podría enfriar el cilindro, además no existe un cilindro infinito…
En el caso de la expansión generalmente no dura 180º. La válvula de escape se abre un poco antes de que el pistón termine de bajar (completar la etapa de expansión) para aprovechar que la presión interna del cilindro es un poco alta para "soplar" los gases quemados hacia fuera por diferencia de presión. Eso se llama blowdown. Ahí se tiene las primera "no idealidad" en una de las carreras. Ahora, cuando la siguiente admisión va a iniciarse, la válvula de admisión también empieza a abrir antes de que el pistón llegue al PMS. Eso se hace por dos razones:
Primero porque la válvula no abre instantáneamente siguiendo el perfil de una onda cuadrada sino más bien la típica curva sinusoidal, más estrictamente hablando una serie de Taylor (polinómica), que depende por supuesto de las RPM, del comportamiento del resorte de válvula, etc. Como la función que describe el lift de la válvula no es una onda cuadrada, y las válvulas a low lift (poca apertura) fluyen muy poco, se abre la válvula antes del tiempo teórico, o tiempo 0 de la carrera de admisión, de forma que cuando el pistón empiece a crear vacío para succionar la mezcla y llegue a su punto de máxima velocidad lineal, ya la apertura sea de unos cuantos Mm.

La segunda razón es que los motores a altas RPM crean una columna de aire en el intake manifold que tiene mucha inercia, mucho momentum o cantidad de movimiento (cantidad de movimiento lineal P, tal que P = m.v, donde m es la masa de lo que se mueve y v es la velocidad con que se mueve. Para que tengan una idea de este concepto, la variación de la cantidad de movimiento con respecto al tiempo es lo que llamamos Fuerza), es decir el aire ya está a alta presión en el asiento de la válvula un poco antes de que abra, sobre todo, como antes descrito, a altas RPM. Así que se abre la válvula un poco antes de que el pistón termine su carrera de escape y llegue al PMS (como se dijo en la primera razón), de manera que la presión de la columna de aire detrás de la válvula obliga a la mezcla a entrar, aún aunque el pistón esté subiendo unos mm para frenarse y empezar a succionar. Pero, ¿qué ocurre? Ese recorrido hacia arriba del pistón mientras la válvula de admisión se esta abriendo pertenece a la carrera de escape del ciclo anterior lo que quiere decir que la válvula de escape aún se esta cerrando, es decir, ambas válvulas tanto de admisión como escape no están en sus asientos por esos muy breves instantes. La cantidad de grados que se barren cuanto la operación que realizan ambas válvulas se "solapa" se llama overlap. ¿Qué pasa con el overlap? Si tienes mucho overlap tienes mucha ayuda para llenar la admisión, tienes ramming effect. Pero esa ayuda sólo ocurre cuando la inercia de la columna de aire que esta "esperando" para entrar en el cilindro es mayor que la presión interna de la combustión. Es decir que por debajo de ciertas RPM, dependiendo del largo del runner, del diámetro de la válvula, relación de compresión del rod/stroke ratio, etc., etc., ocurre lo contrario. La presión dentro del cilindro terminando el escape y comenzando la admisión es mayor que la de la columna de aire que esta esperando, entonces ocurre un fenómeno que se llama reversión, los gases de escape entran en al múltiple de admisión y lo contaminan, cambian la relación aire combustible, disminuyen la eficiencia volumétrica, y aumentan la temperatura de lo que esta entrando al motor. Esto causa que el motor pierda la cadencia normal de funcionamiento, y que estadísticamente falle una ignición por cada dos ciclos. Este fenómeno se llama 8 stroking. Es por esto que los motores con súper levas fallan en mínimo. Muchas compañías solucionan este tipo de problemas con sistemas de variación de tiempos de la leva, lift y tiempos de ignición. Ferrari por ejemplo, tiene levas cuyas caras describen una curva a lo largo del camshaft y moviendo la leva longitudinalmente se varía el lift y el tiempo de apertura. En Honda este problema se soluciona con el VTEC, de manera que se tenga “una leva para cada zona de poder”, una configuración para cada rango de trabajo del motor.

Para comprender como la 2da ley de la termodinámica afecta la eficiencia de cualquier motor de combustión interna debemos estudiar primero tanto los aspectos del ciclo teórico como los del real, partiendo del "Ciclo Otto Teórico"
El motor Otto de cuatro tiempos cuyo ciclo mecánico se completa con 4 carreras del pistón y dos revoluciones del cigüeñal en teoría sigue el proceso siguiente:
Proceso de Aspiración: Corresponde a la evolución (0-1) en que el pistón va desde el punto muerto superior PMS al punto muerto inferior PMI y la válvula de admisión se abre permitiendo el llenado del cilindro con una mezcla de aire y combustible todo esto manteniendo a su vez la válvula de escape cerrada. Para que esto ocurra se necesita aportar trabajo al sistema.
Proceso de Compresión (1-2): el pistón comienza a ascender desde el PMI al PMS manteniendo las válvulas de admisión y de escape cerradas provocando una compresión adiabática de la mezcla. Para que esto ocurra, al igual que en la evolución anterior, se debe aportar trabajo al sistema.

Proceso de combustión (2-3): Este proceso ocurre cuando la chispa enciende de la mezcla manteniendo ambas válvulas cerradas. Esto se realiza cuando el pistón se encuentra en PMS y en "teoría" es instantáneo. La combustión de la mezcla provoca un aumento en la presión.

Proceso de Expansión (3-4): La combustión de la mezcla provoca que el pistón baje desde el PMS al PMI generándose trabajo positivo. Esto ocurre manteniendo ambas válvulas cerradas (VE y VA) y se supone un proceso adiabático.
Apertura de Válvula de Escape (4-1): Cuando el pistón se encuentra en el PMI se abre sólo la válvula de escape lo que genera una caída de presión que en teoría es instantánea.
Proceso de expulsión (1-0) : En esta carrera se liberan los gases a la atmósfera al abrir la válvula de escape y el pistón sube desde PMI al PMS. Dado que las presiones dentro del cilindro y en la atmósfera son las mismas, el trabajo requerido en esta evolución es nulo.

Ciclo Otto Real
Dado que en la realidad los procesos no son ideales, el ciclo Otto real experimenta algunas variaciones con respecto al ciclo Otto teórico que tienen su origen en las siguientes aproximaciones:

La transferencia de calor en un motor Otto real no es nula por lo que el supuesto de la existencia de procesos adiabáticos es sólo aproximadamente correcta durante la compresión, sin embargo el aumento de la temperatura en el interior del cilindro durante la combustión hace que la transferencia de calor durante todo el proceso de expansión no sea despreciable (y a su vez necesaria para proteger los componentes del motor). Partiendo de los parámetros principales que gobiernan la eficiencia térmica de un ciclo Otto: relación de compresión y la relación de capacidades térmicas específicas; el valor de la eficiencia térmica aumenta al aumentar la relación de compresión, desde el punto de vista practico está limitado por la ocurrencia de la preignición cuando la relación se eleva por encima de 10:1.

El proceso de combustión, pese a ser extremadamente rápido no es instantáneo, lo cual trae consigo que el proceso no ocurra a volumen constante. En motores cuyo ajuste pretende obtener una máxima eficiencia, el encendido de la mezcla entre 40° y 10° antes de alcanzar el PMS, esto provoca una combustión temprana que produce un aumento en la presión por sobre el valor teórico, sin embargo, como la combustión no es instantánea, la presión máxima se alcanza unos 15° después del PMS llegando a un valor mucho menor que el teórico. Además, durante todo el proceso de expansión la presión real se mantiene por debajo de la predicha por el modelo teórico.

Las reacciones no son ideales, por lo que en la realidad la combinación de varios efectos provoca que la combustión no sea completa aún en presencia de mezclas pobres lo que genera que los gases de escape presenten un cierto porcentaje de monóxido de carbono, hidrógeno e hidrocarburos no quemados. Todo esto trae como consecuencia una disminución en la eficiencia de conversión del combustible en comparación con el modelo teórico. Por otro lado el efecto de disociación del combustible que a altas temperaturas provoca que cierta cantidad de moléculas de los productos de combustión se fraccione, genera una disminución de la temperatura máxima de los productos (aún a volumen constante) en comparación con la teórica.
Finalmente, también contribuye a reducir el rendimiento real, el momento en que se abren las válvulas. La válvula de escape se abre antes del PMI con lo cual la expansión de los gases de escape es incompleta y la presión, a partir de ese punto cae rápidamente. Similarmente la válvula de admisión se cierra después del PMI, provocando que la presión antes de la combustión sea menor que la teórica.

En un ciclo de 4 tiempos existe una parte del ciclo donde el motor efectúa trabajo. Esta parte, llamada "trabajo bruto" corresponde a la diferencia entre el trabajo efectuado durante la expansión de los gases quemados y el trabajo recibido durante la compresión.

En los 2 tiempos restantes, el trabajo de succión es igual o inferior al trabajo requerido para expulsar los gases quemados; o sea, el trabajo requerido para evacuar los gases del cilindro tiene la misma magnitud, pero de signo contrario, que el requerido para admitir la nueva carga por tanto estas dos partes del ciclo teórico no afectan el trabajo neto desarrollado.

Datos para los que quieran jugar con las características geométricas de un motor Otto

Diámetro del pistón
Carrera: L
Largo de biela
Radio del cigüeñal: a
Volumen de cada cilindro: Vc
Número de cilindros: nc
Revoluciones por ciclo: nr = 2
Velocidad de giro del cigüeñal: N
Fórmulas:

Superficie de acción: A=pi*D^2/4
Volumen desplazado por cada pistón: Vd=a*L
Volumen total desplazado: Vdt=Vd*nc
Admisión máxima teórica en motores aspirados: Vdt=Vdt*N/nr



Aerodinámica.
Uno de los principales objetivos aerodinámicos en los últimos tiempos es el efecto suelo, que aprovecha el flujo de aire que pasa por el auto para aumentar la velocidad del auto en lugar de perjudicarlo por la oposición que el viento ofrece.
En los Sport Prototipos, y en muchas categorías del automovilismo, el fondo del auto era plano por reglamento para evitar los peligrosos autos-ala que proliferaron en la Fórmula 1 a finales de los años setenta y principios de los ochenta. Aún así los diseñadores buscaban (y buscan) con lo que tenían a la mano para lograr dicho efecto. Existen algunos aspectos básicos para obtener el efecto suelo pero sin violar el reglamento:
- La distancia entre el chasis y el suelo no debe exceder los 10 cm ni ser menor a 5, para que el efecto suelo sea posible y a la vez seguro.
- El centro de gravedad del auto debe ser lo más bajo posible.
- Para que el efecto suelo exista, el chasis debe formar una apariencia de ala invertida.
- El ancho de vía trasera debe ser menor a la delantera: el ancho del auto debe ser lo máximo permitido por el reglamento.
- Para que el coche no pierda estabilidad ante la fuerte presión, es imprescindible contar con alerón trasero. La carga aerodinámica dependerá del diseño de cada auto y de la rapidez del circuito.
- La extracción y salida del aire para su refrigeración debe ser lo más limpia posible para no crear turbulencias.
- El ángulo de los difusores (el apoyo que existe detrás de la llanta trasera) es también importante. A ángulo mayor, habrá mayor efecto suelo, pero se necesitará más flujo de aire por debajo del fondo plano del auto. A ángulo menor, habrá mejor efecto suelo si es que se pone una trompa (alerón delantero) de forma convexa que se encargaría de buena parte del efecto disminuyendo el flujo de aire por el fondo del coche (lo que sucede en la Fórmula 1). La mayoría de los bólidos se inclinan por el mayor efecto por la parte del fondo del auto.

[Guayo]

Muy muy buena info, ya hacían falta tus threads. Propongo que lo pongan como adherido.

[XU10J2]

Que buena info. Ahorita me la pirateo a Word no vaya a ser que se vuelva a caer el foro :oscar2:

[Moshé]

buena info un cachito de imagens se hubiera visto mejor :si:

[Chileno]

buenisima info y que inspiracion va o de plano para escribir todo esto hay que tener paciencia a menos que le des copy paste

[civer]

calidad unas imagenes y te queda virgo

[HC Racing team]

BUENA INFO. PARA LA MARA, SI SE PONEN HA ANALIZAR TODO LO ESCRITO SE LES ESCLARECERIAN MUCHAS DUDAS, SI ES QUE TIENEN INTERES, SINO QUE SIGAN PREGUNTANDO.:asaber: :asaber:
BUENA ONDA Dr.

[Dr nitrous]

buena info un cachito de imagens se hubiera visto mejor :si:

Si esto incluye varias imagenes sobre todo en lo relacionado con las valvulas, levas y la admision, pero no se ven y me da ladilla pegarlas una por una, cuando tenga un tiempito arreglo el thread y pongo las imagenes.

[MikeGTS]

:adorar: buena info solo que me desocupe y lo leo detenidamente!

[CIVICO]

:adorar: excelente la info !!!!!!