Teoría sobre los Árboles de levas

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... 

#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.

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. 

#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.

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.

Muy bien, ¿Y esa es toda la magia? ¡Por supuesto que no, todavía tenemos más! 

El pistón comienza a subir en su carrera de escape y barre al exterior el resto de gases quemados aún contenidos el interior del cilindro que se han quedado rezongadillos y no han salido en el primer momento. En este momento tenemos que pensar en que haciendo un truco de magia muy fácil podemos conseguir una ventaja muy importante. Se nos plantea el problema de que, si bien la culata cuenta con un sistema extraordinario de refrigeración, la válvula de escape es uno de los puntos más críticos y calientes del interior del cilindro y cámara de combustión, dado que no sólo está presente en el momento de la explosión (como también lo está la de admisión y el resto de elementos: electrodos de la bujía, cabeza del pistón, etc...) sino que además los gases de escape la rodean cuando ésta se abre y salen al exterior. Esto es un punto muy negativo porque un punto incandescente (hot spot en inglés) dentro del cilindro nos va a dar problemas de autodetonación (lógico, imagínate rociar gasolina+aire sobre una válvula al rojo vivo... no hace falta bujía para que arda). Por esto, nuestro truco va a consistir en dejar la válvula de escape abierta aún después de que el pistón pase por su punto muerto superior. ¿Qué va a pasar entonces? Que va a haber un momento en el que van a estar abiertas a la vez las válvulas de escape... y de admisión. Estamos justo terminando el 4º ciclo del motor y está empezando el 1º (recordemos que dijimos que la válvula de admisión se abre antes de que el pistón llegue al punto muerto superior), por lo que el tener ambas válvulas abiertas a la vez va a hacer que parte de gases frescos de la admisión se vayan directamente al escape, arrastrados a través de la vávula de escape y bajando su temperatura notablemente. Este concepto se conoce como solape, cruce de válvulas o permanencia, porque es el tiempo en el que ambas válvulas están abiertas a la vez. Llegado a este punto la complejidad física, mecánica y matemática los motores actuales me crea ganas de aplaudir y llorar de la emoción, pero no lancemos aún las campanas al vuelo, porque está claro que si estamos tirando aire del colector de admisión (que recordemos que nuestros motores son de inyección indirecta, por lo que no es sólo aire sino aire+gasolina) estamos tirando combustible directamente al escape, lo cual es entre otras cosas una pérdida de dinero (ínfima, también es cierto). Pero también se presenta otro factor más, que vamos a ver en el siguiente punto. 


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



Estamos tirando gasolina cruda al escape, lo cual, en el mejor de los casos, hará trizas cualquier tipo de catalizador que llevemos montado en la línea de escape. En cuanto que la gasolina atomizada en el aire toque la pared del catalizador va a arder y detonar, por lo que se tiende a dotar a los motores de unos tramos en el inicio del primer catalizador llamados "apagallamas" para mitigar el efecto de la gasolina cruda que pueda llegar hasta ellos (más que nada porque los catalizadores normales son cerámicos, de manera que una detonación en su interior y empezamos a escupir trozos de catalizador por el escape, literalmente). Ahora bien, ¿Por qué en los coches de rallye y competición (F1 incluídos) es bastante normal ver estos atractivos petardazos por el escape? Simple y sencillo: porque el cruce de válvulas que tienen es muy alto. Es decir, que hay bastante tiempo en el que ambas válvulas están abiertas a la vez, lo cual nos lleva a un segundo razonamiento, y es que además de estar tirando gasolina por el escape, nos estamos quedando sin gasolina dentro. Es decir, que la gasolina que se va al escape no se queda en el cilindro, por lo que estamos perdiendo eficiencia a la hora de llenar el interior del cilindro, ya que parte de esa mezcla mágica de gasolina y combustible que la ECU ha calculado para la carga del motor en ese momento se nos está yendo por el escape. NRGz, ponme un ejemplo que no me entero... eso está hecho. Un cruce de válvulas muy grande, así como unos avances a la apertura de admisión y escape, y retrasos al cierre de ambos, muy agresivos nos van a hacer que necesitemos que el aire de verdad esté teniendo una inercia acorde con el gran margen que le estamos dando para que entre y salga del cilindro. ¿Cuándo se consigue esto? Respuesta fácil: cuando el motor está funcionando alto de vueltas ¿Qué nos causa esto? Nos causa que si montamos unos árboles de levas con un diagrama (esto lo explico más abajo) muy agresivo, vamos a conseguir que el motor funcione muy bien (de manera muy optimizada) a altas vueltas, pero cuando estemos en la zona baja del cuentarrevoluciones va a funcionar literalmente como el culo: petardazos por el escape, falta de brío para subir de vueltas y ralentí inestable. Es por esto que los árboles de levas tan agresivos se limitan a su uso exclusivo en competición. No es que no se pueda montar en un coche de calle, pero desde luego que no va a ser una buena opción montar unos árboles de levas que hacen funcionar guay nuestro motor a 6.000 rpm si también solemos callejear con ese coche, porque en la zona baja del cuentavueltas ya digo que va a ser un motor torpe, rezongón, inestable y que consume demasiado. Puedes buscar un árbol de levas intermedio, sí, pero recuerda que al hablar de sistemas de distribución invariables (este término me lo acabo de sacar de la manga) tienes que buscar un compromiso entre las prestaciones que te va a dar yendo a jierro y las que te dará cuando vayas a hacer la compra al Mercadona . 


#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:



Ahora, por favor, si te has molestado en leerte todo esto (olé tus juevos), tómate un minuto para comprender la gráfica y ubicar cada punto de los explicados en la gráfica. Como podemos ver, arroja los siguientes valores:

AAA: 8º (que respecto al PMS significa que esta válvula de admisión se abre 1º antes de que el pistón pase por el PMS)
RCA: 37º (que respecto al medio giro que ha dado el cigüeñal significa que esta válvula de admisión se cierra 180+37 = 217º después de que el pistón pase por el PMS y 37º después de que pase el PMI)
AAE: 31º (que respecto al medio giro que ha dado el cigüeñal significa que esta válvula de escape se abre 180-31 = 149º después de que el pistón pase por el PMS y 31º antes de que llegue al PMI)
RCE: 1º (que respecto al PMS significa que esta válvula de escape se cierra 1º después de que el pistón pase por el PMS)

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:



Como veis ahí, se muestran dos diagramas de distribución diferentes, y es la ventaja que nos permite tener un sistema de distribución variable, un diagrama para funcionar a bajas vueltas y otro para funcionar cuando se sobrepasa un régimen determinado. De esta manera evitamos lo que comentaba de tener un coche con un motor demasiado puntiagudo, es decir, que en bajas no respira bien pero en altas sí. Así conseguimos que a bajar revoluciones funcione bien... y a altas también. El cómo pasar de un diagrama a otro se puede hacer de muchas maneras, cada marca tiene la suya, destacando este Variocam de Porsche (semejante al que utiliza actualmente el Audi RS4), el V-TEC de Honda, el Bi-Vanos de BMW o los sistemas "sencillos" de variación de fase que utiliza por ejemplo Ford.

En fin, camaradas, creo que esta vez me he pasado y mucho, me ha quedado una explicación muy profunda y realista de cómo funciona la distribución de un motor actual, y espero que esto solucione muchas de vuestras dudas. Recomiendo que os lo leáis con tiempo y varias veces hasta entenderlo a fondo, porque es un sistema realmente fascinante conseguido gracias a la experiencia de miles de ingenieros y de muchas décadas de trabajo en pro de conseguir motores cada vez más potentes y polivalentes a la vez. Me despido por hoy no sin antes pediros perdón por la longitud del texto y agradeceros la lectura.

 

Autor: NRGz. Texto extraído del foro Micras Sport Club: http://micrasportclub.mundoforo.com/viewtopic.php?t=558