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domingo, 1 de julio de 2012

Diagrama distribución Cota 242

Si tienes la oportunidad de conversar con gente preparada y formada que de verdad tenga conocimiento de la industria de motores de automóviles desde la fase de ingeniería, difícilmente lo harás en España, aunque no imposible. Aunque seamos un referente en la producción automóviles, ensamblado y fabricación, la ingeniería nos viene dada del extranjero. En nuestra nación apenas existe ingeniería de motores, toda viene de fuera a pesar de ser el tercer productor de Europa y octavo del mundo.

Tengo asiduamente la oportunidad de charlar con unas de estas escasas personas que desarrolla su trabajo en España, conocedora de esta industria de verdad. Nada que ver con los entendidos de revistas de gasolinera, a cada cual mejor untado por, por ejemplo, Volkswagen o marcas que tratan de rentabilizar sus diseños apoyándose en los medios de comunicación. Y tampoco nada que ver con muchos participantes en el submundillo que se mueve alrededor de los foros, donde te das cuenta del atrevimiento de muchos que se creen entendidos y que confunden a un gran colectivo boquiabierto. Otra cosa es lo útil e importante que es disponer de toda la información (aunque alguna sea falsa) y de experiencias que circula por la red. 

Refiriéndome a este conocedor de la ingeniería de motores, dónde no se pone en duda su dominio sobre los motores de los coches de hoy día, no sorprende que esta persona diga: "No entiendo cómo un motor de dos tiempos puede llegar a funcionar". Si no fuera por países como China, India u otros de lejano oriente donde el vehículo a motor más utilizado tipo ciclomotor funcionan a dos ciclos, estos motores serían ya anecdóticos y del pasado.

Y es que en un dos tiempos en funcionamiento, las cosas parecen que suceden como por casualidad, aunque nada más lejos de la realidad.  Del orden y concierto que tenemos en el cuatro tiempos, pasamos a confiar en la mecánica y dinámica de fluidos ya que la sencillez de estos es mucho mayor al evitar válvulas, transmisiones y levas.
Cuando me pongo en mi taller, y tengo que sacar cilindro y pistón, no dejo pasar la ocasión para  obtener un calco de los bordes de lumbreras.

Fijándonos en el calco de un motor de cota 242 al que he tenido oportunidad de sacar el desarrollo de su cilindro y pistón, he obtenido su diagrama de distribución y que os quiero mostrar.




Mediante estos calcos realizados con papel y grafito, vamos a obtener lo que se llama el diagrama de distribución. Este diagrama representa la cantidad de tiempo que un motor está en cada una de sus fases, viéndose claramente cómo en un motor prepondera una función frente a otra.

Para poder sacarlo debemos traducir el movimiento de traslación del pistón sobre el cilindro en movimiento de rotación del eje del cigüeñal. El movimiento alternativo de un pistón obviamente no es uniforme ya que por cada vuelta cambia entre otras cosas dos veces de sentido, por lo que las aceleraciones a las que está sometido son enormes. De ahí la importancia del diseño del pistón en cuanto a ligereza y de la biela y cigüeñal también en robustez. Además el movimiento de un pistón no es senoidal puro, si no que es diferente en las próximidades del punto muerto superior con respecto a la zona inferior de su recorrido. El movimiento de un pistón guiado por mecanismo de biela - manivela como el que nos ocupa, es más rápido y puntiaguado en la proxímidades del PMS y más lento y llano en las del PMI. Si fuera una proyección de la rotación sobre una recta (eje del clindro) sí se trataría de una senoidal pura, aunque el mecanismo menos sencillo. Es por ello que para visualizar en un diagrama cuanto se abre una lumbrera los debemos hacer en el plano rotacional, y pasar de mm. de distancia de las ventanas a arcos de rotación. Y no es fácil, pues la triangulación que se ha de hacer para obtener los grados a partir de las cotas proporciona funciones trigonométricas donde es sencillo obtener el desplazamiento lineal del pistón para un ángulo determinado de giro del cigüeñal, pero yo al menos no se despejar el ángulo alfa para un desplazamiento x dado. La forma de solucionarlos es ir dando valores a alfa por iteraciones para obtener las distancia x al PMS deseada.

Nada que con una hoja Excel y la función "buscar objetivo" no se pueda obtener. La triangulación y trigonometría está explicado en este enlace Encendido cota 242 dónde quise obtener a partir del avance de encendido en milímetros el correspondiente en grados para ajustarlo con el volante de magnético, de ahí el titulo de la hoja, pero que luego me ha servido para obtener el diagrama de distribución.



Como se puede ver en la hoja, metiendo un valor de giro en el cigüeñal, 45º en el ejemplo, nos porporciona el valor distancia al PMS en la celda inmediatamente superior. Sin embargo, no es posible definir una función que dada la posición lineal del pistón en el cilindro te proporcione el giro del cigüeñal, a no ser que lo hagas por la cuenta de la vieja, dando valores e iterando.

Con una pequeña macro que se activa con el botón de "marcha", podemos ver el gráfico del pistón y cigüeñal en movimiento con las cotas proporcionales al motor de la 242. La macro va dando valores a la celda del valor en grados del giro.


video


Pasando los calcos de las lumbreras del cilindro y del pistón a gráficos podemos obtener las cotas en las que se producen las aperturas y cierres de éstas.
En la figura de arriba vemos las lumbreras del cilindro y la disposición de estas en su desarrollo.

 Mientras que en esta otra disponemos del desarrollo del pistón con los dos orificios que proporcionan un par de by-pases adicionales de carga, como veremos más adelante.




Podemos ahora superponer el pistón sobre el cilindro, en la figura lo hacemos desde la posición de PMS, es decir x=0 mm.
 Si empezamos a bajar el émbolo obtenemos que a x = 16 mm. de la posición PMS éste ha tapado completamente la lumbrera de admisión. El espacio dónde se aloja el cigüeñal y la biela delimitado por la parte inferior del pistón se le denomina cámara de precompresión. En la cámara de explosión, es decir, en el propio cilindro se está produciendo la expansión de gases quemados, haciendo bajar con fuerza el pistón hacia abajo.

Mientras en la cámara de precompresión es justo a partir de este momento cuando queda cerrada. Por tanto los gases frescos que han entrado a la parte inferior del cilindro por la ventana de admisión, comienzan a comprimirse en la precisamente llamada también fase de precompresión. De ahí la importancia de la hermeticidad de esta cámara. Si no lo es, esta precompresión será poco efectiva y, ¿por dónde puede no ser estanca? Pues por muchos sitios: retenes del cigüeñal, plano de junta de los semicárteres, entre el propio pistón y el cilindro, aunque en esta posición los gases pasarían de la cámara de combustión a la parte de abajo, ya que la presión arriba es mucho mayor.

Durante estos primeros 16 milimetros de bajada de pistón la única ventana que ha estado abierta al exterior es la lumbrera de admisión. Por tanto durante este desplazamiento una parte de los gases frescos se han ido por esta lumbrera en dirección contraria hacia el carburador y filtro de aire. Este efecto que se produce tantas veces por minuto como revoluciones del motor, hace que la campana de carburador esté sometida a una fatiga de vaivén que hace que se gaste por rozamiento. Si además no tenemos el filtro en condiciones y le entra polvo, éste mezclado con la grasa crea una pasta que desgasta en poco tiempo cualquier superficie. 

Por otra parte, durante esta primera carrera de poco más de centímetro y medio, se nos ha vaciado ligeramente la cámara de precompresión que contiene gases frescos anteriormente aspirados. Si dispusieramos de una válvula de retención en la lumbrera de escape que impida  que salgan esos gases, tendríamos un motor con mejor llenado de cilindro. Les presento la admisión por láminas. Lo que hacen éstas es precisamente dejar pasar gases frescos sólo hacia dentro de la cámara del cigüeñal e impidiendo la salida de estos hacia afuera durante este recorrido. El motor de la 242 no tiene admisión por láminas, pero si los motores posteriores de esta familia, los de la cota 307, 309 y 310.

Si continuamos con el recorrido descendente, en la parte superior del pistón lo que ocurre es que los gases quemados siguen expandiéndose produciendo la transferencia de energía térmica a mecánica en la cara convexa del pistón, mientras que en la parte inferior se está comprimiendo la mezcla de gases frescos, aire, vapores de gasolina y la propia gasolina si el motor está frío.

Llega el momento en que se abre la lumbrera de escape a los 40 milímetros de haber bajado desde el PMS. En ese instante los gases quemados salen con fuerza por el escape. Ya no transfieren más energía al pistón y es por ello que esos 40 mm son determinantes pues constituyen la carrera de trabajo efectivo de los gases. Se llama carrera efectiva y multiplicada por la superficie circular del cilindro se tiene la cilindrada efectiva, 158 cc. en el caso de la cota 242.



Continuando la carrera descendente del pistón se llega a los 48 mm. a la apertura de las lumbreras de carga. Los gases quemados siguen saliendo por el escape y los gases frescos han llegado a la máxima compresión en la parte inferior.






En el momento en el que el pistón abre las lumbreras de carga y durante los 12 mm. que le quedan para llegar al PMI, los gases de escape siguen saliendo pero ya con menos fuerza y los gases frescos que entran en el cilindro gracias a la precompresión anterior desalojan los restos de quemados que quedan. Ayudando a las lumbreras de carga el pistón de la cota 242 dispone de dos agujeros coincidente con dos acanaladuras en el cilindro que hacen que más gases frescos pasen al interior del cilindro. El llenado del cilindro se hace por el efecto schnuerle en honor a su inventor. Las lumbreras de carga están orientadas hacia atrás y hacia arriba de tal forma que cuando entran en el cilindro y ayudados por la convexidad de la parte superior del pistón barren mejor los gases de escape. Antiguamente esta orientación de las lumbreras de carga eran rectas y la mejora en el barrido y expulsión de los gases de escape se conseguía con una protuberancia en la cabeza del pistón. 



El pistón ha llegado a su parte más inferior y comienza a subir hacia el PMS haciendo la carrera inversa.












El pistón ahora empieza a subir gracias a la energía cinética acumulada en los volantes de inercia y magnético que se han ido acelerando en la etapa de expansión de gases, y llega a cerrar las lumbreras de carga a los 48 mm. desde el PMS. En ese instante en la parte superior de pistón la lumbrera de escape sigue abierta y el cilindro cargado de gases frescos y de algún resto de humos. Estos gases pueden salirse por el escape, y de hecho lo hacen y por ello en el análisis de humos de los motores de 2 tiempos se obtiene una cantidad muy elevada de inquemados. En la parte inferior la cámara está completamente cerrada y el pistón subiendo por lo que se empieza a generar una depresión en la misma.

En el momento en que el pistón cierra la lumbrera de escape, los gases frescos van comprimiéndose y preparándose para cuando se produzca la chispa en la bujía en las proximidades del PMS. Es la fase de la compresión.











Mientras en la parte inferior, la depresión ha crecido en tanto en cuanto el pistón ha ascendido. Cuando sólo le queda 16 mm para llegar al PMS, la lumbrera de admisión comienza a abrirse y gracias a la depresión creada los gases de admisión frescos son aspirados con fuerza hacia la cámara de precompresión.




Hasta que el pistón llega a 2 o 2,5 milímetros del PMS donde salta la chispa, con los gases frescos muy comprimidos, cuanto más comprimidos mejor, más efectiva y mejor rendimiento térmico se obtiene, pudiéndose demostrar termodinámicamente. Aunque luego están los límites constructivos y de propiedades de la gasolina de detonación. 

En ese momento provocamos que salte la chispa, produciéndose una explosión que dependiendo del régimen del motor se produce muy próxino al PMS dónde es más eficaz.


Si pasamos con la hoja excel los 2,5 mm., 16, 40, 48 y 60 mm al ángulo de giro de cigüeñal obtenemos los sectores circulares donde se van produciendo todas fases de compresión, carga, escape, depresión, etc... Como quiera que el movimiento giratorio de cigüeñal es bastante regular, ya que tiene toda la inercia de los volantes, embrague, caja de cambios, cadena, ruedas delantera y trasera y toda la moto en traslación a la velocidad que sea, estos sectores circulares representan el tiempo en que este motor con su diseño de distribución está en cada fase.




Y aquí lo podemos comparar, por ejemplo, con el de la Cappra 250 VR. 


¿Porqué este motor? Pues porque he encontrado un post en Lamaneta dónde proporcionan el calco de la distribución y por otra parte, al ser un motor con un carácter muy distinto al de una trialera, las diferencias deben ser mayores. La Cappra 250 VR aunque la cilindrada es muy parecida, la concepción es de motor de cross antiguo, es decir, potencia sólo a altas revoluciones. Lo que en el argot se decía motor puntiagudo, pues sólo entrega potencia en un margen muy estrecho y elevado de r.p.m. 
  

Lo primero y más evidente es el tiempo que la lumbrera de escape esta abierta, 196º mientras que en la Cota este valor se reduce a 156º. La admisión en la Cota es de 112º frente a los 157º de la Cappra.

Evidentemente se le da más prepoderancia al motor de la Cappra a subir vueltas forma más eficaz de conseguir potencia bruta, por lo que sólo se aprovechan 82º de la expansión de gases frente a los 102º de la Cota. Por contra, el tiempo de admisión, la cantidad de gasolina que traga es mucho mayor en la Cappra. Por otra parte, los motores de cross suelen ser alargados, más carrera que diámetro, mientras que los trialeros son supercuadrados. La Cappra 250 VR tiene 4 milímetros más de carrera que la Cota.

Esta configuración de geometrías de las lumbreras y de los tiempos de apertura, por tanto es determinante para la configuración del comportamiento de un motor, pero debe ir acompañada de otras configuraciones específicas para que el comportamiento real sea el esperado. La carburación y el escape son también igual de importantes. De nada vale tener abierta la admisión 157º si no hay un carburador de diámetro de difusor apropiado y surtidores correctos. El sólo aprovechar 82º de expansión de gases es por el efecto de vibración de la columna gases quemados en el escape al entrar en resonancia por la geometría de éste. Por ello cambiar únicamente la distribución de un motor de dos tiempos no es efectivo, se deberá cambiar igualmente geometría de escape, carburación, avance de encendido, etc...

1 comentario:

Germán García Pérez dijo...

Excelente entrada!!! Estoy haciendo los diagramas de desarrollo de las Sherpas y acabo de encontrar esta entrada en ti Blog que me va a ser de mucha ayuda. Si tengo problemas ya te diré.