conductos de la culata

La modificación de los conductos de admisión y escape de un motor de combustión interna se refiere al proceso de optimizar el flujo de aire. Las culatas , tal como se fabrican, suelen ser subóptimas para aplicaciones de competición debido a su diseño orientado a la máxima durabilidad. Los conductos pueden modificarse para obtener la máxima potencia, el mínimo consumo de combustible o una combinación de ambos, y las características de entrega de potencia pueden ajustarse para adaptarse a una aplicación específica.

Cuando se decide realizar una modificación mediante pruebas con un banco de flujo de aire , el material original de la pared del puerto se puede remodelar manualmente con amoladoras o con fresadoras de control numérico . Para modificaciones importantes, los puertos deben soldarse o reforzarse de forma similar para añadir material donde no lo había.

El motor Ford F2000 de dos litros en su configuración estándar, equipado con la culata que se muestra arriba, era capaz de entregar 115 caballos de fuerza a 5500 rpm para una BMEP de 136 psi .

Esta culata de competición Pro Stock de posventa se utilizó en un motor capaz de generar 1300 caballos de fuerza a 9500 rpm con una BMEP de 238 psi. Una BMEP de 238 psi lo sitúa cerca del límite para un motor de gasolina de aspiración natural . Los motores de Fórmula Uno de aspiración natural suelen alcanzar valores de BMEP de 220 psi. Los perfiles de las levas, las RPM del motor , las limitaciones de altura del motor y otras limitaciones también contribuyen a la diferencia de potencia con la unidad Ford, pero la diferencia en el diseño de los puertos es un factor importante.

Cuando la válvula se abre, el aire no entra, sino que se descomprime en la región de baja presión que se encuentra debajo. Todo el aire en el lado aguas arriba del límite de la perturbación móvil queda completamente aislado y no se ve afectado por lo que sucede en el lado aguas abajo. El aire en la entrada del rodete no se mueve hasta que la onda llega hasta el final. Solo entonces puede comenzar a fluir todo el rodete. Hasta ese momento, lo único que puede ocurrir es que el gas a mayor presión que llena el volumen del rodete se descomprima o se expanda en la región de baja presión que avanza por el rodete. (Una vez que la onda de baja presión llega al extremo abierto del rodete, invierte su signo: el aire que entra a gran velocidad fuerza una onda de alta presión que desciende por el rodete. Esto no se muestra en esta animación).

Por el contrario, el cierre de la válvula no detiene inmediatamente el flujo en la entrada del conducto, que continúa sin verse afectado hasta que recibe la señal de cierre. El cierre de la válvula provoca un aumento de presión que se propaga por el conducto como una onda positiva. El flujo en la entrada del conducto continúa a máxima velocidad, lo que provoca un aumento de presión hasta que la señal llega a dicha entrada. Este considerable aumento de presión se puede observar en el gráfico inferior, donde supera con creces la presión atmosférica.

Es este fenómeno el que permite que se produzca la denominada «afinación por impacto», y es lo que se «afina» mediante los sistemas de admisión y escape optimizados. El principio es el mismo que el del efecto de golpe de ariete, tan conocido por los fontaneros. La velocidad a la que puede viajar la señal es la velocidad del sonido dentro del conducto.

Por eso, los volúmenes de los conductos de admisión y escape son tan importantes; los volúmenes de las sucesivas partes de estos conductos controlan el flujo durante todos los periodos de transición. Es decir, cada vez que se produce un cambio en el cilindro, ya sea positivo o negativo, como cuando el pistón alcanza su velocidad máxima. Este punto se sitúa en diferentes momentos según la longitud de la biela y la carrera del cigüeñal , y varía con la relación biela/carrera. En el diseño automotriz convencional, este punto se encuentra casi siempre entre 69 y 79 grados después del punto muerto superior (PMS), favoreciendo las relaciones biela/carrera más altas. Solo se alcanza a la mitad de la carrera (90 grados) con una biela de longitud infinita.

La actividad ondulatoria/de flujo en un motor real es muchísimo más compleja que esto, pero el principio es el mismo.

A primera vista, esta propagación de ondas podría parecer extremadamente rápida y poco significativa, pero algunos cálculos demuestran lo contrario. En un conducto de admisión a temperatura ambiente, la velocidad del sonido es de aproximadamente 1100 pies por segundo (340 m/s) y recorre un puerto/conducto de 12 pulgadas (300 mm) en 0,9 milisegundos. El motor que utiliza este sistema, funcionando a 8500 rpm, tarda 46 grados de giro del cigüeñal antes de que cualquier señal del cilindro pueda llegar al extremo del conducto (suponiendo que no haya movimiento del aire en el conducto). 46 grados, durante los cuales solo el volumen del puerto/conducto satisface las necesidades del cilindro. Esto no solo se aplica a la señal inicial, sino también a cualquier cambio en la presión o el vacío que se genere en el cilindro.  

Utilizar un conducto más corto para reducir el retardo no es viable, ya que, al final del ciclo, el conducto largo continúa fluyendo a máxima velocidad, sin tener en cuenta el aumento de presión en el cilindro y proporcionándole presión cuando más se necesita. La longitud del conducto también controla la sincronización de las ondas de retorno y no se puede modificar. Un conducto más corto fluiría antes, pero también se detendría antes, al tiempo que las ondas positivas regresarían demasiado rápido (ajustadas a un régimen de revoluciones más alto), y dichas ondas serían más débiles. La clave reside en encontrar el equilibrio óptimo de todos los factores según los requisitos del motor.

Para complicar aún más el sistema, la cúpula del pistón, la fuente de la señal, se mueve continuamente. Primero, se desplaza hacia abajo en el cilindro, aumentando así la distancia que debe recorrer la señal. Luego, vuelve a subir al final del ciclo de admisión, cuando la válvula aún está abierta más allá del punto muerto inferior (PMI) . Las señales provenientes de la cúpula del pistón, una vez establecido el flujo inicial en el conducto de admisión, deben contrarrestar la velocidad generada en ese instante, lo que las retrasa aún más. Además, las señales generadas por el pistón no tienen una trayectoria directa hacia arriba en el conducto de admisión. Gran parte de ellas rebota en el resto de la cámara de combustión y resuena dentro del cilindro hasta alcanzar una presión promedio. Asimismo, las variaciones de temperatura debidas a los cambios de presión y la absorción de las piezas calientes del motor provocan cambios en la velocidad del sonido local.

Cuando la válvula se cierra, se produce una acumulación de gas que genera una fuerte onda positiva que debe propagarse por el conducto. La actividad ondulatoria en el puerto/conducto no cesa, sino que continúa reverberando durante un tiempo. Cuando la válvula se abre de nuevo, las ondas restantes influyen en el siguiente ciclo.

El gráfico anterior muestra la presión del conducto de admisión a 720 grados de giro del cigüeñal de un motor con un puerto/conducto de admisión de 7 pulgadas (180 mm) funcionando a 4500 rpm, que es su par máximo (cerca del llenado máximo del cilindro y BMEP para este motor). Las dos curvas de presión se toman del extremo de la válvula (azul) y de la entrada del conducto (rojo). La línea azul sube bruscamente cuando se cierra la válvula de admisión. Esto provoca una acumulación de aire, que se convierte en una onda positiva que se refleja hacia arriba del conducto y la línea roja muestra que esa onda llega más tarde a la entrada del conducto. Nótese cómo la onda de succión durante el llenado del cilindro se retrasa aún más al tener que luchar contra el aire entrante y el hecho de que el pistón está más abajo en el cilindro, aumentando la distancia. 

El objetivo de la optimización es ajustar los conductos y la sincronización de las válvulas para que se genere una onda de alta presión en el puerto durante la apertura de la válvula de admisión, lo que permite un flujo rápido, y que una segunda onda de alta presión llegue justo antes del cierre de la válvula para que el cilindro se llene al máximo. La primera onda es lo que queda en el conducto del ciclo anterior, mientras que la segunda se crea principalmente durante el ciclo actual por el cambio de signo de la onda de succión en la entrada del conducto y su llegada a la válvula justo a tiempo para su cierre. Los factores involucrados suelen ser contradictorios y requieren un equilibrio preciso para funcionar correctamente. Cuando funciona, es posible observar eficiencias volumétricas del 140%, similares a las de un compresor volumétrico de buena calidad , pero esto solo ocurre en un rango limitado de RPM.

Se suele creer que el proceso de modificación de puertos consiste en agrandar los puertos al máximo y aplicarles un acabado pulido a espejo. Sin embargo, esto no es así. Si bien algunos puertos pueden agrandarse al máximo (para lograr la máxima eficiencia aerodinámica), se trata de motores de alta velocidad y gran desarrollo, donde el tamaño real de los puertos se convierte en una limitación. Los puertos más grandes permiten un mayor flujo de combustible/aire a altas revoluciones, pero sacrifican el par motor a bajas revoluciones debido a la menor velocidad de la mezcla. Un acabado pulido a espejo no proporciona el aumento que se sugiere intuitivamente. De hecho, en los sistemas de admisión, la superficie suele texturizarse deliberadamente con una rugosidad uniforme para favorecer la rápida evaporación del combustible depositado en las paredes del puerto. Una superficie rugosa en áreas específicas del puerto también puede alterar el flujo al energizar la capa límite , lo que puede modificar notablemente la trayectoria del flujo, posiblemente incrementándolo. Esto es similar al efecto de los hoyuelos en una pelota de golf . Las pruebas en banco de flujo demuestran que la diferencia entre un puerto de admisión pulido a espejo y uno con textura rugosa suele ser inferior al 1 %. La diferencia entre una superficie lisa al tacto y una superficie ópticamente reflectante no se puede medir con métodos convencionales. Los puertos de escape pueden tener un acabado liso debido al flujo de gases secos y para minimizar la acumulación de residuos. Generalmente, se acepta que un acabado de grano 300 a 400, seguido de un pulido ligero, es casi óptimo para los puertos de escape.

La razón por la que los puertos pulidos no son ventajosos desde el punto de vista del flujo es que, en la interfaz entre la pared metálica y el aire, la velocidad del aire es cero (véase capa límite y flujo laminar ). Esto se debe a la acción humectante del aire y, de hecho, de todos los fluidos. La primera capa de moléculas se adhiere a la pared y no se mueve significativamente. El resto del campo de flujo debe deslizarse, lo que genera un perfil de velocidad (o gradiente) a lo largo del conducto. Para que la rugosidad de la superficie afecte al flujo de forma apreciable, los puntos elevados deben ser lo suficientemente altos como para sobresalir en el aire que se mueve más rápido hacia el centro. Solo una superficie muy rugosa logra esto.

Además de todas las consideraciones dadas a un puerto de motor de cuatro tiempos, los puertos de motor de dos tiempos tienen otras adicionales:

• Calidad/pureza del barrido: Los conductos son responsables de expulsar la mayor cantidad posible de gases de escape del cilindro y rellenarlo con la mayor cantidad posible de mezcla fresca, evitando que una gran cantidad de esta última salga por el escape. Esto requiere una sincronización y una orientación precisas de todos los conductos de transferencia.
• Ancho de banda de potencia: Dado que los motores de dos tiempos dependen en gran medida de la dinámica de las olas, sus bandas de potencia tienden a ser estrechas. Al intentar obtener la máxima potencia, siempre se debe tener cuidado de que el perfil de potencia no sea demasiado brusco y difícil de controlar.
• Área de tiempo: La duración del puerto de dos tiempos se suele expresar como una función del área de tiempo. Esto integra el área de apertura del puerto, que cambia continuamente, con la duración. Los puertos más anchos aumentan el área de tiempo sin aumentar la duración, mientras que los puertos más altos aumentan ambos.
• Sincronización: Además del rango temporal, la relación entre la sincronización de todos los puertos determina en gran medida las características de potencia del motor.
• Consideraciones sobre la dinámica de las olas: Si bien los motores de cuatro tiempos presentan este problema, los de dos tiempos dependen mucho más de la acción de las olas en los sistemas de admisión y escape. El diseño de los puertos de admisión y escape de los motores de dos tiempos influye notablemente en la sincronización y la intensidad de las olas.
• Flujo de calor: El flujo de calor en el motor depende en gran medida del diseño de los conductos de admisión y escape. Los conductos de refrigeración deben rodearlos. Es fundamental evitar que la mezcla de combustible y aire se caliente, pero al mismo tiempo, muchas piezas se enfrían principalmente gracias a dicha mezcla. Cuando los conductos ocupan demasiado espacio en la pared del cilindro, se dificulta la transferencia de calor del pistón al refrigerante a través de las paredes. A medida que los conductos se vuelven más anchos, algunas zonas del cilindro se adelgazan, lo que puede provocar un sobrecalentamiento.
• Durabilidad de los segmentos del pistón: Un segmento de pistón debe deslizarse suavemente sobre la pared del cilindro, manteniendo un buen contacto para evitar tensiones mecánicas y contribuir a la refrigeración del pistón. En diseños de lumbreras radicales, el segmento tiene un contacto mínimo en la zona inferior de la carrera, lo que puede provocar un mayor desgaste. Los impactos mecánicos generados durante la transición del contacto parcial al contacto total con el cilindro pueden acortar considerablemente la vida útil del segmento. Las lumbreras muy anchas permiten que el segmento se abombe hacia afuera, agravando el problema.
• Durabilidad de la falda del pistón: El pistón debe estar en contacto con la pared para su refrigeración, pero también debe transmitir el empuje lateral de la carrera de potencia. Los conductos deben diseñarse de manera que el pistón pueda transferir estas fuerzas y el calor a la pared del cilindro, minimizando al mismo tiempo la flexión y el impacto en el pistón.
• Configuración del motor: La configuración del motor puede verse influenciada por el diseño de los puertos. Esto es un factor importante en los motores multicilíndricos. El ancho del motor puede ser excesivo incluso para motores de dos cilindros de ciertos diseños. Los motores con válvulas de disco rotativo y amplias toberas de transferencia pueden ser tan anchos que resultan poco prácticos como motores bicilíndricos en paralelo. Los diseños de motor bicilíndrico en V y longitudinal se utilizan para controlar el ancho total.
• Cylinder distortion: Engine sealing ability, cylinder, piston and piston ring life all depend on reliable contact between cylinder and piston/piston ring so any cylinder distortion reduces power and engine life. This distortion can be caused by uneven heating, local cylinder weakness, or mechanical stresses. Exhaust ports that have long passages in the cylinder casting conduct large amounts of heat to one side of the cylinder while on the other side the cool intake may be cooling the opposite side. The thermal distortion resulting from the uneven expansion reduces both power and durability although careful design can minimize the problem.
• Combustion turbulence: The turbulence remaining in the cylinder after transfer persists into the combustion phase to help burning speed. Unfortunately, good scavenging flow is slower and less turbulent.

The die grinder is the stock in trade of the head porter and are used with a variety of carbide cutters, grinding wheels and abrasive cartridges. The complex and sensitive shapes required in porting necessitate a good degree of artistic skill with a hand tool.

Until recently, CNCmachining was used only to provide the basic shape of the port but hand finishing was usually still required because some areas of the port were not accessible to a CNC tool. New developments in CNC machining now allow this process to be fully automated with the assistance of CAD/CAM software. 5-Axis CNC controls using specialized fixtures like tilting rotary tables allow the cutting tool full access to the entire port. The combination of CNC and CAM software give the porter full control over the port shape and surface finish.

Measurement of the interior of the ports is difficult but must be done accurately. Sheet metal templates are made up, taking the shape from an experimental port, for both cross-sectional and lengthwise shape. Inserted in the port these templates are then used as a guide for shaping the final port. Even a slight error might cause a loss in flow so measurement must be as accurate as possible. Confirmation of the final port shape and automated replication of the port is now done using digitizing. Digitizing is where a probe scans the entire shape of the port collecting data that can then be used by CNC machine tools and CAD/CAM software programs to model and cut the desired port shape. This replication process usually produces ports that flow within 1% of each other. This kind of accuracy, repeatability, time has never before been possible. What used to take eighteen hours or more now takes less than three.

The internal aerodynamics involved in porting is counter-intuitive and complex. Successfully optimizing ports requires an air flow bench, a thorough knowledge of the principles involved, and engine simulation software.

Aunque gran parte del conocimiento sobre la modificación de puertos se ha acumulado a lo largo del tiempo mediante métodos de ensayo y error, actualmente existen las herramientas y el conocimiento necesarios para desarrollar un diseño de modificación de puertos con cierto grado de certeza.

• Simulador de motor de demostración gratuito utilizado para generar el gráfico anterior
• Técnicas de modificación de los conductos de la culata
• Técnica de modificación de conductos de culata de hierro fundido "UnderCover" de Brzezinski
• Una máquina CNC de 5 ejes para el mecanizado de culatas en funcionamiento.
• Varios artículos sobre la portabilidad.
• Biblioteca Digital de Modelos Cinemáticos para el Diseño (KMODDL) : vídeos y fotografías de cientos de modelos de sistemas mecánicos en funcionamiento en la Universidad de Cornell. También incluye una biblioteca de libros electrónicos con textos clásicos sobre diseño e ingeniería mecánica.