Proyecto de motores

2012

Alumnos

FUJIWARA, LUCIO 55374

CASTALDI, MAURICIO 55442

Dimensionamiento de vlvulas

Proyecto de Motores Rev. 1

Dimensionamiento de vlvulas A de

TP N1 15.10.12 12

Contenido

1 Resumen ............................................................................................................................................. 2

2 Desarrollo ........................................................................................................................................... 2

2.1 Dimensiones ................................................................................................................................ 2

2.2 Esfuerzos inerciales ..................................................................................................................... 3

2.3 Material ....................................................................................................................................... 3

2.4 Clasificacin ............................................................................................................................... 3

2.5 Tamao de las vlvulas ............................................................................................................... 5

2.6 Alzada de las vlvulas ................................................................................................................. 5

2.7 Nmero de vlvulas .................................................................................................................... 5

2.8 Carrera del cilindro ..................................................................................................................... 6

2.9 ngulo entre vlvulas ................................................................................................................. 6

2.10 Colocacin de las bujas .............................................................................................................. 6

2.11 Cruce de vlvulas ........................................................................................................................ 7

2.12 Tiempo de vlvulas abiertas ........................................................................................................ 7

2.13 Longitud de los colectores........................................................................................................... 7

2.14 Dimetro de los colectores .......................................................................................................... 7

2.15 Seccin efectiva de llenado ......................................................................................................... 8

2.16 Sobrealimentacin ....................................................................................................................... 8

3 Soluciones reales ................................................................................................................................. 8

4 Mejoras en conjunto con la aplicacin de 4 vlvulas. ....................................................................... 11

5 Conclusiones ..................................................................................................................................... 12

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1 Resumen

Hoy en da se construyen motores multivlvulas de 3, 4 o incluso 5 vlvulas por cilindro. El

uso de vlvulas mltiples se ha extendido debido a una respiracin mejorada del motor en

regmenes elevados. En este caso, resulta posible obtener un rea de flujo mayor para una

alzada de vlvula dada, en comparacin con las culatas de dos vlvulas. La combinacin de

unas cmaras de combustin mas pequeas (debido a la utilizacin de vlvulas mltiples) con

una ubicacin mas centralizada de las bujas ha reducido la probabilidad de "picado" del

motor. Esto admite una relacin de compresin mas elevada, as como una mayor potencia.

2 Desarrollo

2.1 Dimensiones

La forma de las vlvulas de admisin y las de escape es muy parecida. Sin embargo, si que

existen diferencias en el material y en las dimensiones. Por regla general, el dimetro de la

vlvula de admisin, es aproximadamente 1,14 veces superior al dimetro de la vlvula de

escape. Y esa circunstancia es independiente de si se trata de un motor de 2 o de 4 vlvulas.

Las dimensiones geomtricas de las vlvulas de los motores de 2 vlvulas y en los

multivlvulas son diferentes. Normalmente se considera valido lo siguiente: a mayor numero

de vlvulas, menores son las dimensiones. Nunca se consigue, por ejemplo, mantener el

tamao de las vlvulas al duplicar el nmero de las mismas. El espacio geomtrico del que se

dispone en la cmara de combustin obliga sencillamente a la reduccin del tamao de las

vlvulas.

Fig 1. 2 valvulas y 4 valvulas.

Como ejemplo en un motor de la misma cilindrada (2,0 litros) las dimensiones para las

vlvulas ser, teniendo en cuenta que se utilic un motor con 2 vlvulas o 4 vlvulas por

cilindro.

Dimetro de la vlvula Vlvula de escape Vlvula de admisin

Motor de 2 vlvulas

Motor de 4 vlvulas

36,5 mm

2 x 29 mm

41,5 mm

2 x 33 mm

Tabla 1. Comparaciones 2 vlvulas y 4 vlvulas.

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Tambin existen casi siempre diferencias a nivel de los vstagos de las vlvulas. Las vlvulas

ms pequeas corresponden al motor de 4 vlvulas y tienen un dimetro de vstago de entre 5

y 7 mm, mientras que la versin del motor de 2 vlvulas muestra un dimetro del vstago de

la vlvula de entre 6 y 8 mm. Independientemente del nmero de vlvulas del motor, si que

existe una tendencia clara hacia los vstagos cada vez ms finos de las vlvulas. No solo

hacen que las vlvulas sean ms ligeras, sino que tambin mejoran la circulacin de los gases.

Tambin se pueden constatar diferencias en la longitud de las vlvulas. Las vlvulas de los

motores multivlvulas suelen ser, a menudo, ms cortas que en el caso de los motores de 2

vlvulas. Cuando el accionamiento de las vlvulas es el mismo sistema, las culatas de los

motores multivlvulas pueden ser, incluso, algo mas bajas que las de los motores de 2

vlvulas.

2.2 Esfuerzos inerciales

Otro factor importante a tener en cuenta con el uso de motores multivlvulas es el peso y el

tamao de las vlvulas que como es visto anteriormente se reduce con respecto a los motores

de 2 vlvulas. Este factor es importante debido a que un motor funcionando a 6000 r.p.m.

tiene que abrir y cerrar las vlvulas en aproximadamente 1/100 segundos. Cuanto menor sea

el peso y el tamao de la vlvula, ms fcil ser su accionamiento por lo que el muelle de la

vlvula tendr una tensin mas reducida y se podr aumentar el nmero mximo de r.p.m. del

motor.

2.3 Material

El material de las vlvulas es tambin importante en lo que el peso se refiere. El acero es el

material mas empleado por ser el ms econmico pero ya se empieza a usar otros materiales

como el titanio (utilizado en la Formula 1 a partir de 1995 tanto en las vlvulas de admisin

como de escape).

Peso de vlvulas de admisin Motor de 2 vlvulas Motor de 4 vlvulas

Acero

Titanio

Cermica

70,0 gr

39,3 gr

28,0 gr

47,7 gr.

26,8 gr.

19,1 gr.

Tabla 2. Pesos de diferentes materiales.

2.4 Clasificacin

Cuando se disea un motor multivlvulas hay que tener en cuenta el accionamiento de las

mismas, ya que todos los sistemas que se han venido usando en la evolucin del automvil no

son validos.

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Hacemos una relacin de los siguientes sistemas de accionamiento:

1. rbol de levas situado en la parte inferior (OHV OverHead Valves), varillas de

empuje con balancn y vlvulas en paralelo.

2. rbol de levas situado en la parte superior (OHC OverHead Camshaft), balancn de

palanca y vlvulas en paralelo.

3. rbol de levas situado en la parte superior (OHC OverHead Camshaft), con

empujadores de vaso invertido y vlvulas en paralelo.

4. rbol de levas situado en la parte superior (OHC OverHead Camshaft), con

balancines y con las vlvulas colocadas en forma de "V". A este sistema tambin se le puede

denominar SOCH (Single OverHead Camshaf) cuando accione 3 o 4 vlvulas como ocurre en

algunos motores por ejemplo: la marca Honda (VTEC) utiliza esta configuracin.

5. Dos arboles de levas situados en la parte superior (DOHC Double OverHead

Camshaft), con las vlvulas colocadas en forma de "V". Es el accionamiento de las vlvulas

preferido para la tcnica del motor de 4 y 5 vlvulas.

Fig 2. Sistemas de accionamientos.

Fig 3. Sistema de Distribucin SOCH

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Fig 4. Sistema de distribucin DOCH

2.5 Tamao de las vlvulas

A mayor tamao (d1) mejor llenado a mayor velocidad, se entiende fcil a mayor rgimen de

revoluciones el caudal que deberemos introducir en un tiempo determinado ser funcin del

numero de ciclos y la cilindrada del cilindro.

Fig 5. Dimensiones de vlvulas

2.6 Alzada de las vlvulas

A mayor alzada (h) mejor respiracin a alto rgimen, por ser la seccin de paso funcin del

dimetro de las vlvulas y el levantamiento que se haga de las mismas.

2.7 Nmero de vlvulas

A mayor nmero de vlvulas, mejor respiracin a altas revoluciones, para una forma dada de

la cmara, a mayor nmero de vlvulas, mayor superficie somos capaz de cubrir, por lo que

la seccin de paso ser mayor. La tendencia de los constructores es la de fabricar motores de

4 vlvulas por cada cilindro. El porcentaje de motores de 4 vlvulas crece, incluso los

motores Diesel de inyeccin directa y con turbocompresor (BMW, Mercedes, Opel) utilizan,

casi siempre, la tcnica del motor multivlvulas, por que permite una disposicin casi central

y, por tanto, optima del inyector. Los motores de 3 o 5 vlvulas son, en este momento, para

los motores Otto tan solo una solucin marginal. A favor de la tcnica del motor de 3

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vlvulas existen ciertas ventajas, como pueden ser los costes mas reducidos de construccin y

las escasas mermas mecnicas. Probablemente, la tcnica del motor de 5 vlvulas ira

desapareciendo a lo largo de la adaptacin a la inyeccin directa, all donde se fabrique en

serie (Audi, Ferrari), a favor de la tcnica del motor de 4 vlvulas. Los motivos los

encontramos en la falta de espacio (para el inyector) y, adems, no se esperan ventajas

significativas con respecto a la potencia o a la presin media frente al motor de 4 vlvulas.

2.8 Carrera del cilindro

A mayor carrera del cilindro, la respiracin empeora a mayor nmero de revoluciones, eso

significa que para una cilindrada dada, las carreras de cilindro largas implican buenos pares

en baja, la explicacin es que a mayor carrera, el dimetro ser mas pequeo para una

cilindrada dada por lo que las vlvulas (dependientes del dimetro de la cmara) sern mas

pequeas.

2.9 ngulo entre vlvulas

La tendencia de este ngulo en los motores modernos es la ser cada vez menor. El ngulo

entre vlvulas determina la forma de la cmara de compresin, que a su vez influye en la

combustin. Este ngulo esta determinado por una serie de factores a la hora de construir un

motor, como son: la accesibilidad a los tornillos de apriete de la culata, el espacio disponible

en el compartimento motor, el tipo de accionamiento del rbol de levas o tambin la

simplicidad con la que se quiera construir la culata. En los motores de carreras, donde no

existen la mayora de las limitaciones que vienen dadas por la fabricacin en serie, se puede

observar una tendencia hacia el ngulo pequeo entre vlvulas, por lo cual la forma de la

cmara de combustin y la posicin de las bujas son ms favorables.

Fig 6. Angulo entre vlvulas

2.10 Colocacin de las bujas

Para un buen encendido de la mezcla es necesario que la buja est situada justo en el centro

de la cmara de combustin, esto es posible sobre todo en los motores de 4 vlvulas por

cilindro. En los motores con 3 vlvulas, las bujas no se pueden situar en el centro, por eso

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algunos fabricantes como por ejemplo Mercedes en sus motores ha optado por utilizar un

doble encendido (2 bujas por cilindro) para as evitar los fallos de encendido.

2.11 Cruce de vlvulas

A mayor cruce de vlvulas, mejor respiracin a altas regmenes de giro, se aprovecha la

salida de gases de escape para generar una cierta succin de la cmara de combustin que

ayuda a la admisin.

2.12 Tiempo de vlvulas abiertas

A mayor tiempo de vlvulas abiertas mejor respiracin a altas vueltas, ya que es a altas

revoluciones donde menos tiempo se dispone para el llenado cuanto ms se mantengan estas

abiertas mejor respirara el motor.

2.13 Longitud de los colectores

A mayor longitud de colectores mejor respiracin a bajas vueltas , debido a las ondas de

presin que se forman en los colectores a mayor longitud de estas, mejor llenado a bajos

caudales o bajas vueltas

Fig 7. Colector A.

2.14 Dimetro de los colectores

A mayor dimetro de colectores, mejor llenado a altas vueltas, al tener que manejar mayor

volumen de gas o caudal, es preferible una mayor seccin, para que la prdida de carga sea

menor.

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2.15 Seccin efectiva de llenado

Al igual que el dimetro de los colectores, el nmero de los mismos afecta al rgimen mejor

llenado, a mayor nmero de colectores de llenado por cilindro mejor respiracin a altas

vueltas. La seccin de llenado efectiva, puede variarse con una mariposa en los conductos de

admisin, que anule uno de estos condenndolo a bajo rgimen

2.16 Sobrealimentacin

A mayor presin de alimentacin mejor llenado de cilindros, en si. No tiene gran incidencia

en el rgimen, pero la forma de conseguir dicha sobrepresin va a determinar un mejor

llenado a altas o bajas vueltas.

3 Soluciones reales

En general cuando hemos dicho que una disposicin favoreca el rgimen elevado, se podra

entender que su eleccin perjudica el medio o bajo rgimen, lo cual es cierto, al menos no los

favorece, pero tambin deberemos entender que hay factores que tiene una incidencia mayor

que otros, por ejemplo:

- El dimetro de los cilindros no afecta de igual manera que el nmero de vlvulas, ya que un

mayor nmero de vlvulas cubre mejor una superficie incluso aunque esta sea mas pequea.

- Tener todas las disposiciones enfocadas a conseguir un elevado llenado o par en alto

rgimen, perjudicara notoriamente la respuesta en baja, por lo que se tiende a llegar a un

entendimiento mejorando en lo posible su respuesta e todos los regmenes, favoreciendo los

regmenes elevados para determinadas realizaciones sin olvidar del todo la respuesta en baja.

Lo idneo seria contar con sistemas que permitan cambiar el enfoque de cada uno de estos

apartados en cada momento.

DISTRIBUCIONES VARIABLE

Para modificar el cruce, en algn caso tambin se modifica la alzada VVTl-i (Toyota),

Valvetronic (BMW) o incluso se puede modificar el tiempo de apertura de las vlvulas VTEC

(Honda).

ADMISIN VARIABLE

Es mucho mas barata que las distribuciones variable, ya que solo precisa de accionar una o

mas mariposas, que cierren y abran el paso por distintos conductos. Mediante el uso de

mariposas se modifica la longitud de los conductos a distintos regmenes, haciendo recorrer

longitudes mayores a ms bajas vueltas

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Fig 8. Sistema de admisin variable

SECCIN EFECTIVA VARIABLE

El no poder modificar el tamao de las vlvulas o el nmero de las mismas, durante el

funcionamiento del motor, condenar uno de los conductos de admisin puede favorecer la

velocidad del fluido a bajas vueltas (bajos caudales) y con ellos su llenado, el caso mas

curioso lo encontramos en los Dti de Opel o en los 16 Vlvulas de la serie Hdi de PSA, los

cuales condenan mediante mariposas uno de los conductos de admisin (los que alimentan a

una de las vlvulas) a bajo rgimen mejorando la respuesta del motor en los mismos, los

menciono por la curiosidad que pude presentar a un observador el encontrar mariposas en los

conductos de admisin de un diesel las cuales no tiene las misin de reducir la entrada de

gases o crear una depresin , si no acelerar el flujo de entrada en la otra vlvula ( por su

menor seccin)

Otro ejemplo curioso lo veremos en los VTEC enfocados no a altas prestaciones si no a bajos

consumos, donde se llega a dejar una vlvula inactiva (con alzada nula o casi nula) a bajas

vueltas con idea de llenar la cmara en bajas revoluciones con una velocidad de entrada de

gases mayor y aprovechar la misma para una mejor turbulencia.

Fig 9. Sistema de aspiracion variable (Toyota)

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SOBREALIMENTACIN VARIABLE

El uso de turbocompresor se rebelo como un sistema ventajoso en la alimentacin de

motores, por aprovechar la energa residual de los gases de escape a diferencia de los

compresores mecnicos que generan un consumo de energa en su accionamiento, sin

embargo la adaptacin de los caudales hace que se consiga una respuesta adecuada en una

zona determinada, va a ser la geometra variable la que permitir aprovechar estos gases

cuando se manejan volmenes pequeos o volmenes grandes consiguiendo alimentaciones

mas o menos parejas de sobrealimentacin en un rgimen muy variado de uso.

Como ultimo recurso se puede hacer un diseo combinado, en donde un motor de carrera

corta o Supe cuadrado (mas corta que el dimetro) muy til en el giro a altas revoluciones,

por su mayor tamao de vlvulas (al disponer de mas superficie donde colocarlas) se dote de

colectores largos que permitan un llenado mas efectivo a bajas vueltas, la integracin de

distintos sistemas de alimentacin, nos permite hacer un motor con buena respuesta en un

amplio rgimen, pero complicar en exceso el mismo dotndolo de elementos variable,

distribuciones, admisiones, geometra, puede complicar en exceso y volverse difcil de

conseguir la ansiada fiabilidad que se busca en estas realizaciones .

Las 16 vlvulas nacieron en los coches como alternativa al uso del turbo-alimentador,

mejorando la respuesta en alta del motor, inicialmente se enfocaron coches de altas

prestaciones y se doto de todos los dispositivos que permitan elevar el rgimen de giro, de

igual modo como nacieron los sistemas de inyeccin, actualmente el diseo de los mismos se

hace de forma que se aproveche el mejor llenado de los cilindros en los regmenes de uso al

que va enfocado el motor, pudiendo hacerse un motor de 16 vlvulas de repuesta briosa a

medio y bajo rgimen mejorando adems el quemado y aprovechamiento del combustible.

Hay factores que determinan el rgimen idneo de uso del motor, las carreras largas se llevan

mal con elevado regmenes de giro, por la gran aceleracin que sufren sus piezas, lo que se

conoce como una velocidad media de pistn elevada, y aunque se puede modificar de

distintas formas, el empleo de motores de carrera corta se inclinan mas a motores de elevadas

potencia altas revoluciones.

Es un ejercicio muy gratificante intentar pensar como se ha diseado el motor y como el

fabricante mediante la disposicin de distintos elementos auxiliares fijos o variable ha llevado

la respuesta a la que el crea mas razonable, resulta muy curioso como motores a priori no

muy complicados arrojan cifras de par elevadas en un abanico grande de revoluciones frente

a otros tcnicamente mas adaptados por su complicacin del diseo.

Como ejemplo vamos a ver una comparativa de dos motores utilizados por el mismo

fabricante para el mismo modelo de automvil, que utiliza una culata multivlvulas de 4 val

por cilindro y otro de culata normal con 2 val por cilindro para un motor en lnea de 4

cilindros.

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Vehculo Motor de 4 val. por cilindro

2.0i DOCH

Motor de 2 val. por cilindro

2.0i OHC

Cilindrada (cm3) 1998

Dimetro (mm) 86,0

Carrera (mm) 86,0

Relacin de compresin 10,5 9,2

Dimetro vlvula de admisin (mm) 2 x 33 41,8

Dimetro vlvula de escape (mm) 2 x 29 36,5

Carrera de la vlvula (mm) 9,5 11

AAA 20 23

RCA 72 71

AAE 60 60

RCE 32 35

modelo de ECU Motronic M 2.5 Motronic ML 4.1

Combustible 95 RON sin plomo

Potencia nominal / rpm (CV) 150/6000 115/5400

Par motor mximo / rpm (Nm) 196/4800 170/3000

Tabla 3. Comparacin de 2 val y 4 val.

Viendo los datos de la tabla se puede destacar la diferencia de potencia entre ambos motores

as como el valor del par, favorable al motor multivlvulas. Teniendo en cuenta los datos,

podramos pensar que el aumento importante de la potencia y par en el motor multivlvulas,

viene dado, nicamente por el empleo de las 4 vlvulas por cilindro, sin ninguna diferencia

ms entre ambos motores. Pero esto no es as, ya que el constructor ha introducido una serie

de mejoras en el motor que le permite alcanzar estas prestaciones.

4 Mejoras en conjunto con la aplicacin de 4 vlvulas.

A continuacin enumeramos las mejoras introducidas en el motor multivlvulas:

Sistema de encendido con regulacin antidetonante.

Sistema de inyeccin secuencial.

Cmaras de combustin tratadas trmicamente.

Posicin ms favorable de las bujas de encendido en la cmara de combustin.

Vlvulas de escape refrigeradas por sodio

Medidor de masa de aire por hilo caliente

Colector de admisin mas complejo

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2 mariposas de gases (una pequea y otra grande).

Colector de escape en abanico de acero fino con longitudes ms grandes.

Se podra decir que con todas estas mejoras, si se hubieran aplicado al motor de 2 val. Se

habra conseguido tambin un aumento de prestaciones importante, sin llegar en ningn

momento a las conseguidas por el motor multivlvulas.

5 Conclusiones

La utilizacin de 4 vlvulas combinado con otras mejoras en el motor, incrementa la

potencia del mismo en alta. En bajas revoluciones aparecen fenmenos que afectan el llenado

de la cmara, pero existen variables que mejoran el rendimiento.