La importacia de unas levas de competición

Antes de empezar, es importante cuestionarse cuales son las variables que buscamos
modificar cuando queremos potenciar un motor. Muchos hablan de la importancia de
los filtros cónicos y de los escapes, los famosos chips de potencia, pero realmente no
conocen el verdadero sentido de modificar este tipo de elementos. Como dijo una vez
un preparador Cordobés (COSMA), el 85% de la potencia de un motor está en la culata,
y el 60% al Eje de Levas. En otras palabras, la clave de potenciar un motor está en
mejorar el LLENADO y el VACIADO.
Supongamos un motor de cuatro cilindros, compuesto por un solo eje de levas y ocho
válvulas, sólo para simplificar la explicación. Tratemos de imaginarnos el motor visto
desde frente, es decir, desde la distribución. (Donde van las poleas) Todos los ángulos a
los que nos referiremos son medidos en los 360º de giro del cigüeñal. Hay que tener en
cuenta que 2 vueltas del cigüeñal son equivalentes a una vuelta del eje de levas.
Teóricamente en un motor de cuatro tiempos, la válvula de admisión se abriría en el
punto muerto superior (PMS, para estos efectos es el punto donde los pistones 1-4
quedan más cercanos a la culata) y se cerraría en el punto muerto inferior (PMI),
mientras que la válvula de escape se abriría en el PMI de la revolución sucesiva y se
cerraría en el PMS, justo cuando se abriría la válvula de admisión nuevamente. Esto en
realidad es algo teórico, ya que en la realidad esto no suele ocurrir exactamente, sino
más bien, estos puntos se encuentran un poco desplazados con el fin de optimizar el
rendimiento del motor. Más adelante, entenderemos por qué.
El avance y el retraso de la apertura y cierre de las válvulas se puede medir en ángulos
de rotación del cigüeñal (no del eje de levas), con respecto a la marca que indica el
Grado 0 en el volante de motor. Algunos motores como el del Volkswagen Gol, que
para mi es uno de los mejores, el 0º viene marcado por el OT. Utilizaremos esto para
determinar lo que llamaremos ángulos de cigüeñal:
AAA : Angulo de avance en la apertura de la admisión con respecto al PMS
RCE : Angulo de retardo en el cierre de la válvula de escape con respecto al PMS
RCA : Angulo de retardo del cierre de la válvula de admisión con respecto al PMI
AAE : Angulo de avance de la apertura de la válvula de escape con respecto al PMI
CRUCE : Angulo durante el cual ambas válvulas permanecen abiertas al mismo tiempo
TRASLAPO : Angulo durante el cual ambas válvulas permanecen cerradas al mismo
tiempo
Diagrama real de los ángulos de la distribución
Analicemos uno por uno: El avance de la apertura de la válvula de admisión permite
que ésta ya este abierta en el PMS, que es cuando el pistón inicia su carrera descendente
para realizar el ciclo de admisión, por lo que vemos, es un tiempo angular que nos
tomamos para adelantarnos, ya que la válvula no se abre instantáneamente en un 100%,
(la leva no es cuadrada). De esta forma logramos que nuestra válvula ya haya alcanzado
al menos un 70% de su carrera de apertura en el momento que el pistón recién empieza
a bajar, esto nos dice que mientras mas suave sea el perfil de la leva, más tiempo deberé
anticiparme y viceversa. Así también, se puede retrasar considerablemente el cierre de
la válvula de admisión para que la mezcla pueda aprovechar la inercia que trae y
sobretodo el tremendo vacío que se genera cuando el pistón esta llegando abajo, ya que
apenas empieza a bajar, la depresión no es tanta, pero en el último tramo de la carrera
descendente la depresión alcanza valores altísimos. (Llenado).
De manera similar, un ligero retraso del cierre de la válvula de escape permite
aprovechar la carrera del pistón ascendente y llegar al PMS con la válvula de escape
todavía completamente abierta. Se puede anticipar también bastante la apertura de la
válvula de escape, para reducir la gran presión de los gases quemados, al inicio de la
carrera de expulsión, llevándolo a unos valores similares a la atmósfera, con lo que el
pistón, cuando empiece a subir no encontrará presión en su contra de los gases que debe
sacar. Así, los gases quemados adquieren energía cinética y arrastran en su salida los
gases residuales de la cámara de combustión, permitiendo el ingreso de más mezcla
pura. Es por esto, cuando un auto tiene un leva de competición, Sopla tanto por el
escape. (Vaciado).
En resumen, el diagrama real de los ángulos de apertura consiste en modificar los
valores para abrir la válvula de admisión antes que llegue el pistón arriba, pero no como
para que salga por ella gas quemado, que en ese momento está siendo empujado hacia
arriba todavía por el pistón en el ciclo de escape, luego el pistón baja y la mezcla, que
estaba detenida inmóvil en el múltiple de admisión ó retrocediendo pulverizada por la
admisión (en el caso de motores con excesivo anticipo), comienza a entrar. Después,
cuando el pistón llega justo abajo, los gases admitidos han adquirido una tremenda
inercia, entonces se deja abierta la válvula de admisión unos 40º o 50º grados de giro, en
donde todavía el pistón, no ha subido más que un 20%, es decir, está recién
comenzando el ciclo de compresión. Luego, se debe cerrar la válvula de admisión, para
evitar la salida de gases.
Matemáticamente:
Gracias al diagrama de los ángulos de apertura y cierre podemos medir el ángulo
durante el cual ambas válvulas permanecen abiertas, este ángulo es la suma de los
ángulos de avance de apertura de la válvula de admisión y el de retraso del cierre de la
válvula de escape, que por lo general ronda los 80º (En levas de Competición), también
se le llama ángulo de cruce.
Por ejemplo, un leva de Competición de Volkswagen Gol tiene en la admisión un
avance de 42º y un retraso de 70º y en el escape un avance de 70º y un retraso de 42º (Es
Simétrica), por lo que el cruce del leva es : 42º+42º = 84º. Ahora, si tomamos los mismo
valores del leva, podemos determinar lo que se conoce como Permanencia .
Decíamos que tenemos 42º de avance y 70º de retardo en la válvula de admisión, lo que
nos da un ángulo de admisión total 42º + 70º + 180º = 292º, por lo cual, podríamos decir
que es un leva de Competición de Rango Medio. (Más o menos de 3.500 a 7.000 RPM).
Sin embargo, el desempeño del leva, dependerá del perfil que tenga, porque lo que nos
dicen los 42º es que comenzará 42º antes del PMS a abrir, pero puede terminar de abrir
la válvula en 20º ó en 40º y que terminará de cerrarla a los 70º después que pasó el PMI,
pero en realidad la puede venir cerrando 60º antes. Todo depende del perfil que tenga la
leva, si es más cuadrada ó si es mas puntiaguda. Por lo tanto, 2 ejes de levas de 292º
pueden ser muy diferentes según sean sus perfiles de ataque y liberación de la válvula.
Así mismo, es importante tener en consideración que conocer las tres variables de
un leva (Permanencia, Cruce y Alzada), no da en un 100% la certeza del
funcionamiento de un motor, todo esto a causa del famoso perfil. Si nos podría dar una
idea del tipo: Standard, De Calle , Rally
Pista . Por ejemplo, para los rallies,
es conveniente usar levas de menor permanencia y cruce que una de pista para
aprovechar mejor los rangos intermedios de giro de un motor.
A modo mas práctico, imaginemos el volumen de mezcla que podría entrar a la cámara
si abrimos y cerramos la válvula en 2 segundos: Se demora un segundo en llegar al
punto de máxima alzada, y justo al llegar a ese punto la válvula comienza a cerrarse,
ocupando el otro segundo en este proceso.
Por otro lado, imaginemos el volumen de mezcla que entra a la misma cámara si el leva
abre y cierra la válvula en sólo 0.1 segundos. Esto significa que la válvula estuvo
completamente abierta durante 1.8 segundos. (Claramente, los llenados de las cámaras
no son iguales)
Como decíamos entonces, un eje de levas de competición se puede diferenciar de una de
calle, porque tiende a privilegiar el llenado y vaciado de la cámara, esto a través de la
modificación del punto cuando empieza a abrirla válvula y cuánto tiempo la deja
abierta. (Elementos que conocemos como AAA, AAE y la Permanencia). Ahora, es
posible constatar lo difícil que resulta encontrar el punto de máximo llenado por estos
efectos, y además, éste tipo de trabajo depende en gran medida de los múltiples y sus
respectivos filtros y silenciadores.
En buenas cuentas, podemos deducir que cuanto mas rápido pretendamos hacer girar el
motor, se necesitará un eje de levas que tenga los tiempos de admisión más adelantados
para abrir y más retrasados para cerrar. Sin embargo, esto hará que a bajos y medios
regímenes el motor no funcione en forma pareja ni con la eficiencia que tendría con
un leva standard, por lo tanto, lo que ganamos en alta lo perdemos en baja.
Con una leva de competición, si hacemos funcionar el motor a 2.000 rpm., tendremos
que la mezcla pasará indistintamente de admisión a escape, por lo que habrá retrocesos
de mezcla y de explosión, lo que se traduce en el singular rateo . Por ejemplo,
tengamos en cuenta que a partir de los 280º mas ó menos la leva ya afecta le regularidad
de funcionamiento en baja y que un cruce exagerado (mas de 320º de permanencia)
hace que la compresión real disminuya por lo que en esos casos se aplican compresiones
geométricas de 12:1 pero en realidad trabajan en no mas de 10:1
Así también, el punto donde se encuentra el torque máximo del motor, varía con la leva,
por el mismo motivo que varia la compresión, es decir que un leva mas cruzado nos
corre el par máximo mas arriba en vueltas, pero incrementado en su valor. Se gana par,
hasta un cierto punto, pero lo tendremos mas arriba y abajo tendremos menos que antes.
Por ejemplo, podríamos ganar 2kgm a 1.500 rpm mas arriba pero perderíamos 3.5 kgm
mas abajo, el motor pierde elasticidad y recurrimos a lo que se conoce como caja
arrimada o relacionada, para mantener el motor en vueltas.
Finalmente, para entender mejor la importancia del eje de levas de competición,
podríamos analizar el siguiente ejemplo: Supongamos el mismo motor AP-1800
standard que está girando a 6.800 rpm, y que posee una compresión geométrica de
8.8:1, veamos los tiempos de que dispone para hacer una ida y vuelta de un pistón.
En un segundo hace: 6.200 / 60 = 103.3 vueltas el cigüeñal, o sea que para una ciclo,
(subida y bajada de un pistón tenemos 1/ 103.3 = 0.096 segundos, o lo que es lo mismo,
el cigüeñal da una vuelta en casi 10 milésimas de segundo, o que el pistón dispone para
bajar desde el PMS hasta el PMI de 5 milésimas de segundo. En ese tiempo se debe
abrir la válvula de admisión, dejar pasar los gases y cerrarla.
Si tenemos en cuenta que el leva standard no privilegia el funcionamiento a esos
regímenes de giro, sino que busca desarrollar el torque a medio rango de vueltas,
además de un bajo consumo, entonces tenemos que el llenado del cilindro en esas
condiciones (6.800 rpm) es deficiente, agregándole además el tema de los silenciadores
y filtros de aire, que entorpecen el flujo de gases.
Con suerte hablamos de llenar el cilindro a un 75% con las chapaletas del carburador
abiertas a fondo y a 6.800 vueltas. Calculemos entonces que si la cilindrada unitaria es
de 1800 cc / 4 = 450 cc por cilindro, se esta llenando con mucha suerte con 350 cc de
mezcla, y si como dijimos, tenemos una relación teórica de compresión de 8.8:1 y en
vez de meter 450 cc metemos 350 cc, entonces tenemos no mas de 6.5:1 reales, y la
bencina, a esas vueltas liberará energía en base a esa compresión.