Cilindrada, compresión y potencia

4
a___________________ E.P.S.
Mecánica de Motocicletas
2. Cilindrada, compresión y potencia
2.1 Cilindrada
Figura 2. Cálculo de la cilindrada unitaria.
El volumen de mezcla que entran en cilindro desde que se abre la válvula de admisión
hasta que se cierra es una medida aproximada de la "respiración" de éste. Cuanto mayor
sea, más fuerza se desarrollará en la explosión y, por tanto, el motor será más potente.
Por ser este valor tan importante, es necesario definirlo de manera clara. Para ello, hay
que fijarse primero en dos características fundamentales de todo grupo propulsor. En la
figura se aprecia una representación de un cilindro con el pistón situado en el PMI. La
distancia longitud existente entre el PMI y el PMS recibe el nombre de “carrera” (C) del
motor. Al diámetro del émbolo se le denomina “D”, y será prácticamente igual que el
del cilindro. Ambos suelen medirse en milímetros.
Se dice que un motor es "cuadrado" si su diámetro y carrera son muy parecidos. Si esta
última es mayor que el primero, se dice que es de "carrera larga", característico de
propulsores de corte tranquilo. Si ocurre al contrario, estamos ante un ejemplo de tipo
"super cuadrado", muy corriente en aquellos casos destinados a la competición y a
modelos deportivos, por admitir con comodidad elevados regímenes de giro.
El volumen comprendido entre ambas posiciones del pistón es lo que llamamos
cilindrada unitaria (V). Su valor será igual al área de la base, en este caso el pistón, por
su altura o carrera. El área del pistón (A) vendrá dada en función del diámetro (D). Así
pues, la cilindrada unitaria será:
Vunitario= π x r2 x C
Si los valores del diámetro y la carrera se introducen en milímetros, hemos de dividir el
resultado entre 1000 para obtener la cilindrada en centímetros cúbicos (cm3).
5
a___________________ E.P.S.
Mecánica de Motocicletas
2.2 Relación de compresión
En los motores de cuatro tiempos se observa que la mezcla carburada ha de comprimirse
en el interior del cilindro antes de saltar la chispa en la bujía, para que se realice la
combustión en las condiciones adecuadas. La importancia de esta compresión previa es
tal, que la potencia del motor depende en segundo lugar de este valor, hasta el punto de
que todo motor se diseña de manera que tenga la máxima relación que pueda soportar el
combustible disponible en el mercado, cuya calidad se mide por el número de octano. A
continuación se comentara cómo se calcula.
Dentro del cilindro (generalmente en una cavidad practicada en la culata) existe un
volumen adicional al que se suele llamar "volumen de la cámara de combustión". Este
no se puede incluir dentro de la zona que el émbolo recorre, y por ello se le llama
también "volumen residual", pues no es evacuado por este ni siquiera al final de la
carrera de escape. La relación de compresión es la suma del volumen del cilindro, desde
el P.M.I. hasta el P.M.S., más el volumen de cámara, dividido por el propio volumen de
la cámara.
La fórmula matemática es la siguiente:
RC =(VC+Vc) / Vc
Dónde:
RC = Relación de compresión
VC = Volumen del cilindro
Vc = Volumen de la cámara
Se suele dar en tanto por uno. Interesa elevar todo lo posible este valor, puesto que con
ello se incrementa la potencia obtenida. No obstante, existe un inconveniente: también
crecen simultáneamente la temperatura y la presión al final de la carrera de compresión,
y puede darse el caso de que la mezcla se inflama espontáneamente. Este fenómeno se
conoce con el nombre de "detonación" o "auto encendido" de la mezcla. Puede producir
daños graves en el motor, según circunstancias. El remedio es utilizar combustibles de
alta calidad, no siempre disponibles, ciertos aditivos antidetonantes o mezclas de
gasolina y metanol, por ejemplo.
La relación de compresión real difiere de la que acabamos de ver únicamente en que, a
la hora de considerar la cilindrada, se sustituye el volumen del cilindro por otro menor
que comienza a contarse en el RCA, en lugar de hacerlo en el PMI. Se tiene así en
cuenta el diagrama de distribución real.
6
a___________________ E.P.S.
Mecánica de Motocicletas
Como nota práctica, la prueba de verificación de compresión a la que se someten los
motores debe dar valores superiores incluso a la relación teórica. Esto es debido a la
comentada inercia de los gases que aumenta el rendimiento del llenado de los cilindros,
y que es variable en cada motor. Esta operación sirve para comprobar que sus
segmentos ajustan adecuadamente y sus válvulas cierran bien, estando en condiciones
de evitar fugas indeseadas y proporcionar con ello una compresión de la mezcla
suficiente, lo que se reflejará en una potencia adecuada. Por el contrario, si se ha
desgastado por el uso o mal mantenimiento, se notará una falta de rendimiento.
2.3 Curvas de par y potencia
El par motor es una medida del esfuerzo que los gases realizan en la combustión, a
través del pistón y la biela, sobre el cigüeñal, obligándolo a girar. A mayor cilindrada,
más fuerte será la explosión y mayor empuje de los mismos. Es decir, el par motor
refleja la calidad en cuanto a fuerza de una sola explosión del motor. Lo podemos
comparar con el esfuerzo que realiza un ciclista sobre el pedal de su bicicleta. Siendo
importante, el régimen o número de vueltas a que el motor funciona en un momento
dado.
La potencia de un motor es el producto de dos factores: par y régimen. Si el primero nos
da idea de la calidad de la explosión, el segundo lo hace del esfuerzo realizado en un
tiempo determinado. Ambos factores están relacionados.
Figura 3. Curvas de potencia y par de una Ducati 1098.
En la figura anterior podemos observar las gráficas de potencia y par de una Ducati
1098 estrictamente de serie sin la asistencia del "ram air" y medidas en la rueda trasera.
7
a___________________ E.P.S.
Mecánica de Motocicletas
El par se mide en libras·pie (91,6), que traducido nos da una cifra de 124 N·m. Existe
una fórmula muy práctica para averiguar la potencia a unas determinadas revoluciones,
conocido el par:
P CV=0,00014·par Nm·rpm
Para comprobarla vamos a averiguar la potencia en el punto de par máximo.
Sustituyendo obtendremos:
P CV=0,00014·124·7537=130,8 CV
Un motor ideal se caracterizaría porque sus explosiones tendrían la misma fuerza a
cualquier régimen: la potencia sería entonces estrictamente proporcional al número de
vueltas, y se podría dibujar una curva que expresara régimen y potencia, en la cual esta
última sería una recta. En la práctica, el par motor varía sensiblemente a lo largo de toda
la gama de revoluciones. Son precisamente las diferencias en la forma de entregar el par
de los motores lo que determina el tipo de conducción en unos u otros. Las causas que
originan tales variaciones son muchas, pero la fundamental es la mencionada al explicar
el diagrama de distribución real: un árbol de levas favorece el llenado a un determinado
régimen, exclusivamente, y es en general a ese al que se dará el máximo par.
El par motor nos da una idea del esfuerzo o calidad de cada explosión medida, por
ejemplo, a través de la presión media efectiva. Al diseñar un motor, se puede elegir con
bastante exactitud el momento de par máximo, en función de AAE, AAA, RCE y RCA.
La potencia siempre aumenta proporcionalmente a la curva de par, mediante la relación
anterior. El menor consumo específico del motor siempre estará en un régimen cercano
al de par máximo.
Aunque en teoría es posible hacer funcionar cualquier motor a cualquier régimen que no
ponga en peligro su vida mecánica, existe una parte que se denomina "zona útil de
revoluciones" en la cual se muestra más estable frente a las posibles variaciones en sus
condiciones de funcionamiento. Esta zona suele ser además la de economía mayor e
incluso la de menor emisión de contaminantes, por lo que interesa conocerla.
En esencia, la zona útil de un motor es aquel abanico de regímenes que comienza en el
par máximo y termina en el de potencia máxima. La razón de ser radica en que si, por
circunstancias, aumenta la resistencia al avance (viento en contra, aumento de la
pendiente, etc.), el régimen caerá, pero, al haber sobrepasado el de par máximo, el
motor responderá con un aumento del par.