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 Como funcionan los ángulos de las levas

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SanGaby#122
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MensajeTema: Como funcionan los ángulos de las levas   Mar Abr 21, 2009 12:28 am

Amigos..
dando vueltas por ahí.. encontré este texto en la web del fiat.
mas allá de los amores de cada uno, el texto vale la pena, está muy bien explicado, y lo podemos entender todos..

así que bueno.. espero les guste.
criticones abstenerse! al subirlo sé que no es lo mas pro. pero sirve para salir de la ignorancia!



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El nivel de la presente nota es básico ? medio, ya que de este tema se podría escribir infinidad de textos, además, la gran mayoría de las próximos párrafos estarán dedicados al funcionamiento normal de un motor estándar moderno, dejando para el final de la nota las aplicaciones de potenciación y mejoras.
Por ahora vamos a suponer un motor de cuatro cilindros, compuesto por un solo árbol de levas y ocho válvulas, lo que simplificará las explicaciones y evitará mayores confusiones.
Tratemos de imaginarnos el motor visto desde frente, es decir, desde la polea delantera del cigüeñal. Todos los ángulos a los que nos referiremos son medidos en los 360º de giro del CIGÜEÑAL, no del árbol de levas, primera confusión de mucha gente.
A una determinada posición del pistón en el cilindro, le corresponde siempre una bien definida posición de la manivela ó muñón de biela del cigüeñal, en término de su ángulo de giro, por lo tanto se pueden reflejar todas las fases de funcionamiento del motor en un diagrama angular que mida precisamente esos ángulos de giro del cigüeñal. Ya los asusté?, espero que no.
Teóricamente en un motor de cuatro tiempos, la válvula de admisión se abriría en el punto muerto superior (PMS, o sea el punto mas cercano a la tapa de cilindros que alcanza el pistón) y se cerraría en el punto muerto inferior (PMInferior), 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. En realidad no sucede esto, sino que estos puntos de apertura y cierre de las válvulas se corrigen para mejorar y eficientizar el funcionamiento del motor y ahí comienza la parte poética de las charlas increíbles acerca de las levas, los árboles y los frutos de esos árboles, cosechados por el dueño de tal ó cual ?cañón?.
El avance y el retraso de la apertura y cierre de las válvulas se puede medir en ángulos de rotación del CIGÜEÑAL (dije ?cigüeñal? no?, seguro que no dije ?árbol de levas???? ), con respecto a la posición de la manivela de la biela según donde estén los puntos muertos superior e inferior. Por lo tanto podemos decir que se establecen los siguientes ángulos de cigüeñal:
Angulo de avance en la apertura de la admisión con respecto al PMS
Angulo de retraso en el cierre de la válvula de escape con respecto al PMS
Angulo de retraso del cierre de la válvula de admisión con respecto al PMI
Angulo de avance de la apertura de la válvula de escape con respecto al PMI
Angulo durante el cual ambas válvulas permanecen abiertas al mismo tiempo.

Veamos para que y por que se complican la vida los diseñadores toqueteando y jugueteando con estos benditos ángulos.

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 la admisión de la mezcla, por lo que vemos, es un tiempo angular que nos tomamos para adelantarnos, ya que la válvula no se abre instantáneamente, porque la leva no es cuadrada, ni siquiera en un SEAT, y 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 se le ocurra empezar a bajar, esto nos dice que mientras mas suave sea la cresta de la leva, mas tiempo deberé anticiparme y viceversa. Recuerden que hablamos de motores normales y estándar he?.
Por lo tanto y 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.
Quisiera que se detengan a pensar un poquito en cada uno de estos ejemplos, y traten de visualizarlos de a uno, es muy importante conocer que pasa con CADA UNO, para después poder conjugar todo y ?sentir? como es que funciona un diagrama de levas.
En estos casos se trata de pequeños ángulos, en general alrededor de los 10º o 20º de giro (recuerden, de cigüeñal, y es la ultima vez que lo digo he?), especialmente en los motores que estamos analizando, en donde el tiempo que ambas válvulas permanecen abiertas puede provocar el encendido de la mezcla fresca que ingresa, al ponerse en contacto con los gases quemados.
Las otras dos correcciones, las del PMI, son mas grandes y por lo general rondan los 50º ó 60º de giro del ........... ?, bien acertaste!, cigüeñal, ahora si, última vez.
Retrasamos 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 ultimo tramo de la carrera descendente la depresión alcanza valores altísimos, tal como los que gozamos hoy en día en este bendito país.
Anticipamos 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.
Gracias al diagrama de los ángulos de apertura y cierre podemos conocer cuanto es el valor del 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 30º, también se lo llama ángulo de solape.
Por ejemplo, un motor Fiat 2.0 turbo tiene en la admisión un avance de 8º y un retraso de 42º y en el escape un avance de 42º y un retraso de 11º, por lo que el solapado ó cruce de la leva es : 8º+11º = 19º, que por tratarse de un motor turbo no necesita tanto depender de la inercia de los gases ya que el turbo suplanta holgadamente esa fuerza.
Hablamos ahora un poco acerca de cómo influye la leva en la relación de compresión real de un motor.
Cuando hemos calculado ó medido la relación de compresión de un motor y hemos determinado que tiene por ejemplo 8.8:1, en realidad lo que estamos diciendo es que la relación entre los volúmenes físicos de la cámara y el cilindro es de 8.8 veces a 1, pero eso esta bastante lejos de asegurarnos que realmente tengamos esa proporción en la presión de nuestros gases de admisión. Veamos por que.
Supongamos un motor de un Fiat 125 que está girando a 6.200 rpm, y que posee una compresión geométrica de 8.8:1, calculemos los tiempos de que disponemos 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 ida y vuelta 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 (5 milésimas de segundo) es que debemos abrir la válvula de admisión, dejar pasar los gases y cerrarla de vuelta, una papita!!!.
Si tenemos en cuenta que la leva estándar no privilegia el funcionamiento a esos regímenes de giro, sino que busca ?par? a medio rango de vueltas, bajo consumo y regularidad de marcha aceptable, entonces tenemos que el llenado del cilindro en esas condiciones (6200 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 pantallas del carburador abiertas a fondo y a 6200 vueltas. Calculemos entonces que si la cilindrada unitaria es de 1600 cc / 4 = 400 cc por cilindro, se esta llenando con mucha suerte con 300 cc de mezcla, y si como dijimos, tenemos una relación teórica de compresión de 8.8:1 y en vez de meter 400 cc metemos 300 cc, entonces tenemos no mas de 6.5:1 reales, nos guste o no nos guste, y la nafta, a esas vueltas liberará energía en base a esa pobrísima compresión. De ahí que la curva de potencia se cae cuando nos pasamos del régimen de potencia máxima.... haaaaa!!!, era por eso que es inútil tirar los cambios hasta el infinito heeee?.
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 y tanto mas antes cuanto mas rápido pretendamos usar nuestro motor, para que cuando el pistón llegue arriba ya tengamos la válvula totalmente abierta, pero que no como para que salga por ella gas quemado, que en ese momento está siendo empujado hacia arriba todavía por el pistón, luego el pistón baja y la mezcla, que estaba detenida inmóvil en el múltiple de admisión ó peor aun retrocediendo en forma de niebla por la admisión, en el caso de motores con excesivo anticipo, comienza a entrar. Después, cuando el pistón llega justo abajo sería un crimen cerrar la válvula de admisión y desaprovechar la tremenda inercia que adquirieron esos gases, entonces la dejamos abierta unos 40º o 50º grados de giro, en donde todavía el pistón, con 50º no ha subido mas que un 20% de su carrera ascendente, es decir, que esta recién comenzando a empujar para arriba de nuevo y debemos cerrar la admisión, si no, también tendremos niebla en retroceso.
Encontrar el punto de máximo llenado por estos efectos es un arte de prueba y error y además depende muy importantemente de ambos múltiples y lo que tengamos conectado a ellos, como son los silenciadores, filtros, turbo y tomas se aire y también del régimen de giro al que trabajará mayormente el motor.
Podemos deducir que cuanto mas rápido querrámos hacer girar nuestro motor necesitaremos levas de admisión mas adelantadas para abrir y mas retrasadas para cerrar, pero esto hará que a medios regímenes y bajos el motor no funcione con la compresión ni la eficiencia que tendría con una leva mas ?cerrada? y lo que ganamos en alta, lo perdemos en baja.
Con una leva de alta (llamamos así a una leva abierta, o sea generosa en anticipos y cierres) si la hacemos funcionar a 2.000 rpm., tendremos que la mezcla confundirá entradas con salidas, habrá retrocesos de mezcla y de llama, en fin, será un amorcito como moderará también a 850 rpm.
Yo sé que les voy contando esto y ustedes se van imaginando y recordando cosas que han visto por ahí, motores de funcionamiento irregular hasta las 3.500 rpm o mas y cosas por el estilo, esas son levas abiertas que están funcionando en un rango para el cual no fueron hechas, pero que cuando pasan de 3.500 / 4.000 vueltas se transforman en un violincito...
Ahora nos estaremos preguntando si no es por estos temas el famoso invento de la leva de ángulos variables, bueno, si, es por estos fenómenos que se buscó hacer una leva ?de goma?, que se acomode de acuerdo a las rpm a las que funciona en cada momento.
Otra consideración importante de la leva es su forma, ya que un auto estándar debe ser silencioso y duradero, pero uno del cual se quiera lograr el máximo rendimiento puede hacer ciertas concesiones al ruido, las vibraciones y la durabilidad para lograr el mejor llenado posible.
Aparecen entonces las levas que abren la válvula lo antes posible y los mas rápido posible, que no es lo mismo, una cosa es CUANDO empieza a abrirla y otra es EN CUANTOS GRADOS la abre del todo a la válvula.
Para aclarar bien esto pondría como ejemplo la leva de perfil ?cuadrado?, es decir, la que abre de golpe, permanece abierta al máximo y cierra de golpe, es la leva que hace un ruido como una maquina de coser porque golpea los platillos de botadores. Estas levas necesitan resortes de válvulas mucho mas potentes porque sino ocurren los rebotes.
El ángulo total durante el cual la admisión permanece abierta y digo abierta desde que empieza a abrir hasta que termina de cerrarse, nos da una idea de cuan deportiva es, pero solo una idea, por ejemplo, un Fiat 125 estándar tiene 26º de anticipo y 66º de retraso, lo cual nos da un ángulo de admisión total de 26º + 180º + 66º = 272º, que ya es bastante importante, pero depende de el perfil que tenga la leva, porque lo que nos dicen los 26º es que COMENZARA 26º antes del PMS a abrir, pero puede terminar de abrir la válvula en 15º ó en 40º y que la TERMINARÁ de cerrarla a los 66º después que pasó el PMI, pero en realidad la puede venir cerrando desde hace 80º antes. Todo depende del perfil que tenga la leva, si es mas empinada y cuadrada ó si es mas puntiaguda.
Deducción, dos árboles de levas de, por ejemplo, 272º pueden ser muy diferentes según sean sus pendientes de ataque y liberación de la válvula.
Precisamente esa es una gran diferencia que existe entre la leva del 125 estándar de 272º y la del potenciado que tiene 270º!!!!, si, con 2º menos justamente en el anticipo de apertura y con su diferente perfil abre mas rápido la válvula y la cierra mas de golpe, pero en casi el mismo ángulo (en realidad 2º menos)que la del estandard.
Cuanto viento dejaríamos pasar por la puerta del patio si la abrimos y cerramos en 2 segundos pero en una primera vez la abrimos en un segundo y ni bien llegamos al final la cerramos en un segundo ó si la abrimos de golpe en 0.1 segundo, la dejamos abierta 1.8 segundos y la cerramos en 0.1 segundos???, no es lo mismo. Bueno, en el primer caso seria una leva tranquila, no golpeamos la puerta, no hacemos ruido, todo bien, pero pasa menos aire, en el segundo caso deberemos pegarle una patada para abrirla al tope en 0.1 segundo y para cerrarla también, haremos un ruido bárbaro, desperteremos al perro, pero tuvimos la puerta abierta al 100% durante 1.8 segundos, va a durar sana lo que dura un político honrado, pero pasará mas aire.
Para que nos demos una idea mas o menos de los valores, digamos que si una leva estándar del 125 tiene 272º de permanencia, una ?sport? ó ?alegre? anda por los 290º y para correr ya debemos hablar de 300 / 320º.
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) 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, culpa de la leva.
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 una leva ?abierta? 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, mucho menos, ganamos 2kgm a 1.500 rpm mas arriba pero perdemos 3.5 kgm mas abajo, el motor pierde elasticidad y recurrimos a la caja arrimada, para mantener el motor en vueltas.
Vemos que la leva modifica la compresión de los gases, pero no modifica la relación de compresión geométrica ya que esta depende únicamente de las medidas de los metales.
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MensajeTema: Re: Como funcionan los ángulos de las levas   Mar Abr 21, 2009 12:41 am

muy buen aporte sangaby :clap!:
ahora tengo un poco mas de nocion de las levas....
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