RELACIÓN DE COMPRESIÓN
Desde siempre la potencia de los motores ha estado limitada por la relación de compresión, en adelante RC, incluso hoy en día se sigue investigando en como poder conseguir RC más altas, un ejemplo de ello son las inyecciones directas, en las que al motor sólo entra aire, por lo que no puede haber combustión hasta que se inyecta la gasolina. Empecemos por entender que es la RC, el pistón al descender en el tiempo de admisión aspira mezcla de aire gasolina al interior del cilindro, una vez a superado PMI empieza a comprimir la mezcla hasta PMS, la reducción de volumen que hay de PMI a PMS es la RC estática, por ejemplo si el volumen del cilindro se ha reducido de PMI a PMS ocho veces, se dice que hay una RC estática de 8 a 1, pero la compresión en verdad no empieza hasta que la válvula de admisión se cierra, esto ocurre más tarde de PMI y el pistón habrá recorrido una distancia cuando esto suceda, la RC que se calcula con el recorrido del pistón desde el punto donde se cierra la válvula de admisión hasta PMS, es la RC dinámica, las dos son importantes como se verá, la ecuación para calcular la RC es la siguiente.
RC = ( VCI + VCA) / VCA
VCI = volumen del cilindro.
VCA = volumen de la cámara de combustión.
Aumentar la RC es la forma más eficaz de aumentar el par motor, se trata de que el gas se comprima más y aumente su presión y temperatura para una combustión más potente y rápida, el tener una combustión más potente ya es un aumento de la potencia, pero además también es más rápida, esto hace que el encendido se tenga que retrasar y conlleva el beneficio de que el pistón podrá comprimir unos grados más los gases a menos presión que si se estuvieran produciendo la combustión. Pero todo tiene un limite y aumentando en exceso la RC pueden aparecer algunos problemas, uno de ellos es la detonación o más conocida por picado, al producirse la chispa la combustión comienza alrededor de la bujía, la presión y temperatura de los gases que en ese momento actúan en la combustión aumenta muy rápido y comprime a los gases de alrededor que todavía no han actuado, estos ya están a una presión muy alta y al ser comprimidos un poco más, se inflaman antes de que llegue el frente de llama de la combustión, se producen por lo tanto dos combustiones, una por la chispa y otra por el aumento de presión y se crean dos ondas que chocan entre sí y crean fuerzas brutales que golpean al pistón, produciendo un sonido muy característico, como si se estuviera golpeando con un martillo en el motor, pudiendo destruirlo en cuestión de segundos. Algunas de las soluciones que se pueden intentar para evitar el picado se exponen a continuación, pero si no se consigue evitarla con ninguna de ellas, no queda otra posibilidad que volver a disminuir la RC.
-Enriquecer la mezcla, la gasolina enfría el interior de la cámara de combustión y la cabeza del pistón, lo que permite bajar la temperatura de estas piezas y que los gases no aumenten tan rápido de temperatura antes de la combustión.
-Retrasar el encendido, al producirse la combustión mas rápido, el motor necesita menos avance de encendido, esto no quiere decir que la potencia disminuya, el avance de encendido debe ser el correcto en cada instante y en este caso seguramente un retraso de encendido producirá un mejor rendimiento.
-Intentar una mejor refrigeración de la culata, la cámara de combustión se calentará más por el aumento de temperatura de los gases.
-Utilizar gasolina de más octanaje.
-Retrasar el cierre de la/s válvula/s de admisión, como se verá, un punto muy importante.
Si después de intentar estos remedios siguiera produciéndose la detonación, no quedaría otra posibilidad que volver a disminuir la RC, si se trata de un motor atmosférico, si tratara de un motor sobrealimentado, se bajaría la presión que genera la sobrealimentación, por todo esto, un buen consejo es ir poco a poco en el aumento de la RC.
Otro problema puede ser el autoencendido, los gases al aumentar su temperatura calientan más los metales en contacto con ellos, si dentro de la cámara o en la cabeza del pistón hubieran puntas afiladas debidas al mecanizado o bordes agudos por la forma de las piezas, al haber memos material en estas zonas, se calentarían más que el resto del material, pudiendo llegar a ponerse incandescente y crear el efecto de una bujía. Para solucionar este problema, además de los consejos anteriores para la detonación, lo mejor es pulir todos los bordes agudos que existan en la cámara de combustión y la cabeza del pistón, para intentar que esto no suceda.
Otro problema puede ser la holgura válvula pistón, la distancia entre las válvulas y el pistón disminuirá en PMS, ya que para aumentar la relación de compresión hay que quitar material de la culata, del bloque o poner pistones de cabeza más alta, cualquiera de las tres opciones hace que el pistón se acerque más a la cámara de combustión y las válvulas en PMS, en este punto las válvulas de admisión estarán empezando a abrir y las de escape terminando de cerrar y puede darse el caso que las válvulas y el pistón se golpeen, con la avería que conlleva. Hay que prestar mucha atención a esta holgura, sobre todo si además de acercar el pistón se han montado árboles de levas que hacen que las válvulas estén más abiertas en PMS, como es normal en árboles de competición, en la imagen 2 se ve muy bien la holgura entre válvula y pistón.
Imagen 2
Una vez explicada la RC y los problemas que pueden aparecer al intentar incrementarla, se explicara como medir la RC estática y dinámica por separado.
CUBICAR LA RELACIÓN DE COMPRESIÓN
Cubicar significa, determinar en centímetros cúbicos la capacidad o volumen de un cuerpo, para usar la ecuación RC = ( VCI + VCA) / VCI, se debe saber el volumen del cilindro y el volumen de la cámara de combustión, el volumen del cilindro se puede cubicar por ecuación sabiendo la carrera y el diámetro, por ejemplo un motor que tiene una carrera de 86 mm y un diámetro de cilindro de 86 mm, se puede calcular su volumen con la siguiente ecuación:
V = PI * Radio2 * Altura
Como altura se usa la carrera y como radio el diámetro del cilindro / 2:
V = 3,14 * (4,3 cm * 4,3 cm) * 8,6 cm = 499,55 cc
Se ha pasado de milímetros a centímetros para tener el volumen en centímetros cúbicos, si este motor tiene 4 cilindros, su cilindrada total sería:
499;55 cc * 4 = 1998,23 cc
Para estos cálculos hay que ser muy exacto, lo normal sería decir que el motor tiene 2000 cc, pero si quiere hacer bien, se necesita la cilindrada exacta por cilindro, si se dividiera 2000 / 4 = 500cc, ya se estaría falseando las medidas.
Conociendo el volumen del cilindro, falta el volumen de la cámara de combustión y la cámara no se puede cubicar por una ecuación como el cilindro, su forma lo hace casi imposible, además la cámara de combustión no sólo es el hueco que hay en la culata, pero para este ejemplo se simplificara, sólo usara la cámara de combustión y la junta de culata, después se explican los otros factores a tener en cuenta. Para cubicar la cámara de combustión se usa aceite y una probeta o jeringuilla como las de la imagen 3:
Imagen 3
La jeringuilla se puede encontrar en cualquier farmacia y mide diferencias de 1 cc, la otra es una probeta de laboratorio y mide diferencias de 0,1 cc, se trata de verter aceite muy denso en la cámara hasta que se llene, el volumen de aceite que se introduzca será el volumen de la cámara de combustión, para saber cuanto volumen de aceite se ha introducido, se llena la probeta hasta una medida concreta, por ejemplo 60 ml ( 1 ml equivale a 1 cc) y se vierte el aceite en la cámara, si después de llenar la cámara de combustión quedara en la probeta 10 ml, el volumen de la cámara seria de 50 cc.
Para hacer la medición se pone la culata con las cámaras de combustión hacia arriba y plana, se puede hacer una tapa de plástico transparente con un agujero pequeño en el centro para verter el aceite y se sujetarla con tornillos, sin la tapa es difícil ver cuando esta llena del todo, también hay que sellar con grasa entre las válvulas y sus asientos para que no se escape el aceite, lo mismo entre el borde de la camisa y el pistón, cuando se cubica la cabeza del pistón, con la imagen 4 se entenderá mejor, aunque en este caso se esta cubicando la cabeza de un pistón, en la cámara de combustión se hace igual.
Imagen 4
Una vez está todo preparado solo hay que verter aceite hasta que se llene y la diferencia de la medida en la probeta será el volumen de la cámara de combustión, supongamos que la diferencia ha sido de 46 cc, como la junta de culata forma parte de la cámara de combustión, hay que medirla por separado y sumarla al volumen de la cámara, esto es fácil, se utiliza la misma ecuación que se uso para el cilindro, por ejemplo, este motor en cuestión usa una junta de culata con un espesor de 1,4 mm y un diámetro de 86 mm, conociendo el diámetro y la altura:
V = PI * Radio2 * Altura
V = 3,14 * (4,3 cm * 4,3 cm) * 0,14 cm = 8,12 cc
Una vez conocidos los volúmenes de todas las partes, se puede usar la ecuación:
RC = (VCI + VCA) / VCA
Donde:
VCI = Volumen del cilindro = 499,55 cc
VCA = V de la cámara de combustión = V de la junta + V de la cámara de combustión = 8,12 cc + 46 cc = 54,12 cc.
RC = (499,55cc + 54,12cc) / 54,12cc = 10,23 a 1 sería la RC de este motor.
Como se dijo antes, se ha simplificado el ejemplo para hacerlo más fácil, pero hay que tener en cuenta la forma de la cabeza del pistón, esta puede ser cóncava o convexa y sumará o restará volumen a la cámara de combustión, puede tener rebajes en su cabeza para dejar hueco a las válvulas o al llegar a PMS puede sobresalir del bloque. Se va a hacer un ejemplo de como calcular la RC de un motor que monte un pistón como el que se ve en la imagen 6, todo el material que sobresale por encima del bloque esta restando volumen a la cámara de combustión y para averiguar cuanto volumen resta se cubicara la cabeza del pistón.
Imagen 6
Para cubicar la cabeza del pistón lo primero es medir la distancia que sobresale del bloque, para ello se ponen los pistones 1 y 4 en PMS y se coloca una regla apoyada en los puntos más altos de los pistones, con un calibre se mide la distancia desde el bloque a la parte inferior de la regla, esa será la distancia que sobresale el pistón del bloque, imaginemos que ha sido 1,5 mm.
Lo segundo hacer descender el pistón a una distancia conocida, por ejemplo 5 mm, para ello se coloca la tapa de plástico y midiendo con un calibre por el agujero de la placa, se pone la parte más alta del pistón a de 5 mm de la parte inferior de la placa, como el calibre se apoyara en la parte superior de la placa, la medida del calibre deberá ser 5 mm más el espesor de la placa, después se sella con grasa el borde que queda entre el pistón y la camisa.
Lo tercero es verter aceite por el agujero hasta que se llene y se apunta la medida, imaginemos que se han introducido 20 cc.
Ahora se calcula el aceite que habría entrado en un cilindro de 5 mm de altura y 86 mm de diámetro.
V = 3,14 * (4,3 cm * 4,3 cm) * 0,5 cm = 29,02 cc
Como la cabeza del pistón a ocupado parte del volumen del cilindro que se ha calculado, la diferencia entre lo calculado y lo medido es el cubicaje de la cabeza del pistón.
29,02 cc - 20 cc = 9,02 cc
Sabiendo lo que cubica la cabeza del pistón, se le resta a la cámara de combustión.
54,12cc - 9,02cccc = 45,1cc
Y se calcula la RC con esta medida.
RC = (499,55 cc + 45,1 cc) / 45,1 cc = 12,07 real de RC.
Este caso es uno de los más difíciles que se podría encontrar, la cabeza del pistón es curva, tiene rebajes para las válvulas y además sobresale del bloque, del ejemplo se puede deducir cualquier situación que se encuentre:
- Pistón plano y a ras del bloque, la más sencilla como el primer caso.
- Pistón plano pero sobresale del plano del bloque o se queda por debajo del plano del bloque, si sobresale hay que restar el volumen a la cámara de combustión y si se queda por debajo se suma.
- Pistón abombado hacia arriba o hacia abajo y al mismo nivel que el bloque, si es hacia arriba se le resta el volumen a la cámara de combustión, si es hacia abajo se le suma.
PUNTO DE PARTIDA, RELACIÓN DE COMPRESIÓN DINAMICA
La gran pregunta es, ¿cuánta relación de compresión se puede conseguir sin tener detonación? Como se dijo hay dos relaciones de compresión, la estática y la dinámica, la estática es la que se calcula de la forma que se expone arriba, la dinámica depende del cierre de la válvula de admisión, razonando un poco, la compresión no puede empezar hasta que la válvula de admisión no esta cerrada y el cierre de esta se produce después de PMI, pongamos un ejemplo, un motor con una carrera de 83,5 mm y un diámetro de 82,5 mm, la cámara de combustión cúbica 49 cc, su RC estática es:
RC = (440,74 cc + 49 cc) / 49 cc = 9,99 a 1 RC estática.
El cálculo la RC dinámica se hace igual que con la estática, pero tomando como carrera la distancia que hay entre el pistón y PMS, cuando se cierra la válvula de admisión, con una leva que cierra la válvula de admisión 60º después de PMI, el pistón estará a 67,23 mm de PMS cuando la válvula se cierre, usando esta medida en vez de la carrera completa:
VCI = 3,14 * (4,1cm * 4,1cm) * 6,723cm = 354,86 cc
Calculando la RC dinámica.
RC = (354,86 cc + 49 cc) / 49 cc = 8,24 RC dinámica.
Lo mismo pero con una leva que cierra la válvula de admisión 80º después de PMI, la distancia del pistón a PMS será de 54,99 mm, usando esta medida como carrera.
VCI = 3,14 * (4,1cm * 4,1cm) * 5,499cm = 290,25cc
Calculando la RC dinámica.
RC = (290,25 cc + 49 cc) / 49 cc = 6,92 a 1 RC dinámica.
Se ve claramente como ha bajado la RC dinámica aún cuando la estática sigue siendo la misma, la presión creada al llegar el pistón a PMS en el segundo ejemplo será muy inferior a la del primer ejemplo, cuanto más retraso exista en el cierre de la válvula de admisión, más baja será la RC dinámica y más compresión estática se podrá conseguir. Se considera que con gasolinas normales para que no exista peligro de detonación la relación dinámica debe estar entre 7,5 y 8 a 1, aunque todo dependerá del tipo de motor, forma de la cámara de combustión, posición de la bujía, etc.., en algunos casos se podría llegar un poco más alto, pero como se trata el tema en general este es un buen punto de partida.
Para saber en qué punto cierra la válvula se puede hacer caso al fabricante de los árboles de levas, quién nos proporcionará los grados de abertura y cierre de las válvulas, si por ejemplo el fabricante dice que la válvula de admisión cierra 70º después de PMI, se deberá buscar a que distancia esta el pistón 70º después de PMI y calcular la RC dinámica. Si no se tienen datos de las levas, se buscará el punto de cierre de la válvula de admisión, para asegurarse de hacerlo bien se busca cuando la válvula esta a 0,1 mm del asiento, no estaría mal comprobar lo que nos dice el fabricante de los árboles de levas de la misma forma para asegurarnos que los datos son correctos o que no se han movido mientras se calaban.
CALCULAR CUANTO MATERIAL QUITAR PARA LA RC QUE SE BUSCA.
Una vez elegida la RC dinámica que creamos conveniente, dependiendo de los árboles de levas que pensemos montar o modificando el reglaje de distribución, sólo queda saber cuánto material quitar de la culata o el bloque, para ello se usa la siguiente ecuación:
VCA = VCI / (RC-1)
Siguiendo con el ejemplo anterior, carrera de 83,5 mm y diámetro de 82 mm, en el ejemplo se han usado unos árboles de levas que cerraban la válvula de admisión 80º después de PMI, por lo que se usara el volumen del cilindro que da el pistón en esa posición, que era de 290,25 cc, con estos datos:
VCA = 290,25 / (8-1) = 41,46 cc debería medir la cámara de combustión para una RC dinámica de 8 a 1.
Calculando la RC estática con el volumen de esta cámara, pero esta vez con el volumen del cilindro total:
RC = ( 440,74 cc + 41,46 cc) / 41,46 cc = 11,63 a 1 RC estática.
Una vez averiguado cuánto debe medir la cámara de combustión, para saber cuánto material hay que quitar se pondrá la culata con la cámara de combustión hacia arriba y se verterá dentro de ella 41,46 cc, el aceite no llegará al borde de la culata y la distancia desde el borde hasta el aceite es la medida que hay que quitar. En este caso la medida original de la cámara de combustión es 49 cc en total, incluye junta de culata y las variaciones que pueda ocasionar el pistón, si hay que quitar por ejemplo 1,2 mm, se puede hacer quitando material al bloque, a la junta o a la culata, lo mejor es distribuirlo entre todo, si se puede conseguir una junta más delgada mejor que mejor, el resto es preferible quitar todo lo posible del plano del bloque para no debilitar demasiado la culata, pero con cuidado, el pistón sobresaldrá por encima del plano del bloque y hay que asegurarse de que no golpee en la culata, la holgura entre la cabeza del pistón y la culata debe ser de al menos 1 mm. Por ultimo, hay que asegurarse que las válvulas no golpeen en el pistón en PMS, sobre todo si se han montado otro tipo de levas con un cruce mayor y en las que las válvulas estarán más levantadas en PMS, hay que recordar que el pistón acercara más a la cámara de combustión y por tanto la holgura entre válvulas y pistón debe comprobarse, como mínimo 1,5 mm, mejor más.
Otra opción es comprar unos pistones que ya estén mecanizados para la RC que se busca, no se tendrá que realizar ninguna modificación en el bloque ni culata, eso ya a gusto de cada uno y de su bolsillo.