La modificación de los puertos de admisión y escape de un motor de combustión interna para mejorar el flujo de aire se refiere al proceso de modificación de los puertos de admisión y escape de un motor de combustión interna para mejorar su flujo de aire. Las culatas , tal como se fabrican, generalmente no son óptimas para aplicaciones de carreras debido a que están diseñadas para una máxima durabilidad. Los puertos se pueden modificar para obtener la máxima potencia, el mínimo consumo de combustible o una combinación de ambos, y las características de entrega de potencia se pueden cambiar para adaptarse a una aplicación en particular.
Cuando se decide hacer una modificación mediante pruebas con un banco de flujo de aire , el material de la pared del puerto original se puede remodelar a mano con rectificadoras de matriz o con fresadoras de control numérico . Para modificaciones importantes, los puertos se deben soldar o reconstruir de manera similar para agregar material donde no existía.
El motor Ford F2000 de dos litros en el acabado de serie equipado con la culata que se muestra arriba era capaz de entregar 115 caballos de fuerza a 5500 rpm para un BMEP de 136 psi .
Esta culata de carreras Pro Stock de posventa se utilizó en un motor capaz de desarrollar 1300 caballos de fuerza a 9500 rpm con un BMEP de 238 psi. Un BMEP de 238 lo coloca cerca del límite para un motor de combustión de gas de aspiración natural . Los motores de Fórmula Uno de aspiración natural generalmente alcanzan valores de BMEP de 220 psi. Los perfiles de levas, las RPM del motor , las restricciones de altura del motor y otras limitaciones también contribuyen a la diferencia en la potencia del motor con la unidad Ford, pero la diferencia en el diseño del puerto es un factor importante.
Cuando la válvula se abre, el aire no fluye hacia adentro, sino que se descomprime en la región de baja presión que se encuentra debajo. Todo el aire en el lado de aguas arriba del límite de perturbación móvil está completamente aislado y no se ve afectado por lo que sucede en el lado de aguas abajo. El aire en la entrada del rodete no se mueve hasta que la onda llega hasta el final. Es solo entonces que todo el rodete puede comenzar a fluir. Hasta ese punto, todo lo que puede suceder es que el gas de mayor presión que llena el volumen del rodete se descomprima o se expanda en la región de baja presión y avance hacia arriba por el rodete. (Una vez que la onda de baja presión llega al extremo abierto del rodete, invierte el signo; el aire que se precipita fuerza una onda de alta presión hacia abajo por el rodete. No se muestra en esta animación).
Por el contrario, el cierre de la válvula no detiene inmediatamente el flujo en la entrada del rodete, que continúa sin sufrir ninguna alteración hasta que llega la señal de que la válvula se ha cerrado. El cierre de la válvula provoca una acumulación de presión que se desplaza por el rodete como una onda positiva. La entrada del rodete continúa fluyendo a toda velocidad, lo que obliga a que la presión aumente hasta que la señal llega a la entrada. Este aumento de presión muy considerable se puede ver en el gráfico siguiente: aumenta mucho por encima de la presión atmosférica.
Este fenómeno es el que permite que se produzca el llamado “ram tuning”, y es lo que se “ajusta” mediante sistemas de admisión y escape ajustados. El principio es el mismo que el del efecto del golpe de ariete tan conocido por los fontaneros. La velocidad a la que puede viajar la señal es la velocidad del sonido dentro del canal.
Por eso los volúmenes de los puertos y corredores son tan importantes; los volúmenes de las partes sucesivas del puerto y corredor controlan el flujo durante todos los períodos de transición. Es decir, cada vez que se produce un cambio en el cilindro, ya sea positivo o negativo, como cuando el pistón alcanza la velocidad máxima. Este punto se produce en diferentes puntos según la longitud de la biela y el recorrido del cigüeñal , y varía con la relación de la biela (biela/carrera). Para el diseño automotriz normal, este punto está casi siempre entre 69 y 79 grados ATDC, con relaciones de biela más altas que favorecen la posición posterior. Solo ocurre a 1/2 carrera (90 grados) con una biela de longitud infinita.
La actividad de ondas/flujo en un motor real es mucho más compleja que esto, pero el principio es el mismo.
A primera vista, esta onda puede parecer increíblemente rápida y poco significativa, pero algunos cálculos demuestran que ocurre lo contrario. En un conducto de admisión a temperatura ambiente, la velocidad del sonido es de unos 340 m/s (1100 pies por segundo) y recorre un conducto de 300 mm (12 pulgadas) en 0,9 milisegundos. El motor que utiliza este sistema, que funciona a 8500 rpm, tarda unos considerables 46 grados en el cigüeñal antes de que cualquier señal del cilindro pueda llegar al extremo del conducto (suponiendo que no haya movimiento del aire en el conducto). 46 grados, durante los cuales nada más que el volumen del conducto abastece las demandas del cilindro. Esto no solo se aplica a la señal inicial, sino a cualquier cambio en la presión o el vacío desarrollado en el cilindro.
No es posible utilizar un conducto más corto para reducir el retraso porque, al final del ciclo, el conducto largo continúa fluyendo a toda velocidad sin tener en cuenta la presión creciente en el cilindro y proporcionando presión al cilindro cuando más se necesita. La longitud del conducto también controla el momento de las ondas de retorno y no se puede alterar. Un conducto más corto fluiría antes, pero también se apagaría antes al devolver las ondas positivas demasiado rápido (ajustado a un RPM más alto) y esas ondas serían más débiles. La clave es encontrar el equilibrio óptimo de todos los factores para los requisitos del motor.
Para complicar aún más el sistema, el domo del pistón, la fuente de la señal, se mueve continuamente. Primero se mueve hacia abajo en el cilindro, aumentando así la distancia que debe recorrer la señal. Luego se mueve hacia arriba al final del ciclo de admisión, cuando la válvula todavía está abierta más allá del punto muerto inferior . Las señales que vienen del domo del pistón, una vez que se ha establecido el flujo inicial en el corredor, deben luchar contra la velocidad que se haya desarrollado en ese instante, retrasándola aún más. Las señales desarrolladas por el pistón tampoco tienen un camino limpio hacia arriba en el corredor. Grandes porciones de ellas rebotan en el resto de la cámara de combustión y resuenan dentro del cilindro hasta que se alcanza una presión promedio. Además, las variaciones de temperatura debido a los cambios de presión y la absorción de las partes calientes del motor provocan cambios en la velocidad sónica local.
Cuando la válvula se cierra, se produce una acumulación de gas que da lugar a una fuerte onda positiva que debe viajar a lo largo del corredor. La actividad de las ondas en el puerto/corredor no se detiene, sino que continúa reverberando durante algún tiempo. Cuando la válvula se abre nuevamente, las ondas restantes influyen en el siguiente ciclo.
El gráfico anterior muestra la presión del corredor de admisión a lo largo de 720 grados del cigüeñal de un motor con un puerto/corredor de admisión de 7 pulgadas (180 mm) que funciona a 4500 rpm, que es su pico de par (cerca del llenado máximo del cilindro y BMEP para este motor). Los dos trazos de presión se toman del extremo de la válvula (azul) y de la entrada del corredor (rojo). La línea azul sube bruscamente a medida que se cierra la válvula de admisión. Esto provoca una acumulación de aire, que se convierte en una onda positiva que se refleja hacia arriba en el corredor y la línea roja muestra que esa onda llega a la entrada del corredor más tarde. Observe cómo la onda de succión durante el llenado del cilindro se retrasa aún más al tener que luchar contra el aire entrante y el hecho de que el pistón está más abajo en el orificio, lo que aumenta la distancia.
El objetivo del ajuste es organizar los corredores y la sincronización de válvulas de modo que haya una onda de alta presión en el puerto durante la apertura de la válvula de admisión para que el flujo comience rápidamente y luego que llegue una segunda onda de alta presión justo antes del cierre de la válvula para que el cilindro se llene tanto como sea posible. La primera onda es lo que queda en el corredor del ciclo anterior, mientras que la segunda se crea principalmente durante el ciclo actual por la onda de succión que cambia de signo en la entrada del corredor y llega de regreso a la válvula a tiempo para el cierre de la válvula. Los factores involucrados son a menudo contradictorios y requieren un acto de equilibrio cuidadoso para que funcione. Cuando funciona, es posible ver eficiencias volumétricas del 140%, similar a la de un supercargador decente , pero solo ocurre en un rango de RPM limitado.
Se cree popularmente que agrandar los puertos hasta el tamaño máximo posible y aplicar un acabado de espejo es lo que implica la portación. Sin embargo, eso no es así. Algunos puertos pueden agrandarse hasta su tamaño máximo posible (de acuerdo con el nivel más alto de eficiencia aerodinámica), pero esos motores son unidades altamente desarrolladas y de muy alta velocidad donde el tamaño real de los puertos se ha convertido en una restricción. Los puertos más grandes fluyen más combustible/aire a mayores RPM, pero sacrifican el torque a menores RPM debido a una menor velocidad de combustible/aire. Un acabado de espejo del puerto no proporciona el aumento que sugiere la intuición. De hecho, dentro de los sistemas de admisión, la superficie generalmente se texturiza deliberadamente hasta un grado de rugosidad uniforme para alentar que el combustible depositado en las paredes del puerto se evapore rápidamente. Una superficie rugosa en áreas seleccionadas del puerto también puede alterar el flujo al energizar la capa límite , lo que puede alterar la ruta del flujo notablemente, posiblemente aumentando el flujo. Esto es similar a lo que hacen los hoyuelos en una pelota de golf . Las pruebas de flujo en banco muestran que la diferencia entre un puerto de admisión con acabado de espejo y un puerto con textura rugosa es generalmente inferior al 1 %. La diferencia entre un puerto suave al tacto y una superficie con espejo óptico no se puede medir por medios ordinarios. Los puertos de escape pueden tener un acabado suave debido al flujo de gas seco y con el fin de minimizar la acumulación de subproductos del escape. Un acabado de grano 300 a 400 seguido de un pulido suave se acepta generalmente como representativo de un acabado casi óptimo para los puertos de gases de escape.
La razón por la que los puertos pulidos no son ventajosos desde el punto de vista del flujo es que en la interfaz entre la pared metálica y el aire, la velocidad del aire es cero (ver capa límite y flujo laminar ). Esto se debe a la acción humectante del aire y, de hecho, de todos los fluidos. La primera capa de moléculas se adhiere a la pared y no se mueve significativamente. El resto del campo de flujo debe pasar por ella, lo que desarrolla un perfil de velocidad (o gradiente) a lo largo del conducto. Para que la rugosidad de la superficie afecte al flujo de manera apreciable, los puntos altos deben ser lo suficientemente altos como para sobresalir hacia el aire que se mueve más rápido hacia el centro. Solo una superficie muy rugosa logra esto.
Además de todas las consideraciones dadas a un puerto de motor de cuatro tiempos, los puertos de motor de dos tiempos tienen otras adicionales:
La rectificadora de matrices es el producto básico del porteador de cabezales y se utiliza con una variedad de fresas de carburo, muelas de amolar y cartuchos abrasivos. Las formas complejas y delicadas que se requieren para el porteador requieren un buen grado de habilidad artística con una herramienta manual.
Hasta hace poco, el mecanizado CNC se utilizaba únicamente para proporcionar la forma básica del puerto, pero todavía era necesario el acabado manual porque algunas áreas del puerto no eran accesibles para una herramienta CNC. Los nuevos avances en el mecanizado CNC permiten ahora automatizar completamente este proceso con la ayuda del software CAD/CAM. Los controles CNC de 5 ejes que utilizan accesorios especializados como mesas giratorias inclinables permiten que la herramienta de corte tenga acceso total a todo el puerto. La combinación de software CNC y CAM le da al porteador un control total sobre la forma del puerto y el acabado de la superficie.
La medición del interior de los puertos es difícil, pero debe realizarse con precisión. Se hacen plantillas de chapa metálica, tomando la forma de un puerto experimental, tanto para la forma transversal como para la longitudinal. Estas plantillas, insertadas en el puerto, se utilizan como guía para dar forma al puerto final. Incluso un pequeño error puede provocar una pérdida de flujo, por lo que la medición debe ser lo más precisa posible. La confirmación de la forma final del puerto y la réplica automática del puerto se realizan ahora mediante digitalización. La digitalización es cuando una sonda escanea la forma completa del puerto y recopila datos que luego pueden usarse con máquinas herramienta CNC y programas de software CAD/CAM para modelar y cortar la forma deseada del puerto. Este proceso de réplica generalmente produce puertos que fluyen con una diferencia de 1% entre sí. Este tipo de precisión, repetibilidad y tiempo nunca antes había sido posible. Lo que solía llevar dieciocho horas o más ahora lleva menos de tres.
La aerodinámica interna que interviene en el proceso de instalación de los puertos es contraintuitiva y compleja. Para optimizar con éxito los puertos se necesita un banco de flujo de aire , un conocimiento profundo de los principios involucrados y un software de simulación de motores.
Aunque gran parte del conocimiento sobre portabilidad ha sido acumulado por personas que utilizan métodos de "cortar y probar" a lo largo del tiempo, ahora existen las herramientas y el conocimiento para desarrollar un diseño de portabilidad con un cierto grado de certeza.