Los puertos de culata se refieren al proceso de modificar los puertos de admisión y escape de un motor de combustión interna para mejorar su flujo de aire. Las culatas , tal como se fabrican, suelen ser subóptimas para aplicaciones de carreras debido a que están diseñadas para una máxima durabilidad. Los puertos se pueden modificar para obtener máxima potencia, mínimo consumo de combustible o una combinación de ambos, y las características de entrega de potencia se pueden cambiar para adaptarse a una aplicación particular.
La experiencia humana diaria con el aire da la impresión de que el aire es ligero y casi inexistente a medida que nos movemos lentamente a través de él. Sin embargo, un motor que funciona a alta velocidad experimenta una sustancia totalmente diferente. En ese contexto, se puede considerar que el aire es espeso, pegajoso, elástico, pegajoso y pesado (ver viscosidad ), y la conexión en la cabeza ayuda a aliviar esto.
Cuando se decide realizar una modificación mediante pruebas con un banco de flujo de aire , el material original de la pared del puerto se puede remodelar a mano con rectificadoras o mediante fresadoras controladas numéricamente . Para modificaciones importantes, los puertos deben soldarse o construirse de manera similar para agregar material donde no existía.
El motor Ford F2000 de dos litros en versión original equipado con el cabezal que se muestra arriba era capaz de entregar 115 caballos de fuerza a 5500 rpm para un BMEP de 136 psi .
Este cabezal de carreras Pro Stock del mercado de accesorios se usó en un motor capaz de generar 1300 caballos de fuerza a 9500 rpm con un BMEP de 238 psi. Un BMEP de 238 lo sitúa cerca del límite para un motor de aspiración natural que quema gas. Los motores de Fórmula Uno de aspiración natural normalmente alcanzaban valores 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 de los puertos es un factor importante.
Cuando la válvula se abre, el aire no entra, se descomprime en la región de baja presión debajo de ella. Todo el aire en el lado aguas arriba del límite de perturbación en movimiento está completamente aislado y no se ve afectado por lo que sucede en el lado aguas abajo. El aire en la entrada del corredor no se mueve hasta que la ola llega hasta el final. Sólo entonces todo el corredor puede empezar a fluir. Hasta ese punto, todo lo que puede suceder es que el gas de mayor presión que llena el volumen del corredor se descomprima o se expanda hacia la región de baja presión que avanza hacia arriba por el corredor. (Una vez que la onda de baja presión alcanza el extremo abierto del corredor, invierte el signo, el aire que entra fuerza una onda de alta presión hacia abajo por el corredor. No se muestra en esta animación).
Por el contrario, el cierre de la válvula no detiene inmediatamente el flujo en la entrada del corredor, que continúa sin verse afectado hasta que llega la señal de que la válvula está cerrada. El cierre de la válvula provoca una acumulación de presión que sube por el corredor como una onda positiva. La entrada del corredor sigue fluyendo a toda velocidad, obligando a aumentar la presión hasta que la señal llega a la entrada. Este aumento de presión tan considerable se puede ver en el gráfico siguiente: se eleva muy por encima de la presión atmosférica.
Es este fenómeno el que permite que se produzca el llamado “ram tuning”, y es lo que se “sintoniza” mediante los sistemas de admisión y escape sintonizados. El principio es el mismo que el 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 corredor.
Esta es la razón por la que los volúmenes de puertos/corredores son tan importantes; los volúmenes de partes sucesivas del puerto/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 dependiendo de la longitud de la biela y del recorrido de la manivela , y varía con la relación de la biela (biela/carrera). Para el diseño de automóviles normal, este punto casi siempre está entre 69 y 79 grados ATDC, y las relaciones de varilla más altas favorecen la posición posterior. Sólo ocurre a 1/2 carrera (90 grados) con una biela de longitud infinita.
La actividad de onda/flujo en un motor real es mucho más compleja que esto, pero el principio es el mismo.
A primera vista, este viaje de ondas puede parecer increíblemente rápido y poco significativo, pero algunos cálculos muestran que es todo lo contrario. En un corredor de admisión a temperatura ambiente, la velocidad del sonido es de aproximadamente 1100 pies por segundo (340 m/s) y atraviesa un puerto/corredor de 12 pulgadas (300 mm) en 0,9 milisegundos. El motor que utiliza este sistema, funcionando a 8500 rpm, necesita unos considerables 46 grados de cigüeñal antes de que cualquier señal del cilindro pueda llegar al extremo del rodete (suponiendo que no haya movimiento del aire en el rodete). 46 grados, durante los cuales nada más que el volumen del puerto/corredor satisface las demandas del cilindro. Esto no sólo se aplica a la señal inicial sino a todos y cada uno de los cambios en la presión o el vacío desarrollado en el cilindro.
Usar un canal más corto para reducir el retraso no es factible porque, al final del ciclo, el canal más largo ahora continúa fluyendo a toda velocidad sin tener en cuenta el aumento de presión en el cilindro y proporcionando presión al cilindro cuando más se necesita. La longitud del corredor también controla el tiempo de las olas que regresan y no se puede modificar. Un corredor más bajo fluiría antes pero también moriría antes mientras devolvía las ondas positivas demasiado rápido (sintonizadas a una RPM más alta) y esas ondas serían más débiles. La clave es encontrar el equilibrio óptimo de todos los factores para los requisitos del motor.
Lo que complica aún más el sistema es el hecho de que la cúpula del pistón, la fuente de señal, se mueve continuamente. Primero bajando por el cilindro, aumentando así la distancia que debe recorrer la señal. Luego retroceda al final del ciclo de admisión cuando la válvula aún esté abierta más allá del BDC . Las señales provenientes de la cúpula del pistón, una vez establecido el flujo inicial del corredor, deben luchar aguas arriba contra la velocidad que se haya desarrollado en ese instante, retrasándola aún más. Las señales generadas por el pistón tampoco tienen un camino limpio hacia el corredor. Grandes porciones rebotan en el resto de la cámara de combustión y resuenan dentro del cilindro hasta alcanzar una presión promedio. Además, las variaciones de temperatura debido a los cambios de presión y la absorción de las piezas 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 por el corredor. La actividad del oleaje en el puerto/corredor no se detiene sino que continúa reverberando durante algún tiempo. La siguiente vez que se abre la válvula, las ondas restantes influyen en el siguiente ciclo.
El gráfico anterior muestra la presión del corredor de admisión a más de 720 grados de cigüeñal de un motor con un puerto/corredor de admisión de 7 pulgadas (180 mm) que funciona a 4500 rpm, que es su par máximo (cerca del llenado máximo del cilindro y BMEP para este motor). . Las dos trazas de presión se toman del extremo de la válvula (azul) y de la entrada del corredor (rojo). La línea azul aumenta bruscamente cuando se cierra la válvula de admisión. Esto provoca una acumulación de aire, que se convierte en una onda positiva reflejada hacia el corredor y la línea roja muestra que la 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 aguas arriba contra la entrada de aire y al 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 la válvula de modo que haya una onda de alta presión en el puerto durante la apertura de la válvula de admisión para que el flujo fluya rápidamente y luego que llegue una segunda onda de alta presión justo antes del cierre de la válvula. para que el cilindro se llene lo más 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 cuando la onda de succión cambia de signo en la entrada del corredor y regresa a la válvula a tiempo para cerrarla. Los factores involucrados son a menudo contradictorios y requieren un acto de equilibrio cuidadoso para funcionar. Cuando funciona, es posible ver eficiencias volumétricas del 140%, similar a la de un sobrealimentador decente , pero solo ocurre en un rango limitado de RPM.
Popularmente se sostiene que lo que implica la portabilidad es ampliar los puertos al máximo tamaño posible y aplicar un acabado de espejo. Sin embargo, eso no es así. Es posible que algunos puertos se amplíen hasta su tamaño máximo posible (para mantener el mayor nivel de eficiencia aerodinámica), pero esos motores son unidades muy desarrolladas y de muy alta velocidad para las que el tamaño real de los puertos se ha convertido en una restricción. Los puertos más grandes fluyen más combustible/aire a RPM más altas, pero sacrifican el torque a RPM más bajas debido a la 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 suele tener una textura deliberada hasta alcanzar un grado de rugosidad uniforme para favorecer 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 notablemente la trayectoria del flujo, posiblemente aumentando el flujo. Esto es similar a lo que hacen los hoyuelos de 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 de textura rugosa suele ser inferior al 1%. La diferencia entre un puerto suave al tacto y una superficie ópticamente reflejada no se puede medir por medios ordinarios. Los puertos de escape pueden tener un acabado liso debido al flujo de gas seco y con el fin de minimizar la acumulación de subproductos del escape. Generalmente se acepta que un acabado de grano 300 a 400 seguido de un pulido ligero es 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 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, lo que desarrolla un perfil de velocidad (o gradiente) a través del conducto. Para que la rugosidad de la superficie afecte apreciablemente el flujo, los puntos altos deben ser lo suficientemente altos como para sobresalir hacia el aire que se mueve más rápido hacia el centro. Sólo una superficie muy rugosa hace esto.
Además de todas las consideraciones dadas a un puerto de motor de cuatro tiempos, los puertos de motor de dos tiempos tienen consideraciones adicionales:
La amoladora de matriz es la opción comercial del portero principal y se utiliza con una variedad de cortadores de carburo, muelas abrasivas y cartuchos abrasivos. Las formas complejas y sensibles que se requieren al portar requieren un buen grado de habilidad artística con una herramienta manual.
Hasta hace poco, el mecanizado CNC se utilizaba sólo para proporcionar la forma básica del puerto, pero el acabado manual todavía era necesario porque algunas áreas del puerto no eran accesibles para una herramienta CNC. Los nuevos desarrollos en el mecanizado CNC permiten ahora que este proceso se automatice completamente 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 completo a todo el puerto. La combinación de software CNC y CAM le da al portero control total sobre la forma del puerto y el acabado de la superficie.
La medición del interior de los puertos es difícil pero debe hacerse con precisión. Se confeccionan plantillas de chapa, tomando la forma de un puerto experimental, tanto para la forma transversal como para la longitudinal. Insertadas en el puerto, estas plantillas se utilizan como guía para dar forma al puerto final. Incluso un ligero error podría 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 replicación automatizada del puerto ahora se realizan mediante digitalización. La digitalización es donde una sonda escanea toda la forma del puerto recopilando datos que luego pueden ser utilizados por máquinas herramienta CNC y programas de software CAD/CAM para modelar y cortar la forma del puerto deseada. Este proceso de replicación generalmente produce puertos que fluyen con una diferencia del 1% entre sí. Este tipo de precisión, repetibilidad y tiempo nunca antes había sido posible. Lo que antes tomaba dieciocho horas o más, ahora toma menos de tres.
La aerodinámica interna involucrada en la portabilidad es contraintuitiva y compleja. La optimización exitosa de los puertos requiere un banco de flujo de aire , un conocimiento profundo de los principios involucrados y un software de simulación del motor.
Aunque una 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 cierto grado de certeza.