OCULTO EN LOS DETALLES

En la ingeniería existen reglas empíricas que permiten calcular los resultados que se van a obtener. En el caso de la potencia de un motor de combustión interna la ecuación es la siguiente: potencia = cilindrada del motor x rpm x presión de combustión neta promediada por carrera x una constante. En estos valores, la cilindrada es fácil de determinar, el régimen también. De hecho puedes obtener los dos incluso en las carreras de tus rivales, la cilindrada la suele marcar el reglamento y el régimen lo averiguas enviando a un técnico a un tramo rápido para que registre el sonido. Es es algo que se suele ver en los entrenamientos cuando se estrenan las nuevas motos.

El secreto se esconde tras el término "presión de combustión neta promediada por carrera", más conocida como “Presión Media Efectiva”, en inglés BMEP “Brake Mean Effective Pressure", que en un motor de cuatro tiempos de alto rendimiento se encuentra en el valor máximo de potencia en el entorno de 1,38 MPa, y puede llegar a 1,59 MPa en el régimen en el que se obtiene el par máximo. La coletilla "promediada por carrera" se refiere al valor medio de la presión real, que es muy variable en el interior del cilindro. Aumenta desde el momento en que se produce la combustión hasta un pico de unos 8,27 MPa, eso es justo después del punto muerto superior, y a partir de ahí cae rápidamente a medida que el pistón desciende y se expande el gas caliente y a alta presión. El adjetivo "neto" se refiere al hecho de que la presión de combustión está sujeta a pérdidas. Hay de diversos tipos, las más importantes debidas a las fricciones, pérdidas de calor por las superficies metálicas más frías, pérdidas de bombeo al acelerar, u otras pérdidas como el corte de la combustión muy cerca de las superficies frías o el pequeño volumen de carga fresca que se acaba entrando en los huecos que hay entre los segmentos y el pistón y no se queman. En este sentido, los actuales motores que trabajan con mezclas de combustible pobres se benefician, porque su combustión se realiza a baja temperatura. Esto evita que por causa de un excesivo calor, algunas moléculas se rompan, algo que consume energía del gas caliente. Estas moléculas permanecen disociadas hasta que abandonan el cilindro, y después pueden volver a unirse en condiciones más frías.

Cuanto más intensa es la combustión, por ejemplo en motores con una relación de compresión muy alta, o los sobrealimentados, más energía térmica deja de estar disponible para lo realmente importante, que es que el gas caliente golpee cabeza del pistón, convirtiendo su presión en un impulso que produzca su desplazamiento y acabe convirtiéndose en una rotación del cigüeñal.

Keith Duckworth, uno de los fundadores de Cosworth, y creador de la moderna cámara de combustión plana de cuatro válvulas, dijo en una ocasión: "Muchos diseñadores son muy buenos introduciendo una gran cantidad de carga en el cilindro, sin pensar lo más mínimo en cómo quemarla". Se refería al gran número de motores de finales de los años 60 que se veían perjudicados por una combustión lenta. Al mantener durante más tiempo el gas muy caliente contra las superficies más frías del pistón y la cámara de combustión, permitía que se perdiese mucho calor. La forma que encontró Duckworth para reducir este problema fue acelerar la combustión. Para ello logró que la mezcla en el interior del cilindro mantuviese una gran energía cinética proveniente del flujo de admisión en movimiento rotatorio. Este movimiento se convertía en turbulencia al iniciarse la combustión, algo que aceleraba la propagación de la llama. Duckworth eliminó los pistones con cabezas altas y las cámaras de combustión profundas, reduciendo la superficie a través de la cual se podía perder calor.

Diseñar motores para pasar las actuales normas de emisiones es muy diferente a hacerlo para ganar carreras. Esto último requiere girar a altos regímenes, lo que a su vez obliga a disponer de válvulas muy grandes. Esto, a su vez, obliga a un gran diámetro de los cilindros. El resultado es una gran superficie expuesta a la llama y una gran pérdida de calor. Esta es una razón por la que los actuales motores de bajas emisiones son de carrera más larga, con diámetros más pequeños, como los que se preferían en los años veinte. Si eso les impide generar potencia a altas revoluciones, se les instala un turbocompresor.

Algo realmente apreciado en el arte de diseñar motores es cómo conseguir una combustión rápida aunque el diámetro del cilindro sea grande, la carrera corta y la relación de compresión alta. A finales de los '80, las malas combustiones eran la norma, y había que elegir entre aceleración o velocidad punta. La razón era la falta de experiencia para resolver el problema de la combustión lenta. Si el motor se construía con una relación de compresión alta, algo que se conseguía haciendo que el espacio libre en la culata para la combustión fuera muy delgado, el resultado era que el movimiento turbulento decaía rápidamente. El resultado era una buena aceleración porque una relación de compresión alta ayuda a cualquier régimen, pero una velocidad punta débil. Si se abría la cámara, la relación de compresión disminuía y se perdía aceleración, pero la velocidad máxima mejoraba. ¿O lo uno o lo otro? ¿Se ha llegado a un compromiso mediante formas avanzadas de dinámica de fluidos computarizada? Podría ser.

Hace unos años, Ducati aumentó la temperatura del refrigerante de sus motores de MotoGP, porque permitía reducir el tamaño del radiador y, con ello, la resistencia aerodinámica. Años antes habíamos escuchado que en el Mundial de Superbikes se lograban mejoras reduciendo la temperatura del refrigerante. En ese caso se trataba que una cámara de combustión más fría podría funcionar sin detonaciones con mayores relaciones de compresión. Por otro lado, sabemos que Honda ha utilizado hasta 21 inyectores de refrigeración por cada pistón en sus motores de F1, ¿permitía eso que los pistones mantuviesen su resistencia a la fatiga en un cilindro más caliente? Al fi n y al cabo es una característica que depende de la temperatura. Por otra parte, vemos que los radiadores de aceite y agua se han vuelto más fi nos. Cuanto más larga es una aleta de refrigeración, más tarda el aire en atravesar el radiador y más se calienta. Esto reduce la diferencia de temperatura al fi nal del radiador entre las aletas y el aire, y se pierde rendimiento. Hace años, cuando Steve Whitelock, que por entonces era el mecánico de Yvon DuHamel, y yo, intentábamos hablar de estas cosas con nuestro técnico de competición de Kawasaki, Kazuhito Yoshida, soltaba un gruñido y respondía: "Necesario muchas pruebas".

DISEÑAR MOTORES DE BAJAS EMISIONES ES MUY DIFERENTE A HACERLO PARA LAS CARRERAS