Vacío del colector

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El vacío del colector , o vacío del motor en un motor de gasolina, es la diferencia de presión de aire entre el colector de admisión del motor y la atmósfera terrestre .

El vacío del colector es un efecto del movimiento de un pistón en la carrera de inducción y el flujo de aire a través de un acelerador en el colector de admisión de un motor. Es una medida de la cantidad de restricción del flujo de aire a través del motor y, por lo tanto, de la capacidad de potencia no utilizada en el motor. En algunos motores, el vacío del colector también se utiliza como fuente de energía auxiliar para impulsar los accesorios del motor y para el sistema de ventilación del cárter .

Los vacíos del colector no deben confundirse con los vacíos Venturi , que son un efecto explotado en los carburadores para establecer una diferencia de presión aproximadamente proporcional al flujo de aire másico y para mantener una relación aire/combustible algo constante .

También se utiliza en aviones ligeros para proporcionar flujo de aire a los instrumentos giroscópicos neumáticos. ^{[ cita requerida ]}

La velocidad del flujo de aire a través de un motor de combustión interna es un factor importante que determina la cantidad de potencia que genera el motor. La mayoría de los motores de gasolina se controlan limitando ese flujo con un acelerador que restringe el flujo de aire de admisión, mientras que un motor diésel se controla por la cantidad de combustible suministrado al cilindro y, por lo tanto, no tiene un "acelerador" como tal. El vacío del colector está presente en todos los motores de aspiración natural que utilizan aceleradores (incluidos los motores de gasolina con carburador y con inyección de combustible que utilizan el ciclo Otto o el ciclo de dos tiempos ; los motores diésel no tienen placas de acelerador).

El flujo de masa a través del motor es el producto de la velocidad de rotación del motor, el desplazamiento del motor y la densidad de la corriente de admisión en el colector de admisión. En la mayoría de las aplicaciones, la velocidad de rotación la establece la aplicación (velocidad del motor en un vehículo o velocidad de la maquinaria en otras aplicaciones). El desplazamiento depende de la geometría del motor, que generalmente no es ajustable mientras el motor está en uso (aunque un puñado de modelos sí tienen esta característica, consulte desplazamiento variable ). Restringir el flujo de entrada reduce la densidad (y, por lo tanto, la presión) en el colector de admisión, lo que reduce la cantidad de potencia producida. También es una fuente importante de arrastre del motor (consulte frenado del motor ), ya que el aire a baja presión en el colector de admisión proporciona menos presión sobre el pistón durante la carrera de inducción.

Cuando se abre el acelerador (en un automóvil, se presiona el pedal del acelerador ^{[ ancla rota ] ), el aire ambiental queda libre para llenar el colector de admisión, lo que aumenta la presión (llenando el vacío). Un} carburador o un sistema de inyección de combustible agrega combustible al flujo de aire en la proporción correcta, lo que proporciona energía al motor. Cuando se abre el acelerador por completo, el sistema de inducción de aire del motor queda expuesto a la presión atmosférica total y se logra el máximo flujo de aire a través del motor. En un motor de aspiración natural, la potencia de salida está limitada por la presión barométrica ambiental . Los supercargadores y turbocompresores aumentan la presión del colector por encima de la presión atmosférica.

Los motores modernos utilizan un sensor de presión absoluta del colector ( MAP ) para medir la presión de aire en el colector de admisión. La presión absoluta del colector es uno de los múltiples parámetros que utiliza la unidad de control del motor (ECU) para optimizar el funcionamiento del motor. Es importante diferenciar entre presión absoluta y presión manométrica cuando se trabaja con ciertas aplicaciones, en particular aquellas que experimentan cambios de elevación durante el funcionamiento normal.

Motivados por las regulaciones gubernamentales que exigen la reducción del consumo de combustible (en los EE. UU.) o la reducción de las emisiones de dióxido de carbono (en Europa), los automóviles de pasajeros y los camiones ligeros han sido equipados con una variedad de tecnologías (motores de tamaño reducido; transmisiones con bloqueo, de relación múltiple y con sobremarcha ; sincronización variable de válvulas , inducción forzada, motores diésel, etc.) que hacen que el vacío del colector sea inadecuado o no esté disponible. En la actualidad, las bombas de vacío eléctricas se utilizan comúnmente para alimentar accesorios neumáticos.

El vacío del colector es causado por un fenómeno diferente al del vacío Venturi , que está presente dentro de los carburadores . El vacío Venturi es causado por el efecto Venturi que, para condiciones ambientales fijas (densidad del aire y temperatura), depende del flujo de masa total a través del carburador. En los motores que utilizan carburadores, el vacío Venturi es aproximadamente proporcional al flujo de masa total a través del motor (y, por lo tanto, a la potencia total de salida). A medida que cambia la presión ambiental (altitud, clima) o la temperatura, puede ser necesario ajustar el carburador para mantener esta relación.

La presión del colector también puede estar "portada". La portación consiste en seleccionar una ubicación para la toma de presión dentro del rango de movimiento de la placa del acelerador. Según la posición del acelerador, una toma de presión con puerto puede estar aguas arriba o aguas abajo del acelerador. A medida que cambia la posición del acelerador, una toma de presión "con puerto" se conecta selectivamente a la presión del colector o a la presión ambiental. Los motores más antiguos (pre- OBD II ) solían utilizar tomas de presión del colector con puerto para distribuidores de encendido y componentes de control de emisiones .

La mayoría de los automóviles utilizan motores de ciclo Otto de cuatro tiempos con múltiples cilindros conectados a un solo colector de admisión . Durante la carrera de admisión , el pistón desciende en el cilindro y la válvula de admisión está abierta. A medida que el pistón desciende, aumenta efectivamente el volumen en el cilindro que está sobre él, lo que genera una baja presión. La presión atmosférica empuja el aire a través del colector y el carburador o sistema de inyección de combustible , donde se mezcla con el combustible. Debido a que varios cilindros funcionan en diferentes momentos del ciclo del motor, existe una diferencia de presión casi constante a través del colector de admisión desde el carburador hasta el motor.

Para controlar la cantidad de mezcla de aire y combustible que entra al motor, generalmente se instala una válvula de mariposa simple (placa del acelerador) al comienzo del colector de admisión (justo debajo del carburador en los motores con carburador). La válvula de mariposa es simplemente un disco circular colocado en un eje, que encaja dentro de la tubería. Está conectada al pedal del acelerador del automóvil y está configurada para estar completamente abierta cuando se presiona el pedal por completo y completamente cerrada cuando se suelta el pedal. La válvula de mariposa a menudo contiene un pequeño "corte de ralentí", un orificio que permite que pequeñas cantidades de mezcla de aire y combustible ingresen al motor incluso cuando la válvula está completamente cerrada, o el carburador tiene un bypass de aire separado con su propio surtidor de ralentí.

Si el motor está funcionando con poca o ninguna carga y con el acelerador bajo o cerrado, hay un alto vacío en el colector. A medida que se abre el acelerador, la velocidad del motor aumenta rápidamente. La velocidad del motor está limitada solo por la cantidad de mezcla de combustible/aire que está disponible en el colector. Con el acelerador a fondo y una carga ligera, otros efectos (como la flotación de la válvula , la turbulencia en los cilindros o el tiempo de encendido ) limitan la velocidad del motor para que la presión del colector pueda aumentar, pero en la práctica, la resistencia parásita en las paredes internas del colector, más la naturaleza restrictiva del venturi en el corazón del carburador, significa que siempre se establecerá una presión baja ya que el volumen interno del motor excede la cantidad de aire que el colector es capaz de suministrar.

Si el motor funciona con una carga pesada y con el acelerador muy abierto (por ejemplo, al acelerar desde parado o al subir una cuesta), la velocidad del motor está limitada por la carga y se creará un vacío mínimo. La velocidad del motor es baja, pero la válvula de mariposa está completamente abierta. Como los pistones descienden más lentamente que sin carga, las diferencias de presión son menos marcadas y la resistencia parásita en el sistema de inducción es insignificante. El motor aspira aire hacia los cilindros a la presión ambiente máxima.

En algunas situaciones se crea más vacío. Al desacelerar o al descender una colina, el acelerador se cerrará y se seleccionará una marcha baja para controlar la velocidad. El motor girará rápido porque las ruedas de la carretera y la transmisión se mueven rápidamente, pero la válvula de mariposa estará completamente cerrada. El flujo de aire a través del motor está fuertemente restringido por el acelerador, lo que produce un fuerte vacío en el lado del motor de la válvula de mariposa que tenderá a limitar la velocidad del motor. Este fenómeno, conocido como frenado del motor , se utiliza para evitar la aceleración o incluso para reducir la velocidad con un uso mínimo o nulo de los frenos (como al descender una colina larga o empinada). Este frenado por vacío no debe confundirse con el frenado por compresión (también conocido como " freno Jake ") o con el frenado por escape , que a menudo se utilizan en camiones diésel grandes. Estos dispositivos son necesarios para el frenado del motor con un diésel, ya que carecen de un acelerador para restringir el flujo de aire lo suficiente como para crear el vacío suficiente para frenar un vehículo.

Esta presión baja (o negativa) se puede aprovechar. Se puede instalar un manómetro que mida la presión del colector para darle al conductor una indicación de cuánto está trabajando el motor y se puede utilizar para lograr la máxima eficiencia momentánea del combustible ajustando los hábitos de conducción: minimizar el vacío del colector aumenta la eficiencia momentánea ^{[ cita requerida ]} . Un vacío débil en el colector en condiciones de acelerador cerrado muestra que la válvula de mariposa o los componentes internos del motor ( válvulas o anillos de pistón ) están desgastados, lo que impide una buena acción de bombeo del motor y reduce la eficiencia general.

El vacío solía ser una forma común de accionar los sistemas auxiliares del vehículo. Los sistemas de vacío tienden a ser poco confiables con el tiempo, ya que los tubos de vacío se vuelven quebradizos y susceptibles a fugas.

• Motores de limpiaparabrisas: antes de la introducción de las Normas Federales de Seguridad de Vehículos Motorizados en los EE. UU. mediante la Ley Nacional de Seguridad de Tráfico y Vehículos Motorizados de 1966, era común utilizar el vacío del colector para accionar los limpiaparabrisas con un motor neumático. Este sistema es barato y simple, pero dio como resultado limpiaparabrisas cuya velocidad es inversamente proporcional a la intensidad con la que trabaja el motor.
• Motores de cerradura eléctrica de puertas.
• Elevador de combustible "Autovac", ^[1] que utiliza el vacío para elevar el combustible desde el tanque principal a un pequeño tanque auxiliar, desde donde fluye por gravedad hasta el carburador. Esto eliminó la bomba de combustible que, en los primeros automóviles, era un elemento poco confiable.

Los sistemas de vacío para automóviles alcanzaron su máximo auge entre los años 1960 y 1980. Durante este tiempo se creó una gran variedad de interruptores de vacío , válvulas de retardo y dispositivos accesorios. Por ejemplo, un Ford Thunderbird de 1967 utilizaba vacío para:

• Los servofrenos asistidos por vacío (frenos de potencia) utilizan la presión atmosférica que presiona contra el vacío del colector del motor para aumentar la presión sobre los frenos. Dado que el frenado casi siempre va acompañado del cierre del acelerador y el alto vacío asociado en el colector, este sistema es simple y casi infalible . Se instalaron tanques de vacío en los remolques para controlar sus sistemas de frenado integrados.
• Control de cambios de transmisión
• Puertas para los faros ocultos
• Liberación remota del pestillo del maletero
• Cerraduras de puertas eléctricas
• Enrutamiento de aire HVAC: los sistemas HVAC del vehículo utilizan el vacío del colector para impulsar los actuadores que controlan el flujo de aire y la temperatura.
• Control de la válvula del núcleo del calentador
• Control de ventilación de la cabina trasera
• Liberación del volante inclinable

Otros elementos que pueden funcionar con vacío incluyen:

• Solenoide de recirculación de gases de escape
• Bomba de dirección asistida
• Regulador de presión de combustible

Los automóviles modernos tienen una cantidad mínima de accesorios que utilizan vacío. Muchos accesorios que antes funcionaban con vacío han sido reemplazados por accesorios electrónicos. Algunos accesorios modernos que a veces utilizan vacío incluyen:

• Servofrenos asistidos por vacío
• Válvula de ventilación positiva del cárter
• Bote de carbón

Muchos motores diésel no tienen válvulas de mariposa. El colector está conectado directamente a la entrada de aire y la única succión creada es la causada por el pistón descendente sin un venturi para aumentarla, y la potencia del motor se controla variando la cantidad de combustible que se inyecta en el cilindro mediante un sistema de inyección de combustible . Esto ayuda a que los motores diésel sean mucho más eficientes que los motores de gasolina.

Si se requiere vacío (los vehículos que pueden equiparse con motores tanto de gasolina como diésel suelen tener sistemas que lo requieren), se puede instalar una válvula de mariposa conectada al acelerador en el colector. Esto reduce la eficiencia y sigue sin ser tan eficaz como no está conectado a un venturi. Dado que la baja presión solo se crea en el sobremarcha (como al descender pendientes con el acelerador cerrado), no en una amplia gama de situaciones como en un motor de gasolina, se instala un tanque de vacío.

La mayoría de los motores diésel ahora tienen una bomba de vacío separada ("extractor") instalada para proporcionar vacío en todo momento, a todas las velocidades del motor.

Muchos de los nuevos motores de gasolina de BMW no utilizan un acelerador en funcionamiento normal, sino que utilizan válvulas de admisión de elevación variable " Valvetronic " para controlar la cantidad de aire que entra en el motor. Al igual que en un motor diésel, el vacío en el colector es prácticamente inexistente en estos motores y se debe utilizar una fuente diferente para alimentar el servofreno.

• Válvula de retardo de vacío