▶ ¿Por qué las bielas más largas aumentan la relación de compresión?

Imagen de una representación gráfica en 3D del interior de un motor de combustión interna. Se muestran tres pistones metálicos dentro de sus cilindros, con dos en movimiento ascendente y descendente, y el tercero en la posición más alta. Los pistones tienen una superficie lisa y brillante que refleja la luz circundante. Entre los pistones, hay llamas naranjas y amarillas que simulan la combustión del motor, lo cual indica el proceso de ignición dentro de los cilindros. El fondo muestra otras partes del motor con detalles finos y precisos en tonos grises metálicos, destacando la complejidad mecánica del diseño del motor. — **Fuente:** Motorbreaker

Índice de contenido

Introducción

Recientemente, vi un vídeo de un profesor de mecánica que explicaba erróneamente que al alargar la biela no aumenta la relación de compresión. Este error se debe a no considerar que la carrera del pistón y su diámetro se mantienen constantes. En este artículo, vamos a desglosar por qué, en realidad, alargar la biela sí aumenta la relación de compresión.

El profesor argumentaba que al alargar la biela, el volumen total del cilindro no cambia, lo cual es cierto. Sin embargo, no tuvo en cuenta que la posición del pistón en el Punto Muerto Superior (PMS) cambia, reduciendo el volumen de la cámara de combustión.

Y es que en realidad, el cálculo de la relación de compresión se hace teniendo en cuenta la cilindrada del motor, que no es igual al volumen total del interior de los cilindros. De este modo, al no cambiar la carrera o el diámetro del pistón, la cilindrada se mantiene, y esto provoca que al alargar la biela se reduzca el espacio en la cámara de combustión.

Esta reducción en el volumen de la cámara de combustión es lo que aumenta la relación de compresión, como veremos a continuación.

Conceptos clave de la relación de compresión

La imagen muestra dos diagramas lineales de partes de un motor. A la izquierda, hay un cilindro con un pistón dentro en su punto muerto inferior, lo que significa que el pistón está en su posición más baja dentro del cilindro. A la derecha, se muestra el mismo cilindro con el pistón en su punto muerto superior, indicando que el pistón está en su posición más alta. Ambos diagramas tienen etiquetas en español que identifican las partes como “Cilindro” y “Pistón”, y los puntos como “Punto Muerto Inferior” y “Punto Muerto Superior”. Además, hay una letra ‘r’ indicando el radio del cilindro tanto en la parte superior como inferior del pistón derecho. — **Fuente:** Aprendo mecánica diésel

Punto Muerto Superior (PMS): Posición del pistón más cercana a la culata.
Punto Muerto Inferior (PMI): Posición del pistón más lejana de la culata.
Carrera: Distancia que recorre el pistón entre el PMS y el PMI.
Volumen de la Cámara de Combustión: Volumen entre el pistón y la culata cuando el pistón está en el PMS.

Efecto de una biela más larga sobre la relación de compresión

Cambio en la posición del pistón

PMS: Con una biela más larga, el pistón se mueve más cerca de la culata en el PMS, reduciendo significativamente el volumen de la cámara de combustión.
PMI: El pistón también se encuentra más arriba en el PMI, pero este cambio es menos crítico porque el volumen total incluye la carrera completa del pistón.

Dibujo a mano de un motor con etiquetas en español. En la parte superior, se encuentra la “cámara de combustión” con una forma rectangular y una línea que representa el pistón dentro. Debajo del pistón, se etiqueta la “biela”, que es una barra conectada al pistón y al “cigüeñal” en la parte inferior del dibujo. El cigüeñal está representado por un círculo con una línea a través de él, indicando su eje de rotación. A la izquierda del cigüeñal, se etiqueta “carrera”. El dibujo está hecho sobre una página blanca de un cuaderno o libro, y hay un borde visible de otra página a la derecha. En el fondo parcialmente visible hay una representación del eje del cigüeñal y del eje de la muñequilla del cigüeñal con inscripciones. — Con una biela más corta, el pistón queda más alejado de la cámara de combustión. | **Fuente:** Autor

En la parte superior, se encuentra la “cámara de combustión”. Debajo, se etiqueta la “carrera”, que es la distancia que recorre el pistón dentro del cilindro. Más abajo, se encuentra la “cabeza del pistón”, seguida de la “biela”, que conecta el pistón con el “cigüeñal”. La “muñequilla del cigüeñal” es la parte del cigüeñal a la que se conecta la biela. El cigüeñal está representado en la parte inferior del dibujo. El dibujo está hecho sobre una página blanca de un cuaderno o libro, y hay un borde visible de otra página a la derecha. — Con una biela más larga, el pistón queda más cerca de la cámara de combustión | **Fuente:** Autor

Impacto en el volumen

Reducción del volumen en el PMS:
- Volumen original en el PMS: Antes de alargar la biela, el pistón tiene una cierta distancia de la culata, creando un volumen específico.
- Volumen nuevo en el PMS: Después de alargar la biela, el pistón está más cerca de la culata, reduciendo este volumen significativamente.
Volumen en el PMI: Aunque el pistón se eleva también en el PMI, el efecto no es tan significativo porque el volumen desplazado entre el PMS y el PMI sigue siendo el mismo. El volumen total en el PMI cambia muy poco.

Relación de compresión

La relación de compresión (RC) se define como:

\[RC = \frac{V_d + V_c}{V_c} \]

Donde:

Vd es el volumen desplazado por el pistón.

Vc es el volumen de la cámara de combustión en el PMS.

Ejemplo numérico detallado

Para entender mejor cómo una biela más larga afecta la relación de compresión, vamos a profundizar en un ejemplo numérico detallado.

Volumen original

Volumen de desplazamiento (Vd ): 500 cm³
Volumen de la cámara de combustión original (Vc,original ): 50 cm³
Relación de Compresión Original:

\[RC_{original} = \frac{500 + 50}{50} = 11:1 \]

Volumen con una biela más Larga

Volumen de la cámara de combustión nuevo (Vc,nuevo ): 40 cm³ (por ejemplo)
Nueva Relación de Compresión:

\[RC_{nuevo} = \frac{500 + 40}{40} = 13.5:1 \]

Como se puede observar, una reducción en Vc de 50 cm³ a 40 cm³ tiene un impacto significativo en la relación de compresión, aumentando de 11:1 a 13.5:1.

Impacto en el rendimiento del motor

Una mayor relación de compresión tiene varios efectos positivos en el rendimiento del motor:

Mayor eficiencia térmica: Una mayor relación de compresión permite que el motor extraiga más energía del combustible, mejorando la eficiencia térmica.
Mayor potencia: Con una mayor relación de compresión, el motor puede generar más potencia, ya que se produce una combustión más completa del combustible.
Mejor rendimiento en altas revoluciones: Los motores con relaciones de compresión más altas suelen tener un mejor rendimiento a altas revoluciones, lo que es beneficioso para aplicaciones deportivas y de alto rendimiento.

Consideraciones y limitaciones

Aunque alargar la biela puede aumentar la relación de compresión y mejorar el rendimiento del motor, también hay algunas consideraciones y limitaciones a tener en cuenta:

Detonación: Una mayor relación de compresión puede aumentar el riesgo de detonación (knocking), lo que puede dañar el motor. Es importante utilizar combustible de alta calidad y ajustar la sincronización del encendido para evitar este problema.
Diseño del motor: No todos los motores están diseñados para soportar relaciones de compresión más altas. Es crucial asegurarse de que el motor y sus componentes puedan soportar las mayores presiones y temperaturas resultantes.

Conclusión

En resumen, alargar la biela reduce significativamente el volumen de la cámara de combustión en el PMS, lo que aumenta la relación de compresión. Este cambio puede mejorar la eficiencia y la potencia del motor, pero también requiere consideraciones cuidadosas para evitar problemas como la detonación. Al comprender estos principios, podemos optimizar el diseño y el rendimiento de los motores de combustión interna.

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Un tipo muy atractivo que resulta ser el autor.

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Jose Manuel Miana es un culo inquieto amante del motor. Su filosofía es que nada es perfecto. Cuando no habla de coches, está aprendiendo sobre negocios y marketing.