¿Alguna vez has querido diseñar un pistón desde cero?
Esa es la diversión que he tenido durante el último mes más o menos, y déjame decirte que el M54B30 no facilita la vida.
Probablemente, la especificación más importante a tener en cuenta al diseñar un pistón para un motor es la "altura de compresión". Esta es la medida desde el centro del bulón hasta la corona del pistón. En el caso del M54B30, necesitamos hacer un poco de matemáticas hacia atrás para averiguar cuáles son nuestras limitaciones en esta área.
La distancia desde el centro del cigüeñal hasta la "cubierta" del bloque es de 211 mm.
89,6 mm de carrera del cigüeñal lanza el centro del muñón de la biela hacia arriba 44,8 mm.
La biela mide 135 mm de centro a centro.
Esto le da una "altura de compresión" de 31,2 mm desde el centro del bulón hasta la cubierta del bloque.
El bulón en todos los M54 (y la mayoría de los otros motores BMW) es de 22 mm. Esto nos lleva a 20,2 mm de espacio para trabajar por encima del bulón en nuestro diseño de pistón personalizado.
Así que el siguiente paso es averiguar el paquete de anillos que queremos usar. Normalmente, para los motores N/A, verá anillos superiores y segundos en el área de 1 mm - 1,2 mm. Para FI, se recomienda usar un anillo superior más grueso. Así que para mi "motor de óxido nitroso", he elegido un anillo superior de 1,5 mm y un segundo anillo de 1,2 mm. El anillo rascador de aceite depende de una serie de variables en el sistema de aceite, así como de la carrera del pistón. Cuanto más larga sea la carrera, más aceite habrá que cortar en la pared y necesita un lugar para almacenarlo antes de que se filtre por los orificios de ventilación. Afortunadamente, el M54B30 tiene una carrera modesta y una cantidad moderada de aceite que se bombea a la pared del pistón. Esto significa que no necesitamos estar en el extremo superior de la escala del anillo rascador de aceite (5 mm para bloques grandes, por ejemplo) y podemos arreglárnoslas con un buen anillo de 2,5 mm.
Así que la pila de anillos combinada es de 5,2 mm, lo que nos da 15 mm de espacio para colocar las tierras de los anillos. Suponiendo que estamos colocando el anillo de aceite directamente encima del orificio del bulón, esto nos da 3 tierras de anillos para especificar
Tierra superior
Anillo superior del pistón
Tierra media
Segundo anillo del pistón
Tierra inferior
Anillo rascador de aceite
Probablemente, la más crítica en lo que respecta a la resistencia será la tierra superior. Cuanto más material podamos colocar aquí en un pistón F/I, mejor. Así que esto significa que queremos minimizar el tamaño de la tierra para la tierra media e inferior para dar lo máximo posible a la tierra superior.
Siguiendo el consejo de expertos de la industria, opté por una tierra media de 3 mm y una tierra inferior de 2 mm. Esto nos deja con 10 mm por encima del anillo superior. Suena mucho, ¿verdad? Bueno, todavía tenemos que diseñar la corona del pistón, y ahí es donde tenemos que tener en cuenta las válvulas.....
Así que volviendo a un poco de matemáticas:
Tierra superior = 10 mm
Anillo superior del pistón = 1,5 mm
Tierra media = 3 mm
Segundo anillo del pistón = 1,2 mm
Tierra inferior = 2 mm
Anillo rascador de aceite = 2,5 mm
Radio del bulón = 11 mm
Longitud de la biela = 135 mm
Radio de la carrera del cigüeñal = 44,8 mm
Así que hemos usado todo el espacio de 211 mm con el conjunto alternativo.
Algunos podrían señalar que la junta de la culata se puede ajustar para que podamos hacer funcionar el pistón por encima de la cubierta antes de que golpee la culata. Esto es cierto, y para ser honesto, podemos obtener juntas de 3,5 mm de grosor. (0,140") Pero cuando está produciendo presiones máximas en el cilindro, ¿quiere aplicar esa presión contra más superficie de la junta o un orificio de cilindro sólido? La mayoría de los constructores de motores de alto nivel, cuando no están restringidos por las reglas de altura de la cubierta, elegirán usar la junta de culata más delgada posible. Así que en este caso, el diseño del pistón respetará una junta de culata de 0,030".
Si desea hacer fluir mucho aire a través de válvulas de tamaño moderado, necesita mantenerlas abiertas durante mucho tiempo. El valor de elevación máxima no es tan importante como el valor de elevación promedio en grados de cigüeñal. Con los árboles de levas personalizados que tengo, esto significa que las válvulas están abiertas cuando el pistón alcanza el PMS al final de la carrera de escape y al comienzo de la carrera de admisión. Con las levas "centradas" en el medio del rango de ajuste VANOS, esta cifra es de alrededor de 4,5 mm para ambos juegos de válvulas. Retrasar el árbol de levas de escape aumentará este valor, así como avanzar el árbol de levas de admisión. De hecho, es factible ver una elevación de casi 9 mm en el PMS en el extremo del rango de ajuste VANOS tanto para los árboles de levas de admisión como de escape. Esto le da 2 opciones para diseñar los huecos de las válvulas:
1.) Bloquea mecánicamente la posición de la leva para lo que estima que será la mejor posición de sincronización de la leva y diseña el pistón para que despeje las válvulas en esa posición.
2.) Permite el rango completo de ajuste VANOS y diseña el pistón para que despeje esto.
Una tercera opción es limitar el rango VANOS con la ECU, pero entonces la ley de Murphy está obligada a aparecer con algún fallo que arruine el motor.
Fui con la opción n.º 2 y diseñé huecos de válvulas masivos en la corona del pistón. Razoné que ser capaz de manipular el tiempo del árbol de levas de escape iba a hacer más para controlar el calor de la cámara que usar el material extra en la corona por encima del anillo superior del pistón. Con suerte, con algunos de los otros trucos que tengo planeados, funciona.
La holgura para la válvula de admisión es de 9,62 mm en el PMS con una junta de culata de 0,030".
La holgura para la válvula de admisión es de 8,92 mm en el PMS con una junta de culata de 0,030".
El resultado de los cortes de alivio de la válvula son 2 áreas "bajas" por encima del anillo superior del pistón que miden solo 4 mm de grosor en un área de 5 mm en el lado de admisión y 5 mm de grosor en un área de 4 mm en el lado de escape. Es un compromiso, pero uno que estoy dispuesto a aceptar para mantener holguras mecánicamente seguras en caso de sobreaceleración o fallo de la ECU.
Entonces, ¿dónde nos deja esto la relación de compresión?
11,4:1 con una junta de culata de 0,030", lo cual es en realidad bajo para los motores de carreras de óxido nitroso que usan combustible de carreras.
Alguien, en algún momento, va a averiguar lo que significa este diseño de pistón....
