PROCESO DE RENOVACIÓN DE LA CARGA

Henry Espinoza Bejarano Proceso de renovación de la carga ___________________________________________________________________________________________

PROCESO DE RENOVACIÓN DE LA CARGA EN MCIA

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INTRODUCCIÓN

El proceso de renovación de la carga abarca dos procesos muy interrelacionados, como son la admisión y el escape. La función del proceso de renovación de la carga, como su nombre lo indica es la de renovar los productos de la combustión por mezcla fresca.

Diagramas de apertura y cierre de válvulas

En la figura 1 se muestra en diagrama de distribución o de apertura y cierre de las válvulas. La figura 1a, corresponde a un diagrama circular y la figura 1b a un diagrama en espiral.

(a) (b) Diagrama circular Diagrama en espiral

Fig. 1 Tipos de diagramas de tiempo de válvulas

En la figura 2 se muestra una gráfica típica del levantamiento de las válvulas de admisión y escape en función del ángulo del cigüeñal, donde se puede observar la apertura y cierre progresivo de la válvula, así como el solapamiento de apertura de las válvulas, cuando ambas están abiertas.

Fig. 2 Diagrama de levantamiento de válvulas

El solapamiento de las válvulas se hace con la finalidad de lograr aprovechar el efecto de inercia de los gases de escape y reducir la fracción de gases residuales en el cilindro.

Si el solapamiento es muy grande se pude producir cortocircuito, que significa que parte de la mezcla sale por el escape, aumentado las emisiones de hidrocarburos sin quemar.

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Los valores de los ángulos de apertura y cierre de las válvulas varían de un motor a otro, aún dentro del mismo tipo de aplicación. En la tabla 1 se presentan los valores y rangos de los ángulos de apertura y cierre de las válvulas de motores, clasificados dentro de tres categorías.

Tabla 1. Rangos de apertura y cierre de válvulasMotores de automóviles de alta velocidad diesel, gasolina o gas y Motores de vehículos diesel de baja y

media velocidad de transporte de mercancías y transporte públicoÁngulo de apertura de válvula de admisión APMS 10º - 30ºÁngulo de cierre de válvula de admisión DPMI 40º - 75ºÁngulo de apertura de válvula de escape APMI 40º - 75ºÁngulo de cierre de válvula de escape DPMS 10º - 30º

Motores diesel lentos marinos o industriales sobrealimentadosÁngulo de apertura de válvula de admisión APMS 25º - 45ºÁngulo de cierre de válvula de admisión DPMI 50ºÁngulo de apertura de válvula de escape APMI 55ºÁngulo de cierre de válvula de escape DPMS 25º - 45º

Motores de gasolina deportivos o competiciónÁngulo de apertura de válvula de admisión APMS 40ºÁngulo de cierre de válvula de admisión DPMI 80ºÁngulo de apertura de válvula de escape APMI 80ºÁngulo de cierre de válvula de escape DPMS 40º

En la figura 3 se muestran los diagrama de distribución con el ángulo de solapamiento de las válvulas, para diferentes tipos de motores.

Algunos fabricantes han desarrollado sistemas de variación de los ángulos de válvulas, para mejorar el llenado tanto en alta como en baja velocidad. Un sistema de este tipo es el utilizado por (Alfa Romeo), el cual consiste de un mecanismo, donde el eje de levas puede rotar debido al engranaje helicoidal que posee el árbol de levas en un extremo (figura 4b). En la figura 4a se observa el diagrama de válvula para este tipo de sistema indicado. El sistema mantiene fijo los ángulos de apertura y cierre de la válvula de escape y solo permite variar los ángulos de la válvula de admisión, aunque el ángulo total de apertura de dichas válvulas se mantiene inalterable.

Eficiencia volumétrica

La eficiencia volumétrica se define como la relación entre la masa de mezcla fresca que entra al motor por ciclo y la que llenaría al motor en condiciones de referencia.

(1)

Donde, m es la masa que entra por unidad de tiempo y ciclo, n: rpm; Vt: cilindrada total y 0: densidad a condiciones de referencia.

En motores no sobrealimentados, las condiciones de referencia suelen ser la presión y temperatura exterior, con lo cual se toma en consideración el efecto de todo el sistema de

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admisión. También, se puede tomar como referencia las condiciones después del filtro o después de la válvula de estrangulamiento

a) Motores diesel y gasolina b) Diagrama típico de un motor diesel o gasolina de vehículos de aspiración natural o sobrealimentado

c) Motores diesel sobrealimentados d) Motor de aspiración natural deportivo o competición

Fig. 3 Diagramas de válvulas de deferentes tipos de motor.

En el caso del motor sobrecalentado, si se toma como referencia las condiciones exteriores, puede dar valores de rendimiento volumétrico mayores a la unidad. Por esta razón, se toma como referencia las condiciones después del compresor.

Como es sabido, el motor admite aire húmedo (diesel) o mezcla de combustible y aire húmedo (MECH), por lo que complica el cálculo de la densidad de referencia. Para efectos prácticos, se puede utilizar la densidad del aire seco y la masa de aire admitido, sin cometer error importante.

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Fig. 4 Mecanismo y diagrama de distribución variable accionado por rueda de engranaje (Alfa Romeo) (Tomado de Heisler)

La relación entre la eficiencia volumétrica para dos condiciones diferentes, se expresa en la ecuación 2.

(2)

Relación de la eficiencia volumétrica con la potencia y presión media efectiva

La potencia se expresa por la ecuación:

(3)

Si sustituimos la masa de aire despejada de la ecuación 1, se obtiene:

(4)

Por otra parte, como la presión media efectiva se define por la ecuación siguiente

(5)

Sustituyendo la potencia por la ecuación 4 por la de la ecuación 5, se tiene:

(6)

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Del análisis de las ecuaciones 4 y 6, se pueden hacer las siguientes observaciones:

La presión media efectiva crece con la densidad del aire de referencia, razón que justifica la pérdida de potencia de los motores cuando operan en lugares de elevada altitud.

La presión media y la potencia crecen con el rendimiento volumétrico, por lo que es un objetivo de los diseñadores y operadores del motor lograr la máxima entrada de aire al cilindro, optimizando el sistema de admisión.

El dosado afecta la presión media efectiva y la potencia. Para valores fijos de densidad del aire y poder calorífico, el dosado que hace máximo el rendimiento efectivo, se conoce como dosado de máxima eficiencia y el que hace máxima la potencia se conoce como dosado de máxima eficiencia. En los MECH el dosado de máxima eficiencia está próximo a la unidad. En los motores diesel no se alcanza el dosado de máxima potencia debido a las limitaciones impuestas por las emisiones de humo.

La mejora del rendimiento efectivo produce un aumento de la presión media efectiva y la potencia, lo que no implica que los valores de rendimiento máximo correspondan con los valores máximos de Ne y pme, debido a los efectos de los otros parámetros.

El uso de combustibles de mayor poder calorífico produce mayor pme y Ne, pero el efecto esta influenciado por otros factores, como la relación de compresión permisible.

Factores que afectan el rendimiento volumétrico

El rendimiento volumétrico está afectado por varios aspecto, como se muestra en la tabla 2.

Tabla 2. Factores que afectan la eficiencia volumétricaCondición Factor

Condiciones operativas Régimen de giroGrado de admisiónPresión exterior

Condiciones ambientales Temperatura exteriorHumedad

Condiciones de ajuste Relación combustible/aireTemperatura del refrigerante

Combustible Vaporización del combustibleSección de paso y forma de la válvulas

Condiciones de diseñoCaracterísticas del colector de admisión Número de cilindrosRelación carrera/diámetroDiagrama de distribución

Efecto del régimen de giro

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El rendimiento volumétrico tiende a disminuir a altas revoluciones, debido al aumento de las pérdidas de fricción, y a bajas revoluciones debido al bajo momento de inercia del flujo.

Fig. 5 Efecto de las rpm sobre el Fig. 6 Efecto del Número de Machrendimiento volumétrico sobre el rendimiento volumétrico

En la figura 5 se muestra el efecto de las rpm sobre la eficiencia volumétrica. El efecto de las rpm está influenciado por la combinación de otros factores como longitud y diámetro del colector. En la figura 6 se muestra el efecto del Número de Mach (Ma) en la válvula sobre la eficiencia volumétrica. Puede observarse que a medida que aumenta el Número de Mach disminuye la eficiencia volumétrica, para valores superiores a 0,6.

Efecto del grado de admisión

El grado de admisión representa la proporción de carga a la cual esta sometido el motor. Este grado de admisión se puede expresar por la relación entre la presión de escape y la de admisión (Pe/Pa). En la figura 7 se observa que la relación de eficiencia volumétrica definida como la relación entre la eficiencia volumétrica actual entre la eficiencia volumétrica a plena carga (v/vpc) disminuye con el grado de admisión.

Efecto del dosado

En motores de encendido por chispa la variación del dosado esta entre márgenes muy estrechos, dentro del cual tiene poco efecto sobre el rendimiento volumétrico. En motores diesel, si se puede produce una disminución del rendimiento volumétrico al aumentar el dosado.

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Fig. 7 Rendimiento volumétrico en función de Pi/Pe

Temperatura del fluido refrigerante

El aumento de la temperatura del refrigerante produce indirectamente un aumento de la temperatura del sistema de admisión, disminuyendo la eficiencia volumétrica.

Efecto de la vaporización del combustible

Como en los motores diesel la inyección se hace dentro del cilindro después que las válvulas están cerradas, el tipo de combustible no afecta la eficiencia volumétrica.

En los motores de encendido por chispa la vaporización del combustible en el conducto de admisión y carburador produce una disminución de la temperatura y como consecuencia un aumento de la densidad del fluido admitido y la eficiencia volumétrica.

Factores geométricos

El efecto de los factores geométricos, como diámetro y longitud de los conductos se estudia más adelante en el presente capítulo.

Efecto del diagrama de distribución

Los ángulos de apertura y cierre de las válvulas tienen un efecto directo sobre el rendimiento volumétrico, ya que la cantidad de aire admitido, debido al aprovechamiento de la inercia y ondas de reflexión, depende de los ángulos de apertura y cierre. Obviamente, que el efecto esta influenciado por otros factores como longitud y características de los conductos del sistemas de admisión y escape en general.

En la figura 8 se muestra el efecto del atraso del cierre de la válvula de admisión y la velocidad del motor sobre la eficiencia volumétrica para diferentes ángulos de atraso del cierre de la admisión.

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Fig. 8 Efecto del ángulo de atraso del cierre de la admisión. (a) Para diferentes rpm, (b) para diferentes ángulos de atraso.

PROCESO DE ADMISIÓN EN MOTORES DE CUATRO TIEMPOS

Las funciones de un sistema de admisión bien diseñado son las siguientes:

1. Suministrar un flujo lo más directo posible a cada cilindro. Esto implica que el fluido debe tener la menor cantidad posible de obstrucciones, cambios de dirección y cambios de sección, para reducir las pérdidas de presión y garantizar una buena eficiencia volumétrica.

2. Suministrar cargas iguales a todos los cilindros. El desbalance de carga en motores poli cilindros genera vibración y posibilidad de fallas en piezas como el cigüeñal.

3. Garantizar que la mezcla suministrada a cada cilindro sea uniforme y de igual poder energético. Esto implica que la densidad y la relación combustible/aire sea la misma.

4. Garantizar que cada tramo independiente tenga el mismo intervalo de tiempo entre aspiraciones. Esto está relacionado con la configuración y el orden de encendido de los cilindros.

5. Garantizar velocidad adecuada del flujo a baja velocidad sin que afecte significativamente la eficiencia volumétrica a alta velocidad, para esto se utiliza el menor diámetro posible en los tramos.

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6. Ofrecer la mínima resistencia interna al flujo. Incluye menor superficie y rugosidad en el interior de los conductos.

7. Suministrar suficiente precalentamiento a la mezcla en motores de encendido por chispa para facilitar el arranque en frío y reducir el transitorio de calentamiento.

8. Garantizar el drenaje de la fracción líquida y de fracciones pesadas que no se evaporen. En este caso hay dos aspectos a considerar la inclinación del tubo para facilitar el flujo de las fracciones líquidas y por otro lado, disponer de un mecanismo de drenaje en el conducto por si se acumulan cantidades considerables de líquidos no volátiles a las condiciones del tubo.

9. Facilitar el aprovechamiento de la inercia de los gases para aumentar el llenado del cilindro.

10. En la medida de lo posible, disponer de un mecanismo o sistema que evite o reduzca la interferencia entre los diferentes cilindros. Esta interferencia tiene que ver con la condición común en motores poli cilíndricos, donde durante varios intervalos de tiempos más de un cilindro se encuentra realizando el proceso de admisión. Esta interferencia influye para que el sistema de admisión pueda cumplir con su misión eficientemente. En la figura 9 se muestran los diagramas de admisión de motores de cuatro y seis cilindro en línea. Se puede observar que en el motor de cuatro tiempos la interferencia entre cilindros se puede producir al final del proceso de admisión durante el cruce de válvulas. En el motor seis cilindros en línea se puede producir interferencia durante la carrera de admisión entre varios cilindros. La interferencia produce que un cilindro, quite a otro, parte de la mezcla que esta admitiendo, siendo más significativo si esto ocurre al final de la carrera admisión. La interferencia se resuelve con la configuración del orden de encendido, con la configuración y distribución del conducto y con el uso de varios carburadores o inyectores.

Velocidad en el conducto de admisión

La velocidad de la mezcla en los conductos es un factor importante que afecta la homogeneidad de la mezcla y la eficiencia volumétrica. Los motores pueden tener tramos con flujo ascendente, flujo horizontal y flujo descendente.

La velocidad en los tramos debe ser suficiente para mantener suspendidas las partículas de combustibles. En tramos ascendentes la velocidad mínima recomendada es 14 m/s. En tramos horizontales y descendentes puede ser menor, se recomienda 10 m/s como mínimo.

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a) 4 cilindros en línea

b) 6 cilindros en líneaFig. 9 Diagramas de admisión de motores de 4 y 6 cilindros en línea.

La velocidad máxima recomendada para evitar efectos importantes en la densidad y eficiencia volumétrica es 75 m/s.

De acuerdo a las limitaciones de la velocidad en los tramos, en los diseños de los sistemas de admisión se debe buscar un compromiso entre los diámetros de los tramos, las velocidades del fluido en ralentí y a máximas revoluciones del motor. En la figura 10 se muestra el efecto de la velocidad del flujo sobre la distribución de partículas en la carga.

La velocidad del flujo a través del colector para la condición de máxima carga (Válvula mariposa totalmente abierta) depende de la cilindrada unitaria, la velocidad del motor, la eficiencia volumétrica y el diámetro del conducto, como lo expresa la ecuación 7, para un motor de cuatro tiempos.

(7)

(8)

Donde, z es el número de cilindros que aspiran por el conducto, Vc: cilindrada unitaria, n: rpm, v: eficiencia volumétrica A: área del conducto, d: diámetro del conducto. S: carrera y v: velocidad del flujo.

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Fig. 10 Esquema del efecto del diámetro y velocidad del flujo sobre la distribución de las partículas en la mezcla.

Efecto del estrangulamiento y la velocidad del motor sobre la admisión.

En las figuras 11 y 12 se muestran las curvas de presión dentro del cilindro durante la admisión. El caso (a) corresponde a velocidad constante y variación del grado de estrangulamiento y el caso (b) a estrangulamiento constante y variación de la velocidad.

Fig. 11 Efecto del estrangulamiento Fig. 12 Efecto de la velocidad sobre el diagrama de presión sobre el diagrama de presión.

Se puede notar que a medida que se abre la válvula de estrangulamiento y aumenta la velocidad la presión en el punto muerto inferior aumenta. Si la presión en el tubo llega ser mayor que la presión atmosférica se produce el incremento de la carga debido al efecto de la

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inercia del flujo. Por lo tanton un menor estrangulamiento y una mayor velocidad afecta positivamente la eficiencia volumétrica y presión media efectiva del motor.

En la figura 13 se muestra el efecto que produce la velocidad del motor sobre el balance de la carga del motor expresada por la eficiencia volumétrica por cilindro. Se puede observar que en un motor de 4 cilindros con colector de cuatro tramos independientes, la eficiencia volumétrica es mayor a baja revoluciones en los cilindros 1 y 4 y mayor en los cilindros 2 y 3 a altas revoluciones.

En la figura 14 se muestra e efecto del estrangulamiento sobre la homogeneidad de la carga, expresada por la relación aire/combustible en un motor de 4 cilindros. Se puede observar que la relación A/C es diferente en cada cilindro, para diferentes grados de estrangulamiento de la admisión.

Fig. 13 Efecto de la velocidad sobre Fig. 14 Efecto del estrangulamiento la eficiencia volumétrica sobre la relación A/C.

Aprovechamiento de la inercia de los gases de admisión

La mayoría de los motores modernos utilizan el momento adquirido por el fluido durante la admisión para aumentar la eficiencia volumétrica.

Al final de la carrera de escape y el inicio de la admisión, ambas válvulas están abiertas. Cuando el pistón comienza a alejarse del punto muerto superior se acelera rápidamente expandiendo el espacio de compresión. La depresión instantánea generada se transmite a al colector de admisión, causando el movimiento inmediato de la columna de gases existente en el tubo en dirección hacia la válvula. La gran diferencia de área entre el pistón y el conducto obliga a la columna de gases a adquirir alta velocidad.

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El flujo con alto momento es obligado a parar cuando la válvula de admisión cierra el paso del fluido. Esto trae como consecuencia que la energía cinética generada por el rápido movimiento de la columna de gases se transforma en presión justo antes de la válvula, aumentando la densidad del gas. Este aumento de presión permite que continúe entrando flujo de admisión a pesar de que el pistón ha comenzado su carrera ascendente hacia el punto muerto superior.

Debido a este fenómeno fluido dinámico, mientras más grande es el momento producido mayor será la presión creada y si las pérdidas de energía durante la aceleración del flujo no son importantes, el efecto inercial puede ser muy beneficioso para introducir mezcla extra durante la admisión.

El momento producido depende del diámetro del conducto, longitud del conducto, grado de estrangulamiento y velocidad del motor. La experiencia ha demostrado que la relación Longitud/diámetro para lograr máxima eficiencia volumétrica aprovechando la inercia del gas esta entre 10:1 y 20:1. En la figura 15 se muestra el efecto del diámetro del tubo sobre la eficiencia volumétrica y en la figura 16 se muestra el efecto de la longitud del tubo sobre la eficiencia volumétrica.

Fig. 15 Efecto del diámetro del tubo de Fig. 16 Efecto de la longitud del tubo admisión sobre la eficiencia de admisión sobre la eficienciavolumétrica

Del análisis de las figuras 15 y 16 se puede concluir lo siguiente:

1. Para un diámetro constante, a medida que el tubo es más largo mayor será la superficie expuesta al flujo y por lo tanto, mayor será la resistencia al flujo.

2. Para una longitud dada, a medida que mayor es el diámetro mayor será la superficie expuesta al flujo y por lo tanto, mayor será la resistencia al flujo.

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3. Para una longitud dada, a medida que el diámetro es menor, mayor será la velocidad del flujo y por lo tanto, menor será la velocidad del motor para la cual la eficiencia volumétrica es máxima (figura 15).

4. Para un diámetro dado, a medida que la longitud es mayor, mayor será el efecto de inercia, pero el efecto de la resistencia mayor al flujo hace que la eficiencia máxima se consiga a menor velocidad del motor, como se observa en la figura 16.

5. El motor sin colector no aprovecha el efecto de la inercia de los gases, por esta razón, la eficiencia volumétrica obtenida es menor que cuando el motor usa tubo de admisión. Ver figura 15 y 16.

Aprovechamiento de las ondas de presión en la admisión.

Cada vez que las válvulas de admisión abren, la reducción de la presión en el cilindro produce una onda de presión negativa, la cual atraviesa el conducto a la velocidad del sonido, desde la válvula hasta que consigue un extremo abierto. Al llegar al extremo abierto se produce una onda reflejada positiva. Para una mayor explicación del fenómeno, supóngase que esta onda negativa se consigue con el extremo abierto a la atmósfera. Tan pronto, la onda alcanza el extremo, se produce una depresión en el mismo, por lo que parte del aire del medio entra para equilibrar la disminución de presión, como consecuencia se genera una onda de presión reflejada positiva, la cual se desplaza en sentido contrario hacia la válvula. Si esta onda llega en el momento cuando la válvula está cerrando será responsable de una incremento de la cantidad de carga de admisión que entrará al cilindro y por lo tanto, de un aumento de la eficiencia volumétrica del cilindro.

Cuando la onda alcanza la válvula abierta, se produce una nueva onda de reflexión negativa (rarefacción), la cual vuelve a cambiar de sentido hacia la entrada del tubo, esta onda será reflejada nuevamente al llegar al extremo y así se repetirá sucesivamente hasta que la onda se extingue debido a que su amplitud decae constantemente al moverse y reflejarse.

En la figura 17 se muestran los diagramas de presión en el cilindro y la primera, segunda y tercera onda reflejada detrás de la válvula de admisión, para tres casos. El caso (a) corresponde cuando la primera onda reflejada regresa 90º de giro de cigüeñal después de haberse originado en la válvula. El caso (b) corresponde cuando la onda regresa 60º después y el caso (c) cuando la onda regresa 120º después.

En el caso (a) de 90º, la onda reflejada positiva (línea punteada) regresa a la válvula cuando el pistón va por la mitad de su carrera hacia el punto muerto inferior, alcanzado la cresta de máxima presión cuando el pistón esta en el PMI. En este mismo instante esta llegando la segunda onda reflejada de presión negativa, presentándose una solapamiento de las dos ondas, produciendo como resultado la presión señalada con la línea continua. Como puede verse esta presión resultante es superior a la presión en el interior dentro del cilindro en la magnitud representada por el área rayada, nótese que existe diferencia positiva hasta cuando la válvula de admisión cierra (CVA). Esta diferencia positiva aumenta la cantidad de flujo que entra al cilindro y por lo tanto, aumenta de la eficiencia volumétrica.

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En el caso (b) corresponde a un colector corto, donde la onda regresa después de 60º del PMS, se observa que la cresta de la onda reflejada llega antes de que el pistón alcance el PMI al igual que la segunda onda reflejada. Como consecuencia de esta llegada adelantada, el efecto de la presión resultante en menor que en el caso (a) y cuando la válvula esta cerrando no existe efecto de onda, por lo que el efecto sobre la eficiencia volumétrica es mucho menor.

En el caso (c) corresponde a un colector más grande, donde la onda regresa 120º después del PMS, lográndose igualmente un efecto positivo, pero durante menor tiempo, aunque el efecto es mayor cuando la válvula está cerrando.

Los resultados experimentales han demostrado que el valor óptimo del ángulo de retorno (t) esta entre 80º y 90º

Calculo de la longitud y ángulo optimo de aprovechamiento de la onda reflejada

El intervalo de tiempo t que la onda de presión dura en atravesar la columna de gas a lo largo de todo el tubo y regresar la primera onda reflejada a la parte trasera de la válvula está dada por la ecuación 9.

(9)

Donde, t (s) es el tiempo, L (mm) es la longitud del tubo y C (m/s) es velocidad del sonido en el conducto.

El intervalo angular del cigüeñal t(grado) durante el tiempo t, esta dado por la ecuación 10 y 11

(10)

(11)

Donde n son las r.p.m del motor.

El cálculo de los conductos por las ecuaciones 10 y 11, solo es utilizado para cálculos aproximados y es mas adecuada en motores de un cilindro o poli cilíndricos de admisión independiente o sin interferencia.

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Fig. 17 Efecto de la onda de presión sobre la admisión.

Para el caso de motores poli cilíndricos o sistemas de admisión con tramos de diferentes configuración geométrica, diámetros diferentes, ensanchamientos y reducciones, depósitos intermedios, Interenfriadores, etc., es conveniente utilizar el método de acción de ondas que ha demostrado excelentes resultados en la optimización de colectores de motores de cuatro y dos tiempos. Los fundamentos del modelo de acción de ondas se basan en resolver las ecuaciones fluido dinámicas mediante métodos numéricos y el uso de condiciones de contornos apropiadas para cada caso de interconexión de conductos, depósitos y accesorios. Debido a la complejidad

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de este tipo de herramienta, su análisis no es objeto del presente libro. Para mayor información sobre el tema se recomienda consultar la bibliografía señala al final del libro.

Los efectos de inercia y ondas coexisten en el motor y el predominio de uno con respecto al otro depende de la velocidad del motor, el grado de estrangulamiento y las dimensiones del colector.

Sistemas de optimización de colectores de admisión

Los sistemas de admisión se optimizan buscando un compromiso entre los diferentes factores que influyen en el llenado del cilindro. Esto se debe a que es imposible lograr una única combinación de longitud y diámetro que permita obtener elevado torque a todas las revoluciones del motor. Se han desarrollado diversas técnicas y configuraciones que han permitido buscar la optimización del motor a diferentes condiciones operativas. Entre estas soluciones se encuentran las siguientes:

Sistemas de inducción dual (Vauxhall)

Este sistema mostrado en la figura 18, esta formado por un pequeño deposito la cual actúa como un punto común de estrangulamiento. De este deposito salen dos conductos de gran diámetro que alimenta dos cámaras resonantes (longitud aproximada 30 cm). El primer depósito sirve además de alimentador de los dos conductos, para independizarlos y prevenir la interferencia entre ambos. Las dos cámaras resonantes alimentan tres tubos de pequeño diámetro (longitud aproximada 40 cm) que alimentan cada cilindro. Esta configuración evita la interferencia entre los cilindros delanteros y los traseros. Se utiliza cuando conviene un torque máximo a una revolución, como ocurre en algunos motores estacionarios de generación o industriales.

(a) Baja velocidad (b) Alta velocidadFig. 18. Esquema del sistema de admisión dual de un motor de seis cilindros.

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Si se desea, un motor con mayor rango de elevado torque, se comunican las dos cámaras resonantes y se instala una válvula de potencia que sirve de comunicación entre ambas cámaras. Esta válvula permanece cerrada cuando el motor opera por debajo de 4000 rpm, pero por encima de este valor se abre automáticamente. Esta nueva configuración hace inefectivo el sistema para baja revoluciones y lo hace mas adecuado a alta revoluciones. En la figura 19 se muestra el efecto de la válvula de potencia sobre el torque del motor.

Fig. 19 Comportamiento del torque en un motor de 6 cilindros con sistema de inducción dual.

Sistema de admisión de dos etapas

Este sistema puede ser para dos válvulas por cilindro (figura 20) o cuatro válvulas por cilindro (figura 21).

(a) Baja velocidad (b) Alta velocidadFig. 20. Esquema de sistema de dos etapas para dos válvulas por cilindro

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300

T(Nm)

200

100

1000 2000 3000 4000 5000 6000r.p.m


El objetivo de estos sistemas es, igualmente, lograr alto torque a baja y alta revolución, para lo cual la válvula de potencia se cierra a baja revolución funcionando cada cilindro con un tubo largo y abriéndose a alta revolución lográndose la resonancia con un tubo corto.

En la figura 22 se muestra el sistema de dos etapas para el motor en V de seis cilindros

(a) Baja velocidad (b) Alta velocidadFig. 21 Esquema de sistema de dos etapas para motor en línea 4 cilindros y con cuatro válvulas

por cilindros

(a) Baja velocidad (b) Alta velocidadFig. 22 Esquema de sistema de dos etapas para motor en V 6 cilindros

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Sistema de admisión de tres etapas

Es igual al anterior, con la diferencia que se utiliza, tres longitudes de conductos que hacen que el motor tenga tres estados resonantes a diferentes revoluciones (figura 23).

(a) (b)

(c) (d)Fig. 23 Esquema de sistema de tres etapas para motor en V 6 cilindros y con dos válvulas por cilindros (a) Baja velocidad, (b) Velocidad intermedia, (c) Alta velocidad, (d) Curva de torque.

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T(Nm)

300

200

100

1 2 3 4 5 6 r.p.m x 1000


Fracción de gas residual

La cantidad de gases residuales que quedan en el motor esta influenciado por los procesos de admisión y escape. La magnitud de la fracción de gases residuales afecta la eficiencia volumétrica, el funcionamiento del motor, la eficiencia térmica y las emisiones, ya que afecta las propiedades del gas durante el ciclo motor. La fracción de gases residuales depende en primer lugar de las presiones de admisión y escape, de las rpm del motor, la relación de compresión, el diagrama de distribución de las válvulas y la dinámica del sistema de escape.

La fracción de gases residuales (Xr) se determina generalmente mediante la medición de la concentración de CO2 en una muestra de gas extraída del cilindro durante la carrera de compresión por la ecuación 12.

(12)

Donde, el subíndice “c” y “e” representa compresión y escape, respectivamente. XCO2 es la fracción molar de CO2 en el gas húmedo. Como la fracción molar de CO2 se mide en gas seco, se puede usar la corrección siguiente:

(13)

Donde, y es la relación molar hidrógeno/carbon del combustible y y son las

fracciones en condiciones de gas seco.

En la figura 24 se muestran valores medidos de residuales en motores de encendido por chispa, donde se muestra el efecto de la velocidad de giro, cruce de válvulas, relación de compresión y relación aire/combustible para un rango de presión en el colector de admisión. Se ha demostrado que el efecto del ángulo de encendido es despreciable, siendo los parámetros mas importantes, la presión de admisión, velocidad y cruce de válvulas.

Los gases residuales en motores diesel son mucho más bajo que en motores de encendido por chispa, debido a que la presión de admisión y escape son parecidas y la relación de compresión es 2 o 3 veces superior, además una porción importante de residuales es aire.

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Fig. 24. Comportamiento de la fracción de gas residual en función de diferentes parámetros del motor.

PROCESO DE ESCAPE EN MOTORES DE CUATRO TIEMPOS

Efecto de la inercia de los gases de escape

El mecanismo mas utilizado para reducir los gases residuales de la cámara de combustión consiste en utilizar la energía cinética del fluido en la etapa final del escape, cuando las válvulas están cerrándose.

Cuando abre la válvula de escape se produce la onda de presión (figura 25a), la cual pone en movimiento la columna de gases en el tubo de escape. Como la onda se mueve a la velocidad del sonido avanza más rápido que el fluido, por lo que la presión aguas debajo de la válvula alcanza la presión del escape cuando el pistón esta en la carrera ascendente y las válvulas están

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completamente abiertas (figura 25b). Al cerrarse la válvula de escape aumenta la obstrucción al flujo del gas saliente, produciendo una expansión de los gases que están justo a la salida de la válvula, disminuyendo su densidad y la presión por debajo de la media del tubo de escape. Esta depresión en la parte trasera de la válvula produce un gradiente de presión positivo que induce a seguir saliendo más gases residuales desde el cilindro (figura 25c)

(a) (b)

(c) (d)Fig. 25. Esquema del comportamiento del escape debido al efecto de la inercia de los gases de escape.

(a) Abre la válvula de escape cuando el pistón se aproxima al PMI, (b) Válvulas de escape completamente abiertas, durante la carrera de escape y el máximo de la onda de presión h alcanzado la

mitad del tubo de escape, (c) La válvula de escape comienza a cerrar, hay cruce de válvulas y se produce una presión negativa por la inercia de los gases. (d) Diagrama de distribución de la admisión.

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Velocidad en el conducto de escape

La velocidad de los gases de escape puede calcularse conociendo la velocidad de rotación del motor de la siguiente manera, considerando como hipótesis que el área de salida es constante:

La velocidad media del pistón es:

(14)

El flujo de gas descargado por el pistón, es:

(15)

El flujo de gas por el conducto de escape es:

(16)

Igualando el volumen desplazado por el pistón al volumen de gases de escape, se tiene la velocidad de los gases de escape, en función de parámetros conocidos.

(17)

Donde, D: diámetro del pistón (mm); d: diámetro del tubo de escape (mm); S: la carrera del pistón (mm); Cm: velocidad media del pistón (m/s); Vg: velocidad media de los gases por el tubo de escape (m/s) y n: rpm del motor.

Esta ecuación es un indicador aproximado de la velocidad media de los gases, ya que no toma en consideración que el área de descarga esta variando constantemente durante el proceso.

Aprovechamiento de las ondas de presión en el escape.

El uso de la interferencia del gas para mejorar el barrido durante el cruce de válvula necesita conocer varios aspectos como la reflexión de la onda cuando llega al silenciador o la atmósfera y la variación de la velocidad del sonido con la temperatura.

Reflexión de la onda de presión.

Como se dijo en el caso de la admisión, cuando la onda de presión que circula por el tubo de escape llega a un extremo abierto se refleja como una onda negativa (rarefacción), para cumplir con la condición de contorno, que en el caso de la atmósfera, la presión se mantiene constante, lo cual obliga a la formación de una onda de igual amplitud pero de signo contrario (figura 26)

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Fig. 26. Representación de la formación de la onda de rarefacción en el extremo del tubo de escape.

Velocidad del sonido en función de la temperatura.

Para estudiar y diseñar sistemas de escape es necesario calcular la velocidad del pulso de presión, el cual se mueve a la velocidad del sonido. Este a su vez, depende de la temperatura y se calcula por la siguiente ecuación:

(18)

Donde; es la relación de calor específico (aire = 1,4); P es la presión del gas (N/m2); es la densidad del gas (kg/m3) y C es la velocidad de sonido (m/s).

Sustituyendo, por m/V, se tiene la siguiente ecuación:

(19)

y como (PV/m) es igual a RT, por la ecuación de gases perfectos, se tiene

(20)

Donde; m: masa del gas (kg); V (volumen del gas (m3); : densidad del gas (kg/m3); R: Constante del gas (kJ/kg.K) y T: Temperatura del gas (K)

La temperatura de los gases cuando salen del motor es aproximadamente 800º C pero luego se enfrían hasta cerca de 150º C en el tubo de escape. La experiencia ha demostrado que una buena aproximación de temperatura media para cálculos del sistema de admisión es 400º C. Esta temperatura toma en consideración el vapor de agua en los gases de escape, ya que la densidad del vapor de agua es cerca de 5/8 de la densidad del aire. Esto explica por que la velocidad del sonido es mayor cuando el gas es húmedo en lugar de seco.

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Análisis de la onda reflejada

Tal como se explico para el caso de la admisión, en el escape la onda de presión producida al abrir la válvula de escape, atraviesa el tubo de escape hasta alcanzar el extremo abierto, generando una onda de rarefacción. Cuando este pulso alcanza la válvula de escape abierta, se refleja nuevamente como onda positiva hacia el extremo abierto y así continua el proceso de reflexión o rarefacción, hasta extinguirse la onda.

Debido a esto la longitud del tubo de escape debe seleccionarse para que la primera onda reflejada alcance su valor máximo negativo cuando el pistón está en el PMS, al final de la carrera de escape, como se muestra en la figura 27. En esta condición los gases residuales son sometidos a un diferencial de presión mayor que aumenta su salida.

De igual manera, si el conducto esta diseñado para optimizar la salida de residuales a una velocidad dada, no será igualmente eficiente para otras velocidades, por lo que se deben buscar alternativas de configuración para mantener una buena efectividad en todo el rango de operación del motor, tal como se explico en el caso de la admisión.

Fig. 27 Efecto de la onda de presión reflejas en el escape sobre la presión aguas debajo de la válvula de escape.

Determinación de la longitud óptima del tubo de escape

Las expresiones para el calculo de la longitud óptima son las mismas demostradas para el caso de la admisión.RENOVACIÓN DE LA CARGA EN MOTORES DE DOS TIEMPOS

3-27


En los motores de dos tiempos la alimentación de gases frescos se hace en cada ciclo y como se realiza contra productos de la combustión aun presionados, es necesario que estos gases frescos sean suministrados con suficiente presión para que puedan entrar al cilindro y barrer a los gases de la combustión.

Fig. 28. Tipos de barridos y ubicación de lumbreras. a) Barrido cruzado, b,c d) barrido de lazo y e,f) barrido uniflujo.

El proceso de limpiar el cilindro de los productos de combustión y llenarlo con gases fresco se conoce como BARRIDO. Existen varios tipos de barridos en los motores de dos tiempos, los más utilizados son los siguientes (figura 28):

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1) Barrido cruzado o transversal2) Barrido de lazo3) Barrido uniflujo o equicorriente

En cada caso, se establecen ubicaciones apropiadas de las lumbreras para conseguir el flujo deseado. El barrido cruzado y de lazo utilizan lumbreras ubicadas en el cilindro, las cuales son abiertas y cerradas por el cilindro. El sistema se flujo unidireccional usa una lumbrera de admisión y válvulas de escape en la culata.

Como los motores de dos tiempos requieren de sobrealimentación se utilizan varios métodos para presurizar los gases frescos. Estoa métodos son (figura 29)

a) Compresión en el cárterb) Uso de sopladores de lóbulos.c) Uso de turbocompresores.

Fig. 29. Métodos comunes de compresión del gas de barrido de los motores de dos tiempos

Flujos de masa en un motor de dos tiempos

En la figura 30 se muestra un diagrama donde se muestran los diferentes flujos de masa involucrados en un ciclo del motor. El compresor de barrido introduce la masa suministrada (mSUM). La masa suministrada se divide en dos partes al entrar al motor: La masa cortocircuitada (mCC) que se pierde por la lumbrera de escape y la masa retenida (mRET) que es la parte de la mezcla fresca que realmente queda en el motor. La masa retenida mas la masas de residuales (mRES) forman la masa de carga (mCAR) que representa la masa total que participa en el proceso de compresión. La masa residual es la masa de productos de la combustión queda después de cada barrido de escape.

3-29


Fig. 30 Diagrama de flujo de masas en el motor de dos tiempos

El flujo másico de referencia (mREF) es la masa que ocuparía el volumen desplazado por el cilindro a las condiciones de referencia. Se utiliza en el cálculo de los parámetros de característicos por lo que es necesario conocer como se calcula. Se calcula por la expresión siguiente:

(21)

(22)

Donde, m es el flujo de mezcla en MECH (aire+vapor de agua+combustible) y solo aire en MEC, n es el número de revoluciones por minutos, rc es la relación de compresión volumétrica y i es la densidad de la mezcla a la presión de escape y temperatura del compresor de barrido, F es el dosado, Mf es el peso molecular del combustible y h es la humedad absoluta.

Parámetros y modelado del barrido

El proceso de barrido se describe utilizando varios parámetros. Para comprender las variables involucradas en estos parámetros se utilizará el esquema mostrado en la figura 30, donde se muestra la relación entre los diferentes flujos másicos involucrados en el motor de dos tiempos.

Coeficiente de admisión

Se define como el cociente entre el flujo másico de aire suministrado entre el flujo de referencia.

3-30

mRES

mREF

mCAR

mRET

mSUM

mCC


(23)

Este parámetro evalúa el funcionamiento del compresor de barrido, siendo poco influido por lo que ocurre en el interior del cilindro. El valor puede ser mayor en motores de alimentación con compresores de barrido independiente, al ser la presión de alimentación mayor que la del escape. En los motores de barrido por cárter el valor es menor que la unidad, salvo en condiciones muy particulares.

Coeficiente de carga

El coeficiente de carga compara la masa retenida con la masa de referencia. Este parámetro esta relacionado con la presión media efectiva ya qua a mayor masa retenida mayor será la presión media. Este valor, también, puede ser mayor que la unidad especialmente en los motores sobrealimentados.

(24)

Rendimiento de la retención

El rendimiento de la retención compara el gasto retenido con el suministrado. Es decir evalúa el grado cortocircuito que se produce. Si RET es igual a 1, significa que no hay cortocircuito.

(25)

Rendimiento de barrido

Es un parámetro que relaciona la masa retenida con la masa total que evoluciona por ciclo en el motor. Expresa, que fracción de mezcla total incluyendo residuales es mezcla fresca o retenida.

(26)

Coeficiente de llenado

Este parámetro compara la masa de carga del motor con la masa de referencia. Puede tener valor superior a la unidad, porque depende de la referencia tomada.

3-31


(28)

Relación entre los parámetros

Las siguientes relaciones pueden obtenerse entre los diferentes parámetros.

(29)

(30)

(31)

Potencia y presión media efectiva en función de los parámetros de flujo

Motores de encendido por chispa

En el caso de motores de encendido por chispa de dos tiempos se tiene:

(32)

e es el rendimiento efectivo con respecto a la masa retenidae ´ es el rendimiento efectivo aparente con respecto a la masa de aire suministrada

Si se introducen los coeficientes de admisión y carga se tiene:

(33)

(34)

La presión media efectiva se relaciona con lo siguientes parámetros:

(35)

(36)

3-32


El rendimiento efectivo que aparece en las ecuaciones anteriores sin apóstrofe es el rendimiento efectivo de la carga que evoluciona en el motor, producto del rendimiento indicado y el rendimiento mecánico y por lo tanto, es el rendimiento efectivo verdadero del motor.

El rendimiento efectivo que aparece en las ecuaciones anteriores con apóstrofe es el rendimiento efectivo que considera el cortocircuito, por lo que es producto del rendimiento indicado, el rendimiento mecánico y el rendimiento de la retención. La ventaja de este rendimiento es que está referido a gastos fácilmente medibles y por lo tanto más fácil de calcular.

Motores de encendido por chispa

En este motor no existe diferencia entre el rendimiento efectivo (F) y el rendimiento efectivo aparente (F´). No obstante, es necesario diferenciar el dosado referido a la masa retenida y el referido a la masa suministrada.

(37)

(38)

Diseño de los conductos de escape de motores de dos tiempos

En el diseño de los conductos del tubo de escape se debe buscar un diámetro que no produzca una velocidad media excesiva, debido al efecto negativo sobre las perdidas de presión. El cálculo de la velocidad media de los gases se hace de manera similar que el método descrito para el motor de cuatro tiempo , tomando en consideración que en los motores de dos tiempos se produce un proceso de escape en cada revolución del motor.

En los motores de dos tiempos existe una diferencia en el fenómeno de aprovechamiento de las ondas de presión con respecto al motor de cuatro tiempos. Siendo mucho más importante el diseño del escape. En los motores grandes que giran a velocidad constante, el diseño es sencillo, pero en los motores de velocidad variables el problema se hace más complejo.

En los motores de dos tiempos después de finalizar el escape espontáneo se inicia el barrido al abrirse las lumbreras de admisión. Durante el barrido interesa que la presencia de una onda de presión negativa en la lumbrera para facilitar el proceso de escape, de manera similar como se explicó en el motor de cuatro tiempos. Pero en los motores de admisión por lumbrera, se presenta un intervalo comprendido entre el cierre de la lumbrera de admisión y el cierre del escape, donde no interesa que continúe saliendo gases porque saldría mezcla fresca, al contrario interesa que se regrese la porción de mezcla fresca que haya podido salir como consecuencia del cortocircuito durante el barrido. Por esta razón, es conveniente que llega durante este proceso una onda de presión positiva a la lumbrera para introducir parte de al mezcla

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cortocircuitada. En conclusión en los motores de dos tiempos de lumbreras de admisión y escape (diagrama de distribución simétrico) es conveniente que llegue primero una onda de rarefacción y luego una de presión.

Para lograr este efecto se instala un tubo con una entrada divergente y una salida convergente, como se muestra en la figura 31. La sección divergente genera la onda de rarefacción y la convergente la onda de presión. La magnitud de la diferencia de diámetro D2/D1 determina la amplitud de las ondas y la longitudes de las secciones divergente (a) y convergente (b), determinan al ancho de la onda. Este ultimo parámetro es el que permite aprovechar el efecto para un amplio rango de revoluciones del motor.

Fig. 31. Sección de tubo de escape divergente-convergente de motores de 2T

La ubicación de la sección divergente (L1) y la sección convergente (L2) se obtiene por las ecuaciones, 39 y 40, respectivamente.

Donde, 1 es el ángulo comprendido entre la apertura del escape y el PMI, CP1 es la velocidad

media de la onda en el tramo L1, 2 es el ángulo de escape espontáneo mas el ángulo total ocupado por la admisión y C P2 es la velocidad media de la perturbación en L2. Estas dos velocidades medias no son iguales, debido a que la presión diminuye debido a la fricción y el proceso no es adiabático.

El resto de los parámetros geométricos del conducto de escape de la figura 31 afectan las características de las perturbaciones, dándole al motor características de mayor o menor flexibilidad o elasticidad.

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39

40


Tal como se dijo en el análisis de los motores es de cuatro tiempos, el presente análisis sirve como aproximación el diseño y un análisis más preciso y riguroso necesita del uso de técnicas más avanzadas como el método de las características aplicado el proceso fe flujo compresible no estacionario.

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EJERCICIOS

Preguntas

1. Dibujar el diagrama de tiempo de válvula circular y en espiral y calcule el ángulo de solapamiento de los siguientes motores:

Motor AVA (APMS) CVA (DPMS) AVE (APMI) CVE (DPMS)A 10 40 50 20B 12 50 55 30C 13 80 80 40

2. El Coeficiente de carga definido como cociente entre el flujo másico de aire suministrado y el flujo de referencia expresa:a) La eficiencia de carga del motorb) La eficiencia del compresor de barrido.c) La eficiencia de llenado del cilindrod) Ninguna de las anteriores

3. El coeficiente de llenado compara la masa de carga del motor con la masa de referencia. El valor mayor que uno se produce cuando:

a) En el motor no se produce cortocircuitob) La referencia se calcula a la presión atmosféricac) El motor está a plena cargad) Ninguna de las anteriores

4. El aprovechamiento de la inercia de los gases de admisión consiste en:

a) Acelerar los gasesb) Aumentar el diámetro de los conductosc) Dimensionar los conductos para obtener máxima cantidad de movimientod) Aumentar la masa de mezcla en el conductoe) Ninguno de los anteriores

5. Aprovechar las ondas reflejadas en la admisión consiste en:

a) Generar ondas durante la admisiónb) Aumentar la amplitud de la onda generada y reflejadac) Lograr que la onda reflejada cubra todo el ángulo del periodo de la admisión.d) Ninguna de las anteriores

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6. El rendimiento volumétrico tiende a disminuir a altas revoluciones, debido a:a) Elevado momento de inerciab) Alta velocidad del sonidoc) Altas pérdidas por fricciónd) Ninguna de las anteriores

7. El rendimiento volumétrico tiende a disminuir a bajas revoluciones, debido a:a) Elevado momento de inerciab) Alta velocidad del sonidoc) Altas pérdidas por fricciónd) Ninguna de las anteriores

8. Porqué en lo motores de aspiración natural la eficiencia volumétrica es siempre menor que la unidad.

9. ¿Puede ser la eficiencia volumétrica en un motor sobrealimentado mayor que 1?¿En que condiciones?

10. Explique que efecto tiene aumentar el número de revoluciones sobre la eficiencia volumétrica. Justifique su respuesta.

11. Explique que efecto tiene aumentar gas natural en lugar de gasolina sobre la eficiencia volumétrica. Justifique su respuesta.

12. Explique que efecto tiene el filtro de aire sucio sobre la eficiencia volumétrica. Justifique su respuesta.

13. Explique que efecto tiene la rugosidad del conducto de admisión sobre la eficiencia volumétrica. Justifique su respuesta.

14. Nombre 3 funciones del sistema de admisión.

15. Describa un método para lograr aprovechar las ondas reflejadas en un rango más amplio de revoluciones del motor.

16. Dibuje un esquema de cada uno de los siguientes sistemas de barrido de los motores de 2T.Barrido cruzado o transversalBarrido de lazoBarrido uniflujo o equicorriente

17. En que se basa el diseño de motores con colectores resonantes.

18. Que es un modelo de acción de onda para el diseño de sistemas de admisión y escape

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19. Indique como afectan los siguientes factores el rendimiento volumétrico (Si lo aumentan o lo disminuyen y ¿por qué?.

a) Las revoluciones del motorb) Presión de admisiónc) La presión atmosféricad) La temperatura del refrigerantee) La posición de la válvula mariposaf) La longitud del colector de admisión.g) El área de paso de la válvula

20. ¿Que efecto negativo tienen los silenciadores sobre las prestaciones del motor?

21. Describa el efecto que tiene el cambiar la culata de 2 válvulas por una de 4 válvulas sobre el flujo de aire, el torque máximo y la potencia máxima.

22. ¿ Que ocurre con la onda de presión cuando llega a un extremo cerrado y porqué?

23. ¿ Que ocurre con la onda de presión cuando llega a al final de un tubo con salida a la atmósfera y porqué?

24. ¿ Que ocurre con la onda de presión cuando atraviesa un depósito en una tubería?

Problemas

1. Un motor de 4 tiempos tiene un diámetro del cilindro de 80 mm y 82 mm de carrera. Si el conducto tiene un diámetro de 30 mm y la eficiencia volumétrica es de 85%, calcular:(a)La mínima velocidad del motor (r.p.m) para lograr una velocidad en el conducto de 10 m/s.b) La máxima velocidad para lograr una velocidad en el conducto de 75 m/s.

2. Calcular la longitud total del tubo desde la entrada en el filtro de aire hasta la válvula de admisión, para optimizar el proceso de velocidad por onda de presión, para velocidades de 1000, 3000, 5000 y 6000 rpm.

3. Un motor tiene un diámetro de 50 mm, carrera de 80 mm y diámetro del tubo de escape 25 mm. Si el motor gira a 5000 rpm, calcular:(a) La velocidad media del pistón(b) La velocidad media del gas en el escape

4. Calcule la velocidad del sonido en el aire a las condiciones estándar y de puerto la Cruz. Condiciones estándar. Densidad del aire: 1,29 kg/m3, : 1,4 y p = 101 kPa. Condiciones de puerto la C: T = 30º C y P = 101 Kpa.

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5. Calcule la velocidad del sonido en un tubo de escape operando a la temperatura media de 400º C, si la velocidad del sonido a la temperatura y presión estándar es 330 m/s.

6. Calcular la longitud total del conducto de escape desde la válvula de escape hasta el extremo abierto para maximizar el efecto de barrido de la onda reflejada, para velocidades de 2.000, 4.000 y 6.000 r.p.m. en motores de 4 T. Considere t óptimo como 120 ºC y la velocidad del sonido media 518 m/s.

7. En un motor de dos tiempos diesel la eficiencia de carga se puede estimar a partir de la concentración de O2 y CO2 en el interior del cilindro o a la salida del escape antes de que se mezcle con aire fresco. Si la fracción molar de CO2 y O2 en los gases quemados dentro del cilindro son 7,2 y 10,4%, respectivamente y el flujo de barrido de aire es 40 g/s. Calcular:

a) Eficiencia de cargab) Relación de c) Eficiencia de barrido (Se asume que la masa carga es igual a la de referencia).

Datos del motor: D=120 mm, S= 140 mm, relación de compresión 16. Flujo de combustible a 2000 rpm= 1,8 g/s por cilindro. Condiciones de referencia del aire: 300 K y 1 atm.

8. Demostrar que el coeficiente de admisión de motores de dos tiempos esta dado por la

ecuación Rs Cr

r

a

Cm

P

P

P

Pi i

e

e

i

2

1 , donde C es el coeficiente flujo referido al pistón, r es

la relación de compresión, a velocidad del sonido a condiciones de admisión, Cm velocidad media del pistón, Pi presión de admisión, Pe presión de escape, (pe/pi) función de presión.

9. Un motor monocilindrico de 2T, con barrido por cárter tiene una cilindrada de 250 cc y una relación e compresión de 9:1. Se conocen los siguientes datos:

r.p.m. = 4000 Coeficiente de admisión = 0,85Coeficiente de carga = 0,70Dosado=1/12Temperatura de la mezcla a la salida del cárter = 30ºCContrapresión de escape = 0,02 barDensidad del aire a 0ºC y 1 bar 1,293 kg/m3. Calcular:a) Masa de aire corto circuitada por ciclob) Porcentaje respecto del combustible retenido. Comentar el resultadoc) Presión media efectiva del motor, si el rendimiento referido a la masa retenida es del 22%

y el poder calorífico del combustible es de 42.000 kJ/Kgd) Potencia efectiva del motor y el consumo especifico en gr./kW.h

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BIBLIOGRAFÍA

Heywood John. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill Book Company. 1888.

Muñoz y Payri. Motores de combustión interna alternativo. Servicio de publicaciones Universidad Politécnica de Valencia. España. 1987.

Lilly. L. R. C. Diesel Engine reference Book. Butterworths. 1984.

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PROCESO DE RENOVACIÓN DE LA CARGA

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