9. admisión y escape

8/13/2019 9. Admisin y escape

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Introduccin a la fase abierta del MCI El recinto donde se produce el ciclo est abierto al exterior,

dndose el proceso de renovacin de carga en dos fases:Admisin de carga y expulsin de gases

Este proceso es importante porque determina la cantidadde fluido motor que podr realizar el ciclo y enconsecuencia la obtencin de trabajo es proporcional delmismo

La cantidad de fluido que se logra introducir depende delsistema de admisin (conductos, vlvulas y levas), el escapetambin tiene repercusin pero en menor medida. El flujoes de tipo pulsante

PCIARCmP aindind )/(


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Potencia indicada vs flujo de aire


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Rendimiento Volumtrico o

coeficiente de llenado Relacin entre la masa de aire que entra en el motor

por ciclo y la que llenara la cilindrada en unascondiciones de referencia (condicin en toma de aire o

el mltiple de admisin) La eficiencia volumtrica es el parmetro que mide la

efectividad del proceso de induccin Solo es aplicable a motores de 4 tiempos (tienen un

proceso de admisin)

ideala

reala

vm

m

,

,

cila

a

cila

av

VN

m

VN

m

0,0,

2

2

cilcilideal

vNV

m

NV

V

V

V 0002

2


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Medida de la densidad de entradawfai pppp

1829

29

w

f

fa

a

w

w

f

f

a

a

a

a

ia

i

a

mPM

mm

m

PMm

PM

m

PMm

PMm

nnp

p

hPM

RhPM

Rp

p

f

AC

f

ACi

a

6.129

1

1

18291

291

//

hPM

RRTp

TRp

f

ACi

i

i

aa

6.129

1

129

29

/

a

w

mmh*

1/0, 11

12

VR

xm

VN

m

ACa

r

cila

av


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Proceso de Admisin Vlvulas accionadas por el sistema de

distribucin permiten: la entrada defluido y la salida de los gases delrecinto

El f luido viaja por el conducto deadmisin (mltiple de admisin), yse desaloja por el conducto de escape(mltiple de escape)

La secuencia de admisin iniciaantes de finalizar la carrera deescape, durante cierto periodoambas vlvulas estn abiertas (crucede vlvulas), la vlvula de escape secierra pasado el PMS, durante lacarrera de aspiracin


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Proceso de admisin


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Proceso de admisin idealVelocidad lenta para despreciar la inercia de la carga

(fluido)

Los procesos pueden considerarse estacionarios encada momento

No existe transferencia de calor

No existen prdidas de carga

Las vlvulas se abren y cierran instantneamente en lospuntos muertos


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Fases del proceso de admisin Prellenado: efectos inerciales de gases de escape

Durante el escape, el pistn empuja los gasesquemados, los cuales tienden a mantener la velocidadinstantnea del pistn pero con cierto retraso debidoa la compresibilidad del fluido

Al final de la carrera el pistn se detiene, pero lacolumna de gases sigue en movimiento (inercia delgas) y empieza a desacelerarse, an as produce unacada de presin en las proximidades del PMS pordebajo de la existente en el colector de admisin

Si en ese momento se apertura la vlvula de admisin,

entrar la carga fresca inicindose el proceso debarrido

Debido al retardo en el cierre de la vlvula de admisin, puedenproducirse reflujos de la carga fresca (aire en los motores Diesel) delcilindro hacia el colector de admisin, especialmente a bajosregmenes de giro del motor cuando el flujo de admisin tiene poca

inercia.


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Fases del proceso de admisin Postllenado

Despus del PMI la vlvula deadmisin permanece abierta:

1. Inercia del fluido en la admisin;la energa cintica adquirida setransforma cuando el pistn para enun aumento de presin.

Al final de la carrera de aspiracin,la columna tiende a continuar el

movimiento, la energa necesariapara detener los gases se traduce enun aumento de presin.

2. Onda de Rarefaccin


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Influencia del reglaje de la

distribucin


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Teora de sintonizacin de un MCI Debido a la succin del pistn se

produce una perturbacin quegenera una onda elstica de bajapresin

Dicha onda se refleja al llegar almltiple o colector de admisin,pero como onda de presin

El MCI est sintonizado si dichofenmeno ayuda a incrementar laef. Vol. Sintonizamos el motor sies que la onda de presin llegaantes del cierre de la vlvula deadmisin (cuando el pistn estcercano a su PMI)

Se la misma manera se aprovechala onda elstica en el escape delMCI


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Sintonizacin


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Partes del sistema de admisin Toma de admisin de aire Filtro de aire Compresor* Interenfriador** Colector o mltiple de admisin Conducto de admisin

Vlvula de regulacin de la carga*** Puertos de la admisin en la culata

*Motor sobrealimentado **Motor sobrealimentado con intercooler o interenfriador

***Motor de encendido provocado


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Toma de admisin de aire


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Toma de aire de admisin


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Filtro de aire


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Colector y Conductos de admisin


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Colector y conductos de admisin
http://www.autospeed.co.nz/image.html?A=0122&P=5&IMG=0122_12&REZ=hi&LOC=/imageshttp://www.autospeed.co.nz/image.html?LOC=/images&IMG=0122_05&REZ=mg


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Efecto de las variables del motor

sobre la eficiencia volumtrica La eficiencia

volumtrica delmotor tiende a

variar con lavelocidad de girodel motor

Es proporcional ala curva de torqueindicado


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sobre la eficiencia volumtrica Combustible

La eficiencia volumtrica de un MEP naturalmente aspiradosiempre ser menor a 1 debido a la presencia de combustible(vapor de combustible desplaza al aire)

Los sistemas con carburador tendrn menor eficiencia que lossistemas de inyeccin multipunto (ubicacin al inicio)

Mientras ms tarde la inyeccin, mejor ser la eficienciavolumtrica, sin embargo peor ser el proceso de mezcla y ladistribucin de la mezcla A/C en cada cilindro (inyeccin

multipunto e inyeccin directa) La baja relacin aire combustible de los alcoholes escompensada con su alto calor de vaporizacin

Con combustibles gaseosos el sistema de admisin puedenoperarse a menos temperatura.


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sobre la eficiencia volumtrica Transferencia de calor A bajas revoluciones la transferencia de calor es mayor

(ms tiempo) por lo tanto el aire es menos denso y la

eficiencia volumtrica disminuye Generalmente en los MEP la admisin suele ser

calentada para favorecer la mezcla aire combustible, sinembargo esto reduce la densidad y disminuye laeficiencia volumtrica

601 ))(1( TxTTxT

rr

160 )()( TmmcTmcTTmc riprpip

vapci TTT

.

160 )())(( TmcTmcTTmmc prprp


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T del aire Depende del calentamiento del aire por las paredes

internas del ducto

Evaporacin del combustible

)()( 2.0 xsic TTD

LGDCT

pACAC

LACvap

cxRRHxRT

)1( //

/

vapic TTT


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Cruce de vlvulas o traslape

Durante el cruce de vlvulas parte de los gases de escapepueden entrar en el ducto de admisin (empujados por

el pistn) haciendo que la eficiencia volumtricadisminuya, este efecto se acenta cuando la velocidad esmenor ya que el tiempo del cruce de vlvulas es mayor yla inercia de los gases de escape menos relevante.

Este efecto es inevitable abajas velocidades si se quiereaprovechar la inercia de los gases cuando la velocidad seincrementa


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sobre la eficiencia volumtrica Prdidas de carga

Las prdidas de carga debidas al filtro de aire, carburador,vlvula mariposa, conducto de admisin, vlvula de admisinreducen la eficiencia volumtrica, est perdida se incrementa

al cuadrado de la velocidad del flujo. Dependenprincipalmente de: velocidad, rugosidad del material, seccindel ducto y densidad del f luido.

Gran parte de la prdida de presin ocurre en la vlvula deadmisin, por lo que se tiende usar sistemas multivlvulaspara disminuir este efecto

El dimetro de los conductos se disean para aminorar lasprdidas de carga, sin embargo tambin deben garantizar una

velocidad tal que permita una buena mezcla aire-combustible2

jjj vp

ppjj UAvA

2

22

0

j

p

jpjjjch

A

AUvppp


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Gases Residuales Gases residuales remanentes quedan atrapados en la

cmara de combustin, los cuales desplazan y calientan

la carga fresca disminuyendo la eficiencia volumtrica(RC).

m

mx rr

rv

pmsr

rTR

Vpm

Tipo de motor Coeficiente de gases residuales

MEP 0.06 0.1

MEC 0.03 0.06

MEC sobrealimentado


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sobre la eficiencia volumtrica Flujo Estrangulado (choked flow)

Es la condicin de mximo flujo mximo que se puedeproducir a pesar de incrementar la velocidad del pistn


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sobre la eficiencia volumtrica Tiempo de cierre de la vlvula de admisin

El tiempo ideal de cierre es cuando la presin dentro delcilindro iguala la presin del mltiple de admisin

Si la vlvula cierra antes, el aire que contina entrandose cortar, si se cierra despus el aire escapar delcilindro. Solo hay un tiempo de cierre para el cual lacantidad de aire es mxima (punto de diseo del motor)

Sintonizacin de la admisin EGR Diluyen la carga fresca, disminuyendo la temperatura de

combustin. Desplaza y calienta el aire frescodisminuyendo la eficiencia volumtrica


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Efectos de las variables del motor

sobre la eficiencia volumtrica


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Eficiencia volumtrica MEC vs MEP Normalmente la eficiencia volumtrica de los MEP son

menores a la de los MEC por las siguientes razones: Prdidas en el carburador y la vlvula mariposa o de

regulacin Calentamiento del manifold de admisin

Presencia de vapor del combustible

Mayor fraccin de gases residuales (menores valores dela relacin de compresin)


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Diseo de sistema de admisin:

Vlvulas Coeficiente de flujo de

vlvulas

v

rd

A

AC

ideal

realdm

mC

35.0~ di CC


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Diseo del sistema de admisin:

VlvulasVlvulas tipo plato de

asiento cnico Tiene altos valores de rea

de flujo Tiene altos Cd

Bajo Costo

Involucra poca friccin

Bajo costo de produccin

lv: carrera, levantamiento oalzada de la vlvula


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Vlvula de admisin y escape Dimensiones tpicas de vlvulas


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Diseo Sistema de Admisin

admvi

pcil

vcACUAIM

IMv : ndice de Mach de la vlvula

Acil : rea transversal del cilindro

Av : rea de la vlvula de admisin

cadm : velocidad del sonido en la admisin

Ci : coeficiente de descarga promedio de la vlvula (0.35)

6.04.025.0 vIM

Eficiencia volumtrica empieza a decaer a partir deIM=0.6 (flujo estrangulado)


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Diseo del sistema de admisin Lmite mximo dellevantamiento mximo Interferencia con el

pistn Incremento superior a

0.25 es depreciable

Esfuerzos en la vlvula

aumentan con cuadradodel levantamiento

vv Dl 25.0

vvcortina lDA


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Levas de vlvulas de admisin y

escapeAdmisin

Escape


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Vlvula de admisin y escape

Curva Desplazamiento de la vlvula vs grados de cigeal Velocidad de apertura y cierre de las vlvulas


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Vlvulas de admisin En las cmaras decombustin modernascada vez hay menosespacio para la ubicacin

de las vlvulas y la buja Dos o Tres vlvulas deadmisin ofrecen mayorrea de flujo y menorresistencia, adems las

vlvulas son ms

pequeas y livianas Para altas revoluciones el

tiempo para el ingreso deaire es menor, por lo quese necesita mayor rea enlas vlvulas de admisin


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Reflujos en Admisin El flujo en sentido

contrario generalmenteocurre a bajas

revoluciones La vlvula abre entre 10 a

25 aPMS, para garantizarque este abierta en el PMS(criterio de diseo delmotor)


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Diseo Sistema de Admisin:

Ductos Sistema encargado de distribuir

el aire por los conductos El dimetro de los conductos

debe ser suficientementegrande para minimizar lasprdidas de carga

Sin embargo, debe ser losuficientemente delgado paramantener la velocidad y la

turbulencia en los conductospara mejorar el transporte degotas y la mezcla de airecombustible

Seccin de los conductos

(circulares y rectangulares)


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Diseo Sistema de Admisin:

Ductos MEP:

Aprovechar efecto de onda de presin reflejada, menordimetro mayor intensidad de la onda

Aprovechar la inercia del fluido, menor dimetro mayorvelocidad Adems de disminuir las prdidas de carga, una

superficie lisa disminuye la probabilidad que elcombustible se deposite en las paredes del conducto deadmisin

Forma del ducto: Circular: menos superficie, menos prdidas de carga, mayor

eficiencia volumtrica. Sin embargo por su simetra generatorbellino en el conducto que por fuerza centrfuga empuja laspartculas de combustible a la pared del ducto


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Diseo del Sistema de Admisin

IMc : Indice de Mach del conducto

IMT : Indice de Mach en la trompeta

Acil : rea transversal del cilindro

Atrompeta: rea transversal de la trompeta

cadmisin

: velocidad del sonido en la admisin

admisincond

pcil

c

cA

UAIM

admisintrompeta

pcil

T cA

UAIM

ndice de Mach ndices tpicos utilizados para el diseo de conductos

de admisin IMconducto= 0.25

IMtrompeta= 0.135


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Proceso de escapeAl abrir la vlvula de

escape, los gases salendel cilindro a gran

velocidad y elevadatemperatura por elconducto de escape de lapropia culata


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Proceso de escape La vlvula de escape tiene un ngulo

de adelanto (60 a 40 aPMI), los gasestienen una temperatura aproximada

de 1000 K y una presin de 4 a 5 bares,la presin exterior est alrededor de 1atm.

Desde este punto hasta el PMI elescape es espontneo (flujoestrangulado al inicio).


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Proceso de escape Posteriormente los gases son empujados por el pistndesde el PMI hasta el PMS, la presin que debe vencerel pistn es ligeramente mayor a la atmosfrica

Antes de llegar al PMS se abre la vlvula de admisin yse produce un cruce de vlvulas que para ciertorgimen de giro aprovecha la inercia de los gases decombustin, sin embargo el tiempo de apertura ycierre de vlvulas lo hace inevitable.

Al trmino de la carrera de escape aun quedan ciertosresiduos en la cmara de combustin, a mayor RCmenor es el volumen de gases residuales


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Proceso de escape Fase de escape

espontneo

Carrera de escape


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Proceso de escape Funciones

Evacuar los gases de escape evitando contrapresiones enel escape (el sistema de escape produce una ciertaresistencia al paso del gas de escape)

Reducir el ruido del escape
http://www.americanmuscle.cl/blog/gallery/1/Header.jpghttp://www.americanmuscle.cl/blog/gallery/1/36-multiple_de_escape.jpg


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Ubicacin


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Tipos de Manifolds de escape
http://www.americanmuscle.cl/blog/gallery/1/Header.jpg


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Adelanto de la Apertura de la

Valvula de Escape EVO: Exhaust Valve Open Si la apertura se realiza en el PMI la

presin del gas an es alta y la carrerade escape se ver afectada debido aque el pistn debe realizar mucho

trabajo. Si la apertura es muy temprana se

pierde mucho trabajo de la fase deexpansin

Es necesario hallar una compensacinque permita disminuir la presin de

los gases antes de la fase de escapeApertura y no perder mucho trabajodurante la fase de expansin

El avance de la apertura de la vlvulade escape depende de la velocidad delmotor, para sistemas fijos se diseopara la velocidad ptima de

funcionamiento


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Partes del sistema de escape Sistema de distribucin

Controla la apertura y cierre de las vlvulas de escape

Conductos de escape / Colector de escape Los gases descargan por los conductos y luego se unen

(motor pluri-cilndrico) en un colector de escape

Es recomendable mantener la simetra en todos losconductos (longitud, seccin y agrupaciones) para evitardesequilibrios en el funcionamiento del motor

De forma emprica los conductos de escape son de 40 a50% mayores que los conductos de admisin


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Partes del sistema de escape Catalizadores Recinto por el que se hacen pasar los productos de la combustin para

que puedan catalizarse y completarse las reacciones incompletas de lacombustin en aquellos motores que as lo requieran.

Silenciadores Elemento especfico que reduce el ruido que genera el escape del motor.

Tambin acta como elemento matachispa. Caudal de gases de escape Mxima contrapresin Temperatura de los gases


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Vlvulas de escape Las vlvulas de escape son generalmente de menor

dimetro que las vlvulas de admisin, a pesar de queidealmente circula el mismo flujo msico por sus

conductos

9.08.0

max2

e

i

e

i

i

e

e

p

e

T

T

kRT

kRT

A

A

c

UCBA


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VVT / VVL

9. admisión y escape

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