1 Introduccin

Los motores de combustin interna que son la fuente de energa de los automviles modernos, han cambiado muy poco desde sus diseos iniciales, ya casi un siglo atrs. A diferencia de otros avances de alta tecnologa, los motores alternativos aun dependen de la comprensin de los principios bsicos de termodinmica y mecnica de fluidos. Por supuesto que se han producido cambios a lo largo de todos estos aos, pero han sido lentos y orientados a las dimensiones y materiales de los motores, ms que al diseo y ciclo de funcionamiento del mismo.

El estudio cualitativo de los conductos y cmaras de combustin para motores alternativos de encendido por chispa de alta performance (motores de competicin) fue inicialmente abordado por el Ing. ngel Zanotti, graduado de la UTN - Facultad Regional Crdoba, que actualmente esta realizando su doctorado en mecnica computacional en el CIMEC - INTEC, Santa Fe. Junto con l, el autor de este trabajo hizo sus primeras incursiones en el campo de la simulacin del flujo en motores de combustin, campo que por cierto es muy amplio y en constante evolucin.

El presente trabajo se inicia con motivo del congreso de Mecnica Computacional MECOM 2005, llevado a cabo en la cuidad de Buenos Aires en el mes de Noviembre de ese ao. La idea era comparar los resultados experimentales del flujo en una tapa de cilindros (realizadas en un flujmetro) con los resultados numricos de una simulacin, hecho que obligo a la construccin de un modelo de la tapa de cilindros. La construccin del modelo ha sido la tarea mas complicada y la que demanda la mayor cantidad de tiempo. Sin embargo, los resultados numricos fueron tan cercanos a los resultados experimentales (errores del orden del 4 % en el peor de los casos), que es optimista pensar que lo inverso tambin es posible, llevar a la realidad un diseo que nace de un modelo de simulacin. El trabajo gano el primer premio en la seccin posters de estudiantes de grado.

En el diseo de motores alternativos de alta performance tres nmeros adimensionales juegan un rol dominante: estos son el coeficiente de descarga, el ndice de swirl y tumble. El primero es una medida de las prdidas de presin introducidas por la combinacin vlvula, conducto de admisin y cilindro; el segundo es un ndice del movimiento rotacional de la carga alrededor de un eje que es paralelo al eje del cilindro, mientras que el tercero es un ndice del movimiento rotacional de la carga alrededor de un eje normal al eje del cilindro.

Cabe destacar que existe una competencia entre el coeficiente de descarga y los ndices de swirl y tumble. Una modificacin en un conducto en post de mejorar el ndice ya sea de swirl o de tumble, trae aparejado un aumento de prdida de carga, con su consiguiente reduccin de coeficiente de descarga. No obstante, en el motor, no necesariamente se traduce en una perdida de potencia, ya que si bien la cantidad de carga introducida va a ser menor, la calidad de la misma resulta superior, favoreciendo la evolucin del frente de llama.

Un cuarto nmero adimensional, conocido como ndice de Mach, tambin proporciona valiosa informacin acerca del flujo en el conducto de admisin. Es una medida de la velocidad del flujo en el conducto, promediada en todo el intervalo de apertura de la vlvula. Permite evaluar la eficiencia del motor para distintas alzadas y dimetros de vlvulas.

A lo largo del texto, se explicaran de forma cualitativa los tipos de combustin y los mtodos para intensificarla, los macro movimientos de tumble y swirl y su influencia en el funcionamiento del motor. Finaliza con los resultados numricos mencionados y una breve explicacin de los fenmenos fsicos que se observan en cada caso.

La idea es continuar con esta lnea de investigacin y profundizar el estudio de la fsica del flujo. Se prev mejorar el modelo actual y agregarle los elementos para realizar mediciones numricas concretas del ndice de tumble y swirl, para interactuar de forma mas directa con los casos reales que se presentan en la practica. Se est a plena disposicin para interactuar y trabajar en forma conjunta con la UTN Facultad Regional Santa Fe, tratando as de investigar, divulgar y perfeccionar esta rama de los motores de combustin interna.

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2 Combustin en el cilindro 2.1 Combustin normal

Para explicar cmo se desarrolla la combustin se han elaborado varias teoras, la mayor parte de ellas fundadas en datos experimentales. Ellas difieren entre s por ciertos aspectos, pero en general concuerdan al distinguir dos fases principales: una de preparacin o precombustin y una de combustin propiamente tal. Durante la fase de preparacin la chispa proporcionada por la buja genera una reaccin local que da lugar a la formacin de algunos reaccionantes intermedios. stos a su vez crean las condiciones para el inicio y la propagacin de la combustin. Cuando salta la chispa, el combustible proveniente del carburador o sistema de inyeccin est ya vaporizado porque ha sido expuesto al calor de la compresin y est ntimamente mezclado con el aire necesario para la combustin. Alrededor de la chispa se forma la llama inicial, a partir de la cual la combustin se propaga gradualmente a toda la carga segn un frente de llama representado por la superficie ms o menos irregular de separacin entre la parte de mezcla ya quemada y aqulla carga que an no lo est. A medida que la combustin avanza y se completa, la presin en el cilindro aumenta rpidamente, pero de manera suave y regular.

Un proceso de combustin que se desarrolle de la manera descrita se define como combustin normal. El encendido se produce en el instante deseado como consecuencia de la chispa y las partculas individuales comienzan a quemarse cuando son alcanzadas por el frente de llama y no antes. No se tienen otros inicios de combustin causados por depsitos de carbn o por partes sobrecalentadas de la buja o de la cmara de combustin; la combustin se desarrolla de manera gradual, por lo que el desarrollo de energa por parte de la mezcla en combustin es progresivo y regular. 2.2 Velocidad de propagacin del frente de llama

En una mezcla homognea el frente de llama se desplaza en la cmara de combustin con una velocidad que depende de la velocidad de combustin y de otra velocidad que llamaremos de traslacin.

La velocidad de combustin se refiere al avance de la reaccin qumica de oxidacin del combustible. La velocidad de traslacin se refiere en cambio al movimiento fsico del frente de llama con relacin a las paredes de la cmara, causado por la diferencia de presin entre los gases quemados y los que an estn por quemarse.

Para hacer ms claro el fenmeno nos referimos a la Fig. 2.1. Dividamos la cmara de combustin en tres partes A-B-C e imaginemos que la llama avanza de izquierda a derecha. Si la masa de mezcla A est completamente quemada, se expande y comprime las partes de mezcla B y C a volmenes ms pequeos y de mayor densidad. El frente de llama ha avanzado en la zona A con la velocidad de combustin, y ha sido ulteriormente desplazado como consecuencia de la traslacin. Cuando el frente de llama avanza en la zona B, sta se expande a su vez comprimiendo ulteriormente el gas C a un espacio an menor, comprimiendo tambin en cierta medida los gases de la zona A. Si se presupone que el nmero de las divisiones es infinito, el resultado es el de una llama que avanza gradualmente no slo porque se completa la reaccin qumica, sino tambin por efecto de la traslacin debida a la expansin de los gases.

Fig. 2.1: Propagacin del frente de llama

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El anlisis fotogrfico del fenmeno (conseguido con 15000 a 20000 fotogramas por segundo a

travs de una ventanilla de cuarzo) indica que al atravesar la cmara de combustin la llama avanza inicialmente a velocidad relativamente baja. En efecto, al comienzo, la masa de carga quemada es pequea y la propagacin se debe sobre todo a la reaccin qumica. Por otra parte los electrodos de la buja estn casi al ras de la pared de la superficie de la cmara y por lo tanto la chispa salta en un estrato de gas adherido a la pared donde la turbulencia es reducida, por lo que la reaccin es relativa-mente lenta. Apenas la llama alcanza una zona de mayor turbulencia y afecta a una mayor masa de mezcla, avanza ms rpidamente con velocidad ms bien constante. Es la que normalmente llamamos velocidad de la llama. Hacia el final del recorrido el volumen de los gases por quemar es pequeo, el efecto de traslacin resulta despreciable as como tambin el de la reaccin qumica como consecuencia de la disminucin de la turbulencia, por lo que la velocidad de la llama disminuye.

Son de gran importancia para el rendimiento del ciclo el momento en el que comienza la combustin y el tiempo empleado por sta para completarse.

En efecto, la combustin no se produce instantneamente en el P.M.S. como est previsto en el ciclo ideal, sino que comienza un poco antes y se desarrolla durante un cierto tiempo despus del P.M.S. Por esto la presin hacia el final de la carrera de compresin aumenta, incrementando el trabajo de compresin, y disminuye al comienzo de la carrera de expansin reduciendo el trabajo til. Como consecuencia el rendimiento del ciclo real es inferior al del ciclo ideal en un porcentaje tanto mayor cuanto mayor es la duracin de la combustin. Los factores de los cuales depende el tiempo necesario para la combustin son:

la velocidad de propagacin del frente de llama la longitud del recorrido que el frente de llama debe realizar, recorrido que depende de las

dimensiones y forma de la cmara de combustin y de la posicin de la buja. 2.3 Variacin de la presin durante la combustin

La velocidad de aumento de la presin, o gradiente de presin, durante la combustin ejerce una

notable influencia sobre la presin mxima y sobre la progresividad con la que la fuerza desarrollada por el fluido es transmitida al pistn.

En la Fig. 2.2 se ha trazado el diagrama de la variacin de la presin en el cilindro durante la combustin normal. El gradiente de presin, calculado como valor del aumento de presin por cada grado de rotacin del cigeal (tangente del ngulo ), influye sobre el rea del ciclo indicado y en consecuencia sobre la potencia del motor.

Fig. 2.2: Diagrama de variacin de presin dentro del cilindro

El gradiente de presin depende de la rapidez con la cual se desarrolla la combustin. Al comienzo la cantidad de mezcla que se quema en la unidad de tiempo es pequea porque la combustin avanza con velocidad relativamente baja, el gradiente de presin es pequeo, pero en cuanto se ve afectada una mayor cantidad de mezcla y aumenta la velocidad de propagacin del frente de llama el gradiente de presin aumenta rpidamente. Despus tiende a disminuir cuando el frente de llama se reduce de nuevo

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al llegar, en cualquier direccin, a tocar con las paredes de la cmara, hasta que termina el proceso de combustin. El movimiento del pistn, al hacer variar el volumen de la cmara durante la combustin, tiene, evidentemente, influencia en la variacin de la presin.

En la Fig. 2.3 se indican las curvas de la presin para tres valores diferentes de gradiente de presin: alto, medio y bajo. Ntese que con un gradiente bajo es necesario encender la mezcla antes que en los dems casos, porque la combustin requiere de un tiempo mayor. Con los gradientes de presin ms altos, consecuencia de altas velocidades de combustin, generalmente los picos de presin mxima estn ms prximos al P.M.S., y esto hace aumentar el rea del ciclo indicado y por lo tanto la potencia. Pero razones funcionales limitan el aumento del gradiente de presin: si ste es demasiado alto las fuerzas que actan sobre el pistn no son lo suficientemente progresivas y el funcionamiento del motor resulta spero. Adems se puede caer en el fenmeno de la detonacin.

El investigador ingls H. Ricardo ha descubierto que un gradiente de presin de unos 2 bar por grado proporciona la potencia mxima. Para conseguir gradientes ms elevados, siempre dentro de los lmites de una combustin normal, se necesita una fuerte turbulencia, la cual sin embargo cuando es excesiva aumenta las prdidas de calor y causa una disminucin de la potencia.

Fig. 2.3: Diagrama de variacin de presin para tres gradientes distintos

2.4 Proceso de combustin por chispa

Las caractersticas del aumento de presin dentro del cilindro durante la carrera de expansin se pueden examinar por el diagrama indicador de presin en funcin de la carrera, Fig. 2.4, o por el diagrama de un indicador de presin en funcin del ngulo de giro del cigeal, Fig. 2.5.

Fig. 2.4: Indicador de presin vs carrera Fig. 2.5: Indicador de presin vs ngulo del cigeal

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Se puede considerar que el proceso de la combustin se lleva a cabo en tres fases o perodos:

perodo de retardo perodo de combustin aumento rpido de la presin perodo de postcombustin

I - Perodo de retardo

Esta primera fase cubre el perodo desde que una chispa entre los electrodos de la buja (que entonces enciende el vapor de la mezcla que rodea los electrodos) hasta el momento en que la llama establecida comienza a liberar la energa (calor) a partir del la fraccin de mezcla que esta ardiendo. El final de la primera fase se considera como el punto donde la presin del gas en expansin se eleva por encima de la presin normal de compresin (correspondiente a un motor alternativo sin combustin) para un determinado giro del cigeal, como se observa en el diagrama presin en el cilindro vs ngulo de giro del cigeal, Fig. 2.6.

Fig. 2.6: Presin en el cilindro vs ngulo de giro del cigeal

Este perodo tiende a ser casi constante en el tiempo, y su duracin depende de lo siguiente:

la temperatura del hilo de la llama que salta entre los electrodos de las bujas, Fig. 2.7

Fig. 2.7: Temperatura de llama vs duracin de la reaccin la naturaleza del combustible

la temperatura y la presin de la mezcla

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la rigurosidad de la relacin aire combustible

la riqueza de la mezcla, Fig. 2.8

Fig. 2.8: Riqueza de la mezcla vs temperatura de llama II - Propagacin de la llama - Periodo de aumento rpido de presin

La segunda fase abarca el periodo desde el inicio del frente de la llama y la elevacin de la presin (por encima de la presin normal de compresin) hasta el punto en el que el frente de llama avanza por las paredes del cilindro, donde la presin ha alcanzado su valor pico, Fig. 2.6. Es la fase de combustin propiamente dicha. Cuando la energa liberada por la combustin que se esta llevando cabo es suficiente, la presin en el cilindro aumentara a una razn mucho mayor que la correspondiente al aumento de presin de la carrera de compresin a medida que el pistn se acerca al P.M.S.

El tiempo que requiere la fase de combustin o aumento rpido de presin depende principalmente de la intensidad de la turbulencia o del estado de la agitacin de la mezcla. Una combustin lenta ocurre cuando la mezcla se encuentra estancada o con poca agitacin, seales de baja turbulencia, mientras que la velocidad de combustin aumenta a medida que lo hace la turbulencia (con una relacin casi lineal al rgimen del motor). La duracin de esta segunda fase es aproximadamente constante en trminos del giro del cigeal. III - Post combustin Extincin de la llama

Una ves que el frente de llama ha alcanzado las paredes del cilindro, hay todava aproximadamente en el cilindro un 25 % del total de la mezcla que aun no se ha quemado completamente. En esta etapa se dificulta la reaccin del oxgeno con el vapor del combustible, haciendo que la velocidad de combustin disminuya, condicin conocida como post-combustin. Simultneamente, la reaccin qumica exotrmica de re-asociacin de los productos de combustin, producida en la carrera de expansin, libera una determinada cantidad de calor.

Durante esta ltima fase. una mayor cantidad del calor se perder a travs de las paredes del cilindro, corona del pistn y tapa de cilindros, al mismo tiempo que al descender el pistn aumenta el volumen de la cmara. En consecuencia, la presin en el interior del cilindro comienza a disminuir rpidamente. 2.5 El tiempo de ignicin y el avance del encendido

Cundo el rgimen del motor aumenta, en cada carrera del pistn, hay menos tiempo para que el cilindro disipe el calor liberado en la combustin, y por consiguiente, el intervalo de tiempo entre el salto de cada chispa y el punto en el que comienza la combustin, llamado retardo de encendido, disminuyen. Sin embargo, en trminos del giro del cigeal, al aumentar el rgimen del motor, el periodo de retardo aumenta en funcin de la raz cuadrada de la velocidad de acuerdo a:

N1

donde 1 el es el perodo de retardo y N el rgimen del motor. Con el aumento del rgimen del motor, la intensidad de la turbulencia y por lo tanto la tasa de combustin aumentan proporcionalmente al

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mismo. As, el intervalo de tiempo de combustin, desde el punto de encendido hasta el punto pico de presin (periodo de aumento rpido de la presin) disminuye, mientras que esta duracin expresada en grados de giro del cigeal se mantiene aproximadamente constante.

Por lo tanto, si no hay regulador de avance, y este se fija para producir la presin pico 10 grados despus del P.M.S. a bajo rgimen, al aumentar el rgimen, el pico se producir progresivamente cada ves mas tarde en el ciclo y su magnitud disminuir, Fig. 2.9.

Fig. 2.9: Presin en el cilindro vs giro del cigeal para distinto rgimen del motor

En contraste, si el encendido se adelanta la misma cantidad que el perodo de retardo en trminos del giro del cigeal, para regmenes crecientes del motor, la posicin del pico de presin expresado en grados del cigeal es aproximadamente la misma, y solo hay una cada leve del valor pico debido a la reduccin de la eficiencia volumtrica, Fig. 2.10. As, al adelantar o atrasar automticamente el encendido con regmenes crecientes o decrecientes, se mantendr el torque mximo del motor.

Fig, 2.10

Generalmente se da un avance hasta un cierto rgimen (avance fijo) y despus se lo adelanta

gradualmente hasta el rgimen de potencia mxima (avance automtico). Este resultado se consigue normalmente con un variador centrfugo. La aplicacin del variador centrfugo de avance, por si solo, no permite sin embargo aprovechar todas las posibilidades del motor incluso a cargas reducidas.

Con cargas reducidas, como la densidad de la carga es menor y la combustin avanza ms lentamente, el avance ptimo debera ser mayor que el requerido al mismo rgimen pero a plena carga.

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Por otra parte, puesto que la presin inicial de la carga es pequea, el peligro de incurrir en el fenmeno de la detonacin es mnimo incluso para grandes ngulos de avance, Fig. 2.11.

Fig. 2.11: Avance del encendido vs rgimen del motor

En los vehculos, en consideracin al hecho de que el motor funciona durante mucho tiempo a cargas parciales, se aplica a menudo un variador del avance por vaco que, siendo sensible a la depresin en el mltiple de admisin, hace aumentar oportunamente el avance cuando la alimentacin est estrangulada, Fig. 2.12.

Fig. 2.12: Variacin del avance vs depresin mltiple de admisin

2.6 Fraccin de masa quemada vs ngulo de rotacin

A medida que la combustin progresa dentro de la cmara, aumenta la densidad de la mezcla no quemada debido a la compresin y cesin de calor mencionado; la relacin entre el volumen quemado y la masa quemada no es una relacin lineal, y responde a la expresin:

vm=

Al comenzar la combustin se quema mucho volumen y poca masa, relativamente; hacia el final del proceso el cuadro se invierte, con mucha masa quemada para pequeos incrementos de volumen. Este efecto se ilustra en la Fig. 2.13 con datos de la relacin masa-volumen, calculados por diferentes investigadores, para combustin a volumen constante y condiciones prcticamente equivalentes en cuanto a estado inicial, prdidas trmicas, etc.

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Fig. 2.13: Relacin entra la masa y el volumen quemados

Siendo que el aumento de presin en el cilindro estar directamente determinado por la magnitud de la masa quemada, se ve la confirmacin de esta ley en la curva de la Fig. 2.14.

Fig. 2.14: Fraccin de masa quemada vs ngulo de giro del cigeal Estas leyes primarias de volumen y masa quemados en funcin del camino recorrido por la llama se

representan en la Fig. 2.15 para tres diferentes disposiciones de forma de la cmara de combustin, cilndrica y cnica, con tres distintas ubicaciones de la buja. Los valores de propagacin normal del frente de la llama en motores estarn situados aproximadamente entre 8 y 20 m/s, aunque la frontera de la combustin normal en mquinas reales es muy indefinida.

Fig. 2.15: Volumen y masa quemados vs ngulo de giro del cigeal

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2.7 Combustiones Anormales

Como ya hemos visto, la combustin es normal cuando comienza en el punto y en el instante en que salta la chispa, y avanza gradualmente hasta alcanzar todas las dems zonas de la cmara. Se considera que la combustin es anormal cuando, una vez saltada la chispa, no avanza de la manera regular antes descrita, o bien no es provocada directamente por la chispa, sino que obedece a otras causas. Resulta til dividir las combustiones anormales en dos categoras principales tomando como base de clasificacin el modo de encendido:

combustiones anormales por encendido superficial combustiones anormales por autoencendido

El encendido superficial se origina en puntos excesivamente calientes o en partculas incandescentes sobre las paredes y puede producirse antes o despus de saltar la chispa. El autoencendido es en cambio un fenmeno de encendido espontneo de toda o de parte de la mezcla, que se verifica como consecuencia de condiciones especiales de presin y de temperatura. En este caso la combustin se desarrolla con rapidez muy superior a la normal. Puede producirse tanto antes como despus de saltar la chispa.

El autoencendido de toda la carga es un caso muy raro. Es frecuente en cambio el autoencendido de aquella fraccin de mezcla que queda sin quemar, despus que todo el resto ha quemado tras el avance del frente de llama. En este caso el autoencendido se convierte en detonacin. sta genera casi siempre un sonido metlico caracterstico acompaado de asperezas de funcionamiento del motor y una prdida de potencia. Las combustiones anormales tambin tienen relacin con la composicin del combustible. 2.7.1 - Encendidos Superficiales

Si el motor funciona en condiciones tales que, sobre la pared interior de la cmara de combustin, ciertas zonas se sobrecalientan como puede suceder con las vlvulas de escape o los electrodos de la buja, o bien si se forman partculas incandescentes de carbn, es muy probable que estas partes calientes enciendan la mezcla que las rodea. Se tiene entonces un encendido superficial que da lugar a un frente de llama completamente distinto del normal.

El encendido superficial se verifica generalmente antes de que salte la chispa y en tal caso se llama preencendido. Si se produce despus de haber saltado la chispa, se llama postencendidos.

El preencendido tiende a aumentar la temperatura y la presin en la cmara de modo que la temperatura de los puntos calientes aumenta todava ms, causando que el fenmeno se acente cada vez ms a medida que se suceden los ciclos y los picos de mxima presin tienden entonces a crecer, con posibilidad de causar detonacin y a producirse cada vez con ms anticipacin al P.M.S. Esta forma de preencendido se llama progresivo.

Cuando se produce, la presin mxima del ciclo se alcanza antes que el pistn llegue al P. M. S. En tal caso la presin del gas se opone al movimiento del pistn en la ltima parte de la carrera de compresin, la potencia se reduce y el funcionamiento del motor se hace spero e irregular. El preencendido se debe evitar porque puede ser muy nocivo para los rganos del motor, especialmente para las partes sometidas a temperaturas altas, como los pistones, las vlvulas de escape y las bujas.

Preencendido El preencendido es el encendido de la mezcla homognea en el cilindro, antes de que salte la chispa

de ignicin, y como se menciono anteriormente es generado por el recalentamiento local de la mezcla de combustible. Para que se produzca ignicin prematura de algn punto caliente de la cmara antes de que salte la chispa, se deben alcanzar temperaturas mnimas de 700C a 8OOC. Los puntos calientes pueden ser los electrodos de la buja, la cabeza de la vlvula de escape, las aristas metlicas de la cmara de combustin, depsitos de carbn o una arista saliente de la junta de tapa de cilindros.

El inicio de la ignicin y la propagacin del frente de llama desde el punto caliente es similar al producido por el salto de la chispa, la nica diferencia entre ellos el es el instante de ignicin (la chispa proveniente de la buja salta en un instante determinado, mientras que los puntos calientes permanecen as durante toda la cerrara de compresin y pueden generar la ignicin en cualquier punto de dicha carrera). La buja proporciona una ignicin controlada y en el tiempo preciso, mientras que la temperatura de los puntos calientes de la superficie aumentan en cada carrera de compresin y por lo tanto el instante de ignicin es impredecible.

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El encendido anticipado de la mezcla como consecuencia del preencendido extiende el tiempo total en el que los gases quemados se alojan en el cilindro y por lo tanto aumentan la transferencia del calor a las paredes de la cmara, como resultado, la temperatura de auto-ignicin se anticipara mas y mas al P.M.S. en cada sucesiva carrera de compresin.

Por lo tanto, la presin pico del cilindro (que normalmente se produce en su posicin ptima de 10-15 despus del P.M.S.) avanzar progresivamente una posicin mas cercana al P.M.S. donde la presin y temperatura del cilindro alcanzaran su mximo. El efecto de aumentar la duracin de la combustin y simultneamente aumentar el pico de la presin y temperatura del cilindro, es el desplazamiento de la temperatura de auto-ignicin hacia el P.M.S. La presin pico en el cilindro ahora se producir antes del P.M.S., realizando trabajo negativo al comprimir los productos de la combustin, Fig. 2.16.

Fig. 2.16: Modificacin del gradiente de presiones del cilindro por preencendido

El preencendido en un solo cilindro del motor causara una reduccin constante del rgimen y de la potencia. Si se permite que esto continu, se alcanzara la temperatura de auto-ignicin tan anticipada en el ciclo que la mezcla ingresando por la admisin ser encendida, haciendo que la llama retroceda hacia el ducto y mltiple de admisin.

Los efectos mas nocivos del preencendido aparecen el fenmeno ocurre slo en uno o ms cilindros de un motor multi-cilndrico. En estas condiciones, cuando el motor se encuentra exigido, los cilindros no afectados continuarn desarrollando toda su potencia y velocidad, arrastrando al pistn o pistones en los cuales se desarrolla el preencendido (y con ello trabajo negativo), hasta que finalmente el aumento de temperatura el los cilindros con preencendido es tal que los aros del pistn se agarran a la pared del cilindro.

As, el peligro aparece cuando la mayora de los cilindros operan eficientemente mientras que uno o mas estn sujetos a preencendido excesivo, por cuanto el conductor del vehculo slo experimenta la prdida en el rgimen y la potencia. Para compensar estas perdidas, exigir mas la motor, hecho que solo intensificara el preencendido hasta que ocurra el agarre.

El preencendido tambin es causado por las persistentes ondas presin que desplazan los gases estancos que normalmente protegen las paredes de la cmara de combustin. El aument de la transferencia del calor a travs de las paredes, eleva la temperatura superficial de cualquier parte mal refrigerada de la cmara, y esto genera un punto local para el preencendido.

Si el preencendido ocurre al mismo tiempo que el salto de la chispea proveniente de la buja, la combustin se llevara a cabo de forma normal. Por lo tanto, si se desconecta el paso de corriente elctrica, el encendido dejara de actuar, pero el motor seguir operando al mismo rgimen como si fuera controlado por la chispa de la buja, siempre y cuando la temperatura de la auto-ignicin se produzca en el mismo punto.

Postencendido El postencendido es la localizacin de un punto caliente dentro de la cmara de combustin (como

por ejemplo el electrodo central de la buja) que se suma a la chispa de encendido en cada carrera de compresin, haciendo que se alcance la temperatura auto-ignicin de la mezcla. Cundo el motor se encuentra a la temperatura normal de trabajo y se desconecta el encendido (es decir, se desconecta la buja) el punto caliente continuara recibiendo calor durante la fase de combustin, y se calentara muy por

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encima de la temperatura de auto-ignicin de la mezcla, para enfriarse posteriormente al completarse las carreras de escape, admisin y compresin.

Con el encendido desconectado y la mariposa de admisin cerrada, la combustin continuara ocurriendo cada vez que se alcance la temperatura de auto-ignicin, aproximadamente en la misma posicin en el cada carrera de compresin. Despus de un tiempo con la mariposa de admisin cerrada. la temperatura pico en la cmara comenzar a descender hasta que el punto caliente no ser capaz de encender la mezcla haciendo que el motor se apague. Una mezcla pobre y que quema a baja velocidad, presentando retardo del encendido, ser responsable del punto caliente y de la ocurrencia de pos-ignicin. 2.7.2 - Detonancia

La detonancia se produce cuando la presin, temperatura y densidad de la carga ms alejada de la aumentan hasta producir la combustin casi instantnea, haciendo que la liberacin de energa se produzca a muy alta velocidad, tal como sucede en una explosin.

Es importante recalcar que la detonancia se presenta siempre en la ltima fraccin de mezcla no quemada. Esta ltima fraccin es comprimida por la expansin de la mezcla en combustin, provocando aumentos en la densidad y temperatura tambin.

Si la velocidad a la cual se propaga el frente de llama es reducida, y si adems el trayecto que recorre es largo, habr mas tiempo para comprimir y transferir calor a la fraccin de mezcla inquemada que se encuentra por delante del frente de llama. La temperatura de esta fraccin de mezcla se eleva por la conveccin y radiacin generada por el frente de llama hasta un punto en el que esta expuesta a un calor tan intenso que la enciende espontneamente.

La detonacin produce irregularidades en el diagrama de la presin, y en la Fig. 2.17 se compara un diagrama de presiones de un ciclo sin detonancia con uno donde se presenta el fenmeno.

Fig. 2.17: Diagrama de presiones de dos ciclos, uno con detonancia y otro sin este fenmeno En la Fig. 2.18 se observa el diagrama de presiones superpuesto con en el ciclo trmico del motor en

presencia de detonancia.

Fig. 2.18: Diagrama de presiones y ciclo del motor vs ngulo del cigeal

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Generalmente, cuando las oscilaciones de presin causadas por la detonacin se superponen con el patrn de presin normal de combustin, se observar un pico de presin levemente ms alto que en el normal.

La detonacin tambin produce una disminucin del rendimiento trmico global, como se puede ver en la Fig. 2.19.

Fig. 2.19: Rendimiento trmico vs relacin de compresin Para evitar la detonancia, se debe procurar que la velocidad de propagacin del frente de llama

dentro de la cmara sea muy rpida y que el trayecto a recorrer sea reducido. En estas condiciones, el tiempo ser insuficiente para que la fraccin de mezcla inquemada resulte excesivamente comprimida y sobrecalentada. En la Fig. 2.20 se comparan dos cmaras de combustin diferentes, en la primera la velocidad del frente de llama es baja, y en la segunda es alta.

Fig. 2.20: Combustin con detonancia (izquierda) y sin detonancia (derecha) Un bajo rgimen del motor (bajas r.p.m.) tambin puede crear condiciones que propensan la

detonancia. En estos casos la permanencia de la mezcla en el cilindro es mayor, aumentando el intervalo durante el cual el frente de llama transfiere calor a la ultima fraccin de mezcla sin quemar, promoviendo la detonacin. Al aumentar el rgimen, tambin lo hace la turbulencia, por lo tanto la fraccin de mezcla sin quemar ser menor que en el caso anterior (la combustin es mas eficiente ya que el frente de llama

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se propaga a mayor velocidad). Adicionalmente el tiempo para la transferencia de calor es menor, inhibiendo el fenmeno. La eficiencia volumtrica, que es una medida de la presin en el cilindro, disminuye a medida que aumenta el rgimen del motor, por lo que las condiciones dentro del cilindro son menos severas, Fig. 2.21.

Fig. 2.21: Presin dentro del cilindro vs rgimen del motor La mayor parte de la mezcla quemara de forma controlada. Los mtodos para minimizar la

detonancia son:

incrementar la turbulencia y velocidad de propagacin del frente de llama, evitando as el sobrecalentamiento de la ultima fraccin de mezcla

reducir el recorrido del frente de llama y aumentar el rea de la cmara de combustin en la zona mas alejada de la buja, generando el enfriamiento repentino de la mezcla o quench

utilizar combustibles con mayor numero de octanos

Las ondas de presin generadas por la detonancia, a medida que se propagan en la cmara de combustin, producen los siguientes inconvenientes:

desplazan la capa protectora de gas estancos que se encuentran sobre la superficie de la cmara de combustin, as, mas cantidad de calor ser transferido a travs de la paredes de la cmara, aumentando la temperatura media de la misma y promoviendo el preencendido

desplazan la capa de aceite (capa del tipo film) que protege y lubrica las paredes del cilindro, generando friccin ntermetlica entre los aros del pistn y paredes del cilindro

vibraciones mecnicas excesivas en los rganos del motor, pudiendo llegar a la destruccin de alguna pieza

Por ultimo los siguientes son algunos factores que propensan el fenmeno de detonacin en el cilindro:

altas relaciones de compresin combustible de bajo numero de octanos mayor distancia recorrida por el frente de llama demasiado avance del encendido, desplazando el pico mximo de presin en el cilindro prximo

al P.M.S. , alcanzando un valor de presin mxima mayor que el normal mezcla ligeramente mas rica (aproximadamente en un 10%) incrementa al temperatura de la

combustin y por lo tanto la presin, induciendo condiciones para la detonacin inadecuada refrigeracin de la cmara de combustin por fallas en el termostato, en sistema de

refrigeracin o por perdidas de liquido refrigerante

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3 Mtodos para intensificar la combustin 3.1 Squish

En algunos diseos el pistn se acerca mucho a la tapa de cilindros, y la corona del pistn o la tapa de cilindros poseen una cavidad, tambin llamada cmara secundaria, Fig. 3.1. A medida que el pistn se acerca al P.M.S., la mezcla expulsada de las zonas donde el pistn queda muy cerca de la tapa, y es forzada a ingresar a la cavidad o cmara secundaria. En este caso la mezcla es comprimida creando movimientos organizados o coherentes, que posteriormente se descomponen en turbulencia. Este fenmeno se conoce como squish.

Fig. 3.1: Squish

Cuanto mayor sea el tamao de las porciones opuestas, tanto de la tapa de cilindros como de la corona del pistn, y cuanto mas se aproximen en el P.M.S., mayor ser la velocidad del flujo que ingresa a la cavidad, Fig. 3.2.

Fig. 3.2: Velocidad de squish vs giro del cigeal

La mezcla altamente comprimida en la regin plana de la cmara, al ingresar repentinamente a un espacio ms grande, aumenta considerablemente la turbulencia y promueve la mezcla del combustible y la transferencia de calor a travs de la cmara de combustin. 3.2 rea de enfriamiento repentino o Quench

El rea de enfriamiento repentino queda definida por las superficies paralelas del pistn y tapa de cilindros. Estas superficies planas y opuestas, contienen una lmina delgada de mezcla entre ellos.

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Poseen una superficie relativamente grande comparada con el reducido volumen que contienen. En consecuencia, habr una gran cantidad de calor transferido desde esta lmina de mezcla a elevada temperatura a travs de las paredes de metal. El resultado es un enfriamiento repentino o efecto de quench entre estas superficies paralelas. El rea de quench se define como la razn entre el rea plana del pistn relativa al rea total del pistn, Fig. 3.3.

Fig. 3.3: rea de enfriamiento repentina o de quench 3.3 Turbulencia

La turbulencia consiste en vrtices de diferentes tamaos ordenados de forma aleatoria, que se superponen con el flujo de mezcla de combustible, Fig. 3.4 A. Estos vrtices junto con la corriente del flujo, representan una superficie con irregulares pequeas que desarrolla un movimiento espiral de concentracin, Fig. 3.4 B.

Fig. 3.4 A (izquierda) y B (derecha): Comportamiento de la turbulencia

A medida que los vrtices giran, entran en contacto con vrtices adyacentes, y se generan tensiones de corte por la viscosidad. Se acelera la mezcla entre el combustible y el aire, y la transferencia de calor. Esto situacin es opuesta a la que ocurre en flujo laminar, donde la transferencia de calor por la difusin molecular es relativamente lenta, y la mezcla del combustible con el aire se ha realizado antes de ingresar al cilindro. La formacin de nuevos vrtices y la desintegracin de otros, aumenta el flujo turbulento al aumentar el rgimen del motor. 3.3.1 - Propagacin del frente de llama

Si la mezcla inducida se mueve dentro del cilindro como flujo laminar estable, en el instante que salta la chispa y se produce de la ignicin las molculas del combustible, el aumento de la temperatura por conveccin y radiacin calienta las molculas adyacentes, hasta que estas tambin entran en ignicin.

Al mismo tiempo, aumentar la temperatura acelera el movimiento aleatorio de las molculas de gas produciendo cada vez mas choques entre s mismas y con otras molculas adyacentes de la mezcla inquemada. El aumento de presin resultante genera una expansin de las molculas encendidas que ayudan a propagar la ignicin.

Desafortunadamente, la velocidad de propagacin el frente de llama hacia la fraccin de mezcla sin

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quemar seria muy lento y no se podra completar la combustin a tiempo (la combustin no se completa con suficiente anticipo al inicio de la carrera de expansin, generando reducida fuerza de impulsin), Fig. 3.5 A.

Sin embargo. la mezcla aire-combustible contenida en el cilindro estar normalmente en un estado combinado de swirl y tumble, naturaleza que consiste en vrtices y pulsaciones aleatorias de velocidad en la mezcla de gas, Fig. 3.5 B.

Los intensos vrtices pulsantes superpuestos en el flujo distorsionan el frente de llama y lo descomponen en focos de ignicin separados que amplan el rea del frente de llama, aumentando as la tasa de transferencia de calor, Fig. 3.5 C.

Fig. 3.5 A (arriba izquierda), B (abajo izquierda) y C (derecha): Propagacin de la llama

Las pequeas pulsaciones turbulentas, de tamao similar a las pulsaciones causadas por un

flujo laminar, no producen distorsin del frente de llama, pero su agitacin intensifican la transferencia de calor y el proceso de la difusin entre la frontera del frente de llama y la mezcla de inquemada.

Un frente de llama cambiante e irregular, generado por la turbulencia intensiva, produce corrientes locales que aceleran el proceso de transferencia de calor.

Las velocidades tpicas de propagacin de la llama estn en el rango de 15 a 70 m/s. Es decir, la velocidad es aproximadamente 15 m/s para un rgimen de 1000 rpm y aumenta a 70 m/s para un rgimen de 6000 rpm.

El intervalo del tiempo para completar la combustin depende de la intensidad de la turbulencia, que a su vez depende del rgimen del motor. As, si el proceso de la combustin abarca un ngulo de giro del cigeal de 30 a 1000 rpm (para un nivel de turbulencia dado), entonces a 2000 rpm y con la misma intensidad turbulenta el ngulo de giro del cigeal se habr duplicado a 60, movimiento angular inaceptable.

Sin embargo, si el rgimen del motor y consecuentemente la turbulencia se duplica, el intervalo de tiempo de combustin se reduce a la mitad, entonces cuando el rgimen del motor aumenta de 1000 rpm a 2000 rpm el ngulo giro del cigeal se mantiene aproximadamente constante en su valor original de 30. Por lo tanto, sin turbulencia, el motor de encendido por chispa sera incapaz de operar en el rango de velocidades necesarias.

3.3.2 - Analoga entre la propagacin de llama y un campo de flujo turbulento

Es posible representar cmo el ncleo inicial de llama proveniente de una chispa se extiende a travs de una masa turbulenta en trmino de muchos crculos que representan los vrtices de un flujo turbulento.

Cundo ocurre la ignicin el ncleo de llama, se extiende con los vrtices en rotacin en forma de una corteza irregular, desde el punto de ubicacin de la buja, Fig. 3.6.

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Fig. 3.6: Propagacin del frente de llamas

La velocidad de propagacin de la llama es aproximadamente proporcional a la velocidad perifrica de los vrtices. Para media rotacin de los vrtices, Fig. 3.6 B, la llama se habr extendido 180 en la periferia de los vrtices adyacentes en el lado derecho, en cambio, en los vrtices del lado izquierdo la llama se habr extendido solamente 90.

Al completar la siguiente media rotacin de los vrtices, Fig. 3.6 C, la llama se habr extendido por toda la periferia de los vrtices del lado derecho, tres-cuartas partes alrededor de los vrtices del lado izquierdo, un medio en los vrtices superiores e inferiores y slo un cuarto alrededor los vrtices externos de la derecha e izquierda.

Simultneamente con la propagacin perifrica de la llama, la combustin se extender en forma laminar lo hace a menor velocidad hacia el centro de cada vrtice. En la prctica, los vrtices se ubican en forma aleatoria y se parecen a una red desordenada en la que cambian continuamente de tamao, muchos desaparecern mientras otros nuevos se crearn. Hay que tener en cuenta que los vrtices turbulentos son slo parte del movimiento general de rotacin o swirl dentro del cilindro.

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4 Flujo a travs del conjunto ducto - vlvula de admisin

Cuando la velocidad del flujo que atraviesa un orificio alcanza la velocidad del sonido local, los cambios de presin aguas abajo del orificio ya no se podrn propagar aguas arriba del mismo. Esto se debe a que la onda de presin se desplaza a la velocidad del sonido y el flujo entrante, en sentido contrario a la onda de presin, viaja a la misma velocidad. As, el flujo se denomina estancado, y el flujo msico no se podr incrementar por encima de este punto.

Si llamamos V a la velocidad instantnea del flujo y a la velocidad del sonido local, el nmero de Mach M se define como:

aVM =

En el caso de que M = 1, el flujo esta estancado y no puede ser incrementado. El estancamiento del flujo que atraviesa la vlvula de admisin (es decir, cuando alcanza la velocidad del sonido) es una de las mas serias limitaciones de performance del motor. El diseo del conjunto ducto y vlvula de admisin esta dirigido en gran parte a evitar el estancamiento del flujo en el rango de performance deseado.

Para controlar el rgimen del motor en el cual el flujo llega a la condicin de estancado, el diseador debe controlar el nmero, tamao y alzada de las vlvulas de admisin, como as tambin la influencia de estos tres parmetros sobre la cmara de combustin.

4.1 Flujo a travs de la vlvula de admisin

La naturaleza del flujo que atraviesa la vlvula de admisin se puede examinar para tres alzadas de

vlvula: baja, media y alta. Tomamos como referencia una vlvula con aristas filosas, que son las tpicas en los motores de produccin en serie, Fig. 4.1.

Fig. 4.1 A, B y C: Flujo a travs de la vlvula de admisin En la alzada mas baja, el flujo se separa de las aristas interiores tanto del asiento como de la vlvula, y vuelve a entrar en contacto con los bordes exteriores del asiento y vlvula, Fig. 4.1 A. Para la alzada media, el flujo se separa de las aristas interiores tanto del asiento como de la vlvula, vuelve a entrar en contacto con el borde exterior del asiento, pero se mantiene el desprendimiento en las aristas exteriores de la vlvula, Fig. 4.1 B. Al llegar a la alzada mas alta, el flujo se separa en las aristas interiores del asiento y vlvula, permaneciendo as a medida que se descarga en trayectoria cnica, Fig. 4.1 C. Se forma as un jet de flujo libre.

La separacin ocurre en muchos flujos prcticos de inters. La mayora de las veces ocurre en aristas filosas, donde la inercia del flujo no le permite seguir los contornos. Es importante observar que llegado a un punto determinado, aumentar la alzada de la vlvula no aumenta el flujo msico que la atraviesa, porque este no ocupa totalmente el rea disponible para ello. Por otro lado, para alzadas muy altas, el rea limitante es la del asiento de vlvulas.

4.2 Coeficiente de descarga

Hay muchas formas en las que el flujo estacionario a travs de la vlvula (o cualquier otro orificio)

puede ser evaluado. Una de las ms directas es el coeficiente de descarga. Consiste en medir la razn de flujo para una alzada de vlvula determinada (fija), considerando que la perdida de carga es constante.

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Utilizamos la teora de flujo isentrpico compresible para calcular el flujo msico a travs de un orificio ideal sin rozamiento, con la misma rea que el rea efectiva de paso de la vlvula y sometido a la misma diferencia de presin.

Se define al coeficiente de descarga CD como la razn entre el rea efectiva de flujo y el rea geomtrica de flujo a travs de la alzada de la vlvula.

El flujo isentrpico a travs de un orificio es obtenido con la siguiente ecuacin:

=

1

0

2

000 11

2pp

pppAmi (1)

donde p0 y 0 son la presin de estancamiento y la densidad de estancamiento respectivamente, es el peso especifico ( = 1,4 para el aire) y A es el rea de referencia.

Se puede expresar la razn de flujo real al introducir el coeficiente de descarga CD , con la expresin:

iDreal mCm = (2)

Si el flujo es incompresible la ecuacin (1) queda de la siguiente manera:

( )ppAmi = 02 (3)

La presin p relativa a la presin atmosfrica (p0 = atm) se mide por encima del ducto de admisin, a una distancia aproximadamente igual a dos dimetros de cilindro por encima del motor. El coeficiente de descarga se puede expresar como:

i

realD

m

mC

= (4)

Para flujo incompresible:

( )ppAmC realD =

02 (5)

La hiptesis de flujo incompresible permite calcular el coeficiente de descarga con un error muy pequeo. Si la perdida de carga es p0 p = 2 KPa el error cometido es del 1,2% aproximadamente.

El rea de referencia se puede considerar de dos formas distintas: el rea geomtrica mnima en base a la geometra asiento de vlvula y alzada. Segn Bicen y Kastner, el rea de flujo geomtrica mnima puede dividirse en tres rangos, segn las dimensiones indicadas de la Fig. 4.2.

Fig. 4.2: Nomenclatura de las dimensiones de la vlvula

Rango 1: para

2sin20 tL < (6)

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el rea de flujo geomtrica mnima corresponde al rea lateral de un sector de cono con altura perpendicular al asiento de la vlvula, y se expresa como:

+= sin2

2cos LtDLA (7)

Rango 2: para

( )( ) 2

222t

tD4d2tDtantL

sin22t

+< (8)

el rea de flujo geomtrica mnima corresponde al rea lateral de un tronco de cono con altura perpendicular al asiento de la vlvula, y se expresa como:

( ) ( ) 22 ttantLtDA += (9)

Rango 3: para

( )( ) LttD

dtDt

4.3 ndice de Match

La evaluacin del numero de Mach, tal como se defini anteriormente, posee la desventaja de depende de la velocidad del flujo instantnea V, es decir, V varia a lo largo del ciclo. A los efectos del diseo, seria ms conveniente contar con una expresin promedio, que nos permita evaluar el flujo en todo el intervalo que se encuentra abierta la vlvula de admisin.

Sean Vp y Ap la velocidad instantnea y rea del pistn (Ap = dp2 /4), V la velocidad del gas ideal (inviscido e incompresible) en la apretura de la vlvula, Av el rea de la vlvula (Av = D2 /4) y Af el rea de flujo real a travs de la vlvula, entonces:

f

ppppf AA

VVAVAV ==

Si consideramos la velocidad real del flujo, Vr a travs de la vlvula, se debe considerar el rea de la vlvula (el rea de la vlvula es mayor que la del asiento), por lo tanto

f

vppr A

ADd

VV

=

2

El rea de flujo real a travs de la vlvula se puede calcular como el rea del ducto de admisin. A su ves, la razn entre el rea de flujo real Af y el rea de la vlvula Av se conoce como el coeficiente de flujo, CV:

V

ppr

v

fV CD

dVV

AA

C 12

=

Estas expresiones solo sirven para valores instantneos, en algn punto del ciclo. Ya hemos mencionado la importancia de contar con una expresin promedio, que nos permita evaluar todo el intervalo de apertura de la vlvula de admisin. En primer lugar se promedia el coeficiente de flujo CV:

= 2112 1 dCC VV

donde 1 es el ngulo donde abre la vlvula de admisin y donde 2 es el ngulo donde cierra la misma. La velocidad promedio del pistn se calcula como NCVP 2= , donde N es el tiempo transcurrido 1 giro del cigeal y C la carrera del pistn. La velocidad promedio del flujo real ser:

V

pPr CD

dVV 1

2

Se define el ndice de Mach IM como la razn entre la velocidad promedio del flujo real y la velocidad del sonido isentrpica:

V

pPrM CD

daV

aV

I 12

==

Para n nmero de vlvulas, asumiendo que todas abren al mismo tiempo, hay n veces el rea de flujo, por lo tanto:

V

pPrM CD

daV

naV

I 112

==

La experiencia muestra que el ndice de Mach es el nico parmetro relevante para evaluar la eficiencia del motor para distintas alzadas y distintos dimetros de vlvulas. Las graficas del ndice de Mach vs alguna propiedad del motor (por ejemplo eficiencia volumtrica) muestran que a partir de un valor dado de IM la eficiencia volumtrica comienza a caer sbitamente. Es de esperar que en tal valor de IM el numero de Mach halla alcanzado un valor M = 1.

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5 Flujo en el cilindro

De acuerdo a la forma y ubicacin de los ductos y vlvulas de admisin, y a distribucin del motor, es posible inducir en el cilindro flujos intermedios. El flujo en el cilindro es siempre turbulento, pero la velocidad media es menor que la velocidad turbulenta. Movimientos de este tipo suelen llamarse coherentes, y se debe a que presentan cierta organizacin en la turbulencia desorganizada. Al hacer mediciones, las mismas se deben realizar cierto numero de ciclos, entre 20 y 30, y finalmente promediar las mismas para determinar el modulo del flujo organizado.

El tumble y el swirl son 2 tipos de movimientos coherentes que es posible inducir en el cilindro. Tambin es posible inducir una combinacin de los dos movimientos. De hecho, es casi imposible inducir swirl sin inducir algo de tumble, por ello los dos estn casi siempre asociados. En cambio, si es posible inducir tumble sin llegar a inducir swirl.

5.1 Etapas del flujo en el cilindro

Es posible dividir el flujo en el cilindro es distintas etapas. El flujo al atravesar la vlvula o vlvulas de admisin (formando un jet), debido a la configuracin geomtrica de los ductos de admisin y vlvulas y al momento de apertura de las vlvulas (regulacin de la distribucin) generan movimientos coherentes conocidos como swirl y tumble. Adicionalmente, el jet formado por el flujo dentro del ducto de admisin es turbulento. Por lo tanto, en la primera etapa de la carrera de admisin la mayor parte de la energa contenida en el flujo direccional que atraviesa el ducto de admisin, es transformada en turbulencia.

En la segunda mitad de la carrera de admisin, gran parte de la turbulencia decae, lo que equivale a decir que su intensidad se reduce notablemente, porque el flujo que atraviesa el ducto de admisin comienza a reducirse hasta que llega a su fin, y por los efectos de la viscosidad. Los movimientos coherentes transportan vapor, finas gotas de combustible, gases residuales y todo lo dems contenido en el cilindro con una trayectoria que depende de cuanto swirl o tumble hay en el cilindro. De esta forma la turbulencia se propaga a as misma ya a todo lo contenido en el cilindro, intentando que este contenido sea tan homogneo y uniforme como sea posible.

Durante la carrera de compresin, el aumento de la densidad y los cambios en las escalas de tamao (por el cambio geomtrico a medida que la mezcla es comprimida) amplifican la turbulencia que ha quedado del jet de admisin, si bien la disipacin de energa turbulenta por viscosidad y transporte contina. El tumble y el swirl estn afectados por el mismo fenmeno.

Al alcanzar el P.M.S. gran parte de los movimientos coherentes no tendrn suficiente lugar para mantener su forma y tamao, y sern descompuestos en turbulencia, aumentando mas la energa cintica turbulenta. Transcurrido todo este tiempo, las condiciones en el cilindro son prcticamente homogneas por el efecto de la turbulencia y los movimientos caractersticos, a menos que consideraciones especiales hechas por diseador traten de evitarlo.

Al iniciar la combustin, el nivel de turbulencia aumenta levemente. Entonces, en la carrera de expansin, los cambios geomtricos producidos atenan la turbulencia y cualquier otro movimiento coherente que haya sobrevivido. Esta situacin combinada con el efectos de la viscosidad, suprimen la turbulencia a un punto tal que, en el momento que abre la vlvula de escale, prcticamente ha desaparecido por completo, y muy pequea cantidad es generada en la carera de escape.

5.2 Turbulencia inducida por la admisin

Asumiremos como punto de partida que estamos en presencia de un motor con una carga homognea, sin una cantidad significante de swirl o tumble. El flujo a travs de la vlvula de admisin forma un jet cnico, con un ngulo aproximadamente igual al de la vlvula. Nosotros podemos esperar estar en presencia de nmeros de Reynolds elevados, dado que la viscosidad del aire a temperatura ambiente es relativamente baja.

Calculando la velocidad media del flujo a travs de la vlvula de admisin y la altura de despeje de la vlvula (asumiendo una vlvula con un ngulo de 45), y considerando que Vp = 2 m/s and p = 0.4 bar, podemos llegar a tener nmeros de Reynolds de 6 x 103, lo que nos estara garantizando que el jet est en rgimen turbulento ( siendo el nmero de Reynolds basado en la escala de velocidad y longitud turbulentas u y l, el que debemos tener en cuenta, el mismo ser 6 x 102 1 en la zona del cono). El nmero de Reynolds ser tanto ms grande cuanto mayor sea la velocidad media del pistn. El jet se descarga en un espacio cerrado, de manera que este chocar con la cabeza del pistn y las paredes del cilindro. El jet formar vrtices secundarios que surgen de la interaccin con estas superficies y estos

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finalmente son disipados o degradados en turbulencia. El jet de choque (como lo denominan) forma capas lmites turbulentas sobre las superficies. El jet es en si mismo inestable, fluctuando en el cilindro hacia adelante y atrs en forma irregular, transformando la energa media del flujo contenida en el jet en energa cintica turbulenta.

Podemos hacer una estimacin aproximada de la energa total introducida por el Jet. Si esta energa fuera convertida toda en turbulencia sin prdidas, y distribuida uniformemente en el cilindro, nos dara un clculo aproximado de la intensidad de la turbulencia mxima que podramos esperar durante el periodo de admisin. No obstante estaramos realizado una sobrestimacin considerable, porque nosotros no tenemos en cuenta las prdidas (clculos revelan que las prdidas (la disipacin) son grande). Siendo la velocidad media de la carga a travs de la vlvula de admisin

iPV CD

dVV 12

= Ahora, queremos calcular la energa cintica total que entra el cilindro en el jet de admisin. Si

estimamos que cuando el jet ha llenado a medias cilindro, con la alzada media de vlvula, la turbulencia del jet est en su pico

VolumenVolumen

eticaEnergiaCineticaTotalEnergiaCin =

el primer trmino es

2V

iV

VolumeneticaEnergiaCin =

El segundo trmino es el volumen total que ha ingresado al cilindro, el cual es la mitad del volumen

total Vd/2. Por lo tanto, la energa cintica tota es

22dV

iVV

eticaTotalEnergiaCin =

Si esta energa se distribuye uniformemente en el volumen del cilindro, obtenemos

di VudroaldelCilinbulentaTotEnergiaTur =2

2

el valor de u es

2VVu =

y as

2112

=

iP CDd

Vu

5.3 Movimientos caractersticos 5.3.1 Tumble

Es caracterstico de los motores con cuatro vlvulas por cilindro, y consiste en un movimiento de rotacin alrededor de un eje que es normal al eje del cilindro, Fig. 5.1. Se ha observado que este movimiento de rotacin se descompone en micro turbulencia a medida que el pistn se acerca P.M.S., aumentando la energa cintica turbulenta dentro del cilindro.

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Fig. 5.1: Tumble

5.3.2 Swirl

Es el movimiento tpico de la carga en los motores con dos vlvulas por cilindro, es un movimiento de rotacin alrededor del eje del cilindro, Fig. 5.2. Dependiendo del diseo de la cmara de combustin, no siempre se descompone en micro turbulencia en el P.M.S., no obstante esta eleccin es una estrategia del diseador.

Fig. 5.2: Swirl 5.4 Comportamiento de los movimientos caractersticos

Hay varias razones por las cuales es conveniente inducir swirl y/o tumble. Estos movimientos aumentan la turbulencia dentro del cilindro. Elevados valores de turbulencia producen mayores velocidades efectivas del frente de llama. En sntesis, el objetivo de inducir swirl o tumble es siempre el mismo: generar mayores niveles de turbulencia en el momento de la ignicin.

Si la mezcla es rica, la mayor velocidad del frente de llama permite completar la combustin antes de que se produzca la auto ignicin o detonancia de la ltima fraccin de mezcla sin quemar, y permite adems aumentar la relacin de compresin. Esta fue la motivacin que llevo a investigar sobre estos movimientos en los inicios de los motores alternativos de encendido por chispa, cuando el combustible disponible tenia bajo numero de octanos.

Actualmente, donde la economa del motor y la contaminacin que produce son tan importantes como el desempeo del mismo, la motivacin es crear una combustin confiable y eficiente para mezclas muy pobres.

La Fig. 5.3 representa la variacin de la turbulencia en funcin del ngulo de giro del cigeal. Como vemos, la turbulencia que resulta de la conversin de energa del jet que atraviesa el ducto de admisin decae rpidamente, y su valor es bajsimo en el momento de la ignicin.

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Fig. 5.3: Intensidad turbulenta vs Angulo de giro del cigeal

La idea del tumble y del swirl es encapsular o retener parte del momento cintico del jet de admisin, bajo la forma de flujo organizado. Como este flujo organizado es de mayor tamao que la turbulencia, es menos disipativo, y por ello mantendr su energa por mas tiempo. El la vorticidad del tumble aumenta en el periodo de compresin por el movimiento del cilindro, y algo similar sucede con el swirl en caso de presencia de squish (el squish se debe un diseo en el cual la corona del cilindro, en el PMS, queda muy cerca de la tapa de cilindros, y se deja una cavidad, sea el pistn o en la tapa de cilindros, la mezcla expulsada de las zonas donde se acerca el pistn a la tapa ser comprimido creando movimientos organizados o coherentes, que posteriormente se transformaran en turbulencia).

En el instante anterior a la ignicin, el swirl y el tumble se descomponen en turbulencia, generando un estado de turbulencia global mucho mayor al producido solamente por el jet de admisin.

El tumble por lo general siempre se descompone en forma de turbulencia, porque a medida que el pistn se aproxima al PMS, se acorta la distancia entre el pistn y la tapa de cilindros, y del vrtice original del tamao de la carrera, sobreviven solo pequeos vrtices del tamao del espacio nocivo del cilindro, as el vrtice termina por descomponerse en turbulencia.

Esta descomposicin del tumble instantes antes del PMS no es comprendido por completo aun, pero experimentalmente se ha demostrado que flujos elpticos en rotacin (elpticos dado que el tumble se mueve en una elipse cuyo eje mayor es la carrera del cilindro y su eje menor el dimetro, a medida que el pistn se aproxima al PMS, el eje mayor se reduce) no son estables alrededor de un eje intermedio, y cambiara para rotar alrededor del eje menor de la elipse, si se cumple que el eje mayor es mucho mayor que el eje menor. En ese momento en el que el vrtice cambia de eje, que se produce un flujo catico altamente turbulento, y es esa la descomposicin del tumble en turbulencia.

El swirl por su parte, posee un comportamiento un poco ms complejo. Dependiendo de la forma de la cmara de combustin, puede no descomponerse cuando el pistn llega al PMS. Por ejemplo, en una cmara pent roof con 4 vlvulas y 1 buja, no hay lugar fsico para crear una zona de squish, por eso, el swirl sobrevive el PMS y no se descompone y no genera turbulencia. El rea de squish es la que obliga al swirl a adaptar la forma de la cmara cuado el pistn alcanza el PMS y es ah donde esta obligado a transformarse en turbulencia. En los casos que el swirl sobrevive al PMS y no se transforma en turbulencia, tambin son provechosos para estratificar la carga, otro artificio para intensificar turbulencia.

La estratificacin de la carga consiste es separar las zonas de mayor riqueza de mezcla de las zonas mas pobres. Para lograrlo es necesario orientar la turbulencia de forma selectiva. Si el swirl sobrevive al PMS, entonces forma un ncleo de vrtice altamente turbulento rodeado en forma coaxial por otro vrtice de muy baja turbulencia. Si se induce a que la mezcla ingrese al vrtice coaxial de baja turbulencia, permanecer all y no se distribuir al resto del cilindro. En la ignicin, el frente de llama estar primero en el vrtice axial de baja turbulencia, y su propagacin ser lenta, pero enseguida se dirige hacia el estrato de mezcla mas pobre en el ncleo de alta turbulencia, donde se quemara y propagara rpidamente.

Lo importante es que nunca se debe dejar transcurrir demasiado tiempo porque de lo contrario la turbulencia desparramara la mezcla de aire y combustible antes de la ignicin.

Tanto el swirl como el tumble se definen de acuerdo a un ndice, es decir, ndice de swirl e ndice de tumble. En ambos casos, se compara la velocidad angular de rotacin de un slido ideal (con el

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mismo momento angular que posee la distribucin de velocidades en el swirl o tumble) con la velocidad angular del cigeal:

NI SS

2

= N

I TT 2

=

donde Is e It son el ndice de swirl e ndice de tumble respectivamente, S y T , N es el rgimen del motor en rev/s. Los motores de produccin en serie poseen ndices de swirl y tumble del orden de 1,0 y 2,0, mientras que motores experimentales pueden alcanzar valores de hasta 6,0.

5.5 Etapas del macro-vrtice de Tumble

El comportamiento del macro-vrtice se puede comprender ms fcilmente identificando ciertas caractersticas del movimiento de la carga. Este aspecto se discute en los prrafos siguientes y se hace una tentativa de identificar ciertas etapas en el movimiento de tumble Basados en el comportamiento del macro-vrtice de tumble, poden ser identificadas cuatro etapas distintas, como vemos en la Fig. 5.4.

I - Fase de generacin del vrtice

Esta fase se extiende desde P.M.S. hasta P.M.I. durante el periodo de admisin. La orientacin del jet de admisin es principalmente controlada por la geometra del conducto y de la forma de la cmara de combustin. Inicialmente el centro del vrtice se encuentra sobre el lado de la vlvula de escape. Luego , el vrtice crece gradualmente en tamao y el centro del vrtice se desplaza ligeramente hacia el lado de la vlvula de admisin. El instante de la velocidad angular mxima del vrtice es dependiente de la geometra de la vlvula y las condiciones de flujo en el cilindro (Posiblemente de la ley de apertura de vlvulas). Un solo vrtice [grande] se forma hacia el final de esta fase con su centro sobre el lado de la vlvula de admisin. Para el P.M.I. la velocidad angular ha cado considerablemente.

II - Fase de estabilizacin del vrtice

Esta fase existe entre el P.M.I. y el retraso en cierre de la vlvula de admisin. En la misma la tasa de decaimiento del vrtice tiende a decrecer considerablemente. Siendo atribuida a la restriccin en su crecimiento debido al movimiento ascendente en el pistn. Esta caracterstica resulta en una accin estabilizadora sobre el vrtice. Por otra parte, el vrtice no est bien contenido debido a un flujo continuo de la energa. El tiempo de admisin parece ser un factor controlante para esta fase.

Fig. 5.4: Estados del macro-movimiento Tumble.

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III - Fase de spin-up (aceleracin) del vrtice

Esta fase se extiende desde el RCA (retraso encierre de la vlvula de admisin) y hasta el instante de la ocurrencia del pico mximo de tumble. Dado que el patrn del vrtice est solicitado a fuerzas de compresin por el movimiento ascendente del pistn, el eje de rotacin se mueve hacia el lado de la vlvula de escape. La compresin del vrtice resulta en una reduccin de su tamao, incrementndose la velocidad angular conservando la cantidad de movimiento angular (en teora, en la prctica debera existir un decremento de la misma). Un rpido incremento en el tumble culmina con su valor mximo. Esta accin de spin-up es bien reconocida en la literatura y se encuentra tpicamente entre los 60 y los 90 antes del P.M.S. La forma de la cmara de combustin y la cabeza del pistn parecen ser los agentes controladores de esta fase.

IV - Fase de decaimiento del vrtice

La ocurrencia del pico mximo del tumble da inicio a esta fase , la cual se extiende hasta el P.M.S. El vrtice es laminado por el pistn y el cielo de la cmara de combustin, causando su ruptura en vrtices ms pequeos. Inicialmente el vrtice decae gradualmente sobre aproximadamente 30 grados de rotacin, para luego incrementarse rpidamente. Este es el mecanismo de generacin de turbulencia donde la energa almacenada en el vrtice es liberada, dado que hay una transferencia energtica desde el flujo medio hacia la turbulencia. Como es posible ver en el decremento del tumble. 5.5.1 - Estados de la Turbulencia

La degradacin del macro vrtice genera un aumento de la energa cintica turbulenta, debido al suministro de la energa por parte del flujo medio, siendo principalmente contenida en el macro-vrtice. Los distintos estados que caracterizan al comportamiento de la turbulencia han sido identificados en la Fig. 5.5. Existe dificultad en identificar el exacto punto de inicio de cada uno de estos estados.

Fig. 5.5: Estados de la intensidad de la turbulencia

I - Fase de turbulencia generada en la admisin

Esta fase existe entre el P.M.S. en el periodo de admisin y el comienzo de la compresin. La turbulencia generada debido al proceso de admisin es la principal fuente de turbulencia de esta fase; (sea, en la zona del casquillo, aristas del asiento de vlvulas, cada del conducto, etc, son zonas tendientes a producir desprendimientos y por ende son fuentes de turbulencia para el proceso de admisin).

Ms all del P.M.I., algn enriquecimiento de la turbulencia puede presentarse debido a deformacin por corte del macro-vrtice. Sin embargo estos pueden no ser muy significativos. Podemos observar en

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la grfica que la energa cintica turbulenta alcanza un pico que depende de la geometra de la vlvula y de las condiciones de flujo en el cilindro y luego decrece. II - Fase de la turbulencia enriquecida por el Tumble

Esta fase va desde el final de la fase anterior hasta el punto donde la energa cintica alcanza un mximo. El pico ocurre tpicamente entre 20 y 30 grados antes del P.M.S., en la fase de compresin, dependiendo la geometra de la cmara de combustin. En esta fase el incremento de la turbulencia es atribuida a deformacin por corte, deformacin del vrtice (vortex extreching) y la eventual ruptura del vrtice .La ruptura del macro-vrtice puede verse como una de las principales fuentes de enriquecimiento de la turbulencia. La geometra de la cmara de combustin tiene una influencia muy significativa sobre los niveles de turbulencia logrados en esta fase. III - Fase de decaimiento de la turbulencia

Esta va desde el final del periodo anterior hasta el P.M.S. de la fase de compresin. Como la degradacin del macro-vrtice est casi completada, no hay fuente de generacin de turbulencia. Por lo tanto la turbulencia decae con el paso del tiempo, debido a la disipacin. Desde los distintos estados observables en el comportamiento del tumble y turbulencia un mejor entendimiento del mecanismo de generacin de turbulencia desde el tumble es posible.

5.6 Ductos para inducir Swirl

Como se ha mencionado anteriormente, el swirl es la rotacin de la carga alrededor de un eje paralelo al eje del cilindro. El swirl inducido es producido posicionando el ducto de admisin a un lado del cilindro, de esta forma el flujo resultante ser descargado tangencialmente al cilindro. A continuacin se presentan varios ductos que producen aproximadamente el mismo ndice de swirl. Todos estos ductos presentan disminucin del coeficiente de descarga, ello debido a los cambios de direccin que experimenta el flujo que los atraviesa. 5.6.1 - Ducto recto

La carga atraviesa un ducto recto y estrecho en su paso hacia la vlvula de admisin, ingresando en la direccin tangencial deseada con respecto al eje del cilindro, Fig. 5.6. Entonces descarga tangencialmente a la pared del cilindro, siendo desviado lateralmente y hacia abajo formando una hlice o movimiento giratorio. Si bien consiste en un pasaje recto, presenta gran restriccin al paso del flujo y por ello posee el menor coeficiente de descarga.

Fig. 5.6: Ductos rectos para inducir Swirl 5.6.2 - Ducto con pared deflectora

La carga fluye por un ducto levemente curvo y estrecho, as, las paredes del ducto dan al flujo movimiento semicircular en su paso hacia la vlvula de admisin, Fig. 5.7. La pared deflectora es la pared interna del ducto, que obliga al flujo a moverse sobre la pared externa del ducto, y al atravesar la vlvula de admisin se desplaza en la direccin tangencial requerida, descargndose en el cilindro con un movimiento en espiral descendente alrededor del eje del mismo.

El flujo tiende a depender de la geometra de la pared curva exterior del ducto y slo parcialmente de la pared interior para obtener el efecto direccional, por lo tanto las reas del ducto son menos restrictivas.

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Fig. 5.7: Ductos con pared deflectora 5.6.3 - Ducto de vlvulas enmascarado

Otra forma de inducir el swirl es enmascarando la vlvula de admisin, es decir, restringiendo el paso del flujo en una direccin mediante una especie de tabique. El tipo de enmascarado depende si el tabique es solidario a la vlvula de admisin o si se encuentra construido en la tapa de cilindros.

En el primer caso, la carga se hace fluir por un ducto recto y paralelo hacia la vlvula de admisin donde el tabique solidario a la vlvula lo obliga a fluir entre la pared de la cmara, prxima a la vlvula de admisin, descargndose en el cilindro con un movimiento arremolinando y descendente, respetando el sentido del flujo que tenia dentro del ducto, Fig. 5.8. Este sistema muy rara vez es utilizado en motores de produccin en serie dado que no es posible que la vlvula de admisin gire alrededor de su propio eje. Normalmente, una vlvula gira levemente en cada alzada a efectos de homogeneizar la temperatura y desgaste de la copa de vlvula.

Fig. 5.8: Enmascarado mediante un tabique solidario a la vlvula

En el segundo caso, donde el tabique es solidario a la tapa de cilindros, se evita este inconveniente y la vlvula puede girar libremente, siendo este sistema adaptado fcilmente a los motores de fabricacin seriada, Fig. 5.9.

Fig. 5.9: Enmascarado mediante un tabique ubicado en la tapa de cilindros

As, el movimiento resultante de la mezcla genera swirl que al principio se ensancha y luego se contrae alrededor el eje del cilindro durante las carreras de admisin y de compresin respectivamente. Al contrario que en la admisin, durante la carrera de escape, los gases quemados son guiados suavemente por la pared circular vertical y el techo curvo de la cmara, de esta forma hay menor resistencia que se opone a la expulsin de los gases del escape.

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5.6.4 - Ductos helicoidales: Generacin de Pre-Swirl

El swirl es generado dentro del ducto, aguas arriba del asiento de vlvula y alrededor de su eje antes de que el aire o mezcla ingresen al cilindro, por esto toma el nombre de pre-swirl, Fig. 5.10. El flujo de la carga dentro del ducto de admisin es guiado por las paredes del ducto, que lo hace dar vueltas en espiral y hacia abajo formando una hlice por encima del asiento de la vlvula. Por lo tanto, cuando ingresa al cilindro ha adquirido un movimiento giratorio de swirl que continua mientras es succionado hacia el cilindro durante la carrera de admisin. La intensidad del pre-swirl depende del ngulo de hlice y el dimetro del ducto alrededor del vstago de la vlvula.

Los ductos helicoidales proporcionan la descarga de mayor cantidad de mezcla para un ndice de swirl equivalente, comparado con puertos directos, porque es posible utilizar toda la periferia de la apertura de vlvula, y como resultado se pueden obtener eficiencias volumtricas ms elevadas a rgimen medio del motor. Consecuentemente, los ductos helicoidales presentan mayor coeficiente de descarga que los ductos rectos.

Estos ductos son menos sensibles a su posicin relativa al eje del cilindro ya que el swirl generado depende principalmente en la geometra del ducto por encima de la vlvula y de cmo ingresa al cilindro. Generalmente. la magnitud del swirl aumenta al aumentar la alzada de vlvula. Sin embargo, los ductos helicoidales de gran induccin de swirl sufren de una prdida de eficiencia volumtrica del orden 5 a 10% a elevado rgimen del motor (debido a la cada de presin a travs de la vlvula cuando se genera el swirl).

Fig. 5.10: Ductos helicoidales para inducir el swirl preswirl

5.7 Mtodos para controlar el Swirl 5.7.1 Tapa de cilindros de dos vlvulas

Este sistema se utiliza para aumentar el swirl de la mezcla en condiciones de carga moderada del motor y con la mariposa parcialmente abierta, al mismo tiempo que mantiene gran capacidad de flujo bajo carga pesada y apertura completa de la mariposa. Esta doble funcin es obtenida dividiendo en dos partes el ducto de admisin, aguas arriba de la vlvula de admisin, mediante un tabique. El paso del flujo por la mitad exterior del ducto est siempre abierto y se conoce como el pasaje helicoidal primario, mientras que la mitad interior del paso tiene una vlvula del control de swirl a la entrada y es conocido como el desvi secundario, Fig. 5.11. Principio operativo

Carga moderada y mariposa parcialmente abierta: Con la mariposa parcialmente abierta con la vlvula de control de swirl se cierra, haciendo que toda la mezcla que ingresa el cilindro pase a travs del pasaje helicoidal primario. La seccin de paso, menor a la del ducto, acelera el flujo de la mezcla y lo dirige tangencialmente al cilindro, induciendo gran cantidad de swirl. Esto es fundamental si se debe obtener una ignicin rpida de mezcla pobre, sin fallas en la combustin. Mezclas pobres con relaciones de hasta 22: 1 se pueden quemar en forma, Fig. 5.11 A.

Carga pesada y mariposa completamente abierta: Con la mariposa completamente abierta, y el motor sometido a carga pesada, la vlvula de control de swirl se abre haciendo que la seccin de paso del flujo aumente considerablemente. La mezcla fluir en este caso por ambas mitades del ducto, reduciendo la velocidad del flujo (debido al aumento de la seccin del pasaje) al mismo tiempo que eleva la densidad de la mezcla que ingresa al cilindro.

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La mezcla que atraviesa el desvi secundario interceptara de forma parcial a corriente primaria del flujo (proveniente del pasaje helicoidal primario) reduciendo la intensidad resultante del swirl en el cilindro. Esta condicin es necesaria a elevado rgimen del motor para mantener la eficiencia y obligar al swirl a que cumpla con los requisitos de la combustin a rgimen elevado, Fig. 5.11 B.

Fig. 5.11 A (izquierda) y B (derecha): tapa de cilindros de dos vlvulas con control de swirl 5.7.2 - Tapa de cilindro de cuatro vlvulas

Este sistema de admisin de ductos gemelos, tiene una vlvula de control de swirl en el ducto de la vlvula de admisin secundaria, mientras que el ducto primario se divide con un tabique de forma que la mitad exterior del ducto est permanentemente abierto. La otra mitad del ducto primario, la interior, es alimentada por el ducto secundario, donde el flujo es regulado por la vlvula del control de swirl, Fig. 5.12. Principio operativo

Carga moderada y mariposa parcialmente abierta: Para aprovechar los beneficios de elevada velocidad de la mezcla en el ducto de admisin y gran intensidad de swirl en el cilindro (ambos necesarios si el motor debe quemar mezclas muy pobres en condiciones de carga moderada), la vlvula del control de swirl se cierra. Por lo tanto, la mezcla se ve forzada a ingresar al cilindro por la mitad exterior del ducto primario, y la reduccin de seccin acelera el movimiento de la mezcla y aumenta la cantidad swirl en el cilindro, Fig. 5.12 A.

Carga pesada y mariposa completamente abierta: Si aumenta el rgimen y la carga del motor, el ducto primario ya no puede abastecer la mezcla que demanda el cilindro, y en un punto determinado la vlvula del control de swirl deber abrirse. La mezcla comienza a fluir por los dos ductos, la seccin transversal de paso aumenta considerablemente y se reduce la velocidad de la mezcla, generando un aumento en su densidad e ingreso de mayor cantidad de mezcla a los cilindros.

El swirl que proviene del ducto de baja velocidad ser equilibrado por el flujo del ducto de alta velocidad. El resultado convierte el movimiento de swirl espiral bsico en una combinacin de swirl y tumble. Con este movimiento resultante el frente de llama puede viajar por la cmara de combustin a alta velocidad, as es posible completar la combustin en forma satisfactoria y en mnimo tiempo, Fig. 5.12 B.

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Fig. 5.12 A (izquierda) y B (derecha): tapa de cilindros de cuatro vlvulas con control de swirl

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6 Resultados Experimentales y Numricos 6.1 Flujometra esttica

Se realizo la flujometra esttica virtual de una tapa de cilindros para usos acadmicos. Consiste en colocar la tapa de cilindros en un flujmetro, instrumento que produce una determinada depresin constante (vaci) entre la entrada y la salida de la tapa, para producir el flujo de aire a travs de los conductos de las misma. Manualmente se puede variar la alzada de la vlvula, y as determinar el coeficiente de descarga para cada una de ellas. Estos resultados iniciales obtenidos por va experimental, se comparan posteriormente con los resultados obtennos en la simulacin numrica. En la tabla 6.1 se dan a conocer los datos del motor

Tabla 6.1 - Datos del Motor

Dimetro del Cilindro... 88 mm Relacin de Compresin 10:1 Carrera 82 mm Nmero de Vlvulas 4 Nmero de Cilindros 4 Dimetro Vlvula de Admisin..... 36 mm Cilindrada... 2000 cm3 Relacin de Compresin 10:1

6.2 Simulacin numrica

La simulacin del flujo en el interior del conjunto conducto de admisin, cmara de combustin y

cilindro debido a una diferencia de presin constante tiene como objetivo evaluar cualitativamente el flujo y determinar el coeficiente de descarga.

La resolucin numrica de las ecuaciones de Navier-Stokes, para flujos incompresibles viscosos, se realiza mediante el mtodo de volmenes finitos. Se utilizo el software comercial ANSYS CFX-10.0 para pre-procesar, resolver y post-procesar la simulacin. El solver utiliz un esquema tipo Upwind para resolver el trmino advectivo, mientras que para la discretizacin temporal se hizo uso de un esquema tipo Backward-Euler. En este problema se hace uso de un modelo de dos ecuaciones k - epsilon para resolver la turbulencia. Se ha utilizado para la simulacin aire a 25 C como fluido de trabajo.

6.2.1 - Condiciones de contorno

En la Fig. 6.1 se muestra el modelo utilizado para la simulacin y las partes en donde se aplicaron las condiciones de contorno.

Fig. 6.1: Condiciones de contorno del modelo

1 Entrada: Presin total P1 = 101,325 KPa (presin atmosfrica) basada en la velocidad normal al plano de entrada, Intensidad turbulenta IT = 1 % (valor estndar)

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2 Salida: Presin esttica relativa P2 = 95,105 KPa (correspondiente al flujmetro utilizado), Intensidad turbulenta IT = 1 % (valor estndar)

3 Plano de simetra:

0n

0,u0,nu

nt =

==

4 Pared del modelo: Velocidad cero (v = 0) 6.2.2 Malla generada

La generacin de la malla se realizo con el mdulo ICEM-CFX de la firma ANSYS. Est constituida por aproximadamente 330000 elementos tetradricos. En base a experiencias previas en la medicin de las variables del flujo (velocidad y caudal) en tapas de cilindros y a recomendaciones de la firma Superflow, Fig. 6.2 y tabla 6.2, se utiliz una estrategia de refinamiento local en torno a la vlvula de admisin como se observa en la Fig. 6.3 A, B y C.

Fig. 6.2: Partes criticas del conjunto ducto vlvula de admisin

Tabla 6.2 Perdidas de cargas porcentuales 1 Friccin en la pared. 3 % 2 Divisin del flujo... 3 % 3 Desprendimiento en el radio interno del conducto. 11 % 4 Perdida de carga por el vstago 15 % 5 Desprendimiento en la salida de la vlvula. 17 % 6 Expansin en el casquillo.. 13 % 7 Expansin a la salida de la vlvula... 31 %

Fig. 6.3 A (izquierda), B (medio) y C (derecha): Malla Generada

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6.2.3 Vector de velocidad En las Fig. 6.4 a 6.7 vemos el vector de velocidad dentro del cilindro para distintas alzadas de

vlvula. Podemos observar que para la alzada mas chica, 3,6 mm, la direccin del vector de velocidad depende casi exclusivamente de la vlvula de admisin, siguiendo las superficies de la misma e ingresando pegado a las paredes del cilindro. Para las alzadas intermedias de 7,2 y 9 mm el flujo ingresa no solo pegado a las paredes, se incrementa el flujo por la zona central del cilindro. En la alzada mayor, la velocidad alcanza el valor mnimo (rea de paso mxima). Vemos como el flujo es prcticamente homogneo y regular en toda la seccin del cilindro (paredes y centro).

Fig. 6.4: Alzada 3,6 mm Fig. 6.5: Alzada 7,2 mm

Fig. 6.6: Alzada 9 mm Fig. 6.7: Alzada 12,8 mm

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6.2.4 Energa cintica turbulenta En las Fig. 6.8 a 6.11 vemos la energa cintica turbulenta dentro del cilindro para distintas alzadas

de vlvula. Podemos observar que para la alzada mas chica, 3,6 mm, la turbulencia es muy baja dado que el flujo no alcanza as alzadas intermedias de 7,2 y 9 mm la energa cintica turbulenta es mayor Vemos como

Fig. 6.8: Alzada 3,6 mm Fig. 6.9: Alzada 7,2 mm

Fig. 6.10: Alzada 9 mm Fig. 6.11: Alzada 12,8 mm

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6.2.5 Streamlines / lneas de flujo

Fig. 6.12: Alzada 3,6 mm Fig. 6.13: Alzada 7,2 mm

Fig. 6.14: Alzada 9 mm Fig. 6.15: Alzada 12,8 mm

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6.2.6 Vector de velocidad en la cortina de la vlvula

Fig. 6.12: Alzada 3,6 mm Fig. 6.13: Alzada 7,2 mm

Fig. 6.14: Alzada 9 mm Fig. 6.15: Alzada 12,8 mm

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6.2.6 Cantidad de movimiento lineal 6.2.7 Coeficiente de descarga

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Diseo de Conductos y Cmaras de Combustin para Motores Alternativos SI de Alta Performance

(Una Introduccin) 1. Introduccin 1 2. Combustin en el cilindro

2.1. Combustin Normal........ 22.2. Velocidad de Propagacin del Frente de llama.. 22.3. Variacin de la presin durante la combustin.......... 32.4. Proceso de Combustin por chispa........................... 42.5. Tiempo de ignicin y avance del encendido... 62.6. Fraccin de masa quemada........................... 82.7. Combustin Anormal.. 10

3. Mtodos para intensificar la combustin

3.1 Squish. 153.2 Quench... 153.3 Turbulencia 16

4. Flujo a travs del conjunto ducto vlvula de admisin

4.1. Flujo a travs de la vlvula de admisin......... 19 4.2. Coeficiente de descarga................................. 19 4.3. ndice de Mach........ 22

5. Flujo en el cilindro

5.1. Etapas del flujo en el cilindro........ 235.2. Turbulencia inducida por la descarga......... 235.3. Movimientos caractersticos.. 245.4. Comportamiento de los movimientos caractersticos........................ 255.5. Etapas del macrovrtice de tumble...... 275.6. Ductos para inducir el swirl................................ 295.7. Mtodos para controlar el swirl. 31

6. Resultados experimentales y numricos 6.1. Flujometra esttica........ 32

7. Referencias

Intro.doc2.doc2 Combustin en el cilindro2.2 Velocidad de propagacin del frente de llama

2.4 Proceso de combustin por chispaII - Propagacin de la llama - Periodo de aumento rpido de presinIII - Post combustin Extincin de la llama2.5 El tiempo de ignicin y el avance del encendido

2.7 Combustiones Anormales2.7.1 - Encendidos SuperficialesPreencendidoPostencendido

2.7.2 - Detonancia

3.doc3 Mtodos para intensificar la combustin3.1 Squish3.3.2 - Analoga entre la propagacin de llama y un campo de flujo turbulento

4.doc4 Flujo a travs del conjunto ducto - vlvula de admisin

5.doc5 Flujo en el cilindro5.2 Turbulencia inducida por la admisin5.3.1 Tumble5.4 Comportamiento de los movimientos caractersticos5.6 Ductos para inducir Swirl5.6.1 - Ducto recto5.6.2 - Ducto con pared deflectora5.6.3 - Ducto de vlvulas enmascarado5.6.4 - Ductos helicoidales: Generacin de Pre-Swirl

5.7 Mtodos para controlar el Swirl

Principio operativo

6.doc6 Resultados Experimentales y Numricos

Indice.docDiseo de Conductos y Cmaras de Combustin para Motores Alternativos SI de Alta Performance