UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADASESPE EXTENSIÓN LATACUNGA

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRÍZ

MOTORES ESPECIALES

BARRIDO DE LOS MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

NOMBRE: UGEÑO MARCELO

FLUJOS EN CONDUCTOS DE ADMISION Y ESCAPE

Los fenómenos de flujo que tienen lugar en el sistema de admisión y de escape

de los MCIA con el fin de proporcionar la base necesaria para comprender los

fundamentos del proceso de renovación de la carga y algunas de las técnicas

empleadas para su optimización, para la reducción del ruido asociado con

dicho proceso, y para el aprovechamiento de energía de los gases de escape.

Se han considerado el flujo comprensible cuasi estacionario, tal como el flujo a

través de las válvulas y lumbreras o incluso en términos de un flujo estacionario

e incomprensible, como en el caso de los efectos globales de la contrapresión

de escape sobre las prestaciones del motor

En el caso del flujo adiabático lo que ha permitido centrarse en la influencia de

la geometría y determinar cualitativamente la transmisión y reflexión de las

ondas en distintas singularidades de importancia para el proceso de renovación

de la carga, tanto desde el punto de vista de su potencial influencia en las

prestaciones del motor como desde el punto de vista de la atenuación del ruido.

RENOVACION DE CARGA EN LOS MOTORES DE 4 TIEMPOS

Parámetros que caracterizan el proceso de renovación de la carga

El objetivo es garantizar carga fresca en los cilindros al comienzo del ciclo

cerrado. Para evaluar si éste se lleva a cabo de forma adecuada se definen

unos parámetros que lo caracterizan cuantitativamente y cualitativamente, y

que básicamente son el rendimiento volumétrico, la tasa de residuales y de

cortocircuito y el trabajo de bombeo.

Rendimiento Volumétrico

El rendimiento volumétrico es el parámetro más útil para cuantificar el proceso

de llenado del cilindro en motores de cuatro tiempos. El rendimiento

volumétrico se calcula como el cociente entre el gasto real de carga fresca

admitida por el motor y un cierto gasto que se alcanzaría en condiciones de

referencia.

Es preferible referir el rendimiento volumétrico al gasto de aire, que es una

magnitud que puede medirse directamente, y cuya densidad puede estimarse

con relativa precisión. Un cálculo simple muestra que el rendimiento

volumétrico puede escribirse como:

Donde Pia es la densidad del aire seco en las condiciones de referencia, ξ es

un factor que engloba tanto el efecto de la humedad como el de la presencia

del combustible. En las condiciones habituales de operación de los MCIA, se

cumple que ξ=1, por lo que, con suficiente aproximación, se puede tomar la

ecuación

Pueden tomarse las condiciones atmosféricas, en cuyo caso el rendimiento

volumétrico tendrá en cuenta la influencia de todo el sistema de admisión. Otra

alternativa es tomar las condiciones inmediatamente aguas arriba de la válvula,

ya que es en ésta donde se producen la mayoría de las pérdidas. En este caso

solamente se analizarían las pérdidas en este elemento, y además, esta opción

plantea el problema de la determinación precisa de esas condiciones. Es decir,

en virtud de la dinámica de ondas a que hemos hecho referencia antes, tanto la

presión como cualquier otra variable del flujo va a fluctuar apreciablemente con

el tiempo.

Tasa de residuales y de cortocircuito

El gasto másico de carga fresca que no se atrapa en el cilindro se cortocircuita

directamenteal escape. Este fenómeno se produce durante el llamado cruce de

válvulas en el que las válvulas de admisión y de escape están abiertas

simultáneamente. Se denomina tasa de cortocircuito a la relación entre la masa

de carga fresca cortocircuitada y la total admitida. Por otra parte, en el PMS al

final de la carrera de escape quedan en la cámara de combustión gases

quemados confinados en el volumen muerto. Estos gases pueden ser barridos

por la carga fresca durante el cruce de válvulas o bien pueden desplazarse al

conducto de admisión en forma de reflujos, dependiendo de la diferencia de

presiones entre el escape y la admisión. En general, al cierre de la válvula de

escape va a quedar una cantidad de gases quemados en la cámara de

combustión y en algunos casos también en el conducto de admisión.

Solamente en los casos en que la presión de admisión sea superior a la de

escape durante el cruce y éste sea suficientemente largo, se puede producir un

barrido completo que anule los residuales. Estos residuales tendrán efectos

incontrolados sobre las emisiones o las prestaciones de la combustión en el

ciclo subsiguiente. A la relación entre la masa de residuales al cierre del

escape y la masa retenida total al final de la admisión se le llama tasa de

residuales.

Presión media de bombeo y presión media neta.

Si un motor de 4 tiempos realiza un ciclo completo cada dos vueltas, a lo largo

de dicho ciclo, el motor traza dos lazos en el diagrama p-v. El lazo superior se

denomina lazo de trabajo indicado y el lazo inferior de bombeo El área de este

último lazo representa el trabajo de bombear los gases, necesario para

completar el proceso de renovación de la carga. El trabajo de bombeo se

cuantifica como una pérdida mecánica del motor.

Se define pues el trabajo de bombeo como aquel que realiza el motor para

poder evacuar los gases quemados y succionar los gases frescos. Por lo tanto,

el trabajo de bombeo dependerá esencialmente de la diferencia entre la presión

de escape y la de admisión.

El trabajo de bombeo se puede expresar formalmente según la ecuación

siendo p(α) la presión instantánea en el cilindro para el ángulo a girado por el

cigüeñal. Otro parámetro que expresa el trabajo de bombeo es la presión

media de bombeo (pmb), según se definió en el capítulo 3 sobre parámetros

básicos y que también se muestra en la ecuación.

RENOVACIÓN DE LA CARGA EN MOTORES 2T

Tipos de cilindros en motores 2T

En la Figura 10.2 se muestran diferentes tipos de cilindros de motores 2T. El

principio de funcionamiento es el mismo en todos; lo que cambia es el diseño

mecánico. En las figuras (a) y (b) las lumbreras las abre y cierra el pistón,

aunque en la figura (a') existe un disco rotativo emplazado en serie con la

lumbrera de escape. En las figuras (c) y (d) un pistón abre y cierra las

lumbreras de admisión y otro pistón abre y cierra las lumbreras de escape, y en

la (e) Y (f) el pistón abre y cierra las lumbreras de admisión y en cambio el

escape está gobernado por válvulas en la cabeza del cilindro. Estas

disposiciones constructivas dan lugar a diferentes lazos de barrido y diagramas

de distribución que se presentarán a lo largo del tema.

Ventajas e inconvenients de los motores 2T

Un motor de 2T de igual cilindrada y funcionando al mismo régimen de giro que otro de

4T proporcionaría el doble de potencia puesto que el número de carreras de trabajo es

el doble, desarrollarán más potencia a igualdad de condiciones, en ningún caso será el

doble que la de un motor de 4T, los motores de 2T de barrido por cárter tienen una

gran simplicidad mecánica, ya que carecen de piezas móviles, con lo que el precio de

adquisición y mantenimiento es bajo.

Respecto de los inconvenientes cabe citar, en el caso de los MEP, que el rendimiento

de estos motores es menor que en los motores de 4T ya que se pierde mezcla fresca

sin quemar por el escape, debido al dificil proceso de barrido en los motores de 2T,

con la posible aparición de cortocircuito (fenómeno en el que mezcla fresca pasa

directamente de la admisión al escape), menor aprovechamiento del ciclo de trabajo,

no hay una carrera completa de admisión y otra de escape, el tiempo existente para la

refrigeración de los distintos elementos es mucho menor que en un motor de 4T, con

lo que pueden aparecer problemas de tensiones térmicas en algunos elementos, como

pueden ser la bujía, el pistón, la válvula de escape en el caso de tener, etc.

Hcortocircuito de la mezcla, en MEP, aumenta la emisión de hidrocarburos sin quemar

por el escape, con lo que las emisiones son mayores. A esto se añade la emisión de

aceite en el caso de barrido por cárter.

Aplicaciones de los motores 2T

Grandes motores estacionarios y marinos.

Pequeños motores fueraborda, de motocicleta o auxiliares.

El proceso de barrido. Tipos de barrido

En el proceso de barrido intervienen una gran cantidad de variables difícilmente

evaluables. Por esto, el estudio y diseño de la renovación de la carga en un

motor de 2T es mucho más difícil que en un motor de 4T, y tal vez ésta sea una

de las razones por la que el motor de 4T se ha impuesto al de 2T en casi todas

las aplicaciones, excepto las comentadas anteriormente. En la Figura 10.3 se

muestra el diagrama de indicador típico de motores de 2T; en todos ellos el

conducto de escape se abre antes que el de admisión, y mucho antes de llegar

al PMI de forma que la presión en el cilindro sea más o menos la presión de

escape antes de que el pistón llegue al PMI y que no haya reflujo de los

residuales a la admisión. Esta característica, además de la inexistencia del lazo

de bombeo, hace fácil de reconocer un diagrama de indicador de un motor de

2T frente a uno de 4T.

Clasificación del barrido según la bomba de barrido

El sistema pistón-cárter puede utilizarse como bomba de barrido, llamándose

barrido por cárter. El uso del propio cárter como bomba de barrido se extiende

en los motores MEP de baja cilindrada. Las ventajas de este tipo de barrido son

por un lado que es un sistema muy económico y la segunda que se puede

eliminar el sistema de engrase, puesto que solo necesitan lubricación los

soportes del cigüeñal, la cabeza y pie de biela y el pistón, por lo que puede

realizarse la lubricación por mezcla de aceite en el combustible. Sin embargo la

presión relativa máxima que alcanzan en el interior del cárter no suele superar

los 400 mbar relativos. La lumbrera de admisión al cárter puede estar

controlada por el propio pistón, sistema muy económico y sencillo, pero poco

favorable puesto que el ángulo de apertura tiene que estar centrado respecto

del PMS, ocupando una fracción de la carrera descendente del pistón que es

de compresión para el cárter, lo que puede originar reflujos de mezcla fresca

del cárter hacia el carburador. Otro sistema utilizado son las válvulas rotativas,

que permiten ángulos de apertura y cierre independientes del sistema biela-

manivela y que en general dan al motor unas curvas de potencia más planas

que en el caso anterior. Otra forma de regular la entrada de mezcla fresca al

cárter, es mediante unas láminas como se muestra en la Figura 10.4. El acceso

a través de estas láminas podría calificarse de ideal pues ésta abre o cierra en

función de la diferencia de presiones existente entre las caras de los pétalos

que la integran. Sin embargo, la inercia de los pétalos, que se manifiesta sobre

todo a altas vueltas, hace que haya ocasiones donde la presión en el cárter sea

superior a la presión en la admisión y todavía estén levantados, originando

reflujos no deseados.

Por otro lado, los MEe grandes de 2T equipan sin excepción un elemento

auxiliar como con bomba de barrido independiente, con lo que no tienen tan

limitada la presión de barrido en el diseño. En función de las características y

aplicación del motor, estas bombas de barrido pueden ser: turbocompresor

centrífugo o compresor volumétrico, bien de tipo roots, bien de pistón con

movimiento alternativo. En los compresores volumétricos, la masa trasegada

por unidad de tiempo no se ve muy reducida con aumentos de la presión de

escape.

Clasificación del barrido según el diagrama de distribución

Los diagramas circulares de la distribución para motores construidos de esta

forma tienen el aspecto de la Figura 10.5 (izquierda). Este tipo de distribución

tiene el grave inconveniente de que el escape cierra después que la admisión.

Para evitar este inconveniente una solución es la ya apuntada de disponer una

válvula de escape en la culata. Otra solución, manteniendo el sistema de

lumbreras, es dotar al motor de una válvula rotativa en el escape, de tal forma

que la apertura esté sincronizada con el pistón, mientras que el cierre lo realiza

la válvula rotativa antes de que el pistón obture la lumbrera. Decimos entonces

que el motor tiene barrido asimétrico (diagrama de la derecha de la Figura

10.5).

Clasificación del barrido según la forma de la corriente de barrido

Coeficiente para evaluar el proceso de barrido

Análisis del proceso

El barrido que usaremos como término de comparación se denomina barrido

ideal y se define como aquel proceso de barrido en el que la mezcla fresca

desaloja totalmente a los gases quemados (no hay residuales), sin perderse

ninguna fracción de la misma por el conducto de escape (es decir, no hay

cortocircuito). La masa de referencia se expresa según:

La Figura 10.9 representa el diagrama de flujo en su evolución a lo largo de un

ciclo real del motor. La masa de carga fresca suministrada al cilindro por la

bomba de barrido está representada por msum Esta masa suministrada se

divide en dos partes: mret que es la fracción retenida en el cilindro al comienzo

del ciclo cerrado y mee' que representa el cortocircuito. La masa total que

evoluciona en el ciclo siguiente se denomina masa de carga, mea,' que está

constituida por la suma de la masa retenida y la masa de residuales, m,et que

son los gases quemados del ciclo anterior y que no fueron evacuados por

imperfecciones durante el proceso de barrido. En la figura aparece también la

masa de referencia ya definida anteriormente.

Coeficiente de admisión

Se define como la relación entre la masa suministrada y la masa de referencia:

El coeficiente de admisión está relacionado fundamentalmente con el

funcionamiento de la bomba de barrido, estando poco afectado por los

procesos que se llevan a cabo en el interior del motor. Suele ser mayor que la

unidad en los motores con bomba independiente, al ser la presión de barrido

mayor que la presión de escape.

Coeficiente de carga

Se define como la relación entre la masa retenida, que es la parte de la masa

suministrada que no se ha cortocircuitado hacia el escape, y la de referencia:

Rendimiento de la retención

Este parámetro compara la masa retenida respecto a la suministrada. Evalúa

por tanto el fenómeno de cortocircuito, proporcionando un valor unidad si no

existiese este fenómeno. Una inspección rápida permite deducir que se puede

obtener a partir de los dos coeficientes anteriores:

Rendimiento del Barrido

Relaciona la masa retenida con la masa de carga, que es la que evolucionará

en el siguiente ciclo del motor, es decir, la suma de la retenida y los residuales,

que son los gases que no han sido evacuados en el ciclo anterior.

Coeficiente de llenado

Compara la masa total atrapada en el cilindro con la de referencia:

Teniendo en cuenta las expresiones del coeficiente de carga y del rendimiento

del barrido puede obtenerse una relación entre el coeficiente de llenado, el

rendimiento del barrido y el coeficiente de carga:

Influencia sobre las prestaciones del motor.

En la Figura 10.10 aparecen las curvas de plena carga de pmi, coeficiente de

admisión y rendimiento de la retención de un pequeño motor rápido de 2T de

barrido por cárter. Se observan puntos angulosos, debidos a fenómenos de

propagación de ondas que tienen lugar en el sistema de escape y que afectan

de manera importante a los procesos en el interior del cilindro como se

detallará más adelante. Los valores máximos de coeficiente de admisión y

rendimiento de la retención aparecen a regímenes de giro diferentes debido a

que los procesos que caracterizan son diferentes. Es destacable la correlación

existente entre la evolución de los parámetros que caracterizan el barrido del

motor con las prestaciones obtenidas por el mismo.

Proceso de barrido teóricos: desplazamiento perfecto y mezcla

desplazamiento perfecto y mezcla perfecta, que en relación al proceso de

barrido se refieren a los conceptos que se detallarán a continuación. Estos

procesos son analizados considerando que el proceso de barrido tiene lugar a

volumen del cilindro constante, con una mezcla fresca entrando según un

proceso a presión y temperatura constantes. Es obvio que la situación real

difiere de lo indicado pues durante la renovación de la carga existen

variaciones significativas de estas tres magnitudes. En la Figura 10.11 se

representa de manera simplificada los flujos de las distintas especies en un

determinado instante del proceso de barrido. La mezcla fresca entrante por la

admisión puede entrar bien a una zona llamada de desplazamiento donde no

se mezclará con los gases quemados. o bien a una zona de mezcla donde se

mezcla con estos.

BIBLIOGRAFIA:

Prof. F Payri-Prof. JM. Desantes, Editorial reverte 2011