Diseño y construcción de un banco de pruebas para medir las propiedades del flujo de aire a través de válvulas de motores de combustión interna

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(1)IM-2007-I-13. DIS EÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA MEDIR LAS PROPIEDADES DEL FLUJO DE AIRE A TRAVÉS DE VÁLVULAS DE MOTORES DE COMB USTIÓN INTERNA. Presentado por Andrés Felipe Espinosa Vela. Trabajo para optar al título de Ingeniero Mecánico. Asesor: Rafael Beltrán Pulido. Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes, Bogota - Colombia Junio de 2007.

(2) Tabla de Contenidos I. JUSTIFICACIÓN........................................................................................................... 3 II. OBJ ETIVOS ................................................................................................................. 6 1.. Objetivo General.......................................................................................................... 6. 2.. Objetivos Específicos .................................................................................................... 6. III. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 7 1.. Caracteri zación............................................................................................................ 7 1.1. Puerto, Válvula y Asiento de Válvula........................................................................... 7 1.2. Flujo..................................................................................................................... 9 1.3. Eficiencia del Puerto............................................................................................... 11. 2.. Metodologías ............................................................................................................. 13 2.1. Bancos de Pruebas ................................................................................................. 13 2.2. Swirl y Tumble...................................................................................................... 15 2.3. Experimentos........................................................................................................ 17. IV. DESARROLLO DEL BANCO DE PRUEBAS ....................................................21 1.. Diseño....................................................................................................................... 21 1.1. Requerimientos ..................................................................................................... 21 1.2. Banco de Pruebas................................................................................................... 21 1.3. Sensor de Flujo...................................................................................................... 22 1.4. Manómetros.......................................................................................................... 24 1.5. Sensor de Swirl ..................................................................................................... 24 1.6. Sujetador de Válvula .............................................................................................. 25 1.7. Software de análisis de datos.................................................................................... 26. 2.. Construcción ............................................................................................................. 26 2.1. Banco de Pruebas................................................................................................... 26 2.2. Sensor de Flujo...................................................................................................... 27 2.3. Manómetros.......................................................................................................... 28 2.4. Sensor de Swirl ..................................................................................................... 28 2.5. Sujetador de Válvula .............................................................................................. 29 2.6. Software de análisis de datos.................................................................................... 29. 3.. Pruebas..................................................................................................................... 30 3.1. Introducción ......................................................................................................... 30 3.2. Materiales y Métodos ............................................................................................. 30 3.3. Resultados............................................................................................................ 34 3.4. Conclusiones......................................................................................................... 39. V. RESULTADOS ..........................................................................................................40. 1.

(3) VI. RECOMENDACIONES ...........................................................................................41 1.. Recomendaciones de uso............................................................................................. 41. 2.. Recomendaciones de posteriores estudios...................................................................... 42 2.1. Desprendidas de estudios de otros autores................................................................... 42 2.2. Desprendidas del desarrollo de este trabajo ................................................................. 43. VII. CONCLUSIONES ...................................................................................................44 VIII. REFERENCIAS......................................................................................................45 IX. ANEXOS....................................................................................................................47 1.. Glosario.................................................................................................................... 47. 2.. Planos....................................................................................................................... 48 2.1. Banco de Pruebas................................................................................................... 48 2.2. Placa con Orificio Cuadrado .................................................................................... 49 2.3. Sujetador de Válvula .............................................................................................. 50 2.4. Manómetros.......................................................................................................... 51 2.5. Probeta Base......................................................................................................... 52 2.6. Válvula Base......................................................................................................... 53. 3.. Memoria de Cálculos.................................................................................................. 54 3.1. Números de Reynolds............................................................................................. 54 3.2. Coeficient es de Flujo estático y Swirl ........................................................................ 55 3.3. Flujo................................................................................................................... 57 3.4. Propagación de Errores ........................................................................................... 58. 4.. Materiales y Costos .................................................................................................... 60. 5.. Experimentos............................................................................................................. 61 5.1. Configuración de los experimentos ............................................................................ 61 5.2. Datos de entrada de las pruebas ................................................................................ 64 5.3. Datos de salida de las pruebas .................................................................................. 65. 6.. Manual de usuario del Banco de Pruebas...................................................................... 66 6.1. Ensamble ............................................................................................................. 67 6.2. Operación............................................................................................................. 71. 7.. Software “ValvoMatic”............................................................................................... 73 7.1. Manual de Usuario................................................................................................. 73. 8.. Tabla de Ilustraciones................................................................................................. 79. 2.

(4) I. Justificación 1 Es conocido que la geometría de la válvula, el asiento de válvula y el puerto de succión o escape de gases, tienen gran influencia en el comportamiento final de los motores de combustión interna ya que determinan la forma como el aire ingresa en el cilindro (cámara de combustión) para una configuración de presión de entrada preestablecida, esto condiciona directamente procesos indispensables en el buen funcionamiento del motor como son:. Figura 1. Simulación de Flujo a través del puerto, la válvula y el cilindro2. -. -. -. 1 2. Eficiencia volumétrica del motor: Se ve afectada por la cantidad de aire que ingresa en el sistema (flujo), el cual está determinado tanto por la diferencia de presión en la cámara (razón de compresión del motor y presión de entrada que puede ser la atmosférica, en la mayoría de los casos, o una presión mayor en el caso de motores turbo alimentados o con algún sistema de compresión) como por la restricción que oponga el puerto y la válvula. Mezcla de combustible-aire: En la mayoría de motores modernos, la inyección se produce en el puerto justo antes de la válvula, por lo que la forma como se mueva el aire en este punto y la velocidad que posea, van a ayudar o dificultar la adecuada mezcla del combustible y el aire. Lo anterior puede producir una combustión más eficiente con menor consumo de combustible y menos demanda de aire al permitir que todo el combustible tenga la cantidad adecuada de aire y se queme completamente, disminuyendo además las emisiones nocivas al medio ambiente. Propagación de la llama en la combustión: El movimiento que la geometría del puerto y la válvula le producen a la mezcla combustible-aire determina la forma como la llama, producida por la chispa, se propaga al interior del cilindro. Esto puede producir una combustión completa y uniforme, evitando puntos de explosión espontánea por aumento localizado de presión o combustible que no se alcanza a quemar; este fenómeno se puede alterar, además, con la introducción de más iniciadores o cambiando el punto de entrada de los mismos.. Referencias 1, 13 y 14. Referencias 13 y 14.. 3.

(5) Figura 2. Velocidad, medida en grados de giro del cigüeñal, de combustión del 90% del combustible para diferentes valores de la energía cinética al interior del cilindro3. Es por esto que elegir una adecuada geometría, que maximice estos aspectos, es un tema muy importante en el diseño de máquinas de alto y bajo desempeño y más aún en tiempos de escasez y encarecimiento de los combustibles, así como de aumento de la preocupación por problemas ambientales. Esto ha hecho que los bancos de pruebas de flujo de aire para caracterizar el comportamiento de las geometrías seleccionadas sean cada vez más usados. Sin embargo, a pesar de la gran importancia de la geometría de la válvula y el puerto, ésta se determina en la industria de forma experimental, basándose en la experiencia de uno o varios ingenieros que diseñan el puerto como les parece más adecuado y luego utilizan bancos de pruebas -diseñados específicamente para cada motor- en los que se monta el bloque completo y de acuerdo a los resultados arrojados se van haciendo cambios en la geometría, de nuevo basándose únicamente en la experiencia de los ingenieros, y así, iterativamente hasta llegar al mejor diseño. Esto es posible porque normalmente el proceso de diseño de un nuevo motor está acompañado de un amplio presupuesto. También se han comenzado a utilizar ayudas computacionales para simular la respuesta del fluido a la geometría de los puertos, lo que ha ayudado a comprender un poco más el funcionamiento del sistema, llegando a saber, por ejemplo, que el ángulo de tumble ángulo entre el puerto y la válvula- es inversamente proporcional a la energía cinética del 4 aire al interior del cilindro o razón de tumble ; pero ante la alta complejidad de los puertos, los asientos y las propiedades del fluido, en la mayoría de los casos no se ha 5 llegado a resultados con la precisión esperada , lo que no ha permitido alcanzar la confianza necesaria en estos métodos como para que el diseño se base en ellos.. 3 4 5. Referencia 2. Referencias 1 y 3. Referencias 13 y 14.. 4.

(6) Por todo esto, se hace importante el diseño de un banco de pruebas que permita caracterizar el flujo a través de puertos con diferentes geometrías en condiciones diferentes, con suficiente confiabilidad como para poder investigar nuevas metodologías de diseño, más eficientes y comprender mejor cómo afecta realmente la geometría de cada etapa del sistema el desarrollo del flujo final, y así desarrollar más económicamente motores más eficientes, ecológicos y con menos consumo de combustible, incluso para casos poco estudiados como la baja presión atmosférica de la ciudad de Bogotá, y otras ciudades andinas.. 5.

(7) II. Objetivos 1. Objetivo General Diseñar y construir un dispositivo que permita medir, con adecuada precisión, las características del flujo de aire a través de válvulas de admisión y escape para diferentes geometrías de culatas, válvulas y asientos de válvulas.. 2. Objetivos Específicos -. Diseñar un dispositivo que permita controlar la diferencia de presión entre dos cavidades comunicadas con una configuración de válvula-culta variable y que permita, además, medir la presión y flujo de aire corriente arriba de la válvula y swirl corriente abajo de la válvula, así como variar estáticamente la apertura de la válvula.. -. Construir el dispositivo de acuerdo con el diseño realizado, asegurando que permita introducir modificaciones futuras fácilmente para realizar experimentos avanzados, tales como estudios de flujo pulsante.. -. Diseñar y calibrar el sistema de adquisición de datos y el sistema de control, en caso de ser necesario.. -. Comprar y/o diseñar y construir dos geometrías distintas de culata, válvula y asiento de válvula y analizar su comportamiento en el banco de pruebas construido.. -. Asegurar la confiabilidad y robustez del dispositivo construido mediante una prueba de repetibilidad.. 6.

(8) III. Introducción 1. Caracterización Para poder realizar un adecuado análisis del comportamiento del sistema puerto-válvula, es necesario conocer y caracterizar el estado y propiedades de todos los actores que intervienen en el proceso, no solo para encontrar el punto de mejor operación de una geometría dada, lo que ayudaría a escoger aditamentos que mejoren el funcionamiento de un motor conocido (como por ejemplo cambiar la presión de entrada para aumentar el flujo en un motor que opere en Bogotá), sino para poder comparar ésta con otras geometrías y escoger la mejor (en el caso de diseño de nuevos puertos o motores).. 1.1. Puerto, Válvula y Asiento de Válvula Debido a la naturaleza de las pruebas que se deseaban realizar, fue muy importante tener un sistema estandarizado para representar la geometría del puerto y la válvula que permitiera comparar adecuadamente las diferentes muestras y llegar a entender de qué manera influyen éstos en la eficiencia total del puerto. Sin embargo, la gran complejidad de las piezas utilizadas industrialmente hace difícil este trabajo, además, si se quiere caracterizar un puerto ya fabricado, es muy difícil realizar las medidas internas del puerto. Teniendo en cuenta estos aspectos, los autores Jin-Wook Son, Sihun Lee, Bonghoon 6 Han, y Wootae Kim presentan una propuesta de datos necesarios para la caracterización de la geometría del puerto, la válvula y el asiento de válvula, que cumple cabalmente con los requerimientos de identificación y diferenciación de las propiedades geométricas más importantes y necesarias para los propósitos de investigación del comportamiento de estos sistemas. que son las que se utilizan en adelante en el desarrollo de este trabajo. Estos datos son:. 6. Referencia 3.. 7.

(9) Figura 3. Características geométricas del sistema puerto-válvula-asiento de válvula7. Diámetro de válvula Dv : Diámetro final de la cabeza de la válvula. Diámetro del asiento Da: Diámetro de la circunferencia dada por el punto de contacto de la válvula y el asiento. Diámetro de la garganta Dg: Diámetro menor del asiento en el punto de aproximación a la abertura. Altura del puerto: Distancia entre el asiento de la válvula y la intersección entre la línea eje de la válvula y la pared interna del puerto. Área de borde: Área interna real del puerto en la entrada. Ángulo del puerto AP: Ángulo entre el eje horizontal del cilindro y la línea eje del puerto. Ángulo de la válvula AV: Ángulo entre el eje vertical del cilindro y la línea eje de la válvula. Ángulo de tumble AT: Ángulo entre la línea eje de la válvula y la línea eje del puerto. 8 Como se había mencionado anteriormente se sabe por investigaciones anteriores que este valor es inversamente proporcional a la energía cinética del aire al interior del cilindro. Además de estos valores, es importante también analizar la geometría del puerto con respecto a la cabeza del cilindro. Por ejemplo, la forma del puerto al aproximarse al cilindro influye directamente en el desarrollo del flujo en el cilindro, así, puertos helicoidales le introducen un swirl previo al fluido, produciendo mejor energía cinética del aire en el cilindro a bajos levantamientos de la válvula, mientras que puertos directos producen este efecto a altos levantamientos de válvula pero con 9 mejor eficiencia volumétrica . Los nuevos diseños de puertos son mixtos. Otros datos importantes del puerto con respecto a la cabeza del cilindro son: 7 8 9. Referencia 3. Referirse a la sección I. Justificación. Página 186 de la referencia 1.. 8.

(10) Figura 4. Características geométricas del puerto con respecto a la cabeza del cilindro10. Radio de compensación de la válvula Rv Angulo de orientación de la válvula α 11 En estudios realizados por Hyundai Motor Company se encontraron correlaciones entre los coeficientes de flujo estático (más información en la sección 1.3 de este capítulo) y las dimensiones mencionadas anteriormente, con las cuales es posible, por métodos iterativos, estimar el rediseño del puerto con los resultados de una sola prueba con flujo estable, para lograr una mayor eficiencia; también es posible usar estas correlaciones para predecir los coeficientes de flujo estático a partir de las dimensiones medidas en un puerto físico.. 1.2. Flujo Las propiedades del flujo de aire son las que determinan las condiciones de operación del sistema y por lo tanto el contexto de las pruebas que podrían realizarse en un banco de pruebas. El flujo de aire, para los requerimientos de un banco de pruebas, está determinado por el número adimensional de Reynolds que relaciona las fuerzas cinéticas y viscosas de un fluido, caracterizando así el movimiento de este fluido para ciertas condiciones. Dadas las restricciones que impone la geometría del sistema al flujo, tenemos movimientos muy distintos en las diferentes etapas del proceso de admisión o escape de gases en los motores de combustión interna. Es por esto que debemos calcular el número de Reynolds en las 3 etapas principales (para una completa referencia del 12 procedimiento matemático, favor referirse a las memorias de cálculo en los anexos) : -. 10 11 12. Reynolds en el Puerto: Representa el flujo antes de atravesar la válvula, por lo que la longitud característica que se toma es el diámetro de la garganta Dg.. Referencia 1. Referencia 3. Referencia 2.. 9.

(11) R ep = -. Reynolds en la Válvula: Representa el flujo que atraviesa la válvula y que está restringido de acuerdo a la posición de ésta, que se pegada a las paredes del asiento de la válvula. La longitud característica tomada para esta etapa es el levantamiento de la válvula Lv que será variable durante la operación. R ev =. -. 4m& nv πDg µ. m & n vπDv µ. Reynolds en el Cilindro: Representa el flujo al interior del cilindro o cámara de combustión. Para el caso del banco de pruebas, al tomarse un cilindro abierto, más largo que ancho, la longitud característica tomada es su diámetro B. 4m& R ec = πBµ. Para el correcto funcionamiento del sistema es necesario asegurar que tendremos comportamiento turbulento en todas las etapas del sistema, lo que quiere decir que 13 para cada Reynolds especificado debemos superar el valor de 4200 . Como se puede prever, el Reynolds en la válvula será menor al Reynolds en el puerto y en el cilindro, ya que el Dg y Dv serán de magnitudes muy parecidas y B nunca será mayor a 4nv (número de válvulas) veces Dv , bastará con asegurar que el Rev >4200.. Figura 5. Estándar de Ricardo para asegurar flujo completamente turbulento14. 13 14. Página 348 de la referencia 19 Referencia 2.. 10.

(12) La compañía Ricardo 15, una de las dos grandes empresas a la vanguardia de este tipo 16 de pruebas a nivel industrial, recomienda una caída de presión mínima a través de la válvula de 254 mmH2 O para 2 válvulas y 508 mmH2 O para 4 válvulas para asegurar flujo completamente turbulento, tomando en cuenta los valores promedio de geometrías para motores comunes.. 1.3. Eficiencia del Puerto a. Coeficientes de flujo estático El comportamiento del sistema, por tratarse de una obstrucción al paso del aire que genera un diferencial de presión, se puede identificar por medio de un 17 coeficiente de descarga o coeficiente de flujo estático . Sin embargo, dado que estos coeficientes toman el área menor de la geometría de la obstrucción y ésta, para bajos levantamientos, está determinada por el área de la cortina que forma la cabeza de la válvula y la distancia a la que se haya levantado la válvula, mientras que para altos levantamientos, está determinada por el tamaño de la abertura de la garganta, es necesario tomar dos coeficientes diferentes, los cuales que serán significativos para diferentes rangos de levantamiento de la válvula. Esos coeficientes son: Coeficiente de descarga Cd: Restricción al flujo producida por la válvula y su asiento. El área utilizada es la cortina interna de la válvula. Es significativo para bajos levantamientos de la válvula. m& Cd = ρπDv LvV 0 Coeficiente de flujo Cf: Restricción al flujo producido por la geometría del puerto. El área utilizada es el asiento interno de la válvula. Es significativo para altos levantamientos de la válvula. m& Cf = ρπ Dv2 4V 0 Para analizar la eficiencia total del puerto, distintas empresas toman como referencia distintos promedios de los coeficientes de flujo estático. Aquí presentamos el que parece ser el más significativo y sencillo, cuyas variaciones dependen de la metodología usada en las pruebas y los valores que toman como importantes. En general, toman el valor del área bajo la curva de los coeficientes de flujo entre los valores del levantamiento de válvula que se alcanza en el 15. Compañía líder en el mundo en las áreas de suministro de tecnología, innovación en productos, soluciones de ingeniería y consultoría estratégica, en el área automotriz, fundada por Sir Harry Ricardo en Londres. Referencia 8. 16 Referencia 2. 17 Referencias 1, 2, 3, 4, 5 y 6.. 11.

(13) momento de apertura de la válvula de entrada, para el caso de válvulas de admisión, (IVO inlet valvle open) y el momento de cierre de la válvula (IVC inlet valvle close) tomados como ángulos del cigüeñal. 18 Coeficiente de flujo promedio – Ricardo Company . IVC. Cf =. ∫C. f. dα. IVO. IVC − IVO. b. Factor de Asfixia Este factor, equivalente al número de Mach, representa la restricción total del puerto a diferentes velocidades del cigüeñal y nos permite predecir casos de asfixia en el puerto. 19. Gulp Factor Z. ⎛ B⎞ ⎟⎟ Z = ⎜⎜ D ⎝ v⎠. 2. ⎛ 2Sω s ⎜ ⎜ naC f ⎝. ⎞ ⎟ ⎟ ⎠. c. Swirl y Tumble Como se mencionó anteriormente, la geometría del puerto y la apertura de la válvula producen turbulencia y movimiento rotacional del aire al interior del cilindro, aspecto que influencia en gran medida la eficiencia del combustible y ayuda a disminuir la demanda de aire y la contaminación para una misma producción de potencia. Por esto es importante poder medir lo más precisamente posible el efecto que en este sentido puede producir una determinada geometría del puerto y la válvula. 20 Swirl Ratio Ns : Según Ricardo, la razón de swirl, compara la velocidad tangencial del aire en el cilindro con la velocidad ideal de flujo. ω B Ns = s V0. El Tumble se aproxima a una medición de swirl en diferentes ejes coordenados.. 18 19 20. Referencia 2 Referencia 2 Referencias 2 y 12. 12.

(14) Energía cinética E: La energía cinética debida a las mediciones de swirl en diferentes ejes, es la manera más utilizada para caracterizar la turbulencia total 21 del aire en el cilindro .. (. ). E = TR 2 + CR 2 + SR 2 − α ( TR CR + TR SR + CR SR ) Siento TR es la razón de tumble, CR la razón de tumble cruzado y SR la razón de swirl o Ns.. 2. Metodologías Debido a la no estandarización de este tipo de pruebas, existen diferentes metodologías utilizadas por las industrias, desde el tipo de bancos y fuentes de aire utilizados, hasta las diferentes formas de medición y de procedimientos para la experimentación.. 2.1. Bancos de Pruebas A grandes ras gos, los bancos de pruebas están compuestos por: − Una fuente de aire (bomba o compresor) − Uno o dos reservorios para amortiguación de las emisiones de la fuente y estabilización del flujo. − Un sensor de flujo de aire. − Sensores de presión y/o temperatura. − Un sistema de control de apertura y cierre de la válvula. − Una tubería de conducción del aire. − Un sensor de Swirl y/o tumble en el cilindro. Sin embargo, las configuraciones pueden ser muy diferentes, y las características de estos componentes también, de acuerdo a la calidad y tipo de resultados que se deseen. Las configuraciones más comunes son las siguientes:. 21. Referencia 2. 13.

(15) Figura 6. Arreglo de Banco de Pruebas con soplador y sensor de flujo análogo. -. El arreglo de la Figura 6 es el utilizado por la compañía Ricardo y se compone de un soplante que envía el flujo a través del puerto hacia el cilindro, amortiguando las oscilaciones del soplador por medio de un plenum, que se 22 recomienda sea de 100 a 250 veces el volumen desplazado por el soplante , a través de un sensor de flujo análogo. En el cilindro se mide el swirl por medio de un sensor que transmite el movimiento a un torquímetro de alta precisión. El levantamiento de la válvula es controlado estática o dinámicamente en ciclos del cigüeñal.. Figura 7. Arreglo de Banco de Pruebas con bomba y sensor de flujo análogo. 22. Referencia 6. 14.

(16) -. En la Figura 7 vemos el arreglo utilizado por la compañía AVL23 que en vez de soplar el aire a través del puerto, succiona el aire del cilindro por medio de una bomba; se utiliza el mismo sistema regulador/estabilizador formado por un plenum y una válvula de control, un sensor de flujo análogo y un sensor de swirl con torquímetro. Este método requiere 50% más de potencia del motor de la bomba que el necesario para el soplante del arreglo anterior, para producir la misma caída de presión a través de la válvula.. Figura 8. Arreglo de Banco de Pruebas con bomba y sensor de flujo óptico. -. El arreglo de la Figura 8 se utiliza principalmente en investigación académica. Es una variación del arreglo utilizado por AVL pero en vez de utilizar sensores de flujo y swirl análogos, se utiliza un dispositivo óptico de caracterización de flujo (comúnmente PIV Particle Image Velocimeter o LDV Láser Doppler Velocimeter) que introduce partículas en el flujo antes del puerto y por medio de analizadores ópticos se registra el movimiento y cantidad de estas partículas al interior del cilindro y algunas veces, a través del puerto. Este tipo de de dispositivo de medición no puede utilizarse con el arreglo utilizado por la compañía Ricardo.. 2.2. Swirl y Tumble La medición del swirl es muy difícil de realizar con precisión ya que la mayoría de métodos involucran una gran cantidad de pérdidas principalmente por fricción de las piezas. Los valores obtenidos son utilizados principalmente para comparación pues predecir exactamente comportamientos a partir de ellos sería muy poco exacto.. 23. Compañía austriaca cuyo objetivo es el desarrollo, la producción y venta de dispositivos de todo tipo, principalmente de equipos de prueba, medición e inspección de procesos rel acionados con la construcción de motores. Referencia 9. 15.

(17) Los métodos más comúnmente utilizados para medir el swirl al interior del cilindro son:. Figura 9. Métodos análogos de medición de Swirl24. -. Rueda de paletas: Hasta 60% de error debido a pérdidas en el flujo y fricción.. -. Torquímetro de swirl : Altamente usado y sencillo.. -. 3-D Momentum: M uy complicado de calibrar, pero más preciso que los otros sistemas análogos.. -. Óptico (LDV, PI V): M uy costoso, permite caracterización completa del flujo.. El tumble es más complicado de medir, sin embargo se acostumbra convertir el tumble en swirl en los ejes coordenados restantes para poder analizarlo fácilmente. La sencillez en el diseño de estos adaptadores supera suficientemente la inexactitud de 25 los resultados, y su correlación con la eficiencia del motor está comprobada , por lo que es ampliamente usado. El otro método usado es el óptico.. 24 25. Referencias 1 y 12 Referencias 1, 2 y 12. 16.

(18) Figura 10. Métodos de adaptador para medición de Tumble26. Se sabe, por estudios anteriores, que el Cf es inversamente proporcional al Tumble, sin embargo, en la industria se prefiere mejorar el Cf y mantener el Tumble en rangos razonables, entre otras razones, por que con bajos valores de Tumble se puede lograr buena ignición gracias a la optimización del squish (ver sección 1 de los Anexos) o a 27 válvulas de levantamiento variable .. 2.3. Experimentos La metodología de experimentación también es muy diferente de acuerdo al tipo de datos que se deseen estudiar y a las decisiones que a partir de ellos se vayan a tomar. En general, podemos dividir estas metodologías en dos grupos.. a. Flujo en estado estable Es la más usada ya que la teoría matemática se puede utilizar sin inconvenientes y entrega resultados de caracterización suficientemente adecuados con una correlación suficientemente comprobada con lo que sucede en la realidad. Además, el flujo en estado estable es utilizado para comparar la exactitud de metodologías de simulación computacionales como CFD. Consiste en dejar constante una entrada al sistema, ya sea flujo o caída de presión, y variar con pequeños pasos el levantamiento de la válvula midiendo, para cada, paso las variables de salida necesarias luego de dejar estabilizar el flujo.. 26 27. Referencias 1 y 2 Página 186 de la referencia 1.. 17.

(19) Entre las dos opciones de estudios con flujo en estado estable, la condición de caída de presión constante es más usada que la condición de flujo constante 28 porque : -. Se requiere menor energía del motor de la fuente de aire. Es más cercano al caso real, como se puede apreciar en la Figura 12. Se ha encontrado mayor correlación de los coeficientes de flujo estático con el cambio en la caída de presión, que con el cambio en el flujo. El aumento del número de Reynolds al aumentar el levantamiento en el caso de la caída de presión constante, reduce la incertidumbre de los coeficientes de flujo estático.. Entre las correlaciones encontradas entre los coeficientes de flujo estático y la 29 caída de presión se pueden mencionar estudios hechos por Jaguar , que demuestran que el Cf puede cambiar no linealmente con la caída de presión. De estos estudios se desprende la hipótesis de que el Cd aumenta con el aumento de la caída de presión hasta un pico y luego disminuye, aunque este comportamiento está todavía por estudiar. Sin embargo, se ha encontrado también que para Reynolds mayores a 60.000 y bajos levantamientos y para Reynolds mayores a 90.000 y altos levantamientos, los coeficientes de flujo 30 estático son independientes de la caída de presión en la válvula .. b. Flujo pulsante. Figura 11. Resultados obtenidos de experimentación con flujo pulsante31. En esta modalidad, para una entrada de aire dada, se fija un motor a velocidad constante conocida a una leva que controle la apertura y el cierre periódicos de 28 29 30 31. Referencias 2, 4 y 6. Referencia 2 Referencias 2 y 6. Referencia 4. 18.

(20) la válvula, emulando lo que sucede en un motor real. Esta modalidad es más real ya que se produce el fenómeno de flujo pulsante que es lo que ocurre en la práctica. No obstante lo anterior, como no se ha estudiado suficientemente este fenómeno no es posible compararlo contra la teoría, y por ello, lo que se puede deducir de tales pruebas es completamente empírico. Para poder calcular los coeficientes de flujo estático es necesario hallar el flujo instantáneo y relacionarlo con el estado de la válvula, lo que hace necesario el uso de métodos electrónicos de adquisición de datos. Nuevos sistemas computacionales de simulación se están comenzando a implementar para tratar de reproducir el caso de flujo pulsante, por lo que comparaciones con este tipo de experimentos serán necesarias, para comprobar la exactitud de los resultados obtenidos. Esto ha hecho que su importancia y utilización estén en aumento.. Figura 12. Comparación entre las diferentes metodologías de experimentación32. 32. Referencia 2. 19.

(21) Figura 13. Errores en el Coeficiente de flujo y el Radio de Swirl debidos al aumento de la caída de presión en la válvula33. 33. Referencia 2. 20.

(22) IV. Desarrollo del Banco de Pruebas 1. Diseño Luego de analizar las diferentes técnicas usadas en la industria para realizar el tipo de pruebas que queremos y compararlas con los requerimientos que definimos a continuación, se escogieron y realizaron los diseños a utilizar para este trabajo.. 1.1. Requerimientos -. Banco de pruebas confiable pero de bajo costo. Flexibilidad para realizar diferentes tipos de pruebas a diferentes tipos de geometrías. Aprovechamiento máximo de los recursos disponibles en la Universidad de Los Andes. Datos que permitan principalmente la comparación en la eficiencia de los puertos y la validación de modelos teóricos matemáticos.. 1.2. Banco de Pruebas Se decidió utilizar un modelo como el utilizado por la compañía Ricardo dada su simplicidad y ahorro de potencia en el motor. Además, con este modelo podríamos utilizar un compresor común como fuente de aire y plenum, o incluso la línea de presión de la Universidad. Sin embargo, se tuvo en cuenta la posibilidad de adaptar este mismo banco para realizar pruebas del tipo AVL o pruebas con métodos de caracterización óptica de flujo. Las instrucciones para realizar este tipo de adaptaciones serán analizadas en la sección 1 de las Recomendaciones. Las longitudes utilizadas son necesarias para asegurar un flujo completamente desarrollado a la entrada del sensor de flujo, y los codos fueron pensados para facilitar el manejo y estabilidad del banco de pruebas en el laboratorio. Las dimensiones detalladas pueden encontrarse en la sección 2.1 de los Anexos.. 21.

(23) Figura 14. Diseño preliminar del Banco de Pruebas. 1.3. Sensor de Flujo Existe una gran variedad de sensores de flujo que podrían ser utilizados para realizar las mediciones necesarias como son: -. De diferencial de presión (orificio, pitot, venturi, área variable, codo, etc) M ecánicos (desplazamiento positivo, turbina, rotámetros, etc) Electrónicos (M agnéticos, de vórtice, ultrasónicos, etc) De M asa (Coriolis, térmicos, hot-wire, etc). Sin embargo, dados los requerimientos antes mencionados, es necesario encontrar el más adecuado para nosotros, por lo tanto, basándonos en datos de estudios realizados, se encontraron los rangos de trabajo para el sensor de flujo: -. gal ≈ 10 4 gpm⎞ Rango de medida ⎛⎜ Q ≤ 30 ⎟ s ⎝ ⎠ 4 5 Rango de trabajo 10 ≤ Re ≤ 10 , (2.5kPa ≤ ∆P ≤ 20kPa), (T ≈ 30º C ) Diámetro del tubo (2in). (. ). 22.

(24) -. Pérdida de presión total aguas abajo del sensor (irrelevante) Fluido de trabajo (aire limpio) Alta precisión Bajo costo Facilidad de construcción. Figura 15. Diseño preliminar del sensor de flujo 34 Con estos datos y utilizando tablas de selección de flujómetros , se decidió utilizar un flujómetro de placa con orificio cuadrado de 1.2in con mediciones de presión a D y D/2 (D = Diámetro de la tubería) de la placa en la dirección del flujo. Pensando en la flexibilidad necesaria para el banco de pruebas, la placa se ubicó en un sistema de brida que permita cambiar la geometría de la misma, según sea requerido para futuros 35 experimentos. Las características del flujómetro escogido son :. 34 35. ( (. ). Rango de medida 10−4 gpm ≤ Q ≤ 10 4 gpm Rango de trabajo Re ≥ 10 4 , (∆P ≤ 41MPa ), (T ≤ 540º C ) Diámetro del tubo (>1.5in) Pérdida de presión total aguas abajo del sensor (Alta) Fluido de trabajo (aire o vapor limpio, líquidos poco viscosos limpios, no apto para flujo pulsante, fluidos no newtonianos o flujo reverso) Precisión típica sin calibrar 1%-4% Bajo costo Fácil de construir. ). Referencias 10 y 11 Referencia 10. 23.

(25) 1.4. Manómetros Luego de analizar las ecuaciones de operación del sensor de flujo y los valores esperados de flujo para el tipo de pruebas a realizar, se definió que era necesario medir caídas de presión entre rangos de 1mmH2O a 200mmH2O para el sensor de flujo y de 5mmH2O a 500mmH2O para la válvula (Valores obtenidos con pruebas iterativas experimentales en el software “ValvoM atic”). Por ello, se decidió usar un sensor de diferencial de presión por medio de un tubo en U con columna de agua y escala milimétrica para el sensor de flujo, y un manómetro por medio de un tupo en U con columna de agua y escala milimétrica para la caída de presión entre la entrada de la válvula y el cilindro (abierto a presión atmosférica).. Figura 16. Diseño preliminar de los Manómetros. 1.5. Sensor de Swirl Para el sensor de swirl se decidió usar un torquímetro de swirl debido a sus características favorables antes descritas. Este está compuesto por un dispositivo enderezador de flujo que gira debido a la fuerza realizada por el aire obligado a fluir a través de los orificios rectos. El torque producido o la velocidad angular de giro del enderezador, es medido a través de un eje con una baja densidad para afectar lo menos posible la medición. El tumble no va a ser medido dada su dificultad, además de que para un uso meramente comparativo, el sensor de swirl es suficiente muestra del comportamiento del flujo luego del puerto.. 24.

(26) Figura 17. Diseño preliminar del sensor de Swirl. 1.6. Sujetador de Válvula Se decidió realizar únicamente pruebas de flujo en estado estable para comprobar la precisión y confiabilidad del banco de pruebas, además de que, por las razones antes mencionadas, es uno de los métodos más utilizados y que arroja resultados suficientemente precisos y fácilmente comparables con teorías matemáticas, para cumplir con el propósito de investigación académica previamente definido en los requerimientos. Para esto se diseñó un sujetador de válvula estático, controlado por un tornillo de paso pequeño preferiblemente en el sistema métrico, que se pueda asegurar en una altura deseada para realizar las mediciones sin riesgo de que se mueva la válvula. Este sujetador irá fijo al cilindro y se podrá variar su ángulo con respecto a este para igualar el AV del puerto.. Figura 18. Diseño preliminar del sujetador de la válvula. 25.

(27) 1.7. Software de análisis de datos Se observó la necesidad de contar con un método rápido, funcional y fácil de usar que permitiera realizar los cálculos necesarios para obtener los coeficientes de flujo estático, el número de swirl, la cantidad de flujo y los números de Reynolds, por lo que se decidió diseñar un programa computarizado para el registro de los valores obtenidos de presiones y velocidad angular del viento en el cilindro para cada levantamiento de válvula y obtener los valores necesarios para el estudio. Se diseñó un programa que registra, en archivos independientes, las características de configuración del banco de pruebas (en caso de que se cambien estos parámetros en futuras pruebas), y para cada configuración se pueden añadir varios experimentos. Cada experimento estará identificado con un nombre, fecha, hora y lugar específico, y se registrarán valores de temperatura, densidad, viscosidad y presión atmosférica del aire, tipo de experimento, características del motor ideal, valores característicos de la geometría del puerto y la válvula. Igualmente, para cada experimento se ingresarán los valores de levantamiento de la válvula, caída de presión en el sensor de flujo, presión a la entrada del sensor de flujo, caída de presión en el puerto y velocidad angular del sensor de swirl, y se calcularán los valores del número de Reynolds, flujo, coeficientes de flujo estático y número de swirl. Adicionalmente, el programa tiene la flexibilidad de poder ingresar los valores de estos datos en diferentes sistemas de unidades y la capacidad de calcular la incertidumbre total de cada salida del sistema por medio de métodos de propagación de error de las incertidumbres de los valores de entrada al sistema. Se especificó además, que el programa permitiera analizar fácilmente los resultados obtenidos, por lo que se buscó que permitiera exportar los datos de una forma ordenada a la hoja de cálculo Microsoft Excel para su análisis. El detalle de todos los cálculos base que el software utiliza para obtener los resultados, se puede consultar en la sección 3 de los Anexos.. 2. Construcción 2.1. Banco de Pruebas Buscando bajos costos y asequibilidad de los componentes, se construyó el banco de pruebas utilizando tubos de PVC de Presión (200psi según Norma NTC-382) de 2’’ para la tubería base y 3’’ para el cilindro, con codos estándares para este tipo de tubería y una unión Dreyer de 2’’ para permitir conectar al banco fácilmente a nuevas geometrías de puerto. Para la entrada de aire se hizo un agujero de 3/8’’ cubierto por un collarín de 2-1/2’’ para evitar fugas y facilitar la conexión al sistema de entrada, y. 26.

(28) agujeros de 5/32’’ (≤0.08D36 para no afectar el flujo) también cubiertos por collarines de 2-1/2’’ para los sensores de presión. Todas las uniones fijas se soldaron usando soldadura PAVCO NTC-576 luego de haber rectificado todos los cortes a escuadra. Se utilizaron reducciones 1/2-3/8’’, reducciones 3/8-1/4’’, y niples 3/8’’ en los collarines para poder realizar la conexión con los sistemas estándares de aire a presión de 1/4’’ como los encontrados en compresores comunes. Todas las uniones roscadas se reforzaron con cinta teflón. Un plano detallado puede encontrarse en la sección 2.1 de los Anexos.. Figura 19. Banco de pruebas final. 2.2. Sensor de Flujo Para la medición de flujo se utilizó una placa maquinada en acero inoxidable AISI 37 304 (0.08 C, 2 M n, 8 - 10.5 Ni, 18 – 20 Cr) con sensores de flujo a D y D/2 bajo la 38 norma ASM E M FC-14M -2001 , se utilizó una unión universal a modo de brida, a la que se le realizaron varios cortes para poder ajustar los collarines sobre los agujeros de los sensores de presión a las distancias requeridas (2’’ corriente abajo del sensor y 1’’ corriente arriba). La placa se sujetó a la unión universal por medio de cinta adhesiva doble faz acrílica, que sirvió además como empaque para el sello necesario alrededor de la placa. El detalle de las dimensiones finales de la placa puede hallarse en la sección 2.2 de los Anexos.. Figura 20. Sensor de flujo final 36. Figura 8.4, página 8-4, referencia 11 de la sección VII. http://www.steelmedia.com/stainless-steel-balls.htm#Material%20Composition, Recuperado de la Web el 30 de Mayo de 2007. 38 Referencia 17 37. 27.

(29) 2.3. Manómetros Para cada manómetro se utilizó un tubo de HDPE 1/4’’ transparente de 1.8m fijado, por medio de sujetadores plásticos y puntillas de acero, a láminas de flexitriplex calibre 8mm de 60x30cm. Se utilizaron tiras de papel milimetrado fijadas por medio de grapas comunes para papel a modo de escala. Se instalaron niveles de burbuja en cada manómetro para tener como referencia en la instalación. Para la sujeción al banco de pruebas se instalaron acoples de 1/4’’.. Figura 21. Manómetro final. 2.4. Sensor de Swirl Para el enderezador de flujo se unieron pitillos plásticos de 1’’ con pegamento universal UHU hasta lograr una figura hexagonal con un diámetro de 3’’. Luego este enderezador se unió a un eje hecho de una varilla de cedro de 4.5mm de diámetro, con un disco de cartón paja a modo de indicador con divisiones equidistantes para facilitar la medición de la velocidad angular.. Figura 22. Sensor de Swirl final. 28.

(30) 2.5. Sujetador de Válvula Para formar la estructura base se utilizaron codos de refuerzo de Zn, platinas de reparación Zn de 8’’ unidas con tornillos 3/16x1/2’’ con tuercas y arandelas; esta estructura se fijó a una unión de 3’’ con tornillos de 1/4x1’’ y tuercas mariposa para controlar el ajuste, y se aseguraron con una abrazadera de 4 1/2’’. Se perforaron los codos de refuerzo y se pasó un tramo de 8’’ de varilla roscada de 3/8’’ cuyo movimiento se controla por medio de tuercas mariposa; se soldó en un extremo un niple galvanizado de 3/8’’x1’’ al que se le perforaron y roscaron 3 agujeros de 3/16’’ para sujetar la válvula con tornillos de 3/16x1/2’’. Luego se le hizo una pequeña incisión en la parte superior de la varilla roscada realizada con una segueta para que, en caso de ser necesario, pueda girarse mediante el uso de un destornillador de cabeza plana.. Figura 23. Sujetador de válvula final. 2.6. Software de análisis de datos Se programó el software llamado “ValvoM atic” utilizando el programa de desarrollo Microsoft Visual Studio .NET bajo el lenguaje Visual Basic .NET. Se utilizaron métodos y procedimientos previamente desarrollados para la interfase básica. Se programaron 3 módulos diferentes: información del banco de pruebas, panel de experimentos, información del experimento con una ventana de notificación con información de la incertidumbre total de los valores calculados. Se ubicaron botones para exportar individual o conjuntamente la información de los experimentos a un archivo de Microsoft Excel y se realizó una depuración inicial con pruebas piloto. Se generaron luego los instaladores utilizando el código reutilizable de Microsoft Installer y se quemó el programa en un CD de instalación junto con la plataforma Microsoft .NET Framework v1.1. Detalles en el resultado y modo de empleo del software pueden encontrarse en la sección 7.1 de los Anexos, y el código completo se puede consultar en el CD de instalación del software.. 29.

(31) 3. Pruebas 3.1. Introducción En el marco de este proyecto de grado, es necesario realizar pruebas para analizar la confiabilidad y robustez de los datos presentados por el nuevo Banco de Pruebas desarrollado, así como comprobar la veracidad de los datos comparándolos con los obtenidos en trabajos previos de otros autores. El banco de pruebas permite realizar pruebas de eficiencia de puertos de admisión y escape principalmente para motores de combustión interna. En este tipo de bancos se analizan las características de las restricciones que presentan el puerto y la válvula al libre flujo de aire con características determinadas, lo que afecta directamente la eficiencia volumétrica, la potencia, el consumo de combustible y las emisiones de los motores de combustión interna. Además, una característica importante de este diseño, es que tiene la flexibilidad para permitir realizar pruebas a distintas geometrías de bancos de pruebas sin importar el material ni la forma de fabricación. Ya que el primer objetivo de este experimento fue analizar la veracidad de los datos obtenidos en el banco de pruebas, se realizaron probetas en base a un diseño de puertos de motores de combustión interna comerciales, para así poder comparar estos datos con los presentados por otros autores en pruebas a puertos de alta eficiencia. Se pretendió realizar las probetas en materiales distintos con pequeñas diferencias en las geometrías, para así analizar, de forma general, la influencia que distintas propiedades geométricas del puerto tienen sobre la eficiencia del puerto, esto con el fin de orientar sobre nuevas áreas de investigación posibles con este banco de pruebas. Un objetivo secundario fue analizar, con la diferencia de los materiales de las probetas, si el acabado superficial interno de las piezas influye de manera significativa en el flujo del aire a través del puerto para así poder dar las recomendaciones necesarias sobre restricciones y requerimientos básicos en la construcción de las probetas para futuros experimentos y complementar las instrucciones de operación del banco de pruebas. Como segundo objetivo se analizó la robustez y confiabilidad de los datos obtenidos con el banco de pruebas, por lo que se realizaron dos experimentos, en condiciones diferentes, con la misma probeta para el mismo rango de levantamiento de la válvula. Se prestó especial atención a las características del fluido de trabajo y a las propiedades del flujo en cada prueba para asegurar que, en condiciones completamente diferentes, se llegara a los mismos resultados de eficiencia del puerto y, de esta forma, poder asegurar que los resultados en la caracterización de los puertos son independientes de las condiciones del fluido de trabajo y que es posible utilizar el banco de pruebas con confianza en cualquier locación y bajo variaciones climáticas normales.. 3.2. Materiales y Métodos La primera parte de la prueba se realizó con probetas obtenidas del diseño de culata de un Volkswagen Beettle modelo 55. Las dimens iones características de la geometría 30.

(32) de dicho puerto se tomaron experimentalmente sobre la pieza física (la culata izquierda del motor de 4 cilindros opuestos), con el uso de un micrómetro manual y un transportador; el primero con una precisión de 0.005mm y el segundo de 1º. Las dimensiones se tomaron en el taller de mecánica automotriz propiedad de Nicos Christophi en el noroccidente de la ciudad de Bogotá el día 9 de M arzo de 2007. El detalle de los planos del diseño obtenido con base en estas mediciones puede encontrarse en las secciones 2.5 y 2.6 de los Anexos. Las mediciones obtenidas fueron:. Figura 24. Geometría de la probeta base. Se pretendía fabricar las probetas en las instalaciones de la Universidad de Los Andes utilizando para una la Máquina de Prototipado Rápido para obtener una pieza completa en el polímero ABS buscando alta rugosidad interna, y para la otra la máquina CNC para obtener dos piezas en aluminio (corte por el centro de la vista frontal de la probeta) para ser unidas posteriormente. Esto nos hubiera dado unas probetas con mejor acabado y mayor control sobre las dimensiones finales. Sin embargo, no hubo disponibilidad de dichas máquinas para las fechas destinadas a la construcción de las probetas y por ello se buscaron métodos alternativos. Con base en las medidas expuestas más arriba se fabricó la válvula en acero AISI 1045 torneado con acero rápido en el taller Torno Metales Jamaica. En este mismo taller, se fabricó la primera probeta hecha de 4 piezas diferentes de acero AISI 1020, todas maquinadas en torno y unidas mediante un cordón de soldadura de arco con electrodo de acero recubierto. Para facilitar la fabricación se optó por reducir el ángulo de la válvula AV a 0º para poder tornear la pieza de manera perpendicular. La segunda probeta se fabricó en madera de Cedro en dos piezas, la cabeza del cilindro con el asiento de la válvula y el cuerpo del puerto, las cuales se tornearon exteriormente y luego se unieron usando adhesivo sintético COLBON Madera. Esta pieza resultante se cortó por la mitad de la vista frontal con sierra sinfín y se le tallaron las cavidades internas mediante el uso de guvias y al final no se pulió la superficie buscando un pobre acabado superficial. Posteriormente se unieron las dos mitades de nuevo con COLBON Madera, y se asentó la válvula por fricción mediante el uso de un modelo de la cabeza de la válvula en madera de cedro torneada fija a un taladro manual que se usó a modo de broca contra el asiento de la válvula. Se tuvo cuidado de darle diámetros exteriores a la entrada, iguales a los de una tubería de. 31.

(33) PVC estándar de 2’’ (6,05cm) y a la salida, en la cabeza del cilindro, al de una tubería de PVC estándar de 3’’ (8,85cm) en las dos probetas finales. Los resultados fueron los siguientes.. Figura 25. Probeta de Metal. Figura 26. Probeta de Cedro. 32.

(34) Debido a la característica de las fuentes de aire seleccionadas (se especificarán más abajo), no era posible realizar pruebas ni a caída de presión constante ni con flujo constante, por lo que se dejó lo más constante posible la presión de entrada y se tomaron los valores de caída de presión y flujo como variables, asumiendo para futuras referencias que se trató de una prueba con caída de presión constante. Esta primera prueba se realizó en las instalaciones del Laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Los Andes en la ciudad de Bogotá, el día 29 de M ayo de 2007 en las horas de la tarde. Se utilizó como fuente de aire la línea de presión disponible en el laboratorio, que se conectó a la boquilla de 1/4’’ del banco de pruebas mediante un trozo de tubo plástico transparente teflonado. Como control de apretura se utilizó una válvula de bola de 1/4’’. Se instaló el banco sobre una mesa y se unieron las probetas a la unión Dreyer de 2’’ al banco de pruebas y por medio de la unión de PVC de presión de 3’’, al cilindro soportado en un apoyo; en el cilindro se ubicó el sensor de swirl libre sin guías. Se ingresaron todos los datos de las dos probetas y de la configuración del banco de pruebas en el software “ValvoMatic”; estos datos se pueden consultar en la sección 5.1 de los Anexos. Los valores de las incertidumbres fueron tomados de estándares de tablas para las 39 propiedades del fluido de trabajo y de valores estimados para los errores por Bias para la geometría de la válvula, el puerto y el cilindro, y los datos de presiones, 40 velocidad angular y levantamientos de la válvula . Para estos últimos se utilizaron los porcentajes de error producidos por la precisión dada por la escala de medición para los valores de desviación estándar σ. A continuación se tomó la medida de el eje de la válvula en el sujetador de válvula del banco de pruebas que sobresalía del puerto para la válvula completamente cerrada, y con este valor como referencia para el control, se realizaron pasos de levantamiento de válvula (disminuir la distancia del eje que sobresale del puerto) de más o menos 1mm hasta llegar a Lv =10mm partiendo desde Lv =1mm. Para bajos levantamientos se abrió parcialmente la entrada de aire para no exceder el máximo rango de presión permitido por el manómetro utilizado (500mmH2O) a la entrada del puerto. Luego de cada levantamiento se esperaba un tiempo de 1 a 3 minutos de reposo para permitir la estabilización del flujo.. 39 40. Referencias 15 y 18 Referencia 15. 33.

(35) Figura 27. Primera prueba. Para cada paso se fijó el levantamiento de la válvula con micrómetro manual, se abrió la válvula de paso de aire, se tomaron los valores de caída de presión en el sensor de flujo, presión manométrica a la entra del puerto (lo que representa caída de presión a través de la válvula ya que el cilindro se encuentra a presión atmosférica), velocidad angular del sensor de swirl y la presión P1 manométrica a la entrada del sensor de flujo. Estos datos se registraron en el software “ValvoMatic” y por medio de este se calcularon los resultados. Los valores registrados en las pruebas se detallan en la sección 5.2 de los Anexos. No se registró rotación en el sensor de swirl, por lo que no se tuvo en cuenta este dato ni los resultados que se desprenden de él; como es necesario registrar un valor en el software “ValvoMatic”, se introdujo 1 en todos los campos. Para la segunda prueba se utilizó la probeta de metal, y se realizó un segundo experimento el día 30 de M ayo de 2007 en las horas de la mañana en el noroccidente de la ciudad de Bogotá. La fuente de aire fue un compresor de 2.5hp con tanque de 13 galones con control de flujo realizado por una válvula de bola de 1/4’’ para presiones de entrada entre 60psi y 90psi, para asegurar que se trataba de unas condiciones de entrada completamente diferentes a las del experimento realizado el día anterior a la misma probeta, que es el que se utilizó como comparación. Se siguió la misma metodología expuesta anteriormente para la primera prueba y los datos de entrada se pueden consultar en la sección 5.2 de los Anexos.. 3.3. Resultados Para la primera prueba, en los números de Reynolds observamos el comportamiento esperado, con los Rep mayores y con mayor inclinación que los Rec y estos a su vez mayores y con mayor inclinación que los Rev y todos con las mismas magnitudes para. 34.

(36) ambas probetas, ya que se trata de la misma fuente de aire. La caída en la gráfica que se observa por fuera de la tendencia en la tercera medición de los Reynolds para la probeta de Cedro se debe a un agotamiento en la presión de la línea del Laboratorio luego de la cual se esperó a que se recuperara la presión de trabajo. Sin embargo, los valores de los números de Reynolds fueron de1 orden de magnitud inferior a los esperados, esto debido al bajo rango de trabajo de la fuente, lo que hizo además que en el cilindro no se alcanzara flujo turbulento (se considera turbulento un flujo con número de Reynolds mayor a 4000), lo que sumado a la fricción del enderezador de flujo con las paredes del cilindro, explica el por qué no se presentó giro alguno en el sensor de swirl. Números de Reynolds - Prueba 1 20 18 16. Rey nolds x10^3. 14 Rep C edro. 12. Rep Me ta l Rev C edro. 10. Rev Me ta l Rec Ce dro. 8. Rec Metal. 6. 4 2 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. Levantam ie nto de Vá lv ula (mm ). Figura 28. Números de Reynolds de la primera prueba. Figura 29. Números de Reynolds comunes para este tipo de pruebas41 41. Referencia 2. 35. 12.

(37) En los coeficientes de flujo estático observamos de nuevo el comportamiento esperado, con disminución del Cd y aumento del Cf a medida que aumenta el levantamiento de la válvula, con magnitudes dentro de los rangos esperados, aceptados y observados comercialmente en este tipo de experimentos. Sin embargo, las magnitudes son un poco menores a las observadas en pruebas a sistemas de alto rendimiento (figura 31). Por ello, podemos comprobar que el diseño escogido para las probetas y los cambios debidos a los modos de construcción de las mismas influyeron en obtener puertos con baja eficiencia; además, podemos, o bien suponer un estado limitado de los avances en el tema de los puertos de admisión en el año de construcción de la culata base (1955) o bien suponer que el rendimiento de los puertos cambia significativamente para bajas presiones de entrada, lo que puede producirse en operaciones de motores en bajas presiones atmosféricas como las que presenta la ciudad de Bogotá. Por otro lado, al comparar el comportamiento de las dos probetas, observamos que a bajos levantamientos de la válvula, en donde es significativa la información aportada por el Cd, los dos puertos se comportan de la misma forma y son igualmente eficientes. Esto debido a que la válvula, y por lo tanto el asiento de la válvula en las dos probetas, son los mismo por lo que la restricción presentada por el puerto a bajos levantamientos es la misma. Sin embargo, en altos levantamientos, donde se hace importante la influencia del puerto en sí y es significativa la información aportada por el Cf, observamos una mayor eficiencia y por lo tanto un comportamiento y diseño de la probeta de Cedro mucho mejor, lo que demuestra que la geometría es mucho más importante en el comportamiento del puerto que el acabado superficial interno, en el que es mucho mejor la probeta de M etal. Además observamos que el ángulo de la válvula AV es mucho más influyente en el resultado final que la calidad en la fabricación del puerto, ya que a pesar de que se intentó mantener el mismo perímetro diseñado en la pieza de cedro, la cavidad de la probeta de metal es completamente circular, mientras que la de cedro es ovalada e irregular. A pesar de que harían falta más estudios, de este resultado se puede desprender la hipótesis de que, en busca de mejorar la eficiencia de un motor de combustión interna, es mucho más efectivo alterar el ángulo de la válvula, limando la forma como se asienta la cabeza del cilindro, que rectificar la geometría interna de la culata como se hace usualmente para mejorar el rendimiento de automóviles.. 36.

(38) Coeficientes de Flujo - Prueba 1 0,7. 0,6. 0,5. 0,4. Cf Ced ro Cf Metal Cd C edro Cd Me ta l. 0,3. 0,2. 0,1. 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. Levantam ie nto de la Válvula (mm). Figura 30. Coeficientes de flujo estático de la primera prueba. Figura 31. Coeficientes de flujo estático para puertos de alto rendimiento42. En la segunda prueba observamos una gran diferencia en las magnitudes de los números de Reynolds (Figura 32), especialmente en el puerto, con lo que estamos asegurando que se trató de dos experimentos con condiciones de flujo completamente diferentes, siendo las condiciones inferiores a las esperadas en el experimento del. 42. Referencia 2. 37.

(39) segundo día, debido a las características inferiores de la fuente, el compresor de 2.5hp. A pesar de lo expresado en el párrafo anterior, al analizar los coeficientes de flujo estático observamos que fueron los mismos (Figura 33), excepto en el primer dato de la prueba del segundo día, en donde el flujo fue tan pequeño, que la caída de presión en el sensor de flujo para el levantamiento configurado fue inferior a 1mm, que era la precisión de la escala, por lo que registrar el valor exacto fue imposible. Un valor de 0.5mm arrojaba un comportamiento exactamente igual en las dos probetas pero no se consideró adecuado registrar un valor no completamente asegurado por la experimentación. Además, las pequeñas diferencias en el Cd en bajos levantamientos pueden insinuar la disminución del rendimiento de los puertos a bajos levantamientos en condiciones extremas como la obtenida en el segundo día, lo que podría asimilarse a la operación de un motor en grandes altitudes con muy baja presión atmosférica. Sin embargo, se consideran aceptablemente similares los comportamientos de la probeta en las dos condiciones trabajadas. Números de R eynolds - Prueba 2 20. 18 16. Re ynolds x 10^3. 14. 12 Rep 1 Rep 2. 10. Rev 1 Rev 2. 8. 6 4 2. 0 0. 2. 4. 6. 8. Le vantamiento de Válvula (mm ). Figura 32. Números de Reynolds de la segunda prueba. 38. 10. 12.

(40) Coef icientes - Prueba 2 1,2. 1. 0,8. Cf 1 Cf 2 Cd 1 Cd 2. 0,6. 0,4. 0,2. 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. L evantamiento de la Vá lvu la (mm). Figura 33. Coeficientes de flujo estático de la segunda prueba. 3.4. Conclusiones -. Se aseguró la validez de los datos obtenidos mediante el uso del banco de pruebas al ser comparados con los presentados por otros investigadores en estudios previos.. -. Se comprobó la confiabilidad y robustez del banco de pruebas al obtener los mismos resultados en una prueba de repetibilidad para el mismo puerto, en condiciones totalmente diferentes del fluido de trabajo.. -. Se observó la gran incidencia de ciertos componentes de la geometría, como el ángulo de la válvula, por encima de otros, como la simetría y el acabado superficial interno de los puertos.. -. Se reportó la posibilidad de que sea más efectivo cambiar el ángulo de la válvula, posiblemente realizando cambios en la cabeza del cilindro, que rectificar el acabado interno de las culatas cuando se busca mejorar el rendimiento de motores de combustión interna.. -. Se entendió la necesidad de realizar estudios de diferencias de rendimiento de puertos para condiciones de operación de motores a baja presión atmosférica en busca de mejorar el rendimiento, la potencia, el ahorro de combustible y disminuir emisiones en condiciones como las de la ciudad de Bogotá.. -. Se comprobó la flexibilidad del banco de pruebas al permitir realizar pruebas con probetas de materiales completamente diferentes.. 39.

(41) V. Resultados -. Se investigaron profundamente los sistemas de admisión y escape de aire en motores de combustión interna y la influencia de la geometría de la culata o puerto y el asiento de válvula en la eficiencia de todo el sistema.. -. Se investigó, diseñó, construyó y calibró un sistema de medición de flujo por medio de una platina delgada con orificio cuadrado, para medir flujo de aire en las cantidades necesarias para el experimento.. -. Se diseñó un sistema de medición de diferencial de presión por medio de un tubo en U con columna de agua, fabricado con materiales comunes y asequibles.. -. Se diseñó y construyó un sistema de sujeción y control de altura mecánico de la válvula para realizar pruebas con el puerto.. -. Se diseñó un sistema de medición del swirl producido por la geometría del puerto y la válvula al interior del cilindro.. -. Se investigaron y estudiaron las normas y procedimientos para caracterizar el flujo de aire a través de válvulas de admisión y escape y se escogieron las más adecuadas para el caso.. -. Se derivaron las ecuaciones necesarias para representar y evaluar la operación del puerto y la válvula con base en la investigación previa.. -. Se diseñó un banco de pruebas para caracterizar flujo a través de válvulas de admisión y escape de geometría variable y se construyó con materiales comunes y asequibles.. -. Se diseñaron, construyeron y probaron tres juegos puerto-válvula con los que se comprobó satisfactoriamente el funcionamiento y la robustez del banco de pruebas y la repetibilidad de los experimentos.. -. Se diseñó y programó un software flexible que automatiza los cálculos necesarios para obtener los datos de caracterización del flujo ingresando únicamente los datos medidos durante el experimento y que facilita su posterior análisis.. -. Se definieron pautas y procedimientos para la buena utilización del banco de pruebas diseñado y sus accesorios para que cualquier investigador pueda usarlo y realizar pruebas parecidas con cualquier geometría de puerto-válvula.. 40.