desarrollo de una guía metodológica para la enseñanza del software Stanford engine Simulation Program (ESP)

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(1)DESARROLLO DE UNA GUÍA METODOLÓGICA PARA LA ENSEÑANZA DEL SOFTWARE STANFORD ENGINE SIMULATION PROGRAM (ESP). DAVID FERNANDO TREJOS AGUIRRE JAIME ALBERTO MORENO AGUDELO. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA 2007.

(2) DESARROLLO DE UNA GUÍA METODOLÓGICA PARA LA ENSEÑANZA DEL SOFTWARE STANFORD ENGINE SIMULATION PROGRAM (ESP). DAVID FERNANDO TREJOS AGUIRRE JAIME ALBERTO MORENO AGUDELO. Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico. Director YAMID ALBERTO CARRANZA SÁNCHEZ Ingeniero Mecánico M.Sc.. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA 2007.

(3) Nota de aceptación: _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________. _____________________________ Firma del presidente del jurado. _____________________________ Firma del jurado. Pereira, Marzo 07 de 2007.

(4) CONTENIDO. pág.. INTRODUCCIÓN. 0. 1. GENERALIDADES DEL MOTOR. 2. 1.1 MOTOR DE CUATRO TIEMPOS ENCENDIDO POR CHISPA. 2. 1.2 PARTES Y DETALLES DEL MOTOR. 4. 1.2.1 Sistema de encendido. 5. 1.2.2 Sistema mecánico. 6. 1.2.2.1 Cinemática del mecanismo biela-manivela. 10. 1.2.3 Sistema de admisión. 12. 1.2.4 Sistema de escape. 14. 1.2.5 Sistema de lubricación. 18. 1.2.6 Sistema de refrigeración. 20. 1.2.7 Sistema de distribución. 23. 1.2.7.1 Tiempo de válvulas. 24. 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS UTILIZADOS POR EL ESP PARA EL ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS QUE COMPONEN EL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA. 2.1 ANÁLISIS DEL PROCESO DE COMPRESIÓN. 27. 30.

(5) 2.2 ANÁLISIS DE LA ETAPA DE IGNICIÓN. 37. 2.3 ANÁLISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN. 43. 2.4 PROCESO DE EXPANSIÓN. 50. 2.5 ANÁLISIS DEL PROCESO DE INTERCAMBIO DE GASES. 52. 2.5.1 Análisis de contraflujo. 55. 2.6 MODELO DE TURBULENCIA. 59. 2.6.1 Espectro de energía (e). 62. 2.6.2 Escalas. 64. 2.6.3 Energía cinética turbulenta (TKE). 64. 3. INTRODUCCIÓN AL ENGINE SIMULATION PROGRAM (ESP). 70. 3.1 DESCRIPCIÓN GRÁFICA DEL PROGRAMA. 70. 3.1.1 Barra de herramientas. 71. 3.1.2 Barra de estado. 72. 3.1.3 Área de mensajes y gráficos. 73. 3.1.4 Área de entrada de datos o de selección de acciones. 74. 3.1.5 Botón de confirmación. 75. 3.2. INSERCIÓN DE DATOS (MENÚ RUN SETUP). 75. 3.2.1 Despliegue gráfico del menú de acciones (Run Setup). 79. 3.2.1.1 Parámetros de operación (Operating Parameters). 79.

(6) 3.2.1.2 Geometría del motor (Engine Geometry). 81. 3.2.1.3. Parámetros del modelo (Model Parameters). 82. 3.2.1.4 Guardar la configuración (Setup File Save Option). 83. 3.3 EJECUCIÓN DE ACCIONES. 84. 4. APLICACIONES DISEÑADAS PARA RESOLVER A TRAVÉS DEL ESP. 90. 4.1 FORMULACIÓN Y METODOLOGÍA DE LOS MÓDULOS DE SIMULACIÓN. 90. 4.2 ESTRUCTURA Y LISTADO DE MÓDULOS. 92. 4.3 DESARROLLO DE MÓDULOS. 94. 4.3.1 MÓDULO 1: Introducción al ESP. Aspectos de Operación Básicos del Programa, Simulación a Distintas RPM y Creación de Gráficas. 94. 4.3.1.1 Introducción. 94. 4.3.1.2 Objetivos. 95. 4.3.1.3 Aspectos Teóricos. 95. 4.3.1.4 Procedimiento. 98. 4.3.1.5 Análisis de resultados. 103. 4.3.2. MÓDULO 2: Combustibles y sus Reacciones. Químicas. Comparación entre Gas Natural Vehicular y Gasolina. 103. 4.3.2.1 Introducción. 103. 4.3.2.2 Objetivos. 103. 4.3.2.3 Aspectos Teóricos. 104.

(7) 4.3.2.4 Procedimiento. 107. 4.3.2.5 Análisis de resultados. 112. 4.3.3 MÓDULO 3: Proceso de Llenado. Aspiración Natural, Variación de la presión Atmosférica y Sobrealimentación. 113. 4.3.3.1 Introducción. 113. 4.3.3.2 Objetivo. 113. 4.3.3.3 Aspectos Teóricos. 113. 4.3.3.4 Procedimiento. 118. 4.3.3.5 Análisis de resultados. 120. 4.3.4 MÓDULO 4: Proceso de Compresión. Relación de Compresión y Variables Geométricas de un Motor a Gasolina. 121. 4.3.4.1 Introducción. 121. 4.3.4.2 Objetivos. 122. 4.3.4.3 Aspectos Teóricos. 122. 4.3.4.4 Procedimiento. 124. 4.3.4.5 Análisis de resultados.. 126. 4.3.5 MÓDULO 5. Proceso de Combustión. Factores que Afectan el Proceso de Combustión en los Motores a Gasolina. 128. 4.3.5.1 Introducción. 128. 4.3.5.2 Objetivos. 128. 4.3.5.3 Aspectos Teóricos. 129. 4.3.5.4 Procedimiento. 132. 4.3.5.5 Análisis de resultados. Primera Parte. 134. 4.3.5.6 Análisis de resultados. Segunda Parte. 137.

(8) 4.3.6. MÓDULO 6: Proceso de Expansión y Reducción. de Emisiones. Recirculación de Gases de Escape (EGR). 138. 4.3.6.1 Introducción. 138. 4.3.6.2 Objetivos. 138. 4.3.6.3 Aspectos Teóricos. 138. 4.3.6.4 Procedimiento. 140. 4.3.6.5 Análisis de resultados. 141. 5. CONCLUSIONES. 143. 6 .RECOMENDACIONES. 146. BIBLIOGRAFÍA. 147. ANEXO 1 (MICROCURRICULUM MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN INTERNA) 149. ANEXO 2 SOLUCIÓN MODULO 2 - COMBUSTIBLES Y SUS REACCIONES QUÍMICAS. COMPARACIÓN ENTRE GAS NATURAL VEHICULAR Y GASOLINA. 154.

(9) RESUMEN. Una guía metodológica para la enseñanza del software Engine Simulation Program ha sido desarrollada.. Para lo anterior, se ha llevado a cabo una. exploración previa del programa y con base en ello, se realizó una recopilación de la teoría necesaria para el estudio de los modelos fundamentales del simulador, comenzando con las generalidades del motor a fin de situar al lector en un contexto básico, para luego ahondar en los aspectos teóricos más detallados de su funcionamiento.. Seguidamente, se presenta una introducción al ambiente. gráfico del ESP, mostrando los alcances y limitantes de manejo que consoliden una base que prepare al lector para su interacción con el programa.. El desarrollo de la guía se basa en un enfoque algorítmico-heurístico el cual tiende a que el sujeto que realiza los módulos relacione la teoría y la práctica a través de la herramienta computacional, comenzando con prácticas sencillas siguiendo unos parámetros establecidos en el diseño sin cerrar la posibilidad que el lector sea quien se convierta en generador de iniciativas propias de acceder al conocimiento.. La implementación de éste trabajo (ESP) en el curso de Máquinas de Combustión Interna fortalece el proceso de enseñanza y eleva el nivel de conocimiento sobre el comportamiento y desempeño del motor bajo diferentes configuraciones y/o parámetros de operación.. Igualmente se consolida la sinergia de áreas del. conocimiento tales como la termodinámica, la transferencia de calor y la mecánica de fluídos, siendo la integración teoría-práctica útil en el campo de los motores y como refuerzo en estas otras materias..

(10) INTRODUCCIÓN. El desarrollo tecnológico y la evolución de los sistemas que componen un motor de combustión interna están íntimamente ligados a los avances en el diseño.. La. comprensión de los adelantos tecnológicos será más fácilmente realizable si se estudian las consideraciones técnicas implicadas en el proceso de diseño. La actual tendencia en el diseño de motores de combustión interna está dirigida hacia la simulación basada en software interactivo, lo cual permite al usuario hacer cambios tanto en los parámetros geométricos, de operación, de modelado y de los sistemas que acompañan el motor, obteniendo datos en tiempo real, diagnósticos y evaluaciones precisas que traen consigo ahorro en tiempo y dinero.. El uso de este tipo de herramientas se hace cada vez mayor. Para estudiantes de tecnología e ingeniería se ha convertido en una pieza fundamental de aprendizaje, como forma de modelar, simplificar y resolver problemas de forma rápida y confiable. Por eso se ha hecho necesaria la formación integral de los futuros tecnólogos e ingenieros tanto en la parte académica como práctica, integrando estas dos mediante prácticas técnicas o con software especializado para simular fenómenos y procesos, tales como el ESP, el cual simula el desempeño termodinámico de motores de combustión interna.. El objetivo general de este trabajo es desarrollar una forma o metodología de integración de los campos teórico y práctico, que permita tanto al estudiante y el profesor o tutor, interrelacionar y visualizar los conocimientos adquiridos en el aula, con situaciones reales simuladas, siguiendo una metodología algorítmica-heurística que favorecerá una asimilación más adecuada de conceptos y así mismo, incentivará al estudiante a generarse interrogantes y a buscar posibles soluciones a ellos.. Con este propósito se investigará y conceptuará sobre la influencia de las diferentes áreas (termodinámica, transferencia de calor, mecánica de fluídos) en el desarrollo de motores de combustión interna. También se interactuará con el Engine Simulation Program ESP.

(11) para desarrollar una batería de aplicaciones y una guía metodológica que permitan al estudiante integrar los fundamentos de manejo y aplicaciones.. El aprendizaje de este programa fortalecerá esta integración teoría-práctica (al igual que con materias como transferencia de calor y mecánica de fluidos) a través de la metodología desarrollada, permitiendo que los estudiantes del curso de máquinas de combustión interna, puedan analizar el funcionamiento de distintos motores, logrando modelar diferentes situaciones de funcionamiento y geometría en un entorno virtual. Además, la utilización de software dentro del ciclo de enseñanza, permitirá un desarrollo de conocimiento mayor, al abrir un recorrido por un sendero autónomo de conocimiento delimitado por el estudiante mismo dentro de su espíritu investigativo y diseñador, que situará la institución en un proceso de. mejoramiento en la enseñanza como el de. reconocidas universidades tales como la Universidad de Stanford, desarrolladora del ESP, el Instituto Tecnológico de Massachussets, la Universidad de Cambridge entre otras, que ya han incursionado en el área de la simulación y han tenido con ello un gran nexo con los sectores industriales, necesarios para el desarrollo conjunto de la universidad y la región..

(12) 1. GENERALIDADES DEL MOTOR. En este capítulo se realiza una descripción de lo que es un motor de combustión interna, de los sistemas básicos que lo constituyen, la forma de funcionamiento y los principios teóricos que lo rigen, con el fin de tener un conocimiento básico de los aspectos estructurales y funcionales del motor.. 1.1 MOTOR DE CUATRO TIEMPOS ENCENDIDO POR CHISPA. Un motor de combustión interna es una máquina compuesta por mecanismos y sistemas en la que la energía química de un combustible (sólido, previa gasificación, gaseoso o líquido) se transforma, dentro de un volumen confinado, en energía calórica, de forma que la expansión de los productos genera energía mecánica.. La mayoría de motores de combustión interna, utilizan el principio del émbolo reciprocante mostrado en la Figura 1, según el cual, un émbolo se desliza dentro de un cilindro hacia atrás y hacia adelante y transmite potencia un eje motriz, mediante un simple mecanismo de biela y manivela. Según Obert1 el principio o secuencia de funcionamiento para el motor de émbolo (Pistón) reciprocante fue propuesto en 1862 por Beau de Rochas, perfeccionado por el ingeniero alemán Otto en 1876 aun es típico de la generalidad de los motores encendido por chispa y comprende:. 1. OBERT, EDWARD F. Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones. México: Continental 1966..

(13) •. Admisión: este ciclo inicia en el momento que el pistón se encuentra en la parte superior del cilindro o en el punto muerto superior (PMS) o en inglés, Top Dead Center (TDC) y la válvula de admisión se encuentra abierta. En este momento, el pistón empieza su carrera descendente, creando un vacío entre la cámara de combustión que produce que el aire que se encuentra en el medio a mayor presión pase a través del filtro, que se mezcle con el combustible en el carburador y finalmente pase a través del múltiple y la válvula de admisión al interior del cilindro.. Figura 1. Ciclo de cuatro tiempos encendidos por chispa.. http://www.amsoil.com/articlespr/-article_2Cycleapplications.aspx. •. Compresión: una vez el pistón ha descendido al punto muerto inferior (PMI) o en inglés al Bottom Dead Center (BDC) y ha terminado la carrera de admisión, el árbol de levas que gira sincrónicamente con el motor, cierra la válvula de admisión que se ha mantenido abierta y confina la mezcla aire-.

(14) combustible entre el cilindro. Al iniciar su carrera ascendente nuevamente, el pistón reduce el volumen de la cámara y eleva la presión de la mezcla. •. Ignición: cuando el pistón alcanza nuevamente su TDC y la mezcla se encuentra en el punto de presión más elevada, el distribuidor (que gira sincrónico con el motor) cierra el circuito de la bujía, donde salta la chispa eléctrica de alto voltaje e inflama la mezcla que al aumentar su temperatura, eleva su presión, obligando a bajar el pistón, el cual transmite este esfuerzo mediante la biela al cigüeñal, haciéndolo girar.. •. Escape: luego de que el pistón ha aprovechado la energía de la combustión y ha descendido al BDC, el árbol de levas abre la válvula de escape y el pistón en su nueva carrera ascendente expulsa los productos de la combustión a través de ella, de allí al colector o múltiple de escape y después de pasar por silenciadores y catalizadores sale a la atmósfera.. Los cuatro ciclos del motor se llevan a cabo durante dos vueltas del cigüeñal y se repiten continuamente en los cilindros que tenga el motor hasta tanto el motor sea detenido.. 1.2 PARTES Y DETALLES DEL MOTOR. El motor de combustión interna está compuesto por siete sistemas básicos los cuáles funcionan sinérgicamente para una marcha correcta y estable.. Estos. sistemas comprenden el sistema de encendido, sistema mecánico, sistema de admisión, sistema de escape, sistema de lubricación, sistema de refrigeración y el sistema de distribución..

(15) 1.2.1 Sistema de encendido. Este sistema consta de un acumulador o batería, una bobina de encendido, un distribuidor con levas y platinos y una bujía para cada cilindro (Figura 2), según Obert2 en el motor de cuatro tiempos se requieren dos revoluciones completas del cigüeñal por cada ciclo; por esta razón deberá haber un chispazo en cada cilindro a intervalos de 720 grados de giro del cigüeñal. Para garantizar esta secuencia, el distribuidor se mueve mediante el árbol de levas a la misma velocidad obteniéndose una revolución del distribuidor por cada dos del cigüeñal. Bajo la flecha del distribuidor, se encuentra una leva con un lóbulo por separado para cada bujía. A medida que gira el eje del distribuidor, los platinos son separados por uno de los lóbulos de la leva siendo interrumpida la corriente que proviene de la batería y pasa por la bobina.. Debido a esta. interrupción se induce un alto voltaje en la bobina. Este potencial es enviado al contacto central de la tapa del distribuidor y de ahí a través de los cables de alta tensión a la bujía conveniente. Debido a los muchos lóbulos de la leva pueden inducirse una serie de impulsos eléctricos correctamente sincronizados que son luego dirigidos por el distribuidor hacia los diferentes cilindros.. 2. Ibid., p. 2..

(16) Figura 2. Sistema de encendido (adaptada de la fuente).. http://www.eng.warwick.ac.uk/oel/courses/Engine/ignition.jpg. 1.2.2 Sistema mecánico. El sistema mecánico comprende las partes que forman el mecanismo que transmite la potencia generada en la combustión. El sistema mecánico esta compuesto por el conjunto de los cilindros y el conjunto de los émbolos y las bielas, que juntos conforman un mecanismo biela-manivela centrado (el eje del deslizador contiene el centro de rotación de la manivela). Tomando el esquema de Obert3, el conjunto de los cilindros (ver Figuras 3 y 4), se mantienen en posición fija mediante el bloque de cilindros g el cual en los motores pequeños forma una sola pieza con el carter k para obtener mayor rigidez. Esta. 3. Ibid., p. 2..

(17) estructura se hace generalmente de hierro fundido. Los ductos j pueden ser hechos mediante corazones en el bloque al fundirlo y sirven para distribuir la lubricación a los cojinetes principales y. Para vehículos de bajo costo los cilindros se maquinan en el bloque. Para motores de trabajo pesado se instalan forros o camisas reemplazables; estos forros pueden ser húmedos w o secos. Los forros secos son menos susceptibles a las fallas que los forros húmedos, los cuales deben independizar las camisas de agua de enfriamiento v del depósito de aceite z. Tanto para las camisas como para los cilindros el material usual es fundición gris por su buena resistencia al desgaste al formar una capa protectora tersa y durísima al estar bajo fricción.. El cigüeñal m es generalmente una pieza de acero forjado o de hierro fundido para motores multicilíndricos con esfuerzos relativamente bajos. El cigüeñal se apoya en los cojinetes principales y después de la parte concéntrica del cigüeñal sigue el muñón l que conecta al cojinete x de la biela. Estos cojinetes se fabrican de materiales tales como bronce, babbit, cobre plomo u otras aleaciones antifricción. Un depósito para aceite z de acero estampado sella el conjunto del bloque y sirve como colector de aceite o recipiente para el aceite lubricante. medidora s resulta útil para medir el nivel de aceite.. Una varilla.

(18) Figura 3. Sección de un motor 4 tiempos con válvulas en la cabeza (cabeza en I). EDWARD F. OBERT. Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones. En el conjunto de los émbolos y las bielas, el émbolo o pistón e se construye de aluminio, acero fundido o hierro siendo su función principal la de transmitir a la biela h la fuerza originada en el proceso de combustión. Al realizar ésto, las posiciones angulares de la biela permiten que se ejerza un esfuerzo considerable en un lado de las paredes del cilindro y este empuje es creado por el faldón del émbolo, la parte debajo de los anillos.. El pistón tiene a los menos tres anillos d..

(19) Los superiores se llaman de compresión por que evitan el paso de los productos de combustión del cilindro al cárter y el inferior recibe el nombre de anillo rascador de aceite, siendo su función la de quitar el aceite sobrante de la pared del cilindro y transferirlo a través de ranuras hasta el cárter.. Figura 4. Motor de cuatro tiempos con válvulas en el bloque (cabeza en L). EDWARD F. OBERT. Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones.

(20) La biela h de acero forjado, con sección en I, une al pistón y al cigüeñal. Puede tener un conducto a lo largo para conducir aceite lubricante desde el cojinete x de a biela hasta el perno f del pistón o puede tener un pequeño agujero para atomizar aceite en el pasador del émbolo igualmente que el árbol del levas u y las paredes del cilindro.. 1.2.2.1. Cinemática del mecanismo biela-manivela.. La determinación de la. geometría y las principales dimensiones del mecanismo biela-manivela (MBM) permiten realizar el análisis cinemático y dinámico de gran utilidad a la hora de estimar la vida útil de motor y hacer un análisis de las etapas de funcionamiento de este. Según Romero4 Los datos iniciales para el cálculo cinemático son la carrera del pistón y el esquema constructivo elegido para el mecanismo biela-manivela (mecanismo biela-manivela centrado o descentrado). Para el MBM más difundido, el central (Figura 5), el principal parámetro cinemático, el radio de la manivela se determina como la mitad de la carrera completa del pistón (R=S/2) el valor de otro parámetro geométrico, adimensional, λ, el cual representa la relación del radio de la manivela R sobre la longitud de la biela L, generalmente se toma del rango 0,24...0,31.. El cálculo cinemático se efectúa con las siguientes fórmulas: •. La velocidad angular de rotación de la manivela (Rad./s) ω=dϕ/dt=πn/30. 4. ROMERO PIEDRAHITA, CARLOS A. Motores de combustión interna: Fundamentos de construcción y cálculo. Pereira, Colombia: Universidad Tecnológica de Pereira..

(21) Donde ϕ es el ángulo de giro de la manivela, tomado en cuenta a partir de la posición para la cual el pistón se encuentra en el P.M.S y n es la frecuencia de rotación del árbol cigüeñal, min-1. •. La velocidad tangencial del extremo de la manivela (m/s). um=Rω •. La aceleración centrípeta del extremo de la manivela (m/s) εm=Rω2. Figura 5. Esquema constructivo del MBM centrado. CARLOS A. ROMERO. Motores de Combustión. Fundamentos de Construcción y Cálculo. •. El desplazamiento Sp, la velocidad vp y la aceleración jp del pistón en el MBM centrado son:.

(22)  λ   λ λ    S p = R 1 +  −  cos ϕ + cos 2ϕ  = R (1 − cos ϕ ) + (1 − cos 2ϕ ), 4 4 4        . λ λ  πn      v p = R  sin ϕ + sin 2ϕ  = R ⋅ ω sin ϕ + sin 2ϕ ; 30 2 2       πn  j p = R  [cos ϕ + λ cos 2ϕ ] = Rω 2 [cos ϕ + λ cos 2ϕ ];  30  2. •. La velocidad media del pistón (m/s). vm =. •. S ⋅n 2 = Rω 30 π. La velocidad máxima del pistón (m/s). v max = Rω 1 + λ2. 1.2.3 Sistema de admisión. Este sistema está conformado por un filtro de aire, que puede ser de varios tipos (filtro de papel, tipo ciclón, etc.), un conducto que lleva el aire hasta el múltiple de admisión, que divide el flujo a los respectivos cilindros (Figura 6)..

(23) Figura 6. Sistemas de admisión y escape. http://www.transporte.cu/ignicion/cd2002/motor_co/adm_esca.htm. Para algunos motores, dentro del sistema de admisión se encuentra incluido el control de velocidad y carga, función hecha por el carburador. Este se encuentra situado después del ducto que viene del filtro y antes del múltiple de admisión. Su principal función es la de dosificar el combustible para obtener una proporción aire-combustible razonablemente definida y homogénea en toda la cámara. En la Figura 7 se muestran sus principales partes: un venturi una tobera para combustible con orificio medidor, un recipiente para combustible en la cámara de flotador, un acelerador y un ahogador. Durante el tiempo de admisión, el vacío producido por el pistón, induce el aire atmosférico hacia el interior del cilindro. Este flujo de aire al pasar por el venturi, aumenta su velocidad y disminuye su presión en la sección más estrecha la cual esta comunicada con el extremo de la tobera.. Como la cámara de flotador se encuentra a presión atmosférica, la. diferencia de presión entre su interior y su salida, que es la tobera, pulveriza el combustible en la corriente de aire en una cantidad tal que es determinada por el tamaño del orificio medidor..

(24) Figura 7. Carburador simple.. EDWARD F. OBERT. Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones. La carga obtenida en el cigüeñal depende de la masa de mezcla quemada en cada cilindro por ciclo y se controla restringiendo la cantidad de mezcla que entra al cilindro empleando una válvula estranguladora o aceleradora que se ubica en la entrada del carburador. Si se cierra o se abre el acelerador la cantidad de aire que pasa por el venturi será menor o mayor determinando la cantidad de mezcla que entra al cilindro. Por lo tanto la velocidad del motor se controla por las posiciones del acelerador y también por la magnitud de la carga; o puede mantenerse la misma posición del acelerador y graduar la velocidad variando la carga.. 1.2.4. Sistema de escape. El sistema de escape tiene la función básica de. evacuar los productos de la combustión de los cilindros a la atmósfera, con las tareas adicionales de mantener las emisiones tóxicas dentro de los estándares y suprimir el ruido generado por el motor.. En este sistema siempre se busca. maximizar el flujo del gas quemado, con el fin de evitar un contraflujo excesivo.

(25) hacia el cilindro o la sobrepresión a la salida de la válvula de escape, que restringen el llenado del cilindro con mezcla fresca, disminuyendo su eficiencia. Este sistema, como se ve en el esquema de la Figura 8, esta compuesto por un múltiple de escape, un convertidor catalítico, una o más cajas de humo o silenciadores y secciones de tubería como unión entre los elementos, las cuales pueden ser bridadas o soldadas.. Múltiple de escape: es un elemento compuesto por varios ramales, por lo general unidos mediante brida y tornillos a la culata coincidiendo con sus conductos de escape. Al abrirse la válvula de escape, los gases quemados pasan por la culata y de allí al múltiple que es el primer elemento del sistema.. Figura 8. Esquema de Sistema de Escape. Convertidor catalítico: este componente tiene la función de reducir las emisiones nocivas principalmente de monóxido de Carbono, óxidos de Nitrógeno e hidrocarburos sin reaccionar, a través de una reacción catalítica de oxidación o reducción con elementos especiales. El convertidor (Figura 9) está compuesto por.

(26) una carcasa metálica para protección con extremos bridados y el elemento catalizador que es un entramado en forma hexagonal (como un panal de abejas) que contiene el óxido cerámico que actúa como catalizador. Estas sustancias, por lo general metales preciosos, pueden ser Platino o Rodio.. La disposición del. soporte cerámico en forma de panal asegura la maximización del área de contacto de los gases para hacer más efectiva la reacción, la cual ocurre a temperaturas mayores a 250ºC y depende de otros factores como la riqueza o pobreza de la mezcla.. Los convertidores se clasifican según la eliminación de los componentes dañinos en el compartimiento en convertidores de dos vías, cuando se neutralizan dos elementos y de tres vías cuando se neutralizan los tres elementos perjudiciales.. Figura 9. Corte de un Convertidor catalítico. http://www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi99/autos-y-polucion/catalizador.htm.

(27) Silenciador o caja de humo: este compartimiento se encarga de eliminar el ruido que se produce por las ondas que se generan durante la apertura y cierre de las válvulas de escape debido a la diferencia de presión entre el gas quemado en proceso de expansión a alta temperatura y la presión atmosférica. En un sistema de escape el manejo de este tipo de ondas es importante ya que pueden mejorar o restringir el flujo de gases quemados. Cuando se abre la válvula, esta diferencia crea una onda de presión que se mueve por el sistema de escape más rápidamente que el propio gas.. Esto genera también una onda reflejada de. depresión que se mueve hacia el cilindro. Si se aprovecha la onda de depresión al abrirse la válvula, esto favorecerá el tránsito del gas quemado y el llenado con mezcla fresca. Caso contrario si se presenta una onda de presión al abrirse la válvula, ejercerá una gran restricción en el momento del escape de los gases.. Los silenciadores se pueden clasificar como se ve en la Figura 10, en silenciadores de absorción (a), cuando son recubiertos por un material aislante tanto térmica como acústicamente; silenciadores de expansión (b), que consisten en un ensanchamiento brusco del ducto y después de cierta longitud vuelve a su sección original, silenciadores de resonancia lateral (c), que consiste en encerrar el ducto principal con un tubo concéntrico, comunicados entre si a través de perforaciones hechas al primero, y, finalmente los silenciadores de interferencia (d), que tienen una serie de tabiques situados en el camino del gas haciendo que las ondas pierdan energía por los choques que tienen en su recorrido.. Finalmente los distintos componentes del sistema se unen a través de ductos metálicos, los cuales pueden ser bridados para unir con tornillos o también pueden ser soldados..

(28) Figura 10. Silenciadores. 1.2.5 Sistema de lubricación. El sistema de lubricación de un vehículo se utiliza para disminuir las pérdidas por fricción en las superficies de dos piezas en contacto creando una capa de lubricante entre las dos superficies, ayuda a prevenir el desgaste de las piezas y remueve contaminantes como partículas metálicas y carboncillos que pudieran actuar como partículas abrasivas causando rayones severos a las superficies.. Además tiene utilidad como método de. remoción de calor de partes que no están refrigeradas por el sistema de refrigeración. Según Maleev5 la lubricación automotriz se ha realizado con varios métodos: •. Gravedad: consiste en surtir lubricante mediante la caída de este, principalmente en gotas o con un chorro, mediante tanques elevados o aceiteras manuales.. 5. MALEEV, V.L. Internal-Combustion Engines: Theory and Design. Estados Unidos: MCGRAW-HILL COMPANIES INC., 1945..

(29) •. Mecánicos: donde la lubricación se hace por salpique, por baño de lubricante o combinando el método gravitacional con el mecánico.. •. Forzados a presión: este utiliza una bomba, principalmente rotativa de desplazamiento positivo de piñones, que bombea el lubricante a presión a través de los conductos del motor, el cual luego cae a un recipiente por gravedad (al cárter) de donde es nuevamente succionado por la bomba para iniciar el ciclo nuevamente.. •. Combinados: este método, muy utilizado en los motores actuales, combina el surtido a presión y el salpique.. Los motores modernos se lubrican mediante el método combinado, llevando lubricante a presión a través de los conductos hasta los cojinetes del cigüeñal y del árbol de levas, a los seguidores y a los balancines, a los cojinetes de biela y algunas veces a los bulones de los pistones. Las demás piezas en contacto se lubrican por salpique del aceite que se encuentra en el cárter, como las paredes de los cilindros, o los cojinetes de biela, cuando no están surtidos a presión.. En el dibujo de la Figura 11, se muestra un motor con lubricación combinada por presión y salpique. La bomba ubicada en el fondo del cárter succiona aceite a través de un colector con malla y lo envía a presión hacia el filtro. El filtro se fabrica por lo general con un papel filtrante acordeonado y posee además un sistema de by-pass, que impide que cese el flujo de aceite cuando el filtro se obstruye por completo. Después de filtrado, el aceite pasa a un conducto principal (1) y de allí a través de unos conductos principales fluye hacia los cojinetes de cigüeñal a través de una perforación que tiene este último que conduce el aceite hacia las bielas, que también pueden ser perforadas y dejan pasar lubricante hasta los cojinetes del pistón. Del conducto principal pasa hacia la parte superior por un conducto (2) y de allí pasa al eje hueco del árbol de levas (3), donde se distribuye por otros conductos a los seguidores y a los balancines. Después de haber lubricado las partes superiores del motor, el aceite escurre hasta el cárter.

(30) para ser bombeado nuevamente. Igualmente se puede apreciar la lubricación por salpique de los elementos del mecanismo de distribución y de las paredes de los cilindros.. Figura 11. Esquema de un sistema lubricación combinado.. 2. 3. 1. http://www.gordon-glasgow.org/Images/U20_Lubrication_System.JPG. 1.2.6 Sistema de refrigeración.. El sistema de refrigeración tiene como función. la de extraer el exceso de calor generado en el motor durante su trabajo.. En el campo automotriz, se utilizan dos tipos de refrigeración: refrigeración por aire y por agua. La refrigeración por aire, empleada en motores pequeños de bajo.

(31) cilindraje, motores de aviación y en la gran mayoría de motocicletas, utiliza el aire como fluido de transferencia de calor. En este sistema, el bloque de cilindros tiene un conjunto de aletas las cuales maximizan el área de transferencia de calor. Estos motores necesitan el movimiento del vehículo para producir una corriente de aire; en el caso de que el vehículo sea conducido a baja velocidad o en funcionamiento estacionario, se utiliza un ventilador para forzar el aire a través de las aletas y así refrigerar el motor. La refrigeración por agua es la más utilizada en los motores modernos y utiliza agua junto con otros aditivos como líquido de transferencia. Como se ve en el esquema de la Figura 12, el sistema consta de una bomba, un radiador, uno o dos ventiladores, un depósito auxiliar de reposición, un termostato, una tapa de presión, conductos internos en el motor (bloque, culata, tapa de válvulas, entre otros), conexiones flexibles superior e inferior de unión del radiador con el motor y la calefacción, un termocontacto, un sistema de refrigeración para la transmisión (utilizado en vehículos con transmisión automática) y el fluido de trabajo que incluye agua y aditivos anticongelantes como el etilenglicol, anticorrosivos y lubricantes.. Bomba de agua: la bomba es centrifuga, montada sobre un rodamiento lubricado libre de mantenimiento accionada a través de una correa o en algunos casos electrónicamente. El eje de la bomba tiene en sus extremos el acople para la polea de accionamiento y en el otro el rotor centrífugo.. La bomba tiene su. respectivo retenedor para evitar pérdidas de agua.. Radiador: el radiador es un intercambiador de calor compuesto por un serpentín, rodeado con unas aletas de aluminio. En la entrada y la salida del radiador hay unos tanques, por lo general plásticos que reciben el agua caliente del motor y sirven de depósito de succión para la bomba. En vehículos con transmisiones automáticas, en uno de estos tanques se introduce un tanque para refrigeración del aceite de la transmisión..

(32) Figura 12. Esquema de Sistema de Refrigeración (Adaptada de la fuente).. http://www.familycar.com/Classroom/CoolingSystem.htm. Ventilador: es un ventilador axial plástico accionado electrónicamente a través del termocontacto, mediante una correa o con un sistema de zapatas centrífugas. El ventilador tiene un protector polímero que a la par de servir como guarda, sirve como guiador de la corriente de aire, asegurando que esta pase estrictamente a través de las aletas del radiador.. Termostato: es una válvula térmica ubicada entre la salida de agua del motor y la entrada del radiador. Su función es mantener el agua a una temperatura óptima para el funcionamiento del motor.. Cuando el agua se encuentra a baja. temperatura, se cierra, obligando al agua a entrar nuevamente al motor hasta alcanzar una temperatura de diseño.. Esto se hace para lograr que el motor. alcance su temperatura de trabajo rápidamente, evitando que el calor que se produce al iniciarse la marcha se pierda por el radiador.. Ya cuando el agua. alcanza la temperatura correcta de trabajo (alrededor de 95°C) el termostato se.

(33) abre. y. permite. que. el. agua. fluya. hacia. el. radiador. para. evitar. el. sobrecalentamiento.. Termocontacto: es un conector ubicado en la culata en contacto con el agua que al calentarse por encima de lo normal, puede ser en funcionamiento estacionario o al aumentar la carga, hace encender el ventilador.. Tapa de presión y deposito auxiliar: la tapa de presión se encuentra en la parte superior del radiador y mantiene una presión constante en el sistema. Cuando la presión se eleva por encima de lo normal, esta tapa abre un pequeño conducto hacia el depósito auxiliar (a presión atmosférica), descargando agua y manteniendo la presión constante. En caso contrario si la presión es baja, toma agua del depósito hasta alcanzar el nivel requerido.. Recorrido. El agua se bombea desde la parte inferior del radiador por un ducto de caucho. Ya a presión, el agua pasa a través de los conductos del bloque, la culata y el múltiple de admisión, extrayendo calor y subiendo su temperatura. Al salir del motor a través del termostato, recircula por el motor entra a la parte superior del radiador por otro tubo de caucho, recorre el radiador intercambiando calor con la corriente de aire, cae a la parte inferior y es bombeado nuevamente.. 1.2.7 Sistema de distribución. El sistema de distribución es el encargado de controlar los flujos a los cilindros, tanto de admisión y de escape, en forma sincronizada. El control de flujo se hace mediante un sistema de válvulas, que abren y cierran los conductos de la culata.. En los mecanismos de válvulas. mostrados en las Figuras 3 y 4, son válvulas de vástago, pero algunos motores tienen válvulas deslizantes o rotatorias. En el esquema de Obert6 el mecanismo completo consta de un árbol de levas u que es movido mediante el cigüeñal por 6. OBERT, Op. cit., p. 2..

(34) engranajes o por una cadena de tiempo. Cada válvula es accionada por una leva t que levanta a la puntera r (que es un absorbedor de empuje de la leva) y en los motores con cabeza en l la puntera toca directamente con la válvula.. 1.2.7.1 Tiempo de válvulas. Los gases que fluyen hacia y fuera del motor tienen una inercia; una vez que se mueven, se mantendrán así.. El tiempo. asignado a las válvulas controla estos movimientos y de igual forma el correcto desempeño del motor, manteniendo o permitiendo el movimiento del fluido en cada fase del ciclo. Un diagrama de válvulas típico de un automóvil de pasajeros se muestra en la Figura 137.. Figura 13. Tiempo de válvulas para un Jaguar de 3.4L o 3.8L.. JOHN L. LUMLEY. Engines: An Introduction. 7. LUMLEY, John L. The Stanford ESP. Engine: An Introduction. First edition, Cambridge University Press..

(35) En este diagrama la válvula de escape se abre 57 grados de giro del cigüeñal antes del punto muerto inferior (CAD BBC que significa Crack Angle Degrees Befote Bottom Center). Esto se hace para que la presión entre el cilindro mueva hacia fuera los gases de escape. La válvula de escape no se cierra hasta pasar el TC, y la válvula de admisión se abre antes del TC. Durante 30 grados de giro del cigüeñal, las válvulas permanecen abiertas al tiempo, por lo menos a apertura media, esto se llama traslape.. A apertura máxima de la mariposa, los gases de escape que salen por la válvula crean un vacío que incrementa la entrada de carga fresca a los cilindros, inclusive antes de que el pistón comience su carrera de admisión. A cargas parciales, la situación se complica porque al ser la presión del múltiple de escape mayor que en el múltiple de admisión, se presenta contraflujo hacia la admisión.. La válvula de admisión se mantiene abierta 57 grados de giro del cigüeñal después del punto muerto inferior (CAD ABC que significa Crack Angle Degrees After Bottom Center), aunque sólo abierta aproximadamente un 60% en el BC, porque la carga fresca alcanzando los cilindros conserva su inercia y continua su camino a pesar de que el cilindro haya comenzado a subir.. La válvula de. admisión no se cierra hasta que los gases no son presionados a salir por el aumento de presión en el cilindro, lo que maximiza la masa confinada en el cilindro. Este efecto será diferente dependiendo de la longitud y configuración de los múltiples, ya que éstas son las columnas de aire que se aceleran y desaceleran. El efecto también cambia con la velocidad del motor. En la Tabla 1 se muestran valores típicos de tiempos de válvulas, potencia y RPM para automóviles de producción, automóviles deportivos y autos de la competencia de la categoría norteamericana NASCAR8.. 8. Ibid., p. 24..

(36) Tabla 1. Desempeño de autos de producción, deportivos y de competencia NASCAR.. Admisión abre antes del TC Admisión cierra después del BC Escape abre antes del BC Escape cierra después del TC Potencia kW (HP) N (rpm). Motores de Producción 3. Deportivos 20. NASCAR 60. 47 47 3 179 (240) 4500. 50 60 10 261 (350) 5500. 70 90 40 447 (600) 8500. Traducción de Engines: An Introduction.

(37) 2. FUNDAMENDAMENTOS TEÓRICOS UTILIZADOS POR EL ESP PARA EL ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS QUE COMPONEN EL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA. Esta parte describe detalladamente los fundamentos teóricos aplicables al funcionamiento del motor, incluyendo aspectos termodinámicos, de transferencia de calor, de mecánica y dinámica de fluidos que igualmente son base de cálculo del Programa ESP, consiguiendo así todas las bases necesarias para una comprensión correcta de los fenómenos que ocurren en el motor y la forma de trabajo del simulador.. El ESP tiene como tarea fundamental la simulación del desempeño termodinámico de motores de combustión interna con carga homogénea, considerando un solo cilindro y utilizando un análisis cero dimensional, una aproximación geométrica de la estructura de la llama y un modelo de turbulencia de una ecuación que permite conocer sus efectos sobre la combustión y transferencia de calor durante el ciclo.. Para hacer la descripción de lo que pasa entre el cilindro, el Programa se basa en modelos obtenidos de ecuaciones diferenciales ordinarias que se obtienen de hacer balances de energía, balances de masa, la ecuación del modelo de turbulencia y otras ecuaciones auxiliares que relacionan las variables entre sí. En el modelo utilizado por el ESP el gas en el cilindro es idealizado como una mezcla perfecta, exceptuando la etapa de quemado donde el gas se divide en dos zonas, quemado y no quemado. El análisis de esta etapa se realiza basada en el Programa STANJAN. Este Programa es un complemento del paquete del ESP, el cual genera una tabla de propiedades termodinámicas cada cien grados Kelvin para una reacción. El STANJAN permite introducir los reactivos de la combustión con un combustible a escoger, su respectivo número de moles y de acuerdo a una serie de condiciones de evaluación especificadas por el usuario, tales como presión de reacción y de salida de productos, permite seleccionar los productos de la combustión y a su vez permite guardar una tabla de.

(38) propiedades termodinámicas, que es posible cargar en el ESP y permite trabajar con condiciones diferentes a las determinadas.. El flujo de la mezcla es analizado como flujo compresible isentrópico, asumiendo coeficientes de descarga y, además, considerando la posibilidad de que se presente un contra flujo en la válvula de admisión y escape. Las 9. presiones en los múltiples son consideradas como constantes, y son indicadas por el usuario .. La transferencia de calor del fluido a las paredes es calculada utilizando un modelo de transferencia por convección forzada, que mediante la analogía de Reynolds, utiliza un número de Stanton especificado por el usuario, basado en la velocidad de turbulencia.. La transferencia de calor del flujo a través de las. superficies de las válvulas se calcula igualmente con un modelo de transferencia de calor por convección forzada, donde se calcula un número de Stanton de acuerdo a la velocidad de turbulencia del fluido a través de la válvula.. La ignición ocurre cierto número de grados de giro del cigüeñal, especificados por el usuario, y se asume no como un encendido gradual de la mezcla no quemada a partir del arco eléctrico, sino como el encendido instantáneo de cierta fracción de masa sin quemar (unburned).. Después de la ignición, la llama se propaga a. través del cilindro de acuerdo a una geometría especificada por el usuario, generalmente un frente de llama esférico que divide el cilindro en una zona de gas quemado y no quemado, este último cediendo su masa a la parte quemada a medida que avanza el frente de llama a una velocidad específica.. Una característica única en el ESP es el uso de un modelo de turbulencia utilizado para calcular el parámetro de velocidad de turbulencia utilizado en los modelos velocidad de llama y transferencia de calor. En lugar de considerar los gases como homogéneos y estáticos, el modelo calcula la energía cinética promedio por unidad de masa de los gases entre la cámara producida por el movimiento del cilindro y los cambios de densidad que se presentan durante el proceso, 9. Ibid., p. 24..

(39) permitiendo calcular flujos de energía cinética que entran y salen, al igual que las pérdidas que se producen para generar toda esta turbulencia10.. Los cálculos del ESP siguen cuatro procesos: Compresión, Combustión, Expansión e Intercambio de gases.. La compresión inicia cuando se cierra la. válvula de admisión y se hace la combustión; la expansión se inicia cuando termina la combustión y continua hasta que se abra la válvula de escape y, finalmente, la etapa de intercambio de gases ocurre en el lapso desde que se abre la válvula de escape hasta que la válvula de admisión se cierra.. A continuación se explicará cada proceso detalladamente, su fundamento teórico y las relaciones matemáticas que lo caracterizan.. Características de los gases. Como paso inicial, el ESP asume que en los gases la energía interna u y su entalpía h= u + Pv, son función únicamente de la temperatura. Entonces para cada cambio de temperatura durante el ciclo, se calcula la respectiva entalpía y energía interna; este procedimiento se realiza en el ESP a través del ESPJAN, que calcula estas propiedades en función del tiempo en intervalos de 100K desde 200K hasta 4900K, y los componentes y condiciones de evaluación de la reacción, basándose en la reacción de combustión de hidrocarburos y tomando parámetros como las condiciones ambientales, que son especificadas por el usuario. El ESP guarda estas tablas y las utiliza en posteriores cálculos.. 2.1 ANÁLISIS DEL PROCESO DE COMPRESIÓN. 10. Ibid., p. 24..

(40) En éste proceso, el gas entre el cilindro se asume como un sistema cerrado de masa constante y se hace un balance de energía aplicando la primera ley de la termodinámica para un sistema (ley de la conservación de la energía):. .. Q=. dε . +W dt. (1). De donde se obtiene la expresión de calor, despreciando los cambios de energía cinética y potencial, en términos de la energía interna U y el trabajo hecho de un punto 1 a un punto 2, W.. Figura 14. Esquema de primera ley.. 1. Q2 = U 2 − U1 + ∆Ec + ∆E p + 1W2. 1. Q2 = U 2 − U1 + 1W2. (3). Con esto en mente y relacionando con los términos que se tienen para el sistema pistón-cilindro (Figura 15):.

(41) Figura 15. Primera ley para la cámara de combustión durante la compresión. −Qc = U c − W p , derivando:. .. − Qc =. dU c . −W p dt. . dU c . − W p + Qc = 0 dt. (4). .. Donde. Q c es el calor transferido a las paredes del cilindro y a la cabeza del. pistón, negativo porque sale del sistema,. dU c es el cambio de la energía interna dt .. de la mezcla contenida en el cilindro respecto al tiempo y W p es la potencia que el pistón hace sobre los gases en la compresión..

(42) Para el cálculo de la potencia del pistón utilizamos la relación entre presión, área de aplicación y velocidad:. .. W p = PAp. dz dz =F dt dt. Donde P es la presión en el cilindro, Ap es su área transversal y. (5). dz es la dt. velocidad …ver numeral 1.2.2.1… del pistón respecto al punto muerto superior (TDC). Los datos de velocidad y área del cilindro se obtienen de los cálculos basados en información de frecuencia del motor y dimensiones geométricas proporcionadas por el usuario, basadas en los siguientes parámetros explicados por Lumley11: •. A partir de la presión efectiva (Mean Effective Pressure), presentada durante la compresión y la expansión dada por la ecuación:. P = (mep) Ap Sn. N N = (mep )Vd x x. (6). Donde P es la potencia, mep es la presión efectiva, Ap es el área del pistón, S es el recorrido, n es el número de cilindros, N es la velocidad en rpm y X son las revoluciones por carrera de potencia. Para motores a cuatro tiempos X=2 y para motores de dos tiempos X=1. El término Vd es el desplazamiento total. •. La velocidad media del pistón, tomando un promedio del tiempo esta dada por:. 11. Ibid., p. 24..

(43) Vp =. S = 2 NS 1/ 2 N. (7). Donde S es la longitud de la carrera y N es la velocidad del motor en rpm. •. Otro parámetro tenido en cuenta es geométrico con la relación diámetro/carrera. Expresado con la siguiente ecuación:. Pb (bmep )V p = Vd S2X. (8). Donde bmep es la presión efectiva al freno, que resulta de restar las pérdidas de presión por fricción a la presión efectiva.. El cálculo del calor perdido o transferido hacia las superficies de la cámara se basa en la transferencia de calor por convección forzada, ya que el movimiento de los gases dentro del cilindro producido por el pistón y los cambios de densidad, generan una turbulencia que afecta en gran manera lo que sería la pérdida o ganancia de calor de un fluido estático a lo que realmente es, un fluido que se mueve por distintos factores.. Para el cálculo del calor transferido a las superficies se utiliza la siguiente relación:. .. Q c = StcVt ρ CP Ac (Tc − TW ). (9). Donde Stc es un número de Stanton para el cilindro que se explica más adelante, Vt es la velocidad de turbulencia definida por Lumley como Vt = 0.5V p , ρ es la.

(44) densidad del fluido, CP es el calor específico a presión constante, Ac es el área de transferencia de la superficie del cilindro, Tc es la temperatura del fluido entre el cilindro y Tw es la temperatura de las paredes internas de la cámara.. Que resulta de la expresión básica de transferencia de calor por convección (10) donde se despeja el término de Stanton de la ecuación (12) explicada por Pitts12: Q = hA(Tc − Tw ) .  hx Qc =   ρC V p t . (10).   Vt ρ CP Ac (Tc − TW ) . .. Q c = ( hx ) Ac (Tc − TW ). Para esta comparación se hace uso de la Analogía de Reynolds para el flujo con intercambio de calor, la cual mediante un grupo adimensional llamado número de Stanton (St), proporcional al calor transferido sobre la capacidad térmica del fluido, relaciona la fricción superficial. con la transferencia de calor y es usada para. cálculos de convección forzada en particular (Figura 16). El número de Stanton es equivalente a:. St x =. Nu x Re x Pr. (11). Donde Nu x es el número de Nusselt, Re x es el número de Reynolds y Pr es el número de Prandt correspondiente.. 12. PITTS, Donald R. SISSOM, Leighton E. Convección Forzada: Flujo Turbulento. Teoría y Problemas de Transferencia de Calor. Primera edición, Editorial Mc Graw-Hill..

(45) Figura 16. Esquema del flujo con transferencia de calor entre la cámara de combustión. Pero este número es definido a menudo de la siguiente forma:. St =. h C p ρV. (12). Donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección, C p es el calor específico del fluido, ρ su respectiva densidad y V la velocidad del fluido. Para nuestro caso, la velocidad del fluido es la velocidad de turbulencia que se obtiene del modelo de cambio de la energía cinética que se explicará mas adelante.. Datos experimentales dados por Lumley corroboran que en un flujo a alta velocidad, la dirección del flujo de calor en la superficie es independiente de la.

(46) diferencia entre la temperatura de la pared y la temperatura de la corriente libre, como en los flujos de baja velocidad, pero es dependiente de la diferencia entre la temperatura real y adiabática de la pared.. Entonces para correlacionar estos. datos experimentales, se toma la expresión de transferencia de calor por convección y reemplazamos el coeficiente de convección por hc , que es el coeficiente de convección del flujo a alta velocidad. Entonces se tiene:. hc =. qc A (Tw − Twa ). (13). Donde qc es el calor transferido a las paredes del cilindro, A es su respectiva área, Tw es la temperatura real de la pared y Twa es la temperatura adiabática de la pared del cilindro.. Ahora si se reemplaza (13) en la definición de flujo de calor para un fluido a una temperatura constante que esta en contacto con una superficie con Pr=1, se tiene13: qs g cτ s = C p ( Tw − Twa ) A V∞ hc =. g cτ s Cp V∞. (14). O de forma adimensional: C hc 1 g cτ w = St = = f 2 V∞ C p ρ∞ 2 ρ∞V∞ / 2 2. 13. Ibid., p. 34.. (15).

(47) Se puede ver que el número de Stanton es igual a la mitad de la fricción superficial si el coeficiente de convección se define como la ecuación anterior y si las propiedades físicas se mantienen constantes. Cabe decir que la asunción de esta última ecuación es valida inclusive si los valores de las propiedades cambian con la temperatura, siempre y cuando éstas sean evaluadas correctamente.. 2.2 ANÁLISIS DE LA ETAPA DE IGNICIÓN. La ignición de la mezcla aire-combustible en el motor de encendido por chispa, según Obert14, se asegura al establecer un arco eléctrico a través del espacio entre los electrodos de una o varias bujías. Pero la acción de este arco eléctrico tiene varias teorías de acción o formas de cómo se activa la mezcla. Una de ellas es de la acción eléctrica de la chispa, la cual comprende una acción capacitiva y otra inductiva. Al ser el arco producido por la descarga de un condensador, este se caracteriza por tener una alta frecuencia y una duración muy limitada, por lo tanto, la intensidad de la corriente es muy alta, produciendo una ionización de las partículas por la gran cantidad de energía liberada.. El efecto de la acción. inductiva, si el circuito tiene tanta inductancia como capacitancia, será de menor frecuencia pero más prolongado para disipar la misma cantidad de energía, produciendo menor ionización pero mayor activación de las moléculas que un arco capacitivo.. Probablemente la acción inductiva es la más efectiva para asegurar el encendido de la mezcla, ya que son las partículas activadas y no los iones los que influyen en la ignición, sin embargo, se debe sentar como base que el encendido es asegurado por la acción térmica de la chispa.. 14. OBERT, Op. cit., p. 2..

(48) La acción térmica considera la adición de energía mediante la chispa a un pequeño volumen de mezcla, este alcanza una temperatura de encendido y libera energía química. Esta mezcla encendida a alta temperatura disipa calor a las partes aún no quemadas con gran rapidez y asegura el poder quemar toda la mezcla en el cilindro al ser la proporción de energía química liberada mayor que la energía que se transfiere a la mezcla sin encender.. Con base en esto, se puede decir que la acción capacitiva de la chispa sería la más influyente en la acción térmica, pero al diseñarse los sistemas de encendido, se tiene en cuenta que las tres formas de ignición son factores para el buen funcionamiento del motor y se busca que la ignición se haga de la mejor forma posible.. Al producirse la chispa, esta quema una porción esférica del volumen contenido y se propaga igualmente con un frente esférico limitado por la cámara de combustión.. Ya independientemente de cómo se produce la chispa, la esfera. incandescente pierde su capacidad de transferencia de calor al aumentar su radio, se procura entonces quemar un volumen grande desde un principio. Esto se logra aumentando el espacio entre electrodos de la bujía.. Entonces el éxito del. encendido se apoya en: •. Una esfera grande estará menos expuesta a la extinción que una pequeña por pérdidas por conducción.. •. Es más posible encontrar mezcla combustible en un espacio grande entre electrodos que en uno pequeño.. •. Entre mayor sea la superficie inflamada se asegura un arranque mas rápido de la combustión.. Con esto en mente, el simulador ESP considera la etapa de ignición como una discontinuidad entre los procesos de compresión y combustión que ocurre a un.

(49) ángulo de giro del cigüeñal especificado previamente. Este proceso inicia con la combustión instantánea de una fracción de los gases contenidos en el cilindro (también predefinido), generando así una división de gases quemados y no quemados, los cuales son homogéneos y se encuentran a la misma presión. También se asume que no hay transferencia de calor o trabajo hecho por el pistón y por consiguiente al no haber trabajo hecho por el pistón, éste no se está moviendo lo que asegura que todo el proceso se realiza a volumen constante.. Entonces haciendo un balance de masa, energía y volumen entre el cilindro se tiene (Figura 17): Mu + Mb = Mc. (16). Uu + Ub = Uc. (17). Vu + Vb = Vc. (18). Figura 17. Esquema de la cámara de combustión durante la ignición.

(50) Donde M corresponde a la masa, U a la energía interna, V el volumen y los sufijos u, b y c corresponden a no quemado (unburned), a quemado (burned) y a lo contenido en el cilindro.. Ahora reemplazando de la expresión U = mu ,. expresando (17) en términos de energías internas específicas u y partiendo del hecho de que la ignición se realiza en un instante en que la cámara se encuentra a volumen constante: M u uu (Tu ) + M b ub (Tb ) = U c. (19). Donde uu y ub son las energías internas específicas de las dos zonas y P+ es la presión después de la ignición. Igualmente al tomar (18) y utilizar la expresión de volumen específico V = mv , se obtiene:.

(51) M u vu (Tu , P+ ) + M b vb (Tb , P+ ) = 14 4244 3 14243 Volumen de mezcla no quemado despues de la ignición. Volumen de mezcla quemada despues de la ignición. (20). Vc { Volumen del cilindro al momento de la ignición. Donde vu y vb son los volúmenes específicos de las dos zonas y P+ es la presión después de la ignición.. Otra consideración importante que hace el Programa es que los gases no quemados son isentrópicamente comprimidos por los gases quemados. Esto es que el frente de llama que avanza va quemando gas sin quemar a su paso, pero al mismo tiempo los comprime, y según el ESP, en esta compresión no hay pérdida ni calor transferido por el fluido que está siendo comprimido.. Con ésta. consideración se tiene:. su (Tu , P+ ) = su (T− , P− ) 1424 3 1424 3 Entropía zona no quemada a presión despues de ignición. (21). Entropía zona no quemada a presión antes de ignición. Donde su es la entropía específica de la zona no quemada, Tu es la temperatura después de la ignición, T− y P− corresponden a la temperatura y presión antes de la ignición.. Entonces la fracción de gas quemado se toma de la fracción que el usuario especifica y lo no quemado se obtiene del balance de masa, además, los balances de energía interna, de volúmenes y del hecho que hay una compresión isentrópica, tenemos un sistema de ecuaciones no lineales para P+ , Tu y Tb .. M bub (Tb )   U c  M u uu (Tu )       M u vu (Tu , P+ ) M b vb (Tb , P+ )  =  Vc   s (T , P )   s (T , P )   u u +   u − − .

(52) Linearizando la ecuación de energías internas se tiene:. _ _ _ _ _ _     M u u u + Cvu  Tu − Tu   + M b u b + Cvb  Tb − Tb   = U c      . (22). Ahora multiplicando la ecuación de volúmenes por P y linearizando:. _ _ _ _ _ _ _ _     _ M u  P vu + Ru  Tu − Tu   + M b  P vu + Rb  Tb − Tb   = PVc      . (22). Ahora, como la mezcla no quemada se comprime suavemente por la porción quemada, podemos tratarla como si tuviera calor específico constante, y de la condición que se tiene una compresión adiabática reversible (isentrópica), entonces: Pv k = cte,. T2  P2  =  T1  P1 . _ P+  T U = P−  T−  _. k −1 k. k.  k −1   . (23). _. Con esta última expresión se halla P + , y con esta nueva presión se resuelve el sistema nuevamente hasta la convergencia.. 2.3 ANÁLISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN.

(53) El proceso de combustión en el motor encendido por chispa, según Obert15, se inicia cuando las moléculas que están en ella y las que se encuentran alrededor alcanzan un nivel de energía suficiente para mantener la reacción por si mismas. El cambio de presión en este instante es pequeño ya que la fracción de partículas energizadas es muy pequeña, por lo que se considera que la combustión de cada elemento infinitesimal ocurre a presión constante. En esta parte la velocidad de la llama es lenta ya que se forma una zona de reacción, que se establece por lo general en zonas de poca turbulencia, de ahí que las bujías se sitúen en lugares cercanos a la superficie de la cámara y que el encendido de la chispa se haga antes de terminar el proceso de compresión para asegurar que el proceso se haga a alta presión.. Después de hacerse la ignición por parte de la bujía, la reacción avanzará desde ella con un frente de forma esférica, con límites un poco rasgados por las corrientes convectivas producidas por la turbulencia, como se ve en la Figura 18, que muestra el desempeño de la combustión a medida que gira el cigüeñal. Además, la llama también se ira enfriando en las zonas cercanas a las paredes por el calor perdido a través de ellas.. Entonces al producirse el frente de llama esférico denotando una zona incandescente, esta ira creciendo y recorriendo la cámara de combustión, tomando parte de la mezcla aún sin encender pero también comprimiéndola, asegurándose que la combustión de cualquier parte de la mezcla se haga a presión constante así la presión a través del proceso haya aumentado, lo que quiere decir que el aumento de presión se ve compensado por el aumento del volumen de la cámara. Este frente de llama se mueve lentamente al principio entre la mezcla fría (alrededor de 9m/s, ver Figura 19), lo que restringiría enormemente la velocidad del motor pero la rapidez del frente se puede multiplicar. 15. OBERT, Op. cit., p. 2..

(54) aumentando la turbulencia de la mezcla y asegurando que las partes encendidas y las que no, se mezclen entre sí.. La propagación de la combustión, partiendo que se busca favorecer la reacción química entre combustible y oxígeno, estaría favorecida por una mezcla rica, ya que la liberación de átomos de hidrógeno altamente activados que se difundan entre la mezcla fría es más probable. Pero de allí parten otras formas de hacer que la combustión sea eficiente sin necesidad de utilizar una mezcla rica, que a la larga es inconveniente económicamente, utilizando otras formas como el aumento de la turbulencia dentro de la cámara.. Figura 18. Avance de la combustión respecto al giro del cigüeñal.. EDWARD F. OBERT. Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones Figura 19. Velocidad de la llama..

(55) EDWARD F. OBERT. Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones. El ESP considera el proceso de combustión definiendo la zona quemada y no quemada como homogéneas, además, durante el proceso, las presiones de ambas zonas se considera igual.. Entonces aplicando primera ley de la. termodinámica, se hace un balance de energía para cada zona (Figura 20):. Figura 20. Flujos de energía en las dos zonas de combustión. .. .. Qu. Qb. . .. Wu. .. mb hu. Unburned. Wb. Burned. JOHN L. LUMLEY. Engines: An Introduction. Entonces para la zona no quemada (unburned) se hace el balance:.

(56) Energía1 = Energía2. Entonces si se toma el cilindro como un sistema de estado uniforme-flujo uniforme y se aplica primera ley siguiendo los flujos de la Figura 12:. (Q + W + ∑ M h ) + (Q i. i. i i. e. .. + We + ∑ M e he ) = ( M 2u2 − M 1u1 ) .. − M b hu − Q u = Pc. dVu dU u + dt dt. (24). Donde los términos a la izquierda de la igualdad representan calor que sale del .. sistema hacia las paredes de la cámara ( Qu ) y hacia la zona no quemada de la .. mezcla ( M b hu ). Los términos de la derecha son en su orden el trabajo realizado por el cambio de volumen de los gases sin quemar y el cambio de su energía interna ambas respecto al tiempo.. Para la zona quemada (Burned) se tiene aplicando primera ley para sistema de estado uniforme-flujo uniforme:. dU b dt . . dV dU b M b hu = Qb + Pc b + dt dt .. .. .. M b hu − Q b = W b +. .. (25). .. Donde Q b es el calor transferido a las paredes de la cámara, M b hu es la energía transferida a la zona no quemada, Pc de los gases y. dVb es el trabajo realizado por la expansión dt. dU b es el cambio de energía interna. dt.

(57) Ahora se tiene la ecuación de continuidad, una ecuación auxiliar de volumen y la ecuación de estado para gas ideal:. .. .. M u = M b,. Vc = Vu + Vb. PV = MRT. Vc =. M u RuTu M RT + b b b Pc Pc 1 424 3 1 424 3 Volumen zona no quemada. (26). Volumen zona quemada. Ahora multiplicando por Pc y derivando se tiene:. Vc. . dPc dV dT dT + Pc c = M uα u` u + M bα b` b + M b (α b − α u ) dt dt dt dt. Donde α (T ) = RT , y α ` (T ) =. (27). dα . dt. Ahora reescribiendo los balances de energía por zona en términos de U=h-Pv se tiene: U = H − PV. dU dH dV dP = −P −V dt dt dt dt. Ahora reemplazando (28) en (24) para la zona no quemada:. (28).

(58) .. .. − M b hu − Q u = Pc. dVu dH u dV dP + − Pc u − V c dt dt dt dt. .. .. − M b hu − Q u =. dH u dP −V c dt dt. (29). Reemplazando (28) en (25) para la zona quemada:. .. .. M b hu = Qb + Pc. dVb dH b dV dP + − Pc b − Vb c dt dt dt dt. .. .. M b hu = Q b +. dH b dP − Vb c dt dt. (30). Si se expresa la entalpía como H=mh y que dh=Cp*dt, se tiene:. M u C pu. dTu dP . = Vu c − Q u dt dt. (31). y. M bC pb. . dTb dP . = Vb c − Qb + M b (hu − hb ) dt dt. (32). Ahora reemplazando en la derivada de la expresión de volumen:. (Vc − βuVu − βbVb ). . . . . dPc dV = − Pc c + βb M b (hu − hb ) − ( β u Qu + β b Qb ) + M b (α b − α u ) (33) dt dt. Donde β (T ) = α ` / C p . Mediante esta última relación el ESP integra para hallar tomando. β=. C γ −1 , donde γ = p Cv γ. dPc dt. para cada zona, se hallan las entalpías.

(59) correspondientes y se itera desde los balances de masa para obtener las nuevas temperaturas.. Para hallar el volumen de mezcla no quemada se utiliza la. siguiente relación que multiplicada por Vu , dividida por Vc Pc :. Vc =. M u RuTu M b RbTb + Pc Pc. ( MRT )u Vu = Vc ( MRT )u + ( MRT )b. (34). Finalmente la presión se calcula de la ecuación de estado del gas ideal.. Ya para valores que son necesarios dentro de las ecuaciones tales como calores transferidos y flujos de masa, el procedimiento utilizado es el siguiente:. Para cálculo del calor que se transfiere a las dos zonas se utilizan las siguientes expresiones:. .. Qu = StuVtu ρu CPu Au (Tu − TW ). (35). .. Qb = StbVtb ρbCPb Ab ( Tb − TW ). (36). Cuyo origen fue explicado en la parte 2.2. y en donde Stu y Stb son números de Stanton especificados por el usuario basadas en las correspondientes velocidades de turbulencia Vtu y Vtb en cada zona y las áreas Au y Ab se determinan mediante una tabla de geometría de llama seleccionada por el usuario, dependiendo si se toma un frente esférico o cilíndrico.. Para los flujos de masa se tiene:.

(60) .. M b = Af ρuV f , V f = VL + C f Vtu. Donde A f. (37). es el área proyectada del frente de llama, ρu es la densidad de la. mezcla no quemada y V f es la velocidad del frente de llama. Los términos de la velocidad de llama son VL que es la velocidad de la llama y el término Vtu que es la velocidad de turbulencia que se produce por los cambios rápidos de densidad y la compresión rápida. Estos datos son proveídos por la tabla de geometría de llama, que indica como crece el frente de llama a medida que gira el cigüeñal, y ofrece varias opciones de configuración de la llama.. El ciclo o etapa de combustión finaliza cuando la válvula de escape se abre y se inicia el ciclo de intercambio de gases.. 2.4 PROCESO DE EXPANSIÓN. En este proceso, al igual que en el proceso de compresión, el gas entre el cilindro se asume como un sistema cerrado de masa constante y se hace un balance de energía aplicando la primera ley de la termodinámica para un sistema (ley de la conservación de la energía, ecuación 1):. .. Q=. dε . +W dt. De donde se obtiene la expresión de calor, despreciando los cambios de energía cinética y potencial, en términos de la energía interna U y el trabajo hecho de un punto 1 a un punto 2, W..