UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
CONSTRUCCIÓN DE UN INSTRUMENTO DE MEDIDA DE
FLUJO DE AIRE PARA LA PREPARACIÓN DE CABEZOTES
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
DIEGO ADALBERTO GARCÍA MERA
MSC. ALEXANDER PERALVO
Yo DIEGO ADALBERTO GARCÍA MERA, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ Diego Adalberto García Mera
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Construcción de un instrumento de medida de flujo de aire para la preparación de cabezotes”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Diego García, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
Msc. Alexander Peralvo DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Quiero empezar agradeciendo a Dios por haberme dado la oportunidad de terminar mis estudios, como también a mis Padres por su gran esfuerzo y todas sus enseñanzas, a mis Abuelitos, mis Hermanos, mis Tíos, mi Tías, por haberme dado siempre su respaldo y apoyo incondicional.
A la Arq. Mercedes Mera por su respaldo en toda mi carrera.
A los Ingenieros Nilo García y Gerardo García por su ayuda inmejorable para la elaboración de la presente investigación.
A mi novia por su gran apoyo a través de toda mi carrera, al equipo P-Powering por permitirme el desarrollo profesional.
A las personas que de una u otra manera contribuyeron con mi crecimiento profesional.
PRELIMINARES
Pagina en Blanco………..…… I
Carátula………. II
Declaración ………….………... IV
Certificación ………..………...…. V
Dedicatoria……….………..…. VI
Agradecimiento……….… VII
Índice General……….….. VIII
Índice de Figuras..………... XIV
Índice de Tablas……… XVII
Índice de Anexos……….……. XVIII
Resumen………..… XX
1. MECÁNICA DE FLUIDOS ... 3
1.1. TIPOS DE FLUJO ... 3
1.1.1. FLUJO TURBULENTO: ... 3
1.1.2. FLUJO LAMINAR: ... 7
1.1.3. FLUJO INCOMPRESIBLE: ... 7
1.1.4. FLUJO COMPRESIBLE: ... 8
1.1.5. FLUJO PERMANENTE O FLUJO ESTACIONARIO: ... 8
1.1.6. FLUJO NO PERMANENTE: ... 9
1.1.7. FLUJO UNIFORME: ... 9
1.1.8. FLUJO NO UNIFORME: ... 10
1.1.9. FLUJO UNIDIMENSIONAL: ... 10
1.1.10. FLUJO BIDIMENSIONAL: ... 11
1.1.11. FLUJO TRIDIMENSIONAL: ... 11
1.1.12. FLUJO IDEAL: ... 12
1.1.13. FLUJO AXIAL: ... 12
1.2.1.1. Ondas de compresión y de expansión ... 15
1.3. LEY DE BOYLE-MARIOTTE (LEY FUNDAMENTAL DE LOS GASES) ... 18
1.4. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD ... 19
1.5. TEOREMA DE BERNOULLI ... 20
1.6. NÚMERO DE REYNOLDS ... 21
1.7. VENTILADORES ... 22
1.7.1. CLASIFICACIÓN DE LOS VENTILADORES... 23
1.7.1.1. Clasificación según la presión total desarrollada ... 23
1.7.1.2. Clasificación según la dirección del flujo ... 23
1.7.2. Teoría de los ventiladores ... 24
CAPITULO II ... 29
2. CABEZOTES ... 29
2.1. INTRODUCCIÓN ... 29
2.2. TIPOS DE CABEZOTES ... 30
2.2.1.2. Cabezote con circulación transversal ... 31
2.2.2. TIPOS DE CABEZOTES SEGÚN EL ÁRBOL DE LEVAS .... 31
2.2.2.1. SOHC ... 31
2.2.2.2. DOHC ... 32
2.2.3. TIPOS DE CABEZOTES SEGÚN LOS MODELOS CONSTRUCTIVOS DE DISTRIBUCIÓN DE VÁLVULAS ... 33
2.2.3.1. Cabezote con regulación de válvulas por taqués de platillos 33 2.2.3.2. Cabezote con regulación de válvulas por palanca de arrastre o palanca oscilante ... 34
2.2.3.3. Cabezote con regulación de válvulas por balancines ... 34
2.2.3.4. Cabezote con regulación de válvulas por varillas ... 35
2.3. CONSTRUCCIÓN ... 36
2.4. MATERIALES ... 38
2.5. COMPONENTES ... 39
2.5.1. CONDUCTOS DE ADMISIÓN Y ESCAPE ... 39
2.5.2.2. Válvula de escape ... 40
2.5.3. RESORTES DE VÁLVULAS ... 41
2.5.4. ÁRBOL DE LEVAS ... 41
2.6. ONDAS DE PRESIÓN EN EL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN ... 42
2.7. DINÁMICA DE APERTURA Y CIERRE DE LAS VÁLVULAS ... 45
CAPÍTULO III ... 49
3. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ... 49
3.1. MEZCLA DE AIRE COMBUSTIBLE ... 49
3.1.1. CARACTERÍSTICAS DEL AIRE ... 50
3.1.2. PRESIÓN ATMOSFÉRICA ... 51
3.1.3. CARACTERÍSTICAS DEL COMBUSTIBLE... 51
3.1.3.1. Octanaje ... 51
3.1.3.2. Curva de destilación ... 52
3.1.3.3. Volatilidad ... 52
3.1.3.4. Contenido de azufre ... 52
3.2.1.1. Tipos de carburadores ... 54
3.2.2. SISTEMA DE INYECCIÓN ELECTRÓNICA ... 55
3.2.2.1. Sistema de inyección mono-punto ... 55
3.2.2.2. Sistema de inyección multipunto ... 56
3.2.3. SISTEMAS DE ADMISIÓN VARIABLE ... 57
CAPITULO IV ... 63
4. DISENO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ... 63
4.1. FASE DE CONSTRUCCIÓN ... 63
4.1.1. DISEÑO ... 63
4.1.2. DIMENSIONES DEL EQUIPO ... 64
4.1.3. MATERIALES Y ACCESORIOS ... 69
4.2. CARACTERÍSTICAS DEL INSTRUMENTO ... 71
4.2.1. MANÓMETROS ... 72
4.2.2. ADAPTADOR ... 75
4.2.3. SOPLADOR ... 75
4.5. MANTENIMIENTO DEL INSTRUMENTO ... 80
4.6. PRUEBAS ... 81
4.6.1. ORDEN DE TRABAJO ... 81
4.6.2. CÁLCULOS ... 81
CAPÍTULO V ... 86
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 86
5.1. CONCLUSIONES ... 86
5.2. RECOMENDACIONES ... 88
6. BIBLIOGRAFÍA ... 90
7. GLOSARIO DE TÉRMINOS: ... 92
Fig. No. 1: Movimiento de un flujo turbulento. ... 3
Fig. No. 2: La rugosidad genera turbulencia. ... 4
Fig. No. 3: La turbulencia en el flujo de entrada genera medidas erroneas. .. 5
Fig. No. 4: Gradientes de presión adversos penetran por atrás del flujo. ... 5
Fig. No. 5: La temperatura genera turbulencia. ... 6
Fig. No. 6: Combinaciones de caudales generan turbulencia... 6
Fig. No. 7: Flujo laminar. ... 7
Fig. No. 8: Flujo incompresible ... 7
Fig. No. 9: Flujo compresible. ... 8
Fig. No. 10: Flujo permanente. ... 8
Fig. No. 11: Flujo no permanente. ... 9
Fig. No. 12: Flujo uniforme. ... 9
Fig. No. 13: Flujo no uniforme. ... 10
Fig. No. 14: Flujo unidimensional. ... 10
Fig. No. 15: Flujo bidimensional. ... 11
Fig. No. 16: Flujo tridimensional. ... 12
Fig. No. 17: Flujo ideal incompresible y carente de fricción. ... 12
Fig. No. 18: Flujo axial. ... 13
Fig. No. 19: Movimiento de un fluido por un conducto. ... 13
Fig. No. 22: Onda de expansión las partículas y la onda van en diferentes
sentidos. ... 16
Fig. No. 23: Fuerzas producidas por los diferentes álabes. ... 23
Fig. No. 24: Ventilador Axial. ... 24
Fig. No. 25: Cabezote de motor. ... 29
Fig. No. 26: Cabezote de contracorriente. ... 30
Fig. No. 27: Cabezote con circulación transversal. ... 31
Fig. No. 28: Componentes de un motor SOHC ... 32
Fig. No. 29: Componentes de un motor DOHC. ... 33
Fig. No. 30: Cabezote con regulación de válvulas por taqués de platillos.... 33
Fig. No. 31: Cabezote con regulación de válvulas por palanca de arrastre u oscilante. ... 34
Fig. No. 32: Cabezote con regulación de válvulas por balancines. ... 35
Fig. No. 33: Cabezote con regulación de válvulas por varillas. ... 35
Fig. No. 34: Robots manipuladores para fundición de cabezotes de aleación de aluminio. ... 36
Fig. No. 35: Válvula. ... 40
Fig. No. 36: Resorte de válvulas. ... 41
Fig. No. 37: Árbol de levas. ... 42
Fig. No. 41: Esquema básico de un sistema mono-punto. ... 56
Fig. No. 42: Inyección multipunto. ... 57
Fig. No. 43: Sistema de admisión ajustable BMW. ... 59
Fig. No. 44: Dimensión y estructura de los conductos de admisión. ... 61
Fig. No. 45: Estructura de admisión resonante. ... 62
Fig. No. 46: Diseño en 3D ... 63
Fig. No. 47: Plano General. ... 65
Fig. No. 48: Dimensiones parte superior ... 66
Fig. No. 49: Dimensiones parte inferior. ... 67
Fig. No. 50: Conjunto válvula reguladora ... 68
Fig. No. 51: Cartilla de mediciones. ... 74
Fig. No. 52: Adaptador cabezote. ... 75
Tabla 1: Dimensiones totales del instrumento. ... 64
Tabla 2: Materiales utilizados en el prototipo. ... 69
Tabla 3: Accesorios utilizados en el prototipo. ... 70
Tabla 4: Combinaciones orificios de medida. ... 71
Tabla 5: Cálculo de los orificios. ... 72
Tabla 6: Divisiones del manómetro inclinado. ... 73
Tabla 7: Costo del instrumento. ... 77
Tabla 8: Para válvula de admisión de cámara semiesférica y válvula de escape en general. ... 83
Anexo No. 1: Construcción gabinete parte superior ... 95
Anexo No. 2: Construcción Gabinete parte inferior ... 95
Anexo No. 3: Armado del Gabinete ... 96
Anexo No. 4: Pintura del gabinete ... 96
Anexo No. 5: Parte posterior ... 97
Anexo No. 6: Conjunto válvula reguladora ... 97
Anexo No. 7: Acoples mangueras ... 98
Anexo No. 8: Subconjunto válvula reguladora ... 98
Anexo No. 9: Válvula reguladora, acoples y cañerías para medición. ... 99
Anexo No. 10: Bases del soplador ... 99
Anexo No. 11: Coraza del soplador ... 100
Anexo No. 12: Aspas del soplador ... 100
Anexo No. 13: Soplador ... 101
Anexo No. 14: Soplador con mangueras ... 101
Anexo No. 15: Chapa con seguros para los orificios de medida ... 102
Anexo No. 16: Flujómetro ... 102
Anexo No. 17: : Flujómetro en 3D ... 103
Anexo No. 18: Tablas de sopladores ... 104
Anexo No. 19: Recorrido del aire a traves del eqipo ... 104
Anexo No. 22: Plano álabes ... 107
Anexo No. 23: Orden de trabajo ... 108
Anexo No. 24: Prueba de flujo de un cabezote de Mini austin 1300CC ... 109
Anexo No. 25: Potencial de flujo a traves de la válvula ... 110
Anexo No. 26: Potencia teórica a la que se podría llegar modificando el cabezote ... 111
El presente proyecto tiene como objetivo diseñar un instrumento para medir la resistencia a la circulación del aire que se genera en todo el sistema de alimentación del motor y sistema de escape. Para probar múltiples o conductos de admisión del cabezote el aire es aspirado a través de este hacia el interior del equipo, por medio de una válvula se regula la presión, dicho aire es expulsado al exterior a través de unos orificios calibrados que miden el caudal de flujo (CFM) para pruebas de escape se sigue el proceso inverso.
La presión de prueba se mide con un manómetro de columna de agua que tiene un orificio conectado al exterior para tomar la presión atmosférica, el otro orificio va conectado a la entrada de la celda de aspiración. Se puede calibrar el flujo a diferentes presiones de prueba por ejemplo 5”, 8”, 10”, etc.(pulgada de columna de agua), haciendo una prueba de flujo del cabezote a 10”, se puede calcular la potencia del motor y el régimen correspondiente.
Esta presión se regula con una válvula ubicada en frente del panel de control. El porcentaje de flujo se lee en un manómetro inclinado que como en el caso anterior, tiene un orificio conectado al exterior y otro conectado a la celda de expulsión este manómetro tiene una escala que va de 0 a 100 que es el porcentaje.
This project aims to design an instrument to measure the resistance to air flow that is generated throughout the power system of the engine and exhaust system. To test multiple or stubborn inlet of air is provided through an aspirated into the equipment through a pressure regulating valve, the air is exhausted to the outside through orifices calibrated to measure the flow rate (CFM) exhaust testing is the reverse process.
The test pressure is measured with a water column manometer that has a hole connected to the outside atmospheric pressure to take the other port is connected to the inlet of the vacuum cell. You can calibrate the flow test at different pressures such as 5 ", 8", 10 ", etc.. (Inch of water column), with a flow test of stubborn to 10", one can calculate the engine power and the relevant scheme.
This pressure is regulated with a valve located in front control panel. Flow rate is read on a gauge inclined as in the previous case, has a hole connected to the outside and one connected to the cell to expel this gauge has a scale ranging from 0 to 100 which is the percentage.
1. Planteamiento del problema
1.1. Los cabezotes que se preparan para competencias necesitan ciertas modificaciones en las toberas de admisión y escape y no se cuenta con los equipos adecuados, estas modificaciones se las realiza muchas veces de forma empírica.
1.2. La preparación del cabezote es una parte fundamental de la preparación de motores en especial en las toberas de admisión y escape ya que sabiendo aprovechar esto podemos aumentar hasta en un 30% la potencia de un motor dependiendo del tipo del mismo, para lo cual se debería tecnificar la preparación con instrumentos adecuados que nos simulen o predigan el aumento necesario para la potenciación.
2. Objetivos
2.1. Objetivo General
Construir un instrumento que mida el flujo de aire que pasa atraves de un conducto.
2.2. Objetivos específicos
2.2.1. Definir cada una de las partes que se necesitará para la construcción. 2.2.2. Establecer el diseño para la realización del instrumento.
2.2.3. Orientar las acciones de acuerdo al diseño para fabricar el instrumento de medida de flujo de aire.
3. Justificación
Es un instrumento muy necesario que deberían tener todos los preparadores de vehículos ya que así se podría preveer si los cabezotes han sido correctamente modificados e incluso significaría un gran ahorro ya que la mayoría espera a que el motor funcione para saber si se ha hecho un buen trabajo.
4. Hipótesis
Si se selecciona cada una de las partes adecuadas para establecer un diseño que permita cumplir la función del instrumento y sea de fácil utilización demostrando el funcionamiento mediante pruebas entonces se habrá construido un instrumento de medida de flujo de aire.
5. Aspectos metodológicos
5.1. Investigación de la información necesaria para el proceso de diseño y la ejecución del planteamiento de nuestra investigación.
5.2. El campo que abarca la investigación está dirigido a la parte automotriz que se dedica a modificar motores específicamente a la preparación de cabezotes.
5.3. La investigación será experimental porque se construira el prototipo para medir el flujo de aire que pasa por los conductos..
CAPÍTULO I
1. MECÁNICA DE FLUIDOS
La mecánica de fluidos es la parte de la mecánica que estudia las leyes del comportamiento de los fluidos en equilibrio, y en movimiento.1
1.1. TIPOS DE FLUJO
Los tipos de flujos obedecen a la variable que sea de interés en una situación dada. Esas variables pueden referirse al fluido o al flujo mismo, y entre ellas se pueden mencionar la viscosidad, la densidad, la permanencia, el orden, la región, la vorticidad y el comportamiento espacial del flujo.
1.1.1. FLUJO TURBULENTO:
En este tipo de flujo las partículas del fluido se mueven en trayectorias erráticas, es decir, en trayectorias muy irregulares sin seguir un orden establecido, ocasionando la transferencia de cantidad de movimiento de una porción de fluido a otra( Fig. No.1), de modo similar a la transferencia de cantidad de movimiento molecular pero a una escala mayor.
Fuente:http://www.uam.es/departamentos/medicina/anesnet/gasbonee/lectures/edu42/encyc lopedia/airflow/airflow.html
Fig. No. 1: Movimiento de un flujo turbulento.
1
En este tipo de flujo, las partículas del fluido pueden tener tamaños que van desde muy pequeñas, hasta las muy grandes, del orden de millares de pies cúbicos por ejemplo en una ráfaga de viento.
En un flujo turbulento podemos encontrar que se desarrollan mayores esfuerzos cortantes en los fluidos, al igual que las pérdidas de energía mecánica, que a su vez varían con la primera potencia de la velocidad.
Factores que hacen que un flujo se torne turbulento:
- La alta rugosidad superficial de la superficie de contacto con el flujo, sobre todo cerca del borde de ataque y a altas velocidades, irrumpe en la zona laminar de flujo y lo vuelve turbulento. (Fig. No. 2)
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 2: La rugosidad genera turbulencia.
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 3: La turbulencia en el flujo de entrada genera medidas erroneas.
- Gradientes de presión adversos como los que se generan en cuerpos gruesos (Fig. No. 4), penetran por atrás el flujo y a medida que se desplazan hacia delante lo "arrancan".
Fuente: http://www.monografias.com/trabajos14/hidro-termodinamica/hidro-termodinamica.shtml
Fig. No. 4: Gradientes de presión adversos penetran por atrás del flujo.
transmitirá esa energía al fluido y si esta transferencia es lo suficientemente grande se pasará a flujo turbulento.
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 5: La temperatura genera turbulencia.
- En situaciones que involucren combinaciones de baja viscosidad, alta velocidad o grandes caudales, el flujo laminar no es estable, lo que hace que se transforme en flujo turbulento.
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 6: Combinaciones de caudales generan turbulencia.
1.1.2. FLUJO LAMINAR:
Se caracteriza porque el movimiento de las partículas del fluido se produce siguiendo trayectorias bastante regulares, separadas y perfectamente definidas dando la impresión de que se tratara de laminas o capas casi de forma paralelas entre si, las cuales se deslizan suavemente unas sobre otras, sin que exista mezcla macroscópica o intercambio transversal entre ellas.(Figura No.7)
Fuente:http://www.uam.es/departamentos/medicina/anesnet/gasbonee/lectures/edu42/encyc lopedia/airflow/airflow.html
Fig. No. 7: Flujo laminar.
1.1.3. FLUJO INCOMPRESIBLE:
Es aquel en el cual los cambios de densidad de un punto a otro son despreciables, mientras se examinan puntos dentro del campo de flujo.
Fuente: http://dc196.4shared.com/doc/EzKlRvIu/preview.html
1.1.4. FLUJO COMPRESIBLE:
Es aquel en el cual los cambios de densidad de un punto a otro no son despreciables.
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 9: Flujo compresible.
1.1.5. FLUJO PERMANENTE O FLUJO ESTACIONARIO:
Este tipo de flujo se caracteriza porque las condiciones de velocidad de escurrimiento en cualquier punto no cambian con el tiempo, o sea que permanecen constantes con el tiempo o bien, si las variaciones en ellas son tan pequeñas con respecto a los valores medios. Así mismo en cualquier punto de un flujo permanente, no existen cambios en la densidad, presión o temperatura con el tiempo.(Figura No. 10)
Elaborado por: Diego García
1.1.6. FLUJO NO PERMANENTE:
En este tipo de flujo en general las propiedades de un fluido y las características mecánicas del mismo serán diferentes de un punto a otro dentro de su campo, además si las características en un punto determinado varían de un instante a otro se dice que es un flujo no permanente.
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 11: Flujo no permanente.
1.1.7. FLUJO UNIFORME:
Este tipo de flujos son poco comunes y ocurren cuando el vector velocidad en todos los puntos del escurrimiento es idéntico tanto en magnitud como en dirección para un instante dado. (Figura No. 12)
Fuente: https://www.meted.ucar.edu/sign_in_es
1.1.8. FLUJO NO UNIFORME:
Este tipo de flujo se encuentra cerca de fronteras sólidas por efecto de la viscosidad. (Figura No. 13)
Fuente: https://www.meted.ucar.edu/sign_in_es
Fig. No. 13: Flujo no uniforme.
1.1.9. FLUJO UNIDIMENSIONAL:
Es un flujo en el que el vector de velocidad sólo depende de una variable espacial, es decir que se desprecian los cambios de velocidad transversales a la dirección principal del escurrimiento. Dichos flujos se dan en tuberías largas y rectas.
Fuente: http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/08/direccion-del-flujo-.html
1.1.10. FLUJO BIDIMENSIONAL:
Es un flujo en el que el vector velocidad sólo depende de dos variables espaciales. En este tipo de flujo se supone que todas las partículas fluyen sobre planos paralelos a lo largo de trayectorias que resultan idénticas si se comparan los planos entre si, no existiendo, por tanto, cambio alguno en dirección perpendicular a los planos.
Fuente: http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/08/direccion-del-flujo-.html
Fig. No. 15: Flujo bidimensional.
1.1.11. FLUJO TRIDIMENSIONAL:
Fuente: http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/08/direccion-del-flujo-.html
Fig. No. 16: Flujo tridimensional.
1.1.12. FLUJO IDEAL:
Es aquel flujo incompresible y carente de fricción. La hipótesis de un flujo ideal es de gran utilidad al analizar problemas que tengan grandes gastos de fluido, como en el movimiento de un aeroplano o de un submarino. Un fluido que no presente fricción resulta no viscoso y los procesos en que se tenga en cuenta su escurrimiento son reversibles.
Fuente: http://www.scielo.org.ar/scielo.php?pid=S1850-15322007000400007&script=sci_arttext
Fig. No. 17: Flujo ideal incompresible y carente de fricción.
1.1.13. FLUJO AXIAL:
Fuente: http://www.scielo.org.ve/scielo.php?pid=S0798-40652007000300008&script=sci_arttext
Fig. No. 18: Flujo axial.
1.2. MOVIMIENTO DE UN FLUIDO POR UN CONDUCTO
Fuente: http://www.formulamoto.es/reportajes-tecnologia/sistemas-de-admision
Fig. No. 19: Movimiento de un fluido por un conducto.
1.2.1. ONDAS DE AMPLITUD FINITA
Cuando se cierra la válvula de admisión, la velocidad del gas es igual a cero, cuando se abre nuevamente, la diferencia de presión comienza a acelerar las moléculas del gas combustible hacia el interior del cilindro, este desplazamiento del fluido ocurre de un modo dinámico.
Las pequeñas variaciones de presión que son detectadas por el oído se denominan ondas acústicas. La amplitud de presión de esas ondas es de muy bajo orden. El límite de esfuerzo para este es de 130 decibeles y crea una onda de presión que es de 0,000306 kg/cm2 y si la presión atmosférica a nivel del mar se toma como 1,033 kg/cm2, la relación de presión se define como:
Rp=(P+Pi)/Patm2
Rp= (1,033+0,000306)/1,033 = 1,00029
Esto en el caso de estar a nivel del mar, para nuestro caso que tenemos una presión atmosférica de 1,475 kg/cm2 sería:
Rp= (1,475+0,000306)/1,475 = 1,0002075
Esta es la interferencia de presión cuando se la compara con la presión atmosférica.
Las ondas que son de mayor presión que las ondas acústicas se las denomina ondas de amplitud finita. Este tipo de ondas son las que se generan en un motor de combustión interna, la amplitud de presión de una onda puede ser tan grande que en un sistema de escape puede haber relaciones de presión mayores de 3.
2
Esta relación de presión, comparada con una onda acústica tiene una amplitud de presión que es aproximadamente 10000 veces más grande.3
Fuente: Diseño de motores para competición, Carlos Funes, pag. 33
Fig. No. 20: Ondas de amplitud finita.
1.2.1.1. Ondas de compresión y de expansión
Hay dos tipos de ondas que pueden viajar por un conducto las ondas de compresión que tienen un pico de presión por encima de la presión atmosférica y las ondas de expansión. La relación de presión de una onda de compresión es siempre mayor que 1, mientras que la de expansión es menor que la unidad.
Una onda de compresión viaja en línea recta, la onda y las partículas van en la misma dirección con la salvedad que la onda va adelante y las partículas por detrás, otra característica es que la velocidad de la onda es considerablemente mayor a la de las partículas. Entonces se puede decir que esta onda impulsa al gas combustible en una determinada dirección (Fig. No.21).
3
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 21: Onda de compresión las partículas y la onda van en el mismo sentido.
El comportamiento de una onda de expansión es inverso, la onda viaja en un sentido y las partículas en otro (Fig. No. 22). Una analogía a este comportamiento es el fenómeno de la inercia, cuando aceleramos un automóvil, este va hacia adelante pero nuestro cuerpo tiende a irse hacia atrás. Este tipo de ondas se dan tanto en admisión como en escape.
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 22: Onda de expansión las partículas y la onda van en diferentes sentidos.
menor. En todo el proceso de llenado del motor desde que ingresa la mezcla al cilindro hasta que salen los gases residuos de la combustión, nos encontramos con cualquiera de las secciones antes dichas, múltiples de admisión, carburador, válvulas, escape, cámara de combustión, cámara de expansión, etc.
Cuando una onda de compresión se refleja en un extremo cerrado como podría ser en una válvula, la onda y las partículas retornan en la misma dirección hasta la próxima reflexión, es decir, si iban de izquierda a derecha lo harán luego de la reflexión de derecha a izquierda.
Cuando una onda de expansión se refleja en un extremo cerrado, su comportamiento es similar al anterior, retorna en sentido contrario. Si la onda viaja hacia la derecha, las partículas lo hacen hacia la izquierda, cuando se refleja, la onda irá hacia la izquierda y las partículas a la derecha.
Cuando las ondas de amplitud finita se reflejan en extremos abiertos sucede algo diferente.
Una onda de compresión cuando se refleja en un extremo abierto, se transforma en una onda de expansión suponiendo que vaya hacia la derecha, en ambos casos las partículas viajaran hacia la derecha y esto contribuirá a impulsar a las mismas en ese sentido. Lo mismo ocurre cuando la que se refleja es una onda de expansión, esta se transformará en una onda de compresión y las partículas tendrán similar comportamiento.
onda hacia la izquierda por lo tanto lograremos un buen llenado de los cilindros.
Si por el contrario, lo que se refleja es una onda de expansión las partículas irán hacia la izquierda y al reflejarse también. Esto producirá que se vuelva la mezcla, lo que se llama como reflujo con el consiguiente mal llenado de los cilindros.
Independientemente de las características constructivas de cada motor siempre que la presión en el conducto de admisión sea mayor que en el cilindro este tendrá un buen llenado sin importar en que posición se encuentre el pistón en el momento del cierre de la válvula.
1.3. LEY
DE
BOYLE-MARIOTTE (LEY FUNDAMENTAL DE
LOS GASES)
Las tres magnitudes que determinan las condiciones en que se encuentra un gas son:
- La presión - El volumen - La temperatura
Cuando varía una de las magnitudes, dos o las tres a la vez, se dice que el gas sufre una transformación.
Las transformaciones que sufre un gas, cuando varían la presión y el volumen manteniéndose constante la temperatura, se rigen por la ley de Boyle-Mariotte, que dice:
La fórmula que representa dicha ley es:
1. 1 2. 2
Donde:
- P1 es la presión antes de la transformación. - V1 es el volumen antes de la transformación. - P2 es la presión después de la transformación. - V2 es el volumen después de la transformación.
1.4. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
En el estado estacionario, la ley de conservación de masa exige que el caudal másico por sección sea uniforme:
m δ. A1. v1 δ. A2. v2 constante
Donde:
m = Caudal másico
δ = Densidad
A = Área de la sección transversal v = Velocidad de circulación
En el caso de los fluidos incompresibles (δ= constante) el flujo volumétrico también debe ser constante:
Q A1. v1 A2. v2 constante
Donde:
A = Área de la sección transversal
v = Velocidad de circulación
1.5. TEOREMA
DE
BERNOULLI
Fuente: Manual de la técnica del automóvil, Bosch, pag. 53
Fig. No. 23: Teorema de Bernoulli.
De la ecuación de la continuidad se deduce que entre A1 y A2 se produce una aceleración, la cual conlleva un aumento de la energía cinética que debe ser provocada por un gradiente de presión siendo p1 > p2. De acuerdo con la ley de conservación de la energía, en un fluido en circulación, la suma de la presión estática p, de la presión cinética y de la presión geodésica se mantiene constante. Si se desprecian las pérdidas por rozamiento se cumple además para el fluido en circulación en una conducción no horizontal:
p1 1
2δ. v1 δ. g. h1 p2 1
2δ. v2 δ. g. h2
p = Presión
δ = Densidad
v = Velocidad de circulación
g = Aceleración de la gravedad
h = Altura
1.6. NÚMERO DE REYNOLDS
La observación directa es imposible para fluidos que se encuentran en conductos opacos, no se puede saber con exactitud el comportamiento de este, en especial con las pérdidas de energía, esto particularmente depende bastante si el flujo es laminar o turbulento, para analizar experimental y analíticamente se debe tomar en cuenta de cuatro variables:
- La densidad del flujo - La viscosidad del flujo - El diámetro del conducto - Velocidad promedio del flujo
La ecuación muestra la definición básica del número de Reynolds:
. .
Donde:
NR = Número de Reynolds
v = Velocidad promedio del fluido
p = Densidad del fluido
u = Viscosidad del fluido
Cuando el número de Reynolds se encuentra por debajo de 2100 se sabe que el flujo es laminar, el intervalo entre 2100 y 4000 se considera como flujo de transición y para valores mayores de 4000 se considera como flujo turbulento.
1.7.
VENTILADORES
Un ventilador esencialmente es una bomba de gas en vez de líquido. Por tanto un ventilador es una turbomáquina de fluido generadora para gases. La única diferencia es que los líquidos son poco compresibles y los gases muy compresibles, lo cual puede afectar fundamentalmente al diseño de la máquina. Sin embargo, siempre que el gas no varíe sensiblemente de densidad, y por tanto de volumen específico (es decir, siempre que el gas sea prácticamente incompresible).
El gas prácticamente puede suponerse incompresible si ΔP<1000mm c.a. y si ΔP>1000mm c.a.4 empiezan a sentirse los efectos de la compresibilidad del gas.
Ventilador es una turbomáquina que absorbe energía mecánica y restituye energía a un gas comunicandole un incremento de presiones menor que 1000mm c.a.5
4
ΔP= Variación de presión c.a.= Columna de agua 5
1.7.1. CLASIFICACIÓN DE LOS VENTILADORES
1.7.1.1. Clasificación según la presión total desarrollada
Ventiladores de:
- Baja presión: presión total desarrollada inferior a 100 mm c.a.
- Media presión: presión total desarrollada superior a 100 e inferior a 300 mm c.a.
- Alta presión: presión total desarrollada superior a 300 e inferior a 1000 mm c.a.
1.7.1.2. Clasificación según la dirección del flujo
Ventiladores centrífugos: En los ventiladores centrífugos la trayectoria del fluido sigue la dirección del eje del rodete a la entrada y está perpendicular al mismo a la salida. Pueden ser de álabes curvados hacia adelante, álabes rectos o álabes inclinados o curvados hacia atrás.6
Fuente: http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/simul_vent.htm
Fig. No. 24: Fuerzas producidas por los diferentes álabes.
6
Ventiladores axiales: Los ventiladores axiales están compuestos básicamente de un rotor de dos a trece paletas, solidario a un eje propulsor movido por un motor que impulsa aire en una trayectoria recta, con salida de flujo helicoidal.7
Fuente: http://www.extractores.com.mx/ventiladores%20axiales.htm
Fig. No. 25: Ventilador Axial.
1.7.2. Teoría de los ventiladores
En todos los problemas de ingeniería relacionados con ventiladores de aire puede suponerse este un gas perfecto. Como además puede suponerse incompresible, su densidad dentro de la máquina no variara por efecto de la compresión; pero si variará la densidad de un lugar a otro con la presión barométrica y la temperatura, según la ecuación de los gases perfectos:
O bien:
7
Donde:
ν= Volumen específico del gas
R= constante del gas, que para el aire vale R= 29,27 m/ºC T= temperatura absoluta en ºK
Al llamado estado normal del aire corresponde:
La presión normal = presión media anual del aire a nivel del mar
760 . 1,033
- La temperatura normal
0 °
Sustituyendo en la ecuación de los gases perfectos se obtiene:
- El peso específico normal del aire
1,293 /
En los ventiladores no suele utilizarse ni refrigeración intermedia ni refrigeración final como en los compresores, porque al ser la compresión pequeña la elevación de temperatura es pequeña también.8
La ecuación de Bernouilli es válida para los ventiladores, con tal que se utilice en ella el peso específico del gas:
2
Donde:
8
ps = Presión de salida
pe = Presión de entrada
vs = Velocidad de salida
ve = Velocidad de entrada
; incremento de presión total o presión útil del ventilador, llamada también presión manométrica.
; Presión estática.
; Presión dinámica.
El rendimiento hidráulico para los ventiladores estará dado por:
Donde:
P = Presión manométrica.
Pt = Presión teórica.
Elaborado por: Diego García
Fig. No. 26: Representación de velocidades en un ventilador.
Donde:
δ = Densidad del fluido
cu = Velocidad absoluta del fluido
cm = Velocidad relativa del fluido respecto al rotor
u = Velocidad lineal del rotor
La potencia útil para los ventiladores estará dada por:
75
Nu = Potencia útil
Q = Caudal
P = Presión
CAPITULO II
2. CABEZOTES
2.1. INTRODUCCIÓN
El cabezote es la parte superior de un motor de combustión interna que permite el cierre de las cámaras de combustión.
Constituye el cierre superior del bloque motor y en motores sobre ella se asientan las válvulas de admisión y de escape, teniendo orificios para tal fin. El cabezote presenta una doble pared para permitir la circulación del líquido refrigerante. Si el motor de combustión interna es de encendido provocado (motor Otto), lleva orificios roscados donde se sitúan las bujías. En caso de ser de encendido por compresión (motor Diesel) en su lugar lleva los orificios para los (inyectores).9
Fuente: http://www.automotriz.net/tecnica/conocimientos-basicos-03.html
Fig. No. 27: Cabezote de motor.
9
2.2. TIPOS DE CABEZOTES
La forma y las características de los cabezotes siempre han ido estrechamente ligadas a la evolución de los motores y, en especial, han venido condicionadas por el tipo de distribución y por la forma de la cámara de combustión.
Existen miles de cabezotes diferentes, que han sido creados a través del tiempo, pero que para poder separarlos en diferentes tipos se los puede diferenciar por sus materiales, su construcción, sus componentes.10
2.2.1. TIPOS DE CABEZOTES SEGÚN EL INTERCAMBIO DE GAS
2.2.1.1. Cabezote de contracorriente
El canal de aspiración y el de escape desembocan en el mismo lado del cabezote. Esta disposición reduce el espacio disponible para tender los conductos de aire fresco y gas de escape, pero gracias a las cortas distancias presenta notables ventajas para la sobrealimentación. También si se monta el motor transversalmente en el vehículo se obtienen ventajas en cuanto a la disposición de los conductos.
Fuente: Manual de la técnica del autonóvil, Bosch, pag. 467
Fig. No. 28: Cabezote de contracorriente.
10
2.2.1.2. Cabezote con circulación transversal
Las tuberías de aspiración y de escape se encuentran en los lados opuestos del motor, de modo que crea un flujo diagonal de aire fresco y gas de escape. Esta disposición permite guiar los tubos con mayor libertad y facilita la hermetización.11
Fuente: Manual de la técnica del autonóvil, Bosch, pag. 467
Fig. No. 29: Cabezote con circulación transversal.
2.2.2. TIPOS DE CABEZOTES SEGÚN EL ÁRBOL DE LEVAS
2.2.2.1. SOHC
Un motor single overhead camshaft o SOHC (en español "arbol de levas en cabeza simple") es un tipo de motor de combustión interna que usa un árbol de levas, ubicado en la culata, para operar las válvulas de escape y admisión del motor. El mismo árbol de levas maneja ambos tipos de válvulas, las de admisión y las de escape.12
11
Manual de la técnica del automóvil, Bosch, pag. 467. 12
Fuente: http://www.samarins.com/glossary/dohc.html
Fig. No. 30: Componentes de un motor SOHC
2.2.2.2. DOHC
Un motor double overhead camshaft o DOHC (en español "doble árbol de levas en cabeza") es un tipo de motor de combustión interna que usa dos árboles de levas, ubicados en la culata, para operar las válvulas de escape y admisión del motor.
Los motores DOHC tienden a presentar una mayor potencia que los SOHC, aun cuando el resto del motor sea idéntico. Esto se debe a que el hecho de poder manejar por separado las válvulas de admisión y de escape permite configurar de una manera más específica los tiempos de apertura y cierre, y por ende, tener mayor fluidez en la cámara de combustión.13
13
Fuente: http://www.samarins.com/glossary/dohc.html
Fig. No. 31: Componentes de un motor DOHC.
2.2.3. TIPOS DE CABEZOTES SEGÚN LOS MODELOS
CONSTRUCTIVOS DE DISTRIBUCIÓN DE VÁLVULAS
2.2.3.1. Cabezote con regulación de válvulas por taqués de platillos
Donde un platillo guiado en el cabezote absorbe la fuerza del lado de la leva y la transmite a la válvula con su base.(Fig. No. 32)
Fuente: Manual de la técnica del autonóvil, Bosch, pag. 468
2.2.3.2. Cabezote con regulación de válvulas por palanca de arrastre o palanca oscilante
Donde la fuerza de la leva y del lado de las levas se transmite o absorbe mediante una palanca alojada en el cabezote que oscila entre la válvula y la leva. La palanca oscilante intermedia puede, además de transmitir la fuerza y absorber la fuerza lateral, multiplicar la carrera de la leva (Fig. No.33).
Fuente: Manual de la técnica del autonóvil, Bosch, pag. 468
Fig. No. 33: Cabezote con regulación de válvulas por palanca de
arrastre u oscilante.
2.2.3.3. Cabezote con regulación de válvulas por balancines
Fuente: Manual de la técnica del autonóvil, Bosch, pag. 468
Fig. No. 34: Cabezote con regulación de válvulas por balancines.
2.2.3.4. Cabezote con regulación de válvulas por varillas
Si el árbol de levas está alojado en el cárter del cigüeñal, el balancín no es accionado directamente por la leva, sino por una varilla de tope y un taqué intercalados (Fig. No.35).14
Fuente: Manual de la técnica del autonóvil, Bosch, pag. 468
Fig. No. 35: Cabezote con regulación de válvulas por varillas.
14
2.3. CONSTRUCCIÓN
Fuente: http://almadeherrero.blogspot.com/2011/02/motor-mtm-krupp-e-z-62115.html
Fig. No. 36: Robots manipuladores para fundición de cabezotes de
aleación de aluminio.
Los fabricantes para la construcción de los cabezotes tienen 3 objetivos principales:
- Buen rendimiento - Poca contaminación - Bajo costo de construcción
La sección transversal de los conductos debe conservarse constante durante toda su longitud o, como máximo, con pequeñas conicidades.
Las dimensiones de la cámara de combustión y su forma están estrechamente relacionadas con la elección de una relación carrera/diámetro adecuada. Por lo normal, se considera que la superficie de la válvula de escape debe ser aproximadamente igual al 60-80 % de la válvula de admisión. En el caso de motores de prestaciones elevadas se suele recurrir a la complicada solución de adoptar tres, cuatro o cinco válvulas por cilindro. En efecto, la sección efectiva de paso de dos válvulas pequeñas es considerablemente superior, para una misma elevación, que la de una sola válvula de superficie igual a la suma de las superficies de las dos válvulas de diámetro inferior.
Debido a que casi todo el espacio disponible en la cámara se emplea para colocar convenientemente las válvulas, quedan pocas opciones para la situación de la bujía que, por encima de todo, debe colocarse teniendo en cuenta al mismo tiempo la necesidad de desmontaje para su mantenimiento. Sin embargo, su proximidad a una de las válvulas depende también de las características de forma de la cámara.
Con frecuencia, la forma de la cámara está condicionada por exigencias de mecanizado y, por tanto, de economía de realización. Por ejemplo, para simplificar la construcción en el Alfa Romeo Alfasud, la culata era plana y la cámara de combustión se hallaba practicada totalmente en el pistón.
inferior comprende las cámaras de combustión, los conductos de admisión y escape y las válvulas, mientras que la superior lleva los soportes del árbol de levas y las guías para los empujadores o los bulones de soporte de los balancines.
Se pone un cuidado especial en el estudio de las canalizaciones para el paso del agua de refrigeración, tanto para simplificar las realizaciones internas como para obtener un intercambio térmico eficiente y evitar la formación de puntos calientes en la culata, con las consiguientes deformaciones Y fenómenos de preencendido de la mezcla, que pueden determinar la perforación de los pistones.
Un razonamiento análogo vale para el estudio de los conductos que llevan el aceite de lubricación de las válvulas, balancines y árbol de levas en cabeza. El retorno de este aceite al cárter tiene lugar a través de los orificios de los árboles de levas o de canalizaciones adecuadas.
2.4. MATERIALES
Los cabezotes se construyen tanto de fundición como de aleación de aluminio. En los motores más modernos se prefieren generalmente las aleaciones ligeras, debido a la notable ventaja en términos de reducción de peso y a las inmejorables características de fusibilidad y disipación del calor. Los soportes de la distribución se obtienen mediante fusión a presión, que permite realizar piezas con acabados óptimos y de paredes delgadas. La parte inferior del cabezote se realiza mediante colada en coquilla o, algunas veces, en arena.
aleación ligera se emplean guías de bronce, que se adaptan mejor a las dilataciones del material. También los asientos de las válvulas se introducen a presión en el cabezote y, al igual que las guías, se les da su medida definitiva mediante mecanizados sucesivos una vez introducidos. Dichos asientos se construyen de fundición o de acero, con un aporte eventual de material resistente a las temperaturas elevadas y a la corrosión (estelita) en el caso de los asientos de las válvulas de escape.
2.5. COMPONENTES
2.5.1. CONDUCTOS DE ADMISIÓN Y ESCAPE
2.5.2. VÁLVULAS
Fuente: http://revestimientos-especiales.blogspot.com/2011/06/8-revestimiento-de-valvulas.html
Fig. No. 37: Válvula.
2.5.2.1. Válvula de admisión
Permite el ingreso de la mezcla aire combustible a la cámara de combustión para realizar un buen llenado de esta, trabajan a una temperatura entre 200 a 300 grados centígrados, las válvulas de admisión se refrigeran con gases frescos que entran por los conductos de admisión.
2.5.2.2. Válvula de escape
2.5.3. RESORTES DE VÁLVULAS
La función de los resortes de válvulas, es cerrar las mismas y mantenerlas presionadas en sus asientos. La mínima carga tiene lugar cuando estas se encuentran cerradas. La depresión producida dentro del cilindro actúa sobre las válvulas y tiende a separarlas de sus asientos, por lo tanto el resorte deberá contrarrestar esta fuerza.
Fuente: http://www.clasimotores.com/fotos/anuncio/8216
Fig. No. 38: Resorte de válvulas.
2.5.4. ÁRBOL DE LEVAS
Fuente: http://ec.kalipedia.com/tecnologia/tema/graficos-arbol-levas-motor.html?x1=20070822klpingtcn_68.Ges&x=20070822klpingtcn_68.Kes
Fig. No. 39: Árbol de levas.
2.6. ONDAS DE PRESIÓN EN EL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN
Las ondas de presión en el múltiple de admisión se forman de la siguiente manera:
Si los gases producto de la combustión son convenientemente expulsados por el sistema de escape, y la onda de expansión generada en este ultimo llega al cilindro cuando se abre la válvula de admisión (AAA), las moléculas del gas combustible fluirán hacia el cilindro, esto se debe a que las partículas tendrán una dirección interior-exterior en el escape por el comportamiento de este tipo de onda. Al mismo tiempo, si por el extremo abierto del canal de admisión la onda reflejada se transforma en onda de compresión, la onda retornará hacia el cilindro y agregará moléculas de gas a las ya existentes incrementando la diferencia de presión entre la admisión y el cilindro.
se van reflejando y cambiando, es posible incrementar el número de pulsaciones a un valor dado simplemente acortando la longitud del conducto. Del mismo modo para reducir el número de pulsaciones alargarlo.
Con un conducto inclinado entre 3 a 6 grados logramos un mejor llenado que con un conducto recto pues la densidad de carga se ve incrementada a expensas de reducir la velocidad del gas por la válvula.
Fuente: Diseño motores para competición, Carlos Funes, pag. 31.
Fig. No. 40: Conducto de admisión con un ángulo de 3 a 6º de
inclinación.
La mayor aspiración se producirá cuando la velocidad instantánea del pistón sea máxima, siempre antes de los 90 grados de giro del cigüeñal. Una baja velocidad del gas por la válvula ocasionará una débil reflexión de onda que no podrá ser aprovechada convenientemente.
En el sistema de escape un mal barrido de los gases quemados reduce la performance de dos maneras. Primero, la eficiencia volumétrica se ve disminuida porque estos gases ocupan un volumen que podría ser llenado con la mezcla proveniente de la admisión. Segundo, la alta presión que tiene el cilindro causada por la evacuación parcial impulsa una parte del gas residual a la admisión en el momento de la apertura de la válvula, la mezcla fresca al ponerse en contacto con estos gases calientes se dilata, crece su volumen y por lo tanto disminuye su llenado en peso que es lo que estamos buscando.
Si le damos una longitud adecuada al sistema de escape el resultado será una onda de expansión que arribará al cilindro ayudando a la remoción de los gases quemado, bajando la presión en el interior del mismo y contribuyendo a crear esa presión diferencial con la admisión en el momento de cruce (AAA+RCE)15. Es importante no unir los tubos de escape siguiendo el orden de encendido para evitar interferencias con otros cilindros.
Cuando la válvula de escape se abre el pistón está en carrera descendente, la sección liberada por la misma tiene que ser lo suficientemente grande, para posibilitar la remoción de los gases quemados antes que el pistón comience su carrera ascendente, de lo contrario, será este quien empuje a esos gases creando una presión perjudicial.
Un factor muy importante a la hora de dimensionar tanto el colector de admisión como el de escape, son las RPM. En el caso de la admisión cuanto más largo sea el colector más bajo se ubicará el torque máximo, esto ocurre porque a las RPM más altas, la reflexión negativa desde el extremo del colector no pueden alcanzar el cilindro a tiempo para ayudar con ondas residuales. Con colectores más cortos se conseguirá potencia a RPM más altas.
15
Sin embargo la magnitud de la onda reflejada dependerá de la diferencia en los cambios de las secciones respectivas. Si la onda se aproxima a un extremo de caño abierto que descarga hacia la atmósfera como pueden ser la boca de un carburador o el final del escape, la amplitud de esta onda será máxima. Si el cambio de sección es pequeño también habrá una reflexión pero de menor magnitud. Un colector de escape de menor diámetro ayudará a RPM bajas y uno mayor a la inversa.
Cuando una onda de compresión se refleja en un cambio de sección como puede ser una cámara del escape parte de esta onda se transformara en una onda de expansión y al restante continúa hasta el extremo abierto y recién allí ocurre el resto de la reflexión.16
2.7. DINÁMICA DE APERTURA Y CIERRE DE LAS VÁLVULAS
AAE17 - este tiempo ocurre durante la carrera de expansión y es el comienzo del escape, un adecuado avance en la apertura le permitirá a la presión del cilindro bajar por si misma para que el retorno del gas quemado a la admisión en AAA sea mínimo. Esto es casi imposible para que la presión en el interior del cilindro sea igual o menor que la presión en la admisión en la apertura de la válvula a altas RPM del motor. Si esto ocurre puede ser que el AAE se este dando con mucha anticipación y desperdiciamos presión de expansión que puede seguir produciendo trabajo.
Si el AAE ocurre demasiado tarde, el gas quemado dentro del cilindro no será evacuado correctamente y el desplazamiento hacia arriba del pistón se requerirá para empujar los gases fuera del mismo, con el consiguiente incremento del trabajo de bombeo y pérdida de potencia también habrá un incremento del retorno a la admisión en AAA por la elevada presión que se genera. Desde el punto de vista de las investigaciones, se ha demostrado
16
Diseño motores para competición, Carlos Funes, pag. 31. 17
que este punto AAE es menos significativo en términos de pérdida de performance a bajas vueltas que el RCA o el RCE. Por lo tanto, el AAE debe ser lo suficientemente rápido para satisfacer las demandas a altas RPM. Sin perder en regímenes bajos o intermedios rendimiento térmico. Cuando más acotado sea el régimen de utilización del motor más simple será su cálculo.
AAA18 - es el comienzo del tiempo de admisión y cruce de válvulas, es el punto menos sensible de toda la secuencia de las válvulas con un apropiado ajuste del escape un AAA más temprano puede ser mejor utilizado, esto se debe a la fuerte onda residual que se generará en la carga fresca, si esto no ocurre entonces en la apertura de la válvula ingresarán gases de la combustión provenientes del cilindro hacia la admisión con la consiguiente dilución y calentamiento de la mezcla fresca. Hay varios factores que influyen en este punto unas RPM bajas, una baja presión del múltiple de admisión que ocurre cuando su sección es demasiado pequeña, una carburación muy restringida, etc.
Con un AAA demasiado temprano ocurre lo mismo la presión en el cilindro será mayor que en la admisión y retornará el gas combustible por el múltiple provocando un llenado deficiente y una notable pérdida de potencia.
Es muy difícil definir un motor y que funcione en un amplio rango de RPM. Es común ver a un motor que a un cierto régimen se lo escucha bien pero si se lo sigue acelerando por sobre la admisión se forma un spray que es la mezcla que retorna.
RCE19 - el retardo en el cierre de escape no es solo la finalización de este ciclo sino también el final del tiempo de cruce de válvulas. A bajas vueltas el RCE manejará la cantidad de gases de escape que retornarán al cilindro desde el caño del mismo. Este retorno ocurre por dos razones, primero, porque este cierre tiene lugar cuando el pistón está descendiendo, y a bajas
18
AAA= adelanto de apertura en admisión. 19
vueltas la velocidad del gas por el escape es reducida y es más fácil para el pistón absorber gases provenientes del escape durante la carrera de admisión. Segundo, la onda residual negativa u onda de expansión que se reflejo en el extremo del caño es siempre seguida por una onda de compresión positiva. Cuando la velocidad del motor es baja, la onda residual junto con la onda de compresión arribarán prematuramente, la onda de compresión forzará a los gases de escape a regresar al cilindro. Se puede usar un cono con angulo de generatriz de 7 grados en el extremo del escape de manera de bajar la amplitud de la onda de compresión que sigue la onda residual. Este cono disminuye el retorno a regímenes bajos e intermedios.
RCA20 - es el más importante a considerar en la cinemática de movimiento de la válvula de admisión para un motor a combustión interna. Este retardo ocurre cuando el pistón está subiendo y es crítico si la velocidad del gas por la admisión y el fenómeno de reflexión de ondas no están lo suficientemente estudiados como para resistir el incremento de presión en el cilindro. Un cierre tardío reducirá la eficiencia volumétrica a bajas revoluciones y la incrementará a altas. La determinación de este valor dependerá de la velocidad del gas por la válvula, la velocidad del pistón y las ondas de presión.
20
Fuente: Diseño motores para competición, Carlos Funes, pag. 110.
CAPÍTULO III
3. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN
El sistema de alimentación de combustible de un motor consta de un depósito, una bomba de combustible y un dispositivo dosificador de combustible que vaporiza o atomiza el combustible desde el estado líquido, en las proporciones correctas para poder ser quemado. Se llama carburador al dispositivo que hasta ahora venía siendo utilizado con este fin en los motores Otto. Ahora los sistemas de inyección de combustible lo han sustituido por completo por motivos medioambientales. Su mayor precisión en el dosaje de combustible inyectado reduce las emisiones de CO2, y aseguran una mezcla más estable. En los motores diesel se dosifica el combustible de manera no proporcional al aire que entra, sino en función del mando de aceleración y el régimen motor (mecanismo de regulación) mediante una bomba inyectora de combustible.
En los motores de varios cilindros el combustible vaporizado se lleva los cilindros a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión. La mayor parte de los motores cuentan con un colector de escape o de expulsión, que transporta fuera del vehículo y amortigua el ruido de los gases producidos en la combustión.
3.1. MEZCLA DE AIRE COMBUSTIBLE
El consumo específico de combustible de un motor depende esencialmente de la proporción de la mezcla aire y combustible. Para la combustión completa real y para un consumo de combustible lo más reducido posible es necesario que haya un exceso de aire, al que sin embargo se han puesto límites debido a la inflamabilidad de la mezcla y a la duración disponible de la combustión.
La mezcla de aire y combustible tiene además una influencia decisiva en la eficacia de los sistemas de tratamiento posterior de gases de escape. 21
3.1.1. CARACTERÍSTICAS DEL AIRE
Aire es la mezcla de gases que constituyen la atmósfera, que permanecen alrededor de la tierra por fuerza de la gravedad, e indispensable para la vida.22
En el caso automotriz el aire influye en el rendimiento de un vehículo, en el caso del motor sin aire no se pudiera realizar una combustión, la cual es fundamental para el cumplimiento de los ciclos de este.
El aire tiene factores que influyen en el rendimiento de un motor como:
- Densidad (1,2 kg/m3) - Temperatura (ºC)
- Presión atmosférica (1,475 kg/cm2 en la ciudad de Quito)
21
Manual de la técnica del automóvil, Bosch, pag. 605 22
3.1.2. PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Sobre la superficie libre de un líquido reina la presión del gas que sobre ella existe. Esta presión puede adquirir un valor cualquiera en un recipiente cerrado; pero si el recipiente está abierto, sobre la superficie libre del líquido reina la presión atmosférica debida al peso de la columna de aire que gravita sobre el fluido.
La presión atmosférica varía con la temperatura y la altitud:
- Presión atmosférica normal a 0ºC y al nivel del mar es de 760 mm Hg. - Presión atmosférica a 20ºC a 1820 metros sobre el nivel del mar es
de 545 mm Hg.
3.1.3. CARACTERÍSTICAS DEL COMBUSTIBLE
La gasolina, como todo producto derivado del petróleo es una mezcla de hidrocarburos en las cuales las propiedades de octanaje y volatilidad proporcionan al motor del vehículo un arranque fácil en frío, una potencia máxima durante la aceleración, la no dilución del aceite y un funcionamiento normal y silencioso bajo las condiciones de operación del motor.
La gasolina tiene cuatro propiedades principales:
3.1.3.1. Octanaje
motor. En el Ecuador la gasolina extra tiene 80 octanos, y la gasolina super 89 octanos.23
Con respecto a la combustión, esta, en condiciones normales se realiza de manera rápida y silenciosa, pero cuando el octanaje es inadecuado para el funcionamiento del motor, la combustión se produce de manera violenta causando una explosión o detonación que por su intensidad puede causar daños serios al motor del vehículo.
3.1.3.2. Curva de destilación
Esta propiedad se relaciona con la composición de la gasolina, su volatilidad y su presión de vapor. Indica la temperatura a la cual se evapora un porcentaje determinado de gasolina, tomando una muestra de referencia.
3.1.3.3. Volatilidad
La volatilidad es una propiedad la cual se mida al igual que la presión de vapor. Esta registra de manera indirecta el contenido de los componentes volátiles que brinden la seguridad del producto durante su transporte y almacenamiento. Esta propiedad debe a su vez estar en relación con las características del ambiente de altura, temperatura y humedad, para el diseño del almacenamiento del producto.
3.1.3.4. Contenido de azufre
Esta propiedad se encuentra altamente relacionada con la cantidad poseída de azufre (S) presente en el producto. Dentro de la cantidad, se encuentran determinados promedios y estadísticas en la cual en producto no puede sobrepasar o resaltar, ya que si esto sucede la gasolina puede tener efectos
23
corrosivos sobre las partes metálicas del motor y sobre los tubos de escape. A su vez, al salir del tubo de escape, esta produce un alto grado de contaminación en el ambiente, produciendo a su vez las conocidas lluvias ácidas.24
3.2. SISTEMAS DE FORMACIÓN DE LA MEZCLA
Los sistemas de inyección o los carburadores tienen la tarea de preparar una mezcla de aire y combustible que se adapte lo mejor posible a cada uno de los estados de funcionamiento del motor.
3.2.1. SISTEMA CON CARBURADOR
Una bomba de alimentación de combustible accionada por el árbol de levas o de distribución, succiona el combustible desde el depósito y lo conduce al carburador. Un diseño adecuado limita la presión máxima de suministro. En caso de ser necesario se puede poner un filtro antes o después de la bomba.
El carburador opera básicamente con el mismo principio de un pulverizador de pintura. Cuando el aire es soplado, cruzando el eje de la tubería pulverizadora, la presión interior de la tubería cae. El líquido en el pulverizador es por consiguiente aspirado dentro de la tubería y atomizado cuando es rozado por el aire. Mientras mayor sea la rapidez del flujo de aire que atraviesa la parte superior de la tubería de aspiración, mayor es la depresión en esta tubería y una mayor cantidad de líquido es aspirada dentro de la tubería.25
24
http://www.ingenieroambiental.com/?pagina=1124 25
Fuente: http://www.taringa.net/posts/autos-motos/3226857/Entra-y-aprende-que-es-un-carburador_.html
Fig. No. 42: Funcionamiento de un carburador.
3.2.1.1. Tipos de carburadores
- Carburadores de flujo descendente: son los más comunes. Las posibilidades favorables de disposición de la cubeta de flotador y de los diferentes sistemas de toberas dan lugar a formas constructivas apropiadas que en combinación con los tubos de admisión diseñados en consecuencia consiguen que la preparación y distribución de la mezcla sea óptima.
- Carburadores de flujo horizontal: presentan ventajas cuando la altura constructiva del motor debe ser especialmente baja.
3.2.2. SISTEMA DE INYECCIÓN ELECTRÓNICA
La inyección electrónica es una forma de inyección de combustible, tanto para motores de gasolina, en los cuales lleva ya varias décadas implantada, como para motores diesel, cuya introducción es relativamente más reciente.
Se puede subdividir en varios tipos (mono-punto, multipunto, secuencial, simultánea) pero básicamente todas se basan en la ayuda de la electrónica para dosificar la inyección del carburante y reducir la emisión de agentes contaminantes a la atmósfera y a la vez optimizar el consumo.
Este sistema ha reemplazado al carburador en los motores de gasolina. Su introducción se debió a un aumento en las exigencias de los organismos de control del medio ambiente para disminuir las emisiones de los motores.
En los motores diesel ha sustituido a la bomba inyectora, con inyectores mecánicos, por una bomba de alta presión con inyectores electrohidráulicos.26
3.2.2.1. Sistema de inyección mono-punto
La característica principal de este sistema es la forma en que realiza la inyección mediante un solo inyector.
El sistema de inyección con un solo inyector, inyecta el carburante por intermitencia en el colector de admisión a una presión relativamente baja, emitiendo la realización de una mezcla controlada electrónicamente evitando toda pérdida.
Un sistema de comando electrónico calcula la cantidad de aire aspirado por el motor y la velocidad de rotación del mismo para calcular la cantidad de
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carburante a inyectar. La presión del aire que entra en el colector de admisión es medida por un sensor de presión y enviada a la unidad central; al mismo tiempo se mide también la temperatura de este aire para tener en cuenta las variaciones de presión con la temperatura.
Fuente: http://lacasadeltuercas.blogspot.com/2010/05/inyeccion-monopunto.html
Fig. No. 43: Esquema básico de un sistema mono-punto.
3.2.2.2. Sistema de inyección multipunto
combustible difiere de motor a motor. Para cada tipo de motor existe un tipo de válvula de inyección (inyector).27
Fuente: http://mecatronic-mecatronica.blogspot.com/2009/03/inyeccion-electronica-introduccion-los.html
Fig. No. 44: Inyección multipunto.
3.2.3. SISTEMAS DE ADMISIÓN VARIABLE
El sistema de admisión variable se utiliza para mejorar la entrada de aire a los cilindros en dependencia del régimen al que se encuentre el motor, mejorando directamente el par motor a esos regímenes y en consecuencia las prestaciones de motor.
Los colectores de admisión convencionales no disponen de la flexibilidad, con la que cuentan los colectores de admisión variable, para adaptarse a los distintos regímenes del motor.
Con los colectores de admisión convencionales se consigue un par motor elevado a un numero de revoluciones bajo o una potencia elevada para un
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numero de revoluciones alto, pero no se consigue las dos condiciones a la vez, por eso la necesidad de un sistema eficaz para todos los regímenes de funcionamiento del motor.
Los sistemas de admisión variable generalmente se utilizan en motores con cuatro válvulas por cilindro para compensar la falta de par motor a bajo número de r.p.m..
Los tubos de admisión en motores con carburador o con inyección mono-punto, necesitan, para una distribución uniforme de la mezcla de aire-gasolina, tubos cortos individuales de igual longitud para cada cilindro, lo que imposibilita diseñar un sistema de admisión variable optimo para estos motores. Al contrario en los motores con sistemas de inyección multipunto, donde el combustible es inyectado en el tubo de admisión o directamente en la cámara de combustión (inyección directa) a muy poca distancia delante de la válvula de admisión. En estos sistemas los tubos de admisión transportan solo aire lo que permite un buen diseño de los tubos para mejorar la admisión de aire.
Las dimensiones de los tubos del colector de admisión deberían adaptarse al número de revoluciones del motor. Lo ideal sería disponer de sistemas de aspiración ajustables en continuo, en los que los conductos se alargaran y encogieran, para poder graduar la longitud de los tubos desde la válvula de admisión del motor hasta el colector. Estos sistemas de aspiración ajustables en continuo son muy complicados, caros y difícil de fabricar.
Pero ha sido BMW la que se atrevido, con la introducción de su motor de 8V con Valvetronic de la serie 7 (año 2001), el primer fabricante que instalo un sistemas de aspiración continuo. Está formado por una carcasa de magnesio, a la cual también se han montado externamente las toberas del combustible y de inyección. La geometría interna tan compleja del engranaje de velocidad variable fabricado de material plástico solo pudo llevarse a cabo gracias a la alta tecnología. La pieza compleja gira sobre rodamientos y experimenta torsión por medio de un servomotor eléctrico. La longitud de los tubos de admisión varia de 670 a 230 mm. Hasta 3500 r.p.m. se mantiene, en principio, toda su longitud.
Fuente: http://www.aficionadosalamecanica.com/admision-variable.htm
Fig. No. 45: Sistema de admisión ajustable BMW.