BARRIDO EN MOTORES DE 2T Y 4T.pdf

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE SEDE LATACUNGA

Carlos Beltrn Motores especiales Noveno B

Contenido 1. RENOVACIN DE LA CARGA EN MOTORES DE 2T Y 4T ................................................................................... 2

1.1 Flujo en conductos de admisin y escape ................................................................................................ 2

1.1.1 Origen y naturaleza del flujo ............................................................................................................. 2

1.1.2 Flujo en orificios, vlvulas y lumbreras ............................................................................................. 2

2. RENOVACIN DE CARGA LA CARGA EN MOTORES DE 4T .............................................................................. 3

2.1 Introduccin ............................................................................................................................................. 3

2.2 Parmetros que caracterizan el proceso de renovacin de la carga ....................................................... 4

2.2.1 Tasas residuales y de cortocircuito ................................................................................................... 5

2.2.2 Trabajo de bombeo y trabajo neto ................................................................................................... 5

2.3 Efecto de las prdidas de carga. Influencia en el diseo de pipas y vlvulas ........................................... 5

2.4 Diagrama de distribucin ......................................................................................................................... 6

2.4.1 Avance a la apertura de la vlvula de escape (AAE) ......................................................................... 7

2.4.2 Cruce de vlvulas .............................................................................................................................. 8

2.4.3 Retraso al cierre de la vlvula de admisin (RCA)............................................................................. 8

2.4.4 Sntesis del diagrama de distribucin ............................................................................................... 9

2.4.4 Sistemas de distribucin variable ................................................................................................... 10

3. RENOVACIN DE LA CARGA EN MOTORES DE 2T ........................................................................................ 11

3.1 Introduccin ........................................................................................................................................... 11

3.2 Ventajas e inconvenientes de los motores de 2T................................................................................... 12

3.3 Proceso de barrido ................................................................................................................................. 12

3.3.1 Clasificacin del barrido segn su bomba de barrido ..................................................................... 13

3.3.2 Clasificacin del barrido segn el diagrama de distribucin............................................................. 14

3.3.3Clasificacin de barrido segn la forma de corriente de barrido. ........................................ 15

3.4 Procesos de barrido tericos: desplazamiento perfecto y mezcla perfecta .......................................... 15

3.4.1 Desplazamiento perfecto ................................................................................................................ 16

3.4.2 Mezcla perfecta .............................................................................................................................. 16

3.5 Flujo de lumbreras ................................................................................................................................. 17

3.6 Diseo de lumbreras .............................................................................................................................. 17

3.6.1 Calculo de la lumbrera de escape ................................................................................................... 17

3.6.2 Calculo de la lumbrera de admisin ............................................................................................... 19

3.7 Caractersticas constructivas .................................................................................................................... 19

Bibliografa ................................................................................................................................................... 21



1. RENOVACIN DE LA CARGA EN MOTORES DE 2T Y 4T

1.1 Flujo en conductos de admisin y escape

1.1.1 Origen y naturaleza del flujo El funcionamiento de un motor es claramente no estacionario; de hecho puede hablarse de un

funcionamiento cuasi peridico. En consecuencia, los procesos de flujo que tienen lugar en los

conductos de admisin y de escape de los motores tienen un carcter intrnsecamente no

estacionario. En la figura 1 se muestran formas tpicas de la evolucin del gasto msico en las

vlvulas de admisin y de escape de un motor mono cilndrico de cuatro tiempos a un rgimen de

giro intermedio. En la curva correspondiente a la admisin (a) puede apreciarse, por una parte, el

incremento de gasto producido por el movimiento descendente del pistn, y por otra, el reflujo que

se produce entre PMI y el cierre de la admisin, por motivos relacionados con la definicin del

sistema de distribucin.

En la curva correspondiente al escape (b) se puede apreciar dos picos bien definidos: el primero,

correspondiente al escape espontaneo tras la apertura de las vlvula, con una brusca subida del

gasto; el segundo, correspondiente al escape inducido, que aparece como consecuencia del desalojo

de los gases producido por el movimiento ascendente del pistn.

Figura 1 Gasto instantneo en vlvulas: (a) admisin (b) escape

Fuente: MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ALTERNATIVOS M. Muoz, F. Payri pg.: 175

1.1.2 Flujo en orificios, vlvulas y lumbreras Considrese para fijar ideas, un orificio tal como se muestra en la figura 2, donde se ha representado

una imagen cualitativa de las caractersticas del flujo estacionario.

Como puede apreciarse en la figura 2, en la seccin 1 el flujo se encuentra totalmente desarrollado,

pero inmediatamente aguas arriba de la singularidad las trayectorias del flujo sufren una

deformacin que se traducen, al paso por la singularidad, en el bien conocido fenmeno de la

contraccin de vena. As, la seccin mnima del paso del flujo no coincide con la menor seccin de



paso geomtrica Ar, sino que se alcanza aguas debajo de la misma, en la seccin t. Esta seccin define

una garganta efectiva para el flujo, que aguas debajo de la misma tiende a volver a ocupar toda la

seccin geomtrica disponible, hasta volver a encontrarse totalmente desarrollado en la seccin 2.

Alrededor de la seccin t, en la zona exterior a la vena contracta, aparecen vrtices anclados a la

singularidad, cuyo movimiento de giro es alimentado por la energa cintica de la corriente principal,

dando lugar a las correspondientes perdidas. Asimismo, entre las secciones t y 2 el movimiento del

flujo principal hacia las paredes del conducto da lugar a la aparicin de vrtices secundarios debidos

a los gradientes radiales de velocidad.

Figura 2 Un ejemplo de singularidad: orificio en un conducto


2. RENOVACIN DE CARGA LA CARGA EN MOTORES DE 4T

2.1 Introduccin El proceso de renovacin de la carga de un motor consiste en evacuar los gases quemados del ciclo

anterior y reemplazarlos con carga fresca para ser quemada en el ciclo siguiente.

En los motores de cuatro tiempos el proceso de renovacin de carga se realiza durante una de las

dos vueltas necesarias para completar el ciclo. La evacuacin de los gases quemados en el ciclo

anterior se realiza durante la carrera de escape y el posterior llenado de los cilindros de carga fresca,

durante la carrera de admisin.

El proceso de renovacin de carga tiene una gran influencia sobre las prestaciones de los MCIA. La

efectividad del llenado de los cilindros ser el primer objetivo en la optimizacin del proceso de

renovacin de carga. Por otra parte el proceso de renovacin de carga tiene un coste energtico

que va a repercutir en el rendimiento efectivo del motor. Dicho proceso tambin va a tener un gran

impacto en las emisiones sonoras y en el tipo y la cantidad de las emisiones gaseosas producidas

durante el ciclo. Las primeras agravadas por el carcter no estacionario del flujo, y las ltimas,

condicionadas por la composicin y condiciones termodinmicas de la carga del cilindro al inicio de

la compresin.

En el ciclo ideal el proceso de escape se realiza tras la carrera de expansin y la vlvula se abre

instantneamente en el PMI. El proceso de admisin ideal se realiza durante la carrera

correspondiente, tambin a presin constante e igual a la del conducto de admisin.



El proceso real no se va a producir segn este relato por varios motivos. En primer lugar, las vlvulas

no se pueden accionar de forma instantnea, por lo que los momentos de inicio de apertura y de

cierre han de ser modificados para tener en cuenta la duracin de estos procesos. En segundo lugar,

va a existir una diferencia de presiones entre el cilindro y los conductos durante todo el proceso de

renovacin de la carga. Esto se va a traducir en velocidades de circulacin elevadas en las vlvulas

apareciendo fenmenos de prdida de carga e incluso efectos de la compresibilidad de los gases.

Tampoco la presin en los conductos de admisin y escape va a ser constante durante las carreras

correspondientes ya que el gasto aspirado o expulsado por los cilindros va a producir

respectivamente una bajada o una subida de presin. Por ltimo, los procesos de admisin y escape

no se realizan de forma adiabtica, debido a que la temperatura de los gases y la de las paredes

suelen ser diferentes; as durante el proceso de admisin los gases se calientan y durante el proceso

de escape se enfran. Por lo tanto, los fenmenos fsicos ms relevantes en el proceso de renovacin

de la carga son: los rozamientos, la compresibilidad del flujo, los efectos de inercia del flujo, los

efectos de ondas y transmisin de calor.

En la figura 3 se presenta el esquema de un motor de cuatro cilindros sobrealimentado con

intercooler. En la imagen se nombran los elementos relevantes en el proceso de renovacin de la

carga. Se puede destacar como elemento clave la culata, en donde se alojan las vlvulas de admisin

y escape y las pipas o conductos que unen los cilindros con los colectores de admisin y escape.

Figura 3 Esquema de un motor de cuatro cilindros sobrealimentado y con intercooler


2.2 Parmetros que caracterizan el proceso de renovacin de la carga El objetivo de este proceso es garantizar carga fresca en los cilindros al comienzo del ciclo cerrado.

Para evaluar si ste se lleva a cabo de forma adecuada se definen unos parmetros que lo

caracterizan cuantitativamente y cualitativamente, y que bsicamente son el rendimiento

volumtrico, la tasa de residuales y de cortocircuito y de trabajo de bombeo.



Rendimiento volumtrico

Es el parmetro ms til para cuantificar el proceso de llenado del cilindro en motores de cuatro

tiempos. El rendimiento volumtrico se calcula como el cociente entre el gasto real de la carga fresca

admitida por el motor y un cierto gasto que alcanzara en condiciones de referencia.

2.2.1 Tasas residuales y de cortocircuito Tanto la tasa de residuales como la de cortocircuito son extremadamente difciles de determinar

experimentalmente, de ah que no se reflejan en la definicin del rendimiento volumtrico.

Afortunadamente, esto no es crtico en los motores de cuatro tiempos, pues tienen una carrera

expresamente dedicada a vaciar el cilindro de gases quemados y otra a llenarlo de carga fresca.

2.2.2 Trabajo de bombeo y trabajo neto Se define pues el trabajo de bombeo como aquel que realiza el motor para poder evacuar los gases

quemados y succionar los gases frescos El trabajo de bombeo se puede expresar mediante la

ecuacin 2 siendo () la presin instantnea en el cilindro para el ngulo girado por el cigeal.

Otro parmetro que se expresa el trabajo de bombeo es la presin media de bombeo (pmb).

= ()() =

Se define el trabajo neto como la suma del trabajo indicado y de bombeo. Tambin se puede

expresar este trabajo neto en forma de una presin media, hablndose de la presin media neta

(pmn), que se calcula como la suma de la pmi y la pmb

2.3 Efecto de las prdidas de carga. Influencia en el diseo de pipas y vlvulas La prdida de carga en los elementos del sistema de admisin y escape repercute tanto sobre el

rendimiento volumtrico como sobre el trabajo de bombeo del motor. Cabe sealar que esta

prdida de carga se ver especialmente afectada por el rgimen de giro del motor, ya que, cuanto

mayor es ste mayor ser el gasto msico trasegado. Por tanto, mayor es la velocidad del flujo por

las vlvulas y otros elementos del motor, y como el flujo es turbulento, las prdidas de carga van a

crecer en proporcin al cuadrado de la velocidad.



La zona correspondiente a las vlvulas es la que presenta mayores limitaciones de diseo para

reducir las prdidas de carga. La razn estriba, en que la seccin de salida en el plano de contraccin

de vena es pequea frente a la seccin del pistn. Por tanto puede considerarse que se dan

condiciones de descarga libre, y que el fluido se frena a presin constante perdiendo ah gran parte

de su presin dinmica.

El diseo geomtrico de las vlvulas de admisin est no slo orientado a una reduccin de las

prdidas de carga sino tambin y ms importante a una optimizacin del llenado, para lo cual son

de gran relevancia los fenmenos de compresibilidad del fluido. En la figura 4 se muestran unos

ejemplos de vlvulas y pipas de admisin y de escape para motores de cuatro tiempos y se dan unas

sencillas guas en funcin del dimetro de las vlvulas.

Figura 4 Diseo de pipas en funcin del dimetro de las vlvulas a) pipas de admisin b) pipas de escape


2.4 Diagrama de distribucin El diagrama de distribucin determina los momentos de apertura y cierre de las vlvulas de admisin

y de escape durante el ciclo del motor de cuatro tiempos. Tal como se va a mostrar, en tres de los

cuatro eventos caractersticos del diagrama, los efectos relacionados con la inercia que tiene el flujo

en las pipas de admisin y escape, son especialmente relevantes.

Es habitual representar grficamente el diagrama de distribucin mediante un esquema de las dos

vueltas que constituyen el ciclo del motor de cuatro tiempos en el que se marcan los momentos de

apertura y cierre de las vlvulas como se muestra en la figura 5



Figura 5 Representacin grfica de los eventos del diagrama de distribucin

2.4.1 Avance a la apertura de la vlvula de escape (AAE) En la figura 6 a) se compara una apertura avanzada con otra en que la vlvula se abre en el PMI,

indicado en la figura 6 a) en lnea continua, con el diagrama presin-volumen. Se aprecia cmo la

apertura adelantada disminuye la presin en el cilindro durante la ltima parte de la carrera de

expansin, debido a la salida de los gases quemados del cilindro. Esto hace que la presin durante

la carrera de expansin sea menor y que el trabajo de bombeo se reduzca.

Para cada condicin de funcionamiento existe un avance a la apertura del escape que optimiza el

trabajo neto del ciclo. En particular, el avance ptimo vara en funcin del rgimen de giro, ya que

al aumentar ste, se reduce el tiempo en el que se realiza el ciclo.

Figura 6 a) Efecto del AAE sobre la presin en el cilindro. b) Variacin de avance ptimo de apertura de la vlvula de escape en funcin del rgimen de giro




2.4.2 Cruce de vlvulas Se entiende por cruce de vlvulas el periodo en que las vlvulas de admisin y escape estn

abiertas simultneamente. Los fenmenos de trasiego de gases durante el cruce de vlvulas estn

controlados por las presiones que existen en ese momento en el cilindro y en las pipas de

admisin y de escape. Las distintas situaciones posibles se representan en la figura 7.

Figura 7 Situaciones de Flujo que se pueden producir durante el cruce de vlvulas


El cruce de vlvulas ptimo para un motor depende de muchos factores. En primer lugar depende,

como se ha mencionado, de la relacin entre las presiones instantneas de escape y admisin

durante el cruce. Esta precisin es muy importante, ya que pueden dar situaciones en las que las

presiones medias de admisin y escape durante el ciclo sean muy diferentes de las que hay

instantneamente durante la fase de cruce de vlvulas.

Por otra parte, si la presin de escape es muy superior a la de admisin es habitual reducir el cruce

para evitar reflujos y tasas de residuales elevadas. Si la presin de admisin es muy superior a la de

escape se puede aumentar el cruce de para aumentar el barrido.

2.4.3 Retraso al cierre de la vlvula de admisin (RCA) El retraso al cierre de la vlvula de admisin (RCA) hace que ste se produzca durante la carrera de

compresin. Esto se hace as porque al final de la carrera de admisin, aun cuando la velocidad del

pistn se reduce al acercarse al PMI, el cilindro se sigue llenando si los gases entrantes por la pipa

de admisin tienen suficiente velocidad.

As a mayor rgimen de giro es mejor tener RCA elevados para poder aprovechar los efectos de

inercia. Sin embargo, a bajo rgimen de giro es idneo reducir el RCA para evitar reflujos hacia la

admisin.

En la figura 8 se muestra la evolucin del gasto instantneo en la vlvula de admisin para dos

valores distintos del RCA



Figura 8 Gasto instantneo en la vlvula de admisin a bajo rgimen de giro (a) y allto rgimen de giro (b) para dos valores distintos de RCA


La figura 9 muestra el rendimiento volumtrico en funcin del rgimen de giro y para distintos

valores de RCA, en el caso de un MEC sobrealimentado de seis cilindros usado en transporte pesado.

La grfica muestra claramente cmo valores bajos del RCA mejoran el rendimiento volumtrico a

bajo rgimen, mientras que los RCA mayores lo empeoran por causas de los reflujos. Sin embargo,

valores mayores de RCA aportan claras mejoras al rendimiento volumtrico en la zona de alto

rgimen de giro.

Figura 9 Rendimiento volumtrico frente a rgimen de giro en funcin del RCA


2.4.4 Sntesis del diagrama de distribucin A modo de sntesis la figura 10 muestra diagramas de distribucin tpicos de distintos motores. Se

destaca que los motores con objetivos de diseo conservadores, como es el caso de motores de



automocin de vehculos utilitarios suelen tener diagramas de distribucin cerrados, es decir, los

avances y retrasos son moderados.

Finalmente, la figura 10 muestra que en el caso de vehculos de altas prestaciones, o que giren muy

rpido, el diagrama es muy abierto. Es importante destacar que los valores presentados en la figura

10 se corresponden con diagramas de distribucin de motores en los que el accionamiento de las

vlvulas se hace con levas y no con otros sistemas en los que la velocidad de apertura y cierre es

muy alta.

Figura 10 Sntesis de diagramas de distribucin


2.4.4 Sistemas de distribucin variable Con el objetivo de poder optimizar el diagrama de distribucin para cualquier condicin de

funcionamiento se han desarrollado sistemas que permiten modificar algunos de los eventos del

diagrama en funcin de las condiciones de operacin del motor.

En los ltimos tiempos estn apareciendo sistemas que permiten modificar de forma

independiente los cuatro eventos del diagrama de distribucin as como el levantamiento mximo.

De esta manera se puede optimizar para cada punto de funcionamiento la estrategia de la

distribucin.

En la figura 11 se muestran distintas estrategias de levantamiento de la vlvula de admisin en

funcin del punto de funcionamiento para un MEP de automocin.

Para el punto de mxima potencia se utiliza toda la seccin efectiva disponible



A plena carga y bajas vueltas se adelanta el cierre de la vlvula para evitar reflujos al final

del proceso de admisin

En el caso de carga parcial se ajusta el levantamiento mximo y el cierre de la vlvula en

funcin del nivel de carga. Al hacer este tipo de estrategia se puede eliminar, al menos

parcialmente, la estrangulacin que se realiza en la mariposa de admisin para el control

de la carga

A ralent se reduce el levantamiento mximo de la vlvula, se retrasa la apertura y se

adelanta el cierre. Como en el caso anterior se hace el control de la carga mediante la

apertura controlada de la vlvula de admisin.

En el ciclo urbano se hace un doble levantamiento que permite realizar a la vez el control

de la carga y la optimizacin de la combustin para la reduccin de las emisiones

contaminantes.

Figura 11 Diversas estrategias de levantamiento de la vlvula de admisin


3. RENOVACIN DE LA CARGA EN MOTORES DE 2T

3.1 Introduccin Los motores de 2T a diferencia de los de 4T realizan su ciclo de funcionamiento en una vuelta del

cigeal o dos carreras del pistn, esto se consigue realizando en la carrera ascendente del pistn

simultneamente los procesos de admisin y compresin por un lado, y los de combustin-

expansin y de escape durante la carrera descendente. La figura 12 muestra un ciclo completo de

funcionamiento de un motor de 2T.

En los motores de dos tiempos la renovacin de la carga se lo realiza en la carrera ascendente y

descendente del pistn.

Al descubrir el pistn la lumbrera de escape, la presin en el cilindro es muy superior a la

atmosfrica, con lo que los gases procedentes de la combustin son libreados al exterior a pesar

de que el pistn tiene un movimiento hacia bajo y se sigue expandiendo la carga del cilindro, esta

fase se conoce como escape espontaneo.



Figura 12 Ciclo de funcionamiento de un MEP de 2T


La admisin de mezcla fresca no es posible sin un agente exterior, la bomba de barrido que

suministre suficiente presin como para hacerla penetrara al cilindro, el motor de dos tiempos

est afectado por este elemento. La fase en la que concurren simultneamente el proceso de

escape y la entrada de mezcla fresca en el cilindro, se denomina proceso de barrido. Durante

este tiempo son los gases de frescos los que expulsan a los gases procedentes del ciclo de trabajo

para renovar la carga.

3.2 Ventajas e inconvenientes de los motores de 2T VENTAJAS

En teora, un motor de 2T proporcionara el doble de potencia puesto que el nmero de

carreras de trabajo es el doble. Sin embargo en ningn caso ser el doble que la de un

motor de 4T

Los motores de 2T de barrido por crter tienen una gran simplicidad mecnica, con lo que

el precio de adquisicin y mantenimiento es bajo.

INCONVENIENTES

El rendimiento de estos motores es menor respecto a los de 4T debido al difcil proceso de

barrido y con la posible aparicin de cortocircuito.

En el caso que haya la aparicin de cortocircuito, aumenta la emisin de hidrocarburos sin

quemar por el escape, con lo que las emisiones son mayores.

El tiempo existente para la refrigeracin de los distintos elementos es mucho menor que

uno de 4T con lo que pueden aparecer problemas de tensiones trmicas.

3.3 Proceso de barrido

Es el periodo en que los conductos de admisin y de escape se encuentran simultneamente

abiertos y se lleva a cabo la sustitucin de los gases quemados por mezcla fresca.

Durante el proceso de barrido la presin en el cilindro suele caer por debajo de la presin del



escape durante algunos grados debido a la inercia de los gases. Esto ayuda al ingreso de gases

frescos y a la salida de gases residuales.

El ngulo en el que estn abiertos los conductos de escape y admisin a la vez se llama ngulo de

barrido y tiempo correspondiente de barrido.

Figura 13 Diagrama P-V de un motor de 2T


3.3.1 Clasificacin del barrido segn su bomba de barrido

3.3.1.1 Sistema pistn crter

Puede utilizarse como bomba de barrido, llamndose barrido por crter. Existe una lumbrera de

admisin y dispone de un conducto de transferencia del crter hacia el cilindro (Lumbrera de

transferencia).

Mientras ms pequeo es el crter, el barrido por crter lograra una mayor presin en el

momento que se renueva la carga.

El uso del crter como bomba de barrido se tiene en los motores MEP de baja cilindrada.

Ventajas:

Sistema muy econmico.

Se puede eliminar el sistema de engrase.

Desventajas:

La presin relativa mxima que alcanza en el interior del crter no supera los 400 mbar



relativos.

En este sistema la lumbrera de admisin puede estar controlada por el propio pistn, vlvulas

rotatorias permiten ngulos de apertura y cierre, otro sistema es el de lminas.

Figura 14 Motor de 2T con barrido por crter y lumbrera de transferencia


3.3.2 Clasificacin del barrido segn el diagrama de distribucin.

Cuando las lumbreras se rigen nicamente al desplazamiento del pistn, el barrido es simtrico con

respecto al PMI, estos diagramas tienen el aspecto de la siguiente fig.

Figura 15 Esquema de diagrama de distribucin de motores de 2T barrido simtrico


El problema de la anterior distribucin es que la lumbrera de escape se cierra despus que la de

la admisin, perdiendo as compresin en la mezcla y por tanto el motor generara una presin de

combustin menor y menor fuerza sobre el rea del pistn. Para evitar estos inconvenientes, una

de las soluciones es las vlvulas de escape en la culata similar a un vehculo de 4T.

Otra forma de mejorar el sistema seria dotando al sistema de una vlvula rotativa en el escape,



de tal forma que esta pueda estar sincronizada con el pistn, aqu el cierre lo realiza la vlvula

antes que el pistn.

Figura 16 Esquema de diagrama de distribucin de motores de 2T barrido asimtrico


3.3.3Clasificacin de barrido segn la forma de corriente de barrido.

A continuacin se muestran en la figura algunos tipos de barrido y geomtrica de las lumbreras

de los motores de 2T.

Figura 17 Tipos de barrido y geomtrica de las lumbreras de los motores de 2T. (A) Transversal (b.1) Uniflujo con pistones opuestos (b.2) Uniflujo con vlvulas de escape en cabeza (c.1) Por lazo Schnrler (c.2) Por lazo MAN (c.3) Por lazo Curtis

(c.4) En gancho con vlvulas en cabeza


De todos ellos se tiene el uniflujo como la forma perfecta. La disposicin de lumbrera de admisin

y escape en los extremos permite reducir al mnimo el cortocircuito (situacin que ocurre cuando

los gases de admisin pasan directamente hacia la lumbrera de escape)

3.4 Procesos de barrido tericos: desplazamiento perfecto y mezcla perfecta Con el fin de proporcionar ejemplos extremos para analizar las relaciones existentes entre el

rendimiento del barrido y el coeficiente de admisin del motor, se desarrollar el estudio del barrido

en dos casos sencillos: desplazamiento perfecto y mezcla perfecta. En la figura 18 se representa de



manera simplificada los flujos de distintas especies en un determinado instante del proceso de

barrido.

Figura 18 Representacin fsica de los flujos durante el proceso de barrido en modelos sencillos: desplazamiento perfecto y mezcla perfecta


3.4.1 Desplazamiento perfecto En este proceso la mezcla fresca que entra al cilindro reemplaza a los gases quemados, solo cuando

han sido desplazados todos los gases quemados se le puede llamar a este fenmeno como

cortocircuito

Zona de mezcla fresca Vam=0

Zona de desplazamiento de mezcla dVam=0

Mezcla suministrada dVas=Zona de desplazamiento dvdp

El modelo de desplazamiento perfecto la mezcla fresca puede llenar el cilindro completamente sin

que exista cortocircuito es decir si Vat es menor al Vcil, el coeficiente de admisin es menor a la

unidad y a la mezcla fresca retenida Var coincide con la mezcla fresca suministrada

3.4.2 Mezcla perfecta La mezcla fresca que entra al cilindro no forma ninguna zona de desplazamiento y se supone

un proceso de mezcla homognea con gases quemados del interior del cilindro

El fenmeno de cortocircuito aparece desde el mismo instante en que se produce la entrada

de gases frescos al interior del cilindro

Zona de desplazamiento=0

Dv= mezcla interior del cilindro en un instante determinado

El volumen de mezcla Vam est compuesto por mezcla fresca en zona de mezcla

La expresin para el coeficiente de carga

= 1



y el rendimiento en funcin del coeficiente de admisin para modelos simples de barrido

3.5 Flujo de lumbreras Las lumbreras encargadas de materializar el proceso de barrido como se muestra en la figura nos

indican la evolucin de las secciones efectivas en la lumbrera de escape, de transferencia y conducto

de admisin al crter en un motor de 2T en funcin al Angulo de giro del cigeal con diferentes

motores (50 y 125)cc

La masa total que habr atravesado la seccin se puede obtener integrando la ecuacin mientras la

seccin de paso se encuentre abierta, tanto en dominio temporal como angular

3.6 Diseo de lumbreras El diseo consiste en prever un rea suficiente en el instante necesario, determinar la funcin rea

tiempo requerido

La secuencia del ciclo requiere primero evacuar en parte los gases quemados durante el proceso

de escape espontanea para que la presin disminuya la suficiente como para posibilitar el barrido,

posteriormente hay que llenar el cilindro con carga fresca que a su vez empuja los productos que

todava quedan en el cilindro

Limitaciones

Las lumbreras no pueden ser desmesuradamente altas

Una altura desproporcionada disminuye un 8% el trabajo utilizable

Anchura de las lumbreras

Se pueden producir problemas de segmentados estructurales

3.6.1 Calculo de la lumbrera de escape El periodo de escape consta de dos etapas:

La primera desde que abre la lumbrera de admisin, perodo de escape espontaneo.

La segunda, ya con la lumbrera de admisin abierta, durante el periodo de barrido.

=1

= (. . )

1

0

Figura 19 Lumbreras de un motor monocilindrico



La lumbrera de escape debe tener una funcin rea-tiempo suficiente durante el escape

espontaneo, para que los gases quemados se expandan por lo menos hasta la presin de barrido,

de modo que no penetren por las lumbreras de admisin a la apertura de estas.

La parte ms importante del diseo de las lumbreras de escape consiste en determinar el avance

al escape.

La primera consideracin importante es que la apertura de escape debe de ser rpida.

Para conseguir aperturas rpidas la mejor solucin es la lumbrera rectangular.

Para calcular el avance al escape en un motor dado, partimos de la ecuacin que gobierna

la masa que circula por un conducto en forma diferencial es decir:

= (

)

2

La presin del barrido es dato del problema conociendo el tipo de bomba a emplear,

mientras que la presin al iniciarse el proceso de escape espontneo hay que estimarla en

funcin del tipo de motor.

Existen expresiones que relacionan el valor de con la presin media efectiva que espera

obtenerse del motor:

= 0,41 + 1

Donde la presin media efectiva viene expresada en bar.

Puesto que la altura Lm, esta relacionada con 1 y 2 por medio de las ecuaciones que

rigen la cinemtica del movimiento biela-manivela, se puede escribir que:

(2 1) = ()

Por consiguiente si se conociera el ngulo de apertura de la lumbrera de admisin, 2, se

podra conocer 1 y Lm, con lo que quedara perfectamente definida la geometra de la

lumbrera de escape.



Figura 20 Coeficiente de flujo a travs de una lumbrera de escape en funcin de la relacin de presiones


3.6.2 Calculo de la lumbrera de admisin Usando la expresin del gasto que atraviesa una determinada una determinada seccin y

particularizando para la lumbrera de admisin al cilindro se tiene:

= (

)

Donde Ap es la seccin del pistn, es el coeficiente de descarga referido al rea del pistn, a y

c son los subndices relativos a las condiciones de admisin y cilindro.

El nuevo coeficiente de descarga que aparece en la expresin anterior referido a la seccin del pistn

est definido como:

= (21)

2

Sustituyendo las dos anteriores expresiones del coeficiente de admisin se obtiene una nueva

expresin de este coeficiente en la forma:

= (

)

1

Donde S es la carrera del pistn.

La lumbrera circular es la que tiene menor relacin permetro-rea, por lo que las prdidas por

friccin sern mnimas, sin embargo, es de apertura lenta.

3.7 Caractersticas constructivas La lumbrera elptica, la relacin permetro-rea tambin se mantiene pequea, siendo la apertura

ms rpida, pero su mecanizado es complicado.



Las lumbreras rectangulares son ms utilizadas, por ser de apertura muy rpida, sin embargo

pueden presentar problemas de segmentos cuando la anchura es muy grande. Este problema es

menos acentuado en la lumbrera trapezoidal.

Para evitar la rotura de segmentos y mantener la lumbrera rectangular, se procede a dar a la

lumbrera una ligera curvatura en su arista superior, que comprime gradualmente la parte saliente

del segmento durante la carrera ascendente del pistn.

Hay que tener en cuenta que las lumbreras deben tener ngulos de inclinacin axial y radial.

Para conseguir un guiado efectivo del aire no se deben dimensionar las lumbreras de admisin

excesivamente anchas en relacin con su profundidad.

Figura 21 ngulos de inclinacin axial y radial en lumbreras de transferencia de un motor de 2T




Bibliografa Motores de Combustin Interna Alternativos. M. Muoz, F. Payri, Servicio de

Publicaciones E.T.S.I.I. de Madrid, 1989.

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BARRIDO EN MOTORES DE 2T Y 4T.pdf

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