CAPITULO 7INTERCAMBIO DE GASES7.2 PARAMETROS DEL PROCESO DE ADMISINLa cantidad de carga fresca que ingresa en el proceso de admisin, es decir, el llenado del cilindro, depende de los siguientes factores:1. De la resistencia hidrulica en el sistema de admisin, que hace disminuir la presin de la carga suministrada en la magnitud ;

2. De la existencia de cierta cantidad Mr de productos quemados (gases residuales) en el cilindro, que ocupan parte de su volumen;

3. Del calentamiento de la carga por las superficies de las paredes del sistema de admisin y del espacio interior del cilindro en la magnitud , como consecuencia del cual disminuye la cantidad de la carga introducida.La influencia que ejerce cada uno de los factores indicados puede aclararse analizndolos por separado. Para simplificar la tarea en adelante se supone que el proceso de admisin termina en el punto a (ver fig. 7.1). Todos los fenmenos relacionados con la recarga del cilindro y su barrido se evalan con coeficientes experimentales. Presin en el cilindro en el perodo de llenado. La existencia de resistencias en el sistema de admisin conduce a que la cantidad de carga fresca que entra en el cilindro del motor, disminuye debido a la disminucin de la densidad de la carga. La influencia de las prdidas hidrulicas sobre el llenado puede determinarse si se conocen las prdidas de presin en el sistema de admisin (ver fig. 7.1) o la presin en el cilindro pa en el instante en que se supone finalizado el proceso de admisin. Se puede determinar aproximadamente la presin dentro del cilindro durante la admisin, considerando este proceso como estacionario. Utilizando la ecuacin de Bernoulli podemos escribir:

(7.1)

donde y son las densidades de la carga en la entrada y en el cilindro respectivamente; y , respectivamente la velocidad del aire en la entrada del sistema de admisin y la velocidad media del aire en todo el proceso de admisin, medida en la vlvula o en las lumbreras de barrido por ser la seccin ms estrecha del sistema de admisin (para aumentar la velocidad y asegurar la direccin del movimiento de la carga de aire dentro del cilindro, en algunos motores de cuatro tiempos, en el conducto de admisin de la culata se hace un estrechamiento local que tiene una seccin contrada paso menor que la vlvula.

A veces la velocidad media se determina en esta seccin) por la que fluye la carga fresca, en m/s; Zk y Za, las alturas de nivel respectivamente desde el eje del sistema de admisin al eje de la vlvula de admisin; , el coeficiente de amortiguacin de la velocidad de la carga en la seccin examinada del cilindro, ( es la velocidad media del aire en la seccin examinada del cilindro); , el coeficiente de resistencia del sistema de admisin referida a su seccin ms estrecha.

Adoptando que , las alturas de nivel Zk=Za, y despreciando la variacin de la densidad de la carga fresca durante su movimiento en el sistema de admisin ( ), obtendremos:

(7.2)y

(7.2)

para el caso del motor de cuatro tiempos sin sobrealimentacin y . De la ecuacin (7.3) se infiere que la disminucin de la presin, durante el movimiento de la carga en el sistema de admisin, es proporcional al cuadrado de la velocidad en la seccin mnima y depende de los coeficientes de resistencia del sistema y de amortiguacin de la carga. En los motores con regulacin preponderantemente cuantitativa (de carburador, a gas, con inyeccin de combustible ligero y encendido por chispa) al disminuir la carga hay que entornar la mariposa de gases, lo que conduce a un incremento de las resistencias. El diagrama indicado del proceso de intercambio de gases se muestra en la fig. 7.1.Para las secciones ms estrechas del sistema de admisin y del cilindro la ecuacin de continuidad es:

(7.4)

donde fad es el rea de la seccin de paso de la vlvula (o de la seccin ms estrecha), en m2; , la velocidad mxima del pistn, en m/s; , el rea de la cara del pistn, en m/s:

(7.5)

donde R es el radio de la manivela, en m; , la velocidad angular del cigeal; (n, la frecuencia de rotacin del cigeal, en rps); , la relacin entre el radio de la manivela R y la longitud de la biela L, .

El empleo en el clculo de , a diferencia del mtodo de clculo recomendado en la literatura, segn la velocidad media del pistn , permite obtener para los motores de cuatro tiempos, valores de ms cercanos a los reales.

Esto se explica por el hecho de que la superficie , que se toma en cuenta en el clculo, corresponde al rea de la mxima seccin de paso de la vlvula que tiene lugar aproximadamente en el instante cuando la velocidad del pistn vara insignificantemente y es cercana a .Teniendo en cuenta que el carcter de variacin de paso de la vlvula y la velocidad cp son similares, dichas relaciones son ms cercanas a los valores de en el momento examinado.De las ecuaciones (7.4) y (7.5) tenemos:

(7.6) Introduciendo el valor de en la expresin (9.4) obtendremos:

(7.7)

donde A1 est en m2, A2 en Kg.m3,en Pa.

De la ecuacin (7.7) se desprende que es proporcional al cuadrado de la frecuencia de rotacin n2 e inversamente proporcional al cuadrado del rea . Incrementar la superficie es un medio para disminuir . En los motores de automviles modernos de cuatro tiempos con las vlvulas dispuestas en la parte superior la posibilidad de aumentar la superficie est limitada por condiciones de ubicacin de las vlvulas en la culata.

Siendo , en caso de disminuir la carrera del pistn ser necesario aumentar respectivamente el dimetro D del cilindro, lo que permitir instalar vlvulas con mayor seccin de sus gargantas de paso. La superficie total de las secciones de paso en las vlvulas de admisin puede ser incrementada utilizando cuatro vlvulas (dos de admisin y dos de escape)

El esquema de cuatro vlvulas es conveniente emplearlo en caso de sobrealimentacin, as como al elevar la frecuencia de rotacin, ya que la reduccin de la masa y por lo tanto de las fuerzas de inercia de cada vlvula condiciona un trabajo ms fiable del mecanismo de distribucin de los gases a altas frecuencias de rotacin. La superficie de la seccin de paso en las vlvulas puede incrementarse utilizando cmaras de combustin en las cuales las vlvulas van dispuestas inclinadamente.

Segn datos experimentales obtenidos al investigar motores de automviles, para la apertura completa de la vlvula en el rgimen nominal, la velocidad de movimiento de la carga en la seccin de paso es , ,

En los motores de cuatro tiempos sin sobrealimentacin los datos experimentales muestran que , mientras que para los que emplean sobrealimentacin .En los motores de dos tiempos Lentos con barrido por lumbreras: (7.8) donde Pp es la presin en el sistema de admisin. Rpidos con barrido uniflujo: (7.9) Cantidad de gases residuales. En el proceso de escape no se logra desalojara por completo del cilindro los productos de la combustin, ocupando stos cierto volumen a presin Pr y temperatura Tr, respectivamente. En el proceso de admisin los gases residuales se expanden y mezclndose con la carge fresca que ingresa, hacen disminuir el llenado del cilindro. La cantidad de gases residuales Mr depende del procedimiento empleado para limpiar el cilindro, as como de la posibilidad de barrido del cilindro por la carga fresca.La cantidad de gases residuales se caracteriza por una magnitud relativa denominada coeficiente de gases residuales:

(7.10)

En los motores de cuatro tiempos que tienen traslapo de vlvulas (no mayor de 30 - 40), el cual excluye la posibilidad de barrido, puede considerarse que al final de la carrera de escape los gases residuales ocupan el volumen de la cmara de combustin , y por lo tanto su cantidad:

(7.11)donde Tr y pr son respectivamente la temperatura y presin dentro del cilindro al final del escape; Rv es la constante universal de los gases.

La magnitud pr queda definida por la presin del medio ambiente al cual se expulsan los gases de escape, es decir, por la presin Po en caso de escape a la atmsfera o cuando en el escape se instala un silenciador o un colector habiendo sobrealimentacin por turbocompresor.La temperatura Tr depende de la composicin de la mezcla, del grado de expansin y del intercambio de calor en la expansin y en el escape. En los motores a gasolina, en los cuales la composicin de la mezcla vara entre lmites relativamente pequeos, la temperatura Tr decrece significativamente al disminuir la carga. En los motores Diesel, donde la regulacin de carga se efecta variando la composicin de la mezcla, la temperatura Tr decrece visiblemente al disminuir la carga. La magnitud de Tr en los motores Diesel es considerablemente menor (en 200 - 300 K) comparada con la de los motores a gasolina, debido a las relaciones de compresin expansin ms altas y a las temperaturas ms bajas en este ltimo proceso.

El volumen Vc depende unvocamente de la relacin de compresin disminuyendo cuando esta aumenta. Por lo tanto, manteniendo todas las dems condiciones en los motores de cuatro tiempos, el aumento de va acompaado siempre de la disminucin de Mr.El nmero de moles de la carga fresca M1 se caracteriza por las condiciones de llenado y regulacin de la carga.

Al disminuir la carga en los motores a gasolina mediante la reduccin de los gases la magnitud M1 decrece, mientras que en caso de regulacin cualitativa de potencia que se emplea en los motores Diesel, dicha magnitud aumenta en cierta medida. El haber sobrealimentacin M1 aumenta en ambos casos.

De esta manera, con respecto al coeficiente de gases residuales , se pueden hacer las siguientes conclusiones generalizadas.1.

En los motores a gasolina el coeficiente es mayor que en los motores Diesel debido a menores . Al disminuir la carga en los motores a gasolina aumenta, mientras que en los motores Diesel queda prcticamente constante. Al introducir la sobrealimentacin el coeficiente disminuye en los motores de los tipos como resultado de la mayor cantidad de M1; una excepcin son los motores sobrealimentados por turbocompresores, en los cuales el crecimiento de pk va acompaado por el cambio de la contrapresin pp y por consiguiente del aumento de Pr en el cilindro.

2.

En los motores a gasolina y a gas sin sobrealimentacin a plena carga ; en los motores Diesel sin sobrealimentacin .

3. En los motores de cuatro tiempos el coeficiente puede ser disminuido utilizando sobrealimentacin y aumentando en cierta medida el traslapo de las vlvulas.

4.

En los motores de dos tiempos depende de la calidad de barrido. Por ejemplo, en los motores de barrido con compresin en el crter puede alcanzar 0.4, debido a lo imperfecto de su barrido. Al disminuir la carga este coeficiente puede aproximarse a la unidad, lo que conduce a un encendido y combustin irregular. En el motor de dos tiempos con barrido uniflujo el coeficiente puede obtenerse igual al de los motores Diesel de cuatro tiempos .

5. En una serie de casos, especialmente en los motores de dos tiempos, la calidad con que se barre el cilindro de los gases quemados se evala a travs del coeficiente de barrido:

(7.12) Temperatura de calentamiento de la carga. La carga fresca durante su movimiento por el sistema de admisin y dentro del cilindro entra en contacto con las paredes calientes, elevndose su temperatura en . El grado de calentamiento durante la carga depende de la velocidad de su movimiento, de la duracin de la admisin, as como de la diferencia de temperaturas entre las paredes y la carga. Al aumentar la temperatura de la carga su densidad disminuye, por eso el calentamiento especial del sistema de admisin en el motor de carburador es conveniente solo hasta cierto lmite correspondiente al calor necesario para la vaporizacin del combustible. El calentamiento excesivo influye negativamente sobre el llenado del cilindro. De esta manera, el incremento de temperatura de la carga fresca es igual a:

(7.13)

donde Tlc es el incremento de la temperatura de la carga fresca, debido al intercambio de calor; , la disminucin de la temperatura de la carga fresca debido a la vaporizacin del combustible. Para los motores Diesel .

El clculo de se dificulta debido a la ausencia de datos suficientes para elegir el coeficiente de transmisin de calor y la temperatura media de las superficies, as como a la complejidad en determinar la parte de combustible que se ha evaporado durante el proceso de admisin (en los motores a gasolina). Como resultado de esto, durante el clculo trmico del motor la temperatura se adopta basndose en los resultados experimentales y en clculos indirectos. Si el sistema de intercambio de gases ha sido diseado correctamente, la carga fresca que ingresa al cilindro del motor Diesel sin sobrealimentacin, ser . Para el motor con formacin externa de la mezcla ser .

Los motores Diesel de cuatro tiempos con sobrealimentacin y sin refrigeracin intermedia del aire y los motores de dos tiempos con barrido bien organizado tienen valores de ms bajos, lo que se explica por el hecho de que las temperaturas del aire despus del compresor son ms altas y correspondientemente menor ser la diferencia entre las temperaturas medias de las paredes y de la carga fresca. Un fenmeno anlogo se observa en los motores de carburador sobrealimentados. Al sobrealimentarlos sin refrigeracin intermedia, cuando la temperatura de la carga es mayor que la temperatura de las paredes, es posible el enfriamiento de la carga y ser en este caso negativo. Temperatura al terminar la admisin. Al analizar los factores que influyen sobre el transcurso del proceso de llenado se supuso que ellos influan por separado. En la realidad todos los fenmenos que definen el transcurso del proceso de admisin actan simultneamente. El calentamiento de la carga a partir de las paredes y el mezclado con los gases residuales, que tienen una temperatura ms alta, conllevan a que al final de la admisin (punto a en la fig. 7.1) la temperatura Ta de la mezcla de la carga fresca con los gases residuales sea mayor que la temperatura Tk del aire en la entrada, pero menor que la temperatura Tr de los gases residuales.La temperatura Ta puede calcularse sobre la base del balance trmico, compuesto para la mezcla fresca y para los gases residuales, antes y despus de su mezcla. Se supone que el proceso de mezclado tiene lugar a presin constante.

Considerando que el calor especfico de la mezcla C'p es igual al calor especfico de la carga fresca Cp y el calor especfico de los gases residuales , escribiremos la ecuacin del balance trmico:

(7.14)De donde

(7.15)

Puesto que

(7.16)

Entonces

(7.17)Cuando el motor de cuatro tiempos trabaja sin sobrealimentacin Tk=To. En caso de que est sobrealimentado un motor de cuatro tiempos o uno de dos tiempos la temperatura Tk se determina segn el estado del aire antes del sistema de admisin despus de ser comprimido en el compresor, empleando la ecuacin:

(7.18)

donde nk es el exponente politrpico que caracteriza la compresin en el compresor, dependiente del tipo y grado de perfeccin del proceso que en l transcurre, .

En algunos motores sobrealimentados, despus del compresor en la entrada del conducto de admisin, se instala un refrigerador en el cual el aire se enfra en . En este caso la temperatura de la carga antes de la admisin ser:

(7.19)

Para determinar Ta, sin cometer gran error puede asumirse que , ya que para los motores con formacin externa de la mezcla y la suposicin de que prcticamente no ocasiona error en el clculo.

Entonces:

(7.20)Las ecuaciones (7.17) y (7.20) son justas para los motores de dos y cuatro tiempos.

Para los motores de cuatro tiempos con sobrealimentacin , para los motores sobrealimentados de dos y de cuatro tiempos . .En los motores que funcionan con gas licuado, la ecuacin del balance trmico, referida a 1 mol de gas, al mezclar el gas con el aire en el mezclador, tiene la siguiente forma:

(7.21)

de donde, considerando que , obtendremos que:

(7.22)donde Tm es la temperatura de la mezcla aire-gas que entra en el cilindro del motor, Tg es la temperatura del gas que ingresa en el mezclador.El valor de la temperatura Tk se sustituye en la ecuacin (7.17) o (7.20) al determinar Ta.

En la fig. 7.4 se muestra la relacin que existe entre la temperatura Ta y el coeficiente para dos valores de Tr y en el caso cuando la carga fresca ingresa desde la atmsfera a To = 288 K. En la fig. 7.5 se ilustra la dependencia respecto al grado de calentamiento de la carga.

Del grfico se deduce que la temperatura Ta crece al aumentar y, como resultado de lo cual disminuye la densidad de la carga fresca admitida

Fig. 7.4 Variacin de la temperatura Ta (To = 288 K) en funcin del coeficiente : 1 - ; Tr = 1000K; 2 - ; Ta = 800 K

Fig. 7.5 Variacin de Ta = f (), (T0 = 288 K; = 0.06 y Tr=1000 K)

Captulo 7INTERCAMBIO DE GASES7.3 COEFICIENTE DE LLENADO

El grado de perfeccin del proceso de admisin se acostumbra evaluar por el coeficiente de llenado o rendimiento volumtrico que es la razn entre la cantidad de carga fresca que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresin real, es decir, al instante en que se cierran los rganos del intercambio de gases y aquella cantidad de carga fresca que podra llenar la cilindrada (volumen de trabajo del cilindro) en las condiciones de admisin. Las condiciones de admisin para motores de cuatro tiempos sin sobrealimentacin son la presin y la temperatura del medio ambiente, para los motores sobrealimentados de dos y cuatro tiempos, la presin pk y la temperatura Tk despus del compresor (vanse las figs. 7.1 a 7.3).

Los clculos muestran que para los motores con formacin externa de la mezcla, que funcionan con combustible lquido, la diferencia entre los coeficientes de llenado, calculados considerando la condicin de que la carga fresca puede ser el aire o la mezcla aire-combustible, es insignificante. Por eso en lo sucesivo, para estos motores as como para los de tipo Diesel, vamos a determinar la por la cantidad de aire admitida en el cilindro.Segn la definicin:

(7.23)donde Grc es la cantidad msica real de carga fresca que se encuentra en el cilindro al inicio de la compresin, en Kg.; Vk, el volumen ocupado por la carga fresca y reducido a las condiciones de admisin (pk y Tk) en m3.En los motores de cuatro tiempos con barrido del cilindro en el perodo de traslapo de las vlvulas y en los motores de dos tiempos parte de la carga fresca suministrada se pierde en el barrido y no participa en los procesos de compresin y combustin. La cantidad de carga gastada para el barrido se evala por el coeficiente de barrido:

(7.24)donde Gtot es la cantidad total de carga fresca admitida al cilindro en un ciclo, en Kg.

Para los motores de cuatro tiempos con traslapo de vlvulas, que no sobrepasa los 40 a 50, puede considerarse .Deduccin de la ecuacin del coeficiente de llenado. La ecuacin del coeficiente de llenado en funcin de los principales factores que influyen sobre l puede deducirse a partir de lo siguiente. Cuando el pistn se encuentra en el punto a (ver fig. 7.2) en el cilindro del motor existen M1a moles de carga fresca y Mr moles de gases residuales. Segn la ecuacin caracterstica de los gases, si p se da en Pa; Va en m3 y T en K.

(7.25)donde 8314 es la constante universal de los gases, en J/(Kmol.K).Para la cantidad total de carga fresca que entra M1, la ecuacin de los gases referida a las condiciones de admisin es:

(7.26)Empleando las ecuaciones (9.23) y (9.26) obtendremos:

(7.27)La magnitud de M1 puede ser en el caso general mayor que M1a, ya que desde el punto a hasta el instante en que se cierran los rganos de la admisin es posible un llenado adicional, considerado por el coeficiente de recarga:

(7.28)

Entonces:

(7.29)De las ecuaciones (7.25) y (7.29) tenemos que:

(7.30)Hallando M1 de la ecuacin (7.27) y dividiendo la ecuacin (7.30) entre la expresin obtenida, tenemos:

(7.31)Pero:

(7.32 y 7.33)

Hallando de la ecuacin (7.17) y sustituyendo esta expresin en la ecuacin (7.33) obtendremos:

(7.34)

Las igualdades (7.33) y (7.34) son justas para los motores de dos y cuatro tiempos. Para el caso de los motores de dos tiempos la relacin de compresin deber referirse a la parte til de la carrera de pistn.

Ecuaciones de los coeficientes y para el motor de cuatro tiempos. Al examinar el escape puede admitirse que el proceso en el motor de cuatro tiempos termina en el P.M.S. Entonces de la ecuacin (7.11), sustituyendo Vc por , obtendremos:

(7.35)

Teniendo en cuenta que , podemos escribir:

(7.36)

En caso de que haya traslapo de vlvulas, lo que garantiza el barrido del cilindro, el coeficiente disminuir.

Para tomar en consideracin el soplado adicional del cilindro del motor de cuatro tiempos al efectuar el barrido, especialmente caracterstico par el motor sobrealimentado, en la ecuacin (7.36) se introduce el coeficiente de soplado :Considerando este coeficiente:

(7.37)

Al no haber barrido siendo el soplado perfecto . En el denominador de la ecuacin (7.34) en lugar depongamos su valor de la ecuacin (7.37); despus de las transformaciones correspondientes obtendremos:

(7.38)

Despus de sustituir el valor de en la ecuacin (7.37) a partir de la expresin (7.38) se puede obtener la ecuacin para el coeficiente en el motor de cuatro tiempos en funcin de la temperatura, presin y coeficientes experimentales:

(7.39)

En caso de que el motor de cuatro tiempos no tenga barrido ni recarga, . Por lo tanto,

(7.40 y 7.41)

Determinar analticamente el coeficiente en el motor de dos tiempos resulta imposible ya que desconoce la cantidad de carga fresca que se queda en el cilindro despus del barrido. El valor de puede hallarse experimentalmente siguiendo el mtodo propuesto por E. K. Mzing. Si se hace un anlisis de las muestras de gases tomadas del cilindro durante los procesos de compresin y expansin, entonces segn el contenido de CO''2 en el proceso de compresin y de CO'2 en el de expansin, el coeficiente de gases residuales ser:

(7.42)

Ecuacin del coeficiente en los motores de cuatro tiempos rpidos. Las expresiones para determinar el coeficiente de llenado citadas anteriormente han sido deducidas sobre la base del balance de energa interna, que define el desarrollo del proceso dentro del cilindro. Cuando la admisin se efecta a bajas velocidades, cosa tpica para los motores lentos y las velocidades de la carga dentro del sistema de admisin son bajas, entonces el trabajo gastado en introducir la carga fresca (-Lad) puede ser igualada al trabajo positivo que sta realiza dentro del cilindro (+LII) y por eso estos dos componentes pueden ser excluidos del balance de energa. Para los motores rpidos con formacin externa de la mezcla, especialmente cuando trabajan en rgimen de cargas parciales, podr hacerse un clculo ms preciso si se tienen en cuenta todas las partes integrantes del balance de energa.El balance completo de energa en la carrera de llenado de forma general se presenta como:

(7.43)

Donde Ur es la energa interna de los gases residuales, en J, ; Uk es la energa interna de la carga fresca, en J; ; Lad es el trabajo gastado para introducir la carga fresca en el proceso de llenado (trabajo de suministro), en J; : Qp es el calor transmitido a la carga fresca desde las paredes, en J; ; LII es el trabajo efectuado por elfluido operante durante la carrera de llenado, en J, ; Una es la energa interna de la mezcla al final de la admisin (en el punto a de la fig. 7.6) en J.

Asumiendo que y expresando el trabajo de llenado a travs (donde es el coeficiente del trabajo de llenado, ), despus de sustituir en la expresin inicial algunas magnitudes y de efectuar las transformaciones correspondientes.se obtiene una ecuacin que nos permite determinar el coeficiente de llenado:

(7.44)

Segn datos obtenidos en la elaboracin de los diagramas indicados .

Fig.7.6 Diagrama indicado del proceso de intercambio de gases en un motor rpido de cuatro tiempos.

Captulo 7INTERCAMBIO DE GASES7.4 DIVERSOS FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE EL COEFICIENTE DE LLENADO

Analizando las ecuaciones (7.33), (7.34), (7.38) y (7.40) se deduce que sobre el valor del coeficiente de llenado influyen la presin pa y la temperatura Ta al final de la admisin, el calentamiento de la carga , el coeficiente de gases residuales , la temperatura Tr y la presin Pr, la relacin de compresin ,los coeficientes de recarga y de barrido. A su vez, dichas magnitudes dependen de una serie de factores y adems, estn correlacionadas entre s. Por eso, junto con el anlisis del efecto que ocasionan separadamente algunos factores sobre el coeficiente es conveniente estudiar la influencia que ejerce el mismo el conjunto de factores en funcin del rgimen de funcionamiento del motor.

Relacin de compresin. Si los dems parmetros se mantienen constantes, entonces para mayores valores de, el coeficiente aumentar. En la realidad, al crecervaran tambin otros parmetros (disminuye el coeficiente y la temperatura de los gases residuales, aumenta el calentamiento de la carga y otros). Adems, influye sobre la calidad del barrido de la cmara de combustin. Se puede mostrar analticamente que siendo el barrido completo de la cmara, con el aumento de , el coeficiente disminuye. Sin embargo, al elevar , puede tanto aumentar como disminuir, en funcin del factor que ejerza mayor influencia. Investigaciones experimentales muestran que la relacin de compresin no influye prcticamente sobre .

Presin al final de la admisin. La presin pa es la que ejerce la mayor influencia sobre . De las ecuaciones (7.3) y (7.7) se concluye que la disminucin de la presindepende de las resistencias en el sistema de admisin y vara proporcionalmente al cuadrado de velocidad media de la carga en la seccin mnima de la tubera de admisin.

Sobre la magnitud influyen tambin el diseo del colector de admisin, (disposicin de las vlvulas, existencia de codos, resistencias locales, etc.), el acabado de las superficies internas de las paredes del sistema de admisin, la posicin de la mariposa de gases (para los motores con formacin externa de la mezcla) y el rgimen de velocidad.

En la fig.7.7 se ilustra la relacin entre yen la seccin de las vlvulas de admisin para la posicin de la mxima apertura al funcionar un motor de cuatro tiempos en el rgimen nominal. Al aumentar la velocidad, el coeficiente disminuye, lo cual debe tenerse en cuenta al disear el sistema de admisin cuando se requiere aumentar la velocidad de la carga. En la zona rayada ms cerca del lmite superior se encuentran los valores de tpicos para los motores Diesel, mientras que los cercanos al lmite inferior corresponden a los motores de carburador.

Fig. 7.7 Variacin del coeficiente en funcin de la velocidad mxima de la carga.

Presin y temperatura en la entrada. La presin de la carga en la entrada ejerce cierta influencia sobre la magnitud de. Al aumentar pk, sin variar la presin de escape, la relacin pa/pk crece, lo que conduce al incremento de .

En la zona de valores de pk empleados en los motores de cuatro tiempos para automviles y tractores (0.1 - 0.8 Mpa), este incremento vara entre 1.5 - 5%.

Un poco ms la presin pk influye sobre el coeficiente de llenado en los motores de dos tiempos. Para el motor con barrido por vlvulas y lumbreras, a n = 1600 rpm, al aumentar pk desde 0.13 hasta 0.19 Mpa la relacin pa/pk crece desde 0.88 hasta 0.93. El aumento de cuando crece pk es una consecuencia de la disminucin relativa de las prdidas hidrulicas, as como tambin de cierta disminucin del calentamiento , debido al enfriamiento ms intenso de las superficies que intercambian calor durante el barrido del cilindro.

Con el aumento de la temperatura Tk, por efecto de la menor diferencia entre las temperaturas de las paredes y del aire, la intensidad del intercambio de calor y la magnitud disminuyen, mientras que crece. En los motores de carburador, siendo la temperatura Tk elevada, mayor cantidad de calor, introducida con el aire, se gasta tambin en el calentamiento y vaporizacin del combustible, as como para recalentar sus vapores.

Segn datos experimentales, si se conoce el coeficiente de llenado a la temperatura Tk1, en caso de que sta vare hasta Tk2 el coeficiente puede determinarse de la siguiente manera:

(7.45)

Es necesario tener en cuenta que el aumento de al elevar la temperatura Tk no conduce al crecimiento de la carga msica Gtot, puesto que la densidad de la carga simultneamente disminuye.

Presin de los gases residuales. La presin pr tambin influye sobre . El aumento de la presin pr manteniendo constante la temperatura Tr, corresponde a la presencia de mayor cantidad de gases residuales en el cilindro. En este caso gran parte de la carrera del pistn desde el P.M.S. se gasta para la expansin de los gases residuales y la admisin comienza ms tarde, como consecuencia de lo cual el coeficiente disminuye.

La presin pr ejerce veces menos influencia sobre que la presin al final de la admisin pa, lo que se concluye de las ecuaciones (7.38) y (7.40). La presin pr depende de las condiciones de organizacin del escape y de la resistencia del conducto de escape. Lo mismo que en el sistema de admisin, la resistencia del sistema de escape es proporcional al cuadrado de la velocidad de salida del gas en la seccin mnima de paso y por lo tanto es proporcional al cuadrado de la frecuencia de rotacin del cigeal del motor. Tomando en consideracin la menor influencia de pr sobre en algunas estructuras de motores disminuyen las secciones de paso de las vlvulas de escape en cierta medida aumentando respectivamente las secciones de paso de las vlvulas de admisin obteniendo de esta manera el incremento de .

Temperatura de los gases residuales. De la ecuacin (7.34) se deduce que el producto influye sobre el rendimiento volumtrico. Si adoptamos que los calores especficos de los gases residuales y del aire son puede considerarse que Tr no influye sobre , ya que la mezcla suministrada al calentarse se expande tanto como se comprimen los gases residuales al ceder el calor a la mezcla admitida o al aire.

Barrido. El coeficiente puede elevarse mediante el barrido de la cmara de combustin. En los motores de dos tiempos el barrido es una parte obligatoria del proceso de intercambio de gases. La calidad del soplado de los gases quemados en el motor de dos tiempos, debido al corto tiempo concedido a este proceso, en gran medida depende de la correcta organizacin del barrido. En los motores de dos tiempos con barrido uniflujo se consigue la mejor calidad de soplado del cilindro y por eso en ellos se aproxima a los valores logrados en los motores de cuatro tiempos. El barrido en los motores de cuatro tiempos se realiza en el perodo de traslapo de las vlvulas, cerca del P.M.S. En los motores que funcionan con sobrealimentacin, donde pk > pr, siempre sed efecta el barrido. Siendo perfecto el barrido de la cmara, si , el aumento relativo del rendimiento volumtrico es:

(7.46)

Calentamiento de la carga. La influencia del calentamiento de la carga sobre se ha expresado en la ecuacin (7.34) y en otras a travs de la magnitud .

En la fig. 7.8 viene representada la dependencia entre y para un motor de carburador de cuatro tiempos y para un Diesel en caso de To = 288 K y po = 0.1 Mpa. De la figura se infiere que el calentamiento de la carga influye notoriamente sobre .

En los motores con formacin externa de la mezcla parte del calor introducido con el aire se gasta en calentar y evaporar la gasolina. Sin embargo, en la mayora de los casos la cantidad de calor del aire, empleado para los fines indicados, no puede garantizar la completa vaporizacin del combustible que se encuentra en el colector de admisin. Si la temperatura del medio ambiente es baja puede formarse hielo en el colector. Por eso, para este tipo de formacin de la mezcla, sta se calienta adicionalmente (con gas o con ms frecuencia empleando el agua del sistema de enfriamiento) en los conductos de admisin. Hay que tener en cuenta que el calentamiento excesivo del sistema de admisin, en caso del cual a la mezcla aire-combustible se le suministra ms calor del necesario para la vaporizacin del combustible, conduce a un incremento injustificado de la magnitud de y a la correspondiente disminucin del coeficiente y de la carga msica.

Fig. 7.8 Variacin del coeficiente de llenado en funcin de la temperatura 1 Motor Diesel ( =17, pr = 0.12 MPa, pa = 0.088 MPa); 2 motor de gasolina ( =7, pr = 0.125MPa, pa = 0.085 MPa).

En el motor Diesel el combustible se introduce y evapora al final de la compresin, por eso calentar la carga de aire durante la admisin no es conveniente, ya que aumenta y respectivamente disminuye . En el motor Diesel siempre hay que tender a disminuir el calentamiento de la carga durante la admisin. La disposicin de los canales de admisin y escape en la culata en las zonas diametralmente opuestas, la refrigeracin mayor posible de los canales de admisin de los colectores y su aislamiento trmico son los medios que permiten disminuir . Durante el arranque del motor Diesel, a bajas temperaturas del medio ambiente, en algunos casos el aire en la entrada del sistema de admisin especialmente se calienta. Con esto se eleva la temperatura de la carga al final del proceso de compresin, obteniendo la necesaria para la inflamacin del combustible.Llenado del motor a n = const. Variando la carga. Al disminuir la carga del motor de carburador y cerrar respectivamente la mariposa de gases, las prdidas hidrulicas se incrementan, lo que conduce a la variacin del carcter con que transcurre el proceso de intercambio de gases (ver fig. 7.2). La relacin existente entre la presin pa y la posicin de la mariposa de gases se muestra en la fig. 7.9.

Al cerrar demasiado la mariposa de gases, el coeficiente de gases residuales crece. Debido a la menor temperatura de la superficie, a causa de disminuir la carga, el calentamiento de la carga decrece un poco. Sin embargo, la variacin de es en este caso insignificante. Como resultado de la accin conjunta de estos factores, al reducir la carga el coeficiente tambin disminuye.

Fig. 7.9 Variacin de la presin pa, los coeficientesy en funcin de la carga del motor de carburador.

Los motores Diesel de cuatro tiempos no tienen en su sistema de admisin dispositivo alguno para cambiar la cantidad de aire que se suministra al cilindro. Como consecuencia de esto, cuando n = const. y vara la carga, las resistencias hidrulicas en el sistema de admisin no varan. Al aumentar la carga, lo que est relacionado con el suministro de mayor cantidad de combustible, la temperatura de la superficie que transmite el calor se eleva, la adicin de calor a la carga fresca y respectivamente aumentan y a pesar de que las prdidas hidrulicas no varan, la presin pa crece un tanto. Como resultado del calentamiento, con el incremento de la carga la cantidad admitida de aire disminuye. El coeficiente casi no vara al modificar la carga. La influencia conjunta de todos los factores conduce a que en el motor Diesel de cuatro tiempos el coeficiente de llenado disminuya al aumentar la carga. En la fig. 7.10 se muestra la variacin de en funcin de la carga de un motor Diesel para tractor (curva 1). Recurriendo a la exclusin del calentamiento de la carga, a la completa expulsin de los gases residuales de los cilindros y a la eliminacin de las resistencias en el sistema de admisin fue determinada la disminucin del llenadocon respecto al calentamiento de la carga (curva 2), a las resistencias (curva 3) y a la existencia de gases residuales (curva 4). Al aumentar la carga disminuye solamente debido al calentamiento de la carga aproximadamente en 4.5%.

Fig. 7.10 Variacin del rendimiento volumtricoy de las prdidas en funcin de la carga del motor Diesel (n = 1400 rpm).Influencia de la variacin de n sobre el llenado de los motores de cuatro tiempos. Cuando el motor funciona cambiando la frecuencia de rotacin y a mxima carga (segn la caracterstica externa de velocidad) sobre la calidad del llenado influyen la resistencia en el sistema de admisin, el calentamiento de la carga y la presencia de gases residuales. Al mismo tiempo, ejercen gran influencia las fases de distribucin de los gases y los fenmenos ondulatorios que aparecen en los sistemas de admisin y escape.

En la fig. 7.11 se muestra la variacin de ciertos factores que influyen sobre en funcin del rgimen de velocidad del motor. Cuando la frecuencia de rotacin aumenta la resistencia del sistema crece proporcionalmente al cuadrado de la misma, como resultado de esto tambin crece, en tanto que la presin pa disminuye. A pesar de que la temperatura media de la superficie transmisora de calor se eleva, la temperatura de calentamiento de la carga disminuye, debido a que el tiempo de intercambio de gases decrece. El coeficiente de gases residualesaumenta un poco. Como consecuencia de esto al incrementar la frecuencia de rotacin, si no se toma en consideracin la influencia de las fases de distribucin de los gases y las fugas a travs de los anillos y si suponemos que , el coeficiente debe disminuir.

Fig. 7.11 Variacin de algunos factores que caracterizan el proceso de llenado en funcin de la frecuencia de rotacin n, siendo ptimas las fases de distribucin de los gases.

Mediante la apropiada eleccin de las fases de admisin y escape se logran obtener las relaciones, correspondientes a los condiciones de explotacin, entre la cantidad de carga suministrada Gc y el rendimiento volumtrico en funcin de n (ver fig. 7.11). Al aumentar la frecuencia de rotacin, al principio crece y luego, despus de alcanzar su mximo valor, decrece. Anteriormente se haba mostrado que para garantizar un mejor barrido, el llenado del cilindro y la recarga del motor de cuatro tiempos es til ampliar las fases de admisin y escape. Las fases se eligen experimentalmente tendiendo a lograr el mayor coeficiente en aquellos regmenes de velocidad, en los cuales se requiere obtener el mximo par motor (la frecuencia de rotacin, para la cual mediante las fases de distribucin de los gases se alcanza el mximo valor de ,se establece en funcin del campo de aplicacin que tenga el motor).

Al disminuir la frecuencia de rotacin, en comparacin con su valor para el cual es el mximo, este coeficiente disminuye debido a que las fases elegidas no corresponden al rgimen dado de velocidad, as como a causa del escape de parte de la carga al final de la admisin (cuando el pistn se mueve desde el P.M.I. hacia el P.M.S.) retornando al sistema de admisin.

Al aumentar la frecuencia de rotacin, en comparacin con el valor correspondiente al mximo , el coeficiente disminuye como resultado del incremento de la resistencia en la admisin y de la influencia de otros factores anteriormente mencionados.

En la fig. 7.12 se muestran las curvas para los motores Diesel y de carburador. La curva 3 representa la variacin deen el motor de carburador cuando la mariposa de gases est totalmente abierta. Al disminuir la carga van cerrando la mariposa, por lo tanto las resistencias en el sistema de admisin se incrementan y con el aumento de n el coeficiente disminuye ms bruscamente (curva 4). A medida que se va cerrando la mariposa de gases va creciendo la depresin en el espacio situado detrs de ella. Desde el instante en que la relacin pa/pk es igual a la crtica la funcin se convierte en hiperblica (curva 5).

El coeficiente en el motor Diesel a plena carga es en poco mayor (curva 2) que en el motor de carburador (curva 3); adems, la curva 2 tiene una pendiente ms suave que la curva 3, lo que se explica por ser menores las prdidas hidrodinmicas en la admisin del motor Diesel. Cuando el motor funciona en vaco, en el motor Diesel es mayor (curva 1) debido a un menor calentamiento de la carga (ver fig. 7.10).

Fig. 7.12 Influencia del rgimen de velocidad del motor sobre el coeficiente para diferentes cargas . En cierta gama de frecuencias de rotacin el coeficiente puede elevarse mediante una efectiva utilizacin de los fenmenos ondulatorios en los conductos de escape y admisin (sobrealimentacin inercial).

En la fig. 7.13 se ilustra la variacin del coeficiente para algunos motores de carburador y Diesel al funcionar stos segn la caracterstica externa de velocidad. Al funcionar en los regmenes nominales el coeficiente vara entre los lmites de 0.75 -0.85 en los motores de carburador y de 0.8 - 0.9 en los motores Diesel.

Fig. 7.13 Variacin del coeficientecuando el motor funciona siguiendo la caracterstica externa de velocidad. a de los motores Diesel b de los motores de carburador

Captulo 7INTERCAMBIO DE GASES7.5 PROCESO DE ESCAPE GENERALIDADESEn el motor de cuatro tiempos desde el instante de apertura de la vlvula de escape en el punto l (ver fig. 7.14) hasta cierto valor de la presin, igual al crtico pcr, el escape de los gases quemados tiene lugar a velocidad crtica (600 - 700 m/s) y va acompaado de un ruido estridente. Durante este perodo, que acaba cerca al P.M.I., se expulsa del cilindro del motor el 60 - 70% de los gases quemados, disminuyendo la presin en el mismo. Cuando el mbolo se desplaza hacia el P.M.S. los gases quemados siguen expulsndose, pero a una velocidad que constituye de 200 a 250 m/s

Fig. 7.14 Seccin del diagrama indicado que caracteriza el proceso de escape en un motor cuatro tiempos.

El trabajo consumido para expulsar los gases quemados, as como tambin el grado de barrido del cilindro, dependen de las fases del proceso de escape. Del diagrama indicado mostrado en la fig. 7.14 se desprende que, siendo la apertura de la vlvula (punto l') excesivamente temprana, el trabajo de expansin perdido, determinado por el rea l'bb', resulta excesivamente grande y no se compensar por la disminucin del trabajo absoluto gastado para le expulsin.La apertura de la vlvula de escape en el punto l'' resulta retardada. Aunque en este caso las prdidas del trabajo de expansin (rea l''bb'') son menores, sin embargo, para empujar los gases quemados en el tramo b''r'' se consume gran trabajo y el barrido de ellos del cilindro empeora. El instante de apertura de la vlvula de escape (punto l) se escoge experimentalmente.En la fig. 7.14 se muestra con lnea llena un tramo del diagrama indicado para las fases en las cuales se consiguen los mejores ndices del motor.La calidad de soplado del cilindro se puede elevar utilizando el movimiento ondulatorio de los gases en el tubo de escape o mediante el barrido del cilindro en el perodo de traslapo de vlvulas (en los motores sobrealimentados).El cambio de presin en el cilindro durante el escape depende de las condiciones que tenga el proceso de intercambio de gases. Cuando el motor funciona sin sobrealimentacin el diagrama indicado tiene la forma que se muestra en la fig. 7.15a. La lnea que caracteriza el proceso de escape est situada por encima de la lnea del proceso de admisin y el primer perodo del escape a velocidad crtica de salida del flujo termina cerca del P.M.I. Al haber sobrealimentacin, en funcin de la relacin pk/pp (pp es la presin en el sistema de escape), son posibles los casos cuando el perodo del escape a velocidad crtica contina cierto tiempo durante el movimiento del pistn hacia el P.M.S. y la lnea de admisin (fig. 7.15b) estar situada para la mayor parte de la carrera del pistn por encima de la lnea de escape.

Fig. 7.15 Desarrollo del proceso de escape en un motor de cuatro tiempos: a cuando pr > pa, b cuando pr < pa.

Al disminuir la carga del motor reduciendo la seccin de paso de la mariposa, en el instante en que se abre la vlvula de escape la presin ser menor. Esto influye sobre el desarrollo del escape durante el primer perodo.Cuando el mbolo se desplaza hacia el P.M.S. la tendencia de cambio de la presin y su valor, bajo el cual transcurre el proceso de escape, prcticamente no varan.La temperatura de los gases quemados depende de la carga y del rgimen de velocidad del motor. Al elevar la frecuencia de rotacin y la carga sube la temperatura de los gases quemados.Para disminuir el ruido en los motores de automviles, en el sistema de escape se monta un silenciador que crea resistencias adicionales en la salida. La estructura del silenciador y de todo el sistema de escape deber elegirse de tal manera que durante la supresin del ruido las prdidas hidrulicas sean mnimas. En ciertos casos la estructura del sistema de escape se elige tomando en consideracin la obtencin de una carga adicional en el cilindro al utilizar la sobrealimentacin inercial.

Captulo 7INTERCAMBIO DE GASES7.6 SOBREALIMENTACION DE MOTORESltimamente, debido al incremento de la capacidad de carga y de la velocidad de los vehculos, es necesaria la elevacin de la potencia nominal de sus motores sin aumentar considerablemente las dimensiones mximas ni la masa. La explotacin de los vehculos en condiciones montaosas, a diferentes alturas sobre el nivel del mar, conduce a la necesidad de buscar vas para conservar la potencia del motor, a pesar del descenso de la densidad del aire atmosfrico. La especializacin del equipo e instrumentos de medicin de la produccin en serie permiten organizar la produccin de motores con diferentes potencias nominales a base de una serie unificada, cuando en todos los modelos las dimensiones de los cilindros y la carrera del pistn se mantienen constantes. La solucin de estos problemas se reduce a la bsqueda de procedimientos para elevar considerablemente la potencia por unidad de cilindrada.La potencia efectiva por unidad de cilindrada del motor queda definida por la ecuacin:

(7.47)

Para la cilindrada dada del motor la potencia puede elevarse incrementando la frecuencia de rotacin n o la presin media efectiva pe. Las posibilidades del primer procedimiento quedan limitadas por la velocidad media lmite del pistn (partiendo de la condicin de durabilidad de la estructura).Examinemos las posibilidades que existen para elevar la presin media efectiva.

La magnitud de la relacin se determina por el proceso indicado en el cilindro. Para el nivel actual de perfeccin del proceso, esta magnitud puede seguir creciendo solamente en un pequeo porcentaje y no puede ejercer gran influencia sobre pe.

La magnitud de tambin ha alcanzado elevados valores. Se sigue trabajando con el fin de disminuir las prdidas mecnicas, pero tambin el perfeccionamiento de este parmetro no puede dar un considerable incremento de pe.

La densidad de la carga puede considerablemente incrementarse elevando del aire o mezcla que ingresa al cilindro. Este procedimiento se denomina sobrealimentacin del motor. Proporcionalmente acrecer y por consiguiente la potencia por unidad de cilindrada del motor.Al emplear la sobrealimentacin las prdidas por friccin son mayores en comparacin con los valores de las mismas que se obtienen cuando el motor funciona sin sobrealimentacin, pero a consecuencia de la elevacin de la potencia efectiva el rendimiento mecnico del motor sobrealimentado aumenta.La elevacin de la presin del aire se realiza en un compresor, que puede accionarse por el motor. A pesar del consumo de potencia que se gasta en hacer trabajar el compresor, la sobrealimentacin considerablemente incrementa la potencia efectiva del motor, lo que puede explicarse de la manera siguiente. Se sabe que el trabajo que se gasta en la compresin se obtiene de la expansin del gas, es proporcional a su temperatura inicial. En el compresor del aire se comprime siendo relativamente baja la temperatura, mientras que en el cilindro del motor el mismo se expande a alta temperatura y por lo tanto produce mayor trabajo que aquella que se gast en la compresin.La elevacin de la potencia del motor como consecuencia de la sobrealimentacin de evala por el grado de sobrealimentacin:

(7.48)Donde pes es la presin media efectiva obtenida en el motor sobrealimentado.En caso de la sobrealimentacin se elevan la presin y la temperatura del aire al final de la compresin. Esto limita el grado de sobrealimentacin en los motores de carburador debido a la aparicin de la detonacin.

La sobrealimentacin puede utilizarse en los motores de automviles de encendido por chispa al funcionar estos en condiciones mo0ntaosas, con el fin de conservar la potencia nominal.La potencia nominal del motor de encendido por chispa, al aplicar la sobrealimentacin, puede elevarse combinando la relacin de compresin, la presin de sobrealimentacin y el coeficiente de exceso de aire, de manera que sea posible alcanzar una elevada potencia al utilizar un combustible de cierto nmero de octano asignado, sin que aparezca la combustin detonante.Sobre todo resulta ventajosa la sobrealimentacin en los motores Diesel, en los cuales la magnitud de pk no se limita por el surgimiento de la combustin detonante. Esto permite aumentar considerablemente la potencia por unidad de cilindrada en dichos motores. Con el fin de garantizar la fiabilidad y una aceptable intensidad trmica del motor Diesel sobrealimentado se limita la mxima presin del ciclo pz y cuando funciona en el rgimen nominal se eleva el coeficiente. Esto ltimo permite disminuir el contenido relativo de los componentes txicos y negro de carbn en los gases quemados. Los aspectos positivos mencionados muestran las perspectivas de ampliacin del campo de aplicacin de los motores Diesel sobrealimentados en automviles y tractores, los cuales obtienen gran difusin.En los automviles y tractores se utilizan motores Diesel en que pe a cuenta de la sobrealimentacin se eleva hasta el 30% (sobrealimentacin baja). Se conocen tambin casos de mayor intensificacin de motores Diesel de esta clase (hasta 40 - 50%).

Captulo 7INTERCAMBIO DE GASES7.7 SISTEMAS DE SOBREALIMENTACINSuelen emplearse tres sistemas de sobrealimentacin: con compresor accionado, con turbocompresor y mixto.Al emplear el compresor 1 accionado por el motor (fig. 7.16a) aquel se acopla, a travs de una transmisin de velocidad 2, al cigeal del motor. Para el accionamiento del turbocompresor (fig. 7.16b) se utiliza la energa de los gases de escape que ingresan e la turbina a gas 4. El compresor 1 se instala en el mismo eje que la turbina 4. Para el caso del sistema combinado (fig. 7.16c) el primer escaln lo constituye el compresor accionado por el motor y el segundo, el turbocompresor.Fig. 7.16 Sistemas de sobrealimentacin en los motores.

La temperatura del aire despus del compresor, por efecto de la compresin, se eleva. Cuando se incrementa la potencia del motor por la sobrealimentacin entre el sistema de admisin del motor y el compresor se coloca un intercambiador para disminuir la temperatura de la carga de trabajo. La utilizacin de un enfriamiento intermedio sustancialmente disminuye, para el nivel prefijado de intensificacin, la intensidad trmica de las piezas ms importantes del motor.Al emplear la sobrealimentacin en los motores carburados el compresor puede instalarse tanto delante cono detrs del carburador. En caso de que el compresor se ubique delante del carburador hay que prestar atencin a la estanqueidad de la cmara del flotador. Cuando el compresor se coloca detrs del carburador es necesario adoptar medidas que eviten la posibilidad del regreso de gases hacia el compresor en caso de que surjan llamas de retorno en el sistema de admisin. Con este fin, en el mltiple detrs del compresor, se colocan vlvulas de pasoPara la sobrealimentacin los ms utilizados son los compresores centrfugos.

Los principales parmetros que caracterizan el compresor son: el grado de elevacin de la presin ,el caudal, que es igual al consumo por segundo del aire suministrado Gs y el rendimiento adiabtico.El trabajo consumido para comprimir 1 Kg de aire en el compresor desde la presin po hasta pk, bajo la suposicin de que el proceso de compresin se realiza adiabticamente, es:

(7.49)En la realidad, el proceso de compresin se efecta siempre con intercambio de calor y prdidas internas, lo que incrementa el trabajo consumido, que se tiene en cuenta en el rendimiento adiabtico del compresor, este parmetro representa la relacin entre el trabajo de compresin adiabtica y el trabajo realmente consumido:

(7.50)

El trabajo real consumido en la compresin y empuje de 1 Kg de aire en el compresor es:

(7.51)La potencia gastada en el accionamiento del compresor es:

(7.52)Sustituyendo la ecuacin (7.51) en la frmula (7.52), obtendremos:

(7.53)

Donde es el rendimiento total del compresor;;es el rendimiento mecnico del mismo.La potencia del compresor puede tambin expresarse de la siguiente manera:

(7.54)La temperatura del aire detrs del compresor no habiendo enfriador del aire es:

(7.55)

Siendo bajo el grado de sobrealimentacin, a veces se utiliza el compresor tipo Roots, cuyo rendimiento adiabtico para pequeos valores dees relativamente elevado (para =1.3, =0.65).

Cuando crece el grado de elevacin de la presin el rendimiento adiabtico de este compresor sbitamente disminuye y cuando = 2, =0.5.

Siendo ms elevados los valores dese emplean compresores de husillos, que tienen un rendimiento ms elevado.

La compresin del aire en el proceso de su desplazamiento a lo largo del eje del rotor hasta la lumbrera de descarga se realiza con ayuda de lbulos helicoidales.

En los motores rpidos obtuvieron aplicacin los compresores centrfugos o axiales rpidos, en los cualesalcanza elevados valores (= 0.7....0.8)

Al disminuir el rendimiento y elevarconsiderablemente se incrementa el trabajo gastado en la compresin del aire en el compresor y la temperatura Tk, como resultado de lo cual disminuye la efectividad de la sobrealimentacin. Cuando la sobrealimentacin se efecta con ayuda de un compresor accionado mecnicamente por el motor:

(7.56)Al elevar el grado de sobrealimentacin por encima de un determinado valor, la potencia efectiva no se incrementa, debido a que decrece el rendimiento mecnico del motor, por efecto del crecimiento de la potencia consumida en el accionamiento del compresor, la cual no se compensa por el crecimiento de la potencia indicada obtenida a cuenta de la sobrealimentacin.

Debido a que los valores del rendimiento del compresor centrfugo son mayores con respecto al compresor de husillos, la potencia efectiva del motor utilizando este compresor se incrementa hasta valores ms elevados de.

Captulo 7INTERCAMBIO DE GASES7.8 SOBREALIMENTACION POR TURBOCOMPRESOREn caso de sobrealimentacin por turbocompresor, para la compresin del aire y su impulsin hacia los cilindros se utiliza parte de la energa que tienen los gases de escape. Esto permite parcialmente utilizar la cada de presiones entre su valor final en el proceso de expansin en el cilindro y la atmosfrica, lo que es tpico para el ciclo con expansin prolongada (ver figs. 7.15 y 7.16). La estructura de los elementos del sistema de sobrealimentacin por turbocompresor es simple. La masa total de estos elementos, por lo general, no sobrepasa el 8% de la masa total del motor Diesel.

La potencia de los motores Diesel turboalimentados puede ser incrementada en ms del 50%. La toxicidad de los gases quemados, debido a que el proceso transcurre con un coeficiente ms alto de, es menor que en el motor Diesel no sobrealimentado. Con un diseo y tecnologas adecuados, empleando materiales aleados la vida til de los motores sobrealimentados por turbocompresor puede alcanzar el mismo nivel que los no sobrealimentados.El costo del motor, referido a la unidad de potencia, ser menor cuando est sobrealimentado. Esta es la razn que determina una gran perspectiva de aplicar los motores Diesel sobrealimentados por turbocompresor en la tcnica automotriz. Al mismo tiempo, a pesar de las grandes ventajas de la sobrealimentacin por turbocompresor, su empleo en los motores de automvil est ligado a la necesidad de vencer considerables dificultades.Durante el funcionamiento del motor combinado, constituido por mquinas de pistn y de labes, a medida que disminuye la frecuencia de rotacin la cantidad de gases quemados que ingresan a la turbina de gas por unida de tiempo prcticamente no vara, pero disminuye su temperatura. Esto conduce a la disminucin de la potencia de la turbina y respectivamente al decrecimiento del trabajo consumido en la compresin, con lo cual la presin de sobrealimentacin pk se reduce. Semejante tendencia de variacin de pk en funcin de la frecuencia de rotacin no puede proporcionar la obtencin de la reserva necesaria de par motor y en consecuencia de la rapidez de variacin de las revoluciones del motor.

Para obtener la forma requerida de la caracterstica de velocidad es indispensable elegir correspondientemente los parmetros de la turbina de gas y las caractersticas del equipo de alimentacin de combustible, as como organizar el proceso de formacin de la mezcla de tal manera que se obtengan los ndices ptimos del motor en las condiciones de explotacin.Adems es muy importante asegurar los ndices ptimos de funcionamiento del motor en los regmenes operacionales ms probables, lo que tambin requiere la concordancia de los procesos que se efectan en el motor y en el turbocompresor.Debido a las elevadas intensidades trmica y mecnica al producir los motores, en los cuales se utiliza la sobrealimentacin, se plantean requisitos ms rgidos ante los materiales utilizados en su fabricacin.Por efecto de las prdidas energticas, tpicas al realizar el proceso en la turbina, la efectividad del ciclo del motor sobrealimentado que corresponde a la expansin prolongada de la carga de trabajo, desde la presin pb hasta la presin atmosfrica po (ver fig. 7.15), es relativamente pequea (menos de 7%).

Adems ser tanto menor cuanto mayor sea el grado de compresin del aire en el compresor. Para elevar la efectividad del ciclo realizado en el turbocompresor se ejecutan trabajos encaminados a elevar su rendimiento, as como disminuir las prdidas gasodinmicas en el colector de escape y en los conductos de admisin de los motores Diesel.

A medida que aumenta el grado de sobrealimentacin mayor importancia adquiere la estructura de los rganos del sistema de escape y en particular la magnitud de la seccin- tiempo de las vlvulas de escape. En los motores con media y alta sobrealimentacin (> 2.0) es conveniente emplear estructuras de culatas con dos vlvulas de escape (y dos de admisin) por cilindro.

Con el fin de conseguir la resistencia mecnica y la intensidad trmica tolerable en los motores Diesel de automvil sobrealimentados por turbocompresor, en la mayora de los casos la magnitudno excede de 1.6 - 1.8. En algunos casos su valor llega a ser de 2.0 - 2.2. Para estos valores degeneralmente se emplea la refrigeracin intermedia del aire.

En los motores de automviles y tractores turbocompresores compactos con turbinas radiales centrpetas y compresores centrfugos. Los esquemas del compresor y turbina empleados se muestran en la fig. 132.

En la fig. 7.17b a se muestra el esquema del compresor centrfugo. El rodete 2 montado en el eje 3 conjuntamente con el aparato gua 7 gira dentro del bloque 1. El aparato gua disminuye los prdidas hidrulicas debido a que en los bordes delanteros de los labes se obtiene una corriente regulara aerodinmica.El aire, al ingresar a travs del dispositivo de entrada 6 al rotor en rotacin, adquiere energa potencial y cintica. La velocidad absoluta de movimiento del aire en el rotor alcanza 300 - 350 m/s. Desde el rotor el aire pasa al difusor 4. En ste transcurre la transformacin de una forma de energa a otra (energa de presin). Desde el difusor, a la presin pk el aire ingresa al colector de aire 5 y despus cuando se abre la vlvula de admisin (o lumbrera), pasa al motor.

Fig. 7.17 Esquemas del compresor y de la Turbina de un sobrealimentador

El esquema de la turbina radial centrpeta se muestra en la fig. 132 b. Los gases quemados desde el tubo de escape ingresan al conducto de admisin 8 de la turbina y luego con la velocidad ct, presin pt y temperatura Tt entran al distribuidor 9, el cual consta de canales que van estrechndose. Como resultado de esto, cuando el gas pasa a travs del distribuidor su velocidad se incrementa, alcanzando en la salida la magnitud absoluta de c1, mientras que la presin y la temperatura disminuyen hasta los valores de p1 y T1. A la velocidad c1 el gas ingresa a los canales entre los labes del rodete 4 de la turbina, donde contornea a dichos labes y cambia de direccin. La componente tangencial de la fuerza, que aparece como resultado del contorneo aerodinmico de los labes por el gas y del cambio de direccin del movimiento, origina un par motor que hace girar el rodete. A la salida del gas de rodete se instala un enderezador giratorio de salida 10. En la salida la velocidad del gas es igual a c2, mientras que la presin y la temperatura disminuyen hasta los valores dey T2. El tringulo de velocidad, construido para la entrada del gas en el rodete de la turbina, permite, siendo conocida la velocidad circunferencial del rotor u, determinar la magnitud y direccin del vector de la velocidad relativa, con la que el gas se mueve respecto a los bordes delanteros de los labes del rodete. La velocidad c2, con la que el gas sale de la turbina, se determina recurriendo al respectivo tringulo de velocidades construido para la salida del aparato enderezador 10.En la fig. 7.18 viene representada la vista general de una turbina radial centrpeta instalada en un motor Diesel de tractor. En dicha turbina el gas fluye en los labes de la misma desde la periferia hacia el centro. En las turbinas radiales centrpetas se facilita la orientacin de los labes en el distribuidor de la turbina, ya que en este caso aparece la posibilidad de mejorar la estanqueidad de las superficies extremas. La aplicacin de la turbina con labes doblados el distribuidor permite emplear con ms eficacia la sobrealimentacin por turbocompresor en los regmenes variables, que son tpicos para la explotacin de los motores de vehculos.

Fig. 7.18 Vista general del turbocompresor TKR- 11N-1del motor SMD-60 con turbina radial centrpeta: las piezas indicadas por los nmeros 1-8 son las mismas que en la fig. 7.17Los rodetes de la turbina 11 y del compresor 2 se encuentran respectivamente en los bloques 12 y 1. Se fijan en voladizo en el eje del turbocompresor 3, que gira en un cojinete de friccin, instalado en el bloque 13. Los turbocompresores de este tipo son ligeros y poseen buena susceptibilidad (baja inercia). El rendimiento total de los mismos es elevado (ms de 0.5). La durabilidad de los turbocompresores se acerca a la que poseen las dems unidades de los motores Diesel.La velocidad circunferencial de los rodetes de los turbocompresores se determina partiendo de la presin que se desea obtener en el compresor.

Para los turbocompresores de los motores Diesel de automviles y tractores la velocidad circunferencial oscila entre los lmites de 250....380 m/s. En funcin de los niveles de la velocidad circunferencial y de la temperatura de los gases quemados se elige el material del rodete de la turbina. Para la temperatura media del gas de 700 C y ms elevada, los rodetes de la turbina se fabrican de aleaciones de nquel. Para proporcionar al turbocompresor elevada susceptibilidad tienden a emplear rodetes con el menor dimetro exterior posible y, como consecuencia, con el mnimo momento de inercia.

Los parmetros fundamentales as como las pruebas estn estandarizados. Las normas vigentes para los turbocompresores permiten elegir anticipadamente el tipo y dimensiones del turbocompresor siendo conocidasy u.A partir de la velocidad circunferencial u y del dimetro de los rodetes se calcula su frecuencia de rotacin. En los ltimos aos se observa cierto aumento de la frecuencia de rotacin de los rodetes de los turbocompresores en el rgimen nominal del motor hasta de 50000 - 80000 rpm.Para los procesos de trabajo, que transcurren en todos los elementos del sistema de sobrealimentacin por turbocompresor, son caractersticas las fluctuaciones cclicas de los parmetros del flujo de gas. De manera ms viva la inestabilidad de los procesos gasodinmicos se expresa en el conducto de escape que une los cilindros con la turbina de gas. Esto est condicionado por la gran intensidad con se perturba el flujo en el conducto de gases en el proceso de escape libre, por la brusca irregularidad de las temperaturas del fluido operante y su variacin en tiempo, por las elevadas velocidades locales de los flujos y otros.Los conductos de escape en un grupo de cilindros estn unidos en un solo colector de escape, que alimenta una seccin de paletas guas a la entrada de la turbina. En el ciclo estudiado desde un cilindro se expulsan los gases quemados al colector, lleno de gases, que llegaron del ciclo anterior desde otro cilindro.

Fig. 7.19 La presin del gas en el colector de escape del motor durante la sobrealimentacin por impulsos: I y II apertura de las vlvulas de escape del primer y segundo cilindro, respectivamente.En calidad de ejemplo de cmo vara la presin en el colector, siendo la sobrealimentacin por impulsos, en la fig. 7.19 se muestra el diagrama indicado obtenido en el tubo de escape al hacer pruebas en un motor Diesel de seis cilindros. A medida que en el proceso de escape desde el cilindro dado aumenta la seccin de paso, en los rganos de escape, intensamente crecen el caudal instantneo del gas y la velocidad del flujo ct en el tubo de escape de dicho cilindro. Este tubo se llena de gas que tiene una temperatura Tte cercana la temperatura Ten. Al final del proceso el caudal de gas desde el cilindro disminuye hasta cero, como resultado de lo cual decrecen hasta el mnimo la presin pt, la temperatura Tt y la velocidad del gas en el colector.La presin mxima en el colector pmx es aproximadamente 0.3pen. Al mismo tiempo, la presin media por ciclo no excede de 0.2pen, la presin mnima se constituye 0.12pen.

La relacin de la amplitudde la variacin de presin por cada ciclo con respecto a la presin media pm en los sistemas con sobrealimentacin por impulsos, empleados en loe motores rpidos, constituye 0.4 - 0.8 y disminuye considerablemente a medida que se incrementa la frecuencia de rotacin del cigeal. La magnitud de A decrece tambin a medida que aumenta el nmero de cilindros que alimenta cada colector.

En los sistemas de turboalimentacin por impulsos la seccin transversal de los colectoresdifiere poco de la seccin de paso de cada uno de los conductos de las vlvulas de escape. La relacin

El aumento de la seccinconduce a la disminucin del efecto de movimiento por impulsos de los gases que ingresan al rotor de la turbina. As mismo, disminuyen las prdidas en la turbina y sus magnitudes resultan cercanas a las calculadas para las condiciones en que transcurre el proceso en la turbina. La reduccin del impulso conlleva a que decrecen un poco las prdidas geodinmicas en la fase inicial de salida de los gases desde los cilindros hacia el sistema de escape. Simultneamente se incrementan las prdidas de energa para hacer salir los gases quemados desde los cilindros en la fase de escape forzado cuando el mbolo se mueve hacia el P.M.S. y por lo tanto empeora el barrido del cilindro al final del proceso de escape.

En los motores Diesel de elevada potencia que pueden emplearse en vehculos para todo terreno y de alta capacidad de carga, a la par de los sistemas de sobrealimentacin por impulsos se utilizan sistemas sin impulsos, en los cuales el gas se suministra a la turbina a presin constante. La magnitud de A en tales sistemas es pequea, gracias al incremento del rea de la seccin y correspondientemente de los volmenes de los colectores de escape.Adems de la disminucin del nivel de prdidas gasodinmicas en el conducto de entrada a la turbina y, como consecuencia, el aumento del rendimiento de la misma, como ventaja de los sistemas sin impulsos puede nombrarse la disminucin de las prdidas gasodinmicas en los gasoductos. Las desventajas de los sistemas por impulsos consisten en la disminucin de la susceptibilidad y el aumento de la masa del sistema de sobrealimentacin, adems del empeoramiento de las condiciones de limpieza de los cilindros y en particular de su barrido.

Para los grados de sobrealimentacin comprendidos entrela aplicacin del sistema a presin constante pt delante de la turbina proporciona un rendimiento ms elevado del turbocompresor que el sistema por impulsos.Las condiciones en que se conforma el proceso de trabajo del sistema por impulsos de la sobrealimentacin turboalimentada de motor Diesel de cuatro tiempos, como se desprende de la fig. 7.19, son las ms favorables en las secciones con nmero de cilindros mltiplo de tres, debido a la ausencia de recubrimiento de las fases del escape. Para los automviles ampliamente se utilizan motores Diesel de ocho cilindros en V cuyo ngulo entre los ejes de los bloques de cilindros es de 90, con el ngulo entre las manivelas vecinas del cigeal a 90.Para los motores con tal disposicin de los cilindros y tal ngulo entre las manivelas se utilizan esquemas de la sobrealimentacin por turbocompresor, en los cuales para cada serie de cilindros se instala un colector separado de gases (ver fig. 7.20). Las condiciones en que fluye el gas a travs de la turbina para este esquema dependen del orden de funcionamiento de los cilindros. El suministro de gas al colector desde una serie de cilindros comienza cuando el desfasaje en dos cilindros corresponde a la rotacin de la manivela en 90. En este caso el escape de los gases quemados del siguiente cilindro (segn el orden de funcionamiento) en el curso de 90 grados de rotacin del cigeal se realiza simultneamente con el escape en el cilindro anterior. Como resultado, durante el proceso de escape desde estos dos cilindros no se observa la cada profunda de la presin que es caracterstico para los sistemas de sobrealimentacin por impulsos.

Figura 7.20 Esquema de conexin de los colectores de escape del motor diesel en V, de ocho cilindros YaMZ-238. 1-Cilindros; 2-colectos de escape; 3-turbina a gas; 4-compresor;5-colector de admisin.El escape desde el siguiente cilindro, segn el orden de funcionamiento de los cilindros dispuestos en esta lnea, tiene lugar a los 270 de la rotacin de la manivela. Por eso la presin del gas en el colector, en la primera fase del escape desde este cilindro, vara sustancialmente, lo que es tpico para la sobrealimentacin por impulsos. Desde el siguiente cilindro, segn el orden de funcionamiento, los gases escapan a los 180 de rotacin de la manivela y posteriormente el proceso se repite.El anlisis de este esquema de suministro de gas a la turbina, siendo irregulares las explosiones, muestra que para un grupo integrado de cilindros la presin delante de la turbina corresponder a las condiciones de sobrealimentacin por impulsos, y para el otro, a las condiciones de sobrealimentacin constante.

Clculo de los parmetros del turbocompresor. La potencia necesaria para obtener el valor dese determina acorde con las ecuaciones (7.53) y (7.54).

El trabajo que se realiza en el proceso de expansin adiabtica de 1 Kg. de gas en la turbina es:

(7.57)

donde; R'' es la constante de los gases para los productos de combustin; Tt y pt son la temperatura y presin del gas delante de la turbina; p'o es la presin de los gases detrs de la turbina; k1 es el exponente adiabtico de los productos de combustin.El rendimiento efectivo de la turbina es:

(7.58)

Dondees el coeficiente que considera las prdidas mecnicas en la zona donde fluyen los gases de la turbina;es el coeficiente que tiene en cuenta las prdidas mecnicas.El trabajo efectivo de la turbina es:

(7.59)La potencia desarrollada por la turbina de gas es:

(7.60)El flujo de gases quemados que pasa a travs de la turbina es:

(7.61)

donde Ga y Gc son los consumos de aire y de combustible en el motor respectivamente en Kg/s.

En las turbinas de gas modernas empleadas para la sobrealimentacin los valores deLa presin pt, necesaria para proporcionar el valor de prefijado puede determinarse de la ecuacin del balance de potencias:

(7.62)de donde

(7.63)donde

(7.64)

es el rendimiento total del turbocompresor; Los parmetros del turbocompresor para la sobrealimentacin por impulsos se calculan aproximadamente partiendo de la magnitud de la presin medio del gas delante de la turbina de impulsos, teniendo en cuenta los coeficientes de correccin obtenidos experimentalmente que toman en consideracin el aumento de la potencia de la turbina de impulsos y la disminucin de su rendimiento con respecto a la turbina en la cual p = const. El clculo exacto de la turbina de impulsos se expone en la literatura especial.

Captulo 7INTERCAMBIO DE GASES7.9 CURVAS CARACTERISTICAS DE LOS MOTORES SOBREALIMENTADOS PARA AUTOMOVILESAl disminuir la frecuencia de rotacin es necesario que se incremente el par motor hasta cierto valor de n. En caso de aplicar la sobrealimentacin para obtener en las condiciones operacionales la tendencia requerida de desarrollo de la curva Me = f(n) es necesario, adems de la correspondiente seleccin de los parmetros del equipo de alimentacin de combustible y de la caracterstica de inyeccin, elegir los parmetros del turbocompresor de tal manera que las caractersticas calculadas del compresor y de la turbina garanticen el mximo suministro de aire en aquellos regmenes de velocidad, para los cuales el par motor debe ser el mximo. Al mismo tiempo, en vista de que aumenta el suministro de combustible por ciclo en estos regmenes el coeficiente de exceso de aire decrece hasta una magnitud para la cual todava no se observa la emisin de humos en los gases de escape.

Para elevar el coeficiente de reserva del par motor K, o para obtener la posibilidad de operar el motor en el rgimen Memx a elevados valores de, en el presente se han elaborado sistemas con regulacin de la sobrealimentacin por turbocompresor. Particularmente en uno de ellos, a medida que decrece la frecuencia de rotacin con ayuda de un dispositivo especial se hace girar los labes guas del distribuidor de la turbina de tal manera que las secciones de paso de stos disminuyan. Esto permite, para la carga dada, incrementar la presin del gas delante de la turbina, como consecuencia de lo cual se eleva la frecuencia de rotacin del turbocompresor y correspondientemente la presin de sobrealimentacin del aire pk en la entrada del motor.

En la fig. 7.21a se muestran las curvas caractersticas externas de velocidad de un motor Diesel sobrealimentado y son sobrealimentacin. En el rgimen nominal del motor sobrealimentado la presin delante de la turbina se caracteriza por la magnitud, como consecuencia de lo cual la presin del aire despus de ser comprimido en el compresor corresponder al valor de.

En este caso la potencia comparada con la obtenida al funcionar el motor sin sobrealimentacin aumenta en 26.5%. El coeficiente de llenado aumenta, como resultado de lo cual puede obtenerse, ajustando el compresor en la zona de las frecuencias de rotacin correspondientes a Memx, el coeficiente.Figura 7.21 Caractersticas de externa s de velocidad y de carga del motor Diesel YaMZ-238. A- Caractersticas externas de velocidad; b-caractersticas de carga, las lneas llenas corresponden al motor Diesel sobrealimentado; las lneas de trazos al sin sobrealimentacin; O n = 100 rpm; A n =2100 rpm.El consumo especfico de combustible es prcticamente igual con y sin sobrealimentacin, la frecuencia de rotacin del eje del turbocompresor en el rgimen nominal es ntk = 45000 rpm.En la fig. 136 b se muestran las curvas caractersticas de carga de un motor Diesel para dos regmenes de velocidad, funcionando el mismo con sobrealimentacin y sin ella.

A medida que aumenta la carga, la presin del gas delante de la turbina y la presin de sobrealimentacin, caracterizadas por los parmetros,as como la frecuencia de rotacin del turbocompresor ntk, se incrementan, adems, tanto ms intensamente cuanto ms elevada sea la frecuencia de rotacin del cigeal del motor.

Para n = 2100 rpm la presin de sobrealimentacin aumenta (), lo que conduce al crecimiento de pe en un 30% siendo. Para n = 2100 rpm el consumo especfico de combustible con las cargas hasta pe = 0.55 Mpa es menor que en el caso cuando el motor funciona son sobrealimentacin.

Cuando el motor funciona n = 1000 rpm, el empleo de la sobrealimentacin debido a que menguan las prdidas en el escape (), no empeora los ndices econmicos del motor.

La caracterstica externa de velocidad del motor sobrealimentado mostrada en la fig.7.21a fue obtenida sin refrigeracin intermedia del aire, registrando en el rgimen nominal.Con el fin de comparar en la fig. 7.22 se representan los parmetros del ciclo en funcin de la temperatura del aire tk para variable y pk = var (fig. 7.22 a) y paray pk = var (fig. 7.22 b). El suministro de combustible por ciclo en ambos casos se mantena aproximadamente igual. Los experimentos se realizaron en un motor Diesel monocilndrico (Dc =130 mm, S = 140 mm).

Cuando se incrementa( fig. 7.22 a) siendo pk constante, en caso de disminuir tk y aumentar simultneamente pe, la economa del motor mejora. Cuando disminuye pk y simultneamente decrece tk, siendo insignificante la disminucin de (fig. 7.22 b), la economa del motor se mantiene a un mismo nivel. En los grficos (ver fig. 7.22) se representan tambin las funciones que caracterizan el proceso de combustin para el caso del motor sobrealimentado.

Figura 7.22 variacin de los parmetros del ciclo de trabajo de un motor sobrealimentado en funcin de tk (1800 rpm, fin = 190; Qcil = 155 mm3) a p = const, a = const, p = var.

Captulo 8FORMACION DE LA MEZCLA EN MOTORES DE ECH (CARBURACION)El carburador de un motor de encendido por chispa, sirve para dosificar el combustible dentro de la corriente de aire en la proporcin requerida por la velocidad y la carga. La proporcin de combustible y aire deber mantenerse dentro de lmites definidos, que son prescritos por el diseo del motor. En este captulo sern discutidos los requisitos exigidos a un carburador, tambin sern considerados los aspectos de diseo que le permitan responder automticamente a los cambios en el funcionamiento del motor, satisfaciendo las necesidades exigidas.Fig. 8.1 Relaciones aire-combustible y combustible-aire requeridos por el motor, para diferentes posiciones del acelerador. - Haga clic en la imagen para ampliar

8.1 LAS NECESIDADES DEL MOTOREl motor requiere diferentes relaciones de aire-combustible, para diferentes condiciones de la carga como se muestra en la figura 8-1; siendo evidente tres condiciones:1. En vaco (holgando) y con poca carga.2. Zona econmica con cargas medias.3. Zona de potencia, a plena carga. Fig. 8.2 Motor en arranque en fro y marcha lenta.EN VACIO (HOLGANDO) Y A POCA CARGA (Vase figura 8.2).Se dice que el motor est en vaco (holgando), cuando no hay una demanda externa de energa sobre l y, adems, que el acelerador est esencialmente cerrado. Un motor holgando, requiere una mezcla rica, tal como A en la figura 8.1 y a medida que se abre el acelerador, la mezcla se va empobreciendo (AB figura 8.1). La explicacin de estas necesidades, se deduce observando las presiones en el mltiple y en el cilindro, cuando un motor est holgado (Vase figura 8.3).

Estando el acelerador prximo a la posicin cerrado, la presin en el mltiple de admisin est muy por debajo de la atmosfrica, en tanto que al final de la carrera de escape, la presin es siempre muy aproximada a la atmosfrica. Al abrir la vlvula de admisin, habr mayor presin en el cilindro que en el mltiple de admisin, por lo que el gas del escape, con presin relativamente alta, se dilata dentro de l. Posteriormente, al descender el mbolo en la carrera de admisin, los gases de escape son absorbidos hacia el interior del cilindro junto con una porcin de alimentacin fresca y, en consecuencia, el total de la mezcla contendr un gran porcentaje de gases del escape. Para compensar los efectos de los gases inertes del escape, que diluyen y debilitan a la mezcla explosiva durante las condiciones dichas de acelerador cerrado, el carburador debe suministrar una mezcla rica (exceso de combustible).Es conveniente notar, que la presin y la temperatura de los gases del escape al final de la carrera, no varan grandemente con los cambios de la carga. En virtud de que el espacio de compresin tambin es constante, la masa de los gases del escape atrapados en el espacio del claro, tiende a ser constante.

Fig. 8.3 Condiciones de la presin para estrangulacin parcial, en el mltiple del motor ECH. Haga clic en la imagen para ampliarEn vaco, se requiere una cantidad muy pequea de alimentacin fresca (puesto que la potencia (al freno) utilizada, es cero) y, en consecuencia, la relacin de los gases del escape a la alimentacin fresca, es elevada. A medida que aumenta la carga, se induce una mayor cantidad de alimentacin y disminuye el porcentaje de gases del escape, en la mezcla final.

Ntese que cuanto ms lenta es la velocidad de vaco, menor es la cantidadde carga que debe inducirse para mantener la baja velocidad y vencer la friccin; por lo tanto, la presin ms baja estar en el mltiple. As las velocidades de vaco requieren mezclas ms ricas.Puesto que las vlvulas de admisin y de escape son accionadas mediante levas, los perodos de apertura y cierre, han de tomar tiempos relativamente grandes, si se trata de evitar el ruido y el desgaste. Por estas razones, es conveniente iniciar la apertura antes de que se termine la carrera de escape, con el objeto de que el proceso de admisin se inicie prontamente con el descenso del mbolo en la carrera de admisin. Por otra parte, la vlvula de escape no cerrar durante la carrera correspondiente y as llegar finalmente a su asiento, despus de que el proceso de admisin ha avanzado. En otras palabras, el punto de apertura de la admisin y el punto de cierre del escape, se traslapan.El efecto de la dilucin por los gases del escape se acenta grandemente por el valor del traslape existente. Con un traslape mayor y con aceleracin parcial, los gases del escape penetran al mltiple de admisin antes de que se complete la carrera del escape, con el consiguiente aumento de la dilucin provocada por los gases del escape. Los motores con vlvulas traslapadas, requieren una alimentacin extremadamente rica, a menos que se tenga una velocidad de vaco ms rpida.A medida que se abre el acelerador, despus de la posicin de vaco o de sin carga, el problema de la dilucin por los gases del escape, se acenta menos, siendo incrementada la relacin aire-combustible para proporcionar mayor economa. La lnea AB, en la figura8.1 representa el cambio de la relacin de la carga desde la posicin en vaco (holgando), hasta la velocidad de aproximadamente 40 Km/hr, para motores automotrices, sobre caminos sin desniveles.

Figura 8.4-a Escala de economa.ESCALA DE ECONOMIA.Una vez que se reduce la interferencia de los gases del escape, el problema viene a ser el de trabajar el motor con las mezclas ms econmicas. La escala econmica, se muestra en la figura 8.1 como la lnea BC. La relacin aire-combustible que puede proporcionar mxima economa, se determina mediante experimentos. Los motores Mono cilndricos, utilizan relaciones econmicas elevadas de 16 y 17 a 1, porque el mltiple alimenta a un solo cilindro. El motor multicilndrico puede tender a esos valores, si la mezcla es completamente vaporizada y se el mltiple ha sido diseado correctamente. En la mayora de los casos, el motor multicilndrico emplea mezclas relativamente ricas.En la escala de economa, la relacin aire-combustible pobre, ocasiona que la velocidad de la llama sea lenta al viajar dentro de la cmara de combustin. Para compensar por la combustin lenta, debe avanzarse la chispa, mejorando la economa. Se puede avanzar la chispa porque trabajando con estrangulacin parcial, el golpeteo no es un problema.

ESCALA DE POTENCIA.Al abrir el acelerador hasta aproximadamente la posicin tres cuartos, se enriquece la mezcla por dos razones:

Fig.8.4-b Escala de Potencia.1. Es de suponer que est requiriendo la potencia mxima, y por lo tanto, se hace necesaria una mezcla rica.2. Las mezclas pobres de la escala de economa ocasionan fallas en las vlvulas.Se explica la segunda razn, en la forma siguiente: Cuando se abre el acelerador, la chispa ser retardada desde su posicin de economa, para evitar el golpeteo. Pero con esta posicin de la chispa, la mezcla pobre continuar quemndose a medida que mbolo descienda en la carrera de potencia. Al abrir la vlvula del escape, los gases que pasan alrededor de ella estarn a temperatura ms elevada que si la mezcla fuera rica. Ms an el exceso de aire en los gases calientes ejercer una accin oxidante muy fuerte.Para la estrangulacin parcial, el encendido lento de la mezcla pobre er compensado por el tiempo de la chispa, pasando adems por el motor, menor peso de gases del escape que cuando se tiene estrangulacin completa. Con el acelerador completamente abierto, fluye el peso mximo de los gases del escape en torno de la vlvula; y a medida que aumenta la velocidad, el tiempo entre ciclos se hace menor (adems la vlvula dispone de menor tiempo para enfriarse).

Para cierta velocidad, la temperatura de la vlvula podr hacerse excesiva, pero un diseo correcto sita dicho punto arriba de las velocidades usuales de funcionamiento del motor. Sin embargo si la mezcla es pobre, el aumento de la carga por los gases del escape a altas temperaturas y el flujo de masas mayores, puede ocasionar que se queme (funda) la vlvula de escape, teniendo el acelerador completamente abierto y a velocidades normales.En la figura 8.5, se muestra la prueba del rendimiento de los carburadores comerciales, teniendo como abscisas el consumo de aire. En ella se puede reconocer la curva ABCD del rendimiento ideal de la figura 8.1, desde estrangulacin parcial hasta estrangulacin total.

(a)Haga click en la figura para ampliar

(b)Haga clic en la figura para ampliarFig. 8.5 Pruebas de rendimiento de los carburadores comerciales.El consumo mximo de aire tiene lugar con el estrangulador completamente abierto y a alta velocidad. Si el acelerador permanece abierto y disminuye la velocidad aumentando la carga, disminuir el consumo de aire. Idealmente, la relacin de la mezcla debiera permanecer constante, quedando representada en la figura 8.5 como una lnea horizontal; en realidad, el carburador causar desviaciones del rendimiento ideal.

Captulo 8FORMACION DE LA MEZCLA EN MOTORES DE ECH (CARBURACION)8.2 SISTEMA DE CARBURACION DEL COMBUSTIBLELos elementos principales de un sistema de combustible para motor ECH, se ilustran parcialmente en la figura 8.6 y consta de un depsito de almacenamiento, la bomba del combustible, el carburador y el mltiple.Fig. 8.6 Esquema general del sistema de Carburacin.El combustible es absorbido del depsito y bombeado al carburador, mediante la bomba. La bomba tipo diafragma se utiliza ampliamente en motores automotrices.

En este tipo de bomba, su brazo de accin es movido mediante una excntrica de rbol de levas del motor, siendo forzada hacia abajo la palanca del diafragma contra la resistencia de un resorte acoplado a l (por otra parte el resorte de diafragma controla su movimiento hacia arriba, porque la palanca est unida al brazo de accin mediante un perno). Se produce as una baja presin en la cmara de la bomba, por lo cual es combustible es absorbido desde el depsito de almacenamiento. En la carrera de retorno, el diafragma es forzado hacia arriba por su resorte correspondiente, se cierra la vlvula de admisin, se abre la de salida y el combustible es bombeado al carburador. La bomba solamente proporci