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TEMA 4º RENOVACIÓN DE LA CARGA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ALTERNATIVOS

La renovación de carga es el proceso en el que se produce la sustitución de los productos quemados por mezcla sin quemar (aire en los Diesel) con el fin de repetir el proceso termodinámico que tiene lugar en el motor.

El interés que presenta el estudio de la renovación de carga puede ponerse de manifiesto en primer lugar desde el punto de vista de la potencia del motor, dada la formula de la potencia:

efaeffe hFmhmN

En el estado actual de la técnica, el rendimiento efectivo de los motores a plena carga no va a efectuar mejoras importantes. Por otra parte, el dosado varía en los MEP entre limites muy estrechos cercanos al estequiométrico, y en los MEC el dosado máximo está limitado por la aparición de humos negros en el escape. Por lo tanto, la potencia a plena carga del motor es prácticamente proporcional a la masa de aire admitida por unidad de tiempo.

Renovación de la carga en motores 4T. Rendimiento volumétrico

Al ser un motor alternativo un motor de desplazamiento positivo, el caudal másico de mezcla o aire admitido es proporcional a su cilindrada, su régimen de giro y a la densidad del fluido en algún punto característico del sistema de admisión.

Las condiciones de admisión se fijan normalmente en el colector de admisión para motores no sobrealimentados. Se plantea el problema a la hora de determinar la temperatura de admisión, ya que depende de que el combustible este o no vaporizado, por tanto se considerará la temperatura de admisión a la temperatura exterior del aire.

El rendimiento volumétrico (volumetric efficiency) se define como la relación entre la masa de aire que entra en el motor por cilindro y ciclo de trabajo y la que llenaría la cilindrada unitaria en las condiciones de referencia.

inV

m

V

m

Tia

realaire

Nia

accv

.

.

Si en lugar de tomar como referencia la densidad de aire en las condiciones de admisión en la expresión del rendimiento volumétrico, se toma en unas condiciones denominadas normales (1 bar, 0ºC), el nuevo rendimiento volumétrico normal incluye, además el comportamiento del sistema de admisión, la influencia de las condiciones exteriores, como puede verse en la ecuación siguiente.

inV

m

Tao

realairevo

.

.

donde i

o

o

i

ao

ai

vo

v

T

T

p

p

PROCESO DE ADMISIÓN IDEAL.

El termino de comparación de la masa admitida, es decir, el denominador del rendimiento volumétrico, seria la masa admitida en un proceso de admisión ideal que respondiera a las siguientes condiciones:

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1. Fluido ideal ( no existen perdidas de rozamiento). 2. Proceso adiabático. 3. El fluido no posee inercia. 4. El fluido es incompresible. 5. Los calores específicos se mantienen constantes.

El modelo mecánico seria un motor de la misma cilindrada adiabático, por hipótesis 2, girando tan lentamente que se pueda suponer, debido a la baja velocidad del fluido que se cumplan las condiciones 1, 3 y 4 y con apertura y cierre de válvulas instantáneos en los puntos muertos (las presiones durante la admisión y el escape serían constantes), y suponiendo que las perdidas de fluido entre pistón y cilindro son nulas.

En la figura se representan los procesos de admisión ideal de: a) un motor a plena carga, b) un motor MEP a cargas parciales y c) un motor sobrealimentado.

El rendimiento volumétrico de un MEP depende de la presión de admisión y de la presión de escape, por lo tanto de la posición de la mariposa del acelerador.

La expresión del rendimiento volumétrico del proceso de admisión ideal es:

1

1

v

i

ev

iv r

p

pr

El rendimiento volumétrico, por lo tanto aumenta al abrir la mariposa del acelerador y disminuye al cerrarla. La regulación de la carga se basa precisamente en variar dicho rendimiento volumétrico o lo que es lo mismo, la cantidad de mezcla admitida.

Todas las disposiciones constructivas encaminadas a mejorar este rendimiento, se refieren lógicamente a plena carga, ya que no tiene sentido mejorar la circulación del fluido para estrangular a continuación el sistema de admisión con la mariposa.

FACTORES QUE AFECTAN AL RENDIMIENTO VOLUMETRICO.

Los factores que afectan al rendimiento volumétrico los podemos dividir en:

Factores de funcionamiento:

- Condiciones operativas esenciales: Régimen de giro Grado de admisión

- Condiciones operativas ambientales: Presión exterior (influye poco) Temperatura exterior Humedad (influye poco) Relación aire-combustible Temperatura del agua de refrigeración Vaporización del combustible

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Factores de diseño geométrico:

- Sección de paso de las válvulas y forma de las mismas - Número de cilindros del motor - Relación carrera-diámetro - Longitud del Colector y los conductos de admisión - Relación de compresión volumétrica

La velocidad de circulación del fluido aumenta con el régimen de giro, dicho aumento de velocidad lleva consigo un aumento de la fricción (perdidas de carga) que disminuyen el rendimiento volumétrico. El rendimiento volumétrico crece cuando aumenta el grado de admisión (pi/pe)

La relación aire-combustible no influye grandemente en el rendimiento volumétrico en los motores de encendido provocado (MEP). Un aumento de la temperatura del fluido refrigerante lleva consigo un aumento de la temperatura en el sistema de admisión, haciendo el proceso menos adiabático y disminuyendo el rendimiento volumétrico.

En los MEP, la vaporización del combustible en la admisión, enfría la mezcla admitida, aumentado la densidad del sistema de admisión y, por tanto, el rendimiento volumétrico.

Si el diseño de las válvulas de admisión y de escape no es el adecuado aumentarán las perdidas de carga, podrán aparecer fenómenos de bloqueo sónico y disminuirá por tanto el rendimiento volumétrico.

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Transmisión de ondas en conductos

Cualquier perturbación de presión en el seno de un fluido confinado en un conducto se transmite como un a onda a lo largo de él a la velocidad del sonido en el fluido.

Al final de la carrera de expansión cuando se abre la válvula de escape, la presión en el cilindro es mayor que en el colector de escape, esto hace que se produzca un pulso de presión que viaja por el tubo de escape hasta que se refleja en algún punto.

Interferencia de ondas: cuando dos ondas viajan por un conducto con direcciones opuestas en el punto donde se cruzan sus amplitudes se suman.

Reflexión de ondas: Cuando una onda que viaja por un conducto llega a un punto en el que existe un ensanchamiento o estrechamiento se produce un efecto de reflexión y transmisión simultáneamente, parte de la onda sigue viajando en la misma dirección y parte de la onda se refleja volviendo por donde ha venido. Si el extremo está completamente cerrado o abierto se produce reflexión pero no transmisión.

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SUPERPOSICIÓN DE ONDAS GENERADAS POR VARIOS CILINDROS

Las ondas generadas por el proceso de admisión no solo se reflejan al final del colector, sino que también se transmiten a los otros colectores de admisión cuando existen varios cilindros. Este efecto puede ser beneficioso o perjudicial en función del régimen de giro y la longitud recorrida por las ondas.

Algunos sistemas de admisión variable se aprovechan de estos efectos de sintonía o resonancia, modificando la longitud recorrida por el flujo de aire de admisión mediante la interposición de una válvula que abre o cierra en función del régimen de giro. Estos sistemas permiten optimizar el llenado de los cilindros en dos regímenes distintos de utilización del motor.

Renovación de la carga en motores 2T. Proceso de barrido.

La característica fundamental que diferencia los motores de 2 y 4 tiempos es el número de carreras de trabajo por vuelta de cigüeñal. El motor 4T cada dos vueltas desarrolla una carrera de trabajo, mientras que el motor 2T desarrolla una carrera de trabajo por cada vuelta. Ambos operan con la misma secuencia: admisión, compresión, combustión, expansión y escape.

Consideremos un motor en el que tanto la admisión como el escape se efectúan por medio de lumbreras controladas por el pistón.

Al efectuarse el proceso de combustión, en el PMS, el émbolo inicia la carrera de expansión produciendo trabajo. En un punto de la carrera descendente el émbolo descubre la lumbrera de escape comenzando el proceso de escape. Posteriormente, el pistón descubre la lumbrera de admisión y se suministra carga fresca al cilindro. En el PMI comienza la carrera ascendente y se cierran sucesivamente las lumbreras de admisión y de escape, y comienza la compresión que ira seguida de la combustión de la mezcla en las proximidades del PMS para repetirse nuevamente la secuencia.

El proceso de renovación de la carga comienza al descubrirse la lumbrera de escape, cuando la presión interior es muy superior a la

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atmosférica. Los gases de combustión son liberados a pesar del movimiento todavía descendente del pistón, durante la expansión. Esta fase se conoce como escape espontáneo. La admisión de mezcla fresca no es posible sin que se le suministre mediante la bomba de barrido suficiente presión como para hacerla entrar en el cilindro.

La fase en que simultáneamente se produce, el escape y la admisión en el cilindro, se denomina fase de barrido. Durante esta fase es la mezcla fresca la que expulsa a los gases de combustión del ciclo anterior.

VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS MOTORES 2T FRENTE A LOS 4T

A igualdad de cilindrada el motor de 2T es capaz, en general, de desarrollar mayor potencia que la de un motor de 4T. En teoría, a igualdad de cilindrada para el mismo régimen de giro, el motor 2T debe proporcionar el doble de potencia que el uno de 4T. Esto no es cierto en la práctica debido a que en el funcionamiento del motor, el tiempo que dispone para las distintas fases es menor. El escape y el posterior llenado son más imperfectos que en un motor de 4T, reduciéndose el valor de la pme.

Una ventaja importante del motor de 2T es su sencillez. Al carecer de sistema de distribución, y tener menos elementos mecánicos, el motor de 2T es más barato, más sencillo y más económico de mantenimiento.

En MEP la gran desventaja del motor 2T frente al de 4T es su rendimiento apreciablemente inferior. El llenado del cilindro se efectúa con la lumbrera de escape abierta y ésta se cierra después que la de admisión. Parte de la mezcla fresca puede salir por la lumbrera de escape, cortocircuito, y repercute directamente en el aumento de consumo especifico y la emisión de hidrocarburos sin quemar. Este problema no se da en el caso de los MEC, ya que el proceso de barrido se hace solo con aire.

Los motores de 2T trabajan en condiciones más críticas que los de 4T. El pistón a igualdad de régimen de giro esta sujeto a una mayor temperatura de funcionamiento, al ser el número de procesos de combustión el doble.

Teniendo en cuenta estas características, es razonable concluir que los campos de aplicación son enormemente diferenciados uno del otro:

MEP - Pequeños motores: motocicletas, motores fueraborda y auxiliares. MEC - Grandes motores: propulsión marina, generación de energía eléctrica.

Tipos de barrido Durante el proceso de barrido la presión en el cilindro cae por debajo de la presión de escape, pe, durante algunos grados debido a la inercia de los gases. La magnitud de esta depresión y su duración está muy influenciada por la rapidez de la apertura del escape y por la geometría del escape, siendo muy variable de un motor a otro, e incluso de un régimen de giro a otro para un motor dado. Este fenómeno es deseable cuando ayuda a la entrada de gases frescos al cilindro y a la evacuación de los residuales.

Cuando los gases frescos fluyen a través de las lumbreras de admisión, los residuales siguen saliendo por las de escape, debido a la inercia en el flujo de escape, y a que la mezcla fresca a presión superior a la de escape entra en el cilindro empujando a los gases residuales.

El ángulo de giro del cigüeñal que permanecen abiertas las lumbreras de escape y admisión simultáneamente se denomina ángulo de barrido y el tiempo correspondiente tiempo de barrido. Los tipos de barrido podemos clasificarlos desde diversos puntos de vista:

Atendiendo a que la bomba sea o no el propio motor: - Barrido por cárter - Barrido independiente

Atendiendo al tipo de compresor: - Compresor alternativo - Compresor rotativo o volumétrico - Turbocompresor

Atendiendo a la forma de la corriente de barrido: - Barrido transversal - Barrido por lazo - Barrido equicorriente

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Atendiendo al diagrama de distribución: - Barrido simétrico - Barrido asimétrico

PROCESO DE BARRIDO IDEAL.

Para realizar un análisis cuantitativo del proceso de renovación de carga de un motor de un motor de 2T, conviene definir unas condiciones de referencia que permitan la comparación de la eficacia del barrido de un motor. El barrido ideal queda definido como aquel proceso de barrido en el que la mezcla fresca desaloja totalmente a los gases quemados, sin perderse ninguna fracción de la misma por el conducto de escape.

La masa que evolucionaría en estas condiciones recibe el nombre de masa de referencia, mREF, y es equivalente al producto del volumen desplazado por el pistón más el volumen de la cámara de combustión por la densidad de la mezcla fresca medida a la presión de escape y a la temperatura después de la bomba de barrido.

nr

rVnVVzm ao

v

vTaoCNREF

1

)(

donde: mREF gasto de aire o mezcla (aire + combustible) de referencia VT volumen desplazado por el motor rv relación de compresión volumétrica de motor ao densidad de la mezcla a la presión de escape y temperatura de admisión n régimen de giro del motor

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Coeficientes para evaluar el proceso de barrido

En el motor real parte de la carga fresca, (aire + combustible en los MEP) es expulsada por el escape, cortocircuito, que afecta directamente al rendimiento. Y parte de los gases quemados no son evacuados del cilindro y se mezclan con los gases frescos. Este fenómeno afecta a la potencia del motor.

La masa de carga fresca suministrada al motor por la bomba de barrido está representada por mSUM. Esta masa suministrada se divide en dos partes: mRET, que es la fracción retenida en el cilindro al cierre del escape y mCC que es la masa cortocircuitada y que será la diferencia entre la suministrada y la retenida. mCAR representa la carga total que evoluciona en el cilindro por ciclo, y esta constituida por la suma de la masa retenida y la masa de residuales, mRES, que no es expulsada durante el barrido.

A continuación se definen una serie de parámetros adimensionales que caracterizan el barrido:

Coeficiente de admisión: RS (delivery ratio)Se define como el cociente entre el gasto suministrado y el de referencia. Esta relacionado con el funcionamiento de la bomba de barrido. Su valor es menor que la unidad en los motores de barrido por cárter y suele ser mayor que la unidad en los motores con bomba independiente.

REF

SUMS m

mR

Coeficiente de carga: S (charging efficiency) Se define como el cociente entre el gasto retenido y el de referencia. Su valor es menor que el coeficiente de admisión debido al cortocircuito de la carga.

REF

RETS m

m

Rendimiento de retención: RET (trapping efficiency) Se define como el cociente entre el gasto retenido y el suministrado. Es un indicador de la perfección conseguida al resolver el problema del cortocircuito en el proceso de barrido. El valor máximo que puede tomar es la unidad.

S

S

SUM

CC

SUM

RETRET Rm

m

m

m 1

Rendimiento de barrido: b (scavenging efficiency) Este parámetro relaciona la masa retenida con la carga total que evoluciona por ciclo en el motor. Expresa en porcentaje la concentración de mezcla fresca en la carga total. Es un indicador de la perfección lograda en la evacuación de los residuales durante el proceso de barrido.

CAR

RET

RESRET

RETb m

m

mm

m

Coeficiente de llenado: LL Se define el coeficiente de llenado como el cociente entre la carga total y el gasto de referencia.

REF

RESRETLL m

mm

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Teniendo en cuenta las expresiones de coeficiente de carga y del rendimiento de barrido puede obtenerse una relación entre el coeficiente de llenado, el rendimiento de barrido y el coeficiente de carga.

bLLSSRRET

Considerando el caso del barrido ideal, donde la mezcla fresca desaloja totalmente los productos quemados del cilindro, sin perderse ninguna fracción de la misma por el conducto de escape. Esta hipótesis obliga a suponer: a) que no existe cortocircuito y toda la masa suministrada es retenida. y b) Que todos los gases residuales son evacuados.

La primera afirmación implica que S = RS y que el rendimiento de la retención es la unidad. La segunda implica que el rendimiento de barrido sea la unidad y el coeficiente de llenado sea igual al de carga.

Sobrealimentación de Motores

La sobrealimentación de motores de combustión interna alternativos consiste en el aumento de la densidad del aire de admisión por medio de un proceso de compresión. Este se realiza mediante un compresor situado antes del colector de admisión.

El incremento de la densidad conlleva, para una misma cilindrada, un aumento de la masa de aire admitido por ciclo, y por lo tanto del combustible que es posible quemar, y un aumento de la potencia del motor.

hfmN fee

hfFinV N Taivee

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A

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p

e 2

El proceso de compresión, que se considera casi adiabático, produce junto con el aumento de la presión un aumento de la temperatura del aire de admisión. Esta temperatura a la entrada al motor pueden estar entre 100 y 200ºC en función de la temperatura ambiente y de la relación de compresión del compresor.

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2860,

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Como se observó en los apartados anteriores, este aumento de temperatura representa una disminución de la densidad. Para minimizar este problema, se puede emplear de un enfriador del aire (intercooler) tras la sobrealimentación, que permite rebajar su temperatura antes de entrar al motor aumentando así la densidad del aire.

CONSECUENCIAS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR

Además de producir un aumento considerable de la potencia, la sobrealimentación conlleva otras consecuencias importantes sobre el funcionamiento del motor:

Aumento de las tensiones mecánicas y térmicas del motor: este hecho representa la principal limitación al aumento del grado de sobrealimentación de un motor.

Mejora del rendimiento indicado del motor: al sobrealimentar el motor se hace más adiabático. Si las limitaciones de presión máxima admisible por el motor no obligan a reducir la ley de combustión, se produce un incremento apreciable del rendimiento indicado.

Mejora del rendimiento mecánico: las pérdidas por fricción dependen principalmente del régimen de giro del motor y no sufren variaciones importantes al aumentar la carga.

Influencia en el proceso de combustión: la sobrealimentación se traduce en un aumento importante de la presión y de la temperatura al inicio de la combustión.

o En los motores de encendido provocado: el efecto es negativo al aumentar la tendencia a la detonación del combustible.

o En los motores de encendido por compresión: la sobrealimentación favorece el autoencendido del combustible. Además, el aumento de la densidad del aire en el cilindro acelera el proceso de atomización y de mezcla de los chorros de inyección Diesel, contribuyendo a una combustión más limpia.

Emisiones de contaminantes: el incremento de la temperatura máxima del ciclo tiende a aumentar las emisiones los óxidos de nitrógeno, NOx, uno de los principales contaminantes en los MCIA.

Sistemas de sobrealimentación.

Existen diversos sistemas de sobrealimentación, siendo los más comunes:

Sobrealimentación mecánica: donde el compresor es movido por el propio motor mediante un acoplamiento con el cigüeñal.

Turbosobrealimentación: el accionamiento del compresor de sobrealimentación es realizado mediante el trabajo producido por una turbina que transforma la energía interna de los gases de escape del motor en energía mecánica. El trabajo es transmitido al compresor mediante un eje que se mueve libre, independiente del cigüeñal del motor.

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En la turbosobrealimentación, el motor va a generar pulsos de presión y de velocidad que se dirigen hacia la turbina. La energía de los gases de escape se va a presentar de dos formas: presión (entalpía) y energía cinética. Se consideran dos modos de aprovechar estas pulsaciones.

Sobrealimentación a presión constante. La turbina trabajará en condiciones constantes instalando un gran volumen entre el motor y la turbina. Se pierde parte de la energía cinética, pero en cambio las condiciones de funcionamiento serán constantes a la entrada de la turbina (adecuadas para un motor estacionario). A estas condiciones de funcionamiento se les llama condiciones de admisión total.

Sobrealimentación a pulsos. Se utilizan conductos de escape de pequeño diámetro para no perder energía cinética presente en la válvula de escape. Estos conductos se eligen lo más cortos posible para reducir las pérdidas de calor. La turbina recibe mayor cantidad de energía pero el rendimiento isentrópico de la misma es menor al trabajar fuera de condiciones de diseño. A estas condiciones de funcionamiento se les llama condiciones de admisión parcial.

ACOPLAMIENTO ENTRE EL TURBOGRUPO Y EL MOTOR.

El acoplamiento fluidodinámico entre el turbogrupo - máquina de flujo - y el motor - máquina volumétrica - es uno de los principales problemas de los motores turbosobrealimentados.

Las características de funcionamiento radicalmente diferentes de ambas máquinas hacen que la respuesta del turbocompresor y, por lo tanto, el grado de sobrealimentación obtenido sea muy variable en función del régimen y de la carga del motor.

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En el caso de motores de automoción rápidos, con un rango de variación del régimen muy amplio, puede llegar a ser necesario el uso de dispositivos especiales - válvula de descarga o turbina de geometría variable - para modular la potencia recogida por la turbina y de esta manera asegurar que el turbocompresor no trabaje en condiciones desfavorables.

BIBLIGRAFIA:

Muñoz, M. – Payri, F. “Motores de Combustión Interna Alternativos”, UPM, 1989.

Heywood, J.B. “Internal Combustion Engine Fundamentals”, Mc Graw-Hill, 1989.

Carreras, R. – Comas, A. – Calvo, A. “Motores de combustión interna. Fundamentos”, Ed. UPC, 1993

CIDAUT, “Curso de Motores de Combustión Interna Alternativos”, CIDAUT, 2001.

Payri, R. “Sobrealimentación”, U. P. Valencia, 2000.