TRANSFERENCIA DE CALOR EN MOTORES

En este captulo se analiza la transferencia de calor que se produce dentro de un motor de combustin interna, lo cual es extremadamente importante para un funcionamiento correcto. Alrededor del 35% del producto de la energa qumica que entra a un motor por parte del combustible se convierte en trabajo til en el cigeal, y el 30% de la energa del combustible es utilizada consumida fuera del motor en el flujo de escape en forma de entalpa y energa qumica. Esto es cerca de un tercio del total la energa la cual debe ser disipada al ambiente por algn modo de transferencia de calor. Las temperaturas dentro de la cmara de combustin de un motor deben llegar a los valores del orden de 2700 K o ms. Los materiales en el motor no pueden tolerar esta clase de temperatura y rpidamente fallaran si una transferencia de calor adecuada no se produce. La extraccin de calor es altamente critica en el mantenimiento de un motor y los lubricantes para el motor podran fallar debido a las altas temperaturas. Por otra parte, es conveniente usar un motor tan caliente como sea posible para maximizar la eficiencia trmica. Dos mtodos generales se utilizan para enfriar las cmaras de combustin de los motores. El bloque del motor refrigerado por agua, rodeada de una camisa de agua que contiene un fluido refrigerante que circula a travs del motor. Un motor refrigerado por aire tiene una superficie con aletas exteriores en el bloque sobre el cual se dirige una corriente de aire.

DISTRIBUCION DE ENERGA

La cantidad de energa (potencia) disponible para usarse en el motor se da por la siguiente ecuacin.

QHV = poder calorfico del combustible

El flujo msico del combustible est limitado por el flujo msico del aire necesario para reaccionar con este.

Eficiencia trmica al freno da el porcentaje de energa del combustible que es convertido en trabajo til entregado al cigeal

c= eficiencia de combustin El restante porcentaje puede dividirse en prdidas de calor, cargas parasitas y lo que se pierde en el flujo de escape

la grafica muestra la distribucion de energia en funcion de la velocidad del motor. Esto da el total de la energia que se consume en el combustible y se ve que estan sobre el 100%, es debido a que la friccion se cuenta dos veces en una parte original y cuando genera perdidas de calor

Para cualquier motor

Dependiendo de la geometra o del tamao del motor o de que tan bien este funcionando el trabajo entregado por el eje est entre el 25% ---40%

Generalmente los motores de encendido por compresin se encuentra en el valor ms alto de este rango mientras que los de encendido por chispa en el valor ms bajo.

Gran porcentaje de la energa se pierde en el escape en los motores SI debido a las grandes temperaturas en el escape. Cuando el motor est trabajando a rgimen alto Las prdidas en l se dan: entalpia (calor) y energa qumica Bajo algunas condiciones de operacin la energa perdida en el escape representa un valor mayor al trabajo al freno.

Para algunos motores las prdidas de calor estn dadas por:

Con los motores CI en el punto ms alto, la transferencia de calor al refrigerar est entre

A plena carga las prdidas de energa al refrigerante pueden llegar a ser la mitad del trabajo al freno, mientras a baja carga se pueden incrementar al doble de este.

Dependiendo del tipo de aceite o de la velocidad del motor

Perdidas por friccin estn cerca de:

TEMPERTATURAS EN EL MOTOR

Esta grafica nos muestra los valores de las temperaturas en un motor de encendido por chispa operando a condiciones normales en estado estacionario. Tres de los puntos ms calientes se encuentran: en la buja, la vlvula de escape y en la cara del pistn. No solo estos puntos son los que se exponen a los gases a gran temperatura pero si son los puntos ms difciles de refrigerar.

El captulo de combustin nos hablaba que los puntos ms calientes durante la combustin se encontraban alrededor de la buja convirtindose esta en un rea crtica para la transferencia de calor. La buja fijada a travs de la pared de la cmara de combustin genera una interrupcin en la camisa de agua, causando un problema de enfriamiento local. En los motores refrigerados por aire, la buja altera el patrn de aletas de refrigeracin, pero el problema no se hace tan complejo como los de agua. La vlvula de escape opera en caliente, ya que se encuentran en el flujo pseudoestable de las emisiones de gases calientes y crea una dificultad en el enfriamiento similar a como se crea en la buja. La cara del pistn es difcil que se enfre, ya que est separada de la camisa de agua o las superficies externas con aletas de refrigeracin.

TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL SISTEMA DE ADMISION Como el aire o la mezcla aire-combustible entran a travs del sistema de admisin, su temperatura se incrementa desde la del ambiente hasta el orden de 60 C. Esto se debe a una serie de procesos termodinmicos a los cuales es sometido el aire. Las paredes del mltiple de admisin estn ms calientes que los gases que fluyen, por lo tanto los calienta por medio de la transferencia de calor por conveccin.

El colector se encuentra caliente, ya sea por diseo en algunos motores o simplemente como resultado de su cercana a otros componentes calientes del motor. Los motores carburados y aquellos con inyeccin mono punto que introducen el combustible tempranamente en el flujo han calentado el mltiple de admisin a propsito para as ayudar a evaporar el combustible. Varios mtodos son utilizados para el calentamiento del mltiple: Algunos son diseados para que los conductos del mltiple de escape que llevan los gases calientes entren en contacto trmico con los del mltiple de admisin. Otros utilizan un sistema parecido a como se refrigera el motor como con una camisa de agua pero en el colector de admisin con un fluido caliente. Utilizan tambin la electricidad para calentar el colector de admisin. Algunos sistemas poseen superficies calientes especialmente localizadas llamadas puntos calientes (hot sopots) , en lugares ptimos, como inmediatamente despus de la adicin de combustible o en un soporte en donde la conveccin mxima se produce. Hay algunas consecuencias debido a la conveccin en el mltiple de admisin algunas buenas y otras malas. Mientas ms temprano se evaporiza el combustible mas se mezcla con el aire generando as, una mezcla mas homognea. Sin embargo el aumento en la temperatura reduce la eficiencia volumtrica debido a dos mecanismos. La alta temperatura reduce la densidad del aire y el vapor del combustible aadido desplaza algo de aire por lo tanto se reduce la masa de este que llega a los cilindros. La idea es evaporar parte del combustible durante el paso por el mltiple de admisin y el resto durante la compresin o la combustin. Para los motores antiguos carburados es deseable evaporar cerca del 60% en el colector de admisin. La grafica 4.2 nos muestra unas curvas para saber la temperatura necesaria para evaporar ese 60%. A menudo, una temperatura de diseo de unos 25 C superior a la determinada en la figura. 4-2 fue utilizado en el diseo del colector. Esto fue debido al poco tiempo que el flujo se encontraba en el colector, por lo que nunca alcanza la temperatura de estado estacionario Como se evapora el combustible en el colector de admisin, se enfra el flujo alrededor por enfriamiento por evaporacin, para contrarrestar el calentamiento convectivo.

Cuando la carga de admisin de aire y combustible entra en el cilindro, vuelve a calentarse por las paredes calientes del cilindro. Esto, a su vez, ayuda a enfriar las paredes del cilindro para evitar que se recaliente. Otra razn para limitar el calentamiento a la entrada del aire es para mantener una mnima temperatura al comienzo de la carrera de compresin. Cuanto mayor sea la temperatura al comienzo de la compresin, mayor sern las temperaturas en todas partes del resto del ciclo y mayor ser el problema potencial del cascabeleo en el motor. Motores que usan sistemas de inyeccin multipunto tienen menos necesidad de calentar el mltiple de admisin basndose en las gotas ms finas y la temperatura ms alta alrededor de la vlvula de admisin para asegurar la evaporacin necesaria del combustible. Esto se traduce en una mayor eficiencia volumtrica de estos motores A menudo, el combustible se pulveriza directamente en la parte posterior de la cara de la vlvula de admisin, esto no solo acelera la evaporacin tambien enfra la vlvula de admisin, que puede alcanzar temperaturas cclicas hasta de 400 C. las temperaturas de estado estable de las vlvulas de admisin generalmente estn en el rango de 200 -300 C. Si un motor es super cargado o turbo cargado, la temperatura del aire de admisin tambin se ve afectada por el calentamiento resultante debido a la compresin. Para evitar esto, muchos de estos sistemas estn equipados con aftercooling, que de nuevo disminuye la temperatura.los Aftercoolers son intercambiadores de calor a travs del cual los flujos de entrada de aire comprimido, usan refrigerante del motor o el flujo de aire exterior como fluido de enfriamiento.

TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA CAMARA DE COMBUSTION

Una vez que la mezcla aire-combustible se encuentra en los cilindros del motor, los tres modos principales de transferencia de calor (conduccin, conveccin y radiacin), juegan un papel importante para el buen funcionamiento en estado estable. Adems, la temperatura dentro de los cilindros se ve afectada por un cambio de fase de evaporacin del combustible lquido restante. La mezcla de aire-combustible que entra en un cilindro durante la carrera de admisin puede ser ms caliente o ms fra que las paredes del cilindro, por la transferencia de calor resultante posible en cualquier direccin. Durante la carrera de compresin, la temperatura del gas aumenta, y por la duracin del inicio de la combustin, ya se est generando transferencia de calor por conveccin a las paredes del cilindro. Algunos de estos calentamientos por compresin se reducen por el enfriamiento por evaporacin que se produce cuando las gotas de combustible lquido residual se vaporizan. Durante temperaturas pico del gas en la combustin del orden de 3000 K que se producen dentro de los cilindros, una eficaz transferencia de calor es necesario para mantener las paredes del cilindro del sobrecalentamiento. La Conveccin y la conduccin son los principales

modos de transferencia de calor para remover la energa de la cmara de combustin y prevenir las paredes del cilindro de la fundicin.

La figura de abajo muestra la transferencia de calor en las paredes del cilindro. La transferencia de calor por unidad de area esta dada por:

Transferencia de calor en la ecuacin. (10-5) es cclico. La Temperatura del gas Tg en la cmara de combustin vara mucho en todo un ciclo del motor, porque que van desde valores mximos durante la combustin a mnimos durante la admisin. Incluso puede ser menor que la temperatura de la pared a principios de la carrera de admisin, invirtiendo momentneamente la direccin de transferencia de calor. La temperatura Tc de refrigeracin es bastante constante, con los cambios que ocurren durante los tiempos de ciclo ms largo. El refrigerante es aire para motores refrigerados por aire y una solucin de anticongelante para motores enfriado por agua. El coeficiente de transferencia de calor por conveccin hg en el lado del cilindro de gas de la pared es

muy variable durante un ciclo del motor debido a los cambios en el movimiento del gas, la turbulencia, velocidad, etc. Este coeficiente tambin tendr gran variacin espacial dentro del cilindro por las mismas razones. El coeficiente de transferencia de calor por parte del refrigerante de la pared ser ms o menos constante, ya que depende de la velocidad del lquido refrigerante. La conductividad trmica k de la pared del cilindro es una funcin de la temperatura de la pared y ser ms o menos constante.

q = Q/A = hg(Tg - Tw) Esta ecuacin describe la transferencia de calor por conveccin en la superficie interna del cilindro. La Temperatura de las paredes Tw no debe exceder valores entre 180 200 C para asegurar la estabilidad del aceite refrigerante y tambin la resistencia estructural de las paredes. Hay varias maneras de identificar un nmero de Reynolds a utilizar para comparar las caractersticas de flujo y transferencia de calor en los motores de diferentes tamaos, velocidades y geometras. Elegir la mejor longitud caracterstica y la velocidad a veces es difcil. Una forma de definir un nmero de Reynolds para los motores, utiliza esta ecuacin como la mejor correlacin:

Esta ecuacin define el nmero de nuselt usado dentro de la cmara de combustin en funcin del nmero de Reynolds.

Esta ecuacin representa la transferencia de calor por radiacin entre el gas del cilindro y las paredes de la cmara de combustin.

Aunque las temperaturas del gas son muy altas, la radiacin a las paredes slo representa el 10% de la transferencia total de calor en los motores de encendido por chispa. Esto se debe a las pobres propiedades emitidas por los gases, que slo emiten en longitudes de onda especficas. Nz y Oz, que constituyen la mayora de los gases antes de la combustin, irradia muy poco, mientras el COZ y Hz0 de los productos contribuyen ms a la transferencia de calor por radiacin. Las partculas de carbono slido que se generan en los productos de combustin de un motor de encendido por compresin son buenos irradiadores en todas las longitudes de onda, y la transferencia de calor por radiacin a las paredes de estos motores est en el rango de 20-35% del total. Un gran porcentaje de la transferencia de calor por radiacin a las paredes ocurre al principio de la carrera de potencia. En este punto la temperatura de combustin es mxima, y con un potencial de radiacin trmica igual a la T4, un flujo de calor muy grande se genera. Este es tambin el momento en que hay una cantidad mxima de holln de carbono en los motores de encendido por compresin, lo que aumenta el flujo de calor radiante. Flujos de calor instantneo de hasta 10MW/mz se puede experimentar en un motor de encendido por compresion en este punto del ciclo. Debido a que un motor funciona en un ciclo, la temperatura del gas dentro del cilindro Tg en la figura. 10-5 y la ecuacin. (10-5) se encuentra en estado pseudo estable. Estos cclicos de temperatura causan una transferencia de calor cclica que se produce en las paredes del cilindro. Sin embargo, debido al tiempo corto de ciclo, la transferencia de calor cclica slo se experimenta a muy pequeas profundidades. A velocidades normales, el 90% de estas oscilaciones de transferencia de calor son amortiguadas en una profundidad de aproximadamente 1 mm de la superficie en los motores con las paredes del cilindro de hierro fundido. En los motores con los cilindros de aluminio con un 90% de amortiguacin es un poco ms de 2 mm de profundidad, y en las paredes de cermica sera del orden de 0,7 mm. A profundidades de

superficie mayor que stos, las oscilaciones en la transferencia de calor son casi indetectables y la conduccin puede ser tratado en estado estable. La transferencia de calor a las paredes del cilindro contina durante la carrera de expansin, pero la tasa disminuye rpidamente. La refrigeracin de expansin y las prdidas de calor reducen la temperatura del gas dentro del cilindro durante esta carrera, desde una temperatura mxima del orden de 2700 K hasta una temperatura de unos 800 K. Durante la carrera de escape, la transferencia de calor a las paredes del cilindro contina pero a una tasa menor. En este momento, la temperatura del gas es mucho menor, como es el coeficiente de transferencia de calor por conveccin. No hay forma de remolino en el movimiento en este momento, y la turbulencia se reduce considerablemente, dando lugar a un coeficiente de transferencia de calor mucho ms bajo.

La grafica muestra variaciones ciclo a ciclo de la transferencia de calor con respecto al ngulo de variacin en el eje, de un sector en la cmara de combustin. La transferencia de calor se produce en las cuatro carreras del ciclo, que van desde los flujos muy altos a los flujos bajos incluso hasta 0 o un flujo de calor en direccin contraria (es decir de las paredes a la mezcla de gases). En un motor de aspiracin natural, el flujo de calor puede ocurrir en cualquier direccin durante la carrera de admisin en un determinado lugar del cilindro. Durante la carrera de compresin los gases se calientan, generando un flujo de calor a las paredes del cilindro. La temperatura mxima y el flujo de calor mximo ocurren durante la combustin y decrece en las carreras de potencia y de escape. Para motores equipados con supe cargador o turbo cargador los gases de admisin se encuentran a altas temperaturas por lo tanto el flujo de calor a las paredes ser mayor. Adems de la variacin de la temperatura en la cmara de combustin hay una variacin espacial a cualquier tiempo dado. Como se puede ver en la siguiente figura.

La grafica 10-6 representa la curva para la variacin del flujo de calor por ciclo para un punto dado estas graficas no son las mismas para los puntos, adems que puntos muy cercanos pueden tener

diferencias de flujo de calor durante la combustin. Hasta aqu se hablado de la transferencia de calor en la buja y en las paredes del cilindro. Otro gran problema de refrigeracin es la cara del pistn, la cual est totalmente expuesta a la combustin pero no puede ser refrigerado por medio del lquido refrigerante ni de superficies aleteadas. Por esta razn la cabeza del pistn es de los puntos ms calientes en el motor. Un mtodo para enfriarlo es rociando aceite lubricante en la superficie posterior de la cabeza del pistn. Adems de ser lubricante, el aceite tambin sirve como refrigerante. Luego de absorber la energa en el pistn el aceite llega al Carter para enfriarse y quedar como reserva. El calor tambin es conducido por la cara del pistn pero la resistencia trmica de este es bastante alta. Las nicas vas para la conduccin del calor son por medio de la biela al depsito de aceite o por medio de los anillos a las paredes del cilindro y de ah a los alrededores por medio del fluido refrigerante. Como se ve en la siguiente figura.

La resistencia trmica en el cuerpo del pistn y en la biela es baja debido a que estn hechos de metal, sin embargo en la conexin entre estos elementos se genera una alta resistencia debido a la pelcula lubricante entre las superficies. Esto ocurre tambin en donde se conectan el cigeal y la biela debido al lubricante entre estas superficies. El aceite lubricante encargado de evitar el desgaste posee unas propiedades muy pobres en el sentido de la conduccin del calor por lo tanto genera los efectos no deseados anteriormente. Los pistones hechos de aluminio generalmente trabajan en un rango entre 30-80 C menos que los pistones hechos de hierro fundido gracias a la gran conductividad trmica del aluminio. Esto reduce los problemas de cascabeleo en los motores pero puede generar grandes problemas trmicos de expansin entre distintos materiales. Algunos motores modernos tienen pistones con sus caras hechas de cermica por lo tanto pueden trabajar a altas temperaturas de estado estable. La cermica tiene propiedades bajas de conduccin de calor pero soporta altas temperaturas. Algunos motores muy grandes tienen pistones que son refrigerados por agua. Para evitar la descomposicin del aceite lubricante es necesario mantener la temperatura en las paredes del cilindro en valores mximos de 180C 200 C. la tecnologa para lubricacin tiene accin sobre los aceites por lo tanto se estn tolerando mas temperaturas. Debido al tiempo de uso del motor los depsitos se van acumulando en las paredes del cilindro. Estos se deben a las impurezas del aire y el combustible, la combustin imperfecta, y el aceite lubricante en la cmara de combustin. Estos depsitos crean una resistencia trmica y causan una elevacin en la temperatura de las paredes del cilindro. Exceso de depsitos en la pared hacen que el volumen muerto disminuya y genera un aumento en la relacin de compresin. Algunos motores modernos utilizan tubos de calor para ayudar a refrigerar regiones calientes internas, las cuales no se pueden refrigerar de forma normal por el difcil acceso a estos. Con un extremo del tubo de calor en el interior caliente del motor, el otro extremo puede estar en contacto con el refrigerante que circula o expuestos al flujo de aire externo.

10,5) Transferencia de calor en el sistema de escape Para calcular las prdidas de calor en un tubo de escape, los modelos de flujo de conveccin interna se pueden utilizar con una importante modificacin: debido al flujo pulsante cclico, el nmero de Nusselt es aproximadamente el doble del que se puede predecir en condiciones de flujo estacionario (ver figura 10-11). Las prdidas de calor del sistema de escape afectan al turbocompresor y a las emisiones.

pseudo-estado estable la temperatura del escape de los motores SI estn generalmente en el intervalo de 400c - 600c, con extremos de 300c - 900c. Las temperaturas de escape de los motores CI son ms bajos debido a su mayor tasa de expansin y estn generalmente en el rango de 200c - 500c. Algunos motores de automviles y grandes motores estacionarios tienen vlvulas de escape con vstagos huecos que contienen sodio. Estos actan como tubos de calor y son muy eficientes eliminando calor del rea de la cara de la vlvula. Mientras que los vstagos slidos eliminan solo el calor por conduccin, tubos de calor utilizan un ciclo de cambio de fase para remover una cantidad mucho mayor de energa, hasta 4000 W / cm en el rea de la superficie. Sodio lquido se vaporiza en el extremo caliente del vstago de la vlvula y luego se condensa de nuevo a lquido en el extremo ms fresco. debido a la gran transferencia de energa durante un cambio de fase, la conduccin de calor efectiva en el vstago ser mucho mayor que el tiempo de conduccin pura. El sodio liquido es usado como fluido de trabajo por sus propiedades trmicas y su punto de fusin cercano a 98c.

10.6) Efecto de variables de funcionamiento de un motor en transferencia de calor. Transferencia de calor dentro de los motores depende de variables tan diversas que es difcil realizar la equivalencia de un motor con otro. Estas variables incluyen la relacin aire-combustible, velocidad, carga, presin media efectiva, sincronizacin de la chispa, relacin de compresin, materiales y tamao. Las sub-secciones que siguen, ofrecen comparaciones generales de algunas de estas variables. Tamao del motor.

Si dos motores geomtricamente similares de diferente tamao (desplazamiento) se ejecutan a la misma velocidad, y todas las dems variables (temperatura, AF, combustible, etc.) se mantienen lo ms cerca de la misma como sea posible, el motor ms grande tendr una mayor prdida de calor absoluta, pero ser ms eficiente trmicamente. Si las temperaturas y materiales de estos dos motores son los mismos, los flujos de prdida de calor a los alrededores por unidad de rea ser ms o menos igual, pero la prdida de calor absoluta de los motores de mayor tamao ser mayor debido a su mayor rea superficial. Un motor ms grande generara ms potencia de salida y lo har con mayor eficiencia trmica. Como el tamao lineal aumenta, aumenta el volumen en dimensiones de orden lineal en cubos. Si un motor es de 50% ms grande en tamao lineal, su desplazamiento ser del orden de (1.5) = 3.375 ms grande. Con propiedades de la mezcla similar, el motor ms grande por lo tanto tendr en la combustin aproximadamente 3,375 veces el combustible del motor ms pequeo y liberar 3,375 veces la cantidad de energa trmica. El rea superficial, por otro lado, es proporcional a la longitud al cuadrado, y el motor ms grande tendr slo 2,25 veces el rea superficial y consiguiente prdida de calor del motor ms pequeo. La energa generada aumenta con la longitud al cubo, mientras que las prdidas de calor aumentan con la longitud al cuadrado. Esto hace al motor ms grande ms eficiente si todo lo dems es lo mismo.

Este razonamiento se puede extender a ms all del tamao en el diseo de un motor. Lo que es deseable para una buena eficiencia trmica es una cmara de combustin con alta relacin volumen-rea de superficie. Tambin se dice que un cilindro con una nica, simple, abertura de la cmara de combustin tendr menos porcentaje de prdida de calor que uno con una cmara de divisin dual que tiene un rea de gran superficie. Velocidad del motor.

Como la velocidad del motor aumenta, la velocidad de flujo de gas dentro y fuera del motor aumenta, con resultados de aumento en la turbulencia y los coeficientes de transferencia de calor por conveccin. Este incremento de transferencia de calor ocurre durante la carrera de admisin y

escape e incluso durante la primera parte de la carrera de compresin. Durante la combustin y carrera de potencia, las velocidades del gas dentro del cilindro son bastante independientes de la velocidad del motor, siendo controladas por remolinos, squish y movimiento de la combustin. El coeficiente de transferencia de calor por conveccin, as, la conveccin es por lo tanto bastante independiente de la velocidad del motor en este momento. La radiacin que es importante solo durante esta parte del ciclo, es tambin independiente de la velocidad. La tasa de transferencia de calor (kw) durante esta parte del ciclo es por lo tanto constante, solamente porque el tiempo del ciclo es menor a una mayor velocidad, se produce a una baja transferencia de calor por ciclo (KJ/ciclo). Esto le da al motor una mayor eficiencia trmica a alta velocidad. a velocidades ms altas, ms ciclos por unidad de tiempo se producen, pero cada ciclo dura menos tiempo. El resultado neto es un ligero aumento en la prdida de transferencia de calor con el tiempo (KW) del motor. Esto es en parte debido a las altas prdidas de calor por parte del ciclo, pero se debe principalmente a las altas perdidas en el estado estacionario que el motor se establece a altas velocidades. El flujo msico de gas a travs de un motor aumenta con la velocidad, con un resultado neto de menos prdidas de calor por unidad de masa (KJ / Kg). Todas las temperaturas en estado estacionario dentro de un motor aumentan a medida que aumenta la velocidad del motor, como lo muestra la figura 10-12.

Al permanecer a la misma temperatura en estado estacionario, como la velocidad del motor aumenta, ms calor se debe transferir a los alrededores por el refrigerante en el intercambiador de calor del radiador del automvil. A velocidades altas del motor, hay menos tiempo por ciclo, esto significa menos tiempo para experimentar la ignicin y golpeteo. Como siempre, hay tambin menos tiempo para la transferencia de calor por ciclo, lo que significa que el motor funcione ms caliente, un motor a altas temperaturas presenta un gran problema de golpeteo o cascabeleo. El resultado de esto es que algunos motores presentan problemas de cascabeleo a altas velocidades mientras que otros motores presentan menor problema de cascabeleo a altas velocidades. Por parte del proceso de escape de gases, habr una velocidad snica a travs de la vlvula de escape, y la tasa de flujo ser ahogada, independiente de la velocidad del motor. A velocidades ms altas, las vlvulas de escape y puertos se calienten demasiado. Las altas temperaturas del motor hacen que la velocidad snica

aumente ligeramente, que a su vez aumenta la tasa de flujo levemente. Los gases en el sistema de escape se calientan ms en motores de altas velocidades.

Sincronizacin de la chispa Mas potencia y mayor temperatura son generados cuando la chispa se ajusta para dar presin mxima y la temperatura oscila alrededor de 5 a 10 grados a TDC. Estas temperaturas de pico ms alto va a crear una mayor prdida de calor, pero esto ocurrir en un tiempo menor. Con la chispa demasiado pronto o demasiado tarde, la eficiencia de combustin y la temperatura promedio ser menor. Estas temperaturas ms bajas se dan con menos prdida de calor, pero las prdidas de calor va a durar una longitud de tiempo ms largo y la prdida total de energa ser mayor. La mayor produccin de energa es adquirida con el tiempo de encendido correcto, lo que resulta que las vlvulas de escape y el puerto se caliente y la temperatura sea mayor. Relacin equivalencia combustible En un motor SI, la mxima potencia se obtiene con una relacin de equivalencia de = 1,1. Esto tambin sucede cuando las mayores prdidas de calor ocurran, con prdidas menores cuando el motor se ejecuta. La mayor prdida de calor como un porcentaje de la energa en (mfQHV) se producir en condiciones estequiometrias, =1.0. Un motor requiere el nmero de octanos de combustible ms elevado cuando se opere en condiciones estequiometrias. Octanaje inferior puede ser tolerado cuando el motor est en marcha con una rica combustin.

Refrigeracin por evaporacin-inyeccin de agua Debido a los vapores de combustible durante la ingesta y el comienzo de la compresin, la refrigeracin por evaporacin disminuye la temperatura de entrada y aumenta la densidad de la ingesta. Esto aumenta el rendimiento volumtrico del motor. Los combustibles con altos calores latentes, tales como alcoholes, tienen una mayor refrigeracin por evaporacin y por lo general hacen para que los motores estn ms fros en funcionamiento. Si un motor de combustible es operado en combustin rica, la evaporacin del exceso de combustible bajara las temperaturas del ciclo. Durante la Primera y segunda Guerra Mundial, inyectores de agua fueron instaladas en los sistemas de escape de alto rendimiento en los motores de aviones de combate. A medida que el agua se evapora, aumenta el enfriamiento por evaporacin, lo que aumenta la potencia debido a una mayor eficiencia volumtrica. En los ltimos aos, la tecnologa de la adicin de agua a los sistemas de escape en los motores se ha vuelto a usar de nuevo. Esto se hace tanto en motores de automviles y en barcos grandes, y motores estacionarios. Adems de aumentar la eficiencia volumtrica y la potencia, esto tambin se hace para disminuir la generacin de NOx en un ciclo de reduccin de las temperaturas (200,211). El agua puede ser aadido por cualquiera de estos tres mtodos: (1) Inyeccin de agua aadido mediante el aire que entra, ya sea en el sistema de admisin o directamente en la cmara de combustin. (2) Disolucin o mezcla de agua con el combustible. (3) utilizando la entrada de aire de alta humedad.

De estos mtodos, la inyeccin directa de agua parece ser la ms prctica, y se utiliza en un nmero de sistemas existentes. El almacenamiento de agua y la preocupacin de la congelacin de la misma, son los posibles problemas, especialmente con los vehculos de carretera. Mezcla de agua con el combustible en una emulsin puede causar posibles mezclas, almacenamiento o depsito y/o problemas de inyeccin. Los grandes volmenes de aire de alta humedad pueden ser difciles de prever, y pueden causar problemas de corrosin en el sistema de admisin. Saab Automobile Company ha estado experimentando con la inyeccin de agua para mejorar la economa de combustible a alta velocidad y rpida aceleracin. Para evitar la necesidad de una fuente adicional de agua, se extrae lquido del depsito limpiaparabrisas. La solucin anticongelante y aditivos no parece daar el motor. El consumo de combustible de alta velocidad se ha reducido de 20-30 grados. Temperatura del aire de entrada el aumento de la temperatura del aire de entrada a un motor da resultados a un aumento de la temperatura durante todo el ciclo, con el consiguiente incremento en las prdidas de calor. un aumento de 100 C en la temperatura de entrada provocar un aumento del 10-15% en las prdidas de calor. Ciclo de aumento de las temperaturas tambin aumenta la probabilidad de golpeteo o cascabeleo. Turbocargados o supercargados generalmente tienen temperaturas ms altas de entrada de aire debido al calentamiento de compresin. Muchos sistemas tienen sistemas de refrigeracin para reducir la temperatura del aire antes de entrar en los cilindros del motor. Temperatura del refrigerante el aumento de la temperatura del refrigerante del motor (termostato caliente) da lugar a temperaturas ms altas de todos los componentes refrigerados. Hay un cambio pequeo en la temperatura de las bujas y vlvulas de escape. Rendimiento indicado trmico sera mayor, pero hay un problema potencial de golpeteo para motores con altas temperaturas. Materiales del motor diferentes materiales utilizados en la fabricacin de cilindros y pistones dan como resultado diferentes temperaturas de funcionamiento. Pistones de aluminio, con mayor conductividad trmica, por lo general operan entre de 30 -80 C por debajo de pistones de hierro fundido. Pistones con cara de cermica tienen mala conductividad trmica, dando lugar a temperaturas muy altas. Esto es por diseo, ya que la cermica es capaz de tolerar temperaturas altas. Vlvulas de escape de cermica son algo que se usa debido a su inercia de masa ms baja y la tolerancia a altas temperaturas.

Golpeteo o cascabeleo Cuando golpeteo se produce, la temperatura y la presin son elevados en lugares especficos dentro de la cmara de combustin. Este aumento de la temperatura local puede ser muy grave y, en casos extremos, puede causar daos en los pistones y las vlvulas. Relacin de compresin

cambiar la relacin de compresin de un motor cambia levemente la transferencia de calor del lquido refrigerante. El aumento de la relacin de compresin disminuye ligeramente la transferencia de calor alrededor de rc = 10. El aumento de la relacin de compresin por encima de este valor aumenta ligeramente la transferencia de calor. Existe una disminucin del 10% en transferencia de calor cuando la relacin de compresin se aumenta de 7 a 10. Estos cambios en la transferencia de calor se producen principalmente debido a la caractersticas del cambian aumentando la relacin de compresin ( velocidad de combustin, el movimiento de gas, etc.). Cuanto mayor sea la relacin de compresin, mas expansin de refrigeracin se producirn durante la carrera de potencia, lo que refresca un poco el escape. Motores de encendido CI, con sus relaciones de compresin elevadas, por lo general tienen menores temperaturas de escape que los motores de encendido por chispa. Las temperaturas de pistn generalmente aumentan ligeramente cuando la relacin de compresin aumenta.

Remolino y squish mayor turbulencia y altas velocidades de squish dan lugar a un coeficiente de transferencia de calor por conveccin ms alto dentro del cilindro. Esto se traduce en una mejor transferencia de calor a las paredes

10.7) Motores refrigerados por aire

Muchos motores pequeos y algunos de tamao medio son refrigerados por aire. Esto incluye la mayora de los motores pequeos de herramientas como cortadoras de csped, moto sierras, etc. Esto permite que el peso y el precio de estos motores sean bajos. Algunas motocicletas, automviles y aviones tienen motores refrigerados por aire, tambin se benefician de un menor peso.

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Motores refrigerados por aire deben contar con un flujo de aire a travs de sus superficies externas para eliminar el calor necesario para evitar que se recalienten. En los vehculos como motocicletas y aeronaves, el movimiento hacia delante del vehculo proporciona el flujo de aire sobre la superficie. Deflectores y los conductos se agregan a menudo para dirigir el flujo a lugares crticos. Las superficies exteriores del motor son hechos de metales de buena conductividad trmica y son aleteados para promover la mxima transferencia de calor. Motores de automviles por lo general tienen ventiladores para aumentar la tasa del flujo de aire y dirigirlo en la direccin deseada. Cortadoras de csped y motosierras se basan en la conveccin libre en sus superficies con aletas. Algunos motores pequeos tienen expuestos volantes con deflectores de aire fijados a la superficie. Cuando le motor esta en operacin, estos deflectores crean un movimiento de aire que aumenta la transferencia de calor en las superficies con aletas.

Es ms difcil conseguir enfriamiento uniforme de cilindros en los motores refrigerados por aire que los motores de refrigeracin lquida. El flujo de refrigerante lquido puede ser mejor controlado y canalizado a los puntos calientes donde se necesita la mxima refrigeracin. Refrigerantes lquidos tambin tienen mejores propiedades trmicas que el aire (ms altos coeficientes de conveccin, calores especficos, etc.) La figura 10.13 muestra cmo las necesidades de refrigeracin no son las mismas en todas las localidades en una superficie de motores. reas ms calientes, como alrededor de la vlvula de escape y mltiple, necesitan una mayor refrigeracin y un rea de mayor superficie con aletas.

Enfriamiento del frente de un motor refrigerado por aire es a menudo mucho ms fcil y ms eficiente que el enfriamiento de la superficie posterior del motor cuando el vehiculo se desplaza hacia adelante. Esto puede resultar en diferencias de temperatura y problemas de expansin trmica.

En comparacin con los motores refrigerados por lquido, motores refrigerados por aire tienen las siguientes

Ventajas: un peso ms ligero menos costoso sistemas de refrigeracin no fallan (bomba de agua, mangueras). no la congelacin de motores en marcha. Mas rpido el calienta del motor.

Desventajas:

Son menos eficientes. necesidad de un flujo de aire dirigido y superficies con aletas.

Ecuaciones estndar de transferencia de calor para superficies con aletas pueden ser usadas para calcular la transferencia de calor de estas superficies del motor.

LIQUID-COOLED ENGINES

El bloque motor de un motor refrigerado por agua es rodeado por una camisa de agua a travs del cual circula el fluido refrigerante. Esto permite una mejor extraccin de calor a un costo de peso adicional y la necesidad de una bomba de agua. El costo, peso, y la complejidad de un sistema de enfriamiento lquido hace que este tipo de refrigeracin Son muy pocos los motores que utilizan como refrigerante el agua, ya que las propiedades fsicas de el agua aunque proporcionan una transferencia de calor muy buena tienen como defecto que tienen una temperatura de congelacin de OC por la cual no podra ser utilizada en climas de inviernos de el norte al igual su temperatura de ebullicin es menor de lo deseable, adems si no tiene aditivos el agua aceleran la oxidacin y la corrosin en los materiales.

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La mayora de los motores utilizan una mezcla de agua y glicol de etileno (C2H602) que es soluble en el agua, por el cual tiene la transferencia de calor de el agua; el etilenglicol es llamado a menudo anticongelante , acta como un xido inhibidor y un lubricante para la bomba de agua, dos propiedades no presentes cuando el agua se usa sola, cuando se combinan estos dos se reduce la temperatura de congelacin y se aumenta la temperatura de ebullicin, estas propiedades son deseables cuando se utiliza un 70% de etilenglicol. Cuando se aumentan las concentraciones de etilenglicol se pierden las propiedades de transferencia de calor del agua. El refrigerante no se puede congelar, ya que si lo hace no va circular a travs del radiador y del sistema de refrigeracin y har que el motor se sobrecaliente, otra consecuencia ms grande es que al expandirse el refrigerante al congelarse har grietas en la camisa de la bomba de agua como consecuencia destruir el motor. Condiciones que deben cumplir los refrigerantes: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Qumicamente estable bajo No No Baja condiciones de utilizacin espumoso corrosivo toxicidad Ininflamable coste

De

bajo

Muchos de estos refrigerantes comerciales son bsicamente, glicol de etileno con pequeas cantidades de aditivos; los hidrmetros son utilizados para determinar la cantidad glicol de etileno cuando se mezcla con agua, estos densmetros son utilizados en las estaciones de servicio. En el sistema de refrigeracin de un motor de automvil tpico. El Lquido entra en la camisa de agua del motor, por lo general en la parte inferior del motor. El liquido Fluye a travs del bloque del motor donde absorbe la energa de las paredes del cilindro caliente. El pasaje de flujo en la camisa de agua est diseado para dirigir el flujo alrededor del exterior de las superficies de las paredes del cilindro y ms all de cualquier otra superficie que necesita refrigeracin.

El flujo tambin se dirige a otros componentes los cuales necesiten ser calentados o enfriados como el deposito de aceite, tambin se puede aprovechar este fluido caliente hacindolo pasar un radiador de calefaccin, o tambin para descongelar las ventanas fras. El flujo sale del bloque del motor con una alta entalpia especfica debido a que absorbe la refrigeracin del motor, la salida es por lo general en la parte superior del bloque del motor. Esta entalpia debe ser eliminada y por lo tanto la circulacin del refrigerante esta en un circuito cerrado por lo cual vuelve a ser usado para enfriar el motor. Esto se hace por medio de un intercambiador de calor llamado radiador el cual tiene la funcin de extraer el calor ayudado por medio de un refrigerador de aire que fluye de adelante hacia atrs, el flujo de aire se produce a travs del movimiento hacia adelante del automvil que es asistido por

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un ventilador que esta situado atrs del radiador, este ventilador puede ser impulsado elctricamente o por el cigeal del motor, en la salida del radiador se coloca una bomba de agua la cual hace que entre de nuevo el refrigerante a la camisa de agua del motor. Debido a la forma aerodinmica y el nfasis en la cosmtica de los nuevos vehculos se hace ms difcil la refrigeracin por lo tanto los motores modernos son diseados para funcionar mas calientes por lo que pueden tolerar una menor tasa de enfriamiento del flujo de aire. El termostato es utilizado para controlar el caudal que se mueve hacia el radiador, este esta formado por una vlvula que se abre y se cierra accionada por temperatura, cuando el refrigerante esta frio la vlvula permanece cerrada y este regresa a la bomba para volver ha hacer el ciclo de refrigeracin, y cuando esta se calienta se abre la vlvula del termostato para hacer pasar el refrigerante por el radiador. En algunos pequeos motores diesel de algunos vehculos son tan eficientes que no proporciona el calor residual suficiente para calentar adecuadamente el compartimiento bajo ciertas condiciones de funcionamiento, estos vehculos utilizan a veces un calentador de resistencia elctrica. Otro mtodo es usar un calentador viscoso que es una bomba en el que se agita un lquido para generar calor a travs de la friccin.

OIL AS A COOLANT El aceite al igual que es usado para lubricar el motor, tambin se usa para refrigerarlo, ya que debido a la ubicacin del pistn el agua puede hacer muy poco para enfriarlo, la cara del pistn al ser una de las superficies mas calientes del motor debe ser refrigerada y para eso se hace chapotear el aceite para que este actu como refrigerante sobre la cara trasera del pistn este aceite absorbe la energa y al mezclarse con el aceite mas fresco dilapida esta energa en las otras partes del motor. Algunos motores de gran rendimiento tienen una heladera de aceite en su circulacin del lubricante al Sistema. La energa absorbida por el aceite cuando enfra los componentes de motor Se disipa en la heladera de aceite.

ADIABATIC ENGINES

Los motores adiabticos son aquellos que tienen una reducida perdida de calor en las cmaras de combustin, estos por lo general no constan de una camisa refrigerante, y las perdidas de calor se producen a travs de una conveccin natural en la superficie exterior. Esto hace que se tenga un motor y sus componentes mucho mas calientes, y por lo tanto se produce una ganancia de potencia de freno de salida. Debido a los grandes avances de la tecnologa hoy en da se cuentan con motores y sus componentes para que funcionen a grandes temperaturas sin que tengan una falla mecnica o trmica, esto debido a aleaciones en los materiales, mejores tratamientos trmicos, y el avance en los materiales cermicos y materiales compuestos.

Estos motores pueden ser mas pequeos y mas ligeros debido a que no tienen un sistema de refrigeracin (bomba de agua, camisa de agua, aletas superficies, etc.).Tambin pueden ser ms aerodinmicos debido a que no necesitan radiador. Estos motores adiabticos solo se pueden utilizar en motores de encendidos por compresin, ya que las paredes del cilindro estn a una temperatura de 800K, lo que tendra como consecuencia que en los motores de encendido por chispa se produjera un evaporamiento de la mezcla de airecombustible teniendo como consecuencia el fenmeno de golpeteo en el motor.

SOME MODERN TRENDS IN ENGINE COOLING En la actualidad hay diferentes mtodos de refrigeracin que estn siendo probados y desarrollados. Se incluyen motores con doble camisa de agua que contienen 2 refrigerantes a dos temperaturas diferentes, el refrigerante al estar alrededor de la cabeza del motor hace que este se mantenga ms fresco y reduzca el golpeteo y permitir que se pueda trabajar con una mayor relacin de compresin debido a que el motor esta mejor refrigerado . Algunos automviles de General Motors ofrece una funcin de seguridad en sus motores en caso de una fuga en el sistema refrigerante .El automvil hace que sea capas de que se conduzca con seguridad una larga distancia a velocidad moderada sin refrigerante en el sistema de refrigeracin. Esto se hace posible por el disparo de slo cuatro de los ocho cilindros en un ciclo, haciendo que los otros cuatro cilindros acten en otro ciclo. Los cuatro cilindros que no reciben el combustible son refrigerados debido a que se abren las vlvulas y permiten que el aire los refrigere para que no se sobrecaliente el motor.

THERMAL STORAGE Algunos vehculos estn equipados con una batera trmica que se puede utilizar para precalentar el motor de un automvil. Una batera trmica toma calor residual del refrigerante del motor durante la operacin y almacena cerca de 500 W-hr a 1000 W-hr. Existen varios mtodos que se han probado y utilizado. La mayora de los sistemas energticos comunes almacena por medio de un cambio de fase liquido-solido que ocurre en una mezcla de agua-cristales de sal. Esta energa almacenada puede ser utilizada en clima frio para precalentar el motor, tambin para precalentar el convertido cataltico, o para descongelar las ventanillas del automvil. El precalentamiento puede tardar unos pocos segundos. El refrigerante caliente es canalizado a la batera trmica, y este licua la mezcla de agua salada .Esto se hace con la energa que de otro modo seria disipada en el radiador del motor, por lo cual no hay costo de operacin en el sistema. Cuando el motor se apaga y se detiene el flujo de refrigerante, la solucin liquida de agua salada muy lentamente cambia a fase slida a medida que se enfra. Esta fase solida se har en unos tres das debido a que la pared del contenedor tiene un sper aislamiento. Un motor precalentado se inicia ms rpido, con menos desgaste y con menos desperdicio de combustible. Al estar calentadas las paredes del cilindro y el mltiple de admisin, promueven una mejor evaporacin del combustible y la combustin se inicia ms rpido. Adems se obtiene

un ahorro de combustible y se producen menos emisiones: Al estar tambin el aceite lubricante del motor precalentado se reducir la viscosidad de este, esto produce un arranque del motor ms rpido, y tambin reduce el desgaste del motor, Al precalentar el catalizador permite que se reduzcan las emisiones. : El sistema se puede iniciar cuando la llave de encendido se inserta o cuando la puerta del automvil esta abierta, este precalentamiento ocurre de 20 a 30 segundos. Varios sistemas de suministro entregan diferentes porcentajes de energa almacenada y en diferentes secuencias para los distintos usos. Algunos sistemas tienen una mayor flexibilidad y variabilidad que otros. El mayor beneficio de bateras trmicas probablemente ser en los automviles que se utilizan para el trfico urbano. Muchos viajes de la ciudad son lo suficientemente cortos que el catalizador convertidor nunca alcanza la temperatura de funcionamiento, dando lugar a emisiones de escape altas. Reducir las emisiones en zonas densamente pobladas es muy importante debido al gran nmero de automviles y dems contaminantes, as como la gran cantidad de personas afectadas. .Las emisiones de los automviles de doble potencia de gama limitada que se estn desarrollando para la ciudad se reducirn considerablemente con el almacenamiento trmico. Estos automviles, que son impulsados por un motor elctrico slo utilizaran su motor de combustin interna cuando se necesita energa extra, funcionando sus motores en un modo de encendido y apagado.