2012-8 rendimiento volumetrico.pdf

GRUPO:

ALUMNO N ALUMNO

BARREIRO Mariano 57200/4

CHILANO Agustn 57224/2

MARCOS Leonardo 58151/8

SABELLI Pedro 59389/3

A Para aprobacin 22/10/2012

REV. OBSERVACIONES FECHA ELABOR CONTROL APROB

PROYECTO DE MOTORES

FACULTAD DE INGENIERIA UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA

CUADRO DE CORRECCIN

Fecha Recepcin: VISTO

Fecha Correccin: APROBADO

Fecha Devolucin: APROBADO CON COMENTARIOS

..

Corrigi

RECHAZADO

NO REVISABLE

..

Firma

Observaciones:

TP1: MEJORA DE RENDIMIENTO VOLUMTRICO

Identificacin: PROYECTO

PROYECTO:

MOTOR FORD FALCON 221 SP

REVISIN:

ESCALA:

S/E

HOJA:

1 DE 18

A

Facultad de Ingeniera

U.N.L.P.

Proyecto de Motores REV. A

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TP1: AUMENTO DE RENDIMIENTO VOLUMTRICO

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ndice

1. Objeto ........................................................................................................................ 3

2. Alcance ...................................................................................................................... 3

3. Documentacin de referencia .................................................................................... 3

4. Desarrollo .................................................................................................................. 3 4.1. Definicin de rendimiento volumtrico ........................................................................ 3 4.2. Caractersticas del motor en estudio ........................................................................... 4 4.3. Optimizacin del mltiple de admisin ........................................................................ 4 4.4. Cargado del cilindro con la utilizacin de las ondas de presin. ................................. 5 4.5. Anlisis de los efectos de las ondas para varias longitudes del tubo de admisin

(60, 90 y 120)................................................................................................................. 7

4.6. Calculo de longitud ptima de los tubos de admisin para maximizar el efecto de las ondas de presin. ................................................................................................................ 9

4.7. Clculo del dimetro ptimo de los tubos de admisin. ............................................ 10 4.8. Diseo de los tubos de admisin y del mltiple de admisin. ................................... 10 4.9. Optimizacin del mltiple de escape. ........................................................................ 11 4.9.1. Teora de la energa cintica del barrido del cilindro ............................................ 11 4.9.2. Velocidad de los gases de escape ....................................................................... 12 4.9.3. Reflexin de las ondas de presin en el extremo del tubo de escape .................. 13 4.9.4. Velocidad del sonido en los gases de escape ...................................................... 14 4.9.5. Barrido de los gases de escape por ondas de presin ......................................... 14

4.10. Calculo de longitud ptima de los tubos de escape. ................................................. 15 4.11. Clculo del dimetro ptimo del tubo de escape ...................................................... 17 4.12. Diseo de los tubos de escape y del mltiple de escape. ......................................... 17

5. Bibliografa ............................................................................................................... 18


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1. Objeto

El objetivo del presente documento es estudiar mejoras del rendimiento volumtrico de un motor Ford Falcon 221 SP para ser utilizado en la categora Mar y Sierras A.

2. Alcance

El alcance comprende el desarrollo y fundamentacin de mejoras de rendimiento volumtrico, trabajando sobre la geometra de los mltiples de admisin y escape. Tambin, la obtencin de las dimensiones y geometras optimas de los mismos para lograr estas mejoras.

3. Documentacin de referencia

Reglamento tcnico Mar y Sierras A.

4. Desarrollo

4.1. Definicin de rendimiento volumtrico El rendimiento volumtrico, denominado tambin coeficiente de llenado, es la relacin

entre la masa de aire aspirada efectivamente en cada ciclo y la que tericamente podra llenar un volumen igual a la cilindrada en las condiciones normales de presin y temperatura (CNTP). Se calcula como:

Expresada en funcin de la masa de combustible, tiene la siguiente forma:

Donde: mbt = masa de combustible total mbi = masa de combustible ideal El rendimiento volumtrico influye en gran medida en las prestaciones de un motor, ya

que cuanto mayor sea la masa de aire introducida en los cilindros, mayor ser la cantidad de combustible que podr quemarse y, por tanto, mayor ser la potencia. El rendimiento volumtrico vara con el rgimen de rotacin del motor.

El rendimiento volumtrico mximo se dar cuando la presin media efectiva (PME) sea mxima, es decir cuando se da el pico de torque del motor.

Por lo tanto, para la mejora del rendimiento volumtrico se optimizarn las dimensiones y geometras tanto del mltiple de admisin como el de escape, cuando se alcance el pico de torque del motor en estudio.


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4.2. Caractersticas del motor en estudio Las caractersticas del motor en estudio se pueden observar a continuacin en la Tabla

4.2.1. Tabla 4.2.1

Marca Modelo Cilindro

(mm) Carrera (mm)

Cilindrada (lt)

Relacin de compresin

Potencia Torque

Ford 221 SP 93,472 87,884 3,620 8,2 a 1 166 HP @ 4500 rpm

31 kgm @ 3000 rpm

4.3. Optimizacin del mltiple de admisin Para lograr un aumento del rendimiento volumtrico se opto en primera medida la

optimizacin del mltiple de admisin. En funcin de las dimensiones de los tubos que lo componen y su geometra se puede lograr mejoras en el rendimiento volumtrico y por consiguiente un aumento de la potencia del motor.

Para el diseo del mltiple de admisin se tendrn en cuenta los siguientes aspectos:

Para una longitud dada del tubo de admisin, cuanto menor es el dimetro del mismo

mayor ser la velocidad de admisin de la mezcla y menor ser la velocidad del motor

a la cual se den los picos de presin.

Para un dimetro de tubo de admisin dado, cuanto mayor sea su longitud mayor

ser el efecto de embestida de la columna de aire, pero la mayor resistencia al flujo

causara que el pico de presin de la columna de aire se d a una velocidad ms baja

del motor.

Para una longitud dada del tubo de admisin en conjunto con una mayor longitud y un

pequeo dimetro, se produce aproximadamente el mismo pico de eficiencia

volumtrica en el cilindro. Sin embargo, los picos de eficiencia volumtrica con un

dimetro pequeo del tubo se darn antes que para una mayor longitud del mismo.

Para un dado dimetro de admisin, un tubo largo produce en el cilindro un pico

mucho mayor de eficiencia volumtrica a una velocidad de motor relativamente baja,

mientras que una longitud ms corta produce un pico mucho menor de eficiencia

volumtrica a una mayor velocidad de motor.

Para un dado dimetro de admisin, a mayor longitud, ms rpidamente crecer la

eficiencia volumtrica con el incremento de la velocidad del motor.

Para una dada longitud, para un menor dimetro del tubo ms rpidamente se

incrementara la eficiencia volumtrica en el rango de velocidades del motor.

Sin tubo de admisin, la carga del flujo de mezcla vuelve hacia atrs a travs del

puerto de admisin, esto se produce debido al cierre tardo de la vlvula de admisin.

A mayor longitud del tubo de admisin mayor ser la resistencia al flujo, por lo tanto

ms rpido ser el decrecimiento de la eficiencia volumtrica en el cilindro una vez

que este ha alcanzado el pico, y la velocidad del motor aumenta.

Con un dimetro pequeo del tubo de admisin se tendr una velocidad de flujo relativamente alta de manera que es capaz de mantener, a travs de l, la carga de mezcla


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de aire y combustible en su estado atomizado a una baja velocidad de motor. En contraste, un tubo de admisin largo no es capaz de mantener las partculas liquidas en suspensin cuando la carga fluye a travs del mismo a una baja velocidad del motor. As, la velocidad de carga en conjunto con la resistencia al flujo se vuelve excesiva hacia la mxima velocidad del motor, por lo que da lugar a una rpida disminucin de la eficiencia volumtrica del cilindro.

Los aspectos antes mencionados se pueden observar a continuacin en la Figura 4.3.1, para un motor de seis cilindros 3.5 lt.

Figura 4.3.1

Teniendo en cuenta los aspectos antes mencionados, se optara por tubos de admisin

de dimetros pequeos y largos. El diseo de los mismos tendr en cuenta que se podr utilizar un solo carburador, y las dimensiones y geometras de los mismos sern de libre construccin.

Para la obtencin de la longitud ptima de los tubos de admisin se tendr en cuenta el efecto de la resonancia de las ondas de presin producidas por la apertura de la vlvula de admisin y su propagacin a travs de los mismos.

Para el dimensionado de los tubos de admisin, se calculara la sincronizacin de las ondas de presin de manera tal que contribuyan a un aumento de la carga de mezcla en los cilindros y por ende el aumento del rendimiento volumtrico. A continuacin se presentan los conceptos bsicos y la teora para el aumento de carga en los cilindros mediante la utilizacin de las ondas de presin antes mencionadas.

4.4. Cargado del cilindro con la utilizacin de las ondas de presin. Cuando el motor est funcionando, una columna de aire se mueve a travs del tubo de

admisin desde el punto de entrada de aire hacia el puerto y la vlvula de admisin y luego dentro del cilindro. Cada vez que la vlvula de admisin se abre, la reduccin de presin en el cilindro produce una onda negativa de presin que viaja a travs de la columna de aire (a la velocidad del sonido) desde la zona posterior de la vlvula de admisin hacia el final de la parte abierta a la atmosfera del tubo de admisin. Inmediatamente, cuando este pulso de onda de presin alcanza la atmosfera, ocurre una expansin; es decir, el aire en la entrada del tubo de admisin repentinamente se vuelve menos denso y por lo tanto se crea una depresin. Instantneamente, el aire circundante trata de llenar esta depresin. Como


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resultado, se produce una onda reflectada de presin positiva debido a la inercia del aire, y esto causa que el pulso de presin viaje de regreso hacia el puerto de la vlvula de admisin. Es esta primera onda de presin reflejada que, si esta correctamente sincronizada, es la responsable de impulsar el aire dentro del cilindro hacia el final del ciclo de admisin. Cuando la onda de presin nuevamente alcanza la parte posterior de la vlvula de admisin revierte su direccin y es reflejada hacia afuera. As, estas ondas negativas y positivas de presin son reflejadas continuamente entre la admisin abierta y el puerto de admisin, pero decayendo en amplitud hasta que la vlvula de admisin se cierra.

Para utilizar completamente estos pulsos de onda de presin deben ser sincronizadas de tal manera que la primera onda de presin positiva llegue al punto muerto inferior hacia el final del ciclo de admisin en su pico de amplitud. Por lo tanto, es importante conocer el tiempo que le toma a la onda de presin viajar a travs de la columna de aire desde la vlvula de admisin abierta hacia la entrada de la admisin, ser reflejada y luego volver otra vez a la vlvula de admisin.

Por lo tanto, el intervalo de tiempo para que la onda de presin atraviese toda la longitud de la admisin y vuelva otra vez puede ser obtenido de la siguiente manera:

Por lo tanto, el tiempo que le toma a la onda de presin atravesar el tubo de admisin

y volver nuevamente ser:

Donde:

t= tiempo que le toma al pulso en ir y volver a travs del tubo de

admisin (s) L= longitud del tubo de admisin desde el extremo abierto a la cabeza

de la vlvula de admisin (mm) C= velocidad del sonido a travs del aire (aproximadamente 330 m/s)

El desplazamiento angular del cigeal durante el mismo intervalo de tiempo ser:


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Por lo tanto:

Donde:

desplazamiento angular del cigeal (grados) N= velocidad del cigeal del motor

Los efectos inerciales y de ondas siempre coexisten en cierta manera y el que predomina

en cualquier instante depende de la velocidad del motor, apertura del acelerador y las dimensiones del tubo de admisin.

4.5. Anlisis de los efectos de las ondas para varias longitudes del tubo de admisin (60, 90 y 120)

Cuando la vlvula de admisin se abre al principio del periodo de admisin un pulso

negativo de onda de presin viaja desde la vlvula de admisin hacia la entrada del tubo de admisin, es luego reflejada nuevamente hacia atrs como una onda de presin positiva.

El intervalo del ngulo del cigeal, a la cual este pulso negativo primario se crea cuando

la vlvula de admisin se mueve hacia afuera, es llamado . Si el desplazamiento angular del cigeal, para el cual la onda de presin se mueva hacia afuera y regresa a la vlvula de admisin es 90, entonces se observara una primera onda de presin reflejada en la vlvula de admisin cuando el pistn este en la mitad del ciclo de admisin, entonces alcanzara su valor pico en el punto muerto inferior. En este punto, la segunda onda de presin negativa reflejada se propagara desde la vlvula de admisin hacia la apertura de la admisin, y as un patrn de ondas sucesivas de presin negativas y positivas.

En el Grafico 4.5.1 se pueden observar la superposicin de las ondas de presin medias

positivas y negativas (curvas interlineadas) en la vlvula de admisin, y la presin resultante se observa en las curvas de lneas llenas. Las curvas interlineadas con puntos representan la presin en el cilindro, y el rea sombreada representa la diferencia de presin entre el puerto de la vlvula de admisin y el cilindro. Esta es la magnitud de la diferencia de presin a travs de ambos lados de la cabeza de la vlvula de admisin desde el punto muerto inferior hacia el punto al cual efectivamente la vlvula se cierra (esto es alrededor de 20 despus del diagrama de tiempo muestra que la vlvula est cerrada (IC)) que determina la efectividad de las ondas de presin en el potenciado de la densidad de carga del cilindro.


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Grfico 4.5.1

As, si la longitud del tubo de admisin es tal que 90, se puede observar en la Grafico 4.5.1 (a) que la presin del cilindro ha aumentado hasta alrededor de la presin atmosfrica en el punto muerto inferior y luego se mueve a una presin positiva despus del punto de cerrado efectivo de la vlvula de admisin (EIC), es decir cuando se alcanza el cerrado efectivo de la admisin. Tambin se puede observar que la onda de presin alcanza un pico en el punto muerto inferior, lo cual provee un tiempo para que la carga en el puerto de admisin sea transferida al cilindro. Este efecto de la onda resultante de presin es ptimo para ingresar las mayores cantidades de carga dentro del cilindro.

Si se selecciona un tubo de admisin de longitud corta, tal que 60 (Grafico 4.5.1 (b)), entonces la presin del cilindro en el PMI sigue siendo negativa y apenas alcanzara el valor de la presin atmosfrica en el punto de cierre efectivo de la vlvula. Debido a la superposicin de la onda por encima y por debajo de lnea atmosfrica y los 60 de desplazamiento entre los picos de onda positiva y negativa, la de presin positiva resultante (lnea llena) es pequea en magnitud y alcanza su pico a los 30 despus del PMI. Por lo tanto, no hay asistencia de la onda de presin entre el PMI y el cerrado efectivo de la vlvula de admisin (EIC). En lugar de esto, la onda de presin resultante sobre este intervalo angular es negativa por lo que la onda trata de extraer carga del cilindro.


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De lo contrario, si se elige un tubo de admisin de mayor longitud, tal que 120 (Grafico 4.5.1 (c)), entonces la presin resultante (lnea llena) en el puerto de la vlvula de admisin alcanza un pico amplio justo despus del punto de cierre efectivo de la vlvula de admisin. Tambin se observa que la presin del cilindro es negativa en PMI y solo alcanza la presin atmosfrica en el punto de cierre efectivo de la vlvula de admisin (EIC). As, se puede observar que la diferencia de presin (sector sombreado) entre el puerto de admisin y el cilindro sobre la ltima parte del ciclo de admisin desde PMI hacia el punto efectivo de cierre de la vlvula de admisin, se acumula relativamente tarde como para contribuir demasiado en el efecto de aumento de carga con la onda.

Experimentos mostraron que los valores ptimos de rondan entre 80 y 90. As, la formula t=0.012LN/C (grados) se puede usar para modificar y calcular el largo del tubo de admisin, para cualquier velocidad del motor, para maximizar el efecto de las ondas. A continuacin se realizara el clculo del tubo de admisin teniendo en cuenta los aspectos antes mencionados.

4.6. Calculo de longitud ptima de los tubos de admisin para maximizar el efecto de las ondas de presin.

El clculo ptimo de la longitud del tubo de admisin se realizara de manera de aumentar

el pico de rendimiento volumtrico alcanzado por el motor. Esto se da a una velocidad de giro del motor de 3000 rpm, que es donde se da la mxima PME y por ende el mximo valor del rendimiento volumtrico. Los clculos se pueden observar a continuacin en la Tabla 4.6.1 y en el Grafico 4.6.1.

Tabla 4.6.1

N (RPM) C (m/s) L (mm)

1500 330 85 1558,33

2000 330 85 1168,75

2500 330 85 935,00

3000 330 85 779,17

3500 330 85 667,86

4000 330 85 584,38

4500 330 85 519,44

5000 330 85 467,50

5500 330 85 425,00

6000 330 85 389,58

6500 330 85 359,62


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Grafico 4.6.1

Por lo tanto la longitud optima del tubo de admisin para maximizar el efecto de las

ondas de presin ser de L=780mm.

4.7. Clculo del dimetro ptimo de los tubos de admisin. Para la obtencin del dimetro ptimo de los tubos de admisin se recurre a la

experiencia de fabricantes de los mismos. Para un motor de este tipo, se adopta un mltiple de admisin (tipo original falcon SP) con conductos de seccin variable, llegando a un dimetro de 45,7 mm en los extremos que se unen con el puerto de admisin.

4.8. Diseo de los tubos de admisin y del mltiple de admisin. El material elegido para el sistema de admisin es el aluminio, que es vlido para las

condiciones de presin y temperatura que se dan en la admisin de aire; adems es un material ligero. El aluminio es preferible, ya que posee una serie de ventajas con respecto a otro tipo de materiales que hacen que sea el material ms adecuado para utilizar en la fabricacin del sistema de admisin.

Se podra elegir la incorporacin de un plnum al sistema de admisin, pero sin embargo, al necesitar ste de un sistema de inyeccin de combustible adicional, quedara anulado por el reglamento vigente de la categora.

Por lo tanto se optar por el mltiple de admisin tipo original (falcon SP), de tubos ramificados, con curvaturas suaves, los cuales tienen un gran desempeo en muchas categoras de autos de competicin similares.

A continuacin en la Figura 4.8 se muestra el mltiple de admisin elegido.

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

1400.00

1600.00

1800.00

1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

Lon

gitu

d d

e t

ub

o d

e a

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isi

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pti

mo

par

a m

axim

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efe

cto

de

la o

nd

a (m

m)

Velocidad del motor (RPM)


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Figura 4.8

4.9. Optimizacin del mltiple de escape.

4.9.1. Teora de la energa cintica del barrido del cilindro Posiblemente el mecanismo ms importante para la extraccin de los gases de escape

residuales de la cmara de combustin es utilizar la energa cintica de los gases de escape salientes para producir una onda de compresin seguida de una onda de expansin, con el cual la presin del gas es reducida produciendo una depresin en la regin del puerto de escape.

La apertura de la vlvula de escape hacia el final del ciclo de expansin libera los productos de la combustin, los cuales estn bajo una intensa presin, hacia el puerto y tubo de escape. Esta expulsin repentina de gas a alta presin desde el cilindro al puerto de escape desplaza rpidamente la columna de gas ocupando el puerto y el tubo de escape, causando de esta manera que el gas alcance una velocidad de flujo alta en el tubo primario de escape. En otras palabras, el pulso de la onda de compresin expulsada desde el cilindro transfiere esta energa de presin a la columna de gases de escape enfrente de ella, en forma de energa cintica. Esto se puede observar en la Figura 4.9.1.a. Consecuentemente, la onda de presin viaja hacia afuera, el lado de compresin que va delante eleva la presin mientras que el lado posterior de expansin reduce esta presin en el tubo, Figura 4.9.1.b. En el momento en que el pistn se ha movido hasta el PMS en el inicio del ciclo de admisin y el final del ciclo de escape, la onda de compresin alcanzara el final del tubo de escape.

La velocidad del pulso de la onda de presin excede en gran medida a la velocidad de descarga de los gases a travs del puerto y tubo de escape, causado por el movimiento hacia arriba del pistn empujando los gases de escape hacia afuera del cilindro y dentro del puerto de escape. Por lo tanto, los gases de escape en el lado posterior de la onda de expansin se vuelven menos densos y es esto lo que causa una correspondiente cada de presin en el puerto de escape el cual ahora se vuelve negativa, Figura 4.9.1.c. Esta depresin creada durante el periodo de cruce de vlvulas ayuda considerablemente a extraer los gases de escape residuales de la cmara de combustin hacia el puerto de escape, y al mismo tiempo empujar la mezcla fresca desde el puerto de admisin para llenar este espacio evacuado.

Si el mltiple de escape tiene tubos cortos antes de que se unan entre s, habr un tiempo insuficiente para que la onda de compresin deje detrs de ella un depresin capaz de


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extraer el gas estancado de manera que impide a la mezcla fresca que llega del puerto de admisin ingrese a la cmara de combustin en la primer parte del ciclo de admisin. De lo contrario, si el tubo de escape es muy largo la resistencia al flujo se vuelve excesiva creando as una propia onda de presin de retorno, lo cual tambin disminuir el proceso de extraccin y llenado del cilindro.

Figura 4.9.1

4.9.2. Velocidad de los gases de escape Es conveniente conocer aproximadamente la velocidad a la cual los gases de escape

viajan a travs del puerto de escape. La velocidad de los gases de escape se puede calcular conociendo la velocidad del

cigeal del motor de la siguiente manera:

(

)

Donde: D: dimetro del pistn (mm). d: dimetro del puerto (mm). S: carrera del pistn (mm). N: velocidad del cigeal (rpm). Vg: velocidad media del gas (m/s). Para el motor en estudio se presenta a continuacin en el grafico 4.9.2.1 la velocidad de

los gases de escape para el rango de funcionamiento del motor.


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Grafico 4.9.2.1

4.9.3. Reflexin de las ondas de presin en el extremo del tubo de escape El uso de la interferencia de los gases de escape para mejorar el barrido durante el cruce

de vlvulas necesita un entendimiento de las ondas de presin reflejadas en el extremo del tubo de escape. Si se imagina una onda de compresin C2 llegando al extremo del tubo (Figura 4.9.3.a) y expandindose en todas las direcciones, mientras que una compresin (1-1) dentro de la tubera C, evita su propagacin por estar confinada dentro de las paredes del tubo. Una capa de gas al final de la tubera no est restringida en la amplitud de oscilacin porque la compresin se ha esparcido hacia afuera y la presin baja, mientras que la capa de gas (1-1) en la parte posterior de la compresin C, est restringida por la compresin del gas enfrente de ella. As, la amplitud de la vibracin de la capa (2-2) en la salida ser por lo tanto mucho mayor y se mover hacia afuera a (3-3) debido a la inercia (Figura 4.9.3.b) dejando detrs de ella una depresin R. Esta depresin viajara hacia atrs a travs del tubo por lo que la onda de presin es reflejada como una onda de presin negativa. Cuando esta onda de presin (depresin) R llega al extremo del tubo de escape (parte abierta) habr una precipitacin de gases desde todas las direcciones hacia la regin de baja presin (Figura 4.9.3.c). Por lo tanto la depresin (baja densidad) se refleja como una onda de compresin que viaja de derecha a izquierda (Figura 4.9.3.d).

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000

Ve

loci

dad

de

los

gase

s d

e e

scap

e (

m/s

)

Velocidad del cigeal (RPM)


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Figura 4.9.3

4.9.4. Velocidad del sonido en los gases de escape El estudio del barrido de los gases de escape depende de la capacidad de estimar la

velocidad a la cual el sonido viaja a travs de los gases de escape. La velocidad de una onda de sonido en un gas est dada por:

Donde:

: 1,4 p: presin de gas (N/m2) : densidad de gas (kg/m3) C: velocidad del sonido (m/s) Teniendo en cuenta los efectos de la temperatura en la velocidad del sonido del gas, la

expresin es la siguiente:

Los gases de escape entrando al puerto de escape estn a alrededor de 800C pero caen

a alrededor de 150C en la cola de escape. Clculos han confirmado que una buena aproximacin para la temperatura media de los gases pasando a travs del sistema de escape puede ser de 400C. Por lo tanto una buena aproximacin para la velocidad del sonido de los gases de escape a esta temperatura media es:

4.9.5. Barrido de los gases de escape por ondas de presin Cada vez que la vlvula de escape se abre hacia el final del ciclo de expansin se libera

una onda de presin en el puerto de escape. Este pulso de onda de presin positiva atraviesa el final del escape expandindose en la atmosfera dejando una depresin detrs,


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que momentneamente hace caer la densidad del aire circundante. La elasticidad del aire circundante hace que este rebote hacia la salida del tubo de escape causando as una onda negativa que se refleja en todo el camino de vuelta hacia el puerto de escape.

Cuando el pulso alcanza el puerto de escape es nuevamente reflejada hacia la salida de escape como una onda positiva. Otra vez, cuando esta alcanza el extremo del tubo de escape una onda se refleja hacia adentro. Este ciclo de eventos se repite.

Para ptimos resultados, la longitud del tubo de escape debe ser elegida tal que la onda de presin viaje de la vlvula y el puerto de escape hacia la salida del tubo y vuelva otra vez en un intervalo de giro del cigeal de t de alrededor de 120 a una dada velocidad del motor (Figura 4.9.5.1). Esto asegurara que la primera onda negativa reflejada este a su menor presin ha pasado justo el PMS en el final del ciclo de escape. Bajo estas condiciones lo gases de escape residuales fcilmente pueden ser expulsados de la cmara de combustin.

Figura 4.9.5.1

4.10. Calculo de longitud ptima de los tubos de escape. Para obtener todas las ventajas del pulso de onda de presin debe ser sincronizada tal

que la primera onda negativa de presin reflejada alcance el PMS hacia el principio de la admisin y el final del ciclo de escape en su pico negativo de amplitud. Para obtener la correcta eliminacin de lo onda de depresin relativo al cierre de la vlvula de escape, es esencial ser capaz de estimar el tiempo que le toma a esta onda de presin viajar a travs de la columna de gas de la salida de la vlvula de escape al final del tubo de escape y ser reflejada a su punto de partida en la vlvula de escape.

Los mismos principios que se aplican para la admisin de carga dentro del cilindro mediante ondas, se aplican para el tubo de escape. Se calcula el tiempo que le toma a la onda viajar a travs de toda la longitud del tubo de escape y volver que es igual a la distancia recorrida en la onda en su camino de ida y vuelta el puerto de escape dividido por la velocidad del sonido a la cual se mueve el gas bajo condiciones promedio de presin y temperatura:


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Donde: t: tiempo en el cual el pulso viaja de la vlvula de escape al extremo del tubo y

vuelve (s). L: longitud del tubo desde la salida de la vlvula de escape hacia el final del

tubo (m). C: velocidad del sonido a travs de los gases de escape (518 m/s). N: velocidad del cigeal del motor (rpm). t: desplazamiento angular del cigeal (grados). Por lo tanto, el desplazamiento angular del cigeal t durante el mismo intervalo de

tiempo es igual a:

El clculo ptimo de la longitud del tubo de escape se realizara de manera de aumentar

el pico de rendimiento volumtrico alcanzado por el motor. Esto se da a una velocidad de giro del motor de 3000 rpm, que es donde se da la mxima PME y por ende el mximo valor del rendimiento volumtrico. Los clculos se pueden observar a continuacin en la Tabla 4.10.1 y en el Grafico 4.10.1.

Tabla 4.10.1.

N (RPM) C (m/s) L (mm)

1500 518 120 3453,33

2000 518 120 2590,00

2500 518 120 2072,00

3000 518 120 1726,67

3500 518 120 1480,00

4000 518 120 1295,00

4500 518 120 1151,11

5000 518 120 1036,00

5500 518 120 941,82

6000 518 120 863,33

6500 518 120 796,92


U.N.L.P.


17

DE


18

Grafico 4.10.1.

Por lo tanto la longitud optima del tubo de escape para maximizar el efecto de las ondas de presin ser de L=1725mm.

4.11. Clculo del dimetro ptimo del tubo de escape Para la obtencin del dimetro ptimo del tubo de escape se recurre a la experiencia de

fabricantes de los mismos. Para un motor de este tipo, con modificaciones o mejoras solo en tubos de admisin y tubos de escape de competicin, se adopta un dimetro nominal de tubo de escape de 1 (42,2 mm exterior, 3,56 mm de espesor). Con estas dimensiones aseguramos el correcto desalojo de los gases de escape.

4.12. Diseo de los tubos de escape y del mltiple de escape. Para obtener altos rendimientos se necesita la utilizacin de tubos de escape largos de

igual longitud, en grupos de tres, que se unen en sus extremos. Por lo tanto convergen para formar dos tubos intermedios, como se observa en la Figura 4.12.1. En el punto de unin donde los tres tubos se unen, aumenta el rea de la seccin de pasaje de los gases de modo que las ondas de presin se liberan cuando las vlvulas de escape se abren, y por lo tanto se reflejarn en este volumen de pasaje ampliado. Las ondas de presin viajan aguas arriba de los tubos de escape, a los puertos de escape cerrados, donde se reflejan de nuevo. El viaje de vuelta de la onda alrededor de la unin de los tubos, de vuelta a la lumbrera de escape, tarda un determinado tiempo tal que llega como una onda negativa cuando el pistn est en el PMS con la vlvula de admisin abierta y la vlvula de escape est empezando a cerrarse. Por lo tanto, la interferencia de estas ondas de presin se puede utilizar para mejorar la extraccin de los gases de escape residuales del cilindro hacia el final del ciclo de escape.

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

3000.00

3500.00

4000.00

1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

Lon

gitu

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l efe

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de

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a (m

m)

Velocidad del motor (RPM)


U.N.L.P.


18

DE


18

Figura 4.12.1

Las dimensiones del mltiple de escape seleccionado son las siguientes:

Desde puerto de escape al primer cono (3 a 1): 900 mm.

Largo del cono: 150 mm.

Desde el primer cono al segundo cono (2 a 1): 180 mm para el cono primario ms alejado y 45 mm para el ms cercano.

Largo cono secundario: 145 mm.

Largo brida de conexin posterior: 65 mm.

Largo salida de escape: 285 mm.

5. Bibliografa

Advanced engine technology Heinz Heisler. Apuntes de Termotecnia II Facultad de ingeniera, UNLP. Apuntes de Proyecto de motores Facultad de ingeniera, UNLP.

2012-8 rendimiento volumetrico.pdf

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